Разработка метода получения наноразмерного карбоната магния, стабилизированного хитозаном, как основы скаффолд-матриксов для регенеративной медицины

Разработка метода получения наноразмерного карбоната магния, стабилизированного хитозаном, как основы скаффолд-матриксов для регенеративной медицины

Автор: Блинов А.В., Рехман З.А., Гвозденко А.А., Ясная М.А., Колодкин М.А., Тараванов М.А.

Журнал: Вестник Донского государственного технического университета @vestnik-donstu

Рубрика: Машиностроение и машиноведение

Статья в выпуске: 4 т.24, 2024 года.

Бесплатный доступ

Введение. В открытом доступе достаточно литературы о методах лечения опорно-двигательного аппарата. Описаны возможности устранения дефектов кости с использованием собственных (аутологичных) костей пациентов. Авторы теоретических и прикладных исследований предлагают применять также синтетические биоинертные материалы из полимеров, фосфатов кальция, пластмасс, металлов. Изучено создание на основе скаффолдов трехмерных матриц для формирования систем, по структуре максимально близких костной ткани. Известно, что действующими веществами скаффолд-матрицы могут быть гидроксиапатит, трикальций фосфат, а также силикаты, карбонаты магния, кальция, меди, цинка и марганца. Вопрос нуждается в детальной проработке. В свете заявленной проблемы особенности перечисленных материалов следует изучать по отдельности. Таких публикаций нет. Представленная работа призвана восполнить данный пробел. Ее цель - создание метода синтеза и исследование свойств наноразмерного карбоната магния.Материалы и методы. Материалами для исследования послужили образцы наночастиц карбоната магния, полученные химическим осаждением в воде. Их изучали методами рентгеновской дифрактометрии, сканирующей электронной микроскопии, инфракрасной спектроскопии и динамического рассеяния света. Квантово-химическое моделирование проводили при помощи программы QChem и молекулярного редактора IQmol.Результаты исследования. Установлено, что частицы карбоната магния - стержнеобразные, длиной от 2 до 10 мкм. Они состоят из наночастиц от 30 до 60 нм. Благодаря квантово-химическому моделированию выявлены энергетические особенности взаимодействия основного карбоната магния, во-первых, с хитозаном с карбонатом, а во-вторых, с отдельной молекулой хитозана. В первом случае значение энергии ниже, во втором - выше. Это указывает на химическую и энергетическую выгоду образования таких комплексов. Определены соответствующие показатели для оптимального варианта координирования карбоната магния с хитозаном. В этом случае взаимодействие обеспечивает гидроксильная группа хитозана, присоединенная к C6 остатку глюкозамина. Для данного процесса отмечена самая низкая энергия ∆E = 462,387 ккал/моль и химическая жесткость η = 0,062 эВ. Наночастицы карбоната магния обладают оптимальными радиусом и дзета-потенциалом при следующих параметрах исходных реагентов: 0,018 моль карбоната аммония, 0,03 моль ацетата магния, 0,15 г хитозана.Обсуждение и заключение. Полученные данные свидетельствуют о том, что наноразмерный основной карбонат магния - это перспективный материал с широкими возможностями практического применения. С этой точки зрения особый интерес представляет его роль в процессах обмена, а именно в усвоении макронутриентов. Синтезированный в среде биополимера наноразмерный остеотропный микронутриент магния можно использовать как биологически активный наполнитель трехмерных скаффолд-матриксов. Реализация данного решения в медицинской практике позволит повысить эффективность восстановления костной ткани.

Еще

Травмы опорно-двигательного аппарата, устранение дефектов кости, аналог костной ткани, наноразмерный карбонат магния, остеотропный микронутриент магния, скаффолд-матрикс

Короткий адрес: https://sciup.org/142243752

IDR: 142243752   |   DOI: 10.23947/2687-1653-2024-24-4-392-401

Список литературы Разработка метода получения наноразмерного карбоната магния, стабилизированного хитозаном, как основы скаффолд-матриксов для регенеративной медицины

