fcmedicineФундаментальная и клиническая медицинаFundamental and Clinical Medicine2500-07642542-0941КемГМУ10.23946/2500-0764-2024-9-4-68-81fcmedicine-945Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL RESEARCHХарактеристика интерпенетрирующих гидрогелей на основе фибрина и высокомолекулярного поливинилового спирта в перспективе тканевой сосудистой инженерииCharacteristics of interpenetrating hydrogels based on fibrin and high molecular weight polyvinyl alcoholhttps://orcid.org/0000-0002-4146-3373МатвееваВ. Г.MatveevaV. G.

Матвеева Вера Геннадьевна, кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник лаборатории клеточных технологий, отдел экспериментальной медицины

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, стр. 6

Dr. Vera G. Matveeva, MD, PhD, Senior Researcher Laboratory of Cell Technologies, Department of Experimental Medicine

6, Academician Barbarash blvd., Kemerovo, 650002

matveeva_vg@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4405-8904РезвоваМ. А.RezvovaM. A.

Резвова Мария Александровна, младший научный сотрудник лаборатории новых биоматериалов, отдел экспериментальной медицины

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, стр. 6

Mrs. Maria A. Rezvova, Junior Researcher, Laboratory of New Biomaterials, Department of Experimental Medicine

6, Academician Barbarash blvd., Kemerovo, 650002

https://orcid.org/0000-0003-4890-0393ГлушковаТ. В.GlushkovaT. V.

Глушкова Татьяна Владимировна, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатория новых биоматериалов, отдел экспериментальной медицины

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, стр. 6

Mrs. Tatyana V. Glushkova, PhD (biology), Senior Researcher, Laboratory of New Biomaterials, Department of Experimental Medicine

6, Academician Barbarash blvd., Kemerovo, 650002

https://orcid.org/0000-0002-9430-937XСенокосоваЕ. А.SenokosovaE. A.

Сенокосова Евгения Андреевна, кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории клеточных технологий, отдел экспериментальной медицины

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, стр. 6

Mrs. Evgeniya A. Senokosova, PhD (biology), Researcher Laboratory of Cell Technologies, Department of Experimental Medicine

6, Academician Barbarash blvd., Kemerovo, 650002

https://orcid.org/0000-0002-8826-9244ХановаМ. Ю.KhanovaM. Yu.

Ханова Марьям Юрисовна, кандидат биологических наук, младший научный сотрудник лаборатории клеточных технологий, отдел экспериментальной медицины

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, стр. 6

Mrs. Mariam Yu. Khanova, PhD (biology), Junior Researcher Laboratory of Cell Technologies, Department of Experimental Medicine

6, Academician Barbarash blvd., Kemerovo, 650002

https://orcid.org/0000-0002-2500-2147КривкинаЕ. О.KrivkinaE. O.

Кривкина Евгения Олеговна, младший научный сотрудник лаборатории клеточных технологий, отдел экспериментальной медицины

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, стр. 6

Mrs. Evgeniya O. Krivkina, Junior Researcher Laboratory of Cell Technologies, Department of Experimental Medicine

6, Academician Barbarash blvd., Kemerovo, 650002

https://orcid.org/0009-0005-0683-991XТоргунаковаЕ. А.TorgunakovaE. A.

Торгунакова Евгения Александровна, младший научный сотрудник лаборатории клеточных технологий, отдел экспериментальной медицины

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, стр. 6

Mrs. Evgeniya A. Torgunakova, Junior Researcher Laboratory of Cell Technologies, Department of Experimental Medicine

6, Academician Barbarash blvd., Kemerovo, 650002

https://orcid.org/0000-0002-8874-0788АнтоноваЛ. В.AntonovaL. V.

