Preview

Бюллетень сибирской медицины

Расширенный поиск

Клеточные реакции на трехмерные матриксы из полимолочной кислоты и гидроксиапатита, полученные методом 3D-печати

https://doi.org/10.20538/1682-0363-2016-5-16-29

Полный текст:

Аннотация

Цель исследования – оценить ex vivo физико-химические и биологические свойства трехмерных (3D) биодеградируемых матриксов «полимолочная кислота – фосфаты кальция», полученных с помощью аддитивных технологий (3D-печати), как потенциальных материалов для восстановления костной ткани.

Материал и методы. Экспериментальные образцы (диски толщиной 1,2–1,6 мм и диаметром 8 или 11 мм) композитных биодеградируемых 3D-матриксов (далее – 3D-композиты) получены из исходной смеси 95 мас% полимолочной кислоты (PLA) и 5 мас% гидроксиапатита (НАР) методом компьютер- ного проектирования в программной среде Blender и последующего послойного наплавления нитей (диаметр 1,75 мм) при помощи 3D-принтера. В качестве контроля служили матриксы из 100 мас% PLA. Одна из поверхностей образцов была текстурирована бороздками шириной 0,3–0,5 мм. Изучали физико-химические свойства образцов диаметром 11 мм: геометрию, массу, морфологию, шероховатость, электростатический потенциал и смачиваемость поверхности, элементный состав. Биологические испытания включали изучение 24-часовой цитотоксичности образцов диаметром 8 мм на культуре мононуклеарных лейкоцитов здорового добровольца или лейкозных Т-лимфобластоподобных клеток человека линии Jurkat 5332 (далее Jurkat Т-клетки). В 21-суточной культуре мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток (ММСК) жировой ткани человека определяли остеогенный потенциал образцов диаметром 11 мм по секреции остеокальцина, минерализации межклеточного матрикса, визуализированной окраской ализарином.

Основные результаты. Характеристики трехмерных биодеградируемых матриксов PLA-HAP, полученных методом 3D-печати, во многом соответствуют физико-химическим параметрам, критичным для восстановления костной ткани. При небольшом содержании кальция и фосфора (1–2 мас.%) они способствовали ex vivo минерализации межклеточного вещества, сформированного в культуре ММСК жировой ткани человека. При 24-часовом контакте in vitro с 3D-композитами PLA-HAP в отличие от PLA-образцов на 9–10% возрастало число погибших (преимущественно путем некроза) лейкозных Jurkat Т-клеток, но не мононуклеарных лейкоцитов здорового добровольца.

Заключение. Полярная реакция здоровых и опухолевых клеток на образцы PLA-HAP в случае увеличения содержания фосфатов кальция в составе 3D-композита может иметь значение при разработке новых материалов для эндопротезирования и остеосинтеза переломов у больных, страдающих гемобластозами.

Об авторах

Т. В. Дружинина
ФГУП «Экспериментально-производственные мастерские» ФМБА России
Россия

канд. мед. наук,

123182, г. Москва, Щукинская ул., 5/2



С. Я. Талалаев
ФГУП «Экспериментально-производственные мастерские» ФМБА России
Россия

зам. директора по науке,

123182, г. Москва, Щукинская ул., 5/2



Н. П. Закиров
ФГУП «Экспериментально-производственные мастерские» ФМБА России
Россия

первый заместитель директора,

123182, г. Москва, Щукинская ул., 5/2



С. В. Щаденко
Сибирский государственный медицинский университет; Национальный исследовательский Томский политехнический университет (НИ ТПУ)
Россия

зав. лабораторией медицинской электроники, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30

ассистент кафедры промышленной и медицинской электроники, 634050, г. Томск, Московский тракт, 2

 



Ш. А. Хабибуллин
Национальный исследовательский Томский политехнический университет (НИ ТПУ)
Россия

канд. техн. наук, инженер центра управления научно-исследовательским обору- дованием,

634050, г. Томск, пр. Ленина, 30



И. А. Хлусов
Сибирский государственный медицинский университет; Национальный исследовательский Томский политехнический университет (НИ ТПУ); ООО «Биоконструктор-С»
Россия

д-р мед. наук, профессор кафедры морфологии и общей патологии, 634050, г. Томск, Московский тракт, 2;

профессор кафедры экспериментальной физики, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30;

директор, 634061, г. Томск, ул. Сибирская, 31



Л. С. Литвинова
Балтийский федеральный университет имени И. Канта
Россия

д-р мед. наук, зав. лабораторией иммунологии и клеточных биотехнологий Инновационного парка Балтийского федерального университета им. И. Канта, 

236041, г. Калининград, ул. А. Невского, 14



Список литературы

1. Volova T.G. Polyhydroxyalkanoates – Plastic materials of the 21st century: production, properties, application. NY: Nova Science Pub., 2004: 282.

