Нанесение гидроксиапатита на поверхность трёхмерных скаффолдов из ε-поликапролактона методом обработки в смеси «хороший/плохой» растворитель

Введение. За последние десятилетия было предложено множество новых материалов и технологий для инженерии костной ткани. Среди перспективных материалов можно отметить полимерные биорезорбируемые скаффолды для хирургического лечения костных дефектов, однако отсутствие биоактивных свойств ограничивает их применение в клинической практике.

Цель. Применение обработки поверхности скаффолдов из поликапролактона смесью «хороший/плохой» растворитель в качестве метода закрепления на поверхности скаффолдов биоактивных частиц гидроксиапатита и исследование физико-химических свойств скаффолдов.

Материалы и методы. В работе методом 3D-печати были изготовлены биомиметические скаффолды из поликапролактона. Скаффолды были обработаны в смеси «хороший/плохой» растворитель, что позволило закрепить на поверхности скаффолдов частицы гидроксиапатита.

Результаты. Было показано, что обработка смесью толуола и этанола приводит к равномерному нанесению частиц гидроксиапатита на поверхность скаффолдов из поликапролактона при сохранении его пористой структуры. Количество гидроксиапатита на поверхности скаффолдов составило 5,7 ± 0,8 мас. %.

Обсуждение. Предлагаемый метод обработки обеспечивает равномерное покрытие внешней и внутренней поверхностей скаффолдов из поликапролактона с сохранением их пористой структуры. Результаты инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье показывают, что обработка смесью «хороший/ плохой» растворитель не изменяет химической структуры скаффолдов из поликапролактона.

Заключение. В работе был успешно реализован метод нанесения частиц гидроксиапатита на 3D-скаффолды из поликапролактона с использованием обработки в смеси «хороший/плохой» растворитель. В результате обработки скаффолды сохранили свою форму и взаимосвязанную пористую структуру, а адсорбированный на всей их поверхности гидроксиапатит представлял собой равномерно распределённый слой частиц.

1. Wubneh A, Tsekoura EK, Ayranci C, Uludağ H. Current state of fabrication technologies and materials for bone tissue engineering. Acta Biomater. 2018;80:1-30. doi: 10.1016/j.actbio.2018.09.031

2. Bharadwaz A, Jayasuriya AC. Recent trends in the application of widely used natural and synthetic polymer nanocomposites in bone tissue regeneration. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2020;110:110698. doi: 10.1016/j.msec.2020.110698

3. Cheah CW, Al-Namnam NM, Lau MN, et al. Synthetic Material for Bone, Periodontal, and Dental Tissue Regeneration: Where Are We Now, and Where Are We Heading Next? Materials (Basel). 2021;14(20):6123. doi: 10.3390/ma14206123

4. Yang X, Wang Y, Zhou Y, et al. The Application of Polycaprolactone in Three-Dimensional Printing Scaffolds for Bone Tissue Engineering. Polymers (Basel). 2021;13(16):2754. doi: 10.3390/polym13162754

5. Gil-Castell O, Badia JD, Ontoria-Oviedo I, et al. In vitro validation of biomedical polyester-based scaffolds: Poly(lactide-co-glycolide) as model-case. Polymer Testing. 2018;66:256-267. doi: 10.1016/j.polymertesting.2018.01.027

6. Fu Z, Cui J, Zhao B, et al. An overview of polyester/hydroxyapatite composites for bone tissue repairing. J Orthop Translat. 2021;28:118-130. doi: 10.1016/j.jot.2021.02.005

7. Li Y, Liao C, Tjong SC. Synthetic Biodegradable Aliphatic Polyester Nanocomposites Reinforced with Nanohydroxyapatite and/or Graphene Oxide for Bone Tissue Engineering Applications. Nanomaterials (Basel). 2019 A;9(4):590. doi: 10.3390/nano9040590

8. Gritsch L., Perrin E., Chenal J.M., et al. Combining bioresorbable polyesters and bioactive glasses: Orthopedic applications of composite implants and bone tissue engineering scaffolds. Appl Mater Today. 2021;22(13):100923. doi: 10.1016/j.apmt.2020.100923

9. Gong L, Li J, Zhang J, et al. An interleukin-4-loaded bi-layer 3D printed scaffold promotes osteochondral regeneration. Acta Biomater. 2020;117:246- 260. doi: 10.1016/j.actbio.2020.09.039

10. Tian L, Zhang Z, Tian B, et al. Study on antibacterial properties and cytocompatibility of EPL coated 3D printed PCL/HA composite scaffolds. RSC Adv. 2020;10(8):4805-4816. doi: 10.1039/c9ra10275b

11. Cho YS, Quan M, Lee SH, et al. Assessment of osteogenesis for 3D-printed polycaprolactone/hydroxyapatite composite scaffold with enhanced exposure of hydroxyapatite using rat calvarial defect model. Compos Sci Technol. 2019;184:107844. doi: 10.1016/j.compscitech.2019.107844

12. Bittner SM, Smith BT, Diaz-Gomez L, et al. Fabrication and mechanical characterization of 3D printed vertical uniform and gradient scaffolds for bone and osteochondral tissue engineering. Acta Biomater. 2019;90:37-48. doi: 10.1016/j.actbio.2019.03.041