Антонова Лариса Валерьевна, доктор медицинских наук, заведующая лабораторией клеточных технологий, отдел экспериментальной медицины

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, стр. 6

Prof. Larisa V. Antonova, MD, DSc, Head of the Laboratory of Cell Technologies, Department of Experimental Medicine

6, Academician Barbarash blvd., Kemerovo, 650002

ФГБНУ «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний»РоссияResearch Institute for Complex Issues of Cardiovascular DiseasesRussian Federation202425122024946881Copyright © Матвеева В.Г., Резвова М.А., Глушкова Т.В., Сенокосова Е.А., Ханова М.Ю., Кривкина Е.О., Торгунакова Е.А., Антонова Л.В., 20242024Матвеева В.Г., Резвова М.А., Глушкова Т.В., Сенокосова Е.А., Ханова М.Ю., Кривкина Е.О., Торгунакова Е.А., Антонова Л.В.Matveeva V.G., Rezvova M.A., Glushkova T.V., Senokosova E.A., Khanova M.Y., Krivkina E.O., Torgunakova E.A., Antonova L.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fcm.kemsmu.ru/jour/article/view/945Цель

Цель. В эксперименте in vitro изучить свойства IPN-гидрогеля фибрин/высокомолекулярный поливиниловый спирт с увеличенным количеством криоциклов и концентрации фибриногена для оценки перспективы его использования при создании протезов сосудов малого диаметра.

Материалы и методы

Материалы и методы. Изготовили однокомпонентные образцы гидрогелей фибрина, содержащего 40 и 50 мг/мл фибриногена; полимер поливинилового спирта (ПВС) (146000−186000 Да) 30 и 40 мг/мл; соответствующие группы образцов IPN-гидрогелей (фибрин 40 мг/мл и ПВС 30 мг/мл (Ф40П30), фибрин 40 мг/мл и ПВС 40 мг/мл (Ф40П40), фибрин 50 мг/мл и ПВС 30 мг/мл (Ф50П30), фибрин 50 мг/мл и ПВС 40 мг/мл (Ф50П40)). Полимеризацию ПВС проводили при 5 криоциклах. Исследовали структурные свойства образцов методом СЭМ, гистологической окраски срезов гематоксилином и эозином, ИК-спектроскопией. Биологические свойства оценивали по жизнеспособности, плотности заселения и метаболической активности клеток на поверхности материалов. Физико-механические свойства образцов характеризовали прочностью на разрыв, относительным удлинением и модулем Юнга. Гемосовместимость материалов − контактной активацией тромбоцитов, процентом гемолиза эритроцитов.

Результаты

Результаты. Методом последовательной полимеризации фибрина и высокомолекулярного ПВС получен IPN-гидрогель с равномерным распределением компонентов в толще и нижней поверхности, но преимущественным представлением ПВС в верхней части. Структурная неоднородность отразилась на биологических свойствах. Нижняя поверхность IPN-гидрогелей демонстрировала лучшую биосовместимость, по сравнению с верхней. Прочность IPN-гидрогелей повышалась при увеличении концентрации, молекулярной массы ПВС и количества криоциклов, однако показатели не достигали a. mammaria. Гидрогели не вызывали гемолиз и контактную активацию тромбоцитов.

Заключение

Заключение. Техникой последовательной полимеризации фибрина и высокомолекулярного ПВС при пяти криоциклах получен двусторонний IPN-гидрогель с высокой биосовмес- тимостью на нижней стороне и улучшенной прочностью. Однако физико-механические характеристики IPN-гидрогеля уступали a. mammaria, что требует новых решений.

Aim

Aim. In an in vitro experiment, to study the properties of the IPN hydrogel fibrin/high-molecular polyvinyl alcohol with an increased number of cryocycles and fibrinogen concentrations to assess the prospects for its use in the creation of small-diameter vascular prostheses.