  • Канев А.А., Кураков Ф.А., Черченко О.В., Цветкова Л.А. Развитие регенеративной медицины в России и в мире: исследователи-лидеры и технологические драйверы. Экономика науки. 2022;8(3/4):202–219. https://doi.org/10.22394/2410–132X–2022–8–3–4–202–219 Kanev AA, Kurakov FA, Cherchenko OV, Tsvetkova LA. The Development of Regenerative Medicine in Russia and in the World: Leading Researchers and Technological Drivers. Economics of Science. 2022;8(3–4):202–219. https://doi.org/10.22394/2410–132X–2022–8–3–4–202–219
  • Safronova TV. Inorganic Materials for Regenerative Medicine. Inorganic Materials. 2021;57(5):443–474. https://doi.org/10.1134/S002016852105006X
  • Агазаде А.Р., Агазаде Р.Р., Гергиева Т.Ф., Амхадов И.С., Кадиев А.А., Мамедов С.Э. и др. Оценка эффективности лечения и мониторинга пациентов с системными нарушениями костной ткани при проведении дентальной имплантации. Медицинский алфавит. 2023;1(1):44–49. https://doi.org/10.33667/2078–5631–2023–1–44–49 Agazade AR, Agazade RR, Gergieva TF, Amkhadov IS, Kadiev AA, Mamedov SE, et al. Evaluation of the Effectiveness of Treatment and Monitoring of Patients with Systemic Disorders of Bone Tissue during Dental Implantation. Medical Alphabet. 2023;1(1):44–49. https://doi.org/10.33667/2078–5631–2023–1–44–49
  • Голубева А.Н. Правильное питание как основная составляющая здорового образа жизни человека. Международный журнал гуманитарных и естественных наук. 2023;786(1–4):40–42. https://doi.org/10.24412/2500–1000–2023–1–4–40–42 Golubeva AN. Proper Nutrition as the Main Component of a Healthy Lifestyle. International Journal of Humanities and Natural Sciences. 2023;76(1–4):40–42. https://doi.org/10.24412/2500–1000–2023–1–4–40–42
  • Погожева А.В., Коденцова В.М., Шарафетдинов Х.Х. Роль магния и калия в профилактическом и лечебном питании. Вопросы питания. 2022;91(5):29–42. https://doi.org/10.33029/0042–8833–2022–91–5–29–42 Pogozheva AV, Kodentsova VM, Sharafetdinov KhKh. The Role of Magnesium and Potassium in Preventive and Therapeutic Nutrition. Problems of Nutrition. 2022;91(5):29–42. https://doi.org/10.33029/0042–8833–2022–91–5–29–42
  • Кочнева Е.В. Дефицит магния в клинической практике. Вопросы диетологии. 2018;8(1):37–51. https://doi.org/10.20953/2224–5448–2018–1–37–51 Kochneva EV. Magnesium Deficiency in Clinical Practice. Nutrition. 2018;8(1):37–51. https://doi.org/10.20953/2224–5448–2018–1–37–51
  • Евсеева Г.П., Супрун С.В., Супрун Е.Н., Ракицкая Е.В., Козлов В.К., Лебедько О.А. Влияние дисбаланса микроэлементов на иммунитет. Микроэлементы в медицине. 2021;22(S1):27–28. https://doi.org/10.19112/2413-6174-2021-S1-12 Evseeva GP, Suprun SV, Suprun EN, Rakitskaya EV, Kozlov VK, Lebed’ko OA. Influence of Trace Elements Imbalance on Immunity. Trace Elements in Medicine. 2021;22(S1):27–28. https://doi.org/10.19112/2413–6174–2021-S1–12
  • Hang Zhou, Bing Liang, Haitao Jiang, Zhongliang Deng, Kexiao Yu. Magnesium-Based Biomaterials as Emerging Agents for Bone Repair and Regeneration: From Mechanism to Application. Journal of Magnesium and Alloys. 2021;9(3): 779–804. URL: https://www.jmamg.com/uploadfiles/2024/04/20240407095328708.pdf (accessed: 25.06.2024).
  • Рубникович С.П., Хомич И.С. Костные трансплантаты и заменители для устранения дефектов и аугментации челюстных костей в имплантологии и периодонтологии. Стоматолог. 2014;1(12):77–86. URL: http://journal-stomatolog.by/wp-content/uploads/2018/05/2–13–2014.pdf (дата обращения: 25.06.2024). Rubnikovich SP, Khomich IS. The Use of Bone Grafts and Bone Substitutes to Eliminate Defects and Augment Jaw Bones in Dental Implantology and Periodontology. Dentist. 2014;1(12):77–86. URL: http://journal-stomatolog.by/wp-content/uploads/2018/05/2–13–2014.pdf (accessed: 25.06.2024).
  • Монич С.Г., Храмкова А.С., Бондаренко В.А. Использование нанотехнологий в дентальной имплантологии. В: Тр. 16-й Междунар. науч.-тех. конф. «Приборостроение-2023». Минск: Белорусский национальный технический университет; 2023. С. 288–289. URL: https://rep.bntu.by/bitstream/handle/data/ 138532/288289.pdf?sequence=1&isAllowed=y&ysclid=lw7sq5m32n354587227 (дата обращения: 25.06.2024). Monich SG, Khramkova AS, Bondarenko VA. The Use of Nanotechnology in Dental Implantology. In: Proc. 16th International Science and Technology Conference “Instrumentation-2023”. Minsk: BNTU Publ.; 2023. P. 288–289. (In Russ.) https://rep.bntu.by/handle/data/138532
