Том 27 № 2 (2023): В фокусе: кардиоонкология
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

Структура и свойства гидрогеля с взаимопроникающей полимерной сетью фибрин/поливиниловый спирт как модифицирующего покрытия для протезов сосудов малого калибра

pdf
  • В.Г. Матвеева,
  • М.А. Резвова,
  • Т.В. Глушкова,
  • А.В. Сергеева,
  • Е.О. Кривкина,
  • Л.В. Антонова,
  • Л.С. Барбараш
В.Г. Матвеева
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», Кемерово
Bio
М.А. Резвова
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», Кемерово
Т.В. Глушкова
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», Кемерово
А.В. Сергеева
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кемеровский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации, Кемерово
Е.О. Кривкина
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», Кемерово
Л.В. Антонова
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», Кемерово
Л.С. Барбараш
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», Кемерово
Результаты спектральных методов изучения структуры образцов
DOI: https://doi.org/10.21688/1681-3472-2023-2-74-86

Опубликован 30.06.2023

Ключевые слова

  • гидрогель,
  • поливиниловый спирт,
  • тканевая инженерия,
  • фибрин

Как цитировать

Матвеева, В., Резвова, М., Глушкова, Т., Сергеева, А., Кривкина, Е., Антонова, Л., & Барбараш, Л. (2023). Структура и свойства гидрогеля с взаимопроникающей полимерной сетью фибрин/поливиниловый спирт как модифицирующего покрытия для протезов сосудов малого калибра. Патология кровообращения и кардиохирургия, 27(2), 74–86. https://doi.org/10.21688/1681-3472-2023-2-74-86

Copyright (c) 2023 Матвеева В.Г., Резвова М.А., Глушкова Т.В., Сергеева А.В., Кривкина Е.О., Антонова Л.В., Барбараш Л.С.

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.

Аннотация

Актуальность. Гибридные гидрогели с взаимопроникающей полимерной сетью позволяют регулировать свойства путем изменения состава и концентрации компонентов. Фибрин — доступный природный полимер с идеальными биологическими характеристиками, но низкой прочностью и склонностью к ретракции. Гидрогели поливинилового спирта стабильны, соответствуют по прочности биологическим тканям, однако биоинертны. Создание взаимопроникающей полимерной сети фибрин/поливиниловый спирт может помочь преодолеть недостатки каждого из компонентов и получить улучшенный материал для тканевой инженерии.
Цель. Оценить возможность и условия получения однородной взаимопроникающей полимерной сети методом последовательной полимеризации фибрина и криоструктурирования поливинилового спирта с максимальным сохранением благоприятных для тканевой инженерии механических и биологических свойств.
Методы. Взаимопроникающая полимерная сеть фибрин/поливиниловый спирт получена последовательной полимеризацией фибрина (30 мг/мл) и криоструктурированием поливинилового спирта (15, 30 и 60 мг/мл). Структура изучена методами сканирующей электронной микроскопии, гистологии, инфракрасной спектроскопии, рентгеноструктурного анализа. Протестированы механические свойства, усадка образцов. Биологические особенности оценены in vitro по жизнеспособности, количеству клеток, пролиферативной, метаболической активности культуры эндотелиальных клеток EA.hy926.
Результаты. Структурные исследования показали максимальное количество фибрина на поверхности взаимопроникающей полимерной сети Ф30ПВС15 и минимальное на Ф30ПВС60. Результаты подтверждались высокой биологической привлекательностью Ф30ПВС15 по сравнению с Ф30ПВС30 и Ф30ПВС60. Резистентность к усадке демонстрировали гидрогели Ф30ПВС60 по сравнению с шаблоном, образцы Ф30ПВС30 уменьшились в 1,4 раза, Ф30ПВС15 — в 2,5 раза. Хотя механическая прочность всех монокомпонентных гидрогелей и образцов с взаимопроникающей полимерной сетью не достигала значений аналогичного показателя внутренней грудной артерии человека (a. mammaria), для Ф30ПВС30 и Ф30ПВС60 показатели были выше, чем Ф30ПВС15 и фибрина.
Заключение. Предложенный метод позволяет получать гидрогели с взаимопроникающей полимерной сетью, устойчивые к усадке, с улучшенными механическими и удовлетворительными био­логическими свойствами при концентрации поливинилового спирта более 15 и менее 60 мг/мл. Однако недостаточная прочность полученного материала ограничивает его использование в сосудистой инженерии рамками модифицирующего покрытия.

Поступила в редакцию 25 января 2023 г. Исправлена 17 марта 2023 г. Принята к печати 29 марта 2023 г.

