Activating Angiogenesis and Immunoregulation to Propel Bone Regeneration via Deferoxamine-Laden Mg-Mediated Tantalum Oxide Nanoplatform

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作者
Zheng Liu,Leizhen Huang,Lin Qi,Li Wang,Huilun Xu,Hao Yang,Limin Liu,Ganjun Feng,Li Zhang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (19): 24384-24397
标识
DOI:10.1021/acsami.4c04316
摘要

Vascularization and inflammation management are essential for successful bone regeneration during the healing process of large bone defects assisted by artificial implants/fillers. Therefore, this study is devoted to the optimization of the osteogenic microenvironment for accelerated bone healing through rapid neovascularization and appropriate inflammation inhibition that were achieved by applying a tantalum oxide (TaO)-based nanoplatform carrying functional substances at the bone defect. Specifically, TaO mesoporous nanospheres were first constructed and then modified by functionalized metal ions (Mg2+) with the following deferoxamine (DFO) loading to obtain the final product simplified as DFO-Mg-TaO. Scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) revealed that the product was homogeneously dispersed hollow nanospheres with large specific surface areas and mesoporous shells suitable for loading Mg2+ and DFO. The biological assessments indicated that DFO-Mg-TaO could enhance the adhesion, proliferation, and osteogenic differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs). The DFO released from DFO-Mg-TaO promoted angiogenetic activity by upregulating the expressions of hypoxia-inducible factor-1 (HIF-1α) and vascular endothelial growth factor (VEGF). Notably, DFO-Mg-TaO also displayed anti-inflammatory activity by reducing the expressions of pro-inflammatory factors, benefiting from the release of bioactive Mg2+. In vivo experiments demonstrated that DFO-Mg-TaO integrated with vascular regenerative, anti-inflammatory, and osteogenic activities significantly accelerated the reconstruction of bone defects. Our findings suggest that the optimized DFO-Mg-TaO nanospheres are promising as multifunctional fillers to speed up the bone healing process.
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