kpcczКомплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеванийComplex Issues of Cardiovascular Diseases2306-12782587-9537Federal State Budgetary Institution “Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases”10.17802/2306-1278-2017-6-3-25-36kpccz-303Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯORIGINAL STUDIESСВОЙСТВА ДЕМИНЕРАЛИЗОВАННОГО КОСТНОГО МАТРИКСА ДЛЯ БИОИНЖЕНЕРИИ ТКАНЕЙPROPERTIES OF THE DEMINERALIZED BONE MATRIX FOR BIOENGINERY OF TISSUEКириловаИ. А.KirilovaI. A.

30091, г. Новосибирск, ул. Фрунзе,17

17, Frunze st., Novosibirsk, 630091

irinakirilova71@mail.ruПодорожнаяВ. Т.PodorozhnayaV. T.

Новосибирск

Novosibirsk

ШаркеевЮ. П.SharkeevYu. P.

Томск

Tomsk

НиколаевС. В.NikolaevS. V.

Новосибирск

Novosibirsk

ПененкоА. В.PenenkoA. V.

Новосибирск

Novosibirsk

УваркинП. В.UvarkinP. V.

Томск

Tomsk

РатушнякП. В.RatushnyakA. S.

Новосибирск

Novosibirsk

ЧебодаеваВ. В.ChebodaevaV. V.

Томск

Tomsk

АнастасиеваЕ. А.AnastasievaE. A.

Новосибирск

Novosibirsk

ГолушкоС. К.GolushkoS. K.

Новосибирск

Novosibirsk

КорельА. В.KorelA. V.

Новосибирск

Novosibirsk

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им.Я.Л. Цивьяна» Министерства здравоохранения Российской ФедерацииРоссияFederal State Institution «Scientific and Research Institute of Traumatology and Orthopedics named after YL Tsivyan» Ministry of Health of the Russian FederationRussian FederationФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук; Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»РоссияInstitute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences; National Research Tomsk Polytechnic UniversityRussian FederationФедеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук»; Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт вычислительных технологий Сибирского отделения Российской академии наукРоссияThe Federal Research Center Institute of Cytology and Genetics ofSiberian Branch of Russian Academy of Sciences; Institute of Computational Technologies of Siberian Branch of Russian Academy of SciencesRussian FederationНовосибирский государственный университет; Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения Российской академии наукРоссияNovosibirsk State University; Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics of Siberian Branch of Russian Academy of SciencesRussian FederationФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наукРоссияInstitute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of SciencesRussian FederationФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт вычислительных технологий Сибирского отделения Российской академии наукРоссияInstitute of Computational Technologies of Siberian Branch of Russian Academy of SciencesRussian FederationФедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»РоссияNational Research Tomsk Polytechnic UniversityRussian FederationФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт вычислительных технологий Сибирского отделения Российской академии наук; Новосибирский государственный университетРоссияInstitute of Computational Technologies of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences; Novosibirsk State UniversityRussian Federation201718092017032536Copyright © Кирилова И.А., Подорожная В.Т., Шаркеев Ю.П., Николаев С.В., Пененко А.В., Уваркин П.В., Ратушняк П.В., Чебодаева В.В., Анастасиева Е.А., Голушко С.К., Корель А.В., 20172017Кирилова И.А., Подорожная В.Т., Шаркеев Ю.П., Николаев С.В., Пененко А.В., Уваркин П.В., Ратушняк П.В., Чебодаева В.В., Анастасиева Е.А., Голушко С.К., Корель А.В.Kirilova I.A., Podorozhnaya V.T., Sharkeev Y.P., Nikolaev S.V., Penenko A.V., Uvarkin P.V., Ratushnyak A.S., Chebodaeva V.V., Anastasieva E.A., Golushko S.K., Korel A.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.nii-kpssz.com/jour/article/view/303Цель

Цель. Определение значимых для биоинженерии тканей физико-механических свойств деминерализованного костного матрикса губчатой и компактной кости человека.

Материалы и методы

Материалы и методы. Перечислены методы исследования микроморфологических, пьезоэлектрических и транспортных свойств, адаптированные для измерения у материалов потенциальных матриц.