13. Gerdes S, Mostafavi A, Ramesh S, et al. Process-Structure-Quality Relationships of Three-Dimensional Printed Poly(Caprolactone)-Hydroxyapatite Scaffolds. Tissue Eng Part A. 2020;26(5-6):279-291. doi: 10.1089/ten.TEA.2019.0237

14. Eosoly S, Vrana NE, Lohfeld S, et al. Interaction of cell culture with composition effects on the mechanical properties of polycaprolactone-hydroxyapatite scaffolds fabricated via selective laser sintering (SLS). Mater Sci Eng: C. 2012;32(8):2250-2257. doi: 10.1016/j.msec.2012.06.011

15. Suo H, Chen Y, Liu J, et al. 3D printing of biphasic osteochondral scaffold with sintered hydroxyapatite and polycaprolactone. J Mater Sci. 2021;56:16623–16633. doi: 10.1007/s10853-021-06229-x

16. Cho YS, Quan M, Kang NU, et al. Strategy for enhancing mechanical properties and bone regeneration of 3D polycaprolactone kagome scaffold: Nano hydroxyapatite composite and its exposure. Eur Polym J. 2020;134:109814. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2020.109814.

17. Gómez-Lizárraga KK, Flores-Morales C, Del Prado-Audelo ML, et al. Polycaprolactone- and polycaprolactone/ceramic-based 3D-bioplotted porous scaffolds for bone regeneration: A comparative study. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2017;79:326-335. doi: 10.1016/j.msec.2017.05.003

18. Liao HT, Lee MY, Tsai WW, et al. Osteogenesis of adipose-derived stem cells on polycaprolactone-β-tricalcium phosphate scaffold fabricated via selective laser sintering and surface coating with collagen type I. J Tissue Eng Regen Med. 2016;10(10):E337-E353. doi: 10.1002/term.1811

19. Arif ZU, Khalid MY, Noroozi R, et al. Recent advances in 3D-printed polylactide and polycaprolactone-based biomaterials for tissue engineering applications. Int J Biol Macromol. 2022;218:930-968. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2022.07.140

20. Jaroszewicz J, Idaszek J, Choinska E, et al. Formation of calcium phosphate coatings within polycaprolactone scaffolds by simple, alkaline phosphatase based method. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2019;96:319-328. doi: 10.1016/j.msec.2018.11.027

21. Goreninskii SI, Stankevich KS, Nemoykina AL, et al. A first method for preparation of biodegradable fibrous scaffolds containing iodine on the fibre surfaces. Bull Mater Sci. 2018;41:100. doi: 10.1007/s12034-018-1625-z

22. Elzein T, Nasser-Eddine M, Delaite C, et al. FTIR study of polycaprolactone chain organization at interfaces. J Colloid Interface Sci. 2004;273(2):381-7. doi: 10.1016/j.jcis.2004.02.001

23. Sabino MA. Oxidation of polycaprolactone to induce compatibility with other degradable polyesters. Polym Degrad Stab. 2007;92(6):986–996. doi: 10.1016/j.polymdegradstab.2007.03.010

24. Dias JR, Sousa A, Augusto A, et al. Electrospun Polycaprolactone (PCL) Degradation: An In Vitro and In Vivo Study. Polymers (Basel). 2022;14(16):3397. doi: 10.3390/polym14163397

25. Woodard LN, Grunlan MA. Hydrolytic Degradation and Erosion of Polyester Biomaterials. ACS Macro Lett. 2018;7(8):976-982. doi: 10.1021/ acsmacrolett.8b00424

26. Tobita H. Random degradation of branched polymers. 2. Multiple branches. Macromolecules. 1996;29:3010-3021. doi: 10.1021/ma9509725.

27. Tang Z, Li X, Tan Y, et al. The material and biological characteristics of osteoinductive calcium phosphate ceramics. Regen Biomater. 2018;5(1):43-59. doi: 10.1093/rb/rbx024

28. Dorozhkin SV. Functionalized calcium orthophosphates (CaPO4) and their biomedical applications. J Mater Chem B. 2019;7(47):7471-7489. doi: 10.1039/c9tb01976f

29. Koju N, Sikder P, Ren Y, et al. Biomimetic coating technology for orthopedic implants. Curr Opin Chem Eng. 2017;15:49-55. doi: 10.1016/j. coche.2016.11.005

30. Arcos D, Vallet-Regí M. Substituted hydroxyapatite coatings of bone implants. J Mater Chem B. 2020;8(9):1781-1800. doi: 10.1039/c9tb02710f

31. Rezaei A, Mohammadi MR. In vitro study of hydroxyapatite/polycaprolactone (HA/PCL) nanocomposite synthesized by an in situ sol-gel process. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2013;33(1):390-396. doi: 10.1016/j.msec.2012.09.004

32. Schneider M, Fritzsche N, Puciul-Malinowska A, et al. Surface Etching of 3D Printed Poly(lactic acid) with NaOH: A Systematic Approach. Polymers (Basel). 2020;12(8):1711. doi: 10.3390/polym12081711