Функционализация кальцийфосфатных материалов биологически активными соединениями белковой природы

##plugins.themes.bootstrap3.article.sidebar##

pdf html html (English)
Опубликован: Aug 22, 2019
DOI: https://doi.org/10.18097/BMCRM00096
Ключевые слова:
β-трикальциевый фосфат; октакальциевый фосфат; биологически активные соединения; биомиметическое осаждение; функционализация

##plugins.themes.bootstrap3.article.main##

Е.А. Кувшинова
Московский научно-исследовательский онкологический институт им. П.А. Герцена – филиал «Национального медицинского исследовательского центра радиологии», 125284, Москва, 2-й Боткинский пр., 3
Н.В. Петракова
Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской Академии Наук 119334 г. Москва, Ленинский проспект, 49
Н.С. Сергеева
Московский научно-исследовательский онкологический институт им. П.А. Герцена – филиал «Национального медицинского исследовательского центра радиологии», 125284, Москва, 2-й Боткинский пр., 3
В.А. Кирсанова
Московский научно-исследовательский онкологический институт им. П.А. Герцена – филиал «Национального медицинского исследовательского центра радиологии», 125284, Москва, 2-й Боткинский пр., 3
И.К. Свиридова
Московский научно-исследовательский онкологический институт им. П.А. Герцена – филиал «Национального медицинского исследовательского центра радиологии», 125284, Москва, 2-й Боткинский пр., 3
А.Ю. Тетерина
Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской Академии Наук 119334 г. Москва, Ленинский проспект, 49
В.С. Комлев
Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской Академии Наук 119334 г. Москва, Ленинский проспект, 49
А.Д. Каприн
Московский научно-исследовательский онкологический институт им. П.А. Герцена – филиал «Национального медицинского исследовательского центра радиологии», 125284, Москва, 2-й Боткинский пр., 3

Аннотация

В последнее время активно разрабатываются подходы к функционализации кальцийфосфатных (КФ) материалов лекарственными препаратами и биологически активными соединениями с целью использования их в качестве платформы для адресной доставки в зону костного дефекта. Однако существующие технологии характеризуются низкой эффективностью инкорпорации и неудовлетворительной скоростью высвобождения препаратов из материалов, не обеспечивающей постоянный и длительный терапевтический эффект в области дефекта. Целью данной работы стала разработка эффективного способа функционализации КФ материалов биологически активными соединениями и изучение динамики их высвобождения. В работе использовали гранулированные КФ материалы октакальциевый фосфат (ОКФ), β-трикальциевый фосфат (β-ТКФ) и β-ТКФ с дополнительным КФ слоем на поверхности (β-ТКФмод.), а в качестве модельного соединения - бычий сывороточный альбумин (BSA). Инкорпорацию BSA на поверхность керамики производили совместно с биомиметическим осаждением из различных КФ буферных растворов, содержащих инкорпорируемое соединение. Эффективность инкорпорации BSA оценивали, измеряя его концентрации в растворах до и после инкубации с материалами. Динамику выхода BSA из материалов исследовали в течение 6 суток. Поверхность и структуру КФ материалов исследовали с помощью комплекса методов: сканирующей электронной микроскопии, рентгенофазового анализа, ИК-Фурье спектрального анализа, низкотемпературной адсорбции азота. В работе показано, что удельная площадь поверхности (Sуд.) ОКФ составила 5.9 м2/г, β-ТКФ – 0.5 м2/г. Модификация поверхности β-ТКФ привела к увеличению Sуд. в 1.6 раз и увеличению количества встроенного BSA на его поверхность в 3 раза. Совместная преципитация BSA и фосфатов кальция в процессе биомиметического осаждения была значительно эффективнее адсорбции BSA без использования КФ растворов. Исследование динамики высвобождения BSA из функционализированного ОКФ выявило, что в течение 6 суток наблюдения высвобождается 45% встроенного в материал белка. Таким образом, был разработан эффективный метод функционализации КФ материалов, основанный на инкорпорации биологически активных соединений совместно с биомиметическим осаждением из кальций- фосфатного раствора и обеспечивающий низкую скорость их высвобождения.

