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Micro-arranged ZnO particles and conductive fillers in PCL composites for enhanced piezoelectric and dielectric properties in bone tissue engineering applications

Primer Autor	Fernandez-Gil, Francisco
Título	Micro-arranged ZnO particles and conductive fillers in PCL composites for enhanced piezoelectric and dielectric properties in bone tissue engineering applications
Editorial	ELSEVIER SCI LTD
Revista	MATERIALS & DESIGN
Lenguaje	en
Resumen	Piezoelectric polymers are promising for replicating bone tissue's piezoelectric properties. Typically, nonpiezoelectric biopolymers are combined with piezoelectric particles, but this yields low piezoelectric output. We addressed this by aligning piezoelectric zinc oxide (ZnO) micro-rods in 3D-printed polycaprolactone (PCL) scaffolds and adding conductive particles like thermally reduced graphene oxide (TrGO). Our findings revealed that controlled particle alignment in PCL/ZnO composites significantly enhanced dielectric properties. TrGO further improved these properties by creating conductive pathways and micro-capacitor networks by apparent polarization due to electron displacement, promoting Maxwell-Wagner-Sillars effect. This design strategy significantly increased dielectric and piezoelectric performance, achieving values akin to bone tissue. TrGO also boosted the piezoelectric response, with maximum voltage generation of 696 +/- 52 and 142 +/- 9 mV during direct contact mechanical pressure by a linear actuator and remote mechanical pressure induced by ultrasound waves, respectively. The 3D-printed composites demonstrated bioactivity for MC3T3-E1, enhanced ALP activity, improved cell adhesion, migration, and extracellular matrix formation under remote ultrasound stimulation, underscoring the potential of these novel ternary composites for bone tissue engineering.Los polímeros piezoeléctricos son prometedores para replicar las propiedades piezoeléctricas del tejido óseo. Normalmente, se combinan biopolímeros no piezoeléctricos con partículas piezoeléctricas, pero esto produce una baja respuesta piezoeléctrica. Abordamos este problema alineando microrods de óxido de zinc (ZnO) piezoeléctrico en andamios de policaprolactona (PCL) impresos en 3D y añadiendo partículas conductoras como el óxido de grafeno reducido térmicamente (TrGO). Nuestros hallazgos revelaron que la alineación controlada de partículas en compuestos de PCL/ZnO mejoró significativamente las propiedades dieléctricas. El TrGO mejoró aún más estas propiedades al crear vías conductoras y redes de microcapacitores mediante polarización aparente debida al desplazamiento de electrones, lo que promueve el efecto Maxwell-Wagner-Sillars. Esta estrategia de diseño aumentó significativamente el rendimiento dieléctrico y piezoeléctrico, alcanzando valores similares a los del tejido óseo. El TrGO también potenció la respuesta piezoeléctrica, con una generación de voltaje máximo de 696 ± 52 y 142 ± 9 mV durante la presión mecánica de contacto directo mediante un actuador lineal y la presión mecánica remota inducida por ondas ultrasónicas, respectivamente. Los compuestos impresos en 3D demostraron bioactividad para MC3T3-E1, actividad ALP mejorada, adhesión celular mejorada, migración y formación de matriz extracelular bajo estimulación ultrasónica remota, lo que subraya el potencial de estos novedosos compuestos ternarios para la ingeniería de tejido óseo.
Tipo de Recurso	artículo original
Description	Piezoelectricity Scaffold 3D-printing Interfacial polarization Ultrasound Particle alignment
doi	10.1016/j.matdes.2025.113672
Formato Recurso	pdf
Palabras Claves	NANOPARTICLES MECHANISM MEMBRANES ALIGNMENT ADHESION SIZE
Ubicación del archivo	http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2025.113672
Materias	NANOPARTICLES MECHANISM MEMBRANES ALIGNMENT ADHESION SIZE
Disciplinas de la OCDE	Ingeniería Médica Biomateriales (Relacionados con implantes médicos, dispositivos y Sensores) Otras Ingenierías y Tecnologías
Versión del recurso (Recomendado-único)	versión publicada
Tipo de ruta	dorada verde
Access Rights	acceso abierto
Derechos de acceso	acceso abierto
Id de Web of Science	WOS:001421722800001
Título de la cita (Recomendado-único)	Micro-arranged ZnO particles and conductive fillers in PCL composites for enhanced piezoelectric and dielectric properties in bone tissue engineering applications
Identificador del recurso (Mandatado-único)	artículo original
Editorial	ELSEVIER SCI LTD
Revista/Libro	MATERIALS & DESIGN
Categoría WOS	Materials Science, Multidisciplinary
Idioma	en
ISSN	0264-1275
License	CC BY-NC 4.0
Entidad financiadora	National Doctoral Scholarship ANID#ANID-Basal Center of Interventional Medicine for Precision and Advanced Cellular Therapy#IMPACT#ANID Exploration Project#Henry Royce Institute for Advanced Materials, UK
Referencia del Financiador (Mandatado si es aplicable-repetible)	National Doctoral Scholarship ANID ANID-Basal Center of Interventional Medicine for Precision and Advanced Cellular Therapy IMPACT [FB210024, EP/P025021/1, EP/P025498/1] ANID Exploration Project [13220007] Henry Royce Institute for Advanced Materials, UK [EP/P025021/1, EP/P025498/1, EP/R00661X/1, EP/S019367/1] [21210230]
Formato	pdf