Regulation of TiO2 @PVDF piezoelectric nanofiber membranes on osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells

材料科学 聚偏氟乙烯 碱性磷酸酶 骨钙素 压电 纳米纤维 骨整合 再生(生物学) 生物医学工程 间充质干细胞 细胞生物学 纳米技术 复合材料 化学 聚合物 植入 生物 生物化学 医学 外科
作者
Jing Liu,Yaya Cheng,Haoyu Wang,Dingyi Yang,Cunshun Liu,Weixin Dou,Xue Jiang,Hongzhang Deng,Rusen Yang
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier]
卷期号:115: 108742-108742 被引量:51
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2023.108742
摘要

Bioactive piezoelectric materials with similar properties as natural bone tissue with piezoelectricity have been explored for bone repair. Polyvinylidene fluoride (PVDF) is among the most studied piezoelectric polymers and has been manifested to promote osteogenic differentiation. Unfortunately, in the practical application of bone repair, bioactive materials as implants have faced poor electrical signal stability and poor modulation of bone regeneration, which have seriously hindered their further development. Here, we fabricated a composite piezoelectric fibrous membrane with titanium dioxide (TiO2) nanoparticles and PVDF (TiO2 @PVDF) for cellular osteogenic differentiation. The expression quantity of the gene osteocalcin (OCN) with the piezoelectric fibrous membrane was 49 times and 6 times higher than the expression quantity of OCN with the control group and with the pure polyvinylidene fluoride (PVDF), respectively. Moreover, the membrane with 0.3 wt% TiO2 (P-0.3TN) generated high surface potential and significantly promoted cell adhesion and proliferation through electromechanical stimulation early in osteogenic differentiation. Alkaline phosphatase (ALP) activity was increased up to 2-fold by stimulation of electrical and mechanical signals through piezoelectric fibers, effectively inducing osteogenic differentiation at the early stage. The proposed mechanism of regulating osteogenic differentiation behavior by the surface potential of TiO2 @PVDF piezoelectric fiber composite membrane provides guidance for designing electroactive materials to promote osteogenic differentiation and bone regeneration and remodeling.
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