2. Eling B., Gogolewski S., Pennings A.J. Biodegradable materials of poly(l-lactic acid): 1. Meltspun and solution spun fibers // Polymer. 1982; 23: 1587–1593.

3. Jukkala-Partio K., Laitinen O., Vasenius J., Partio E.K., Toivonen T., Tervahartiala P., Kinnunen J., Rokkanen P. Healing of subcapital femoral osteotomies fixed with self-reinforced poly-Llactide screws. An experimental long-term study in sheep // Arch. Orthop. Trauma Surg. 2022; 122: 360–364.

4. Çагородний Н.В., Королев А.В., Ахпашев А.А., Гнелица Н.Н., Ильин Д.О., Хасаншин М.М., Лягин А.С. Поведение имплантатов в костной ткани в различные сроки согласно МРТ-исследованию // Режим доступа: http://www.lechenie-sustavov.ru/patient/articles/povedenie-implantatov-v-kostnoj-tkani-v-razlichnye-sroki-soglasno-mrt-issledovaniyu/

5. Shishatskaya E.I., Khlusov I.A., Volova T.G. A hybrid PHB-hydroxyapatite composite for biomedical application: production, in vitro and in vivo investigation // J. Biomater. Sci. Polymer Edn. 2006; 17 (5): 481–498.

6. Tverdokhlebov S.I., Bolbasov E.N. , Shesterikov E.V., Antonova L.V., Golovkin A.S., Matveeva V.G., Petlin D.G., Anissimov Y.G. Modification of polylactic acid surface using RF plasma discharge with sputter deposition of a hydroxyapatite target for increased biocompatibility // Appl. Surf. Sci. 2015; 329: 32–39.

7. Chaikina M.V., Uvarov N.F., Ulihin A.S., Khlusov I.A. Mechanochemical synthesis of nanosized functional materials with the apatite-type structure // Problems of Materials Science. 2008; 54 (2): 219–232.

8. Хлусов И.А., Карлов А.В., Суходоло И.В. Генез костной ткани на поверхности имплантатов для остеосинтеза // Гений ортопедии. 2003; 3: 16–26.

9. Khlusov I.A., Sharkeev Yu. P., Pichugin V.F., Legostaeva E.V., Litvinova L.S., Shupletsova V.V., Sokhonevich N.A., Khaziakhmatova O.G., Khlusova M.Yu., Gutor S.S., Tolkacheva T.V. Influence of the Structure of the Titanium Oxide Coating Surface on Immunocompetent Tumor Cells // Russian Physics Journal. 2016; 58 (11): 1527–1533.

10. Bykova Iu., Weinhardt V., Kashkarova A., Lebedev S., Baumbach T., Pichugin V., Zaitsev K., Khlusov I. Physical properties and biocompatibility of UHMWPE-derived materials modified by synchrotron radiation // J. Mater. Sci: Mater Med. 2014; 25 (8): 1843–1852. doi: 10.1007/s10856-014-5222-4.

11. Owens D.K., Wendt R.C. Estimation of the surface free energy of polymers // J. Appl. Polym. Sci. 1969; 13: 1741–1747.

12. Kfoury Y., David T., Scadden D.T. Mesenchymal cell contributions to the stem cell niche // Cell Stem Cell. 2015; 16: 239–253.

13. Steward A.J., Liu Y., Wagner D.R. Engineering cell attachments to scaffolds in cartilage tissue engineering // Biomater. Regen. Med. Eng. 2011; 63: 74–82.

14. Khlusov I.A., Karlov A.V., Sharkeev Yu.P., Pichugin V.F., Kolobov Yu.R., Shashkina G.A., Ivanov M.B., Legostaeva E.V., Sukhikh G.T. Osteogenic potential of mesenchymal stem cells from bone marrow in situ: role of physicochemical properties of artificial surfaces // Bull. Exp. Biol. Med. 2005; 140 (1): 144–152.

15. Tverdokhlebov S.I., Stankevich K.S., Bolbasov E.N., Khlusov I.A., Kulagina I.V., Zaytsev K.V. Nonwoven polylactide scaffolds obtained by solution blow spinning and the in vitro degradation dynamics // Advanced Materials Research. 2014; 872: 257–263.

16. Khlusov I.A., Khlusova M.Y., Pichugin V.F., Sharkeev Y.P., Legostaeva E.V. Artificial Niches for Stromal Stem Cells as a Potential Instrument for the Design of the Surface of Biomimetic Osteogenic Materials // Russian Physics Journal. 2014; 56 (10): 1206–1211.

