Перспективы применения наноматериалов на основе гидроксиапатита, созданных в условиях послойной химической сборки, в травматологии и ортопедии детского возраста

Обложка
  • Авторы: Мелешко А.А.1, Толстой В.П.1, Афиногенов Г.Е.2, Левшакова А.С.1, Афиногенова А.Г.2,3, Мульдияров В.П.4, Виссарионов С.В.4, Линник С.А.5
  • Учреждения:
    1. Институт химии Санкт-Петербургского государственного университета
    2. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный университет»
    3. Федеральное бюджетное учреждение науки «Научно-исследовательский институт эпидемиологии и микробиологии имени Пастера»
    4. Федеральное государственное бюджетное учреждение «Национальный медицинский исследовательский центр детской травматологии и ортопедии имени Г.И. Турнера» Министерства здравоохранения Российской Федерации
    5. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Северо-Западный государственный медицинский университет имени И.И. Мечникова» Министерства здравоохранения Российской Федерации
  • Выпуск: Том 8, № 2 (2020)
  • Страницы: 217-230
  • Раздел: Обзоры литературы
  • Статья получена: 20.04.2020
  • Статья одобрена: 21.05.2020
  • Статья опубликована: 01.07.2020
  • URL: https://journals.eco-vector.com/turner/article/view/33824
  • DOI: https://doi.org/10.17816/PTORS33824
  • ID: 33824


Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В обзоре описаны методы послойной химической сборки наноматериалов, содержащих гидроксиапатит, и приведена оценка их эффективности при решении ряда биомедицинских задач. Эти методики основаны на использовании при синтезе последовательных химических реакций адсорбции реагентов на поверхности подложки и позволяют наносить покрытия заданного состава на изделия сложной формы, контролировать на молекулярном уровне толщину таких покрытий, модифицировать характеристики поверхности, включая шероховатость, гидрофильность и поверхностный заряд, а также получать «искусственно» построенные мультислои, состоящие из гибридных органических и неорганических веществ. Приведенный в обзоре экспериментальный материал убедительно доказывает эффективность применения методик послойной химической сборки для создания новых 3D-каркасов с целью восстановления утраченной или поврежденной костной ткани, покрытий на поверхности металлических имплантатов и систем адресной доставки лекарственных препаратов. Разработка методик послойной химической сборки с участием в качестве реагентов ион-замещенных гидроксиапатитов является одним из перспективных направлений развития в данной области. Успехи в этом направлении могут проложить дорогу к значительным достижениям в биомедицине и открывают широкие возможности для создания нового поколения конструкций, позволяющих имитировать структурные, композиционные и механические свойства минеральной фазы кости.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Александра Александровна Мелешко

Институт химии Санкт-Петербургского государственного университета

Автор, ответственный за переписку.
Email: alya_him@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7010-5209

канд. техн. наук, научный сотрудник

Россия, 198504, Санкт-Петербург, Петергоф, Университетский проспект, дом 26

Валерий Павлович Толстой

Институт химии Санкт-Петербургского государственного университета

Email: v.tolstoy@spbu.ru
ORCID iD: 0000-0003-3857-7238

д-р хим. наук, старший научный сотрудник, профессор

Россия, 198504, Санкт-Петербург, Петергоф, Университетский проспект, дом 26

Геннадий Евгеньевич Афиногенов

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный университет»

Email: gennady-afinogenov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-1273-7651

д-р мед. наук, профессор, профессор кафедры челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии

Россия, 199034, г. Санкт-Петербург, Университетская наб., д.7/9

Александра Сергеевна Левшакова

Институт химии Санкт-Петербургского государственного университета

Email: sashkeens@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8164-5174

магистрант

Россия, 198504, Санкт-Петербург, Петергоф, Университетский проспект, дом 26

Анна Геннадьевна Афиногенова

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный университет»; Федеральное бюджетное учреждение науки «Научно-исследовательский институт эпидемиологии и микробиологии имени Пастера»

Email: spbtestcenter@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8175-0708

профессор кафедры челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии; д-р биол. наук, ведущий научный сотрудник, руководитель испытательного лабораторного центра

Россия, 199034, г. Санкт-Петербург, Университетская наб., д.7/9; 197101, г. Санкт-Петербург, ул. Мира, дом 14