Materials and Methods

Materials and Methods. One-component samples of fibrin hydrogels containing 40 and 50 mg/ ml fibrinogen, PVA polymer (146000-186000 Da) 30 and 40 mg/ml and the corresponding groups of IPN hydrogel samples were polymerized: fibrin 40 mg/ml and PVA 30 mg/ml (F40P30), fibrin 40 mg/ ml and PVA 40 mg/ml (F40P40), fibrin 50 mg/ml and PVA 30 mg/ml (F50P30), fibrin 50 mg/ml and PVA 40 mg/ml (F50P40). PVA was cryostructured for 5 cycles.

The structural properties of the samples were studied using SEM, histological staining of sections with hematoxylin and eosin, and IR spectroscopy. Biological properties were assessed by the viability, number and metabolic activity of cells colonized on the materials. The physical and mechanical properties of the samples were characterized by tensile strength, relative elongation and Young's modulus. The hemocompatibility of materials was assessed by contact activation of platelets and the percentage of erythrocyte hemolysis.

Results

Results. Sequential polymerization of fibrin and high-molecular-weight PVA produced an IPN hydrogel with a uniform distribution of components in the thickness and lower surface, but a predominant presence of PVA on the upper surface. The structural heterogeneity of the material affected the biological properties. The lower surface of IPN hydrogels showed higher biocompatibility compared to the upper surface.

The strength of IPN hydrogels increased with increasing PVA molecular weight, concentration and number of cryocycles, but did not reach a. mammaria. Hydrogels do not hemolyze red blood cells and do not activate platelets.

Conclusion

Conclusion. Using a technique of sequential polymerization of fibrin and high molecular weight PVA over five cryocycles, a double-sided IPN hydrogel with high biocompatibility on the lower side and improved strength was obtained. However, the physical and mechanical characteristics of IPN hydrogel were weaker than a. mammaria, which requires new solutions.

