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Polydopamine Codoped BaTiO3-Functionalized Polyvinylidene Fluoride Coating as a Piezo-Biomaterial Platform for an Enhanced Cellular Response and Bioactivity

材料科学 纳米复合材料 聚偏氟乙烯 生物相容性 涂层 模拟体液 化学工程 表面改性 生物材料 纳米颗粒 复合材料 磷灰石 纳米技术 聚合物 扫描电子显微镜 冶金 工程类
作者
Vidushi Sharma,Sheetal Chowdhury,Suryasarathi Bose,Bikramjit Basu
出处
期刊:ACS Biomaterials Science & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:8 (1): 170-184 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acsbiomaterials.1c00879
摘要

For a number of clinical applications, Ti6Al4V implants with bioactive coatings are used. However, the deposition of a functional polymeric coating with desired physical properties, biocompatibility, and long-term stability remains largely unexplored. Among widely investigated synthetic biomaterials, polyvinylidene fluoride (PVDF) with β-polymorph and barium titanate (BaTiO3, BT) are considered as good examples of piezo-biopolymers and bioceramics, respectively. In this work, an adherent PVDF-based nanocomposite coating is deposited onto a Ti6Al4V substrate to explore the impact of its functional characteristics (piezoactivity) on cellular behavior and bioactivity (apatite growth and mineralized matrix formation). The precursor solution was prepared by physically grafting PVDF with polydopamine (pDOPA), forming mPVDF. Subsequently, mPVDF was reinforced with BaTiO3 nanoparticles in dimethylformamide/acetone solution, and the resulting nanocomposite (mPVDF-BT) was then spray-coated onto a roughened Ti6Al4V substrate using an airbrush at 140 °C under a pressure of 2 bar. The reproducibility of this simple yet effective processing approach to deposit chemically stable and adherent coatings was established. Remarkably, the modification with pDOPA and reinforcement with BaTiO3 nanoparticles resulted in an enhanced β-fraction of PVDF up to 96%. This nanocomposite encouraged cellular viability of preosteoblasts (∼158% at day 5) and characteristic spreading, in vitro. Our findings indicate that the mPVDF-BT coating facilitated faster nucleation and growth of the biomineralized apatite layer with ∼70% coverage within 3 days of incubation in the simulated body fluid. In addition, the coupling among surface polar energy (5.5 mN/m), fractional polarity (∼117%), roughness (8.7 μm), and fibrous morphology also endorsed better cellular behavior. Taken together, this coating deposition strategy will pave the pathway toward designing cell-instructive surface-modified Ti6Al4V biomaterials with tailored biomineralization and bioactivity properties for musculoskeletal reconstruction and regeneration applications.
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