ABSTRACT Polylactide (PLA) is the most widely utilized biopolymer in medicine. However, chronic inflammation and excessive fibrosis resulting from its degradation remain significant obstacles to extended clinical use. Immune cell activation has been correlated to the acidity of breakdown products, yet methods to neutralize the pH have not significantly reduced adverse responses. Using a bioenergetic model, we observed delayed cellular changes that were not apparent in the short-term. Amorphous and semi-crystalline PLA degradation products, including monomeric L-lactic acid, mechanistically remodel metabolism in cells leading to a reactive immune microenvironment characterized by elevated proinflammatory cytokines. Selective inhibition of metabolic reprogramming and altered bioenergetics both reduce these undesirable high cytokine levels and stimulate anti-inflammatory signals. Our results present a new biocompatibility paradigm by identifying metabolism as a target for immunomodulation to increase tolerance to biomaterials, ensuring safe clinical application of PLA-based implants for soft- and hard-tissue regeneration, and advancing nanomedicine and drug delivery.

Abstract Circulating monocytes infiltrate and coordinate immune responses in various inflamed tissues, such as those surrounding implanted biomaterials, affecting therapeutic, diagnostic, tissue engineering and regenerative applications. Here, we show that immunometabolic cues in the biomaterial microenvironment govern CCR2- and CX3CR1-dependent trafficking of immune cells, including neutrophils and monocytes; ultimately, this affects the composition and activation states of macrophage and dendritic cell populations. Furthermore, immunometabolic cues around implants orchestrate the relative composition of proinflammatory, transitory and anti-inflammatory CCR2 + , CX3CR1 + and CCR2 + CX3CR1 + immune cell populations. Consequently, modifying immunometabolism by glycolytic inhibition drives a pro-regenerative microenvironment in part by myeloid cells around amorphous polylactide implants. In addition to, Arginase 1-expressing myeloid cells, T helper 2 cells and γδ + T-cells producing IL-4 significantly contribute to shaping the metabolically reprogramed, pro-regenerative microenvironment around crystalline polylactide biomaterials. Taken together, we find that local metabolic states regulate inflammatory processes in the biomaterial microenvironment, with implications for translational medicine.