  • Волова Л.Т., Трунин Д.А., Пономарева Ю.В., Попов Н.В. Исследование биосовместимости и цитотоксичности персонифицированных костных имплантатов с применением клеточных технологий. Вестник медицинского института «Реавиз»: реабилитация, врач и здоровье. 2017;29(5):32–39. Volova LT, Trunin DA, Ponomareva YuV, Popov NV. Study of Biocompatibility and Cytotoxicity of Personalized Bone Implants Using Cell Technologies. Bulletin of REAVIZ: Rehabilitation, Doctor, and Health. 2017;29(5):32–39.
  • Kou Sh(G), Peters L, Mucalo M. Chitosan: A Review of Molecular Structure, Bioactivities and Interactions with the Human Body and Micro-Organisms. Carbohydrate Polymers. 2022;282:119132. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.119132
  • Wenjie Wang, Changhu Xue, Xiangzhao Mao. Chitosan: Structural Modification, Biological Activity and Application. International Journal of Biological Macromolecules. 2020;164:4532–4546. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.09.042
  • Блинов А.В., Пирогов М.А., Гвозденко А.А., Голик А.Б., Рехман З.А., Колодкин М.А. и др. Компьютерное квантово-химическое моделирование взаимодействия наночастиц селена с четвертичными аммониевыми соединениями. Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2023;15:357–366. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2023.15.357 Blinov AV, Pirogov MA, Gvozdenko AA, Golik AB, Rekhman ZA, Kolodkin MA. Computer Quantum-Chemical Modeling of the Interaction of Selenium Nanoparticles with Quaternary Ammonium Compounds. Physical and Chemical Aspects of the Study of Clusters, Nanostructures and Nanomaterials. 2023;15:357–366. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2023.15.357
  • Анисимов А.В. Планирование эксперимента как эффективный метод оптимизации технологического процесса. В: Тр. Междунар. науч.-практ. конф. «Актуальные проблемы ветеринарной медицины, пищевых и биотехнологий». Саратов: Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова; 2022. С. 249–252.
  • Anisimov AV. Experiment Planning as an Effective Method of Technological Process Optimization. In: Proc. International Science and Technology Conference “Current Issues in Veterinary Medicine, Food and Biotechnology”. Saratov: Saratov State Vavilov Agrarian University Publ.; 2022. P. 249–252. (In Russ.)
  • Frost RL. Raman Spectroscopic Study of the Magnesium Carbonate Mineral Hydromagnesite (Mg5[(CO3)4 OH)2]·4H2O). Journal of Raman Spectroscopy. 2011;42(8):1690–1694. https://doi.org/10.1002/jrs.2917
  • Kornprobst T, Plank J. Synthesis and Properties of Magnesium Carbonate Xerogels and Aerogels. Journal of Non-Crystalline Solids. 2013;361:100–105. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2012.10.023
  • Aksay S. Effects of Al Dopant on XRD, FT-IR and UV–vis Properties of MgO Films. Physica B: Condensed Matter. 2019;570:280–284. https://doi.org/10.1016/j.physb.2019.06.020
  • Apfelbaum F, Mayer I, Rey C, Lebugle A. Magnesium in Maturing Synthetic Apatite: A Fourier Transform Infrared Analysis. Journal of Crystal Growth. 1994;144(3-4):304–310. https://doi.org/10.1016/0022–0248(94)90471–5
  • Frost RL, Reddy BJ, Bahfenne S, Graham J. Mid-Infrared and Near-Infrared Spectroscopic Study of Selected Magnesium Carbonate Minerals Containing Ferric Iron – Implications for the Geosequestration of Greenhouse Gases. Spectrochimica Acta. Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2009;72(3):597–604. https://doi.org/10.1016/j.saa.2008.10.043
  • Zawadzki J, Kaczmarek H. Thermal Treatment of Chitosan in Various Conditions. Carbohydrate Polymers. 2010;80(2):394–400. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2009.11.037
  • Silva SML, Braga CRC, Fook MVL, Raposo CMO, Carvalho LH, Canedo EL. Application of infrared spectroscopy to analysis of chitosan/clay nanocomposites. In book: Th Theophanides (ed). Infrared Spectroscopy — Materials Science, Engineering and Technology. Ch. 3. London: IntechOpen Publ.; 2012. P. 43–62. http://doi.org/10.13140/2.1.3806.5609
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp