N.N. Priorov Journal of Traumatology and OrthopedicsN.N. Priorov Journal of Traumatology and OrthopedicsВестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова0869-86782658-6738Eco-Vector4226810.17816/vto202027352-59Original study articlesОригинальные исследованияResearch ArticleCalcium phosphate and composite materials functionalization of bioactive agents for its target delivery to the boneФункционализация кальцийфосфатных и композиционных материалов биологически активными соединениями для адресной доставки в костную тканьhttps://orcid.org/0000-0003-4331-239X567364792005228-5640KuvshinovaEkaterina A.КувшиноваЕкатерина Алексеевна
Russian Federation

junior researcher

младший научный сотрудник

beliay@mail.ruPetrakovaNatalia V.ПетраковаНаталия Валерьевна
Russian Federation

candidate of sciences, researcher

канд. техн. наук, научный сотрудник

petrakova.nv@mail.ruSergeevaNatalya S.СергееваНаталья Сергеевна
Russian Federation

doctor of biological sciences, professor, head of the department

д-р биол. наук, профессор, руководитель отделения

prognoz.06@mail.ruSviridovaIrina K.СвиридоваИрина Константиновна
Russian Federation

candidate of biological sciences, leading researcher

канд. биол. наук, ведущий научный сотрудник

prognoz.06@mail.ruKirsanovaValentina A.КирсановаВалентина Александровна
Russian Federation

candidate of biological sciences, researcher

канд. биол. наук, научный сотрудник

prognoz.06@mail.ruAhmedovaSuraya A.АхмедоваСурая Абдулаевна
Russian Federation

candidate of biological sciences, researcher

канд. биол. наук, научный сотрудник

prognoz.06@mail.ruKaralkinPavel A.КаралкинПавел Анатольевич
Russian Federation

candidate of biological sciences, senior researcher

канд. биол. наук, старший научный сотрудник

pkaralkin@gmail.comTeterinaAnastasia Y.ТетеринаАнастасия Юрьевна
Russian Federation

candidate of technical sciences, junior researcher

канд. технич. наук, младший научный сотрудник

kinskusha@mail.ruKomlevVladimir S.КомлевВладимир Сергеевич
Russian Federation

PhD, corresponding member of the Russian Academy of Sciences, director

д-р технич. наук, чл.-кор. РАН

komlev@mail.ruP.A.Herzen Moscow Oncology Research Institute — Branch of the National Medical Research Radiological Centre of the Ministry of Healthcare of the Russian FederationМосковский научно-исследовательский онкологический институт имени П.А. Герцена — филиал Федерального государственного бюджетного учреждения «Национальный медицинский исследовательский центр радиологии» Министерства здравоохранения Российской ФедерацииInstitutution of Russian Academy of Science A.A. Baikov Institute of Metallurgy and Material ScienceФедеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук»2612202027352590508202025082020Copyright ©; 2020, Eco-VectorCopyright ©; 2020, ООО "Эко-Вектор"2020Eco-VectorООО "Эко-Вектор"https://journals.eco-vector.com/0869-8678/article/view/42268

Aim of the study. The development of the method of octacalcium phosphate (OCP) and mineral-polymer composite material functionalization with biological agents (human platelet lysate (PL) growth factors and antibiotic vancomycin) by the biomimetic coprecipitation principle technique.

Materials and methods. The OCP and the mineral-polymer composite matrices (sodium alginate / gelatin / OCP) functionalization was obtained by biomimetic coprecipitation of calcium phosphates and the bioactive molecules on their surface. The materials structure was examined by electron microscopy. The functionalization efficiency was determined by measurement of the incorporated compounds in solution, as well as by analysis of their release over the 8 days. The antimicrobial activity of vancomycin functionalized samples was evaluated by in vitro disk diffusion method against the Staphylococcus aureus strain.

Results. The evaluation of incorporated molecules release showed that the OCP functionalization with vancomycin is more effective than PL. The antibiotic release had continued for three days, while PL growth factors — only for 30 minutes. The incorporated into a composite matrix vancomycin was completely released within 24 h. In vitro study of the functionalized composite samples showed growth delay of the Staphylococcus aureus strain in dependence on antibiotic content.

Conclusion. The developed method of drug incorporation during biomimetic precipitation allowed to create target delivery system which transfer antibiotic to the bone defect.

Цель исследования. Разработка способа функционализации биоматериалов: октакальциевого фосфата (ОКФ) и минерал-полимерного композиционного материала (альгинат натрия / желатин / ОКФ), биоактивными соединениями лизата тромбоцитов (ЛТ) человека и ванкомицином методом биомиметического осаждения.

Материалы и методы. Функционализацию ОКФ в виде гранул и минерал-полимерного композиционного матрикса (альгинат натрия / желатин / ОКФ) осуществляли методом инкорпорации в процессе биомиметического осаждения фосфатов кальция на их поверхность. Поверхность материалов исследовали с помощью сканирующей электронной микроскопии, эффективность функционализации определяли по изменению концентрации инкорпорируемых соединений в растворе, а также с помощью изучения динамики их высвобождения в течение 8 сут спектрофотометрическим и иммуноферментным методами. Антимикробную активность функционализированных ванкомицином образцов оценивали in vitro диско-диффузионным методом в отношении дикого штамма Staphylococcus aureus.

Результаты. Исследование динамики высвобождения инкорпорированных соединений показало, что функционализация ОКФ ванкомицином более эффективна, чем ЛТ. Выход антибиотика сохранялся в течение 3 сут, тогда как факторов роста ЛТ — в течение 30 мин. При инкорпорации антибиотика в композиционный матрикс полное высвобождение препарата происходило за 24 ч. В исследовании in vitro установлено, что материалы вызывают задержку роста штамма Staphylococcus aureus, выраженность которой зависела от содержания антибиотика в экспериментальных образцах.

Заключение. С помощью разработанного метода инкорпорации лекарственных препаратов в процессе биомиметического осаждения был получен композиционный состав с антибактериальными свойствами, позволяющий осуществить адресную доставку ванкомицина непосредственно в зону костного дефекта.

functionalizationbiomimetic precipitationoctacalcium phosphatemineral-polymer compositegrowth factorsvancomycinфункционализациябиомиметическое осаждениеоктакальциевый фосфатминерал-полимерный композитфакторы роставанкомицинРФФИRussian Foundation for Basic Research (RFBR)№ 18-29-11052Баринов С.М., Комлев В.С. Биокерамика на основе фосфатов кальция. — М.: Наука, 2014. [Barinov SM, Komlev VS. Calcium phosphate based bioceramics. Moscow: Nauka; 2014. (In Russ.).]Cancedda R, Dozin B, Giannoni P, Quarto R. Tissue engineering and cell therapy of cartilage and bone. Matrix Biol. 2003;22(1):81-91. https://doi.org/10.1016/s0945-053x(03)00012-x.Tang Z, Li X, Tan Y, et al. The material and biological characteristics of osteoinductive calcium phosphate ceramics. Regen Biomat. 2018;5(1):43-59. https://doi.org/10.1093/rb/rbx024.Dorozhkin SV. Multiphasic calciumorthophosphate (CaPO4) bioceramics and theirbiomedicalapplications. Review paper. Ceram Int. 2016;42(6):6529-6554. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.01.062.Bouler JM, Pilet P, Gauthier O, Verron E. Biphasic calcium phosphate ceramics for bone reconstruction: a review of biological response. Acta Biomaterialia. 2017;53:1-12. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2017.01.076.Wang Z, Xiao ZW, Fan HS. Fabrication of micro-grooved patterns on hydroxyapatite ceramics and observation of earlier response of osteoblasts to the patterns. J Inorg Mat. 2013;28(1):51-57. https://doi.org/10.3724/SP.J.1077.2013.12093.Ridi F, Meazzini I, Castroflorio B, et al. Functional calcium phosphate composites in nanomedicine. Adv Colloid Interface Sci. 2017;244:281-295. https://doi.org/10.1016/j.cis.2016.03.006.Stapleton M, Sawamoto K, Alméciga-Díaz CJ, et al. Development of bone targeting drugs. Review. Int J Mol Sci. 2017;18(7):1345. https://doi.org/10.3390/ijms18071345.Barrere F, Layrolle P, van Blitterswijk CA, de Groot K. Biomimetic coatings on titanium: a crystal growth study of octacalcium phosphate. J Mater Sci: Mater Med. 2001;12:529-534. https://doi.org/10.1023/a:1011271713758.Lu X, Leng Y. Theoretical analysis of calcium phosphate precipitation in simulated body fluid. Biomater. 2005;26:1097-1108. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2004.05.034.Forsgren J, Brohede U, Stromme M, Engqvist H. Co-loading of bisphosphonates and antibiotics to a biomimetic hydroxyapatite coating. Biotechnol Lett. 2011;33:1265-1268. https://doi.org/10.1007/s10529-011-0542-7.Kazemzadeh-Narbat M, Lai BFL, Ding C, et al. Multilayered coating on titanium for controlled release of antimicrobial peptides for the prevention of implant-associated infections. Biomater. 2013;34(24):5969-5977. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2013.04.036.Lin X, de Groot K, Wang D, et al. A review paper on biomimetic calcium phosphate coatings. Open Biomed Eng J. 2015;9(Suppl 1-M4):56-64. https://doi.org/10.2174/1874120701509010056.Yu X, Wei M. Preparation and evaluation of parathyroid hormone incorporated CaP coating via a biomimetic method. J Biomed Mater Res. Pt B: Appl Biomat. 2011;97B(2):345-354. https://doi.org/10.1002/jbm.b.31820.Кувшинова E.A., Петракова Н.В., Сергеева Н.С., и др. Функционализация кальцийфосфатных материалов биологически активными соединениями белковой природы. Biomedical Chemistry: Research and Methods. 2019;2(3):e00096. [Kuvshinova EA, Petrakova NV, Sergeeva NS, et al. The functionalization of calcium phosphate materials of protein-based biologically active molecules. Biomedical Chemistry: Research and Methods. 2019;2(3):e00096. (In Russ.)] https://doi.org/10.18097/bmcrm00096.Комлев В.С., Федотов А.Ю. Способ получения керамики на основе октакальциевого фоcфата. Патент на изобретение РФ RU 2596504 C1; 2014. [Komlev VS, Fedotov AYu. Method of producing ceramic based on octacalcium phosphate (OCP). Patent RU 2596504 C1; 2014. (In Russ.)]Komlev VS, Sergeyeva NS, Fedotov AY, et al. Investigation of physicochemical and biological properties of composite matrices in a alginate-calcium phosphate system intended for use in prototyping technologies during replacement of bone defects. Inorg Mater: Appl Resh. 2016;7(4):630-634. https://doi.org/10.1134/S2075113316040158.Каралкин П.А., Сергеева Н.С., Комлев В.С., и др. Биосовместимость и остеопластические свойства минерал-полимерных композиционных материалов на основе альгината натрия, желатина и фосфатов кальция, предназначенных для трехмерной печати костнозамещающих конструкций. Гены и клетки. 2016;11(3):1-8. [Karalkin PA, Sergeeva NS, Komlev VS, et al. Biocompatibility and osteoplastic properties of mineral polymer composite materials based on sodium alginate, gelatin, and calcium phosphates intended for 3D-printing of the constructions for bone replacement. Genes and cells. 2016;11(3):1-8. (In Russ.)]Petrakova NV, Kuvshinova EA, Ashmarin AA, et al. Calcium phosphate ceramic surface coating via precipitation approach. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019;525:012101. https://doi.org/10.1088/1757-899X/525/1/012101.Сергеева Н.С., Шанский Я.Д., Свиридова И.К., и др. Биологические эффекты тромбоцитарного лизата при добавлении в среду культивирования клеток человека. Гены и клетки. 2014;9(1):77-85. [Sergeeva NS, Shansky YaD, Sviridova IK, et al. Biological effects of platelet lysate added to cultural medium of human cells. Genes and cells. 2014;9(1):77-85. (In Russ.)]Шанский Я.Д., Сергеева Н.С., Свиридова И.К., и др. Исследование лизата тромбоцитов человека как перспективной ростовой добавки для культивирования стволовых и других типов клеток. Клеточные технологии в биологии и медицине. 2013;3:153-158. [Shansky YaD, Sergeeva NS, Sviridova IK, et al. Study of human platelet lysate as a promising growth additive for the cultivation of stem and other types of cells. Kletochnyye tekhnologii v biologii i meditsine. 2013;3:153-158. (In Russ.)]Ferraro MJ. Performance standards for antimicrobial susceptibility testing: Ninth informational supplement. NCCLS document M100-S9. 1999;19(1):104.Methods for the determination of susceptibility of bacteria to antimicrobial agents. EUCAST Definitive document. Clin Microbiol Infect. 1998;4:291-296.Stigter M, Bezemer J, de Groot K, Layrolle P. Incorporation of different antibiotics into carbonated hydroxyapatite coatings on titanium implants, release and antibiotic efficacy. J Controll Release. 2004;99(1):127-137. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2004.06.011.Комлев В.С., Федотов А.Ю., Тетерина А.Ю. и др. Способ получения композиционного трехмерного каркаса для замещения костно-хрящевых дефектов. Патент на изобретение РФ RU 2606041 C2; 2017. [Komlev VS, Fedotov AYu, Teterina AYu, et al. Method of producing composite 3D frame for replacement of bone-cartilage defects. Patent RU 2606041 C2; 2017. (In Russ.)]Komlev VS, Barinov SM, Bozo II, et al. Bioceramics composed of octacalcium phosphate demonstrate enhanced biological behavior. ACS Appl Mater Interfaces. 2014;6:16610-16620. https://doi.org/10.1021/am502583p.