Финансирование
Исследование выполнено в рамках фундаментальной темы НИИ КПССЗ № 0419-2022-0001 «Молекулярные, клеточные и биомеханические механизмы патогенеза сердечно-сосудистых заболеваний в разработке новых методов лечения заболеваний сердечно-сосудистой системы на основе персонифицированной фармакотерапии, внедрения малоинвазивных медицинских изделий, биоматериалов и тканеинженерных имплантатов».

Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Вклад авторов
Концепция и дизайн: В.Г. Матвеева, М.А. Резвова
Сбор и анализ данных: В.Г. Матвеева, М.А. Резвова, Т.В. Глушкова, Е.О. Кривкина, А.В. Сергеева
Статистическая обработка данных: В.Г. Матвеева, М.А. Резвова, Т.В. Глушкова, А.В. Сергеева
Написание статьи: В.Г. Матвеева
Исправление статьи: В.Г. Матвеева, М.А. Резвова, Л.В. Антонова, Л.С. Барбараш
Утверждение окончательного варианта статьи: все авторы

pdf

Библиографические ссылки

  1. Mallis P., Kostakis A., Stavropoulos-Giokas C., Michalopoulos E. Future perspectives in small-diameter vascular graft engineering. Bioengineering (Basel). 2020;7(4):160. PMID: 33321830; PMCID: PMC7763104. https://doi.org/10.3390/bioengineering7040160
  2. Zizhou R., Wang X., Houshyar S. Review of polymeric biomimetic small-diameter vascular grafts to tackle intimal hyperplasia. ACS Omega. 2022;7(26):22125-22148. PMID: 35811906; PMCID: PMC9260943. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c01740
  3. Chlupáč J., Filová E., Riedel T., Houska M., Brynda E., Remy-Zolghadri M., Bareille R., Fernandez P., Daculsi R., Bourget C., Bordenave L., Bačáková L. Attachment of human endothelial cells to polyester vascular grafts: pre-coating with adhesive protein assemblies and resistance to short-term shear stress. Physiol Res. 2014;63(2):167-177. PMID: 24397801. https://doi.org/10.33549/physiolres.932577
  4. Morin K.T., Tranquillo R.T. In vitro models of angiogenesis and vasculogenesis in fibrin gel. Exp Cell Res. 2013;319(16):2409-2417. PMID: 23800466; PMCID: PMC3919069. https://doi.org/10.1016/j.yexcr.2013.06.006
  5. Матвеева В.Г., Сенокосова Е.А., Ханова М.Ю., Глушкова Т.В., Антонова Л.В. Влияние способа полимеризации на свойства фибриновых матриц (пилотное исследование in vitro). Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2022;11(4S):134-145. https://doi.org/10.17802/2306-1278-2022-11-4S-134-145 Matveeva V.G., Senokosova E.A., Khanova M.Yu., Glushkova T.V., Antonova L.V. Influence of the polymerization method on the properties of fibrin matrices. Complex Issues of Cardiovascular Diseases. 2022;11(4S):134-145. (In Russ.) https://doi.org/10.17802/2306-1278-2022-11-4S-134-145
  6. Матвеева В.Г., Ханова М.Ю., Антонова Л.В., Барбараш Л.С. Фибрин — перспективный материал для тканевой сосудистой инженерии. Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2020;22(1):196-208. https://doi.org/10.15825/1995-1191-2020-1-196-208 Matveeva V.G., Khanova M.U., Antonova L.V., Barbarash L.S. Fibrin — a promising material for vascular tissue engineering. Russian Journal of Transplantology and Artificial Organs. 2020;22(1):196-208. (In Russ.) https://doi.org/10.15825/1995-1191-2020-1-196-208
  7. Mironi-Harpaz I., Zigerson S., Seliktar D. Fibrin-based hydrogel scaffolds for controlling cell-matrix interaction in vascular tissue engineering. Advanced Biomaterials and Devices in Medicine. 2014;1(1):28-37. https://doi.org/10.24411/2409-2568-2014-00004
  8. Akpalo E., Bidault L., Boissière M., Vancaeyzeele C., Fichet O., Laretta-Garde V. Fibrin–polyethylene oxide interpenetrating polymer networks: new self-supported biomaterials combining the properties of both protein gel and synthetic polymer. Acta Biomater. 2011;7(6):2418-2427. PMID: 21382527. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2011.03.002
  9. Deneufchâtel M., Larreta-Garde V., Fichet O. Polyethylene glycol-albumin/fibrin interpenetrating polymer networks with adaptable enzymatic degradation for tissue engineering applications. Polym Degrad Stab. 2018;152:218-227. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2018.04.023
