PROPERTIES OF THE DEMINERALIZED BONE MATRIX FOR BIOENGINERY OF TISSUE

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

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. 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. 

1. Z. Liao, C.H. Wang, W.L. Cui. J Invest Surg. 2016 Apr 11:1-10. [Epub ahead of print] –

2. 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].

3. 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].

4. 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.

5. 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.

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].

7. 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].

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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].

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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].

16. 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].

17. 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].

18. Murphy S.V., Atala A. Organ engineering – combining stem cells, biomaterials, and bioreactors to produce bioengineered organs for transplantation. Bioessays. 2012; 35: 163–172,.

19. 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].