Результаты

Результаты. Приведены результаты исследования физико-механических свойств деминерализованного костного матрикса губчатой и компактной кости человека. Показано, что деминерализованная губчатая кость обладает наилучшими характеристиками поровой системы для заселения матриксов клетками. Предел прочности и модуль упругости образцов из деминерализованных головок бедренных костей, извлеченных в ходе первичного эндопротезирования тазобедренного сустава, изменяются в широких пределах. Модуль упругости изменялся от 50 до 250 МПа, а предел прочности – от 1,1 до 5,5 МПа.

Заключение

Заключение. Были отработаны и/или адаптированы методы измерений микроморфологических, пьезоэлектрических и транспортных свойств у материалов потенциальных матриц. Показано, что у образцов материалов из кости человека данные характеристики, как правило, значительно варьируют. Исходя из этого, становится очевидным, что отработка протоколов методов измерения вышеперечисленных свойств является важной работой для создания технологии биоинженерии тканевых имплантатов для восстановительной хирургии. 

The purpose

The purpose. Determination of tissues of physico-mechanical properties of demineralized bone matrix of spongy and compact human bone important for bioengineering.

Material and Methods

Material and Methods.The methods for studying micromorphological, piezoelectric and transport properties, adapted for measuring the materials of potential scaffolds.

Results

Results. The results of studying the physico-mechanical properties of the demineralized bone matrix of spongy and compact human bones are presented. It is shown that the demineralized spongy bone possesses the best characteristics of the pore system for the colonization of matrix cells. The tensile strength and modulus of elasticity of samples from the demineralized heads of the femurs extracted during the initial hip arthroplasty vary widely. The modulus of elasticity varied from 50 to 250 MPa, and the ultimate strength was from 1.1 to 5.5 MPa.

Conclusion

Conclusion. Methods for measuring micromorphological, piezoelectric and transport properties for materials of potential matrices were developed and / or adapted. It is shown that in the samples of materials from the human bone, these characteristics, as a rule, vary considerably. Proceeding from this, it becomes obvious that the development of protocols of measurement methods of the above listed properties is an important work for the creation of technology of bioengineering of tissue implants for reconstructive surgery. 

деминерализованный костный матрикскостная тканьмеханические характеристикиимплантатматрицабиоинженерия тканейdemineralized bone matrixbone tissuemechanical characteristicsimplantmatrixbioengineering of tissuesРоссийский фонд фундаментальных исследованийReferencesZ. Liao, C.H. Wang, W.L. Cui. J Invest Surg. 2016 Apr 11:1-10. [Epub ahead of print] –Z. Liao, C.H. Wang, W.L. Cui. J Invest Surg. 2016 Apr 11:1-10. [Epub ahead of print] –Кирилова И.А. Анатомо-функциональные свойства кости как основа создания костно-пластических материалов для травматологии и ортопедии. Автореф. дисс. … доктора мед. наук. Новосибирск; 2011. Kirilova I.A. Anatomical and functional properties of bone as a basis for creating boneplastic materials for traumatology and orthopedics. [dissertation] Novosibirsk; 2011. [In Russ].Кирилова И.А. Анатомо-функциональные свойства кости как основа создания костно-пластических материалов для травматологии и ортопедии. Автореф. дисс. … доктора мед. наук. Новосибирск; 2011. Kirilova I.A. Anatomical and functional properties of bone as a basis for creating boneplastic materials for traumatology and orthopedics. [dissertation] Novosibirsk; 2011. [In Russ].Нигматуллин Р.Т., Щербаков Д.А., Мусина Л.М., Ткачев А.А. Некоторые аспекты клинического применения костных и хрящевых аллотрансплантатов. Медицинский вестник Башкортостана. 2012; 7 (4): 78-83. Nigmatullin R.T., Shcherbakov D.A. , Musina L.M., Tkachev A.A. Some aspects of clinicfl use of bone and cartilage allografts. Medical bulletin of Bashkortostan. 2012; 7 (4): 78-832012 Volume: 7 issue: 4 Year: 2012 Pages: 78-83. [In Russ].Нигматуллин Р.Т., Щербаков Д.А., Мусина Л.М., Ткачев А.А. Некоторые аспекты клинического применения костных и хрящевых аллотрансплантатов. Медицинский вестник Башкортостана. 2012; 7 (4): 78-83. Nigmatullin R.T., Shcherbakov D.A. , Musina L.M., Tkachev A.A. Some aspects of clinicfl use of bone and cartilage allografts. Medical bulletin of Bashkortostan. 2012; 7 (4): 78-832012 Volume: 7 issue: 4 Year: 2012 Pages: 78-83. [In Russ].Hofer S., Leopold S.S., Jacobs J. Clinical perspectives on the use of bone graft based on allografts In: Laurencin CT, editor. Bone graft substitutes. West Conshohocken, PA: ASTM International. 2003. P. 68–95.Hofer S., Leopold S.S., Jacobs J. Clinical perspectives on the use of bone graft based on allografts In: Laurencin CT, editor. Bone graft substitutes. West Conshohocken, PA: ASTM International. 2003. P. 68–95.Cammisa F. P., Lowery G., Garfin S.R., Geisler F.H., Klara P.M., McGuire R.A. et al. Twoyear fusion rate equivalency between Grafton DBM gel and autograft in posterolateral spine fusion: a prospective controlled trial employing side-by-side comparison in the same patient. Spine. 2004; 29: 660–6.Cammisa F. P., Lowery G., Garfin S.R., Geisler F.H., Klara P.M., McGuire R.A. et al. Twoyear fusion rate equivalency between Grafton DBM gel and autograft in posterolateral spine fusion: a prospective controlled trial employing side-by-side comparison in the same patient. Spine. 2004; 29: 660–6.Швец А. И., Ивченко В. К. Костные трансплантаты и их заменители в хирургии позвоночника. Ортопедия, травматология и протезирование. 2008; 3: 66–69. Shvets A.I., Ivchenko V.K. Bone grafts and their substitutes in surgery of the spine. Orthopedics, traumatology and prosthetics. 2008; 3: 66-69. [In Russ].Швец А. И., Ивченко В. К. Костные трансплантаты и их заменители в хирургии позвоночника. Ортопедия, травматология и протезирование. 2008; 3: 66–69. Shvets A.I., Ivchenko V.K. Bone grafts and their substitutes in surgery of the spine. Orthopedics, traumatology and prosthetics. 2008; 3: 66-69. [In Russ].Дианов С.В., Тарасов А.Н. Аллопластика вертлужной впадины при первичном и ревизионном эндопротезировании тазобедренного сустава. Травматология и ортопедия России. 2009; 3: 130–132. Dianov S.V., Tarasov A.N. Acetabulum alloplasty at the primary and revision hip replacement. Traumatology and orthopedics of Russia. 2009; 3: 130–132. [In Russ].Дианов С.В., Тарасов А.Н. Аллопластика вертлужной впадины при первичном и ревизионном эндопротезировании тазобедренного сустава. Травматология и ортопедия России. 