kpcczКомплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеванийComplex Issues of Cardiovascular Diseases2306-12782587-9537Federal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases”10.17802/2306-1278-2016-2-30-38kpccz-187Research ArticleФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ КАРДИОЛОГИИ И СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ ХИРУРГИИFUNDAMENTAL ASPECTS OF CARDIOLOGY AND CARDIOVASCULAR SURGERYВЛИЯНИЕ СОСТАВА И КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРА БИОДЕГРАДИРУЕМЫХ ПОЛИМЕРОВ И ИХ КОМПОЗИЦИЙ НА СТРУКТУРУ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТРИЦ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОСПИННИНГАINFLUENCE OF COMPOSITION AND CONCENTRATION OF BIODEGRADABLE POLYMERS ON STRUCTURE AND PHYSICO-MECHANICAL PROPERTIES OF ELECTROSPUN SCAFFOLDSШишковаД. К.ShishkovaD. K.НасоноваМ. В.NasonovaM. V.ХодыревскаяЮ. И.KhodyrevskayaYu. I.НемойкинаА. Л.NemoykinaA. L.ДоронинаН. В.DoroninaN. V.ГлушковаТ. В.GlushkovaT. V.КудрявцеваЮ. А.KudryavtsevaYu. A.

Адрес: 650002, г. Кемерово, Сосновый бульвар, 6 Тел. 8 (3842) 64-42-38

Address: 6, Sosnoviy blvd., Kemerovo, 650002, Russian Federation Tel. +7 (3842) 64-42-38

KudrUA@kemcardio.ruФедеральное государственное бюджетное научное учреждение «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний». Кемерово, РоссияРоссияFederal State Budgetary Scientific Institution Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases. Kemerovo, RussiaRussian FederationФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет». Томск, РоссияРоссияFederal State Budgetary Educational Institution of Higher Professional Education National Research Tomsk State University. Tomsk, RussiaRussian FederationФедеральное государственное учреждение науки «Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г. К. Скрябина РАН». Пущино, РоссияРоссияFederal State Institution of Science Institute of Biochemistry and Physiology of Microorganisms. Puschino, RussiaRussian Federation201626062016023038Copyright © Шишкова Д.К., Насонова М.В., Ходыревская Ю.И., Немойкина А.Л., Доронина Н.В., Глушкова Т.В., Кудрявцева Ю.А., 20162016Шишкова Д.К., Насонова М.В., Ходыревская Ю.И., Немойкина А.Л., Доронина Н.В., Глушкова Т.В., Кудрявцева Ю.А.Shishkova D.K., Nasonova M.V., Khodyrevskaya Y.I., Nemoykina A.L., Doronina N.V., Glushkova T.V., Kudryavtseva Y.A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.nii-kpssz.com/jour/article/view/187Цель

Цель. Изучить влияние состава и концентрации раствора полимерной композиции на структуру волокон и физико-механических характеристик матриц, получаемых методом электростатического формования.

Материалы и методы

Материалы и методы. Изготовлены матрицы на основе биодеградируемых полимеров: полигидроксибутировалерата (ПГБВ), поликапролактона (ПКЛ) и поли-D,L-лактида (ПЛА) методом электроспиннинга (ЭС) из растворов ПГБВ, ПГБВ/ПКЛ и ПБГВ/ПЛА в концентрации 6, 8 и 10 %. Исследовали механические свойства матриц, диаметр волокон и размер пор.

Результаты

Результаты. Концентрация раствора полимера значительно влияет на диаметр волокон, формируемых в процессе ЭС, при этом не оказывая существенного влияния на размер образуемых пор. Использование 6 % раствора полимеров не позволяет получать полноценные волокна, что негативно отражается на их морфологии и физико-механических свойствах. Для создания матриц на основе ПГБВ, ПЛА и ПКЛ оптимальнее всего использовать концентрацию раствора 8–10 %. Добавление к ПГБВ ПЛА уменьшает диаметр волокон и размер пор, а включение в полимерную композицию ПЛА приводит к увеличению эластичности матриц.

Заключение

Заключение. Состав полимерной композиции и концентрация раствора оказывают существенное влияние на размер пор, структуру и диаметр волокон, формируемых в процессе электроспиннинга, что в свою очередь сказывается на физико-механических свойствах получаемых матриц.

Purpose

Purpose. To investigate the composition and concentration of the polymer solutions on structure and physico-mechanical properties of the electrospun scaffolds.

Materials and methods

Materials and methods. We prepared electrospun scaffolds from poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV), polycaprolactone (PCL), and poly(D,L-lactide) (PLA) in concentrations of 6, 8, and 10 %. We investigated mechanical properties of the scaffolds, fiber diameter, and pore size.

Results

Results. Concentration of the polymer solution significantly affected fiber diameter but not pore size. The optimal concentrations of PHBV, PLA, and PCL were 8–10 %. Use of PHBV/PLA composition lowered fiber diameter and pore size whilst PHBV/PCL composition increased elasticity of the scaffolds.

Conclusion

Conclusion. Composition and concentration of the polymer solutions significantly affects pore size, structure, and diameter of electrospun scaffolds, that influences physico-mechanical properties of the scaffolds.

матрицыбиодеградируемые полимерыэлектроспиннингпористостьscaffoldsbiodegradable polymerselectrospinningporosity.ReferencesАстапов Д. А., Журавлева И. Ю., Клышников К. Ю., Щеглова Н. А., Демидов Д. П., Овчаренко Е. А. и др. Экспериментальное и клиническое обоснование эффективности имплантации в аортальную позицию биопротеза «Тиара» на каркасе из нитинола. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2013; 4: 17–21. DOI: http://dx.doi.org/10.17802/2306-1278-2013-4-17-21. Astapov D. A., Zhuravleva I. Ju., Klyshnikov K. Ju., Shheglova N. A., Demidov D. P., Ovcharenko E. A. i dr. Eksperimental’noe i klinicheskoe obosnovanie effektivnosti implantacii v aortal’nuju poziciju bioproteza «TIARA» na karkase iz nitinola. Kompleksnye problemy serdechnososudistyh zabolevanij. 2013; 4: 17–21. DOI: http://dx.doi.org/10.17802/2306-1278-2013-4-17-21.Астапов Д. А., Журавлева И. Ю., Клышников К. Ю., Щеглова Н. А., Демидов Д. П., Овчаренко Е. А. и др. Экспериментальное и клиническое обоснование эффективности имплантации в аортальную позицию биопротеза «Тиара» на каркасе из нитинола. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2013; 4: 17–21. DOI: http://dx.doi.org/10.17802/2306-1278-2013-4-17-21. Astapov D. A., Zhuravleva I. Ju., Klyshnikov K. Ju., Shheglova N. A., Demidov D. P., Ovcharenko E. A. i dr. Eksperimental’noe i klinicheskoe obosnovanie effektivnosti implantacii v aortal’nuju poziciju bioproteza «TIARA» na karkase iz nitinola. Kompleksnye problemy serdechnososudistyh zabolevanij. 2013; 4: 17–21. DOI: http://dx.doi.org/10.17802/2306-1278-2013-4-17-21.Круль Л. П., Белов Д. А., Бутовская Г. В. Структура и физико-химические свойства биодеградируемых материалов на основе полилактидов. Вестник БГУ. 2011; 2: 5–11. Krul’ L. P., Belov D. A., Butovskaya G. V. Struktura i fizikokhimicheskie svoystva biodegradiruemykh materialov na osnove polilaktidov. Vestnik BGU. 2011; 2: 5–11.Круль Л. П., Белов Д. А., Бутовская Г. В. Структура и физико-химические свойства биодеградируемых материалов на основе полилактидов. Вестник БГУ. 2011; 2: 5–11. Krul’ L. P., Belov D. A., Butovskaya G. V. Struktura i fizikokhimicheskie svoystva biodegradiruemykh materialov na osnove polilaktidov. Vestnik BGU. 2011; 2: 5–11.Bölgen N., Menceloğlu Y. Z., Acatay K., Vargel İ., Pişkin E. In vitro and in vivo degradation of non-wonen materials made of poly(e-caprolactone) nanofibers prepared by electrospinning under different conditions. Journal of biomaterials science. Polymer Еdition. 2005; 16 (12): 1537–1555. DOI: 10.1163/156856205774576655.Bölgen N., Menceloğlu Y. Z., Acatay K., Vargel İ., Pişkin E. In vitro and in vivo degradation of non-wonen materials made of poly(e-caprolactone) nanofibers prepared by electrospinning under different conditions. Journal of biomaterials science. Polymer Еdition. 2005; 16 (12): 1537–1555. DOI: 10.1163/156856205774576655.Dai Z. W., Zou X. H., Chen G. Q. Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoa-te) as an injectable implant system for prevention of post-surgical tissue adhesion. Biomaterials. 2009; 30 (17): 3075–3083. DOI: 10.1016/j.biomaterials. 2009.02.015.Dai Z. W., Zou X. H., Chen G. Q. Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoa-te) as an injectable implant system for prevention of post-surgical tissue adhesion. Biomaterials. 2009; 30 (17): 3075–3083. DOI: 10.1016/j.biomaterials. 2009.02.015.de Valence S., Tille J., Mugnai D. Long term performance of polycaprolactone vascular grafts in a rat abdominal aorta replacement model. Biomaterials. 2012; 33 (1): 38–47. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2011.09.024.de Valence S., Tille J., Mugnai D. Long term performance of polycaprolactone vascular grafts in a rat abdominal aorta replacement model. Biomaterials. 2012; 33 (1): 38–47. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2011.09.024.Domb A. J., Kumar N., Ezra A. Biodegradable polymers in clinical use and clinical development. 2011; 734.Domb A. J., Kumar N., Ezra A. Biodegradable polymers in clinical use and clinical development. 2011; 734.Heidemann W., Jeschkeit-Schubbert S., Ruffieux K., Fischer J. H., Jung H., Krueger G. et al. pH-stabilization of predegraded PDLLA by an admixture of water-soluble sodiumhydrogenphosphate – results of an in vitro- and in vivostudy. Biomaterials. 2002; 23 (17): 3567–3574.Heidemann W., Jeschkeit-Schubbert S., Ruffieux K., Fischer J. H., Jung H., Krueger G. et al. pH-stabilization of predegraded PDLLA by an admixture of water-soluble sodiumhydrogenphosphate – results of an in vitro- and in vivostudy. Biomaterials. 2002; 23 (17): 3567–3574.Kuppan P., Vasanthan K. S., Sundaramurthi D., Krishnan U. M., Sethuraman S. Development of poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) fibers for skin tissue engineering: effects of topography, mechanical and chemical stimuli. Biomacromolecules. 2011; 2 (9): 3156–3165. DOI: 10.1021/bm200618w.Kuppan P., Vasanthan K. S., Sundaramurthi D., Krishnan U. M., Sethuraman S. Development of poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) fibers for skin tissue engineering: effects of topography, mechanical and chemical stimuli. Biomacromolecules. 2011; 2 (9): 3156–3165. DOI: 10.1021/bm200618w.Lim J., Chong M. S., Teo E. Y., Chen G. Q., Chan J. K., Teoh S. H. Biocompatibility studies and characterization of poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate)/polycaprolactone blends. J. Biomed. Mater. Res. Part B Appl Biomater. 2013; 101 (5): 752–761. DOI: 10.1002/jbm.b.3287.Lim J., Chong M. S., Teo E. Y., Chen G. Q., Chan J. K., Teoh S. H. Biocompatibility studies and characterization of poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate)/polycaprolactone blends. J. Biomed. Mater. Res. Part B Appl Biomater. 2013; 101 (5): 752–761. DOI: 10.1002/jbm.b.3287.Lee B. L. P., Tang Z., Wang A., Huang F., Yan Z., Wang D. et al. Synovial stem cells and their responses to the porosity of microfibrous scaffold. Acta Biomater. 2013; 9 (7): 7264–7275. DOI: 10.1016/j.actbio.2013.03.009.Lee B. L. P., Tang Z., Wang A., Huang F., Yan Z., Wang D. et al. Synovial stem cells and their responses to the porosity of microfibrous scaffold. Acta Biomater. 2013; 9 (7): 7264–7275. DOI: 10.1016/j.actbio.2013.03.009.Memic A., Annabi N., Hossain M., Paul A., Dokmeci M. R., Dehghani F. et al. Electrospun scaffolds for tissue engineering of vascular grafts. Acta Biomater. 2014; 10 (1): 11–25. DOI: 10.1016/j.actbio.2013.08.022.Memic A., Annabi N., Hossain M., Paul A., Dokmeci M. R., Dehghani F. et al. Electrospun scaffolds for tissue engineering of vascular grafts. Acta Biomater. 2014; 10 (1): 11–25. DOI: 10.1016/j.actbio.2013.08.022.Nezarati R. M., Eifert M. B., Cosgriff-Hernandez E. Effects of humidity and solution viscosity on electrospun fiber morphology. Tissue Eng. Part C Methods. 2013; 19 (10): 810–819. DOI: 10.1089/ten.tec.2012.067112.Nezarati R. M., Eifert M. B., Cosgriff-Hernandez E. Effects of humidity and solution viscosity on electrospun fiber morphology. Tissue Eng. Part C Methods. 