Разработка и доклинические исследования ортотопических костных имплантатов на основе гибридной конструкции из поли-3-оксибутирата и альгината натрия

А.А. Мураев, А.П. Бонарцев, Ю.В. Гажва, В.М. Рябова, А.В. Волков, И.И. Жаркова, И.А. Стамболиев, Е.С. Кузнецова, В.А. Жуйков, В.Л. Мышкина, Т.К. Махина, Г.А. Бонарцева, С.Г. Яковлев, К.С. Кудряшова, В.В. Воинова, А.А. Миронов, К.В. Шайтан, С.И. Гажва, С.Ю. Иванов

Ключевые слова: костные имплантаты; полиоксиалканоаты; поли-3-оксибутират; альгинат натрия; регенерация костной ткани; биосовместимость.

2016, том 8, номер 4, стр. 42.

DOI: https://doi.org/10.17691/stm2016.8.4.06

Полный текст статьи

html pdf

2481

2633

Аннотация
Список литературы
Как цитировать в References

Цель исследования — разработка технологии изготовления костных имплантатов на основе гибридной полимерной конструкции из поли-3-оксибутирата и альгината натрия для направленной костной регенерации с применением метода 3D-печати.

Материалы и методы. Для изготовления имплантатов сложной формы на основе поли-3-оксибутирата и альгината натрия применяли метод двойного выщелачивания с использованием пресс-формы, выполненной методом 3D-печати. Исследование внешнего вида, морфологии и структуры полученных матриксов проводили с помощью сканирующей электронной микроскопии. Биосовместимость in vivo определяли по результатам внутримышечной имплантации костных имплантатов и по данным гистологии.

Результаты. Исследование разработанного гибридного 3D-матрикса из поли-3-оксибутирата и альгината натрия показало, что он обладает ограничительной функцией, обеспечивая условия для нормальной регенерации плоских костей черепа у крыс.

Заключение. Разработанный гибридный 3D-матрикс не препятствует течению нормального остеогенеза и обеспечивает благоприятные для регенерации условия.