2009; 3: 130–132. Dianov S.V., Tarasov A.N. Acetabulum alloplasty at the primary and revision hip replacement. Traumatology and orthopedics of Russia. 2009; 3: 130–132. [In Russ].Major M.R., Wong V.W., Nelson E.R., Longaker M.T., Gurtner G.C. Plast Reconstr Surg. 2015 May;135(5):1489-98. doi: 10.1097/PRS.0000000000001193.Major M.R., Wong V.W., Nelson E.R., Longaker M.T., Gurtner G.C. Plast Reconstr Surg. 2015 May;135(5):1489-98. doi: 10.1097/PRS.0000000000001193.Parisay I., Ghoddusi J., Forghani M. Review A review on vital pulp therapy in primary teeth. Iran Endod J. 2015; 10(1): 6-15. Epub 2014 Dec 24.Parisay I., Ghoddusi J., Forghani M. Review A review on vital pulp therapy in primary teeth. Iran Endod J. 2015; 10(1): 6-15. Epub 2014 Dec 24.Грудянов А.И., Николаев А.В. Сравнительный анализ отдаленных результатов использования различных ауто- и аллотрансплантатов для создания зоны кератинизированной десны при вестибулопластике на нижней челюсти // Стоматология. 2016. Т. 95. № 1. С. 40-43. A.I. Grudianov, A.V. Nikolaev Comparative study of long term result of auto- and allografts for keratinized gingiva restoration in vestibuloplasty area on the lower jaw Dentistry. 2016. T. 95. No. 1. S. 40-43.Грудянов А.И., Николаев А.В. Сравнительный анализ отдаленных результатов использования различных ауто- и аллотрансплантатов для создания зоны кератинизированной десны при вестибулопластике на нижней челюсти // Стоматология. 2016. Т. 95. № 1. С. 40-43. A.I. Grudianov, A.V. Nikolaev Comparative study of long term result of auto- and allografts for keratinized gingiva restoration in vestibuloplasty area on the lower jaw Dentistry. 2016. T. 95. No. 1. S. 40-43.Кирилова И.А., Николаев С.В., Подорожная В.Т., Шаркеев Ю.П., Уваркин П.В. Ратушняк А.С. и др. Внеклеточный матрикс из кости человека как основа тканеинженерной конструкции. Российский иммунологический журнал. 2016; 10 (2-1) 579-581. Kirilova I.A., Nikolaev S.V., Podorozhnaya V.T., Sharkeev Yu.P., Uvarkin P.V., Ratushnyak A.S. et al. Extracellular matrix from human bone as the basis of tissue engineering design. Russian Immunological Journal. 2016; 10 (2-1) 579-581. [In Russ].Кирилова И.А., Николаев С.В., Подорожная В.Т., Шаркеев Ю.П., Уваркин П.В. Ратушняк А.С. и др. Внеклеточный матрикс из кости человека как основа тканеинженерной конструкции. Российский иммунологический журнал. 2016; 10 (2-1) 579-581. Kirilova I.A., Nikolaev S.V., Podorozhnaya V.T., Sharkeev Yu.P., Uvarkin P.V., Ratushnyak A.S. et al. Extracellular matrix from human bone as the basis of tissue engineering design. Russian Immunological Journal. 2016; 10 (2-1) 579-581. [In Russ].Kirilova I. A., Sharkeev Yu. P., Nikolaev S. V., Podorozhnaya V. T., Uvarkin P. V., Ratushnyak A. S. et al. Physicomechanical properties of the extracellular matrix of a demineralized bone. AIP Conference Proceedings. 2016; 1760 (1): 020027 doi: 10.1063/1.4960246.Kirilova I. A., Sharkeev Yu. P., Nikolaev S. V., Podorozhnaya V. T., Uvarkin P. V., Ratushnyak A. S. et al. Physicomechanical properties of the extracellular matrix of a demineralized bone. AIP Conference Proceedings. 2016; 1760 (1): 020027 doi: 10.1063/1.4960246.Vitor E.S., Manuela E.G., Joao F.M., Rui L.R. Controlled release strategies for bone, cartilage and osteochondral engineering—Part I: Recapitulation of native tissue healing and variables for the design of delivery systems. Tissue engineering: Part B. 2013; 19 (4): 308-326.Vitor E.S., Manuela E.G., Joao F.M., Rui L.R. Controlled release strategies for bone, cartilage and osteochondral engineering—Part I: Recapitulation of native tissue healing and variables for the design of delivery systems. Tissue engineering: Part B. 2013; 19 (4): 308-326.M.A. Velasco, Narváez-Tovar C.A., Garzón-Alvarado D.A. Design, Materials, and Mechanobiology of Biodegradable Scaffolds for Bone Tissue Engineering. BioMed Research International. 2015; 2015: 729076. doi:10.1155/2015/729076.M.A. Velasco, Narváez-Tovar C.A., Garzón-Alvarado D.A. Design, Materials, and Mechanobiology of Biodegradable Scaffolds for Bone Tissue Engineering. BioMed Research International. 2015; 2015: 729076. doi:10.1155/2015/729076.Кирпичев И.В., Маслов Л.Б., Коровин Д.И. Актуальные междисциплинарные проблемы применения современных пористых имплантатов для замещения костных дефектов. Современные проблемы науки и образования. 2016; 1: 2. Kirpichev I.V., Maslov L.B., Korovin D.I. Aktual’nye mezhdisciplinarnye problemy primenenija sovremennyh poristyh implantatov dlja zameshhenija kostnyh defektov. Sovremennye problemy nauki i obrazovanija. 2016; 1: 2. [In Russ].Кирпичев И.В., Маслов Л.Б., Коровин Д.И. Актуальные междисциплинарные проблемы применения современных пористых имплантатов для замещения костных дефектов. Современные проблемы науки и образования. 2016; 1: 2. Kirpichev I.V., Maslov L.B., Korovin D.I. Aktual’nye mezhdisciplinarnye problemy primenenija sovremennyh poristyh implantatov dlja zameshhenija kostnyh defektov. Sovremennye problemy nauki i obrazovanija. 2016; 1: 2. [In Russ].Подорожная В.Т., Кирилова И.А., Шаркеев Ю.П., Попова К.С., Уваркин П.В., Фомичев Н.Г Изучение структурно-функциональных характеристик срединных распилов головок бедренных костей. Успехи современного естествознания. 2015; 9: 126-129. Podorozhnaya V.T., Kirilova I.A., Sharkeev Yu.P., Popova K.S., Uvarkin P.V., Fomichev N.G. The study of structural and functional characteristics of femoral head midline section specimens. Advances in current natural sciences. 2015; 9: 126-129. [In Russ].Подорожная В.Т., Кирилова И.А., Шаркеев Ю.П., Попова К.С., Уваркин П.В., Фомичев Н.Г Изучение структурно-функциональных характеристик срединных распилов головок бедренных костей. Успехи современного естествознания. 2015; 9: 126-129. Podorozhnaya V.T., Kirilova I.A., Sharkeev Yu.P., Popova K.S., Uvarkin P.V., Fomichev N.G. The study of structural and functional characteristics of femoral head midline section specimens. Advances in current natural sciences. 2015; 9: 126-129. [In Russ].Кирилова И.А., Шаркеев Ю.П., Подорожная В.Т., Попова К.С., Уваркин П.В., Фомичев Н.Г. Изучение морфологии срединных распилов головки бедренной кости. Успехи современного естествознания. 2015; 8: 58-61. Kirilova I.A., Sharkeev Yu.P., Podorozhnaya V.T., Popova K.S., Uvarkin P.V., Fomichev N.G. The study of the morphology of femoral head midline section specimens. Advances in current natural sciences. 2015; 8: 58-61. [In Russ].Кирилова И.А., Шаркеев Ю.П., Подорожная В.Т., Попова К.С., Уваркин П.В., Фомичев Н.Г. Изучение морфологии срединных распилов головки бедренной кости. Успехи современного естествознания. 2015; 8: 58-61. Kirilova I.A., Sharkeev Yu.P., Podorozhnaya V.T., Popova K.S., Uvarkin P.V., Fomichev N.G. The study of the morphology of femoral head midline section specimens. Advances in current natural sciences. 2015; 8: 58-61. [In Russ].Murphy S.V., Atala A. Organ engineering – combining stem cells, biomaterials, and bioreactors to produce bioengineered organs for transplantation. Bioessays. 2012; 35: 163–172,.Murphy S.V., Atala A. Organ engineering – combining stem cells, biomaterials, and bioreactors to produce bioengineered organs for transplantation. Bioessays. 2012; 35: 163–172,.Пененко А.В., Николаев С.В., Голушко С.К., Ромащенко А.В., Кирилова И.А.. Численные алгоритмы идентификации коэффициента диффузии в задачах тканевой инженерии. Матем. биология и биоинформ. 2016; 11 (2): 426-444. Penenko A.V., Nikolaev S.V., Golushko S.K., Romashhenko A.V., Kirilova I.A.. Chislennye algoritmy identifikacii kojefficienta diffuzii v zadachah tkanevoj inzhenerii. Matematicheskaja biologija i bioinformatika. 2016; 11 (2): 426-444. [In Russ].Пененко А.В., Николаев С.В., Голушко С.К., Ромащенко А.В., Кирилова И.А.. Численные алгоритмы идентификации коэффициента диффузии в задачах тканевой инженерии. Матем. биология и биоинформ. 2016; 11 (2): 426-444. Penenko A.V., Nikolaev S.V., Golushko S.K., Romashhenko A.V., Kirilova I.A.. Chislennye algoritmy identifikacii kojefficienta diffuzii v zadachah tkanevoj inzhenerii. Matematicheskaja biologija i bioinformatika. 2016; 11 (2): 426-444. [In Russ].

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