Abstract Hard tissue repair and regeneration cost hundreds of billions of dollars annually worldwide, and the need has substantially increased as the population has aged. Hard tissues include bone and tooth structures that contain calcium phosphate minerals. Smart biomaterial-based tissue engineering and regenerative medicine methods have the exciting potential to meet this urgent need. Smart biomaterials and constructs refer to biomaterials and constructs that possess instructive/inductive or triggering/stimulating effects on cells and tissues by engineering the material’s responsiveness to internal or external stimuli or have intelligently tailored properties and functions that can promote tissue repair and regeneration. The smart material-based approaches include smart scaffolds and stem cell constructs for bone tissue engineering; smart drug delivery systems to enhance bone regeneration; smart dental resins that respond to pH to protect tooth structures; smart pH-sensitive dental materials to selectively inhibit acid-producing bacteria; smart polymers to modulate biofilm species away from a pathogenic composition and shift towards a healthy composition; and smart materials to suppress biofilms and avoid drug resistance. These smart biomaterials can not only deliver and guide stem cells to improve tissue regeneration and deliver drugs and bioactive agents with spatially and temporarily controlled releases but can also modulate/suppress biofilms and combat infections in wound sites. The new generation of smart biomaterials provides exciting potential and is a promising opportunity to substantially enhance hard tissue engineering and regenerative medicine efficacy.

Diabetes-associated periodontitis (DP) presents severe inflammation and resistance to periodontal conventional treatment, presenting a significant challenge in clinical management. In this study, we investigated the underlying mechanism driving the hyperinflammatory response in gingival epithelial cells (GECs) of DP patients. Our findings indicate that lysosomal dysfunction under high glucose conditions leads to the blockage of autophagy flux, exacerbating inflammatory response in GECs. Single-cell RNA sequencing and immunohistochemistry analyses of clinical gingival epithelia revealed dysregulation in the lysosome pathway characterized by reduced levels of lysosome-associated membrane glycoprotein 2 (LAMP2) and V-type proton ATPase 16 kDa proteolipid subunit c (ATP6V0C) in subjects with DP. In vitro stimulation of human gingival epithelial cells (HGECs) with a hyperglycemic microenvironment showed elevated release of proinflammatory cytokines, compromised lysosomal acidity and blocked autophagy. Moreover, HGECs with deficiency in ATP6V0C demonstrated impaired autophagy and heightened inflammatory response, mirroring the effects of high glucose stimulation. Proteomic analysis of acetylation modifications identified altered acetylation levels in 28 autophagy-lysosome pathway-related proteins and 37 sites in HGECs subjected to high glucose stimulation or siATP6V0C. Overall, our finding highlights the pivotal role of lysosome impairment in autophagy obstruction in DP and suggests a potential impact of altered acetylation of relevant proteins on the interplay between lysosome dysfunction and autophagy blockage. These insights may pave the way for the development of effective therapeutic strategies against DP.

Regenerative endodontic therapy is a promising approach to restore the vitality of necrotic teeth, however, pulp regeneration in mature permanent teeth remains a substantial challenge due to insufficient developmental signals. The dentin is embryologically and histologically similar to the pulp, which contains a cocktail of pulp-specific structural proteins and growth factors, thus we proposed an optimizing strategy to obtain dentin matrix extracted protein (DMEP) and engineered a DMEP functionalized double network hydrogel, whose physicochemical property was tunable by adjusting polymer concentrations to synchronize with regenerated tissues. In vitro models showed that the biomimetic hydrogel with sustained release of DMEP provided a beneficial microenvironment for the encapsulation, propagation and migration of human dental pulp stem cells (hDPSCs). The odontogenic and angiogenic differentiation of hDPSCs were enhanced as well. To elicit the mechanism hidden in the microenvironment to guide cell fate, RNA sequencing was performed and 109 differential expression of genes were identified, the majority of which enriched in cell metabolism, cell differentiation and intercellular communications. The involvement of ERK, p38 and JNK MAPK signaling pathways in the process was confirmed. Of note, the in vivo model showed that the injectable and in situ photo-crosslinkable hydrogel was user-friendly for root canal systems and was capable of inducing the regeneration of highly organized and vascularized pulp-like tissues in root segments that subcutaneously implanted into nude mice. Taken together, this study reported a facile and efficient way to fabricate a cell delivery hydrogel with pulp-specific developmental cues, which exhibited promising application and translation potential in future regenerative endodontic fields.

Larix gmelinii is an excellent stress resistant coniferous tree species with a wide distribution and important economic and ecological value. However, at seedling stage, L. gmelinii is extremely susceptible to abiotic stresses, and systematic research on the adaptation mechanisms of L. gmelinii seedlings to abiotic stress is still lacking. Phenotypic observation and physiological index detection showed that L. gmelinii seedlings wilted with needles withered and yellowish at later stages of drought and salt stress; Under low temperature, the seedlings grew slowly and turned red at later stage. Under all 3 abiotic stresses, the chlorophyll content in seedlings significantly decreased, while the MDA content significantly increased; The activity of SOD and CAT showed a trend of increasing first and then decreasing. Transcriptome analysis revealed that DEGs were mainly involved in carbohydrate and amino acid metabolism, phenylpropanoid biosynthesis, and flavonoid synthesis metabolism. Metabolomic analysis found unique DAMs under 3 stress treatments. The combined analysis of transcriptome and metabolome showed that the changing patterns of DEGs and DAMs in primary and secondary metabolism were consistent: carbohydrate were significantly accumulated under low temperature stress; amino acids showed the most significant changes under salt stress. The variation pattern of secondary metabolism was similar under both drought and salt stress, while anthocyanin accumulation was the most obvious only under low temperature stress. Our study provides insightful information about the different mechanisms that L. gmelinii seedlings employ in response to drought, low temperature or salt stress.