IPN-гидрогелипротезы сосудов малого диаметрапрочностьбиосовместимостьфибринполивиниловый спиртIPN hydrogelssmall-diameter vessel prosthesesstrengthbiocompatibilityfibrinpolyvinyl alcoholИсследование 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».The study was carried out on the fundamental topic of the Research Institute of CPSSZ No. 0419-2022-0001 «Molecular, cellular and biomechanical mechanisms of the pathogenesis of cardiovascular diseases in the development of new methods of treating diseases of the cardiovascular system based on personalized pharmacotherapy, the introduction of minimally invasive medical devices, biomaterials and tissue-engineered implants».ReferencesSuamte L., Tirkey A., Barman J., Jayasekhar Babu P. Various manufacturing methods and ideal properties of scaffolds for tissue engineering applications. Smart Materials in Manufacturing. 2023;1:100011. https://doi.org/10.1016/j.smmf.2022.100011Suamte L, Tirkey A, Barman J, Jayasekhar Babu P. Various manufacturing methods and ideal properties of scaffolds for tissue engineering applications. Smart Materials in Manufacturing. 2023;1:100011. https://doi.org/10.1016/j.smmf.2022.100011Crosby C.O., Stern B., Kalkunte N., Pedahzur S., Ramesh S., Zoldan J. Interpenetrating polymer network hydrogels as bioactive scaffolds for tissue engineering. Rev. Chem. Eng. 2022;38(3):347- 361. https://doi.org/10.1515/revce-2020-0039Crosby CO, Stern B, Kalkunte N, Pedahzur S, Ramesh S, Zoldan J. Interpenetrating polymer network hydrogels as bioactive scaffolds for tissue engineering. Rev Chem Eng. 2022;38(3):347-361. https://doi.org/10.1515/revce-2020-0039Valdoz J.C., Johnson B.C., Jacobs D.J., Franks N.A., Dodson E.L., Sanders C., Cribbset C. G., Ryal P. V. The ECM: To Scaffold, or Not to Scaffold, That Is the Question. Int. J. Mol. Sci. 2021;22(23):12690. https://doi.org/10.3390/ijms222312690Valdoz JC, Johnson BC, Jacobs DJ, Franks NA, Dodson EL, Sanders C, Cribbset CG, Ryal PV. The ECM: To Scaffold, or Not to Scaffold, That Is the Question. Int J Mol Sci. 2021;22(23):12690. https://doi.org/10.3390/ijms222312690Матвеева 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/10.15825/1995-1191-2020-1-196-208Matveeva VG, Khanova MU, Antonova LV, Barbarash LS. Fibrin – a promising material for vascular tissue engineering. Russian Journal of Transplantology and Artificial Organs. 2020;22(1):196-208. (In Russian). https://doi.org/10.15825/1995-1191-2020-1-196-208Park C.H., Woo K.M. Fibrin-Based Biomaterial Applications in Tissue Engineering and Regenerative Medicine. Adv. Exp. Med. Biol. 2018;1064:253-261. https://doi.org/10.1007/978-981-13-0445-3_16Park CH, Woo KM. Fibrin-Based Biomaterial Applications in Tissue Engineering and Regenerative Medicine. Adv Exp Med Biol. 2018;1064:253-261. https://doi.org/10.1007/978-981-13-0445-3_16Bidault L., Deneufchatel M., Vancaeyzeele C., Fichet O., LarretaGarde V. Self-supported fibrin-polyvinyl alcohol interpenetrating polymer networks: an easily handled and rehydratable biomaterial. Biomacromolecules. 2013;14(11):3870-3879. https://doi.org/10.1021/bm400991kBidault 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. https://doi.org/10.1021/bm400991k. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24050436/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.2015.02.014Bidault 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.2015.02.014Матвеева В.Г., Резвова М.А., Глушкова Т.В., Сергеева А.В., Кривкина Е.О., Антонова Л.В., Барбараш Л.С. Структура и свойства гидрогеля с взаимопроникающей полимерной сетью фибрин/поливиниловый спирт как модифицирующего покрытия для протезов сосудов малого калибра. Патология кровообращения и кардиохирургия. 2023;27(2):74-86. https://doi.org/10.21688/1681-3472-2023-2-74-86Matveeva VG, Rezvova MA, Glushkova TV, Sergeeva AV, Krivkina EO, Antonova LV, Barbarash LS. Structure and properties of a hydrogel with an interpenetrating polymer network fibrin/polyvinyl alcohol as a modifying coating for small-caliber vessel prostheses. Circulatory pathology and cardiac surgery. 2023;27(2):74-86. (In Russian). https://doi.org/10.21688/1681-3472-2023-2-74-86Антонова Л.В., Матвеева В.Г., Ханова М.Ю., Барбараш О.Л., Барбараш Л.С. Способ изготовления аутологичного фибрина с регулируемым содержанием фибриногена без использования экзогенного тромбина. Патент РФ на изобретение RU №2758260 C1. 