17. Hallab N.J., Bundy K.J., O’Connor K., Moses R.L., Jacobs J.J. Evaluation of metallic and polymeric biomaterial surface energy and surface roughness characteristics for directed cell adhesion // Tissue Eng. 2001; 7: 55–71.

18. Biomaterials science: an introduction to materials in medicine. 2nd edition / Eds. B.D. Ratner, A.S. Hoffman, F.J. Schoen, & J.E. Lemons. San Diego: Elsevier Academic Press, 2004; 851 p.

19. Гольдберг Е.Д., Дыгай А.М., Хлусов И.А. Роль вегетативной нервной системы в регуляции гемопоýза. Томск, 1997; 218 с.

20. Stevens M.J., Donato L..J, Lower S.K., Sahai N. Oxide-dependent adhesion of the Jurkat line of T lymphocytes // Langmuir. 2009; 25 (11): 6270–6278. doi: 10.1021/la8040192.

21. Terui Y., Ikeda M., Tomizuka H., Kasahara T., Ohtsuki T., Uwai M., Mori M., Itoh T., Tanaka M., Yamada M., Shimamura S., Ishizaka Y., Ikeda K., Ozawa K., Miura Y., Hatake K. Activated endothelial cells induce apoptosis in leukemic cells by endothelial interleukin-8 // Blood. 1998; 92 (8): 2672–2680.

22. Хлусов И.А., Сурменева М.A., Сурменев Р.А., Рязанцева Н.В., Савельева О.Е., Иванова А.А., Прохоренко Т.С., Таширева Л.А., Дворниченко М.В., Пичугин В.Ф. Клеточно-молекулярные аспекты иммунологической совместимости имплантатов с наноструктурным кальцийфосфатным покрытием // Бюл. сиб. медицины. 2012; 4: 78–85.

23. Хлусов И.А., Литвинова Л.С., Шуплецова В.В., Дунец Н.А., Хазиахматова О.Г., Юрова К.А., Хлусова М.Ю., Шаркеев Ю.П. Морфофункциональные изменения Т-лимфобластов линии Jurkat при краткосрочной контакте с рельефной кальцийфосфатной поверхностью // Цитология. 2017; 11 (1) (в печати).

24. Oreffo R.O.C., Driessens F.C.M., Planell J.A., Triffitt J.T. Growth and differentiation of human bone marrow osteoprogenitors on novel calcium phosphate cements // Biomaterials. 1998; 19: 1845–1854.

25. Kolf C.M., Cho E., Tuan R.S. Mesenchemal stromal cells. Biology of adult mesenchymal stem cells: regulation of niche, self-renewal and differentiation // Arthritis Res. Ther. 2007; 9: 204–219.

26. Риггз Б.Л., Мелтон Л.Дж. Остеопороз: пер. с англ. СПб.: БИНОМ, Невский диалект, 2000. 560 с.

27. Kim H.M., Miyaji F., Kokubo T., Nakamura T. Bonding strength of bonelike apatite layer to Ti metal substrate // J. Biomed. Mater. Res. 1997; 38: 121–127.

28. Khlusov I.A., Shevtsova N.M., Khlusova M.Y. Detection in vitro and quantitative estimation of artificial microterritories which promote osteogenic differentiation and maturation of stromal stem cells // Methods Mol. Biol. 2013; 1035: 103–119. doi: 10.1007/978-1-62703-508-8_9.

29. Damien C.J., Ricci J.L., Christel P., Alexander H., Patat J.L. Formation of a calcium phosphate-rich layer on absorbable calcium carbonate bone graft substitutes // Calcif Tissue Int. 1994; 55: 151–158.

30. Fisher D.E. Apoptosis in cancer therapy: crossing the threshold // Cell. 1994; 78: 539–542.


Для цитирования:


Дружинина Т.В., Талалаев С.Я., Закиров Н.П., Щаденко С.В., Хабибуллин Ш.А., Хлусов И.А., Литвинова Л.С. Клеточные реакции на трехмерные матриксы из полимолочной кислоты и гидроксиапатита, полученные методом 3D-печати. Бюллетень сибирской медицины. 2016;15(5):16-29. https://doi.org/10.20538/1682-0363-2016-5-16-29

For citation:


Druzhinina T.V., Talalaev S.Y., Zakirov N.P., Shchadenko S.V., Khabibulin S.A., Khlusov I.A., Litvinova L.S. Cellular reactions to three-dimensional matrices of polylactic acid and hydroxyapatite generated by 3D-printing. Bulletin of Siberian Medicine. 2016;15(5):16-29. (In Russ.) https://doi.org/10.20538/1682-0363-2016-5-16-29

Просмотров: 471


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1682-0363 (Print)
ISSN 1819-3684 (Online)