Regulation of macrophage polarization through surface topography design to facilitate implant-to-bone osteointegration

罗亚 细胞生物学 骨整合 巨噬细胞极化 CDC42型 RAC1 材料科学 间充质干细胞 植入 免疫系统 化学 巨噬细胞 生物 免疫学 信号转导 体外 医学 生物化学 外科
作者
Yi‐Zhou Zhu,Hang Liang,Xiangmei Liu,Jun Wu,Cao Yang,TM Wong,Kenny Kwan,Kenneth M.C. Cheung,Shuilin Wu,Kelvin Wai Kwok Yeung
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science (AAAS)]
卷期号:7 (14) 被引量:196
标识
DOI:10.1126/sciadv.abf6654
摘要

Proper immune responses are critical for successful biomaterial implantation. Here, four scales of honeycomb-like TiO2 structures were custom made on titanium (Ti) substrates to investigate cellular behaviors of RAW 264.7 macrophages and their immunomodulation on osteogenesis. We found that the reduced scale of honeycomb-like TiO2 structures could significantly activate the anti-inflammatory macrophage phenotype (M2), in which the 90-nanometer sample induced the highest expression level of CD206, interleukin-4, and interleukin-10 and released the highest amount of bone morphogenetic protein-2 among other scales. Afterward, the resulting immune microenvironment favorably triggered osteogenic differentiation of murine mesenchymal stem cells in vitro and subsequent implant-to-bone osteointegration in vivo. Furthermore, transcriptomic analysis revealed that the minimal scale of TiO2 honeycomb-like structure (90 nanometers) facilitated macrophage filopodia formation and up-regulated the Rho family of guanosine triphosphatases (RhoA, Rac1, and CDC42), which reinforced the polarization of macrophages through the activation of the RhoA/Rho-associated protein kinase signaling pathway.
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