Тестирование гидрогеля p-HEMA в качестве имплантационного материала для замещения костно-хрящевых дефектов у животных

Цель исследования. В экспериментах на животных оценить особенности репаративного хондрогенеза и остеогенеза при имплантации пористого поли-2-гидроксиэтилметакрилатного (p-HEMA) гидрогеля в костно-хрящевые дефекты. Материалы и методы. Имплантаты p-HEMA цилиндрической формы (5 мм в диаметре) были синтезированы методом радикальной полимеризации. Световая микроскопия и механические испытания имплантатов были применены для характеристики структуры и вязкоупругих свойств материала. В опытной серии № 1 четыре образца p-HEMA были имплантированы в сформированные дефекты дистальных эпиметафизов бедренных костей кроликов. В опытной серии № 2 перед имплантацией на поверхность четырех образцов были нанесены аллогенные хондроциты. В контрольной серии четыре дефекта не замещали имплантатами. Регенерация тканей была исследована морфологическим и морфометрическим методами через 30 дней после операции. Результаты. Имплантаты p-HEMA представляли собой неоднородные по структуре образцы с порами неправильной формы до 30 × 10 мкм у поверхности и до 300 × 120 мкм внутри. При статических компрессионных деформациях образцов более 10% модуль Юнга был равен 54,7 кПа. При динамических деформациях увеличение частоты циклов «сжатие–расслабление» от 0,01 до 20,0 Гц приводило к возрастанию модуля накопления в среднем с 20 до 38 кПа, а модуля потерь – с 2 до 10 кПа. Показатели полуколичественной оценки местной воспалительной реакции на имплантацию р-HEMA имели следующие значения в баллах: p-HEMA – 4,7 ± 0,3; p-HEMA с аллогенными хондроцитами – 6,0 ± 1,0; контроль – 4,3 ± 0,3. Соотношения собственно соединительной, костной и хрящевой тканей в составе регенератов имели следующие соответствующие значения: p-HEMA – 79, 20, 1%; p-HEMA с хондроцитами – 82, 16, 2%; контроль – 9, 74, 17%. Заключение. В краткосрочном эксперименте имплантаты p-HEMA не вызывали выраженной воспалительной реакции в прилежащих тканях и могут быть отнесены к биосовместимым материалам. Вместе с тем тестируемые имплантаты имели низкую кондуктивность для клеток костной и хрящевой тканей, которая может быть повышена за счет стабилизации размера пор и увеличения жесткости при синтезе материала.

1. Jiang S, Guo W, Tian G, Luo X., Peng L, Liu S et al. Clinical Application Status of Articular Cartilage Regeneration Techniques: Tissue-Engineered Cartilage Brings New Hope. Stem Cells International. 2020; ID 5690252, 16 pages. https://doi.org/10.1155/2020/5690252.

2. Hangody L, Kish G, Kárpáti Z, Udvarhelyi I, Szigeti I, Bély M. Mosaicplasty for the treatment of articular cartilage defects: application in clinical practice. Orthopedics. 1998; 21 (7): 751–756. PMID: 9672912.

3. Benthien JP, Behrens P. Autologous matrix-induced chondrogenesis (AMIC): a one-step procedure for retropatellar articular resurfacing. Acta Orthop Belg. 2010; 76 (2): 260–263. PMID: 20503954.

4. Davies RL, Kuiper NJ. Regenerative Medicine: A Review of the Evolution of Autologous Chondrocyte Implantation (ACI) Therapy. Bioengineering (Basel). 2019; 6 (1): 22. doi: 10.3390/bioengineering6010022.

5. Behrens P, Bitter T, Kurz B, Russlies M. Matrix associated autologous chondrocyte transplantation: a 5 year follow up. Knee. 2006; 13 (3): 194–202. doi: 10.1016/j.knee.2006.02.012.

6. Park YB, Ha CW, Rhim JH, Lee HJ. Stem Cell Therapy for Articular Cartilage Repair: Review of the Entity of Cell Populations Used and the Result of the Clinical Application of Each Entity. The American journal of sports medicine. 2018; 46 (10): 2540–2552. https://doi.org/10.1177/0363546517729152.

7. Герасимов СА, Тенилин НА, Корыткин АА, Зыкин АА. Хирургическое лечение ограниченных повреждений суставной поверхности: современное состояние вопроса. Политравма. 2016; 1: 63–69.

8. Dobreikina A, Shklyar T, Safronov A, Blyakhman F. Biomimetic gels with chemical and physical interpenetrating networks. Polym Int. 2018; 67: 1330–1334. doi 10.1002/pi.5608.

9. Tejo-Otero A, Fenollosa-Artés F, Achaerandio I, ReyVinolas S, Buj-Corral I, Mateos-Timoneda MÁ et al. Soft-Tissue-Mimicking Using Hydrogels for the Development of Phantoms. Gels. 2022; 8: 40. https://doi.org/10.3390/gels8010040/.

10. Mokry J, Karbanova J, Lukas J, Paleckova V, Dvorankova B. Biocompatibility of HEMA copolymers designed for treatment of CNS diseases with polymer-encapsulated cells. Biotechnol Prog. 2020; 16: 897–904.

11. Rotaru I, Olaru. Mechanical behaviour of p(HEMA) hydrogel for disc prosthesis on lumbar spine. Optoelectronics and Advanced Materials. 2014; 16 (7–8): 881–886.