##plugins.themes.bootstrap3.article.details##

Как цитировать
Кувшинова E., Петракова N., Сергеева N., Кирсанова V., Свиридова I., Тетерина A., Комлев V., & Каприн A. (2019). Функционализация кальцийфосфатных материалов биологически активными соединениями белковой природы. Biomedical Chemistry: Research and Methods, 2(3), e00096. https://doi.org/10.18097/BMCRM00096
Выпуск
Том 2 № 3 (2019)
Раздел
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Библиографические ссылки

  1. Bigi, A., Boanini, E. (2017) Functionalized biomimetic calcium phosphates for bone tissue repair. Journal of Applied Biomaterials and Functional Materials; 15(4), 313-325. DOI
  2. Esposti, L.D., Carella, F., Adamiano, A., Tampieri, A., Iafisco, M. (2018) Calcium phosphate-based nanosystems for advanced targeted nanomedicine. Journal Drug Development and Industrial Pharmacy, 44(8),1223-1238. DOI
  3. Parent, M., Baradari, H., Champion, E., Damia, C., Viana-Trecant, M. (2017) Design of calcium phosphate ceramics for drug delivery applications in bone diseases: A review. Journal of Controlled Release, 28(252),1-17. DOI
  4. Bose, S., Tarafder, S. (2012) Calcium phosphate ceramic systems in growth factor and drug delivery for bone tissue engineering: A review. Acta Biomaterialia, 8, 1401-1421. DOI
  5. Bigi, A., Boanini, E. (2018) Calcium phosphates as delivery systems for bisphosphonates. Journal of Functional Biomaterials, 9(1), 6. DOI
  6. Li, W.M., Su, C.W., Chen, Y.W., Chen, S.Y. (2014) In situ DOX-calcium phosphate mineralized Q1 CPT-amphiphilic gelatin nanoparticle for intracellular controlled sequential release of multiple drugs. Acta Biomaterialia, 15, 191-199. DOI
  7. Chena, G., Liuc, B., Liua, H., Zhanga, H., Yanga, K., Wanga, Q., Dingb, J., Chang, F. (2018) Calcium phosphate cement loaded with 10% vancomycin delivering highearly and late local antibiotic сoncentration in vitro. Orthopaedics and traumatology: Surgery and research, 104, 1271-1275. DOI
  8. Uchida, K., Sugo, K., Nakajima, T., Nakawaki, M., Takano, S., Nagura, N., Takaso, M., Urabe, K. (2018) In Vivo release of vancomycin from calcium phosphate cement. BioMed Research International, 4560647. DOI
  9. Peter, B., Pioletti, D.P., Lairb, S., Bujoli, B., Pilet, P., Janvier, P., Guicheux, J., Zambelli, P.-Y, Bouler, J.-M., Gauthier, O. (2005) Calcium phosphate drug delivery system: influence of local zoledronate release on bone implant osteointegration. Bone, 36, 52-60. DOI
  10. Barroug, A., Kuhn, L.T., Gerstenfeld, L.C., Glimcher, M.J. (2004). Interactions of cisplatin with calcium phosphate nanoparticles: in vitro controlled adsorption and release. Journal of Orthopaedic Research, 22, 703-708. DOI
  11. Poli, E., Magnaudeix, A., Damia, C., Lalloué, F., Chaleix, V., Champion, E., Sol, V. (2019) Advanced protocol to functionalize CaP bioceramic surface with peptide sequences and effect on murine pre-osteoblast cells proliferation. Bioorganic and Medicinal Chemistry Letters, 29, 1069-1073. DOI
  12. Borcard, F., Staedler, D., Comas, H., Juillerat, F.K., Sturzenegger, P.N., Heuberger, R., Gonzenbach, U.T., Juillerat-Jeanneret, L., Gerber-Lemaire, S. (2012) Chemical functionalization of bioceramics to enhance endothelial cells adhesion for tissue engineering. Journal of Medicinal Chemistry, 27, 55(18):7988-97. DOI
