Гидрогель с аминофункционализированным биоактивным стеклом для ускоренной регенерации кости

Композитные гидрогели, сочетающие природные полимеры и биоактивное стекло, — перспективные материалы для регенерации костной ткани. Однако их применению мешает плохая совместимость органической и неорганической фаз. В новом исследовании, опубликованном в Science Advances, команда под руководством Синьсинь Дина создала электростатически усиленный гидрогель (CAG) с улучшенной межфазной совместимостью. Для этого они ввели аминофункционализированное биоактивное стекло в матрицу из альгината и геллановой камеди.

По сравнению с обычным биоактивным стеклом, новый гидрогель показал более однородную пористую структуру с размером пор около 200 мкм и оптимальную прочность на сжатие 66 кПа. Материал способствовал фенотипическому переходу макрофагов и повышал экспрессию остеогенных генов в стволовых клетках. В опытах in vivo формирование новой костной ткани ускорилось, а биоминерализация гидрогеля усилилась, что делает его биосовместимым материалом для регенерации кости.

Создание нового гибридного гидрогеля

Учёные разработали электростатически усиленный гидрогель из катионного аминомодифицированного биоактивного стекла (NBG) и анионной геллановой камеди (AG). Совместимость фаз улучшили за счёт электростатических взаимодействий между ними. Для усиления сети геля использовали ионы кальция. В качестве контроля создали материал (BAG) из немодифицированного биоактивного стекла (BG) и геллановой камеди.

Целью было создание самособирающейся гелевой сети с улучшенными тиксотропными и самовосстанавливающимися свойствами. Состав и свойства гидрогелей изучали с помощью РФЭС-спектроскопии и измерения дзета-потенциала, что подтвердило наличие электростатических взаимодействий и привитых аминогрупп на NBG.

Анализ структуры и физико-химических свойств

С помощью ИК-Фурье спектроскопии и рентгеноструктурного анализа изучили три типа материалов. Сканирующая электронная микроскопия показала морфологию частиц BG и NBG, а также микропористую структуру гидрогелей. Включение неорганических частиц существенно повлияло на морфологию биоматериалов. Трёхмерная пористая архитектура материалов BAG и CAG оказалась схожей.

Важным свойством гидрогелей является набухание, которое способствует обмену веществами. Включение биоактивного стекла значительно снизило степень набухания BAG по сравнению с чистой геллановой камедью. Стабильная скорость деградации материала CAG позволяла ему долго сохраняться в остеогенном пространстве после имплантации, что полезно для остеогенеза. Механические свойства изучали с помощью реологии и испытаний на сжатие.

Иммунный ответ и остеогенная дифференцировка клеток in vitro

Учёные исследовали способность к миграции клеток и экспрессию воспалительных генов для определения иммунного ответа на гидрогели. Материалы BAG и CAG показали улучшенную миграцию клеток по сравнению с контролем, что указывает на успешную индукцию иммунного ответа.

Биосовместимость оценивали, культивируя стволовые клетки костного мозга крыс на материалах. Гидрогель CAG способствовал прикреплению и распространению клеток, в то время как BAG не подходил для адгезии клеток. Аминогруппы на поверхности NBG обеспечивали адсорбцию белков, необходимую для миграции клеток.

Костеобразующий потенциал гидрогелей in vivo

Изучив усиленные остеогенные свойства CAG in vitro, команда испытала материал на модели дефекта черепа крысы. После имплантации наблюдался воспалительный ответ и рекрутинг большого числа макрофагов в область дефекта. Иммуногистохимия показала повышенную экспрессию маркеров стволовых клеток в этой области.

Улучшенный рекрутинг клеток связан с морфологией CAG, чьи относительно крупные поры облегчали миграцию клеток и рост кости в области дефекта, ускоряя восстановление. Дальнейшие исследования с помощью микро-КТ, гистологического окрашивания и последовательной флуоресцентной маркировки подтвердили преимущества CAG в регенерации кости среди различных биоматериалов.

Таким образом, улучшенная межфазная биосовместимость между компонентами способствовала созданию усовершенствованных композитных гидрогелей. Эти материалы усиливают регенерацию кости и предлагают удобный подход для разработки новых композитов, пригодных для клинического применения.