Abstract Magnesium-based biodegradable metals (BMs) as bone implants have better mechanical properties than biodegradable polymers, yet their strength is roughly less than 350 MPa. In this work, binary Zn alloys with alloying elements Mg, Ca, Sr, Li, Mn, Fe, Cu, and Ag respectively, are screened systemically by in vitro and in vivo studies. Li exhibits the most effective strengthening role in Zn, followed by Mg. Alloying leads to accelerated degradation, but adequate mechanical integrity can be expected for Zn alloys when considering bone fracture healing. Adding elements Mg, Ca, Sr and Li into Zn can improve the cytocompatibility, osteogenesis, and osseointegration. Further optimization of the ternary Zn-Li alloy system results in Zn-0.8Li-0.4Mg alloy with the ultimate tensile strength 646.69 ± 12.79 MPa and Zn-0.8Li-0.8Mn alloy with elongation 103.27 ± 20%. In summary, biocompatible Zn-based BMs with strength close to pure Ti are promising candidates in orthopedics for load-bearing applications.

Abstract Until now there has been no fundamental theory applicable for biodegradable metals (BMs). First, this paper optimizes the definition of BMs given in 2014. Second, the dual criteria of biodegradability and biocompatibility are proposed for BMs, and all metallic elements in the periodic table with accessible data are screened on the basis of these criteria. Regarding biodegradability, electrode potential, reactivity series, galvanic series, Pilling–Bedworth ratio, and Pourbaix diagrams are all adopted as parameters to classify the degradable and nondegradable nature of a material, especially in a physiological environment. Considering the biocompatibility at different levels, cellular biocompatibility, tissue biocompatibility, and human/clinical related biocompatibility parameters are put forward to comprehensively evaluate the biosafety of BMs. Third, for the material design of BMs, mechanical properties, chemical properties, physical properties and biological properties should be considered and balanced to guarantee that the degradation behavior of BMs match well with a tissue regeneration/repair procedure as the function of time and spatial location. Besides the selected metallic elements, some nonmetallic elements are selected as suitable alloying elements for BMs. Finally, five classification/research directions for future BMs are proposed: biodegradable pure metals, crystalline alloys, bulk metallic glasses, high entropy alloys, and metal matrix composites.

Zhao et al. report that brain vessels have a major role in clearing Alzheimer's disease–related toxin Aβ from brain and show that PICALM gene product and its variant associated with an increased risk for Alzheimer's disease inactivate an Aβ clearance system in blood vessels, leading to Aβ brain accumulation and cognitive impairment. PICALM is a highly validated genetic risk factor for Alzheimer's disease (AD). We found that reduced expression of PICALM in AD and murine brain endothelium correlated with amyloid-β (Aβ) pathology and cognitive impairment. Moreover, Picalm deficiency diminished Aβ clearance across the murine blood-brain barrier (BBB) and accelerated Aβ pathology in a manner that was reversible by endothelial PICALM re-expression. Using human brain endothelial monolayers, we found that PICALM regulated PICALM/clathrin-dependent internalization of Aβ bound to the low density lipoprotein receptor related protein-1, a key Aβ clearance receptor, and guided Aβ trafficking to Rab5 and Rab11, leading to Aβ endothelial transcytosis and clearance. PICALM levels and Aβ clearance were reduced in AD-derived endothelial monolayers, which was reversible by adenoviral-mediated PICALM transfer. Inducible pluripotent stem cell–derived human endothelial cells carrying the rs3851179 protective allele exhibited higher PICALM levels and enhanced Aβ clearance. Thus, PICALM regulates Aβ BBB transcytosis and clearance, which has implications for Aβ brain homeostasis and clearance therapy.

