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Modular assembly of nanocomposite hydrogel with NIR-responsive black phosphorus release and mild photothermal synergy for enhanced regenerative microenvironment and accelerated infectious bone repair

作者
Xiangru Chen,Zhiwei Sun,Zhi Jie Zheng,Yinghao Cao,Zhou Wan,Heyan Huang,Qianlong Huang,Changmao Zhang,Jiajia Chang,Hui Chen,Changyan Jiang,Qijun Xu,Yanqing Yang,Chuchao Zhou
出处
期刊:Journal of Nanobiotechnology [BioMed Central]
卷期号:24 (1)
标识
DOI:10.1186/s12951-026-04434-x
摘要

Infectious bone defects remain a clinical challenge due to the lack of spatiotemporal control over bacterial infection, immune microenvironment modulation, vascular regeneration, and osteogenic differentiation. Herein, we engineered a modularly assembled 808 nm near-infrared (NIR)-responsive therapeutic system with three functional modules, including a 3D-printed honeycomb-mimetic poly(lactic acid) (HP) framework as a mechanically supportive module, collagen-graphene oxide-black phosphorus (CGB) nanocomposite hydrogel as an ECM-mimetic filling module, and NIR-responsive black phosphorus (BP)-release module. Under NIR-induced mild photothermal effects, CGB@HP hydrogel exhibited NIR-responsive BP-release, BP’s degradation into PO 4 3− , and upregulation of heat shock protein 47, thus promoting antibacterial activity, osteogenesis and angiogenesis capacities, and induction of macrophage polarization toward the pro-reparative M2 phenotype. In vivo validation in a rat model of infectious critical-sized bone defects further demonstrated that the CGB@HP system accelerated bone healing by attenuating local inflammation, upregulating pro-healing factor secretion, recruiting endogenous stem cells, and stimulating vascular regeneration. Collectively, this work introduces a modular NIR-responsive platform that leverages synergistic physical (mild photothermal therapy) and chemical (BP release/degradation) cues to remodel the damaged tissue microenvironment. By integrating structural support, bioactive molecule delivery, and NIR-responsive immunomodulation, this modular assembly offers a promising strategy and broad implications for infectious bone regeneration through the combination of multifunctional modules into a construct.

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