Advanced Functional Materials:GaN/AlGaN极性调控诱导内源性电刺激促进骨再生

快速高效的骨再生在目前临床骨疾病的治疗中仍然是一个挑战。尽管当前的仿生电活性材料已经展现出了巨大的促进骨再生潜力,但是电学性能的不稳定,和电荷极性促进骨再生的内在机制不明确,极大的限制了其在临床中的应用和发展。因此开发一种能够提供稳定可控内源性电刺激的材料体系,对于仿生电活性材料的临床转化应用具有重要意义。华南理工大学李国强(王文樑)教授团队联合南方医科大学邵龙泉教授团队,将GaN/AlGaN植入于骨缺损处,通过调控GaN/AlGaN压电极化、自极化的强度和方向,控制材料表面极性介导的内源性电刺激,促进体内骨再生和干细胞成骨分化。并以此为电活性平台,深入研究了材料表面电荷调控干细胞成骨分化的内在机制。实验表明不同极性GaN/AlGaN表面Zeta电位均位于生理电势范围内(-10~-90 mV)。体内实验表明,与表面带正电荷的氮极性GaN/AlGaN(N-GaN/AlGaN)相比,表面带负电荷的镓极性GaN/AlGaN(Ga-GaN/AlGaN)能够更快的诱导大鼠股骨缺损的修复;体外实验表明Ga-GaN/AlGaN能够显著的促进大鼠骨髓间充质干细胞(BMSCs)的黏附、铺展、迁移和成骨分化。进一步探究Ga-GaN/AlGaN促进BMSCs成骨分化的机制,发现Ga-GaN/AlGaN能够在成骨早期阶段显著的上调BMSCs的骨形态发生蛋白6(BMP6)表达,进而诱导BMSCs成骨向分化。这表明BMP6可能是一种受细胞外电学微环境调控的电敏感成骨蛋白。

与传统的电活性材料相比,GaN和AlGaN不仅具有优秀的生物相容性,还能够通过结构设计、成分掺杂、生长方向调控其自极化和压电极化提供稳定可控的内源性电刺激。同时,GaN/AlGaN在细胞电信号监测的广泛应用,使其具备同时刺激、操控、监控细胞电生理活动的潜力。因此研究者相信,该研究的发表将为III族氮化物在组织工程领域的应用打开新思路,也为智能仿生电活性材料在刺激、操纵、监控细胞电生理活动的设计提供新方向。