Написати автору Фізичні та хімічні чинники впливу на пористість апатит-біополімерних композитів
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp13.03.301
Анотація
Неушкоджена структура та функціональність скелету є передумовою забезпечення якості життя людини. Впровадження новітніх методів лікування та протезування в травматичну хірургію, онкологію, черепно-щелепну хірургію, стоматологію формують запит на біоматеріали з функціоналізованими властивостями. Ріст нової кісткової тканини - це клітинно-регульований процес, що ґрунтується на утворенні певної кісткової морфології, яка поєднує органічну матрицю та її неорганічне наповнення. Неорганічною компонентою кісток і зубів людини є кальцій дефіцитний гідроксиапатит (cdГA) з молярним співвідношення Ca/P в межах від 1.5 до 1.67. Поєднання в матеріалі cdГA та природних полімерів уможливлює інкорпорування білків та факторів росту в полімерну матрицю, сприяє біосумісності та росту нової кісткової тканини. В цьому огляді розглянута важлива роль параметра пористості біоматеріалів (БМ) при їх використанні для кісткової регенерації. Пористість є важливою характеристикою БМ та запорукою взаємодії матеріалу з клітинами в процесі кісткоутворення, сприяє васкуляризації та процесу біорезорбції синтетичного трансплантату при його заміщенні новоутвореною нативною кісткою. В той же час ступінь пористості має корелювати з механічною стабільністю з метою підтримки структурної цілісності БМ в процесі регенерації твердої тканини. Розглянуті процеси за участі клітин та протеїнів при імплантації БМ як з високим (70–80 %), так і низьким (≤ 45 %) ступенем пористості. Наведені дані про існуючі методи отримання БМ у вигляді пористих скафолдів. Заданий ступінь пористості забезпечується хімічними (зшивання) та фізичними (сублімація) методами. Розглянуті ефекти впливу пор різного розміру та форм на кісткоутворення та васкуляризацію. Показано, що пористість є ефективним фактором впливу на механічні властивості скафолдів, зокрема, на жорсткість БМ – параметр, який впливає на проліферацію остеобластів завдяки регулюванню адгезії клітин в структурі скафолда. Детально проаналізовано питання впливу біополімерної складової (альгінат натрію - АН) на пористість та набрякання гібридних апатит-біополімерних (ГА/АН) композитів, в яких ГА представлений нанометричними голковими кристалітами.
Ключові слова
Повний текст:
Посилання
Zhang R., Ma P.X. Porous poly(L-lactic acid)/apatite composites created by biomimetic process. J. Biomed. Mater. Res. 1999. 45(4): 285. https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-4636(19990615)45:4<285::AID-JBM2>3.0.CO;2-2
Best S.M., Porter A.E., Thian E.S., Huang J. Bioceramics: Past, present and for the future. J. Eur. Ceram. Soc. 2008. 28(7): 1319. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2007.12.001
Karageorgiou V., Kaplan D. Porosity of 3D biomaterial scaffolds and osteogenesis. Biomaterials. 2005. 26(27): 5474. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2005.02.002
Woodard J.R., Hilldore A.J., Lan S.K., Park C.J., Morgan A.W., Eurell J.A.C., Clark S.G., Wheeler M.B., Jamison R.D., Wagoner Johnson A.J. The mechanical properties and osteoconductivity of hydroxyapatite bone scaffolds with multi-scale porosity. Biomaterials. 2007. 28(1): 45. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2006.08.021
Woesz A., Rumpler M., Stampfl J., Varga F., Fratzl-Zelman N., Roschger P., Klaushofer K., Fratzl P. Towards bone replacement materials from calcium phosphates via rapid prototyping and ceramic gelcasting. Mater. Sci. Eng. C. 2005. 25(2): 181. https://doi.org/10.1016/j.msec.2005.01.014
Yang S., Leong K.-F., Du Z., Chua C.-K. The Design of Scaffolds for Use in Tissue Engineering. Part I. Traditional Factors. Tissue Eng. 2001. 7(6): 679. https://doi.org/10.1089/107632701753337645
Abbasi N., Hamlet S., Love R.M., Nguyen N.-T. Porous scaffolds for bone regeneration. J. Sci. Adv. Mater. Devices. 2020. 5(1): 1. https://doi.org/10.1016/j.jsamd.2020.01.007
Ferreiro Balbuena O.B., Santos Paiva L.F., Ribeiro A.A., Monteiro M.M., Varella de Oliveira M., Pereira L.C. Sintering parameters study of a biphasic calcium phosphate bioceramic synthesized by alcoholic sol-gel technique. Ceram. Int. 2021. 47(23): 32979. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.08.197
Shum H.C., Bandyopadhyay A., Bose S., Weitz D.A. Double Emulsion Droplets as Microreactors for Synthesis of Mesoporous Hydroxyapatite. Chem. Mater. 2009. 21(22): 5548. https://doi.org/10.1021/cm9028935
Galván-Chacón V.P., Costa L., Barata D., Habibovic P. Droplet microfluidics as a tool for production of bioactive calcium phosphate microparticles with controllable physicochemical properties. Acta Biomater. 2021. 128: 486. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2021.04.029
Patent US 10561683B2. De Groot-Barrere F., Van Miegem V., Yuan H., De Bruijn J. Method for producing an osteoinductive calcium phosphate and products thus obtained. 2021.
