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Enhanced bone formation in rat critical-size tibia defect by a novel quercetin-containing alpha-calcium sulphate hemihydrate/nano-hydroxyapatite composite - 16/01/22

Doi : 10.1016/j.biopha.2021.112570 
Mingliang Ren a, , 1 , Xiaoping Wang b, 1, Ming Hu c, 1, Yi Jiang d, Daorong Xu d, Haibo Xiang d, Jianchun Lin d, Bin Yu d
a Department of Orthopaedics, the Sixth Affiliated Hospital, South China University of Technology, Foshan 528200, China 
b Department of Paediatrics, the Sixth Affiliated Hospital, South China University of Technology, Foshan 528200, China 
c Department of Urology, The Sixth Affiliated Hospital, South China University of Technology, Foshan 528200, China 
d Department of Orthopaedics and Traumatology (Key Laboratory for Bone and Cartilage Regeneration), Nanfang Hospital, Southern Medical University, Guangzhou 510515, China 

Correspondence to: Department of Orthopaedics, the Sixth Affiliated Hospital, South China University of Technology, No.40, Foping Rd, Foshan 528200, China.Department of Orthopaedics, the Sixth Affiliated Hospital, South China University of TechnologyNo.40, Foping RdFoshan528200China

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Abstract

We developed an innovative method to include quercetin into alpha-calcium sulphate hemihydrate/nano-hydroxyapatite (α-CSH/n-HA), to prepare a novel quercetin-containing α-CSH/n-HA composite (Q-α-CSH/n-HA). The physicochemical properties, and ability of Q-α-CSH/n-HA to promote cell proliferation, migration, and osteogenic differentiation of bone marrow stem cells (BMSCs) in vitro were examined. Further, the potential of Q-α-CSH/n-HA to promote bone defect repair was studied using a Sprague-Dawley rat model of critical tibial defects. Imaging was conducted by radiography and micro-CT, and bone defect repairs were observed by histopathological staining. Addition of quercetin clearly increased the porosity of the degraded composite, which elevated the cell proliferation rate, migration ability, osteogenesis differentiation, and mineralisation of BMSCs. Further, quercetin-containing composite increased the expression levels of OSX, RUNX2, OCN, ALP, BMP-2, OPN, BSP, SMAD2, and TGF-β in BMSCs, while it downregulated TNF-α. X-ray and micro-CT imaging showed that the quercetin-containing composite significantly enhanced bone defect repair and new bone in formation. Haematoxylin and eosin, Goldner, and Safranin O staining also showed that quercetin significantly increased new bone generation and promoted composite degradation and absorption. Moreover, immunofluorescence assay revealed that quercetin significantly increased the number of RUNX2/OSX/OCN-positive cells. Overall, our data demonstrate that Q-α-CSH/n-HA has excellent biocompatibility, bone conductivity, and osteo-induction performance in vitro and mediates enhanced overall repair effects and bone reconstruction in vivo, indicating that it is a promising artificial bone graft to promote bone regeneration.

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Graphical Abstract




ga1

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Highlights

Quercetin can up-regulate expression of RUN-X2, OSX and OCN.
Maximal results at an intermediate level of quercetin (1.5%).
Q-α-CSH/n-HA has good biocompatibility, bone conductivity and inductivity.
Q-α-CSH/n-HA composite can promote bone defect repair.

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Abbreviations : α-CSH/n-HA, BMSCs, BR, FBS, ICP-MS, LC-MS/MS, NBV, NCV, Q-α-CSH/n-HA, qRT-PCR, ROI, SD, SEM, SPF

Keywords : Quercetin, α-hemihydrate calcium sulphate, Nano-hydroxyapatite, Artificial bone graft, Bone marrow-derived mesenchymal stem cells, Critical-size defect


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