Abstract Bone grafting procedures are commonly used for the repair, regeneration, and fusion of bones in in a wide range of orthopaedic surgeries, including large bone defects and spine fusion procedures. Autografts are the clinical gold standard, though recombinant human bone morphogenetic proteins (rhBMPs) are often used, particularly in difficult clinical situations. However, treatment with rhBMPs can have off-target effects and significantly increase surgical costs, adding to patients’ already high economic and mental burden. Recent studies have identified that FDA-approved immunosuppressant drug, FK506 (Tacrolimus), can also activate the BMP pathway by binding to its inhibitors. This study tested the hypothesis that FK506, as a standalone treatment, could induce osteogenic differentiation of human mesenchymal stromal cells (hMSCs), as well as functional bone formation in a rat segmental bone defect model and rabbit spinal fusion model. FK506 potentiated the effect of low dose BMP-2 to enhance osteogenic differentiation and mineralization of hMSCs in vitro . Standalone treatment with FK506 delivered on a collagen sponge, produced consistent bone bridging of a rat critically-sized femoral defect with functional mechanical properties comparable to naïve bone. In a rabbit single level posterolateral spine fusion model, treatment with FK506 delivered on a collagen sponge successfully fused the L5-L6 vertebrae at rates comparable to rhBMP-2 treatment. These data demonstrate the ability of FK506 to induce bone formation in human cells and two challenging in vivo models, and indicate FK506 can be utilized either as a standalone treatment or in conjunction with rhBMP to treat a variety of spine disorders. Graphical Abstract

Severe tissue loss resulting from extremity trauma, such as volumetric muscle loss (VML), poses significant clinical challenges for both general and military populations. VML disrupts the endogenous tissue repair mechanisms, resulting in acute and unresolved chronic inflammation and immune cell presence, impaired muscle healing, scar tissue formation, persistent pain, and permanent functional deficits. The aberrant healing response is preceded by acute inflammation and immune cell infiltration which does not resolve. We analyzed the biosynthesis of inflammatory and specialized pro-resolving lipid mediators (SPMs) after VML injury in two different models; muscle with critical-sized defects had a decreased capacity to biosynthesize SPMs, leading to dysregulated and persistent inflammation. We developed a modular poly(ethylene glycol)-maleimide hydrogel platform to locally release a stable isomer of Resolvin D1 (AT-RvD1) and promote endogenous pathways of inflammation resolution in the two muscle models. The local delivery of AT-RvD1 enhanced muscle regeneration, improved muscle function, and reduced pain sensitivity after VML by promoting molecular and cellular resolution of inflammation. These findings provide new insights into the pathogenesis of VML and establish a pro-resolving hydrogel therapeutic as a promising strategy for promoting functional muscle regeneration after traumatic injury.