Si-doping bone composite based on protein template-mediated assembly for enhancing bone regeneration

Abstract

Bio-inspired hybrid materials that contain organic and inorganic networks interpenetration at the molecular level have been a particular focus of interest on designing novel nanoscale composites. Here we firstly synthesized a series of hybrid bone composites, silicon-hydroxyapatites/silk fibroin/collagen, based on a specific molecular assembled strategy. Results of material characterization confirmed that silicate had been successfully doped into nano-hydroxyapatite lattice. In vitro evaluation at the cellular level clearly showed that these Si-doped composites were capable of promoting the adhesion and proliferation of rat mesenchymal stem cells (rMSCs), extremely enhancing osteoblastic differentiation of rMSCs compared with silicon-free composite. More interestingly, we found there was a critical point of silicon content in the composition on regulating multiple cell behaviors. In vivo animal evaluation further demonstrated that Si-doped composites enabled to significantly improve the repair of cranial bone defect. Consequently, our current work not only suggests fabricating a potential bone repair materials by integrating element-doping and molecular assembled strategy in one system, but also paves a new way for constructing multi-functional composite materials in the future.

Keywords

silicate-doped / molecular assembly / biomimetic bone / bone regeneration / osteoblastic differentiation

References

[1] Mieszawska A J ,  Fourligas N ,  Georgakoudi I , . Osteoinductive silk-silica composite biomaterials for bone regeneration. Biomaterials, 2010, 31(34): 8902–8910

[2] Khan A F, Saleem  M, Afzal A , . Bioactive behavior of silicon substituted calcium phosphate based bioceramics for bone regeneration. Materials Science and Engineering C: Materials for Biological Applications, 2014, 35: 245–252

[3] Ma R, Tang  S, Tan H , . Preparation, characterization, in vitro bioactivity, and cellular responses to a polyetheretherketone bioactive composite containing nanocalcium silicate for bone repair. ACS Applied Materials & Interfaces, 2014, 6(15): 12214–12225

[4] Wang S, Wang  X, Draenert F G , . Bioactive and biodegradable silica biomaterial for bone regeneration. Bone, 2014, 67: 292–304

[5] Pabbruwe M B, Standard  O C, Sorrell  C C, . Effect of silicon doping on bone formation within alumina porous domains. Journal of Biomedical Materials Research Part A, 2004, 71(2): 250–257

[6] Hing K A, Revell  P A, Smith  N, . Effect of silicon level on rate, quality and progression of bone healing within silicate-substituted porous hydroxyapatite scaffolds. Biomaterials, 2006, 27(29): 5014–5026

[7] Nakata K, Kubo  T, Numako C , . Synthesis and characterization of silicon-doped hydroxyapatite. Materials Transactions, 2009, 50(5): 1046–1049

[8] Manchón A, Alkhraisat  M, Rueda-Rodriguez C , . Silicon calcium phosphate ceramic as novel biomaterial to simulate the bone regenerative properties of autologous bone. Journal of Biomedical Materials Research Part A, 2015, 103(2): 479–488

[9] Aniagyei S E, Dufort  C, Kao C C , . Self-assembly approaches to nanomaterial encapsulation in viral protein cages. Journal of Materials Chemistry, 2008, 18(32): 3763–3774

[10] He G, Dahl  T, Veis A , . Nucleation of apatite crystals in vitro by self-assembled dentin matrix protein 1. Nature Materials, 2003, 2(8): 552–558

[11] Koti A S R ,  Periasamy N . Self-assembly of template-directed J-aggregates of porphyrin. Chemistry of Materials, 2003, 15(2): 369–371

[12] Weiner S, Wagner  H D. The material bone: Structure mechanical function relations. Annual Review of Materials Science, 1998, 28(1): 271–298

[13] Olszta M J, Cheng  X G, Jee  S S, . Bone structure and formation: A new perspective. Materials Science and Engineering R: Reports, 2007, 58(3–5): 77–116

[14] Wang J, Zhou  W, Hu W , . Collagen/silk fibroin bi-template induced biomimetic bone-like substitutes. Journal of Biomedical Materials Research Part A, 2011, 99(3): 327–334

[15] Hardy J G, Scheibel  T R. Composite materials based on silk proteins. Progress in Polymer Science, 2010, 35(9): 1093–1115

[16] Chakraborty J, Sinha  M K, Basu  D. Biomolecular template-induced biomimetic coating of hydroxyapatite on an SS 316 L substrate. Journal of the American Ceramic Society, 2007, 90(4): 1258–1261

[17] Li X, Feng  Q, Liu X , . Collagen-based implants reinforced by chitin fibres in a goat shank bone defect model. Biomaterials, 2006, 27(9): 1917–1923

[18] Gleeson J P, Plunkett  N A, O’Brien  F J. Addition of hydroxyapatite improves stiffness, interconnectivity and osteogenic potential of a highly porous collagen-based scaffold for bone tissue regeneration. European Cells & Materials, 2010, 20: 218–230

[19] Collins A M, Skaer  N J V, Gheysens  T, . Bone-like resorbable silk-based scaffolds for load-bearing osteoregenerative applications. Advanced Materials, 2009, 21(1): 75–78

[20] Denry I, Kuhn  L T. Design and characterization of calcium phosphate ceramic scaffolds for bone tissue engineering. Dental Materials, 2016, 32(1): 43–53

[21] Jiang C Y, Wang  X Y, Gunawidjaja  R, . Mechanical properties of robust ultrathin silk fibroin films. Advanced Functional Materials, 2007, 17(13): 2229–2237

[22] Wang J, Zhou  W, Hu W , . Collagen/silk fibroin bi-template induced biomimetic bone-like substitutes. Journal of Biomedical Materials Research Part A, 2011, 99(3): 327–334

[23] Wen X-R, Tu  C-Q, Wen X-H . Determination of acetylcysteine in pharmaceutical samples by silicomolybdenum blue spectrophotometry. Journal of the Chinese Chemical Society, 2015, 62(3): 296–300

[24] Wang J, Yang  Q, Mao C , . Osteogenic differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells on the collagen/silk fibroin bi-template-induced biomimetic bone substitutes. Journal of Biomedical Materials Research Part A, 2012, 100(11): 2929–2938

[25] Wang Y, Wang  J, Hao H , . In vitro and in vivo mechanism of bone tumor inhibition by selenium-doped bone mineral nanoparticles. ACS Nano, 2016, 10(11): 9927–9937

[26] Yao J, Tjandra  W, Chen Y Z , . Hydroxyapatite nanostructure material derived using cationic surfactant as a template. Journal of Materials Chemistry, 2003, 13(12): 3053–3057

[27] Wang J, Hu  W, Liu Q , . Dual-functional composite with anticoagulant and antibacterial properties based on heparinized silk fibroin and chitosan. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2011, 85(2): 241–247

[28] Tadic D, Epple  M. A thorough physicochemical characterization of 14 calcium phosphate-based bone substitution materials in comparison to natural bone. Biomaterials, 2004, 25(6): 987–994

[29] Clem W C, Chowdhury  S, Catledge S A , . Mesenchymal stem cell interaction with ultra-smooth nanostructured diamond for wear-resistant orthopaedic implants. Biomaterials, 2008, 29(24–25): 3461–3468

[30] Hu Y, Cai  K, Luo Z , . Surface mediated in situ differentiation of mesenchymal stem cells on gene-functionalized titanium films fabricated by layer-by-layer technique. Biomaterials, 2009, 30(21): 3626–3635

[31] Birdi-Chouhan G, Shelton  R M, Bowen  J, . Soluble silicon patterns and templates: calcium phosphate nanocrystal deposition in collagen type 1. RSC Advances, 2016, 6(102): 99809–99815

[32] Bhuiyan D, Jablonsky  M J, Kolesov  I, . Novel synthesis and characterization of a collagen-based biopolymer initiated by hydroxyapatite nanoparticles. Acta Biomaterialia, 2015, 15: 181–190

[33] Li G, Chen  Z Q, Wu  X H, . Study of adherence of normal oral bacteria on polymethyl methyacrylate containing silver-supported silicate inorganic antibacteria. West China Journal of Stomatology, 2007, 25(3): 280–284 (in Chinese)

[34] Kundu B, Rajkhowa  R, Kundu S C , . Silk fibroin biomaterials for tissue regenerations. Advanced Drug Delivery Reviews, 2013, 65(4): 457–470

[35] Nazarov R, Jin  H J, Kaplan  D L. Porous 3-D scaffolds from regenerated silk  fibroin. Biomacromolecules, 2004, 5(3): 718–726

[36] Li L, Guan  Y, Liu H , . Silica nanorattle-doxorubicin-anchored mesenchymal stem cells for tumor-tropic therapy. ACS Nano, 2011, 5(9): 7462–7470

[37] Wu C, Chang  J. A review of bioactive silicate ceramics. Biomedical Materials, 2013, 8(3): 032001

[38] Han P, Wu  C, Xiao Y . The effect of silicate ions on proliferation, osteogenic differentiation and cell signalling pathways (WNT and SHH) of bone marrow stromal cells.  Biomaterials Science, 2013, 1(4): 379–392

Rights & permissions

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg