Первые результаты создания гибридного гидрогеля на основе фибрина и поливинилового спирта: сравнение с монокомпонентными гидрогелями

Фибрин крайне перспективен в тканевой инженерии. Однако он лишён необходимых физико-механических характеристик при создании материалов для нужд сердечно-сосудистой хирургии. Получение гибридного гидрогеля с взаимопроникающей сетью на основе фибрина и поливинилового спирта может улучшить свойства фибрина, в частности, повысить физико-механические характеристики и уменьшить склонность к усадке.

Цель – выполнить последовательную полимеризацию фибрина и поливинилового спирта для получения гибридного гидрогеля и изучить его свойства в сравнении с монокомпонентными гидрогелями.

Материал и методы. Из периферической крови пациентов методом этаноловой преципитации выделяли фибриноген, к нему добавляли поливиниловый спирт, растворенный в физиологическом растворе. Сначала инициировали полимеризацию фибрина, добавляя в раствор хлорид кальция. После следовал этап криоструктурирования поливинилового спирта циклами заморозки, разморозки и оттаивания. Таким образом, были приготовлены гибридные гидрогели на основе фибрина и поливинилового спирта и образцы из чистого фибрина и чистого поливинилового спирта. Изучали структуру гидрогелей, физико-механические свойства, усадку и биологическую активность. Статистическую обработку проводили в программе GraphPad Prism 6.

Результаты. 3-D структура гибридного гидрогеля представлена сочетанием полигональных полостей поливинилового спирта, оплетенных сетью тонких фибриновых волокон. Распределение компонентов было равномерным в толще образцов, тогда как на поверхности преобладал поливиниловый спирт. Удлинение (247 (220,0; 293,2) %; р = 0,0005) и модуль Юнга (0,09 (0,11; 0,13) мПа; р = 0,0001) гибридного гидрогеля были статистически значимо выше относительно значений фибрина. Гибридный гидрогель не дал усадку, в отличие от фибрина, который усел в 11 раз. Количество адгезированных эндотелиальных клеток на матрицах из гибридного гидрогеля было в 8 раз выше, чем на поливиниловом спирте, но в 10 раз меньше, чем на фибрине. Пролиферативная активность клеток на поливиниловом спирте отсутствовала, на IPN-гидрогеле отмечено 13,6% пролиферирующих клеток, на фибрине 59,52%.

Заключение. Способ последовательной полимеризации IPN-гидрогеля фибрина и поливинилового спирта дает равномерное распределение волокон в толще материала и позволяет получать гидрогели с улучшенными механическими свойствами, отсутствием склонности к усадке. Но перераспределение компонентов на поверхности гибридного гидрогеля в пользу поливинилового спирта с поддержанием относительно низкой адгезионности материала диктует необходимость проведения дальнейших экспериментов по созданию оптимальных условий для жизнедеятельности клеток.

1. Chlupáč J., Filová E., Riedel T., Houska M., Brynda E., Remy-Zolghadri M. et al. Attachment of human endothelial cells to polyester vascular grafts: pre-coating with adhesive protein assemblies and resistance to short-term shear stress. Physiol. Res. 2014;63(2):167–177. DOI: 10.33549/physiolres.932577.

2. Filová E., Brynda E., Riedel T., Chlupáč J., Vandrovcová M., Svindrych Z. et al. Improved adhesion and differentiation of endothelial cells on surface-attached fibrin structures containing extracellular matrix proteins. J. Biomed. Mater. Res. Part A. 2014;102(3):698–712. DOI: 10.1002/jbm.a.34733.

3. Marinaro F., Silva J.M., Barros A.A., Aroso I.M., Gómez-Blanco J.C., Jardin I. et al. A fibrin coating method of polypropylene meshes enables the adhesion of menstrual blood-derived mesenchymal stromal cells: a new delivery strategy for stem cell-based therapies. Int. J. Mol. Sci. 2021;22(24):13385. DOI: 10.3390/ijms222413385.

4. Morin K.T., Tranquillo R.T. In vitro models of angiogenesis and vasculogenesis in fibrin gel. Exp. Cell Res. 2013;319(16):2409–2417. DOI: 10.1016/j.yexcr.2013.06.006.

5. Certelli A., Valente P., Uccelli A., Grosso A., Di Maggio N., D’Amico R et al. Robust angiogenesis and arteriogenesis in the skin of diabetic mice by transient delivery of engineered VEGF and PDGF-BB proteins in fibrin hydrogels. Front. Bioeng. Biotechnol. 2021;9:688467. DOI: 10.3389/fbioe.2021.688467.

6. Ханова М.Ю., Великанова Е.А., Глушкова Т.В., Матвеева В.Г. Создание персонифицированного клеточно-заселенного сосудистого протеза in vitro. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2021;10(2S):89–93. DOI: 10.17802/2306-1278-2021-10-2S-89-93.

7. Utracki L.A., Wilkie C.A. (editors). Polymer Blends Handbook. NewYork, Heidelberg, Dordrecht, London: Springer Reference; 2002. DOI: 10.1007/978-94-007-6064-6.

8. Slaughter B.V., Khurshid S.S., Fisher O.Z., Khademhosseini A., Peppas N.A. Hydrogels in regenerative medicine. Adv. Mater. 2009;21(32–33):3307–3329. DOI: 10.1002/adma.200802106.

9. Dhand A.P., Galarraga J.H., Burdick J.A. Enhancing biopolymer hydrogel functionality through interpenetrating networks. Trends Biotechnol. 2021;39(5):519–538. DOI: 10.1016/j.tibtech.2020.08.007.

10. Kumar A., Han S.S. PVA-based hydrogels for tissue engineering: A review. Int. J. Polym. Mater. Polym. Biomater. 2017;66(4):159–182. DOI: 10.1080/00914037.2016.1190930.

11. Weller W.J. Emerging technologies in upper extremity surgery: polyvinyl alcohol hydrogel implant for thumb carpometacarpal arthroplasty and processed nerve allograft and nerve conduit for digital nerve repairs. Orthop. Clin. North. Am. 2019;50(1):87–93. DOI: 10.1016/j.ocl.2018.08.011.

12. Deshmukh K., Ahamed M.B., Deshmukh R., Pasha S.K., Bhagat P., Chidambaram K. Biopolymer composites with high dielectric performance: Interface engineering. Biopolymer Composites in Electronics. 2017:27–128. DOI: 10.1016/B978-0-12-809261-3.00003-6.

13. Gupta S.T.G., Basu B., Goswami S., Sinha A. Stiffness- and wettability-dependent myoblast cell compatibility of transparent poly(vinyl alcohol) hydrogels. J. Biomed. Mater. Res. Part B: Appl. Biomater. 2013;101B:346–354. DOI: 10.1002/jbm.b.32845.

14. Способ изготовления аутологичного фибрина с регулируемым содержанием фибриногена без использования экзогенного тромбина. Патент RU 2758260 C1. Антонова Л.В., Матвеева В.Г., Ханова М.Ю., Барбараш О.Л., Барбараш Л.С. Дата регистрации: 27.10.2021. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=47122803 (09.01.2023).

15. Brown E.E., Zhang J., Laborie M.P.G. Never-dried bacterial cellulose/ fibrin composites: preparation, morphology and mechanical properties. Cellulose. 2011;18:631–641. DOI: 10.1007/s10570-011-9500-8.

16. Blat A., Dybas J., Chrabaszcz K., Bulat K., Jasztal A., Kaczmarska M. et al. FTIR, Raman and AFM characterization of the clinically valid biochemical parameters of the thrombi in acute ischemic stroke. Scientific reports. 2019;9(1):1–10. DOI: 10.1038/s41598-019-51932-0.

17. Choo K., Ching Y., Chuah C., Julai S., Liou N.S. Preparation and characterization of polyvinyl alcohol-chitosan composite films reinforced with cellulose nanofiber. Materials. 2016;9(8):644. DOI: 10.3390/ma9080644.

18. Sa’adon S., Ansari M.N.M., Razak S.I.A., Anand J.S., Nayan N.H.M., Ismail A.E. et al. Preparation and physicochemical characterization of a diclofenac sodium-dual layer polyvinyl alcohol patch. Polymers. 2021;13:2459. DOI: 10.3390/polym13152459.

19. Ino J.M., Chevallier P., Letourneur D., Mantovani D., Le Visage C. Plasma functionalization of poly(vinyl alcohol) hydrogel for cell adhesion enhancement. Biomatter. 2013;3(4):e25414. DOI: 10.4161/biom.25414.

20. Qiu K., Netravali A.N. A composting study of membrane-like polyvinyl alcohol based resins and nanocomposites. J. Polym. Environ. 2013;21:658–674. DOI: 10.1007/s10924-013-0584-0.