Сочетание иммуномодулирующих, ангиогенных и остеогенных способностей в тканеинженерном каркасе из пьезоэлектрического гидрогеля для военной медицины

Военно-медицинские исследования, том 10, номер статьи: 35 (2023) Цитировать эту статью

975 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Большинство травм, связанных с костями, у рядовых военнослужащих вызвано тренировками или случайными травмами. Для установления профилактических мер по снижению всех видов травматизма и повышению боевой эффективности низовых войск необходимо разработать новые стратегии и механизмы, способствующие регенерации костей.

В этом исследовании пористый пьезоэлектрический гидрогелевый костный каркас был изготовлен путем включения наночастиц керамического гидроксиапатита, модифицированного полидофамином (PDA) (PDA-гидроксиапатит, PHA) и модифицированного PDA титаната бария (PDA-BaTiO3, PBT) в хитозан/желатин (Cs). /Гель) матрица. Проанализированы физико-химические свойства каркаса Cs/Gel/PHA с содержанием ПБТ 0–10 мас.%. Были проведены эксперименты на клетках и животных для характеристики иммуномодулирующих, ангиогенных и остеогенных возможностей пьезоэлектрического гидрогелевого каркаса in vitro и in vivo.

Включение BaTiO3 в каркас улучшило его механические свойства и увеличило самогенерируемое электричество. Благодаря эндогенной пьезоэлектрической стимуляции и биоактивным компонентам свежеприготовленные гидрогели Cs/Gel/PHA/PBT проявляли цитосовместимость, а также иммуномодулирующие, ангиогенные и остеогенные свойства; они не только эффективно индуцировали поляризацию макрофагов по фенотипу M2, но также способствовали миграции, образованию трубочек и ангиогенной дифференцировке эндотелиальных клеток пупочной вены человека (HUVEC), а также способствовали миграции, остеодифференцировке и минерализации внеклеточного матрикса (ECM) MC3T3- клетки Е1. Оценки in vivo показали, что эти пьезоэлектрические гидрогели с универсальными возможностями значительно облегчают образование новой кости на модели черепно-мозговой травмы большого размера у крыс. Основной молекулярный механизм можно частично объяснить иммуномодуляцией гидрогелей Cs/Gel/PHA/PBT, как показано с помощью анализа секвенирования транскриптома, а сигнальная ось PI3K/Akt играет важную роль в регуляции поляризации макрофагов M2.

Разработанные здесь пьезоэлектрические гидрогели Cs/Gel/PHA/PBT с благоприятными функциями иммуномодуляции, ангиогенеза и остеогенеза могут быть использованы в качестве замены при повреждениях надкостницы, тем самым предлагая новую стратегию применения пьезоэлектрической стимуляции в инженерии костной ткани для повышения боевой эффективности. в низовых войсках.

Помимо болезней, важными причинами сокращения небоевого состава рядовых войск в невоенных условиях являются тренировочные травмы и случайные травмы. Из всех травм 70,3% были тренировочными, а 29,7% – нетренировочными. В общей сложности 66,6% травм костей были вызваны такими тренировочными и случайными травмами [1, 2]. Для установления профилактических мер по снижению всех видов травматизма и повышению боеспособности низовых войск необходима разработка новых препаратов и средств, способствующих восстановлению костных повреждений [3, 4]. Заживление повреждений костей является очень сложной задачей из-за риска неконтролируемого и стойкого воспаления, нарушения доставки кислорода из-за блокирования остеогенеза/ангиогенеза и перегрузки активными формами кислорода (АФК) [5]. Использование каркасного материала для инженерии костной ткани, который может обеспечить микросреду для регенерации кости, является эффективной альтернативной стратегией поддержки регенерации кости [6]. В настоящее время эффект многих каркасов инженерии костной ткани близок к эффекту аутологичной костной трансплантации [7], и в область инженерии рефрактерной костной ткани внедрено много новых методов, таких как электростимуляция [8]. Однако оптимизация совместного использования этих технологий остается сложной задачей.

Многие сообщения показали, что электрическое микроокружение может играть важную роль в восстановлении повреждений костей [9, 10]. Кроме того, электрические сигналы в организме могут регулировать поведение макрофагов, такое как миграция, фагоцитарная активность и выработка цитокинов [11]. В дополнение к использованию часто используемых биоактивных макромолекул и наномолекул, бурно развивающиеся исследования показали, что многочисленные физиологические сигналы, включая механику, электричество и магнетизм, открывают новые перспективы для регенерации костей, влияя на поведение клеток, связанных с костями, и процессы созревания клеток [12]. . Например, костная ткань сама по себе является пьезоэлектрической и обладает автономным питанием в ответ на механическую активность организма, что может регулировать метаболизм и пролиферацию остеоцитов [13]. Пьезоэлектрические биоматериалы, такие как поли-L-молочная кислота, коллаген, шелк и ниобат калия-натрия, могут создавать физиологическое электрическое микроокружение и играть важную роль в усилении метаболической активности [14, 15]. Важно отметить, что с момента открытия биоэлектрических свойств кости 70 лет назад клиническая электростимуляционная терапия продемонстрировала способность способствовать заживлению костей и спондилодезу [16]. Недавно было показано, что электростимуляция in vitro оказывает положительное влияние на пролиферацию, миграцию и дифференцировку костеобразующих клеток (костных мезенхимальных стволовых клеток, остеопрогениторов, остеобластов и эндотелиальных клеток) [17]. Возможные механизмы, с помощью которых электростимуляция способствует остеогенезу, включают усиление внутриклеточной концентрации Ca2+, связанной с остеобластами, первичное открытие потенциалзависимых Ca2+-каналов и ускорение остеогенеза посредством активации сигнальных путей кальмодулина [18].