References

ssmu

Бюллетень сибирской медицины

Bulletin of Siberian Medicine

1682-03631819-3684

Siberian State Medical University, the Ministry of Healthcare of the Russian Federation

10.20538/1682-0363-2011-3-72-81

ssmu-1396

Research Article

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И КЛИНИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

EXPERIMENTAL AND CLINICAL INVESTIGATIONS

Влияние физических, химических и биологических манипуляций на поверхностный потенциал кальций-фосфатных покрытий на металлических подложках

The influence of physical, chemical and biological manipulations on surface potential of calcium phosphate coatings on metal substrates

Хлусов

И. А.

Khlusov

I. A.

Хлусов Игорь Альбертович, д-р мед. наук, профессор кафедры морфологии и общей патологии СибГМУ, научный руководитель

тел. 8-913-823-39-62

khlusov63@mail.ru

Пичугин

В. Ф.

Pichugin

V. F.

д-р физ.-мат. наук, профессор, зав. кафедрой теоретической и экспериментальной физики НИ ТПУ, научный руководитель

Гостищев

Э. А.

Gostischev

E. A.

канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник

Шаркеев

Ю. П.

Sharkeyev

Yu. P.

д-р физ.-мат. наук, профессор, зав. лабораторией физики наноструктурных биосовместимых композитов

Сурменев

Р. А.

Surmenev

R. A.

канд. физ.-мат. наук, ассистент кафедры теоретической и экспериментальной физики

Сурменева

М. А.

Surmeneva

M. A.

аспирант, инженер кафедры теоретической и экспериментальной физики

Легостаева

Е. В.

Legostayeva

Ye. V.

канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотрудник лаборатории физики наноструктурных биосовместимых композитов

Чайкина

М. В.

Chaikina

M. V.

д-р хим. наук, ведущий науч. сотрудник Института химии твердого тела и механохимии

Дворниченко

М. В.

Dvornichenko

M. V.

канд. мед. наук, докторант кафедры патофизиологии СибГМУ, инженер кафедры теоретической и экспериментальной физики

Морозова

Н. С.

Morozova

N. S.

магистрант кафедры теоретической и экспериментальной физики

НОЦ «Биосовместимые материалы и биоинженерия» при Томском политехническом университете и Сибирском государственном медицинском университетеRussian FederationНациональный исследовательский Томский политехнический университетRussian FederationИнститут физики прочности и материаловедения СО РАНRussian FederationИнститут химии твердого тела и механохимии СО РАНRussian Federation

2011

28062011

1037281

2011

Хлусов И.А., Пичугин В.Ф., Гостищев Э.А., Шаркеев Ю.П., Сурменев Р.А., Сурменева М.А., Легостаева Е.В., Чайкина М.В., Дворниченко М.В., Морозова Н.С.

Khlusov I.A., Pichugin V.F., Gostischev E.A., Sharkeyev Y.P., Surmenev R.A., Surmeneva M.A., Legostayeva Y.V., Chaikina M.V., Dvornichenko M.V., Morozova N.S.

Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://bulletin.ssmu.ru/jour/article/view/1396

Показатели потенциала электростатического поля искусственных поверхностей зависят от технологии нанесения покрытий и могут регулироваться через изменение их физико-химических параметров. Химическая модификация высокочастотных (ВЧ) магнетронных кальций-фосфатных (КФ) покрытий посредством введения силикат-иона приводила к возрастанию электростатического потенциала изделий. Усложнение рельефа ВЧ-магнетронных КФ покрытий, зафиксированное по росту индекса шероховатости Ra, сопровождалось увеличением электретного потенциала поверхности и его статистической девиации. Взвесь клеток костного мозга в модельном биологическом электролите заполняла углубления КФ покрытий и, таким образом, модулировала амплитуду и выравнивала различия их поверхностного электростатического потенциала.

The electret voltage indices of artificial surfaces are dependent on coatings formation technology and may be regulated by means of change in their physical-chemical parameters. Chemical modification of radio frequency magnetron calcium phosphate coatings (RFMCPC) by means of silicious incorporation led to an augmentation of pieces’ electrostatic potential. A complication of RFMCPC relief that was fixed by roughness index Ra is accompanied by increase in electret voltage index of artificial surface and its statistical deviation. Bone marrow cells suspension in model biological electrolyte populated RFMCPC dimples. In this manner it modulated the amplitude and leveled out the differences of surface electrostatic potential.

ex vivoмиелокариоцитымодификация поверхностиповерхностный потенциал

ex vivomyelokaryocytessurface modificationsurface potential

Исследование выполнено при поддержке федеральных целевых программ «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 гг. (государственный контракт П861 от 25.05.2010), «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007—2012 гг.» (государственный контракт № 16.512.11.2087), грантов президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых — кандидатов наук (государственный контракт МК_6360.2010.8), аналитической ведомственной целевой программы (АВЦП) «Развитие научного потенциала высшей школы на 2009—2011 гг.» (регистрационный номер проекта 2.1.1/14204), гранта № 5ФНМ-27 программы Президиума РАН «Фундаментальные науки — медицине», интеграционного проекта № 126 СО РАН и гранта РФФИ № 09-04-00287а.

