Multifunctional hydrogel enhances bone regeneration through sustained release of Stromal Cell-Derived Factor-1α and exosomes

间质细胞 微泡 再生(生物学) 材料科学 细胞生物学 生物医学工程 化学 癌症研究 医学 生物 小RNA 生物化学 基因
作者
Lang Chen,Chenyan Yu,Yuan Xiong,Kai Chen,Pei Liu,Adriana C. Panayi,Xiufeng Xiao,Qian Feng,Bobin Mi,Guohui Liu
出处
期刊:Bioactive Materials [Elsevier BV]
卷期号:25: 460-471 被引量:43
标识
DOI:10.1016/j.bioactmat.2022.07.030
摘要

Fracture nonunion remains a great challenge for orthopedic surgeons. Fracture repair comprises of three phases, the inflammatory, repair and remodeling stage. Extensive advancements have been made in the field of bone repair, including development of strategies to balance the M1/M2 macrophage populations, and to improve osteogenesis and angiogenesis. However, such developments focused on only one or the latter two phases, while ignoring the inflammatory phase during which cell recruitment occurs. In this study, we combined Stromal Cell-Derived Factor-1α (SDF-1α) and M2 macrophage derived exosomes (M2D-Exos) with a hyaluronic acid (HA)-based hydrogel precursor solution to synthesize an injectable, self-healing, adhesive HA@SDF-1α/M2D-Exos hydrogel. The HA hydrogel demonstrated good biocompatibility and hemostatic ability, with the 4% HA hydrogels displaying great antibacterial activity against gram-negative E. coli and gram-positive S. aureus and Methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA). Synchronously and sustainably released SDF-1α and M2D-Exos from the HA@SDF-1α/M2D-Exos hydrogel enhanced proliferation and migration of human bone marrow mesenchymal stem cell (HMSCs) and Human Umbilical Vein Endothelial Cells (HUVECs), promoting osteogenesis and angiogenesis both in vivo and in vitro. Overall, the developed HA@ SDF-1α/M2D-Exos hydrogel was compatible with the natural healing process of fractures and provides a new modality for accelerating bone repair by coupling osteogenesis, angiogenesis, and resisting infection at all stages.
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