Advanced Multi-functional Hybrid Nanomaterials for Cancer Therapy and Bone Tissue Engineering Applications

Abstract

Cancer therapy and bone tissue engineering represent two critical areas of modern medicine that demand innovative and efficient solutions. This study explores advanced multifunctional hybrid nanomaterials tailored to address these challenges. β-Cyclodextrin (β-CD)-conjugated gold-iron oxide Janus nanoparticles (Au–Fe₃O₄ JNPs) were developed as a versatile platform for cancer treatment. These JNPs integrate chemo-photothermal therapy and photodynamic therapy, achieving high photothermal conversion efficiency (~32.88%) and the ability to generate singlet oxygen (¹O₂) species. Encapsulation of chemotherapeutic agents such as 5- fluorouracil (5-FU) and ibuprofen (IBU) within the β-CD structure enhances the synergistic therapeutic effect. In vitro and in vivo evaluations confirmed exceptional tumor ablation efficacy without inducing adverse effects, demonstrating their potential for nuanced, effective, and side-effect-free cancer treatment. Simultaneously, an injectable, self-setting bio-cement based on 63S bioactive glass (BG) and nano-hydroxyapatite (n-HAp) composites was designed for minimally invasive bone tissue engineering. Incorporating alumina, titanium dioxide, and methylene bis-acrylamide (MBAM)-mediated polymeric crosslinking enhanced the material's mechanical strength, biocompatibility, and thermal stability. The composite bio-cement exhibited outstanding injectability (~92–93%) and rapid self-setting properties (~24 ± 5 minutes), promoting cellular adhesion and osteoblast proliferation. Scanning acoustic microscopy (SAM) was employed to non-invasively assess the self-setting behavior and structural properties, validating its suitability for clinical applications. This study highlights the individual and synergistic potential of these hybrid materials in cancer therapy and bone regeneration. By leveraging their multifunctional capabilities, β-CD- conjugated Au–Fe₃O₄ JNPs and BG/n-HAp-based bio-cements provide transformative solutions for achieving targeted, efficient, and minimally invasive medical treatments. This work lays a foundation for future interdisciplinary strategies integrating these advanced materials to address the complex challenges of cancer and bone-related diseases.|암 치료와 골 조직 공학은 현대 의학에서 혁신적이고 효율적인 해결책을 요구하는 두 가지 주요 과제이다. 본 연구는 이러한 문제를 해결하기 위해 설계된 첨단 다기능 하이브리드 나노 소재를 탐구한다. 암 치료를 위해 개발된 베타-사이클로덱스트린(β- CD) 결합 금-철 산화물 야누스 나노입자(Au–Fe₃O₄ JNPs)는 화학 요법, 광열 요법, 그리고 광역학 요법을 통합하여 높은 광열 변환 효율(~32.88%)과 산소 싱글렛(¹O₂) 생성을 통해 강력한 시너지 치료 효과를 발휘한다. β-CD 구조 내에 항암제(5- 플루오로우라실, 5-FU) 및 진통제(이부프로펜, IBU)를 캡슐화하여 치료 효율성을 극대화한다. 실험실(in vitro) 및 생체내(in vivo) 평가 결과, 종양 제거 효율이 탁월하며 부작용이 없는 치료 가능성을 확인하고, 세밀하고 부작용이 적은 암 치료 플랫폼으로서의 가능성을 입증한다. 동시에, 최소 침습적 골 조직 공학을 위해 63S 생체 활성 유리(BG)와 나노 하이드록시아파타이트(n-HAp) 복합체를 기반으로 한 주사 가능 자가 경화 바이오 시멘트를 설계한다. 이 복합체는 알루미나, 티타늄 디옥사이드, 메틸렌 비스- 아크릴아마이드(MBAM) 기반 중합체 교차결합을 통해 기계적 강도, 생체 적합성 및 열 안정성을 강화한다. 이 바이오 시멘트는 우수한 주입 가능성(~92–93%)과 빠른 자가 경화 특성(~24 ± 5분)을 보여주며, 세포 부착 및 조골세포 증식을 촉진한다. 스캐닝 음향 현미경(SAM)을 활용하여 비침습적으로 경화 거동과 구조적 특성을 평가한 결과, 임상 적용 가능성을 검증한다. 본 연구는 암 치료와 골 재생 분야에서 이러한 하이브리드 소재의 개별적 및 통합적 가능성을 강조한다. β-CD 결합 금-철 산화물 야누스 나노입자(Au–Fe₃O₄ JNPs)와 생체 활성 유리와 나노 하이드록시아파타이트 복합체(BG/n-Hap) 기반 바이오 시멘트는 각각 표적화되고 효율적이며 최소 침습적 의료 솔루션을 제공한다. 이 연구는 암 및 골 관련 질환의 복잡한 문제를 해결하기 위해 이러한 첨단 소재를 통합하는 미래의 융합적 전략의 기초를 제공한다.