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Honeycomb-inspired ZIF-sealed interface enhances osseointegration via anti-infection and osteoimmunomodulation

骨整合 材料科学 生物膜 体内 葡萄糖氧化酶 细胞生物学 免疫系统 生物医学工程 牙髓干细胞 生物物理学 化学 纳米技术 间充质干细胞 生物 免疫学 细菌 生物传感器 植入 生物技术 医学 外科 遗传学
作者
Jiale Dong,Wei Zhou,Xianli Hu,Jiaxiang Bai,Siming Zhang,Xianzuo Zhang,Lei Yu,Peng Yang,Lingtong Kong,Mingkai Liu,Xifu Shang,Zheng Su,Dechun Geng,Chen Zhu
出处
期刊:Biomaterials [Elsevier BV]
卷期号:307: 122515-122515 被引量:41
标识
DOI:10.1016/j.biomaterials.2024.122515
摘要

Implant-associated infections (IAIs) pose a significant threat to orthopedic surgeries. Bacteria colonizing the surface of implants disrupt bone formation-related cells and interfere with the osteoimmune system, resulting in an impaired immune microenvironment and osteogenesis disorders. Inspired by nature, a zeolitic imidazolate framework (ZIF)-sealed smart drug delivery system on Ti substrates (ZSTG) was developed for the "natural-artificial dual-enzyme intervention (NADEI)" strategy to address these challenges. The subtle sealing design of ZIF-8 on the TiO2 nanotubes ensured glucose oxidase (GOx) activity and prevented its premature leakage. In the acidic infection microenvironment, the degradation of ZIF-8 triggered the rapid release of GOx, which converted glucose into H2O2 for disinfection. The Zn2+ released from degraded ZIF-8, as a DNase mimic, can hydrolyze extracellular DNA, which further enhances H2O2-induced disinfection and prevents biofilm formation. Importantly, Zn2+-mediated M2 macrophage polarization significantly improved the impaired osteoimmune microenvironment, accelerating bone repair. Transcriptomics revealed that ZSTG effectively suppressed the inflammatory cascade induced by lipopolysaccharide while promoting cell proliferation, homeostasis maintenance, and bone repair. In vitro and in vivo results confirmed the superior anti-infective, osteoimmunomodulatory, and osteointegrative capacities of the ZSTG-mediated NADEI strategy. Overall, this smart bionic platform has significant potential for future clinical applications to treat IAIs.
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