Zn/Sr dual ions-collagen co-assembly hydroxyapatite enhances bone regeneration through procedural osteo-immunomodulation and osteogenesis

细胞生物学 Wnt信号通路 体内 间充质干细胞 化学 生物材料 再生(生物学) 免疫系统 材料科学 生物医学工程 生物物理学 纳米技术 生物化学 免疫学 信号转导 生物 医学 生物技术
作者
Zhenyu Zhong,Xiaodan Wu,Yifan Wang,Mengdie Li,Yan Li,XuLong Liu,Xin Zhang,Ziyang Lan,Jianglin Wang,Yingying Du,Shengmin Zhang
出处
期刊:Bioactive Materials [Elsevier BV]
卷期号:10: 195-206 被引量:159
标识
DOI:10.1016/j.bioactmat.2021.09.013
摘要

The immune microenvironment induced by biomaterials played vital roles in bone regeneration. Hydroxyapatite (HA) and its ion-substituted derivates represent a large class of core inorganic materials for bone tissue engineering. Although ion substitution was proved to be a potent way to grant HA more biological functions, few studies focused on the immunomodulatory properties of ion-doped HA. Herein, to explore the potential osteoimmunomodulatory effects of ion-doped HA, zinc and strontium co-assembled into HA through a collagen template biomimetic way (ZnSr-Col-HA) was successfully achieved. It was found that ZnSr-Col-HA could induce a favorable osteo-immune microenvironment by stimulating macrophages. Furthermore, ZnSr-Col-HA demonstrated a procedural promoting effect on osteogenic differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs) in vitro. Specifically, the osteo-immune microenvironment acted as a dominant factor in promoting osteogenic gene expressions at the early stage through OSM signal pathway. Whereas the direct stimulating effects on BMSCs by Zn2+/Sr2+ were more effectively at the later stage with Nfatc1/Maf and Wnt signals activated. In vivo study confirmed strong promoting effects of ZnSr-Col-HA on critical-sized cranial defect repair. The current study indicated that such a combined biomaterial design philosophy of dual ion-doping and biomimetic molecular co-assembly to endow HA applicable osteoimmunomodulatory characteristics might bring up a new cutting-edge concept for bone regeneration study.
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