Conformationally regulated “nanozyme-like” cerium oxide with multiple free radical scavenging activities for osteoimmunology modulation and vascularized osseointegration

骨整合 血管生成 巨噬细胞极化 骨免疫学 细胞生物学 化学 PI3K/AKT/mTOR通路 材料科学 癌症研究 生物医学工程 巨噬细胞 植入 体外 信号转导 生物化学 生物 医学 外科 兰克尔 基因 激活剂(遗传学)
作者
Shusen Bao,Dongmei Yu,Zhen Tang,Hao Wu,Hao Zhang,Ning Wang,Yichao Liu,Hai Huang,Chaozong Liu,Xiaokang Li,Zheng Guo
出处
期刊:Bioactive Materials [Elsevier]
卷期号:34: 64-79 被引量:6
标识
DOI:10.1016/j.bioactmat.2023.12.006
摘要

Given post-operative aseptic loosening in orthopedic disease treatment, osteointegration occurs at the bone-implant interface as a holistic process, including immunoregulation (e.g., macrophage polarization), angiogenesis and osteogenesis in sequence. In order to achieve early rapid and satisfactory osseointegration, different nano-shaped (nanocone, nanopolyhedron and nanoflower abbr. NC, NP & NF) cerium oxide (CeO2-x) coatings, endowed with "nanozyme-like" activities for multiple free radical elimination and osteoimmunology regulation, were hydrothermally synthesized on titanium alloy (TC4). In vitro cell experiments showed that nano-CeO2-x coated TC4 not only induced polarization of RAW264.7 cells toward M2 phenotype, but also promoted angiogenesis and vascularization of endothelial cells along with differentiation and mineralization of osteogenic precursor cells. Improvements in M2-polarized macrophage, angiogenesis, and bone regeneration were further confirmed in a rat femoral condyle model. Among the above three nano-morphologies, NF exhibited the best osseoinetegration. RNA sequencing and mechanism exploration suggested that the inhibition of PI3K-AKT signaling pathway was essential for immunomodulatory capacity of NF. In conclusion, it provided promising insights into the immunomodulatory exploitation of orthopedic implants.
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