  10. Gsib O., Duval J.-L., Goczkowski M., Deneufchatel M., Fichet O., Larreta-Garde V., Bencherif A.S., Egles C. Evaluation of fibrin-based interpenetrating polymer networks as potential biomaterials for tissue engineering. Nanomaterials. 2017;7(12):436. PMID: 29232876; PMCID: PMC5746926. https://doi.org/10.3390/nano7120436
  11. Bidault L., Deneufchatel M., Vancaeyzeele C., Fichet O., Larreta-Garde V. Self-supported fibrin-polyvinyl alcohol interpenetrating polymer networks: an easily handled and rehydratable biomaterial. Biomacromolecules. 2013;14(11):3870-3879. PMID: 24050436. https://doi.org/10.1021/bm400991k
  12. Bidault L., Deneufchatel M., Hindié M., Vancaeyzeele C., Fichet O., Larreta-Garde V. Fibrin-based interpenetrating polymer network biomaterials with tunable biodegradability. Polymer. 2015;62:19-27. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2015.02.014
  13. Ma S., Wang S., Li Q., Leng Y., Wang L., Hu G.-H. A novel method for preparing poly(vinyl alcohol) hydrogels: preparation, characterization, and application. Ind Eng Chem Res. 2017;56(28):7971-7976. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.7b01812
  14. Stauffer S.R., Peppast N.A. Poly(vinyl alcohol) hydrogels prepared by freezing-thawing cyclic processing. Polymer. 1992;33(18):3932-3936. https://doi.org/10.1016/0032-3861(92)90385-A
  15. Shipp D.A. Reversible-deactivation radical polymerizations. Polym Rev. 2011;51(2):99-103. https://doi.org/10.1080/15583724.2011.566406
  16. Millon L.E., Nieh M.-P., Hutter J.L., Wan W.K. SANS Characterization of an anisotropic poly(vinyl alcohol) hydrogel with vascular applications. Macromolecules. 2007;40(10):3655-3662. https://doi.org/10.1021/ma062781f
  17. Kumar A., Han S.S. PVA-based hydrogels for tissue engineering: A review. Int J Polym Mater Polym Biomater. 2017;66(4):159-182. https://doi.org/10.1080/00914037.2016.1190930
  18. Jiang S., Liu S., Feng W. PVA hydrogel properties for biomedical application. J Mech Behav Biomed Mater. 2011;4(7):1228-1233. PMID: 21783131. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2011.04.005
  19. Jiang Y., Schädlich A., Amado E., Weis C., Odermatt E., Mäder K., Kressler J. In vivo studies on intraperitoneally administrated poly(vinyl alcohol). J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2010;93(1):275-284. PMID: 20119945. https://doi.org/10.1002/jbm.b.31585
  20. Wang B.H., Campbell G. Formulations of polyvinyl alcohol cryogel that mimic the biomechanical properties of soft tissues in the natural lumbar intervertebral disc. Spine (Phila Pa 1976). 2009;34(25):2745-2753. PMID: 19940732. https://doi.org/10.1097/BRS.0b013e3181b4abf5
  21. Bourke S.L., Al-Khalili M., Briggs T., Michniak B.B., Kohn J., Poole-Warren L.A. A photo-crosslinked poly(vinyl alcohol) hydrogel growth factor release vehicle for wound healing applications. AAPS PharmSci. 2003;5(4):E33. PMID: 15198521; PMCID: PMC2750995. https://doi.org/10.1208/ps050433
  22. Barrett D.A., Hartshome M.S., Hussain M.A., Shaw P.N., Davies M.C. Resistance to nonspecific protein adsorption by poly(vinyl alcohol) thin films adsorbed to a poly(styrene) support matrix studied using surface plasmon resonance. Anal Chem. 2001;73(21):5232-5239. PMID: 11721924. https://doi.org/10.1021/ac010368u
  23. Hassan C.M., Peppas N.A. Structure and applications of poly(vinyl alcohol) hydrogels produced by conventional crosslinking or by freezing/thawing methods. Adv Polym Sci. 2000;153:37-65. https://doi.org/10.1007/3-540-46414-X_2
  24. Dragan E.S. Design and applications of interpenetrating polymer network hydrogels. A review. Chem Eng J. 2014;243:572-590. https://doi.org/10.1016/j.cej.2014.01.065
  25. Pohan G., Chevallier P., Anderson D.E.J., Tse J.W., Yao Y., Hagen M.W., Mantovani D., Hinds M.T., Yim E.K.F. Luminal plasma treatment for small diameter polyvinyl alcohol tubular scaffolds. Front Bioeng Biotechnol. 2019;7:117. PMID: 31192200; PMCID: PMC6541113. https://doi.org/10.3389/fbioe.2019.00117
