Bioactive prosthesis interface compositing variable-stiffness hydrogels regulates stem cells fates to facilitate osseointegration through mechanotransduction

机械转化 骨整合 自愈水凝胶 生物医学工程 材料科学 细胞外基质 机械生物学 纳米技术 细胞生物学 植入 医学 外科 生物 高分子化学
作者
Zhonghan Wang,Yüe Zhao,Haotian Bai,Fei Chang,Xiaoyu Yang,Xianggang Wang,Jiaqi Liu,Minfei Wu,Quan Lin,Jincheng Wang,He Liu
出处
期刊:International Journal of Biological Macromolecules [Elsevier]
卷期号:259 (Pt 2): 129073-129073 被引量:10
标识
DOI:10.1016/j.ijbiomac.2023.129073
摘要

Fluid hydrogel is proper to be incorporated with rigid porous prosthesis interface, acting as a soft carrier to support cells and therapeutic factors, to enhance osseointegration. In the previous study, we innovatively utilized self-healing supramolecular hydrogel as 3D cell culture platform to incorporate with 3D printed porous titanium alloy scaffold, constructing a novel bioactive interface. However, the concrete relationship and mechanism of hydrogel stiffness influencing cellular behaviors of bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs) within the interface are still inconclusive. Herein, we synthesized a series of supramolecular hydrogels with variable stiffness as extracellular matrix (ECM) to enhance the osseointegration of 3D printed prosthesis interface. BMSCs exposed to stiff hydrogel received massive environmental mechanical stimulations, subsequently transducing biophysical cues into biochemical signal through mechanotransduction process. The mRNA-sequencing analysis revealed that the activated FAK-MAPK pathway played significant roles in promoting osteogenic differentiation, thus contributing to a strong osseointegration. Our work preliminarily demonstrated the relationship of ECM stiffness and osteogenic differentiation trend of BMSCs, and optimized stiffness of hydrogel within a certain range benefitting for osteogenic differentiation and prosthesis interface osseointegration, providing a valuable insight into the development of orthopaedic implants equipped with osteogenic mechanotransduction ability.
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