References1

Введение в методы культуры клеток, биоинженерии органов и тканей/под ред. В.В. Новицкого, В.П. Шахова, И.А. Хлусова. Томск: STT, 2004. 386 с.

Карлов А.В., Хлусов И.А. Зависимость процессов репаративного остеогенеза от поверхностных свойств имплантатов для остеосинтеза//Гений ортопедии. 2003. № 3. С. 46-51.

Карлов А.В., Шахов В.П. Системы внешней фиксации и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики. Томск: STT, 2001. 480 с.

Карлов А.В., Хлусов И.А., Зайцев К.В. и др. Взаимодействие in vivo остеогенных клеток с наноструктурными кальций-фосфатными покрытиями при электронно-индуцированном изменении их поверхностного электрического потенциала//Бюл. СО РАМН. 2010. Т. 30, № 3. С. 105-112.

Коноплянников А.Г. Радиобиология стволовых клеток. М.: Энергоатомиздат, 1984. 120 с.

Пичугин В.Ф., Сурменева М.A., Сурменев Р.А. и др. Исследование физико-химических и биологических свойств кальций-фосфатных покрытий, созданных методом ВЧ-магнетронного распыления кремнийзамещенного гидроксилапатита//Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2010 (в печати).

Самойлов В.О. Медицинская биофизика. СПб.: СпецЛит, 2007. 560 с.

Струц В.К., Петров А.В., Матвиенко В.М. и др. Свойства кальций-фосфатных покрытий, осаждаемых из абляционной плазмы, создаваемой мощными ионными пучками//Взаимодействие ионов с поверхностью (ВИП-2009): сб. науч. трудов. Т. 2. М.: Галлея-принт, 2009. С. 402-405.

Хлусов И.А., Карлов А.В., Шаркеев Ю.П. и др. Остеогенный потенциал мезенхимальных стволовых клеток костного мозга in situ: роль физико-химических свойств искусственных поверхностей//Клеточные технологии в биологии и медицине. 2005. № 3. С. 164-173.

Хлусов И.А., Хлусова М.Ю., Зайцев К.В. и др. Пилотное исследование in vitro параметров искусственной ниши для остеогенной дифференцировки пула стромальных стволовых клеток человека//Клеточные технологии в биологии и медицине. 2010. № 4. С. 216-224.

Чайкина М.В., Хлусов И.А., Карлов А.В., Пайчадзе К.С. Механохимический синтез нестехиометрических и замещенных апатитов с наноразмерными частицами для использования в качестве биосовместимых материалов//Химия в интересах устойчивого развития. 2004. Т. 12. С. 389-399.

Aronov D., Rosenman G. Traps states spectroscopy studies and wettability modification of hydroxyapatite nano-bio-ceramics//J. Appl. Phys. 2007. V. 101. P. 034701.

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

Cai K., Bossert J., Jandt K.D. Does the nanometre scale topography of titanium influence protein adsorption and cell proliferation?//Colloids Surf. B. Biointerfaces. 2006. V. 49, № 2. P. 136-144.

Damien C.J., Ricci J.L., Christel P. et al. Formation of a calcium phosphate-rich layer on absorbable calcium carbonate bone graft substitutes//Calcif. Tissue Int. 1994. V. 55. P. 151-158.

Dekhtyar Yu., Dvornichenko M.V., Karlov A.V. et al. Electrically functionalized hydroxyapatite and calcium phosphate surfaces to enhance immobilization and proliferation of osteoblasts in vitro and modulate osteogenesis in vivo//WC 2009/O. Dössel and W.C. Schlegel (eds.). V. 25. Springer, 2009. P. 245-248.

Discher D.E., Mooney D.J., Zandstra P.W. Growth factors, matrices, and forces combine and control stem cells//Science. 2009. V. 324. P. 1673-1677.

Ferrier J., Ross S.M., Kanehisa J., Aubin J.E. Osteoclasts and osteoblasts migrate in opposite directions in response to a constant electrical field//J. Cell. Physiol. 1986. V. 129. № 3. P. 283-288.

Gibson I.R., Best S.M., Bonfield W. Chemical Characterization of Silicon-Substituted Hydroxyapatite//J. Bio. Mater. Res. Symp. 1999. V. 44. P. 422-428.

Gomes P.S., Botelho C., Lopes M.A. et al. Evaluation of human osteobastic cell response to plasma-sprayed silicon-substituted hydroxyapatite coatings over titanium substrates//J. of Biomedical Materials Research B: Applied Biomaterials. 2010. V. 948. Issue 2. P. 337-346.

Hamamoto N., Hamamoto Y., Nakajima T., Ozawa H. Histological, histocytochemical and ultrastructural study on the effects of surface charge on bone formation in the rabbit mandible//Arch. Oral Biol. 1995. V. 40, № 2. P. 97-106.

Heubach J.F., Graf E.M., Leutheuser J. et al. Electrophysiological properties of human mesenchymal stem cells//Journal of Physiology. 2004. V. 554. P. 659-672.

Johnson L.A. Competitive interactions between cells: death, growth and geography//Science. 2009. V. 324, № 5935. P. 1679-1682.

Iwasa F., Hori N., Ueno T. et al. Enhancement of osteoblast adhesion to UV-photofunctionalized titanium via an electrostatic mechanism//Biomaterials. 2010. V. 31, № 10. P. 2717-2727.

Levin M. Large-scale biophysics: ion flows and regeneration//Trends in Cell Biology. 2007. V. 17. P. 261-270.

McCaig C.D., Rajnicek A.M., Song B., Zhao M. Controlling cell behavior electrically: Current views and future potential//Physiological Reviews. 2005. V. 85. P. 943-978.

Meyer U., Buchter A., Wiesmann H.P. et al. Basic reactions of osteoblasts on structured material surface//European Cells and Materials. 2005. V. 9. P. 39-49.

Morks M.F. Fabrication and characterization of plasma-sprayed HA/SiO2 coatings for biomedical application//J. Mech. Beh. Bio. Mater. 2008. S. 1. P. 105 -111.

Pichugin V.F., Eshenko E.V., Surmenev R.A. et al. Application of High-Frequency Magnetron Sputtering to Deposit Thin Calcium-Phosphate Biocompatible Coatings on a Titanium Surface//Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2007. V. 1, № 6. P. 679-682.

Qiu Q., Sayer M., Kawaja M. et al. Attachment, morphology, and protein expression of rat marrow stromal cells cultured on charged substrate surfaces//J. Biomed. Mater. Res. 1998. V. 42, № 1. P. 117-127.

Rosenman G., Aronov D. Wettability engineering and bioactivation of hydroxyapatite nanoceramics//Intern. Tech. Proc. Nanotech. Conf. Boston. 2006. V. 2. P. 91-94.

Scarano A., Degidi M., Iezzi G. et al. Maxillary sinus augmentation with different biomaterials: a comparative histologic and histomorphometric study in man//Implant Dent. 2006. V. 15. P. 197-207.

Sharkeev Yu.P., Legostaeva E.V., Eroshenko A.Yu. et al. The structure and physical and mechanical properties of a novel biocomposite material, nanostructured titanium-calcium-phosphate coating//Composite Interfaces. 2009. V. 16. P. 535-546.

Smeets R., Kolk A., Gerressen M. et al. A new biphasic osteoinductive calcium composite material with a negative Zeta potential for bone augmentation//Head Face Med. 2009. V. 5, № 13. (PMCID: PMC2706807; ) DOI: 10.1186/1746-160X-5-13

Smith I.O., Baumann M.J., McCabe L.R. Electrostatic interactions as a predictor for osteoblast attachment to biomaterials//J. Biomed. Mater. Res. A. 2004. V. 70. P. 436-441.

Sniadecki N.J., Desai R.A., Ruiz S.A., Chen C.S. Nanotechnology for cell-substrate interactions//Annals of Biomedial Engineering. 2006. V. 34. P. 59-74.

Thian E.S., Ahmad Z., Huang J. et al. The role of surface wettability and surface charge of electrosprayed nanoapatites on the behaviour of osteoblasts//Acta Biomater. 2010. V. 6. P. 750-755.

Thian E., Huang J., Best S. et al. The response of osteoblasts to nanocrystalline silicon-substituted hydroxyapatite thin films//Biomaterials. 2006. V. 27. P. 2692-2698.

Thull R. Titan in der Zahnheilkunde-Grundlangen//Z. Mitteilungen. 1992. V. 82. P. 39-45.

Yeo W.-S., Mrksich M. Electroactive Self-Assembled Monolayers that Permit Orthogonal Control over the Adhesion of Cells to Patterned Substrates//Langmuir. 2006. V. 22. P. 10816-10820.

Zhao M., Song B., Pu J. et al. Electrical signals control wound healing through phosphatidylinositol-3-OH kinase-c and PTEN//Nature. 2006. V. 442. P. 457-460.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.