27.10.2021. Доступно по: https://elibrary.ru/download/elibrary_47122803_25649697.PDFAntonova LV, Matveeva VG, Khanova MYu, Barbarash OL, Barbarash LS. Method for the manufacture of autologous fibrin with controlled fibrinogen content without the use of exogenous thrombin. Patent RU №2758260 C1. 27.10.2021 (In Russian). Available at: https://elibrary.ru/download/elibrary_47122803_25649697.PDF. Accessed: 04.11.2024.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;9:15475. https://doi.org/10.1038/s41598-019-51932-0Blat A, Dybas J, Chrabaszcz K, Bulat K, Jasztal A, Kaczmarska M, Pulyk R, Popiela T, Slowik A, Malek K, Adamski MG, Marzec KM. FTIR, Raman and AFM characterization of the clinically valid biochemical parameters of the thrombi in acute ischemic stroke. Sci Rep. 2019;9:15475. https://doi.org/10.1038/s41598-019-51932-0Sa’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. 2021;13:2459. https://doi.org/10.3390/polym13152459Sa’adon S, Ansari MNM, Razak SIA, Anand JS, Nayan NHM, Ismail AE, Khan MUA, Haider A. Preparation and Physicochemical Characterization of a Diclofenac Sodium-Dual Layer Polyvinyl Alcohol Patch. Polymers. 2021;13:2459. https://doi.org/10.3390/polym13152459Choo 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. https://doi.org/10.3390/ma9080644Choo K, Ching YC, Chuah CH, Julai S, Liou NS. Preparation and Characterization of Polyvinyl Alcohol-Chitosan Composite Films Reinforced with Cellulose Nanofiber. Materials (Basel). 2016;9(8):644. https://doi.org/10.3390/ma9080644Dattola E., Parrotta E.I., Scalise S., Perozziello G., Limongi T., Candeloro P., Coluccio M.L., Maletta C., Bruno L., De Angelis M. T., Santamaria G., Mollace V., Lamanna E., Fabrizio E. Di, Cuda G. Development of 3D PVA scaffolds for cardiac tissue engineering and cell screening applications. RSC Adv. 2019;9(8):4246-4257. https://doi.org/10.1039/c8ra08187eDattola E, Parrotta EI, Scalise S, Perozziello G, Limongi T, Candeloro P, Coluccio ML, Maletta C, Bruno L, De Angelis MT, Santamaria G, Mollace V, Lamanna E, Fabrizio EDi, Cuda G. Development of 3D PVA scaffolds for cardiac tissue engineering and cell screening applications. RSC Adv. 2019;9(8):4246-4257. https://doi.org/10.1039/c8ra08187eSanz-Horta R., Matesanz A., Gallardo A., Reinecke H., Jorcano J.L., Acedo P., Velasco D., Elvira C. Technological advances in fibrin for tissue engineering. J. Tissue Eng. 2023;14:20417314231190288. https://doi.org/10.1177/20417314231190288Sanz-Horta R, Matesanz A, Gallardo A, Reinecke H, Jorcano JL, Acedo P, Velasco D, Elvira C. Technological advances in fibrin for tissue engineering. J Tissue Eng. 2023;14:20417314231190288. https://doi.org/10.1177/20417314231190288Jin S.G. Production and application of biomaterials based on polyvinyl alcohol (PVA) as wound dressing. Chem. Asian. J. 2022;17:e202200595. https://doi.org/10.1002/asia.202200595Jin SG. Production and application of biomaterials based on polyvinyl alcohol (PVA) as wound dressing. Chem Asian J. 2022;17:e202200595. https://doi.org/10.1002/asia.202200595Mariani E., Lisignoli G., Borzì R.M., Pulsatelli L. Biomaterials: Foreign bodies or tuners for the immune response? Int. J. Mol. Sci. 2019;20(3):636. https://doi.org/10.3390/ijms20030636Mariani E, Lisignoli G, Borzì RM, Pulsatelli L. Biomaterials: Foreign bodies or tuners for the immune response? Int J Mol Sci. 2019;20(3):636. https://doi.org/10.3390/ijms20030636Micol L.A., Ananta M., Engelhardt E.M., Mudera V.C., Brown R.A., Hubbell J.A., Frey P. High-density collagen gel tubes as a matrix for primary human bladder smooth muscle cells. Biomaterials. 2011;32(6):1543-1548. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2010.10.028Micol LA, Ananta M, Engelhardt EM, Mudera VC, Brown RA, Hubbell JA, Frey P. High-density collagen gel tubes as a matrix for primary human bladder smooth muscle cells. Biomaterials. 2011;32(6):1543- 1548. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2010.10.028Levina E.M., Kharitonova M.A., Rovensky Y.A., Vasiliev J.M. Cytoskeletal control of fibroblast length: experiments with linear strips of substrate. J. Cell. Sci. 2001;114(Pt 23):4335-4341. https://doi.org/10.1242/jcs.114.23.4Levina EM, Kharitonova MA, Rovensky YA, Vasiliev JM. Cytoskeletal control of fibroblast length: experiments with linear strips of substrate. J Cell Sci. 2001;114(Pt 23):4335-4341. https://doi.org/10.1242/jcs.114.23.4335.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.