Углерод-углеродный композиционный материал как потенциальная основа для ортопедических имплантатов

Цель. Определение цитосовместимости углерод-углеродных композиционных материалов, а также возможность их импрегнации ванкомицином.

Материалы и методы. В исследование включены образцы углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ). Цитосовместимость блоков УУКМ оценивали на культуре эукариотических клеток линии Vero. Биопленки S.aureus ATCC 29213 (MSSA), S.aureus ATCC 43300 (MRSA), S.epidermidis ATCC 12228 (MSSE), S.epidermidis ATCC 29887 (MRSE) формировали путем погружения стерильных тестируемых образцов УУКМ в питательную среду с бактериями. После суточной инкубации образцы промывали, помещали в УЗ-мойку, а затем выполняли посев соникационной жидкости методом секторных посевов. Для насыщения антибиотиком блоки УУКМ помещали в раствор ванкомицина, затем лиофилизировали при отрицательном давлении с постепенным нагревом. Наличие антимикробной активности полученных блоков изучали в отношении тех же эталонных культур стафилококков чашечным методом. Динамику элюции ванкомицина из УУКМ выполняли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии.

Результаты. Анализ цитосовместимости полученных образцов УУКМ показал, что клетками Vero в присутствии тестируемого материала сохраняют свою жизнеспособность. С учетом высокопористой структуры УУКМ с наличием значительного количества пор различного диаметра можно сделать предположение о возможной хорошей остеоинтеграции данного материала. Определено, что на образцах без дополнительной импрегнации антибактериальным препаратом эталонные штаммы стафилококков способны сформировать биопленку с достаточным для инициации инфекционного процесса количеством бактериальных клеток. Длительность антимикробной активности импрегнированных антибиотиком образцов в отношении эталонных штаммов стафилококков составила максимально 3 суток. Установлено, что подавляющее количество антибиотика элюировало в инкубационную среду из УУКМ в первые двое суток.

Заключение. Таким образом, цитосовместимость углерод-углеродного композиционного материала с эукариотическими клетками в совокупности с его пористостью и возможностью импрегнации образцов ванкомицином, позволяют считать перспективной дальнейшую разработку методики получения имплантатов с антимикробной активностью с целью их применения в клинической практике в условиях инфекционного процесса, а также рассматривать УУКМ как основу для получения тканеинженерных конструкций.

1. Хрульков А.В., Тимошков П.Н., Язвенко Л.Н., Усачева М.Н. Композиционные материалы медико-биологического назначения. Новости материаловедения. Наука и техника. 2018;3-4 (30): 33−40.

2. Беляков М.В., Гусева В.Н., Мушкин А.Ю., Виноградова Т.И., Маничева О.А., Гордеев С.К. Использование многофункциональных углеродных имплантатов в хирургии воспалительных заболеваний позвоночника. Хирургия позвоночника. 2010;1:57−61.

3. Sedghizadeh P.P., Cherian P., Roshandel S., Tjokro N., Chen C., Junka A.F., Hu E., Neighbors J., Pawlak J., Russell R.G.G., McKenna C.E., Ebetino F.H., Sun S., Sodagar E. Real-Time ImpedanceBased Monitoring of the Growth and Inhibition of Osteomyelitis Biofilm Pathogen Staphylococcus aureus Treated with Novel Bisphosphonate-Fluoroquinolone Antimicrobial Conjugates. Int. J. Mol. Sci. 2023;24(3):1985. https://doi.org/10.3390/ijms24031985

4. Masters E.A., Trombetta R.P., de Mesy Bentley K.L., Boyce B.F., Gill A.L., Gill S.R., Nishitani K., Ishikawa M., Morita Y., Ito H., Bello-Irizarry S.N., Ninomiya M., Brodell J.D. Jr., Lee C.C., Hao S.P., Oh I., Xie C., Awad H.A., Daiss J.L., Owen J.R., Kates S.L., Schwarz E.M., Muthukrishnan G. Evolving concepts in bone infection: redefining «biofilm», «acute vs. chronic osteomyelitis», «the immune proteome» and «local antibiotic therapy». Bone Res. 2019;15(7):20. https://doi.org/10.1038/s41413-019-0061-z

5. Fantoni M., Taccari F., Giovannenze F. Systemic antibiotic treatment of chronic osteomyelitis in adults. Eur. Rev. Med. Pharmacol. Sci. 2019;23(2 Suppl):258−270. https://doi.org/10.26355/eurrev_201904_17500

6. Dorovskikh SI, Vikulova ES, Sergeevichev DS, Guselnikova TY,Zheravin AA, Nasimov DA, Vasilieva MB, Chepeleva EV, Saprykin AI, Basova TV, Morozova NB. Biological Studies of New Implant Materials Based on Carbon and Polymer Carriers with Film Heterostructures Containing Noble Metals. Biomedicines.2022;10(9):2230. https://doi.org/10.3390/biomedicines10092230.