Biodegradable zinc (Zn) metals, a new generation of biomaterials, have attracted much attention due to their excellent biodegradability, bioabsorbability, and adaptability to tissue regeneration. Compared with magnesium (Mg) and iron (Fe), Zn exhibits better corrosion and mechanical behaviors in orthopedic and stent applications. After implantation, Zn containing material will slowly degrade, and Zn ions (Zn2+) will be released to the surrounding tissue. For stent applications, the local Zn2+concentration near endothelial tissue/cells could be high. However, it is unclear how endothelia will respond to such high concentrations of Zn2+, which is pivotal to vascular remodeling and regeneration. Here, we evaluated the short-term cellular behaviors of primary human coronary artery endothelial cells (HCECs) exposed to a concentration gradient (0–140 μM) of extracellular Zn2+. Zn2+ had an interesting biphasic effect on cell viability, proliferation, spreading, and migration. Generally, low concentrations of Zn2+ promoted viability, proliferation, adhesion, and migration, while high concentrations of Zn2+ had opposite effects. For gene expression profiles, the most affected functional genes were related to cell adhesion, cell injury, cell growth, angiogenesis, inflammation, vessel tone, and coagulation. These results provide helpful information and guidance for Zn-based alloy design as well as the controlled release of Zn2+in stent and other related medical applications.

Bone is a unique tissue that is capable of repairing itself after damage. However, there are certain instances of fractures and defects that require clinical intervention for proper alignment and healing. As with any implant, careful consideration of the material used to create the implants to treat these problems is needed. If the incorrect material is chosen, the implants themselves can lead to bone fractures or defects, or bone healing may not take place at all. All three classes of biomaterials–metals, ceramics, and polymers–have been used in the treatment of both bone fractures and bone defects, and each has its own unique benefits and limitations for its applications. Furthermore, composites of these different materials have also been created to try to take advantage of all the different benefits offered by each different material. This review highlights different materials that have been used for the development of internal fixators and bone graft substitutes to treat fracture and bone defects as well as their limitations and needed future research.

Summary Perivascular mural cells including vascular smooth cells (VSMCs) and pericytes are integral components of the vascular system. In the central nervous system (CNS), pericytes are also known as the guardian of the blood-brain barrier, blood-spinal cord barrier and blood-retinal barrier, and play key roles in maintaining cerebrovascular and neuronal functions. However, the functional difference between CNS and peripheral pericytes has not been resolved at the genetic and molecular levels. Hence, the generation of reliable CNS pericyte-specific models and genetic tools remains very challenging. Here, we report a new CNS pericyte marker in mice. This cation-transporting ATPase 13A5 ( Atp13a5 ) marker is highly specific to the pericytes in brain, spinal cord and retina. We generated a transgenic model with a knock-in tdTomato reporter and Cre recombinase. The tdTomato reporter reliably labels the CNS pericytes, but not found in any other CNS cell types including closely related VSMCs, or in peripheral organs. More importantly, Atp13a5 is turned on at embryonic day E15, suggesting brain pericytes are shaped by the developing neural environment. We hope that the new tools will allow us to further explore the heterogeneity of pericytes and achieve a better understanding of CNS pericytes in health and diseases.

Critical size bone defects represent a significant challenge worldwide, often leading to persistent pain and physical disability that profoundly impact patients' quality of life and mental well-being. To address the intricate and complex repair processes involved in these defects, we performed single-cell RNA sequencing and revealed notable shifts in cellular populations within regenerative tissue. Specifically, we observed a decrease in progenitor lineage cells and endothelial cells, coupled with an increase in fibrotic lineage cells and pro-inflammatory cells within regenerative tissue. Furthermore, our analysis of differentially expressed genes and associated signaling pathway at the single-cell level highlighted impaired angiogenesis as a central pathway in critical size bone defects, notably influenced by reduction of Spp1 and Cxcl12 expression. This deficiency was particularly pronounced in progenitor lineage cells and myeloid lineage cells, underscoring its significance in the regeneration process. In response to these findings, we developed an innovative approach to enhance bone regeneration in critical size bone defects. Our fabrication process involves the integration of electrospun PCL fibers with electrosprayed PLGA microspheres carrying Spp1 and Cxcl12. This design allows for the gradual release of Spp1 and Cxcl12 in vitro and in vivo. To evaluate the efficacy of our approach, we locally applied PCL scaffolds loaded with Spp1 and Cxcl12 in a murine model of critical size bone defects. Our results demonstrated restored angiogenesis, accelerated bone regeneration, alleviated pain responses and improved mobility in treated mice.