ТКАНЕИНЖЕНЕРНЫЙ МАТРИКС НА ОСНОВЕ ПОЛИУРЕТАНА: ИССЛЕДОВАНИЕ IN VITRO

Основные положения

Создан и протестирован in vitro новый материал на основе полиуретана. Методом электроспиннинга получен высокопористый материал с удовлетворительными физико-механическими, гемосовместимыми и матриксными свойствами, подходящими для создания изделий сердечно-сосудистого профиля.

Резюме

Цель. Изготовление тканеинженерного матрикса на основе полиуретана и изучение его физико-механических характеристик, гемосовместимости и матриксных свойств в сравнении с децеллюризированным ксеноперикардом и сонной артерией овцы.

Материалы и методы. Матриксы на основе полиуретана изготавливали методом электроспиннинга. Структуру поверхности исследовали методом сканирующей электронной микроскопии, физико-механические характеристики – на универсальной испытательной машине Zwick/Roell, гемосовместимость – согласно ГОСТ ISO 10993-4-2020, матриксные свойства материала – в клеточном эксперименте с Ea.hy 926.

Результаты. Структура матрикса из 12% полиуретанового была представлена волокнистой сетью со взаимопроникающим порами. Физико-механические характеристики матриксов из полиуретана соответствовали параметрам сонной артерии овцы больше, чем ксеноперикард. Полиуретан обладал оптимальной гемосовместимостью: гемолиз эритроцитов не превышал 0,52%, агрегация тромбоцитов соответствовала показателям агрегации обогащенной тромбоцитами плазмы – 80%. Адгезия тромбоцитов к поверхности полиуретанового матрикса статистически значимо ниже адгезии к ксеноперикарду (p = 0,0041). Показатели клеточной адгезии, жизнеспособности и метаболической активности Ea.hy 926, культивированных на поверхности полиуретановых матриксов, были выше относительно ксеноперикарда: плотность клеток составила 236,3 [198,5; 264,6] кл/мм² (p = 0,458), жизнеспособность –19,0 [16,0; 25,0] % (p = 0,0145).

Заключение. Физико-механические, гемосовместимые и матриксные свойства полиуретана подтвердили его пригодность для потенциального использования в сердечно-сосудистой хирургии.

1. Pashneh-Tala S., MacNeil S., Claeyssens F. The Tissue-Engineered Vascular Graft-Past, Present, and Future. Tissue Eng Part B Rev. 2016; 22(1): 68–100. doi:10.1089/ten.teb.2015.0100.

2. Benjamin E.J., Muntner P., Alonso A., Bittencourt M.S., Callaway C.W., Carson A.P., et.al. American Heart Association Council on Epidemiology and Prevention Statistics Committee and Stroke Statistics Subcommittee. Heart Disease and Stroke Statistics-2019 Update: A Report From the American Heart Association. Circulation. 2019; 139(10): 56–528. doi:10.1161/CIR.0000000000000659.

3. Virani S.S., Alonso A., Benjamin E.J., Bittencourt M.S., Callaway C.W., Carson A.P., et.al. American Heart Association Council on Epidemiology and Prevention Statistics Committee and Stroke Statistics Subcommittee. Heart Disease and Stroke Statistics-2020 Update: A Report From the American Heart Association. Circulation. 2020; 141(9): 139–596. doi:10.1161/CIR.0000000000000757.

4. Roth G.A., Mensah G.A., Johnson C.O., Addolorato G., Ammirati E., Baddour L.M., et.al. Global Burden of Cardiovascular Diseases Writing Group. Global Burden of Cardiovascular Diseases and Risk Factors, 1990-2019: Update From the GBD 2019 Study. J Am Coll Cardiol. 2020; 76(25):2982–3021. doi:10.1016/j.jacc.2020.11.010.

5. Taggart D.P. Current status of arterial grafts for coronary artery bypass grafting. Ann. Cardiothorac Surg. 2013; 2(4):427–430. doi:10.3978/j.issn.2225-319X.2013.07.21.

6. Elliott M.B., Ginn B., Fukunishi T., Bedja D., Suresh A., Chen T., Inoue T., Dietz H.C., Santhanam L., Mao H.Q., Hibino N., Gerecht S. Regenerative and durable small-diameter graft as an arterial conduit. Proc Natl Acad Sci USA. 2019; 116(26):12710-12719. doi:10.1073/pnas.1905966116.

