Изучение скорости деградации материала состава полилактид/гидроксиапатит в зависимости от кристалличности структуры полимера
https://doi.org/10.18019/1028-4427-2023-29-6-591-595
EDN: PCWONO
Аннотация
Введение. Изучение биологических характеристик биодеградируемых материалов на основе полилактида (PLLA) с включениями гидроксиапатита (НА) является важной задачей для определения показаний для их применения в клинической практике.
Цель. Изучение кинетики высвобождения кальция и фосфата из PLLA в зависимости от кристалличности структуры полимера.
Материалы и методы. В экспериментах in vitro исследовали 4 вида материалов. Материалы 1 и 3 на основе кристаллического (после отжига) PLLA содержали 25 % и 50 % массовой доли HA соответственно. Материалы 2 и 4 на основе преимущественно аморфного (без отжига) PLLA содержали 25 % и 50 % массовой доли HA соответственно. В каждой группе исследовали по 6 образцов. Образцы инкубировали в водной среде при температуре 37 °С в течение 52 недель. Скорость деградации PLLA оценивали по накоплению в гидролизате его мономера – лактата. Для оценки скорости гидролиза НА в гидролизате определяли концентрацию ионов кальция и ионов фосфата. Степень кристалличности полимерной матрицы оценивали методом дифференциальной сканирующей калориметрии.
Результаты. Гидролиз PLLA и НА в образцах всех материалов происходил ступенчато. Вначале гидролизовался PLLA, затем НА. На момент полного гидролиза PLLA количество гидролизуемого НА составляло не более 15 %. Высвобождение ионов кальция из тестируемых материалов начиналось с шестой недели инкубации для всех образцов, фосфат-ионов – с третьей недели. Суммарное количество высвобожденных ионов кальция и фосфат-ионов снижалось в ряду: материал 3 > материал 4 > материал 1 > материал 2. Ионы кальция в гидролизатах всех образцов обнаруживались до 42 недели инкубации, фосфат-ионы – до 52-й недели.
Обсуждение. Исследование показало, что степень кристалличности PLLA влияла на кинетику высвобождения НА из образцов исследуемых материалов. С повышением кристалличности растет скорость гидролиза НА. Такое наблюдение можно объяснить тем, что полимер в кристаллической фазе подвергался гидролизу быстрее, чем в аморфной.
Заключение. Повышение кристалличности PLLA за счет его отжига повышает скорость гидролиза НА, включенного в PLLA-матрицу. Изменение содержания НА и степени кристалличности PLLA позволяет регулировать биологические характеристики материалов состава PLLA/HA.
Ключевые слова
Об авторах
М. В. СтоговРоссия
Максим Валерьевич Стогов – доктор биологических наук, доцент, руководитель отдела
Е. А. Киреева
Россия
Елена Анатольевна Киреева – кандидат биологических наук, старший научный сотрудник
Г. Е. Дубиненко
Россия
Глеб Евгеньевич Дубиненко – младший научный сотрудник
С. И. Твердохлебов
Россия
Сергей Иванович Твердохлебов – кандидат физико-математических наук, доцент
Список литературы
1. Alizadeh-Osgouei M, Li Y, Wen C. A comprehensive review of biodegradable synthetic polymer-ceramic composites and their manufacture for biomedical applications. Bioact Mater. 2018;4(1):22-36. doi: 10.1016/j.bioactmat.2018.11.003
2. Bharadwaz A, Jayasuriya AC. Recent trends in the application of widely used natural and synthetic polymer nanocomposites in bone tissue regeneration. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2020;110:110698. doi: 10.1016/j.msec.2020.110698
3. Fairag R, Li L, Ramirez-GarciaLuna JL, et al. A Composite Lactide-Mineral 3D-Printed Scaffold for Bone Repair and Regeneration. Front Cell Dev Biol. 2021;9:654518. doi: 10.3389/fcell.2021.654518
4. Popkov AV, Popkov DA, Kononovich NA, et al. Biological activity of the implant for internal fixation. J Tissue Eng Regen Med. 2018;12(12):2248- 2255. doi: 10.1002/term.2756
5. Tayton E, Purcell M, Aarvold A, et al. A comparison of polymer and polymer-hydroxyapatite composite tissue engineered scaffolds for use in bone regeneration. An in vitro and in vivo study. J Biomed Mater Res A. 2014;102(8):2613-24. doi: 10.1002/jbm.a.34926
6. Woźna AE, Junka A, Hoppe VW. Influence of the different composites (PLA/PLLA/HA/β-TCP) contents manufactured with the use of additive laser technology on the biocompatibility. Acta Bioeng Biomech. 2021;23(2):169-180.
