Ученые Томского политехнического университета совместно с коллегами из НИИ онкологии Томского НИМЦ и Харбинского технологического института предложили подход, позволяющий улучшить механические свойства и остеогенный потенциал композитных скаффолдов на основе полилактида и гидроксиапатита. Такие скаффолды, изготовленные методом электроформования, могут быть перспективны для регенерации костной ткани.
Скаффолды из полилактида с добавлением частиц гидроксиапатита, изготовленные методом электроформования, применяют для регенерации костной и хрящевой тканей. Гидроксиапатит, благодаря близкому сходству с минеральным компонентом костной ткани, усиливает биологическую активность и остеогенез мезенхимальных клеток, стимулируя формирование новой костной ткани.
Однако чрезмерное добавление частиц гидроксиапатита снижает механические свойства скаффолда, а преимущественная локализация частиц внутри полимера ограничивает биодоступность и биоактивность гидроксиапатита. Это связано с тем, что зачастую частицы гидроксиапатита внедряются в волокна и инкапсулируются в полимер, что ограничивает их прямой контакт с физиологическими жидкостями и клетками. Поэтому разработка композитных скаффолдов из полилактида и гидроксиапатита, одновременно обладающими биоактивными и высокими механическими свойствами, остается важной задачей.
Целью данного исследования являлось изготовление композитных скаффолдов с микрочастицами гидроксиапатита. Использование микрочастиц позволило достичь высокой концентрации минеральной фазы в композите без его значительного охрупчивания, повысить механическую прочность и обеспечить выступание значительной части частиц гидроксиапатита над поверхностью полимерного скаффолда, способствуя биодоступности частиц, — говорит руководитель проекта, и.о. руководителя лаборатории плазменных гибридных систем НОЦ Б.П. Вейнберга ТПУ Сергей Твердохлебов. — В таких материалах заинтересованы наши медицинские партнеры, в частности, Центр Илизарова, где и ставили задачу разработать композитные скаффолды.
Для этого ученые методом электроформования изготовили скаффолды на основе полилактида с различным содержанием частиц гидроксиапатита, включая образцы без добавления минеральной фазы. Затем, с использованием различных методов, были проанализированы физико-химические, механические, биологические и остеогенные свойства образцов.
Проведенные исследования показали, что подход позволяет изготовить композитные скаффолды с выступающими микрочастицами гидроксиапатита, обладающие высокими механическими свойствами. В результате добавления микрочастиц гидроксиапатита были получены композитные скаффолды с более высокой прочностью на разрыв и модулем Юнга, чем у скаффолдов только на основе полилактида.
Добавление микрочастиц в полимерный раствор приводит к изменениям электропроводности и вязкости, а также к изменениям поведения полимерной струи во время электроформования. Улучшение механических свойств объясняется изменениями морфологии и кристалличности полимера — скаффолд только из полилактида является аморфным, а полученные композитные скаффолды — полукристаллические. Кроме того, композитные скаффолды состоят из более толстых, частично сплавленных между собой волокон, а значительная часть микрочастиц гидроксиапатита расположена на поверхности скаффолдов. При этом волокна скаффолдов, состоящие только из полилактида, тоньше и не сплавлены между собой, — добавляет один из авторов статьи, научный сотрудник лаборатории плазменных гибридных систем НОЦ Б.П. Вейнберга ТПУ Арсалан Бадараев.
Композитные скаффолды не обладают токсичностью по отношению к здоровым клеткам, но, что более важно, демонстрируют более выраженный остеогенный ответ, чем скаффолды из полилактида без добавления частиц гидроксиапатита и контрольный культуральный пластик. Так, уровень экспрессии остеогенных маркеров остеокальцина и остеопонтина в мезенхимальных клетках на композитных скаффолдах был в 1,2-1,4 раза выше, чем на образцах только из полилактида, и в 7,1-7,9 раза и в 2,8-3,0 раза выше соответственно, чем на культуральном пластике. На следующем этапе исследований мы планируем оценить биосовместимость разработанных композитов в исследованиях на лабораторных животных, — отмечает один из соавторов работы, старший научный сотрудник лаборатории молекулярной онкологии и иммунологии НИИ онкологии Томского НИМЦ Михаил Булдаков.
Полученные результаты указывают на то, что разработанные композитные скаффолды представляют собой перспективную альтернативу электроформованным скаффолдам с классической нетканой структурой, которые в настоящее время активно применяются в тканевой инженерии костной ткани. Для подтверждения клинического потенциала разработанных композитов необходимо проведение исследования in vivo. Такой подход позволит создавать имплантаты для замещения костных дефектов, сокращать сроки лечения и реабилитации как у пациентов, страдающих онкологическими заболеваниями, так и у пациентов, получивших травму.
Результаты опубликованы в журнале Polymers. Исследование было поддержано Минобрнауки РФ в рамках проекта «Наука» (FSWW-2026-0052).
Источник: Минобрнауки России
Изображение на обложке: разработано Magnific
