Биологические аспекты применения композиционных материалов на основе полилактида в ортопедии

Введение. Пациентам со злокачественными опухолями костей и суставов часто требуется проведение реконструктивных операций для остеосинтеза или артродеза. Дизайн конструкции может быть реализован за счет 3D-печати с использованием биодеградируемых материалов с эффектом памяти формы, что позволит облегчить оперативный доступ и снизить риск проведения повторной операции.

Цель исследования – оценка механических свойств, биосовместимости и биологической активности полимеров из полилактида (ПЛА) с добавлением гидроксиапатита (ГА) и диоксида кремния (SiO2), произведенных методом экструзии и 3D-печати, для выявления перспектив разработки на их основе имплантатов для остеореконструктивных операций.

Материалы и методы. Материалы на основе ПЛА с добавлением 10, 15 и 20 % ГА и SiO2 были получены методом экструзии. Из данных материалов методом 3D-печати получили образцы, прошедшие исследование на сжатие. Исследовали также экстракты образцов, полученные после инкубации образцов в фетальной телячьей сыворотке в течение 30 сут. Биосовместимость оценивали по уровню гемолиза и цитотоксичности экстрактов из материалов, а также стимуляции оксидативного стресса. Отдельно изучали влияние экстрактов на клеточную адгезию и интенсивность колонизации мультипотентными мезенхимальными стромальными клетками поверхности как интактных, так и подвергнутых биодеградации образцов.

Результаты. Установлено, что добавление к ПЛА ГА и SiO2 не приводило к достоверному нарастанию гемолиза и цитотоксичности в сравнении с чистым ПЛА. Однако инкубация с экстрактами образцов, содержавших 20 % примеси, стимулировала нарастание оксидативного стресса в лейкоцитах и угнетала клеточную адгезию. Образцы на основе смеси ПЛА с 10 и 15 % ГА максимально эффективно стимулировали колонизацию клетками поверхности образцов.

Заключение. Материалы на основе ПЛА, дополненного 10 и 15 % ГА, сочетают высокую прочность, биосовместимость, способность к биодеградации и эффективную остеокондуктивность, что делает их перспективными кандидатами для изготовления имплантатов для остеореконструкции и артродеза пациентов с проблемами опорно-двигательной системы, и в частности онкологических больных.

1. Гуди С.М., Епишин В.В., Пахомов И.А. и др. Проксимальный межфаланговый артродез в комплексе лечения пациентов с молоткообразной деформацией малых пальцев стопы. Современные проблемы науки и образования 2018;6. URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=28341.

2. Bielack S., Carrle D., Casali P.G. et al. Osteosarcoma: ESMO clinical recommendations for diagnosis, treatment and follow-up. Ann Oncol 2009;20(Suppl. 4):137–9. DOI: 10.1093/annonc/mdn102

3. Allison D.C., Carney S.C., Ahlmann E.R. et al. A meta-analysis of osteosarcoma outcomes in the modern medical era. Sarcoma 2012;2012(4):704872. DOI: 10.1155/2012/704872

4. Li Y., Yang Y., Huang Z. et al. Bone defect reconstruction with autologous bone inactivated with liquid nitrogen after resection of primary limb malignant tumors: An observational study. Medicine 2020;99(24):20442. DOI: 10.1097/MD.0000000000020442

5. Tapscott D.C., Wottowa C. Orthopedic Implant Materials. 2023. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing, 2024.

6. Benjamin B., Ryan P., Chechelnitskaya Y. et al. Intraosseous device for arthrodesis in foot and ankle surgery: review of the literature and biomechanical properties. World J Orthop 2021;12(12):1036–44. DOI: 10.5312/wjo.v12.i12.1036

7. Ngo T.D., Kashani A., Imbalzano G. et al. Additive manufacturing (3D printing): a review of materials, methods, applications and challenges. Compos B Eng 2018;143:172–96. DOI: 10.1016/j.compositesb.2018.02.012

8. Gisario A., Kazarian M., Martina F. et al. Metal additive manufacturing in the commercial aviation industry: a review. J Manuf Syst 2019;53:124–49. DOI: 10.1016/j.jmsy.2019.08.005