  26. Wan W., Dawn Bannerman A., Yang L., Mak H. Poly(vinyl alcohol) cryogels for biomedical applications. Adv Polym Sci. 2014;263:283-321. https://doi.org/10.1007/978-3-319-05846-7_8
  27. Chaouat M., Le Visage C., Baille W.E., Escoubet B., Chaubet F., Mateescu M.A., Letourneur D. A novel cross-linked Poly(vinyl alcohol) (PVA) for vascular grafts. Adv Funct Mater. 2008;18(19):2855-2861. https://doi.org/10.1002/adfm.200701261
  28. Cutiongco M.F.A., Kukumberg M., Peneyra J.L., Yeo M.S., Yao J.Y., Rufaihah A.J., Le Visage C., Ho J.P., Yim E.K.F. Submillimeter diameter poly(vinyl alcohol) vascular graft patency in rabbit model. Front Bioeng Biotechnol. 2016;4:44. PMID: 27376059; PMCID: PMC4896917. https://doi.org/10.3389/fbioe.2016.00044
  29. Gupta S., Greeshma T., Basu B., Goswami S., Sinha A. Stiffness- and wettability-dependent myoblast cell compatibility of transparent poly(vinyl alcohol) hydrogels. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2013;101(2):346-354. PMID: 23165741. https://doi.org/10.1002/jbm.b.32845
  30. Матвеева В.Г., Ханова М.Ю., Глушкова Т.В., Антонова Л.В. Влияние различных концентраций фибриногена на свойства фибриновой матрицы для тканевой сосудистой инженерии. Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова. 2021;29(1):21-34. https://doi.org/10.23888/PAVLOVJ202129121-34 Matveeva V.G., Khanova M.Yu., Glushkova T.V., Antonova L.V. Influence of different concentrations of fibrinogen on the properties of a fibrin matrix for vascular tissue engineering. I.P. Pavlov Russian Medical Biological Herald. 2021;29(1):21-34. (In Russ.) https://doi.org/10.23888/PAVLOVJ202129121-34
  31. Brown E.E., Zhang J., Laborie M.-P.G. Never-dried bacterial cellulose/fibrin composites: preparation, morphology and mechanical properties. Cellulose. 2011;18(3):631-641. https://doi.org/10.1007/s10570-011-9500-8
  32. Blat A., Dybas J., Chrabaszcz K., Bulat K., Jasztal A., Kaczmarska M., Pulyk R., Popiela T., Slowik A., Malek K., Adamski M.G., Marzec K.M. FTIR, Raman and AFM characterization of the clinically valid biochemical parameters of the thrombi in acute ischemic stroke. Sci Rep. 2019;9(1):15475. PMID: 31664105; PMCID: PMC6820737. https://doi.org/10.1038/s41598-019-51932-0
  33. Sa’adon S., Ansari M.N.M., Razak S.I.A., Anand J.S., Nayan N.H.M., Ismail A.E., Khan M.U.A., Haider A. Preparation and physicochemical characterization of a diclofenac sodium-dual layer polyvinyl alcohol patch. Polymers (Basel). 2021;13(15):2459. PMID: 34372062; PMCID: PMC8347342. https://doi.org/10.3390/polym13152459
  34. Choo K., Ching Y.C., Chuah C.H., Julai S., Liou N.-S. Preparation and characterization of polyvinyl alcohol-chitosan composite films reinforced with cellulose nanofiber. Materials (Basel). 2016;9(8):644. PMID: 28773763; PMCID: PMC5509094. https://doi.org/10.3390/ma9080644
  35. Lee H., Yamaguchi K., Nagaishi T., Murai M., Kim M., Wei K., Zhang K.-Q., Kim I.S. Enhancement of mechanical properties of polymeric nanofibers by controlling crystallization behavior using a simple freezing/thawing process. RSC Advances. 2017;7:43994-44000. https://doi.org/10.1039/C7RA06545K
  36. Ino J.M., Chevallier P., Letourneur D., Mantovani D., Le Visage C. Plasma functionalization of poly(vinyl alcohol) hydrogel for cell adhesion enhancement. Biomatter. 2013;3(4):e25414. PMID: 23989063; PMCID: PMC3825233. https://doi.org/10.4161/biom.25414
  37. Chiu C.L., Hecht V., Duong H., Wu B., Tawil B. Permeability of three-dimensional fibrin constructs corresponds to fibrinogen and thrombin concentrations. Biores Open Access. 2012;1(1):34-40. PMID: 23515363; PMCID: PMC3559212. https://doi.org/10.1089/biores.2012.0211
  38. du Toit J.-P., Pott R.W.M. Transparent polyvinyl-alcohol cryogel as immobilisation matrix for continuous biohydrogen production by phototrophic bacteria. Biotechnol Biofuels. 2020;13:105. PMID: 32536970; PMCID: PMC7285740. https://doi.org/10.1186/s13068-020-01743-7
  39. Sau S., Pandit S., Kundu S. Crosslinked poly (vinyl alcohol): Structural, optical and mechanical properties. Surfaces and Interfaces. 2021;25:101198. https://doi.org/10.1016/j.surfin.2021.101198