7. Murugan S, Parcha SR. Fabrication techniques involved in developing the composite scaffolds PCL/HA nanoparticles for bone tissue engineering applications. J Mater Sci Mater Med. 2021;32(8):93. doi: 10.1007/s10856-021-06564-0
8. Ngo HX, Bai Y, Sha J, et al. A Narrative Review of u-HA/PLLA, a Bioactive Resorbable Reconstruction Material: Applications in Oral and Maxillofacial Surgery. Materials (Basel). 2021;15(1):150. doi: 10.3390/ma15010150
9. Purnama P, Samsuri M, Iswaldi I. Properties Enhancement of High Molecular Weight Polylactide Using Stereocomplex Polylactide as a Nucleating Agent. Polymers (Basel). 2021;13(11):1725. doi: 10.3390/polym13111725
10. Samsuri M, Iswaldi I, Purnama P. The Effect of Stereocomplex Polylactide Particles on the Stereocomplexation of High Molecular Weight Polylactide Blends. Polymers (Basel). 2021;13(12):2018. doi: 10.3390/polym13122018
11. Zhao X, Liu J, Li J, et al. Strategies and techniques for improving heat resistance and mechanical performances of poly(lactic acid) (PLA) biodegradable materials. Int J Biol Macromol. 2022;218:115-134. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2022.07.091
12. He Y, Xu WH, Zhang H, Qu JP. Constructing Bone-Mimicking High-Performance Structured Poly(lactic acid) by an Elongational Flow Field and Facile Annealing Process. ACS Appl Mater Interfaces. 2020;12(11):13411-13420. doi: 10.1021/acsami.0c01528
13. Bernardo MP, da Silva BCR, Hamouda AEI, et al. PLA/Hydroxyapatite scaffolds exhibit in vitro immunological inertness and promote robust osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells without osteogenic stimuli. Sci Rep. 2022;12(1):2333. doi: 10.1038/s41598-022- 05207-w
14. Pandele AM, Constantinescu A, Radu IC, et al. Synthesis and Characterization of PLA-Micro-structured Hydroxyapatite Composite Films. Materials (Basel). 2020;13(2):274. doi: 10.3390/ma13020274
15. Zhang Y, Wang J, Ma Y, et al. Preparation of poly(lactic acid)/sintered hydroxyapatite composite biomaterial by supercritical CO2. Biomed Mater Eng. 2018;29(1):67-79. doi: 10.3233/BME-171713
16. Kim YM, Lee JH. Clinical courses and degradation patterns of absorbable plates in facial bone fracture patients. Arch Craniofac Surg. 2019;20(5):297- 303. doi: 10.7181/acfs.2019.00409
17. Retegi-Carrión S, Ferrandez-Montero A, Eguiluz A, et al. The Effect of Ca2+ and Mg2+ Ions Loaded at Degradable PLA Membranes on the Proliferation and Osteoinduction of MSCs. Polymers (Basel). 2022;14(12):2422. doi: 10.3390/polym14122422
18. Woźna AE, Junka AF, Szymczyk PE. The influence of different composite mixtures (PLA/HA) manufactured with additive laser technology on the ability of S. aureus and P. aeruginosa to form biofilms. Acta Bioeng Biomech. 2018;20(4):101-106.
19. Zimina A, Senatov F, Choudhary R, et al. Biocompatibility and Physico-Chemical Properties of Highly Porous PLA/HA Scaffolds for Bone Reconstruction. Polymers (Basel). 2020;12(12):2938. doi: 10.3390/polym12122938
20. Sakamoto A, Okamoto T, Matsuda S. Unsintered Hydroxyapatite and Poly-L-Lactide Composite Screws/Plates for Stabilizing β-Tricalcium Phosphate Bone Implants. Clin Orthop Surg. 2018;10(2):253-259. doi: 10.4055/cios.2018.10.2.253
21. Wu D, Spanou A, Diez-Escudero A, Persson C. 3D-printed PLA/HA composite structures as synthetic trabecular bone: A feasibility study using fused deposition modeling. J Mech Behav Biomed Mater. 2020;103:103608. doi: 10.1016/j.jmbbm.2019.103608
22. Liu Z, Chu W, Zhang L, et al. The effect of enhanced bone marrow in conjunction with 3D-printed PLA-HA in the repair of critical-sized bone defects in a rabbit model. Ann Transl Med. 2021;9(14):1134. doi: 10.21037/atm-20-8198
23. Oryan A, Hassanajili S, Sahvieh S, Azarpira N. Effectiveness of mesenchymal stem cell-seeded onto the 3D polylactic acid/polycaprolactone/ hydroxyapatite scaffold on the radius bone defect in rat. Life Sci. 2020;257:118038. doi: 10.1016/j.lfs.2020.118038
Рецензия
Для цитирования:
Стогов М.В., Киреева Е.А., Дубиненко Г.Е., Твердохлебов С.И. Изучение скорости деградации материала состава полилактид/гидроксиапатит в зависимости от кристалличности структуры полимера. Гений ортопедии. 2023;29(6):591-595. https://doi.org/10.18019/1028-4427-2023-29-6-591-595. EDN: PCWONO
For citation:
Stogov M.V., Kireeva E.A., Dubinenko G.E., Tverdokhlebov S.I. The influence of polylactide/hydroxyapatite composite material crystallinity on the polymer structure degradation rate. Genij Ortopedii. 2023;29(6):591-595. https://doi.org/10.18019/1028-4427-2023-29-6-591-595. EDN: PCWONO