ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ КОМПОЗИТНЫХ МАТРИКСОВ НА ОСНОВЕ ФИБРОИНА ШЕЛКА И ПОЛИУРЕТАНА

Основные положения

Исследованы структурные и физико-механические особенности композитных матриксов на основе фиброина шелка и полиуретана с различным соотношением компонентов.

Резюме

Актуальность. Фиброин шелка (ФШ) – полимер природного происхождения, подходящий для тканевой инженерии. В комбинации с эластичными полимерами, например полиуретаном (ПУ), способен улучшить физико-механические характеристики материала, что делает его перспективным для применения в сердечно-сосудистой хирургии в качестве сосудистых заплат.

Цель. Исследовать структурные и физико-механические особенности, а также оценить гидрофильность и адсорбцию белков поверхностью композитных матриксов на основе ФШ и ПУ с различным соотношением компонентов.

Материалы и методы. Матриксы изготавливали методом электроспиннинга при соотношении ФШ и ПУ 3:1, 2:1, 1:1, 1:2, 1:3. Материалами сравнения выступали монокомпонентные матриксы из ФШ и ПУ. Исследовали ультраструктуру композитов по снимкам после сканирующей электронной микроскопии: толщину волокон, размер пор, пористость материала. Измеряли физико-механические параметры матриксов: предел прочности, относительное удлинение, модуль Юнга. Оценивали гидрофильные свойства поверхности матриксов по измерению контактного угла смачивания. Исследовали адсорбцию альбумина и фибриногена поверхностью матриксов.

Результаты. Все матриксы, изготовленные методом электроспиннинга, имели пористо-волокнистую структуру. Увеличение содержания ПУ приводило к появлению спаек и единичных растрескиваний волокон на внутренней поверхности матриксов после паровой сшивки полимеров. Комбинация ФШ и ПУ увеличивала прочность и эластичность матриксов по сравнению с чистым ФШ и приближала к нативной a. mammaria человека по способности сопротивляться растяжению. Добавление ПУ к ФШ-композиту снижало его изначальную гидрофильность по сравнению с чистым ФШ. Адсорбция альбумина была одинаковой для всех матриксов; фибриноген адсорбировался в большей степени на матриксах с преобладанием в составе ФШ.

Заключение. Добавление ПУ в состав ФШ-композита не нарушает пористо-волокнистую структуру матрикса, повышает его прочность и эластичность, приближает по свойствам к нативной артерии человека, а также уменьшает адсорбцию фибриногена, что расширяет возможности данного материала для использования в сердечно-сосудистой хирургии в качестве сосудистых заплат.

1. Zhu Y., Guo S., Ravichandran D., Ramanathan A., Sobczak M.T., Sacco A.F., Patil D., Thummalapalli S.V. et al. 3D-Printed Polymeric Biomaterials for Health Applications. Adv Healthc Mater. 2025; 14(1): e2402571. doi: 10.1002/adhm.202402571.

2. Lai J., Liu Y., Lu G., Yung P., Wang X., Tuan R.S., Li Z.A. 4D bioprinting of programmed dynamic tissues. Bioact Mater. 2024; 37: 348-377. doi: 10.1016/j.bioactmat.2024.03.033.

3. Xu L., Wu C., Lay Yap P., Losic D., Zhu J., Yang Y., Qiao S., Ma L., Zhang Y., Wang H. Recent advances of silk fibroin materials: From molecular modification and matrix enhancement to possible encapsulation-related functional food applications. Food Chem. 2024; 438: 137964. doi: 10.1016/j.foodchem.2023.137964.

4. Walsh T., Hadisi Z., Dabiri S.M.H., Hasanpour S., Samimi S., Azimzadeh M., Akbari M. Facile roll-to-roll production of nanoporous fiber coatings for advanced wound care sutures. Nanoscale. 2024; 16(33): 15615-15628. doi: 10.1039/d4nr01432d.

5. Sahoo J.K., Hasturk O., Falcucci T., Kaplan D.L. Silk chemistry and biomedical material designs. Nat Rev Chem. 2023; 7(5): 302-318. doi: 10.1038/s41570-023-00486-x.