Владислав Павлович Мульдияров

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Национальный медицинский исследовательский центр детской травматологии и ортопедии имени Г.И. Турнера» Министерства здравоохранения Российской Федерации

Email: Muldiyarov@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0002-3988-7193

клинический ординатор

Россия, 196603, г. Санкт-Петербург, г. Пушкин, ул. Парковая, дом 64-68

Сергей Валентинович Виссарионов

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Национальный медицинский исследовательский центр детской травматологии и ортопедии имени Г.И. Турнера» Министерства здравоохранения Российской Федерации

Email: vissarionovs@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-4235-5048

д-р мед. наук, профессор, член-корреспондент РАН, заместитель директора по научной и учебной работе, руководитель отделения патологии позвоночника и нейрохирургии

Россия, 196603, г. Санкт-Петербург, г. Пушкин, ул. Парковая, дом 64-68

Станислав Антонович Линник

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Северо-Западный государственный медицинский университет имени И.И. Мечникова» Министерства здравоохранения Российской Федерации

Email: stanislavlinnik@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4840-6662

д-р мед. наук, профессор, профессор кафедры травматологии, ортопедии и ВПХ

Россия, 195015, г. Санкт-Петербург, Кирочная ул., 41

Список литературы

  1. Al Bejinaru Mihoc, Mitu L. Characteristics of hydroxyapatite: a review. In: Proceedings of the 7th International conference on computational mechanics and virtual engineering COMEC; Brasov, Romania, 16-17 Nov 2017. 2017. P. 144-147.
  2. Basirun WJ, Nasiri-Tabrizi B, Baradaran S. Overview of hydroxyapatite–graphene nanoplatelets composite as bone graft substitute: mechanical behavior and in-vitro biofunctionality. Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences. 2017;43(3):177-212. https://doi.org/10.1080/10408436.2017.1333951.
  3. Tite T, Popa AC, Balescu LM, et al. Cationic substitutions in hydroxyapatite: current status of the derived biofunctional effects and their in vitro interrogation methods. Materials (Basel). 2018;11(11). https://doi.org/10.3390/ma11112081.
  4. Дроздецкий А.П., Овсянкин А.В., Кузьминова Е.С., и др. Собственный опыт применения костнопластических материалов при хирургическом лечении костных кист у детей // Вестник Смоленской государственной медицинской академии. – 2019. – Т. 18. – № 3. – С. 74–82. [Drozdetskiy AP, Ovsyankin AV, Kuzminova ES, et al. Our experience of the use of osteoplastic materials in the surgical treatment of bone cysts in children. Vestnik Smolenskoy gosudarstvennoy meditsinskoy akademii. 2019;18(3):74-82. (In Russ.)]
  5. Gotz W, Tobiasch E, Witzleben S, Schulze M. Effects of silicon compounds on biomineralization, osteogenesis, and hard tissue formation. Pharmaceutics. 2019;11(3). https://doi.org/10.3390/pharmaceutics11030117.
  6. Фохтин В.В., Кузнечихин Е.П., Кузин А.С., Махров Л.А. Костная гетеропластика у детей биосовместимым материалом // Российский вестник детской хирургии, анестезиологии и реаниматологии. – 2014. – Т. 14. – № 4. – С. 58–63. [Fokhtin VV, Kuznechikhin EP, Kuzin AS, Makhrov LA. Osseous heteroplasty with biocompatible materials in children. Russian Journal of Pediatric Surgery, Anesthesia and Intensive Care. 2014;4(4):58-63. (In Russ.)]
  7. Gomes DS, Santos AMC, Neves GA, Menezes RR. A brief review on hydroxyapatite production and use in biomedicine. Cerâmica. 2019;65(374):282-302. https://doi.org/10.1590/0366-69132019653742706.
  8. Panchali B, Anam M, Jahirul M, et al. Nanoparticles and their Applications in Orthodontics. Adv Dent Oral Health. 2016;2(2):555-584.
  9. Krishnamurithy G. A review on hydroxyapatite — based scaffolds as a potential bone graft substitute for bone tissue engineering applications. Journal of Health and Translational Medicine. 2013;16(2):22-27.
  10. Wu D, Chen X, Chen T, et al. Substrate-anchored and degradation-sensitive anti-inflammatory coatings for implant materials. Sci Rep. 2015;5:11105. https://doi.org/10.1038/srep11105.
  11. Ilie A, Andronescu E, Ficai D, et al. New approaches in layer by layer synthesis of collagen/hydroxyapatite composite materials. Central European Journal of Chemistry. 2011;9(2):283-289. https://doi.org/10.2478/s11532-011-0002-1.
  12. Ji M, Li H, Guo H, et al. A novel porous aspirin-loaded (GO/CTS-HA) n nanocomposite films: Synthesis and multifunction for bone tissue engineering. Carbohydr Polym. 2016;153:124-132. https://doi.org/10.1016/ j.carbpol.2016.07.078.
