Максим Валерьевич Стогов – доктор биологических наук, доцент, руководитель отдела
Maksim V. Stogov – Doctor of Biological Sciences, Associate Professor, Head of Department
Елена Анатольевна Киреева – кандидат биологических наук, старший научный сотрудник
Elena A. Kireeva – Candidate of Biological Sciences, Senior Researcher
Глеб Евгеньевич Дубиненко – младший научный сотрудник
Gleb E. Dubinenko – junior researcher
Сергей Иванович Твердохлебов – кандидат физико-математических наук, доцент
Sergey I. Tverdokhlebov – Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor
Введение. Изучение биологических характеристик биодеградируемых материалов на основе полилактида (PLLA) с включениями гидроксиапатита (НА) является важной задачей для определения показаний для их применения в клинической практике.
Цель. Изучение кинетики высвобождения кальция и фосфата из PLLA в зависимости от кристалличности структуры полимера.
Материалы и методы. В экспериментах in vitro исследовали 4 вида материалов. Материалы 1 и 3 на основе кристаллического (после отжига) PLLA содержали 25 % и 50 % массовой доли HA соответственно. Материалы 2 и 4 на основе преимущественно аморфного (без отжига) PLLA содержали 25 % и 50 % массовой доли HA соответственно. В каждой группе исследовали по 6 образцов. Образцы инкубировали в водной среде при температуре 37 °С в течение 52 недель. Скорость деградации PLLA оценивали по накоплению в гидролизате его мономера – лактата. Для оценки скорости гидролиза НА в гидролизате определяли концентрацию ионов кальция и ионов фосфата. Степень кристалличности полимерной матрицы оценивали методом дифференциальной сканирующей калориметрии.
Результаты. Гидролиз PLLA и НА в образцах всех материалов происходил ступенчато. Вначале гидролизовался PLLA, затем НА. На момент полного гидролиза PLLA количество гидролизуемого НА составляло не более 15 %. Высвобождение ионов кальция из тестируемых материалов начиналось с шестой недели инкубации для всех образцов, фосфат-ионов – с третьей недели. Суммарное количество высвобожденных ионов кальция и фосфат-ионов снижалось в ряду: материал 3 > материал 4 > материал 1 > материал 2. Ионы кальция в гидролизатах всех образцов обнаруживались до 42 недели инкубации, фосфат-ионы – до 52-й недели.
Обсуждение. Исследование показало, что степень кристалличности PLLA влияла на кинетику высвобождения НА из образцов исследуемых материалов. С повышением кристалличности растет скорость гидролиза НА. Такое наблюдение можно объяснить тем, что полимер в кристаллической фазе подвергался гидролизу быстрее, чем в аморфной.
Заключение. Повышение кристалличности PLLA за счет его отжига повышает скорость гидролиза НА, включенного в PLLA-матрицу. Изменение содержания НА и степени кристалличности PLLA позволяет регулировать биологические характеристики материалов состава PLLA/HA.
Introduction Assessment of biological characteristics of polylactide/hydroxyapatite (PLLA/HA) biodegradable materials is requiered to specify indications for the use of PLLA/HA composite implants in clinical practice.
The present study was aimed to measure the kinetics of calcium and phosphate release from PLLA and its dependence on polymer structure crystallinity.
Material and methods Four types of biodegradable materials were studied in vitro. Samples of type 1 and type 3 made of crystalline PLLA after annealing contained 25 % and 50 % of HA mass fraction, respectively. Samples of type 2 and type 4 made of amorphous PLLA (without annealing) contained 25 % and 50 % of HA mass fraction, respectively. In every group, 6 samples were tested. The samples were incubated in an aqueous medium at 37 °C for 52 weeks. The rate of PLLA degradation was assessed by the accumulation of lactate monomer in the hydrolysate. The concentrations of calcium ions and phosphate ions were determined for assessment the HA hydrolysis rate. The degree of crystallinity of the polymer matrix was evaluated by scanning calorimetry.
Results The hydrolysis of PLLA and HA in the samples was not simultaneous. The PLLA was hydrolyzed first followed by HA hydrolysis. By the moment of complete hydrolysis of PLLA, there was only 15 % of hydrolyzed HA. The release of calcium ions occurred from the sixth week of incubation for all tested samples, that of phosphate ions from the third week. The total amount of the released calcium ions and phosphate ions decreased in the line: material 3 > material 4 > material 1 > material 2. Calcium ions in the hydrolysates were detected up to 42 weeks of incubation, phosphate ions up to the 52nd week.
Conclusion Higher crystallinity of PLLA achieved by annealing results in increased rate of hydrolysis of HA from PLLA matrix. Biological activity of PLLA/HA implants can be determined by degree of polymer crystallinity and saturation with HA.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.