Jardini A.L., Larosa M.A., Maciel Filho R., Zavaglia C.A., Bernardes L.F., Lambert C.S., Calderoni D.R., Kharmandayan P. Cranial reconstruction: 3D biomodel and custom-built implant created using additive manufacturing. J Craniomaxillofac Surg 2014; 42(8): 1877–1884, https://doi.org/10.1016/j.jcms.2014.07.006.
van der Meer W.J., Bos R.R., Vissink A., Visser A. Digital planning of cranial implants. Br J Oral Maxillofac Surg 2013; 51(5): 450–452, https://doi.org/10.1016/j.bjoms.2012.11.012.
Muraev А.А., Dymnikov А.B., Korotkova N.L., Kobets К.К., Ivanov S.Y. Planning technique in maxillofacial plasty. Sovremennye tehnologii v medicine 2013; 5(3): 57–62.
Knox G. Surgical bone and cartilage shaping on demand with 3D CAD/CAM. Patent US 8,4838,63 B1. 2013.
Jacotti M., Barausse C., Felice P. Posterior atrophic mandible rehabilitation with onlay allograft created with CAD-CAM procedure: a case report. Implant Dent 2014; 23(1): 22–28, https://doi.org/10.1097/ID.0000000000000023.
Garagiola U., Grigolato R., Soldo R., Bacchini M., Bassi G., Roncucci R., De Nardi S. Computer-aided design/computer-aided manufacturing of hydroxyapatite scaffolds for bone reconstruction in jawbone atrophy: a systematic review and case report. Maxillofac Plast Reconstr Surg 2016; 38(1), https://doi.org/10.1186/s40902-015-0048-7.
Mangano F., Macchi A., Shibli J.A., Luongo G., Iezzi G., Piattelli A., Caprioglio A., Mangano C. Maxillary ridge augmentation with custom-made CAD/CAM scaffolds. A 1-year prospective study on 10 patients. J Oral Implantol 2014; 40(5): 561–569, https://doi.org/10.1563/AAID-J OI-D-12-00122.
Kuznetsova D.S., Timashev P.S., Bagratashvili V.N., Zagaynova Е.V. Scaffold- and cell system-based bone grafts in tissue engineering (review). Sovremennye tehnologii v medicine 2014; 6(4): 201–212.
OPM Receives FDA clearance for 3D printed OsteoFab patient-specific facial device. 2014. URL: https://www.oxfordpm.com/opm-receives-fda-clearance-3d-printed-osteofab-patient-specific-facial-device.
Greenstein G., Carpentieri J.R. Utilization of d-PTFE barriers for post-extraction bone regeneration in preparation for dental implants. Compend Contin Educ Dent 2015; 36(7): 465–473.
López N.I., Pettinari M.J., Nikel P.I., Méndez B.S. Polyhydroxyalkanoates: much more than biodegradable plastics. In: Advances in Applied Microbiology. Elsevier BV; 2015; p. 73–106, https://doi.org/10.1016/bs.aambs.2015.06.001.
Venkatesan J., Bhatnagar I., Manivasagan P., Kang K.H., Kim S.K. Alginate composites for bone tissue engineering: a review. Int J Biol Macromol 2015; 72: 269–281, https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2014.07.008.
Rezwan K., Chen Q.Z., Blaker J.J., Boccaccini A.R. Biodegradable and bioactive porous polymer/inorganic composite scaffolds for bone tissue engineering. Biomaterials 2006; 27(18): 3413–3431, https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2006.01.039.
Bonartsev A.P., Zharkova I.I., Yakovlev S.G., Myshkina V.L., Mahina T.K., Voinova V.V., Zernov A.L., Zhuikov V.A., Akoulina E.A., Ivanova E.V., Kuznetsova E.S., Shaitan K.V., Bonartseva G.A. Biosynthesis of poly(3-hydroxybutyrate) copolymers by Azotobacter chroococcum 7B: a precursor feeding strategy. Prep Biochem Biotechnol 2016, https://doi.org/10.1080/10826068.2016.1188317. [Epub ahead of print].
Бонарцева Г.А., Акулина Е.А., Мышкина В.Л., Воинова В.В., Махина Т.К., Бонарцев А.П. Биосинтез альгинатов бактериями рода Azotobacter. Прикладная биохимия и микробиология 2017 (в печати).
Kundu J., Pati F., Hun Jeong Y., Cho D.-W. Biomaterials for biofabrication of 3D tissue scaffolds. In: Biofabrication. Micro- and nano-fabrication, printing, patterning and assemblies. Elsevier BV; 2013; p. 23–46, https://doi.org/10.1016/B978-1-4557-2852-7.00002-0.
Gazhva J.V., Bonartsev А.P., Mukhametshin R.F., Zharkova I.I., Andreeva N.V., Makhina T.К., Myshkina V.L., Bespalova A.E., Zernov А.L., Ryabova V.M., Ivanova E.V., Bonartseva G.А., Mironov А.А., Shaitan K.V., Volkov А.V., Muraev А.А., Ivanov S.Y. In vivo and in vitro development and study of osteoplastic material based on hydroxyapatite, poly-3-hydroxybutyrate and sodium alginate composition. Sovremennye tehnologii v medicine 2014; 6(1): 6–13.
Ivanov S.Y., Bonartsev A.P., Gazhva Y.V., Zharkova I.I., Mukhametshin R.F., Mahina T.K., Myshkina V.L., Bonartseva G.A., Voinova V.V., Andreeva N.V., Akulina E.A., Kharitonova E.S., Shaitan K.V., Muraev A.A. Development and preclinical studies of insulating membranes based on poly-3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate for guided bone regeneration. Biomed Khim 2015; 61(6): 717–723, https://doi.org/10.18097/PBMC20156106717.
Bai H.Y., Chen G.A., Mao G.H., Song T.R., Wang Y.X. Three step derivation of cartilage like tissue from human embryonic stem cells by 2D–3D sequential culture in vitro and further implantation in vivo on alginate/PLGA scaffolds. J Biomed Mater Res A 2010; 94(2): 539–546, https://doi.org/10.1002/jbm.a.32732.
Spicer P.P., Kretlow J.D., Young S., Jansen J.A., Kasper F.K., Mikos A.G. Evaluation of bone regeneration using the rat critical size calvarial defect. Nat Protoc 2012; 7(10): 1918–1929, https://doi.org/10.1038/nprot.2012.113.
Pellegrini G., Seol Y.J., Gruber R., Giannobile W.V. Pre-clinical models for oral and periodontal reconstructive therapies. J Dent Res 2009; 88(12): 1065–1076, https://doi.org/10.1177/0022034509349748.
Lee C.H., Jin M.U., Jung H.M., Lee J.T., Kwon T.G. Effect of dual treatment with SDF-1 and BMP-2 on ectopic and orthotopic bone formation. PLoS One 2015; 10(3): e0120051, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0120051.
Васильев А.В. Влияние опиоида периферического действия даларгина на клеточную пролиферацию in vitro и репаративную регенерацию костной ткани in vivo. Автореф. дис. … канд. мед. наук. М; 2015.
Burr D.B., Allen M.R. Basic and applied bone biology. Academic Press; 2013; 392 p.
Handbook of histology methods for bone and cartilage. An Y.H., Martin K.L. (editors). Springer Science + Business Media; 2003; 588 p., https://doi.org/10.1007/978-1-59259-417-7.
Karageorgiou V., Kaplan D. Porosity of 3D biomaterial scaffolds and osteogenesis. Biomaterials 2005; 26(27): 5474–5491, https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2005.02.002.

Muraev A.A., Bonartsev A.P., Gazhva Yu.V., Riabova V.M., Volkov A.V., Zharkova I.I., Stamboliev I.A., Kuznetsova E.S., Zhuikov V.A., Myshkina V.L., Mahina T.K., Bonartseva G.A., Yakovlev S.G., Kudryashova K.S., Voinova V.V., Mironov A.A., Shaitan K.V., Gazhva S.I., Ivanov S.Yu. Development and Preclinical Studies of Orthotopic Bone Implants Based on a Hybrid Construction from Poly(3-Hydroxybutyrate) and Sodium Alginate. Sovremennye tehnologii v medicine 2016; 8(4): 42, https://doi.org/10.17691/stm2016.8.4.06