7. Kimicata M., Swamykumar P., Fisher J.P. Extracellular Matrix for Small-Diameter Vascular Grafts. Tissue Eng Part A. 2020; 26(23-24):1388–1401. doi:10.1089/ten.TEA.2020.0201.

8. Matsushita H., Inoue T., Abdollahi S., Yeung E., Ong C.S., Lui C., Pitaktong I., Nelson K., Johnson J., Hibino N. Corrugated nanofiber tissue-engineered vascular graft to prevent kinking for arteriovenous shunts in an ovine model. JVS Vasc Sci. 2020; 1:100–108. doi:10.1016/j.jvssci.2020.03.003.

9. Matsuzaki Y., Ulziibayar A., Shoji T., Shinoka T. Heparin-Eluting Tissue-Engineered Bioabsorbable Vascular Grafts. Applied Sciences. 2021; 11(10): 4563. doi:10.3390/app11104563

10. Ren X., Feng Y., Guo J., Wang H., Li Q., Yang J., Hao X., Lv J., Ma N., Li W. Surface modification and endothelialization of biomaterials as potential scaffolds for vascular tissue engineering applications. Chem. Soc. Rev. 2015; 44(15): 5680–5742. doi:10.1039/c4cs00483c.

11. Wissing T.B., Bonito V., Bouten C.V.C., Smits A.I.P.M. Biomaterial-driven in situ cardiovascular tissue engineering-a multi-disciplinary perspective. NPJ Regen Med. 2017; 2:18. doi:10.1038/s41536-017-0023-2.

12. Shoji T., Shinoka T. Tissue engineered vascular grafts for pediatric cardiac surgery. Translational Pediatrics. 7(2):188–195. doi:10.21037/tp.2018.02.01.

13. Song H.G., Rumma R.T., Ozaki C.K., Edelman E.R., Chen C.S. Vascular Tissue Engineering: Progress, Challenges, and Clinical Promise. Cell Stem Cell. 2018; 22(3): 340–354. doi:10.1016/j.stem.2018.02.009.

14. Malik S., Sundarrajan S., Hussain T., Nazir A., Ramakrishna S. Fabrication of Highly Oriented Cylindrical Polyacrylonitrile, Poly(lactide-co-glycolide), Polycaprolactone and Poly(vinyl acetate) Nanofibers for Vascular Graft Applications. Polymers. 2021; 13(13): 2075. doi:10.3390/polym13132075.

15. Drews J.D., Pepper V.K., Best C.A., Szafron J.M., Cheatham J.P., Yates A.R., et.al. Spontaneous reversal of stenosis in tissue-engineered vascular grafts. Sci Transl Med. 2020; 12(537):eaax6919. doi:10.1126/scitranslmed.aax6919.

16. Cui H., Zhu W., Huang Y., Liu C., Yu Z.X., Nowicki M., Miao S., Cheng Y., Zhou X., Lee S.J., Zhou Y., Wang S., Mohiuddin M., Horvath K., Zhang L.G. In Vitro and in vivo evaluation of 3D bioprinted small-diameter vasculature with smooth muscle and endothelium. Biofabrication. 2019; 12(1):015004. doi:10.1088/1758-5090/ab402c.

17. Radke D., Jia W., Sharma D., Fena K., Wang G., Goldman J., Zhao F. Tissue Engineering at the Blood-Contacting Surface: A Review of Challenges and Strategies in Vascular Graft Development. Adv Healthc Mater. 2018; 7(15):e1701461. doi:10.1002/adhm.201701461.

18. Matsuzaki Y., Miyamoto S., Miyachi H., Iwaki R., Shoji T., Blum K., Chang Y.C., Kelly J., Reinhardt J.W., Nakayama H., Breuer C.K., Shinoka T. Improvement of a Novel Small-diameter Tissue-engineered Arterial Graft With Heparin Conjugation. Ann Thorac Surg. 2021; 111(4):1234–1241. doi:10.1016/j.athoracsur.2020.06.112.

19. Wang C., Li Z., Zhang L., Sun W., Zhou J. Long-term results of triple-layered small diameter vascular grafts in sheep carotid arteries. Med Eng Phys. 2020; 85:1-6. doi:10.1016/j.medengphy.2020.09.007.

20. Кривкина Е.О., Антонова Л.В. Результаты долгосрочной проходимости биодеградируемых сосудистых протезов малого диаметра с атромбогенным лекарственным покрытием на модели овцы. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2021;10(2):36-39. doi:10.17802/2306-1278-2021-10-2S-36-39.