6. Shimada K., Honda T., Kato K., Hori R., Ujike N., Uemura A., Murakami T., Kitpipatkun P., Nakazawa Y., Tanaka R. Silk fibroin-based vascular repairing sheet with angiogenic-promoting activity of SVVYGLR peptide regenerated the damaged vascular in rats. J Biomater Appl. 2022; 37(1): 3-11. doi: 10.1177/0885328220928660.

7. Sultana N., Cole A., Strachan F. Biocomposite Scaffolds for Tissue Engineering: Materials, Fabrication Techniques and Future Directions. Materials (Basel). 2024; 17(22): 5577. doi: 10.3390/ma17225577.

8. Прокудина Е. С., Сенокосова Е. А., Антонова Л. В., Кривкина Е.О., Великанова Е.А., Акентьева Т.Н., Глушкова Т.В., Матвеева В.Г., Кочергин Н.А. Новый тканеинженерный сосудистый матрикс на основе регенерированного фиброина шелка: исследование in vitro. Современные технологии в медицине. 2023; 15(4): 41-49. doi: 10.17691/stm2023.15.4.04.

9. Колесников А.Ю., Прокудина Е.С., Сенокосова Е.А., Арнт А.А., Антонова Л.В., Миронов А.В., Кривкина Е.О., Кочергин Н.А. Результаты долгосрочной проходимости и прижизненной визуализации сосудистых заплат из фиброина шелка. Клиническая и экспериментальная хирургия. Журнал имени академика Б.В. Петровского. 2023; 11 (3(41)): 68-75. doi: 10.33029/2308-1198-2023-11-3-68-75.

10. Прокудина Е.С., Сенокосова Е.А., Антонова Л.В., Мухамадияров Р.А., Кошелев В.А., Кривкина Е.О., Великанова Е.А., Кочергин Н.А. Морфологические особенности ремоделирования биологических и тканеинженерных сосудистых заплат: результаты испытаний на модели овцы. Сибирский журнал клинической и экспериментальной медицины. 2023; 38(4): 250-259. doi: 10.29001/2073-8552-2023-38-4-250-259.

11. Прокудина Е.С., Антонова Л.В., Сенокосова Е.А., Кривкина Е.О., Синицкая А.В., Коломеец М.С., Кочергин Н.А. Исследование особенностей деградации, биосовместимости и кальцификации биоматериалов для сосудистой хирургии. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2024; 13(S4): 138-149. doi: 10.17802/2306-1278-2024-13-4S-138-149.

12. Сенокосова Е.А., Прокудина Е.С., Матвеева В.Г., Великанова Е.А., Глушкова Т.В., Кошелев В.А., Акентьева Т.Н., Антонова Л.В., Барбараш Л.С. Тканеинженерный матрикс на основе полиуретана: исследование in vitro. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2023; 12(S4): 120-130. doi: 10.17802/2306-1278-2023-12-4S-120-130.

13. Антонова Л. В., Великанова Е. А., Сенокосова Е. А., Мухамадияров Р.А., Кривкина Е.О., Кошелев В.А., Миронов А.В., Шабаев А.Р., Сардин Е.С., Прокудина Е.С., Ханова М.Ю., Барбараш Л.С. Особенности ремоделирования матриксов из полиуретана в экспериментах на модели овцы. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2023; 12(S4): 110-119. doi: 10.17802/2306-1278-2023-12-4S-110-119.

14. Chernonosova V.S., Kuzmin I.E., Shundrina I.K., Korobeynikov M.V., Golyshev V.M., Chelobanov B.P., Laktionov P.P. Effect of Sterilization Methods on Electrospun Scaffolds Produced from Blend of Polyurethane with Gelatin. J Funct Biomater. 2023; 14(2):70. doi: 10.3390/jfb14020070.

15. Li X., Li N., Fan Q., Yan K., Zhang Q., Wang D., You R. Silk fibroin scaffolds with stable silk I crystal and tunable properties. Int J Biol Macromol. 2023; 248: 125910. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2023.125910.

16. Guo J., Lu S., Zhou Y., Yang Y., Yao X., Wu G. Heat-Insulated Regenerated Fibers with UV Resistance: Silk Fibroin/Al2O3 Nanoparticles. Molecules. 2024; 29(9): 2023. doi: 10.3390/molecules29092023.