Self-Adhesive Hydrogel Biomimetic Periosteum to Promote Critical-Size Bone Defect Repair via Synergistic Osteogenesis and Angiogenesis

材料科学 骨膜 骨愈合 再生(生物学) 生物活性玻璃 生物医学工程 细胞外基质 组织工程 细胞生物学 解剖 生物 复合材料 医学
作者
Zhen Yang,Zhengyu Yang,Lin Ding,Peng Zhang,Cong Liu,Dafu Chen,Fujian Zhao,Gang Wang,Xiaofeng Chen
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (32): 36395-36410 被引量:79
标识
DOI:10.1021/acsami.2c08400
摘要

The periosteum plays an important role in the regeneration of critical-size bone defects, with functions of recruiting multiple cells, accelerating vascular network reconstruction, and guiding bone tissue regeneration. However, these functions cannot be easily implemented by simply simulating the periosteum via a material structure design or by loading exogenous cytokines. Herein, inspired by the periosteal function, we propose a biomimetic periosteum preparation strategy to enhance natural polymer hydrogel membranes using inorganic bioactive materials. The biomimetic periosteum having bone tissue self-adhesive functions and resembling an extracellular matrix was prepared using dopamine-modified gelatin and oxidized hyaluronan (GA/HA), and micro/nanobioactive glass (MNBG) was further incorporated into the hydrogel to fabricate an organic/inorganic co-crosslinked hydrogel membrane (GA/HA-BG). The addition of MNBG enhanced the stability of the natural polymer hydrogel membrane, resulting in a sustained degradation time, biomineralization, and long-term release of ions. The Ca 2+ and SiO 4 4– ions released by bioactive glass were shown to recruit cells and promote the differentiation of bone marrow stromal cells into osteoblasts, initiating multicentric osteogenic behavior. Additionally, the bioactive ions were able to continuously stimulate the endogenous expression of vascular endothelial growth factor from human umbilical vein endothelial cells through the PI3K/Akt/HIF-1α pathway, which accelerated vascularization of the defect area and synergistically promoted the repair of bone defects. This organic–inorganic biomimetic periosteum has been proved to be effective and versatile in critical-size bone defect repair and is expected to provide a promising strategy for solving clinical issues.
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