Biomimetic management of bone healing stages: MOFs induce tunable degradability and enhanced angiogenesis-osteogenesis coupling

血管生成 骨愈合 联轴节(管道) 生物医学工程 化学 医学 材料科学 癌症研究 外科 复合材料
作者
Kuo Gai,Tongrui Zhang,Zhengyi Xu,Guangzhao Li,Zihan He,Shuhuai Meng,Yixin Shi,Y. Zhang,Zhou Zhu,Xibo Pei,Jian Wang,Qianbing Wan,He Cai,Yijun Li,Junyu Chen
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:493: 152296-152296
标识
DOI:10.1016/j.cej.2024.152296
摘要

Currently, biodegradable biomaterials are extensively used in bone regeneration. Nevertheless, a significant challenge remains in accurately adjusting their degradation rates to match bone healing stages to achieve bone regeneration. Herein, we present a novel biodegradable bone grafts integrated with zeolite imidazole framework-8 (ZIF-8) nanocrystals, fabricated via microinjection molding. Apart from the reinforcing effect derived from the in-situ fibrillation of PCL in PLGA, nanoscale ZIF-8 is inspiringly demonstrated to control the PLGA degradation. Both molecular dynamic simulation and experimental results indicate that Zn2+ derived from ZIF-8 nanocrystals acts as a Lewis acid to participate the degradation of PLGA matrix, thus successfully reconciles the contradiction between degradation of matrix and maintenance of reinforcing phase. Moreover, nanometric ZIF-8 modified bone grafts improve the angiogenesis-osteogenesis coupling. In vitro, it directly boosts HIF-1α and capillary-like network formation of endothelial cells (ECs), and RUNX2 and OCN expression in bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs). In vivo, bone grafts with a moderate concentration (0.5 %) of ZIF-8 nanoparticles aid vascularized bone regeneration by tunable biodegradation matching bone healing stages. Further, RNA sequencing shows PLGA/PCL@nZ bone grafts promote angiogenesis-osteogenesis by cooperatively regulating calcium signaling pathway in both ECs and BMSCs. Collectively, this study delineates a groundbreaking bone repair strategy with profound clinical application potential.
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