Advanced Functional Materials:纳米异质结电-力生物学耦合调控骨组织修复

模拟天然组织细胞外基质微环境的物理信号是新型生物材料设计和开发的有效途径。其中,细胞外基质微环境中的力学信号和电学信号均对调节干细胞分化和组织再生起着至关重要的作用。然而,目前尚缺乏可实现力学信号和电学信号耦合作用的生物材料研究。近日,华南理工大学宁成云教授团队与北京积水潭医院陈大福研究员团队合作研发了模拟骨电学信号和纳米拓扑结构力学信号耦合作用的0维/1维纳米异质结材料(TBH)用以实现电-力生物学耦合调控骨组织修复。

图1.氧化铋纳米点/二氧化钛纳米锥异质结调控细胞成骨分化的电-力生物学耦合机制示意图。

本文要点

1)本研究在钛基植入材料表面原位构建的纳米异质结的弹性模量约为7-10GPa,与钛植入物相比显著降低,与骨组织的弹性模量(3-20 GPa)相当,因此该纳米异质结有望通过力生物学转导刺激骨髓间充质干细胞成骨分化。

图2. TBH纳米异质结的形貌、结构及其弹性模量表征

2)由于纳米异质结的构建,TBH比TNC表面电势降低~110 mV,带隙降低到 3.27 eV。且引入氧化铋纳米点后电子迁移率增加,TBH阻抗值的降低将促进材料将电信号更快地传递给细胞。由于 TiO2 纳米锥和 Bi2O3 纳米点之间的电位差,TBH 异质结产生纳米级界面内建电场。因此,TBH纳米异质结实现力生物学信号和本征内建电场信号的原位组合以调节骨再生。

图3. TBH纳米异质结的电学特性表征。

3)体外细胞试验证实,TBH纳米异质结形成的电-力生物学微环境有利于细胞伪足伸长,促进细胞铺展。同时,该电-力生物学微环境可显著增加骨髓间充质干细胞分泌碱性磷酸酶和钙结节量。体内骨缺损植入实验证实了TBH可显著加快体内成骨的速度和质量。成骨机制方面,TBH 可显著增加其表面细胞的YAP 入核率,这表明 TBH 的纳米拓扑结构可以诱导细胞的生物力学信号转导,并进一步影响其粘附、增殖和分化特性。此外,TBH组中细胞内Ca2+水平显着升高,说明纳米级界面内置电场导致细胞内钙浓度升高,电-力生物学耦合通过上调细胞内钙离子水平参与细胞电生理活动的调节,并引发PI3K 基因表达显著增强转导到细胞中,进一步上调成骨相关基因(RUNX2、ALP、BMP-2 和 OCN)的表达。

图4. TBH纳米异质结体内骨组织修复性能及其细胞内力学信号和钙离子信号转导机制研究。

综上所述,本研究报告了骨植入物表面上原位构建氧化铋纳米点与二氧化钛纳米锥形成的零维/一维纳米异质结材料,该纳米异质结在纳米级界面形成内建电场,且弹性模量与骨组织相当,实现电-力生物学微环境调控的骨/植入物界面的骨整合。本研究提供了通过仿生设计植入材料的力-电生物微环境以促进其界面组织再生的新策略。

本文第一作者为华南理工大学硕士生黄晓和邢君博士,华南理工大学宁成云教授、于鹏副研究员和北京积水潭医院陈大福研究员为本文共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划项目和广州市科技计划项目等项目资助。

论文信息:

0D/1D Heterojunction Implant with Electro-Mechanobiological Coupling Cues Promotes Osteogenesis

Xiao Huang, Jun Xing, Zhengao Wang, Jin Han, Renxian Wang, Changhao Li, Cairong Xiao, Fang Lu, Jinxia Zhai, Zhengnan Zhou, Yangfan Li, Lei Zhou, Zhiguo Song, Dafu Chen*, Peng Yu* ,Chengyun Ning* ,Xieyuan Jiang

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202106249

原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202106249