Bioactive Ion-Doped Monetite/Chitosan Thermosensitive Hydrogels with Dual Osteogenic and Pro-Angiogenic Stimuli for Bone Regeneration.

چکیده اصلی

The development of multifunctional scaffolds capable of orchestrating the complex cascade of bone regeneration, cell recruitment, vascularization, and extracellular matrix deposition remains a significant challenge in regenerative medicine. This study introduces a dual-strategy biomaterial system. On one hand, pure monetite (CaP), cobalt-doped monetite (CoCaP), and magnesium-doped monetite (MgCaP) powders were synthesized via coprecipitation to deliver specific ionic cues. On the other hand, these bioactive powders were incorporated into a thermosensitive chitosan/β-glycerophosphate (β-GP) hydrogel to create an injectable, conformable composite. Then, comprehensive physicochemical characterization (X-ray diffraction, Raman, Fourier transform infrared (FTIR), and scanning electron microscopy/energy dispersive spectroscopy) confirmed phase-pure monetite with successful ionic incorporation. FTIR analysis of the hydrogels revealed characteristic bands for chitosan, with evidence of the establishment of electrostatic interactions between protonated amino groups and phosphate species. The composite hydrogels exhibited shear-thinning behavior, storage modulus (G') exceeding loss modulus (G″), and tunable mechanical properties, with MgCaP composites displaying the highest stiffness. Indirect contact assays on CoCaP powders and hydrogels confirmed enhanced cell adhesion, migration, and expression of pro-angiogenic genes and matrix metalloproteinases. MgCaP formulations robustly upregulated osteogenic markers. Additionally, direct cell contact with composite hydrogels dramatically amplified transcriptional responses on adhesion, cell cycle, and osteogenic genes, particularly on MgCaP hydrogels. Altogether, this work demonstrates that ionic doping confers distinct and complementary bioactivities to monetite, pro-angiogenic/migratory Co2+, and osteogenic/matrix-synthetic Mg2+, and that chitosan hydrogels represent an injectable vehicle that amplifies bioactive signaling upon direct cell contact, thus offering a versatile and innovative platform for bone tissue engineering.

ترجمه فارسی چکیده

توسعه سکول‌های چندمنظوره که قادر به هماهنگی زنجیره پیچیده بازسازی استخوان، جذب سلولی، عروق‌زایی و رسوب ماتریس خارج سلولی باقی مانده است، چالش مهمی در پزشکی بازسازی است. این مطالعه یک سیستم زیست‌ماده دو استراتژی را معرفی می‌کند. از یک سو، پودرهای مونیت خالص (CaP)، مونیت آغشته به کبالت (CoCaP) و مونیت آغشته به منیزیم (MgCaP) از طریق هم‌رسانی هم‌گن سنتز شدند تا هدایت‌های یونی خاصی ارائه دهند. از سوی دیگر، این پودرهای زیست‌فعال در یک هیدروژل ترموحساس چیتوسان/β-گلیسروفسفات (β-GP) برای ایجاد یک کامپوزیت تزریقی و انطباق‌پذیر ادغام شدند. سپس، ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی جامع (طیف‌سنجی پراش اشعه ایکس، رامان، تبدیل فوریه مادون قرمز و میکروسکوپ الکترونی روبشی/طیف‌سنجی پراکنش انرژی) پایداری فاز مونیت با ادغام موفقیت‌آمیز یونی را تأیید کرد. تحلیل FTIR هیدروژل‌ها باندهای مشخص چیتوسان را نشان داد و شواهدی از برقراری تعاملات الکترواستاتیک بین گروه‌های آمین پروتون‌شده و گونه‌های فسفات را ارائه داد. هیدروژل‌های کامپوزیتی رفتار روان‌شکنی را نشان دادند، مدول ذخیره (G') از مدول اتلاف (G″) بیشتر بود و خواص مکانیکی قابل تنظیم داشتند، با کامپوزیت‌های MgCaP بالاترین سختی را نشان دادند. آزمون‌های تماس غیرمستقیم روی پودرهای CoCaP و هیدروژل‌ها، چسبندگی، مهاجرت و بیان ژن‌های پرو-آنگیوژنیک و ماتریس متالوپروتئین‌ها را تایید کرد. فرمول‌های MgCaP به طور قوی نشانه‌های استخوان‌سازی را بالا بردند. علاوه بر این، تماس مستقیم سلول با هیدروژل‌های کامپوزیتی پاسخ‌های ترنسکریپتونی را در مورد چسبندگی، چرخه سلول و ژن‌های استخوان‌سازی به شدت تقویت کرد، به ویژه در هیدروژل‌های MgCaP. در مجموع، این کار نشان می‌دهد که آغشته‌سازی یونی فعالیت‌های زیست‌فعال متفاوت و مکملی به مونیت، پرو-آنگیوژنیک/مهاجرتی Co2+ و استخوان‌سازی/سنتز ماتریس Mg2+ را اعمال می‌کند و اینکه هیدروژل‌های چیتوسان یک وسیله تزریقی هستند که سیگنال‌دهی زیست‌فعال را در تماس مستقیم سلول تقویت می‌کنند، بنابراین یک پلتفرم متنوع و نوآورانه برای مهندسی بافت استخوان ارائه می‌دهند.

متن کامل اصلی