Характеристика интерпенетрирующих гидрогелей на основе фибрина и высокомолекулярного поливинилового спирта в перспективе тканевой сосудистой инженерии

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. 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. 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. 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.

1. Suamte 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.2022.100011

2. Crosby 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-2020-0039

3. Valdoz 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/ijms222312690

4. 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

5. Park 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_16

6. Bidault 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/bm400991k

7. 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

8. Матвеева 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/10.21688/1681-3472-2023-2-74-86

9. Антонова 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.PDF

10. 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/s41598-019-51932-0

11. 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. 2021;13:2459. https://doi.org/10.3390/polym13152459

12. 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. https://doi.org/10.3390/ma9080644

13. Dattola 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/c8ra08187e

14. Sanz-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/10.1177/20417314231190288

15. Jin 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.202200595

16. Mariani 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/ijms20030636

17. Micol 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.2010.10.028

18. Levina 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.114.23.4