Iviglia G., Kargozar S., Baino F. Biomaterials, Current Strategies, and Novel Nano-Technological Approaches for Periodontal Regeneration. J. Funct. Biomater. 2019. 10(1): 3. https://doi.org/10.3390/jfb10010003
Cheng M., Wahafu T., Jiang G., Liu W., Qiao Y., Peng X., Cheng T., Zhang X., He G., Liu X. A novel open-porous magnesium scaffold with controllable microstructures and properties for bone regeneration. Sci. Rep. 2016. 6(1): 24134. https://doi.org/10.1038/srep24134
Lim T.C., Chian K.S., Leong K.F. Cryogenic prototyping of chitosan scaffolds with controlled micro and macro architecture and their effect on in vivo neo-vascularization and cellular infiltration. J. Biomed. Mater. Res. Part A. 2010. 94(4): 1303. https://doi.org/10.1002/jbm.a.32747
Abbasi N., Abdal-hay A., Hamlet S., Graham E., Ivanovski S. Effects of Gradient and Offset Architectures on the Mechanical and Biological Properties of 3-D Melt Electrowritten (MEW) Scaffolds. ACS Biomater. Sci. Eng. 2019. 5(7): 3448. https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.8b01456
di Luca A., Ostrowska B., Lorenzo-Moldero I., Lepedda A., Swieszkowski W., van Blitterswijk C., Moroni L. Gradients in pore size enhance the osteogenic differentiation of human mesenchymal stromal cells in three-dimensional scaffolds. Sci. Rep. 2016. 6: 22898. https://doi.org/10.1038/srep22898
Sobral J.M., Caridade S.G., Sousa R.A., Mano J.F., Reis R.L. Three-dimensional plotted scaffolds with controlled pore size gradients: Effect of scaffold geometry on mechanical performance and cell seeding efficiency. Acta Biomater. 2011. 7(3): 1009. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2010.11.003
van Bael S., Chai Y.C., Truscello S., Moesen M., Kerckhofs G., van Oosterwyck H., Kruth J.-P., Schrooten J. The effect of pore geometry on the in vitro biological behavior of human periosteum-derived cells seeded on selective laser-melted Ti6Al4V bone scaffolds. Acta Biomater. 2012. 8(7): 2824. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2012.04.001
Morgan E.F., Unnikrisnan G.U., Hussein A.I. Bone Mechanical Properties in Healthy and Diseased States. Annu. Rev. Biomed. Eng. 2018. 20(1): 119. https://doi.org/10.1146/annurev-bioeng-062117-121139
Sengers B.G., Please C.P., Taylor M., Oreffo R.O.C. Experimental-Computational Evaluation of Human Bone Marrow Stromal Cell Spreading on Trabecular Bone Structures. Ann. Biomed. Eng. 2009. 37(6): 1165. https://doi.org/10.1007/s10439-009-9676-3
Roosa S.M.M., Kemppainen J.M., Moffitt E.N., Krebsbach P.H., Hollister S.J. The pore size of polycaprolactone scaffolds has limited influence on bone regeneration in an in vivo model. J. Biomed. Mater. Res. Part A. 2010. 92A(1): 359. https://doi.org/10.1002/jbm.a.32381
Chen X., Fan H., Deng X., Wu L., Yi T., Gu L., Zhou C., Fan Y., Zhang X. Scaffold Structural Microenvironmental Cues to Guide Tissue Regeneration in Bone Tissue Applications. Nanomaterials. 2018. 8(11): 960. https://doi.org/10.3390/nano8110960
Wang Q., Wang Q., Wan C. Preparation and evaluation of a biomimetic scaffold with porosity gradients in vitro. Anais da Academia Brasileira de Ciências. 2012. 84(1): 9. https://doi.org/10.1590/S0001-37652012005000003
Ma P.X., Choi J.-W. Biodegradable Polymer Scaffolds with Well-Defined Interconnected Spherical Pore Network. Tissue Eng. 2001. 7(1): 23. https://doi.org/10.1089/107632701300003269
Xu S., Liu J., Zhang L., Yang F., Tang P., Wu D. Effects of HAp and TCP in constructing tissue engineering scaffolds for bone repair. J. Mater. Chem. B. 2017. 5(30): 6110. https://doi.org/10.1039/C7TB00790F
Dorozhkin S.V. Calcium orthophosphates in dentistry. J. Mater. Sci. Mater. Med. 2013. 24(6): 1335. https://doi.org/10.1007/s10856-013-4898-1
Xu M., Zhai D., Chang J., Wu C. In vitro assessment of three-dimensionally plotted nagelschmidtite bioceramic scaffolds with varied macropore morphologies. Acta Biomater. 2014. 10(1): 463. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2013.09.011
Aparicio C., Pau Ginebra M. Biomineralization and Biomaterials, Fundamentals and Applications. (Elsevier, 2016).
Martynyuk O.O., Sukhodub L.F., Sukhodub L.B. Nanocomposite materials based on hydroxyapatite and sodium alginate: synthesis and characteristics. Biophysical Bulletin. 2015. 1(33): 48.
Wang L., Li Y., Li C. In situ processing and properties of nanostructured hydroxyapatite/alginate composite. J. Nanopart. Res. 2009. 11(3): 691. https://doi.org/10.1007/s11051-008-9431-y
Malkaj P., Pierri E., Dalas E. The crystallization of Hydroxyapatite in the presence of sodium alginate. J. Mater. Sci. Mater. Med. 2005. 16(8): 733. https://doi.org/10.1007/s10856-005-2610-9
Pramanik N., Mohapatra S., Bhargava P., Pramanik P. Chemical synthesis and characterization of hydroxyapatite (HAp)-poly (ethylene co vinyl alcohol) (EVA) nanocomposite using a phosphonic acid coupling agent for orthopedic applications. Mater. Sci. Eng. C. 2009. 29(1): 228. https://doi.org/10.1016/j.msec.2008.06.013
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp13.03.301
Copyright (©) 2022 L. F. Sukhodub, L. B. Sukhodub, M. O. Kumeda
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.