Black-Phosphorus-Nanosheet-Reinforced Coating of Implants for Sequential Biofilm Ablation and Bone Fracture Healing Acceleration

材料科学 骨愈合 生物膜 涂层 转录组 体内 间充质干细胞 骨折 生物医学工程 纳米技术 生物 细胞生物学 基因表达 基因 细菌 生物化学 医学 解剖 放射科 生物技术 遗传学
作者
Bo Yuan,Xin Zhou,Yingke Li,Yin Zhao,Mintao Xue,Qunfeng Guo,Gang Zheng,Xiongsheng Chen,Han Lin,Xiang Guo
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (41): 47036-47051 被引量:31
标识
DOI:10.1021/acsami.2c13566
摘要

Incurable implant-related infection may cause catastrophic consequences due to the existence of a biofilm that resists the infiltration of host immune cells and antibiotics. Innovative approaches inspired by nanomedicine, e.g., engineering innovative multifunctional bionic coating systems on the surface of implants, are becoming increasingly attractive. Herein, 2D black phosphorus nanosheets (BPs) were loaded onto a hydroxyapatite (HA)-coated metal implant to construct a BPs@HA composite coating. With its photothermal conversion effect and in situ biomineralization, the BPs@HA coating shows excellent performances in ablating the bacterial biofilm and accelerating fracture healing, which were verified through both in vitro and in vivo studies. Moreover, differentially expressed genes of bone formation and bone mesenchymal stem cells (BMSCs) regulated by the BPs@HA coating were identified using absolute quantitative transcriptome sequencing followed by the screening of gene differential expressions. A functional enrichment analysis reveals that the expression of core markers related to BMSC differentiation and bone formation could be effectively regulated by BPs through a metabolism-related pathway. This work not only illustrates the great potential in clinical application of the BPs@HA composite coating to eliminate bacteria and accelerate bone fracture healing but also contributes to an understanding of the underlying molecular mechanism of osteogenesis physiological function regulation based on an analysis of absolute quantitative transcriptome sequencing.
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