2013; 19 (10): 810–819. DOI: 10.1089/ten.tec.2012.067112.Santos A. R. J., Ferreira B. M., Duek E. A., Dolder H., Wada M. L. Use of blends of bioabsorbable poly(L-lactic acid)/poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) as surfaces for Vero cell culture. Braz. J. Med. Biol. Res. 2005; 38: 1623– 1632.Santos A. R. J., Ferreira B. M., Duek E. A., Dolder H., Wada M. L. Use of blends of bioabsorbable poly(L-lactic acid)/poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) as surfaces for Vero cell culture. Braz. J. Med. Biol. Res. 2005; 38: 1623– 1632.Shinoka T. Tissue engineered heart valves: autologous cell seeding on biodegradable polymer scaffold. Artif. Organs. 2002; 26 (5): 402–406.Shinoka T. Tissue engineered heart valves: autologous cell seeding on biodegradable polymer scaffold. Artif. Organs. 2002; 26 (5): 402–406.Shin S.-H., Purevdorj O., Castano O., Planell J. A., Kim H.-W. A short review: Recent advances in electrospinning for bone tissue regeneration. J. Tissue Eng. 2012; 3 (1): 2041731412443530. DOI: 10.1177/2041731412443530.Shin S.-H., Purevdorj O., Castano O., Planell J. A., Kim H.-W. A short review: Recent advances in electrospinning for bone tissue regeneration. J. Tissue Eng. 2012; 3 (1): 2041731412443530. DOI: 10.1177/2041731412443530.Sill T. J., von Recum H. A. Electrospinning: applications in drug delivery and tissue engineering. Biomaterials. 2008; 29 (13): 1989–2006. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2008.01.011.Sill T. J., von Recum H. A. Electrospinning: applications in drug delivery and tissue engineering. Biomaterials. 2008; 29 (13): 1989–2006. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2008.01.011.Soliman S., Sant S., Nichol J. W., Khabiry M., Traversa E., Khademhosseini A. Controlling the porosity of fibrous scaffolds by modulating the fiber diameter and packing density. J. Biomed. Mater. Res A. 2011; 96 (3): 566–574. DOI: 10.1002/jbm.a.33010.Soliman S., Sant S., Nichol J. W., Khabiry M., Traversa E., Khademhosseini A. Controlling the porosity of fibrous scaffolds by modulating the fiber diameter and packing density. J. Biomed. Mater. Res A. 2011; 96 (3): 566–574. DOI: 10.1002/jbm.a.33010.Vats A., Tolley N. S., Polak J. M., Gough J. E. Scaffolds and biomaterials for tissue engineering: a review of clinical applications. Clin. Otolaryngol. Allied Sci. 2003; 28 (3): 165–172.Vats A., Tolley N. S., Polak J. M., Gough J. E. Scaffolds and biomaterials for tissue engineering: a review of clinical applications. Clin. Otolaryngol. Allied Sci. 2003; 28 (3): 165–172.Venugopal J., Zhang Y. Z., Ramakrishna S. Fabrication of modified and functionalized polycaprolactone nanofibre scaffolds for vascular tissue engineering. Nanotechnology. 2005; 16 (10): 2138–2142. DOI: 10.1088/0957-4484/16/10/028.Venugopal J., Zhang Y. Z., Ramakrishna S. Fabrication of modified and functionalized polycaprolactone nanofibre scaffolds for vascular tissue engineering. Nanotechnology. 2005; 16 (10): 2138–2142. DOI: 10.1088/0957-4484/16/10/028.Webb A. R., Yang J., Ameer G. A. Biodegradable polyester elastomers in tissue engineering. Expert Opin. Biol. Ther. 2004; 4 (6): 801–812.Webb A. R., Yang J., Ameer G. A. Biodegradable polyester elastomers in tissue engineering. Expert Opin. Biol. Ther. 2004; 4 (6): 801–812.Ying T. H., Ishii D., Mahara A., Murakami S., Yamaoka T., Sudesh K. et al. Scaffolds from electrospun polyhydroxyalkanoate copolymers: fabrication, characterization, bioabsorption and tissue response. Biomaterials. 2008; 29 (10): 1307–1317.Ying T. H., Ishii D., Mahara A., Murakami S., Yamaoka T., Sudesh K. et al. Scaffolds from electrospun polyhydroxyalkanoate copolymers: fabrication, characterization, bioabsorption and tissue response. Biomaterials. 2008; 29 (10): 1307–1317.Zhong S., Zhang Y., Lim C. T. Fabrication of large pores in electrospun nanofibrous scaffolds for cellular infiltration: a review. Tissue Eng. Part B Rev. 2012; 18 (2): 77–87.Zhong S., Zhang Y., Lim C. T. Fabrication of large pores in electrospun nanofibrous scaffolds for cellular infiltration: a review. Tissue Eng. Part B Rev. 2012; 18 (2): 77–87.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.