  13. Harun WSW, Asri RIM, Alias J, et al. A comprehensive review of hydroxyapatite-based coatings adhesion on metallic biomaterials. Ceram Int. 2018;44(2):1250-1268. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.10.162.
  14. Jo Y-Y, Oh J-H. New resorbable membrane materials for guided bone regeneration. Appl Sci. 2018;8(11):2157. https://doi.org/10.3390/app8112157.
  15. Aletaha M, Salour H, Yadegary S, et al. Orbital volume augmentation with calcium hydroxyapatite filler in anophthalmic enophthalmos. J Ophthalmic Vis Res. 2017;12(4):397-401. https://doi.org/10.4103/jovr.jovr_201_16.
  16. Zhu X, Shi J, Ma H, et al. Hierarchical hydroxyapatite/polyelectrolyte microcapsules capped with AuNRs for remotely triggered drug delivery. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2019;99:1236-1245. https://doi.org/10.1016/j.msec.2019.02.078.
  17. Turon P, del Valle L, Alemán C, Puiggalí J. Biodegradable and biocompatible systems based on hydroxyapatite nanoparticles. Appl Sci. 2017;7(1):60. https://doi.org/10.3390/app7010060.
  18. Wang J, Wang H, Wang Y, et al. Alternate layer-by-layer assembly of graphene oxide nanosheets and fibrinogen nanofibers on a silicon substrate for a biomimetic three-dimensional hydroxyapatite scaffold. J Mater Chem B. 2014;2(42):7360-7368. https://doi.org/10.1039/c4tb01324g.
  19. Manoukian OS, Aravamudhan A, Lee P, et al. Spiral layer-by-layer micro-nanostructured scaffolds for bone tissue engineering. ACS Biomater Sci Eng. 2018;4(6):2181-2192. https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.8b00393.
  20. Jin K, Ye X, Li S, et al. A biomimetic collagen/heparin multi-layered porous hydroxyapatite orbital implant for in vivo vascularization studies on the chicken chorioallantoic membrane. Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol. 2016;254(1):83-89. https://doi.org/10.1007/s00417-015-3144-6.
  21. Chen S, Shi Y, Luo Y, Ma J. Layer-by-layer coated porous 3D printed hydroxyapatite composite scaffolds for controlled drug delivery. Colloids Surf B Biointerfaces. 2019;179:121-127. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2019.03.063.
  22. Houdali A, Behary N, Hornez J-C, et al. Immobilizing hydroxyapatite microparticles on poly(lactic acid) nonwoven scaffolds using layer-by-layer deposition. Text Res J. 2016;87(16):2028-2038. https://doi.org/10.1177/0040517516663154.
  23. Виссарионов С.В., Асадулаев М.С., Шабунин А.С., и др. Экспериментальная оценка эффективности хитозановых матриц в условиях моделирования костного дефекта in vivo // Ортопедия, травматология и восстановительная хирургия детского возраста. – 2020. – Т. 8. – № 1. – С. 53–62. [Vissarionov SV, Asadulaev MS, Shabunin AS, et al. Experimental evaluation of the efficiency of chitosan matrixes under conditions of modeling of bone defect in vivo (preliminary message). Pediatric traumatology, orthopaedics and reconstructive surgery. 2020;8(1):53-62. (In Russ.)]. https://doi.org/10.17816/PTORS16480.
  24. Tolstoy VP, Kodintsev IA, Reshanova KS, Lobinsky AA. A brief review of metal oxide (hydroxide)-graphene nanocomposites synthesis by layer-by-layer deposition from solutions and synthesis of CuO nanorods-graphene nanocomposite. Rev Adv Mater Sci. 2017;49(1):28-37.
  25. Ermakov SS, Nikolaev KG, Tolstoy VP. Novel electrochemical sensors with electrodes based on multilayers fabricated by layer-by-layer synthesis and their analytical potential. Russian Chemical Reviews. 2016;85(8):880-900. https://doi.org/10.1070/rcr4605.
  26. Korotcenkov G, Cho BK, Gulina LB, Tolstoy VP. Synthesis of metal oxide-based nanocomposites and multicomponent compounds using layer-by-layer method and prospects for their application. Jurnal Teknologi. 2015;75(7). https://doi.org/10.11113/jt.v75.5165.
  27. Бурулев В.В., Толстой В.П. Нано- и микроконтейнеры для доставки лекарств, получаемые в условиях послойного синтеза // Исследование, технология и использование нанопористых носителей лекарств в медицине / под ред. В.Я. Шевченко, О.И. Киселева, В.Н. Соколова. – СПб.: Химиздат, 2015. [Burulev VV, Tolstoy VP. Nano- i mikrokonteynery dlya dostavki lekarstv, poluchaemye v usloviyakh posloynogo sinteza. In: Issledovanie, tekhnologiya i ispol’zovanie nano-poristykh nositeley lekarstv v meditsine. Ed. by V.Y. Shevchenko, O.I. Kiselev, V.N. Sokolov. Saint Petersburg: Khimizdat; 2015. (In Russ.)]
  28. Du M, Song W, Cui Y, et al. Fabrication and biological application of nano-hydroxyapatite (nHA)/alginate (ALG) hydrogel as scaffolds. J Mater Chem. 2011;21(7):2228-2236. https://doi.org/10.1039/c0jm02869j.
  29. Huang C, Fang G, Zhao Y, et al. Bio-inspired nanocomposite by layer-by-layer coating of chitosan/hyaluronic acid multilayers on a hard nanocellulose-hydroxyapatite matrix. Carbohydr Polym. 2019;222:115036. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2019.115036.
  30. Kong J, Wei B, Groth T, et al. Biomineralization improves mechanical and osteogenic properties of multilayer-modified PLGA porous scaffolds. J Biomed Mater Res A. 2018;106(10):2714-2725. https://doi.org/10.1002/jbm.a.36487.
  31. Gentile P, Ferreira AM, Callaghan JT, et al. Multilayer nanoscale encapsulation of biofunctional peptides to enhance bone tissue regeneration in vivo. Adv Healthc Mater. 2017;6(8). https://doi.org/10.1002/adhm.201601182.
  32. Preechawong J, Noulta K, Dubas ST, et al. Nanolayer film on poly(styrene/ethylene glycol dimethacrylate) high internal phase emulsion porous polymer surface as a scaffold for tissue engineering application. J Nanomater. 2019;2019:1-10. https://doi.org/10.1155/2019/7268192.
  33. Cao S, Li H, Li K, et al. In vitro mineralization of MC3T3-E1 osteoblast-like cells on collagen/nano-hydroxyapatite scaffolds coated carbon/carbon composites. J Biomed Mater Res A. 2016;104(2):533-543. https://doi.org/10.1002/jbm.a.35593.
  34. Aguiar AE, de OSM, Rodas ACD, Bertran CA. Mineralized layered films of xanthan and chitosan stabilized by polysaccharide interactions: A promising material for bone tissue repair. Carbohydr Polym. 2019;207:480-491. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.12.006.
  35. Rial R, Costa RR, Reis RL, et al. Mineralization of layer-by-layer ultrathin films containing microfluidic-produced hydroxyapatite nanorods. Cryst Growth Des. 2019;19(11):6351-6359. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.9b00831.
  36. Colaco E, Brouri D, Aissaoui N, et al. Hierarchical collagen-hydroxyapatite nanostructures designed through layer-by-layer assembly of crystal-decorated fibrils. Biomacromolecules. 2019;20(12):4522-4534. https://doi.org/10.1021/acs.biomac.9b01299.
  37. Zomorodian A, Ribeiro IA, Fernandes JCS, et al. Biopolymeric coatings for delivery of antibiotic and controlled degradation of bioresorbable Mg AZ31 alloys. Int J Polym Mater. 2017;66(11):533-543. https://doi.org/ 10.1080/00914037.2016.1252347.
  38. Li M, Liu X, Xu Z, et al. Dopamine modified organic-inorganic hybrid coating for antimicrobial and osteogenesis. ACS Appl Mater Interfaces. 2016;8(49):33972-33981. https://doi.org/10.1021/acsami.6b09457.
  39. Wu Y, Liu X, Li Y, Wang M. Surface-adhesive layer-by-layer assembled hydroxyapatite for bioinspired functionalization of titanium surfaces. RSC Adv. 2014;4(84):44427-44433. https://doi.org/10.1039/c4ra07907h.
  40. Ji X-J, Gao L, Liu J-C, et al. Corrosion resistance and antibacterial properties of hydroxyapatite coating induced by gentamicin-loaded polymeric multilayers on magnesium alloys. Colloids Surf B Biointerfaces. 2019;179:429-436. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2019.04.029.
  41. Chen W, Shen X, Hu Y, et al. Surface functionalization of titanium implants with chitosan-catechol conjugate for suppression of ROS-induced cells damage and improvement of osteogenesis. Biomaterials. 2017;114:82-96. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2016.10.055.
  42. Peng M, Zhang X, Xiao X, et al. Polyelectrolytes fabrication on magnesium alloy surface by layer-by-layer assembly technique with antiplatelet adhesion and antibacterial activities. J Coat Technol Res. 2019;16(3):857-868. https://doi.org/10.1007/s11998-018-00162-6.
  43. Ji X-J, Gao L, Liu J-C, et al. Corrosion resistance and antibacterial activity of hydroxyapatite coating induced by ciprofloxacin-loaded polymeric multilayers on magnesium alloy. Prog Org Coat. 2019;135:465-474. https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2019.06.048.
  44. Hwang S-J, Lee J-S, Ryu T-K, et al. Alendronate-modified hydroxyapatite nanoparticles for bone-specific dual delivery of drug and bone mineral. Macromol Res. 2016;24(7):623-628. https://doi.org/10.1007/s13233-016-4094-5.
  45. Chen S, Shi Y, Zhang X, Ma J. Evaluation of BMP-2 and VEGF loaded 3D printed hydroxyapatite composite scaffolds with enhanced osteogenic capacity in vitro and in vivo. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2020;112:110893. https://doi.org/10.1016/ j.msec.2020.110893.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Методы получения гидроксиапатита

Скачать (181KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схематическое изображение примеров использования гидроксиапатита в биомедицине

Скачать (190KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Процесс изготовления композитного 3D-каркаса из смеси гидроксиапатита (HAp) с желатином (Gel) с последующей модификацией поверхности послойным синтезом с применением растворов хитозана (CHI) и гиалуроновой кислоты (HA)

Скачать (95KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Схема послойного осаждения хитозана и альгината с гидроксиапатитом (HAp) на волокнах из полимолочной кислоты (PLA)

Скачать (142KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Схематичное изображение послойного осаждения на спиральный каркас из PLGA катионного хитозана (обозначен красным) и анионного гидроксиапатита (обозначен синим)

Скачать (174KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Схематическое изображение стадий послойной химической сборки наночастиц с морфологией ядро – оболочка, содержащих гидроксиапатит (HАр), альгинат натрия (ALG), полиаллиламин (PAA) и алендронат

Скачать (120KB)
Метаданные
8. 图 1。羟基磷灰石在生物医学中的应用实例示意图

Скачать (144KB)
Метаданные
9. 图 2。羟基磷灰石在生物医学中的应用实例示意图

Скачать (159KB)
Метаданные
10. 图 3。羟基磷灰石（HAp）与明胶（Gel）的混合物制备复合三维骨架的过程，然后使用壳聚糖（CHI）和透明质羧酸（HA）溶液逐层合成表面修饰

Скачать (90KB)
Метаданные
11. 图 4。壳聚糖和海藻酸羟基磷灰石（HAp）在聚乳酸（pLA）纤维上的分层沉积

Скачать (137KB)
Метаданные
12. 图 5。PLGA阳离子壳聚糖（红色） 和阴离子羟基磷灰石（蓝色） 在螺旋骨架上的分层沉积示意图

Скачать (173KB)
Метаданные
13. 图 6。含有羟基磷灰石（HAp）、海藻酸钠（ALG）、聚丙烯胺（PAA）和阿林膦酸盐的核-壳形态纳米粒子的层层化学组装过程

Скачать (114KB)
Метаданные

© Мелешко А.А., Толстой В.П., Афиногенов Г.Е., Левшакова А.С., Афиногенова А.Г., Мульдияров В.П., Виссарионов С.В., Линник С.А., 2020

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.
СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС77-54261 от 24 мая 2013 г.