7. Díez-Pascual A.M. State of the Art in the Antibacterial and Antiviral Applications of Carbon-Based Polymeric Nanocomposites. Int. J. Mol. Sci. 2021;22(19):10511. https://doi.org/10.3390/ijms221910511

8. Синани И.Л., Щурик А.Г., Осоргин Ю.К., Бушуев В.М. Углеродуглеродные материалы для ортопедии и травматологии. Российский журнал биомеханики. 2012;2(56):74−82.

9. Самодай В.Г., Колябин Д.С., Борисов А.К., Пономарев П.Н. Использование микропористых углеродных имплантатов для лечения хронического посттравматического остеомиелита в эксперименте. Кафедра травматологии и ортопедии. 2019;3(37):23−26. https://doi.org/10.17238/issn2226-2016.2019.3.23-26

10. Жуковский В.А., Хохлова В.А., Анущенко Т.Ю., Михалчан А.А., Асташкина О.В. Серебросодержащие антимикробные материалы на основе углеродных и поливинилиденфторидных волокон. Российский химический журнал. 2011;3(55):24−27.

11. Dubey A., Vahabi H., Kumaravel V. Antimicrobial and Biodegradable 3D Printed Scaffolds for Orthopedic Infections. ACS Biomater. Sci. Eng. 2023;9(7):4020-4044. https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.3c00115

12. Божкова С.А., Гордина Е.М., Марков М.А., Афанасьев А.В., Артюх В.А., Малафеев К.В., Иванькова Е.М. Влияние комбинации ванкомицина с препаратом серебра на длительность антимикробной активности костного цемента и формирование биопленки штаммом MRSA. Травматология и ортопедия России. 2021;27(2):54−64. https://doi.org/10.21823/2311-2905-2021-27-2-54-64

13. Bosi S., Fabbro A., Ballerini L., Prato M. Carbon nanotubes: a promise for nerve tissue engineering? Nanotechnology Reviews. 2013;2(1):47−57. https://doi.org/10.1515/ntrev-2012-0067

14. Bajaj P., Rivera J.A., Marchwiany D., Solovyeva V., Bashir R. Graphene-based patterning and differentiation of C2C12 myoblasts. Adv. Healthc. Mater. 2014;3(7):995−1000. https://doi.org/10.1002/adhm.201300550

15. Paretsis N.F., Gonçalves Junior V., Hazarbassanov N.G.T. de Q, Marcondes G.M., Plepis A.M. de G., Martins V. da C.A., AranaChavez V.E., Fülber J., Zoppa A. L. do V. de. In vitro evaluation of hydroxyapatite, chitosan, and carbon nanotube composite biomaterial to support bone healing. Braz. J. Vet. Res. Anim. Sci. 2021;58:e179885. https://doi.org/10.11606/issn.1678-4456.bjvras.2021.179885

16. Ryoo S.R., Kim Y.K., Kim M.H., Min D.H. Behaviors of NIH3T3 Fibroblasts on Graphene/Carbon Nanotubes: Proliferation, Focal Adhesion, and Gene Transfection Studies. ACS Nano. 2010;11(4):6587−6598. https://doi.org/10.1021/nn1018279

17. Imaninezhad M., Schober J., Griggs D., Ruminski P., Kuljanishvili I., Zustiak S.P. Cell Attachment and Spreading on Carbon Nanotubes Is Facilitated by Integrin Binding. Front. Bioeng. Biotechnol. 2018;6:129. https://doi.org/10.3389/fbioe.2018.00129.4

18. Chen Y., Xiaoming L. The Utilization of Carbon-Based Nanomaterials in Bone Tissue Regeneration and Engineering: Respective Featured Applications and Future Prospects. Med. Nov. Technol. Devices. 2022;16(5):100168. https://doi.org/10.1016/j.medntd.2022.100168