聚醚醚酮纤维负载氧化铋的压电效应对成骨细胞分化的刺激作用

doi:10.7503/cjcu20240169

高等学校化学学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (7): 20240169.doi: 10.7503/cjcu20240169

聚醚醚酮纤维负载氧化铋的压电效应对成骨细胞分化的刺激作用

梁露娴¹, 宋安琪¹, 周扬¹, 孙平¹^,²(), 王德强¹(), 魏杰¹()

^1.华东理工大学材料科学与工程学院, 超细材料制备与应用教育部重点实验室, 上海 200237
^2.上海市第八人民医院骨科, 上海 200235

收稿日期:2024-04-04 出版日期:2024-07-10 发布日期:2024-05-28
通讯作者: 魏杰 E-mail:sunping1127@126.com;Derek_wang@ecust.edu.cn;jwei@ecust.edu.cn
作者简介:孙平, 男, 硕士, 副主任医师, 主要从事骨科创伤与修复方面的研究. E-mail: sunping1127@126.com
王德强, 男, 博士, 副教授, 主要从事生物复合材料方面的研究. E-mail: Derek_wang@ecust.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(32171340)

Piezoelectric Effect of Polyether Ether Ketone Fibers Loaded with Bismuth Oxide Stimulating Osteogenic Differentiation

LIANG Luxian¹, SONG Anqi¹, ZHOU Yang¹, SUN Ping¹^,²(), WANG Deqiang¹(), WEI Jie¹()

^1.Key Laboratory for Ultrafine Materials of the Ministry of Education，School of Materials Science and Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China
^2.Department of Orthopaedics，Shanghai Eighth People’s Hospital，Shanghai 200235，China

Received:2024-04-04 Online:2024-07-10 Published:2024-05-28
Contact: WEI Jie E-mail:sunping1127@126.com;Derek_wang@ecust.edu.cn;jwei@ecust.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(32171340)

摘要/Abstract

摘要：

采用超声剥离法制备压电性能优良的氧空位氧化铋(BiO₂_‒x ), 利用绿原酸将BiO₂_‒x 负载在聚醚醚酮(PEEK)纤维表面, 制备了一种具有压电效应的肩袖补片材料, 研究了该材料对巨噬细胞极化和成骨细胞分化行为的影响. 结果表明, 负载BiO_2‒_x 后, PEEK纤维不仅表面性能(粗糙度、亲水性和表面能等)明显改善, 而且压电性能也显著提高(压电系数为3.8 pC/N, 开路电压为0.97 V, 短路电流为575.6 μA). 该材料不仅促进巨噬细胞向抗炎型M2极化, 而且促进成骨细胞黏附、增殖和成骨分化, 在修复肩袖撕裂方面具有潜在的应用前景.

关键词: 聚醚醚酮纤维, 表面改性, 压电性能, 巨噬细胞极化, 成骨细胞分化

Abstract:

Oxygen-vacancy bismuth oxide（BiO_2‒_x ） with excellent piezoelectric property was prepared by ultrasonic peel method and loaded on polyether ether ketone（PEEK） fiber by using chlorogenic acid. A kind of rotator cuff patch material with piezoelectric effect was designed， and its effects on macrophage polarization and osteoblast behavior were studied. The results showed that after loading BiO_2‒_x， not only the surface properties（roughness， hydrophilicity， and surface energy， etc.） of PEEK fibers were obviously improved， but also the piezoelectric properties were significantly enhanced（piezoelectric coefficient of 3.8 pC/N， output voltage of 0.97 V and output current of 575.6 μA）. The patch material not only promoted the anti-inflammatory M2 macrophage polarization， but also promoted the adhesion， proliferation， and osteogenic differentiation of osteoblasts. The patch material has potential application for repairing rotator cuff tear.

Key words: Polyether ether ketone fiber, Surface modification, Piezoelectric effect, Macrophage polarization, Osteoblast differentiation

中图分类号:

O631

TrendMD:

梁露娴, 宋安琪, 周扬, 孙平, 王德强, 魏杰. 聚醚醚酮纤维负载氧化铋的压电效应对成骨细胞分化的刺激作用. 高等学校化学学报, 2024, 45(7): 20240169.

LIANG Luxian, SONG Anqi, ZHOU Yang, SUN Ping, WANG Deqiang, WEI Jie. Piezoelectric Effect of Polyether Ether Ketone Fibers Loaded with Bismuth Oxide Stimulating Osteogenic Differentiation. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(7): 20240169.

图/表 9

Table 1 Primers used in this assay

Gene	Primer direction	Primer sequence （5′ to 3′）
Mouse IL⁃1β	Forward	GCAACTGTTCCTGAACTCAACT
	Reverse	ATCTTTTGGGGTCCGTCAACT
Mouse IL⁃6	Forward	TAGTCCTTCCTACCCCAATTTCC
	Reverse	TTGGTCCTTAGCCACTCCTTC
Mouse IL⁃4	Forward	GCCATATCCACGGATGCGACA
	Reverse	TCCATCTCCGTGCATGGCGTC
Mouse IL⁃10	Forward	GGCTGGACGAGAGCCGAACG
	Reverse	CCCGGGGTGTAGGCACCACT

Fig.1 TEM image of BiO2‒x (A), XRD(B), EPR(C), XPS(D), high⁃resolution O1s (E) and Bi4f (F) XPS spectra of Bi2O3 and BiO2‒xInset in （A）： HRTEM image of BiO2‒x .

Fig.2 PFM amplitude(A, E) and phase(B, F) plots, amplitude curves(C, G) and phase hysteresis loops(D, H) of Bi2O3(A—D) and BiO2‒x (E—H)

Fig.3 SEM images(A—C) and EDS(D—F) of PEEK(A, D), PKCA(B, E) and PCBO(C, F)Insets： SEM images with high magnification.

Fig.4 FTIR spectra(A), surface roughness(B), water contact angle and surface energy(C), d33(D), output current(E) and output voltage(F) of PEEK, PKCA and PCBO（B， C） Error bars represent standard deviation （n=3）； *P<0. 05， **P<0.01， ***P<0.001， ****P<0.0001 vs. PEEK group.

Fig.5 SEM(A—C) and fluorescence(D—F) images of RAW264.7 cells after culturing on PEEK(A, D), PKCA(B, E) and PCBO(C, F) for 3 d(iNOS of M1 marker: green； CD206 of M2 marker: red)

Fig.6 Expression of inflammation⁃related genes(A—D) and secretory of inflammatory cytokines(E—H) of RAW264.7 cells after culturing on PEEK, PKCA and PCBO for 3 dError bars represent standard deviation（n=3）； *P<0. 05， **P<0.01， ***P<0.001， ****P<0. 0001 vs. PEEK group.

Fig.7 SEM(A1—A6) and CLSM(B1—B6) images of BMSC after culturing on PEEK, PKCA and PCBO for 1 d and 3 d, and cell adhesion(C) and proliferation(D) of BMSC after culturing on PEEK, PKCA and PCBO for different time（C， D） Error bars represent standard deviation （n=3）； *P<0.05， **P<0.01， ***P<0.001， ****P<0.0001） vs. PEEK group.

Fig.8 Views of ALP staining(A) and ARS staining(B), quantitative evaluation of ALP activity(C) and calcium module formation(D) of BMSC after culturing on PEEK, PKCA and PCBO for 14 d(A, C) and 21 d (B, D)（C， D） Error bars represent standard deviation （n=3）； * P<0. 05， ** P<0.01， *** P<0.001， **** P<0.0001vs. PEEK group.

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聚醚醚酮纤维负载氧化铋的压电效应对成骨细胞分化的刺激作用

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