9. Khoo Z.X., Teoh J.E.M., Liu Y. et al. 3D printing of smart materials: a review on recent progresses in 4D printing. Virtual Phys Prototyp 2015;10(3):103–22. DOI: 10.1080/17452759.2015.1097054

10. Huang W.M., Zhao Y., Wang C. et al. Thermo/chemoresponsive shape memory effect in polymers: a sketch of working mechanisms, fundamentals and optimization. J Polym Res 2012;19(9):9952. DOI: 10.1007/s10965-012-9952-z

11. Mehrpouya M., Vahabi H., Janbaz Sh. et al. 4D printing of shape memory polylactic acid (PLA). Polymer 2021;230:124080. DOI: 10.1016/j.polymer.2021.124080

12. Sun L., Wang T.X., Chen H. et al. A brief review of the shape memory phenomena in polymers and their typical sensor applications. Polymers 2019;11(6):1049. DOI: 10.3390/polym11061049

13. Radjabian M., Kish M., Mohammadi N. Structure–property relationship for poly (lactic acid)(PLA) filaments: physical, thermomechanical and shape memory characterization. J Polym Res 2012;19(6):9870. DOI:10.1007/s10965-012-9870-0

14. DeStefano V., Khan S., Tabada A. Applications of PLA in modern medicine. Engineered Regeneration 2020;1:76–87. DOI:10.1016/j.engreg.2020.08.002

15. Zhang Q., Yan D., Zhang K.T. et al. Pattern transformation of heat-shrinkable polymer by three-dimensional (3D) printing technique. Sci Rep 2015;5:8936. DOI: 10.1038/srep08936

16. Zalepugin D.Y., Maksimkin A.V., Kiselevsky M.V. et al. Impregnation of ultrahigh-molecular-weight polyethylene with amoxicillin in subcritical freon R22 media. Russ J Phys Chem B 2017;11:1215–22. DOI: 10.1134/S1990793117080152

17. Сенатов Ф.С., Баранов А.А., Максимкин А.В. и др. Перспективный нанокомпозитный материал на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена для замещения дефектов хрящевой ткани. Российский биотерапевтический журнал 2012;11(2):47.

18. Zimina A., Senatov F., Choudhary R. et al. Biocompatibility and physico-chemical properties of highly porous PLA/HA scaffolds for bone reconstruction. Polymers 2020;12:2938. DOI: 10.3390/polym12122938

19. Senatov F.S., Zadorozhnyy M.Yu., Niaza K.V. et al. Shape memory effect in 3D-printed scaffolds for self-fitting implants. Europ Polym J 2017;93:222–31. DOI: 10.1016/j.eurpolymj.2017.06.011

20. Rybalchenko O.V., Anisimova N.Yu., Kiselevsky M.V. et al. Effect of equal-channel angular pressing on structure and properties of Fe-Mn-С alloys for biomedical applications. Mater Today Commun 2022;30:103048. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2021.103048

21. Redza-Dutordoir M., Averill-Bates D.A. Activation of apoptosis signalling pathways by reactive oxygen species. Biochim Biophys Acta 2016;1863(12):2977–92. DOI: 10.1016/j.bbamcr.2016.09.012

22. Анисимова Н.Ю., Копылов А.Н., Сенатов Ф.С. и др. Мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки для создания биоимплантов. Российский биотерапевтический журнал 2012;11(2):5.

23. Wang F., Cai X., Shen Y., Meng L. Cell-scaffold interactions in tissue engineering for oral and craniofacial reconstruction. Bioact Mater 2022;8(23):16–44. DOI: 10.1016/j.bioactmat.2022.10.029

24. Tudureanu R., Handrea-Dragan I.M., Boca S., Botiz I. Insight and recent advances into the role of topography on the cell differentiation and proliferation on biopolymeric surfaces. Int J Mol Sci 2022;23(14):7731. DOI: 10.3390/ijms23147731

25. Fritsche A., Luethen F., Nebe B. et al. Bone cell adhesion: an important aspect of cell biomechanics in the development of surface modifications for orthopaedic implants. In: Biomechanics: Principles, Trends and Applications. Ed. J.H. Levy. 2011:305–13.