21. Kucinska-Lipka J., Gubanska I., Janik H., Sienkiewicz M. Fabrication of polyurethane and polyurethane based composite fibres by the electrospinning technique for soft tissue engineering of cardiovascular system. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2015;46:166-76. doi: 10.1016/j.msec.2014.10.027.

22. Tatai L., Moore T.G., Adhikari R., Malherbe F., Jayasekara R., Griffiths I., Gunatillake P.A. Thermoplastic biodegradable polyurethanes: the effect of chain extender structure on properties and in-vitro degradation. Biomaterials. 2007; 28 (36): 5407–5417. doi: 10.1016/j.biomaterials.2007.08.035.

23. Hergenrother R.W., Wabers H. D., Cooper S. L. Effect of hard segment chemistry and strain on the stability of polyurethanes: in vivo biostability. Biomaterials. 1993;14(6):449-58. doi: 10.1016/0142-9612(93)90148-u.

24. LaPorte R. J. Hydrophilic polymer coatings for medical

25. devices. Routledge. Florida:CRC Press LLC; 2017. doi:10.1201/9780203751381.

26. Kheradvar A., Groves E.M., Dasi L.P., Alavi S.H., Tranquillo R., Grande-Allen K.J., Simmons C.A., Griffith B., Falahatpisheh A., Goergen C.J., Mofrad M.R., Baaijens F., Little S.H., Canic S. Emerging trends in heart valve engineering: part I. Solutions for future. Annals of biomedical engineering. 2015; 43(4): 833–843. doi: 10.1007/s10439-014-1209-z.

27. Bergmeister H., Grasl C., Walter I., Plasenzotti R., Stoiber M., Schreiber C., Losert U., Weigel G., Schima H. Electrospun small‐diameter polyurethane vascular grafts: ingrowth and differentiation of vascular‐specific host cells. Artificial organs. 2012; 36(1): 54-61. doi: 10.1111/j.1525-1594.2011.01297.x.

28. Grasl C., Bergmeister H., Stoiber M., Schima H., Weigel G. Electrospun polyurethane vascular grafts: in vitro mechanical behavior and endothelial adhesion molecule expression. J Biomed Mater Res A. 2010;93(2):716-23. doi: 10.1002/jbm.a.32584.

29. Bergmeister H., Schreiber C., Grasl C., Walter I., Plasenzotti R., Stoiber M., Bernhard D., Schima H. Healing characteristics of electrospun polyurethane grafts with various porosities. Acta biomaterialia. 2013; 9 (4):6032–6040. doi: 10.1016/j.actbio.2012.12.009.

30. Антонова Л.В., Кривкина Е.О., Ханова М.Ю., Великанова Е.А., Матвеева В.Г., Миронов А.В., Шабаев А.Р., Сенокосова Е.А., Глушкова Т.В., Синицкий М.Ю., Мухамадияров Р.А., Барбараш Л.С. Результаты преклинических испытаний биодеградируемых сосудистых протезов малого диаметра на модели овцы. Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2022;24(3):80-93. doi:10.15825/1995-1191-2022-3-80-93

31. Antonova L.V., Mironov A.V., Yuzhalin A.E., Krivkina E.O., Shabaev A.R., Rezvova M.A., Tkachenko V.O., Khanova M.Yu., Sergeeva T.Yu., Krutitskiy S.S., Barbarash L.S. A Brief Report on an Implantation of Small-Caliber Biodegradable Vascular Grafts in a Carotid Artery of the Sheep. Pharmaceuticals (Basel). 2020; 21;13(5):101. doi:10.3390/ph13050101.

32. Антонова Л.В., Кривкина Е.О., Резвова М.А., Севостьянова В.В., Миронов А.В., Глушкова Т.В., Клышников К.Ю., Овчаренко Е.А., Кудрявцева Ю.А., Барбараш Л.С. Биодеградируемый сосудистый протез с армирующим внешним каркасом. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2019;8(2):87-97. doi:10.17802/2306-1278-2019-8-2-87-97.

33. Matsushita H., Hayashi H., Nurminsky K., Dunn T., He Y., Pitaktong I., Koda Y., Xu S., Nguyen V., Inoue T., Rodgers D., Nelson K., Johnson J., Hibino N. Novel reinforcement of corrugated nanofiber tissue-engineered vascular graft to prevent aneurysm formation for arteriovenous shunts in an ovine model. JVS Vasc Sci. 2022; 22;3:182-191. doi:10.1016/j.jvssci.2022.01.002.