Структура и свойства гидрогеля с взаимопроникающей полимерной сетью фибрин/поливиниловый спирт как модифицирующего покрытия для протезов сосудов малого калибра
Автор: Матвеева Вера Геннадьевна, Резвова М.А., Глушкова Т.В., Сергеева А.В., Кривкина Е.О., Антонова Л.В., Барбараш Л.С.
Журнал: Патология кровообращения и кардиохирургия @journal-meshalkin
Рубрика: Экспериментальные статьи
Статья в выпуске: 2 т.27, 2023 года.
Бесплатный доступ
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
Гидрогель, поливиниловый спирт, тканевая инженерия, фибрин
Короткий адрес: https://sciup.org/142238252
IDR: 142238252 | DOI: 10.21688/1681-3472-2023-2-74-86
Список литературы Структура и свойства гидрогеля с взаимопроникающей полимерной сетью фибрин/поливиниловый спирт как модифицирующего покрытия для протезов сосудов малого калибра
- 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
- 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
- Chlupác J., Filová E., Riedel T., Houska M., Brynda E., Remy-Zolghadri M., Bareille R., Fernandez P., Daculsi R., Bourget C., Bordenave L., Bacáková 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- Akpalo E., Bidault L., Boissiere 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
- Deneufchatel 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
- 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
- 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
- Bidault L., Deneufchatel M., Hindie 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
- 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
- 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
- Shipp D.A. Reversible-deactivation radical polymerizations. Polym Rev. 2011;51(2):99-103. https://doi.org/10.1080/15583 724.2011.566406
- 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
- 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
- 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/10.10167i. jmbbm.2011.04.005
- 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/ibm.b.31585
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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/i.cei.2014.01.065
- 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
- Wan W., Dawn Bannerman A., Yang L., Mak H. Poly(vinyl alcohol) cryogels for biomedical applications. Adv Polym Sci. 2014;263:283-321. https:77doi.org710.10077978-3-319-05846-7 8
- 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
- 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
- Gupta S., Greeshma T., Basu B., Goswami S., Sinha A. Stiffness-and wettability-dependent myoblast cell compatibility of transparent poly(vinyl alcohol) hydroqels. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2013;101(2):346-354. PMID: 23165741. https://doi.orq/10.1002/jbm.b.32845
- 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. orq/10.23888/PAVL0VJ202129121-34 Matveeva V.G., Khanova M.Yu., Glushkova T.V., Antonova L.V. Influence of different concentrations of fibrinoqen on the properties of a fibrin matrix for vascular tissue enqineerinq. I.P. Pavlov Russian Medical Biological Herald. 2021;29(1):21-34. (In Russ.) https://doi.orq/10.23888/PAVL0VJ202129121-34
- Brown E.E., Zhanq J., Laborie M.-P.G. Never-dried bacterial cellulose/fibrin composites: preparation, morpholoqy and mechanical properties. Cellulose. 2011;18(3):631-641. https:// doi.orq/10.1007/s10570-011-9500-8
- 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.orq/10.1038/s41598-019-51932-0
- 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.orq/10.3390/polym13152459
- Choo K., Chinq 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.orq/10.3390/ma9080644
- Lee H., Yamaquchi K., Naqaishi T., Murai M., Kim M., Wei K., Zhanq K.-Q., Kim I.S. Enhancement of mechanical properties of polymeric nanofibers by controllinq crystallization behavior usinq a simple freezinq/thawinq process. RSC Advances. 2017;7:43994-44000. https://doi.orq/10.1039/C7RA06545K
- Ino J.M., Chevallier P., Letourneur D., Mantovani D., Le Visaqe C. Plasma functionalization of poly(vinyl alcohol) hydroqel for cell adhesion enhancement. Biomatter. 2013;3(4):e25414. PMID: 23989063; PMCID: PMC3825233. https://doi. orq/10.4161/biom.25414
- Chiu C.L., Hecht V., Duonq H., Wu B., Tawil B. Permeability of three-dimensional fibrin constructs corresponds to fibrinoqen and thrombin concentrations. Biores Open Access. 2012;1 (1 ):34-40. PMID: 23515363; PMCID: PMC3559212. https://doi.orq/10.1089/biores.2012.0211
- du Toit J.-P., Pott R.W.M. Transparent polyvinyl-alcohol cryoqel as immobilisation matrix for continuous biohydroqen production by phototrophic bacteria. Biotechnol Biofuels. 2020;13:105. PMID: 32536970; PMCID: PMC7285740. https:// doi.orq/10.1186/s13068-020-01743-7
- Sau S., Pandit S., Kundu S. Crosslinked poly (vinyl alcohol): Structural, optical and mechanical properties. Surfaces and Interfaces. 2021;25:101198. https://doi.orq/10.1016/j. surfin.2021.101198
