Биоразлагаемые полимерные композиции с остеогенным потенциалом

Цель. Исследование основных физико-механических свойств композитов гидроксиапатита (ГА) (до 25–50%) с полилактидом (ПЛА-ГА) и поли(e-капролактоном)  (ПКЛ-ГА), полученных методом смешения врасплаве, а также остеогенного потенциала ПЛА-ГА in vivo.

Материалы и методы. Все биоразлагаемые полимерные композиции изготовлены методом горячего компаундирования в расплаве, исследованы методами диэлектрической спектроскопии в частотном ходе, оптической микроскопии, рентгеноструктурного анализа и испытаний на растяжение. Способность композитов  ПЛА-5% ГА, полученных методом 3D-печати, к in vivo индукции роста костной ткани  изучена при помощи теста подкожного эктопического костеобразования на линейных мышах.

Результаты. Значения действительной составляющей комплексной диэлектрической  проницаемости композиций ПЛА-ГА и ПКЛ-ГА увеличиваются на 15–30% по сравнению с  исходными ПЛА и ПКЛ, при этом тангенс угла потерь не превышает 0,02 для композиций на основе ПЛА и 0,2 – для композиций на основе ПКЛ. Степень кристалличности для композиций ПЛА-ГА, по сравнению с показателем для ПЛА,  увеличивается в 3 и 6 раз при повышении содержания ГА с 25 до 50% соответственно.  Для композиции ПКЛ-ГА при 25% ГА степень кристалличности увеличивается в 2 раза по отношению к значению для ПКЛ. Это обусловлено тем, что частицы порошка ГА играют роль дополнительных центров кристаллизации. При этом статистически значимо снижается прочность композитов на разрыв. Композиты ПЛА, полученные методом 3D-печати, даже с низким (5%) содержанием ГА на 40% повышают результаты  эктопического остеогенеза.

Заключение. Разработанные биоразлагаемые композиции имеют потенциал  практического применения в приложении к биоинженерии костной ткани.

1. Hutmacher D.W. Scaffolds in tissue engineering bone and cartilage. Biomaterials. 2000; 21 (24): 2529–2543. DOI: 10.1016/s0142-9612(00)00121-6.

2. Murariu M., Dubois P. PLA composites: from production to properties. Adv. Drug Deliv. Rev. 2016; 107: 17–46. DOI:

3. 1016/j.addr.2016.04.003.

4. Langer R., Vacanti J.P. Tissue engineering. Science. 1993; 260: 920–926. DOI: 10.1126/science.8493529.

5. Gupta A.P., Kumar V. New emerging trends in synthetic biodegradable polymers – polylactide: a critique. Europ. Polym. J. 2007; 43 (10): 4053–4074. DOI: 10.1016/J.EURPOLYMJ.2007.06.045.

6. Jorge P., Domingos M., Gloria A., Ciurana J. BioCell printing: Integrated automated assembly system for tissue engineering constructs. CIRP Annals – Manufacturing Technology. 2011; 60 (1): 271–274. DOI: 10.1016/J.CIRP.2011.03.116.

7. Elzubair A., Elias C.N., Suarez J.C.M., Lopes H.P., Vieira M.V.B. The physical characterization of a thermoplastic polymer for endodontic obturation. J. Dent. 2006; 34 (10): 784–789. DOI: 10.1016/j.jdent.2006.03.002.

8. Hutmacher D.W., Schantz T., Zein I., Ng K.W., Teoh S.H., Tan K.C. Mechanical properties and cell cultural response of polycaprolactone scaffolds designed and fabricated via fused deposition modeling. J. Biomed. Mater. Res. 2001; 55(2): 203–216. DOI: 10.1002/1097-4636(200105)55: 2<203::aid-jbm1007>3.0.co;2-7.

9. Rohner D., Hutmacher D.W., Cheng T.K., Oberholzer M., Hammer B. In vivo efficacy of bone-marrow-coated polycaprolactone scaffolds for the reconstruction of orbital defects in the pig. J. Biomed. Mater. Res. B: Appl. Biomater. 2003; 66B (2): 574–580. DOI: 10.1002/jbm.b.10037.

10. Tay F.R., Pashley D.H., Williams M.C., Raina R., Loushine R.J., Weller R.N. et al. Susceptibility of a polycaprolactone-based root canal filling material to degradation. I. Alkaline hydrolysis. J. Endodontics. 2005; 31 (8): 593–598. DOI: 10.1097/01.don.0000152301. 72828.61.

11. Chan-Chan L.H., Solis-Correa R., Vargas-Coronado R.F., Cervantes-Uc J.M., Cauich-Rodríguez J.V., Quintana P., Bartolo-Pérez P. Degradation studies on segmented polyurethanes prepared with HMDI, PCL and different chain extenders. Acta Biomaterialia. 2010; 6 (6): 2035–2044. DOI: 10.1016/j.actbio.2009.12.010.

12. Mitchell C.A., Krishnamoorti R. Dispersion of single-walled carbon nanotubes in poly(e-caprolactone). Macromolecules. 2007; 40 (5): 1538–1545. DOI: 10.1021/ma0616054.

13. Raquez J.-M., Habibi Y., Murariu M., Dubois P. Polylactide (PLA)-based nanocomposites. Prog. Polym. Sci. 2013; 38 (10–11): 1504–1542. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2013.05.014.

14. Ray S.S., Bousmina M. Biodegradable polymers and their layered silicate nanocomposites: in green the 21st century materials word. Prog. Mater. Sci. 2005; 50: 962–1079. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2005.05.002.

15. Murariu M., Paint Y., Murariu O., Raquez J.-M., Bonnaud L., Dubois P. Current progress in the production of PLA–ZnO nanocomposites: Beneficial effects of chain extender addition on key properties. J. Appl. Polym. Sci. 2015; 132: 42480. DOI: 10.1002/app.42480.

16. Murariu M., Dechief A.L., Bonnaud L., Paint Y., Gallos A., Fontaine G., et al. The production and properties of polylactide composites filled with expanded graphite. Polym. Degrad. Stab. 2010; 95: 889–900. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2009.12.019.

17. Li S.H., Liu Q., Wijn J.R., Zhou B.L., Groot K. In vitro calcium phosphate formation on a natural composite material, bamboo. Biomaterials. 1997; 18 (5): 389–395. DOI: 10.1016/S0142-9612(96)00122-6.

18. Morvan J., Buyuktanir E., West J.L., Jákli A. Highly piezoelectric biocompatible and soft composite fibers. Appl. Phys. Lett. 2012; 100 (6). DOI: 10.1063/1.3683482.

19. Lebedev S.M., Amitov E.T., Mikutskiy E.A. Biodegradable electrically conductive polycaprolactone-based composites filled with carbon nanotubes. Russian Phys. J. 2020; 62 (10): 1753–1762. DOI: 10.1007/s11182-020-01903-0.

20. Лекишвили М.В., Балберкин А.В., Васильев М.Г., Колондаев А.Ф., Баранецкий А.Л, Буклемишев Ю.В. Первый опыт применения в клинике костной патологии биокомпозиционного материала «Остеоматрикс». Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. 2002; 4: 80–83.

21. Иванов С.Ю., Бизяев Н.Ф., Ломакин М.В., Панин А.М. Клинические результаты использования различных костнопластических материалов при синус-лифтинге. Новое в стоматологии. 1999; 5: 51–54.

22. Аглуллин И.Р., Сафин И.Р. Остеопластика в лечении пациентов с дефектами костной ткани. Поволжский онкологический вестник. 2012; 1: 42–44.

23. Gonçalves E.M., Oliveira F.J., Silva R.F., Neto M.A., Fernandes M.H., Amaral M. et al. Three-dimensional printed PCL-hydroxyapatite scaffolds filled with CNTs for bone cell growth stimulation. J. Biomed. Mater. Res. Part: B. 2016; 104 (6): 1210–1219. DOI: 10.1002/ jbm.b.33432.

24. Akindoyo J.O., Beg M.D.H., Ghazali S., Alam A.K.M.M., Heim H.P., Feldmann M. Synergized poly(lactic acid)- hydroxyapatite composites: Biocompatibility study. J. Appl.Polym. Sci. 2019. DOI: 10.1002/app.47400.

25. Akindoyo J.O., Beg M.D.H., Ghazali S., Heim H.P., Feldmann M. Impact modified PLA-hydroxyapatite composites – thermo-mechanical properties. Comp. Part A: App. Sci. Manufact. 2018; 107: 326–333. DOI: 10.1016/j.compositesa.2018.01.017.

26. Šupová M. Problem of hydroxyapatite dispersion in polymer matrices: a review. J. Mater. Sci. Mater. Med. 2009; 20 (6): 1201–1213. DOI: 10.1007/s10856-009-3696-2.

27. Mao D., Li Q., Bai N., Dong H., Li D. Porous stable poly(lactic acid)/ethyl cellulose/hydroxyapatite composite scaffolds prepared by a combined method for bone regeneration. Carbohydrate Polymers. 2018; 180: 104–111. DOI: 10.1016/j.carbpol.2017. 10.031.

28. Alizadeh-Osgouei M., Li Y., Wen C. A comprehensive review of biodegradable synthetic polymer-ceramic composites and their manufacture for biomedical applications. Bioactive Mater. 2019; 4 (1): 22–36. DOI: 10.1016/j.bioactmat.2018.11.003.

29. Russias J., Saiz E., Nalla R.K., Gryn K., Ritchie R.O., and Tomsia A.P. Fabrication and mechanical properties of

30. PLA/HA composites: а study in vitro degradation. Mater. Sci. Eng. C: Biomim. Supramol. Syst. 2006; 26 (8): 1289–1295. DOI: 10.1016/j.msec.2005.08.004.

31. Ferri J.M., Jorda J., Montanes N., Fenollar O., and Balart R. Manufacturing and characterization of poly(lactic acid) composites with hydroxyapatite. J. Thermoplast. Comp. Mater. 2017; 31 (7): 865–881. DOI: 10.1177/0892705717729014.

32. Zhang H., Mao X., Du Z., Jiang W., Han X., Zhao D. et al. Three dimensional printed macroporous polylactic acid/hydroxyapatite composite scaffolds for promoting bone formation in a critical-size rat calvarial defect model. Sci. Tech. Adv. Mater. 2016; 17 (1). DOI: 10.1080/14686996.2016.1145532.

33. Zhang S.M., Liu J., Zhou W., Cheng L., Guo X.D. Interfacial fabrication and property of hydroxyapatite/polylactide resorbable bone fixation composites. Curr. Appl. Phys. 2005; 5 (5): 516–518. DOI: 10.1016/j.cap.2005.01.023.

34. Shen L., Yang H., Ying J., Qiao F., Peng M. Preparation and mechanical properties of carbon fiber reinforced hydroxyapatite/polylactide biocomposites. J. Mater. Sci. Mater. Med. 2009; 20 (11): 2259–2265. DOI: 10.1007/s10856-009-3785-2.

35. Park S.A., Lee S.H., Kim W.D. Fabrication of porous polycaprolactone/hydroxyapatite (PCL/HA) blend scaffolds using a 3D plotting system for bone tissue engineering. Bioprocess Biosyst. Eng. 2011; 34 (4): 505–513. DOI: 10.1007/s00449-010-0499-2.

36. Kim J.Y., Lee T.-J., Cho D.-W., Kim B.-S. Solid free- form fabrication-based PCL/HA scaffolds fabricated with a multi-head deposition system for bone tissue engineering. J. Biomater. Sci. 2010; 21 (6–7): 951–962. DOI: 10.1163/156856209X458380.

37. Jiang W., Shi J., Li W., Sun K. Morphology, wettability, and mechanical properties of polycaprolactone/hydroxyapatite composite scaffolds with interconnected pore structures fabricated by a mini- deposition system. Polym. Eng. Sci. 2012; 52: 2396–2402. DOI: 10.1002/pen.23193.

38. 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.

39. Дружинина Т.В., Талалаев С.Я., Закиров Н.П., Щаденко С.В., Хабибулин 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.

40. Scott M.A., Levi B., Askarinam A., Nguyen A., Rackohn T., Ting K., Soo C., James A.W. Brief review of models of ectopic bone formation. Stem Cells Dev. 2012; 21 (5): 655– 668. DOI: 10.1089/scd.2011.0517.

41. Bolbasov E.N., Popkov A.V., Popkov D.A., Gorbach E.N., Khlusov I.A., Golovkin A.S., Sinev A., Bouznik V.M., Tverdokhlebov S.I., Anissimov Y.G. Osteoinductive composite coatings for flexible intramedullary nails. Mater. Sci. Eng. C. 2017; 75: 207–220. DOI: 10.1016/j.msec.2017.02.073.

42. Caplan A.I. Mesenchymal stem cells. J. Orthop. Res. 1991; 9 (5): 641–50. DOI: 10.1002/jor.1100090504.

43. Silva C.C., Almeida A.F.L., De Oliveira R.S., Pinheiro A.G., Góes J.C., Sombra A.S.B. Dielectric permittivity and loss of hydroxyapatite screen-printed thick films. J. Mater. Sci. 2003; 38: 3713–3720. DOI: 10.1023/A:1025963728858.

44. 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-L lactide screws. An experimental long-term study in sheep. Arch. Orthop. Trauma Surg. 2002; 122 (6): 360–364 DOI: 10.1007/s00402-001-0379-y.

45. Bostman O.M., Pihlajamaki H.K. Late foreign-body reaction to an intraosseous bioabsorbable polylactic acid screw. A case report. J. Bone Joint. Surg. Am. 1998; 80 (12): 1791–1794. DOI: 10.2106/00004623-199812000-00010.

46. Zhang R., Ma P. X. Porous poly(L-lactic acid)/apatite composites created by biomimetic process. J. Biomed. Mater. Res. 1999; 45 (4): 285–293. DOI: 10.1002/(sici)1097-4636(19990615)45:4<285::aid-jbm2>3.0.co;2-2.

47. Фриденштейн А.Я., Лурия Е.А. Клеточные основы кроветворного микроокружения. М.: Медицина, 1980: 216.