Bio-clickable mussel-inspired peptides improve titanium-based material osseointegration synergistically with immunopolarization-regulation

骨整合 表面改性 材料科学 生物相容性 生物医学工程 纳米技术 植入 化学 冶金 外科 医学 物理化学
作者
Jie Sun,Yingkang Huang,Huan Zhao,Junjie Niu,Xuwei Ling,Can Zhu,Lin Wang,Huilin Yang,Zhilu Yang,Guoqing Pan,Qin Shi
出处
期刊:Bioactive Materials [Elsevier BV]
卷期号:9: 1-14 被引量:73
标识
DOI:10.1016/j.bioactmat.2021.10.003
摘要

Upon the osteoporotic condition, sluggish osteogenesis, excessive bone resorption, and chronic inflammation make the osseointegration of bioinert titanium (Ti) implants with surrounding bone tissues difficult, often lead to prosthesis loosening, bone collapse, and implant failure. In this study, we firstly designed clickable mussel-inspired peptides (DOPA-N3) and grafted them onto the surfaces of Ti materials through robust catechol-TiO2 coordinative interactions. Then, two dibenzylcyclooctyne (DBCO)-capped bioactive peptides RGD and BMP-2 bioactive domain (BMP-2) were clicked onto the DOPA-N3-coated Ti material surfaces via bio-orthogonal reaction. We characterized the surface morphology and biocompatibility of the Ti substrates and optimized the osteogenic capacity of Ti surfaces through adjusting the ideal ratios of BMP-2/RGD at 3:1. In vitro, the dual-functionalized Ti substrates exhibited excellent promotion on adhesion and osteogenesis of mesenchymal stem cells (MSCs), and conspicuous immunopolarization-regulation to shift macrophages to alternative (M2) phenotypes and inhibit inflammation, as well as enhancement of osseointegration and mechanical stability in osteoporotic rats. In summary, our biomimetic surface modification strategy by bio-orthogonal reaction provided a convenient and feasible method to resolve the bioinertia and clinical complications of Ti-based implants, which was conducive to the long-term success of Ti implants, especially in the osteoporotic or inflammatory conditions.
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