12. Kubinová Š, Horák D, Hejcl A, Plichta Z, Kotek J, Proks V et al. SIKVAV-modified highly superporous PHEMA scaffolds with oriented pores for spinal cord injury repair. J Tissue Eng Regen Med. 2015; 9: 1298–1309.

13. Cao J, Liu Z, Zhang L, Li J, Wang H, Li X. Advance of Electroconductive Hydrogels for Biomedical Applications in Orthopedics. Advances in Materials Science & Engineering. 2021; 1–13. doi: 10.1155/2021/6668209.

14. Hoffman AS. Hydrogels for biomedical applications. Adv Drug Deliver Rev. 2012; 64: 18–23. https://doi.org/10.1016/j.addr.2012.09.010.

15. Kukolevska JS, Gerashchenko II, Borysenko MV, Pakhlov EM, Machovsky M, YushchenkoTI. Synthesis and Examination of Nanocomposites Based on Poly(2hydroxyethyl methacrylate) for Medicinal Use. Nanoscale Research Letters. 2017; 12: 133. doi 10.1186/s11671-017-1881-7.

16. Blyakhman FA, Safronov AP, Makeyev OG, Melekhhin VV, Shklyar TF, Zubarev AYu et al. Effect of the polyacrylamide ferrogel elasticity on the cell adhesiveness to magnetic composite. J Mechanics in Medicine and Biology, 2018; 18 (6): 1850060 (13 pages) https://doi.org/10.1142/S0219519418500604.

17. Blyakhman FA, Makarova EB, Fadeyev FA, Lugovets DV, Safronov AP, Shabadrov PA et al. The Contribution of Magnetic Nanoparticles to Ferrogel Biophysical Properties. Nanomaterials. 2019; 9: 232. doi: 10.3390/nano9020232.

18. Karpushkin E, Dušková-Smrčková M, Šlouf M, Dusek K. Rheology and porosity control of poly(2-hydroxyethyl methacrylate) hydrogels. Polymer 2013; 54: 661–672. http://dx.doi.org/10.1016/j.polymer.2012.11.055.

19. Ступина ТА, Петровская НВ, Степанов МА. Изучение регенерации хрящевой и костной ткани при моделировании щелевидного костно-хрящевого дефекта пателлярной поверхности мыщелков бедра в эксперименте. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015; 5-1: 68–71. URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=6764.

20. ГОСТ РИСО 10993.6-2011 Изделия медицинские. Оценка биологического действия медицинских изделий. Часть 6. Исследования местного действия после имплантации.

21. Fung YC, Cowin SC. Biomechanics. Mechanical Properties of Living Tissues. Journal of Biomechanical Engineering. 1994; 61 (4): 1007. doi: 10.1115/1.2901550.

22. Chen L, Yan C, Zheng Z. Functional polymer surfaces for controlling cell behaviors. Materials Today. 2018; 21 (1): 38–59. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2017.07.002.

23. Lien SM, Ko LY, Huang TJ. Effect of pore size on ECM secretion and cell growth in gelatin scaffold for articular cartilage tissue engineering. Acta Biomater. 2009; 5 (2): 670–679. doi: 10.1016/j.actbio.2008.09.020.

24. Murphy CM, Haugh MG, O’Brien FJ. The effect of mean pore size on cell attachment, proliferation and migration in collagen-glycosaminoglycan scaffolds for bone tissue engineering. Biomaterials. 2010; 31 (3): 461–466. doi: 10.1016/j.biomaterials.2009.09.063.

25. Harley BA, Kim HD, Zaman MH, Yannas IV, Lauffenburger DA, Gibson LJ. Microarchitecture of three-dimensional scaffolds influences cell migration behavior via junction interactions. Biophys J. 2008; 95 (8): 4013–4024. doi: 10.1529/biophysj.107.122598.

26. Passos MF, Carvalho NMS, Rodrigues AA, Bavaresco VP, Jardini AL, Maciel MRW et al. PHEMA hydrogels obtained by infrared radiation for cartilage tissue engineering. International journal of chemical engineering. 2019; ID 4249581. https://doi.org/10.1155/2019/4249581.

27. Gloria A, Causa F, De Santis R, Netti PA, Ambrosio L. Dynamic-mechanical properties of a novel composite intervertebral disc prosthesis. J Mater Sci: Mater Med. 2007; 18: 2159–2165 doi 10.1007/s10856-007-3003-z.

28. Moskalewski S, Hyc A, Osiecka-Iwan A. Immune response by host after allogeneic chondrocyte transplant to the cartilage. Microsc Res Tech. 2002; 58 (1): 3–13. doi: 10.1002/jemt.10110.

29. Александров BH, Соколова MO, Комаров AB, Михайлова EB, Кокорина AA, Кривенцов AB. Kлеточные технологии для регенерации хрящевой ткани. Цитология. 2020; 62 (3): 160–172. doi: 10.31857/S0041377120030025.

30. Kurlyandskaya GV, Blyakhman FA, Makarova EB, Buznikov NA, Safronov AP, Fadeyev FA et al. Functional magnetic ferrogels: From biosensors to regenerative medicine. AIP Advances. 2020; 10: 125128. https://doi.org/10.1063/9.0000021.