  13. Dolci L.S., Panzavolta, S., Torricelli, P., Albertini, B., Sicuro, L., Fini, M., Bigi, A., Passerini, N. (2019) Modulation of Alendronate release from a calcium phosphate bone cement: An in vitro osteoblast-osteoclast co-culture study. International Journal of Pharmaceutics, 554, 245-255. DOI
  14. Stigter, M., Bezemera, J., Groot, K., Layrolle, P. (2004) Incorporation of different antibiotics into carbonated hydroxyapatite coatings on titanium implants, release and antibiotic efficacy. Journal of Controlled Release, 99, 127-137. DOI
  15. Gurin, A.N., Komlev, V.S., Fadeeva, I.V., Barinov, S.M. (2010) Octacalcium phosphate - precursor of biomineralization, novel bone scaffold. Stomatologiia, 4, 65-72.
  16. Komlev, V.S., Barinov, S.M., Bozo, I.I., Deev, R.V., Eremin, I.I., Fedotov, A.Y., Gurin, A.N., Khromova, N.V., Kopnin, P.B., Kuvshinova, E.A., Mamonov, V.E., Rybko, V.A., Sergeeva, N.S., Teterina, A.Y., Zorin, V.L. (2014) Bioceramics composed of octacalcium phosphate demonstrate enhanced biological behavior. ACS Applied Materials and Interfaces, 6, 16610−16620. DOI
  17. Dorozhkin, S.V. (2013) Calcium orthophosphate-based bioceramics. Materials, 6 (9), 3840-3942. DOI
  18. Navarro, M., Michiardi, A., Castano, O., Pianeil, J.A. (2008) Biomaterials in orthopaedies. Journal of the Royal Society Interface, 5, 1137-1158. DOI
  19. Lin, X., Groot, K., Wang, D., Hu, D., Wismeijer, D., Liu, Y. (2015) A review paper on biomimetic calcium phosphate coatings. The Open Biomedical Engineering Journal, 9, 56-64. DOI
  20. Su, Y., Luo, C., Zhang, Z., Hermawan, H., Zhu, D., Huang, J., Liang, Y., Li, G., Ren, L. (2018) Bioinspired surface functionalization of metallic biomaterials. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 77, 90-105. DOI
  21. Lee, J.Y., Choi, B., Wu, B., Lee, M. (2013) Customized biomimetic scaffolds created by indirect three-dimensional printing for tissue engineering. Biofabrication, 5, 045003. DOI
  22. Habibovic, P., Van Der Valk, C.M., Van Blitterswijk, C.A., De Groot, K. (2004) Influence of octacalcium phosphate coating on osteoinductive properties of biomaterials. Journal of materials science: materials in medicine, 15, 373-380.
  23. Shin, K., Acri, T., Geary, S., Salem, A.K. (2017) Biomimetic mineralization of biomaterials using simulated body fluids for bone tissue engineering and regenerative medicine. Tissue engineering, 23(19-20), 1169-1180. DOI
  24. Mirhadi, B., Mehdikhani, B., Askari, N. (2011) Synthesis of nano-sized β-tricalcium phosphate via wet precipitation. Processing and Application of Ceramics, 5(4), 193-198. DOI
  25. Fadeeva, I.V., Gafurov, M.R., Filippov, Ya.Yu., Davydova, G.A., Savintseva, I.V., Fomin, A.S, Petrakova, N.V., Antonova, O.S., Ahmetov, L.I., Gabbasov, B.F., Izotov, V.V., Orlinsky, S.B., Barinov, S.M. (2016) Copper-substituted tricalcium phosphates. Doklаdy Chemistry, 471(2), 384-387. DOI
  26. Fadeeva, I.V., Fomin, A.S., Barinov, S.M., Petrakova, N.V. (2016) Rus Patent 2578435. A61L27/02, A61L27/10, A61F2/28. The method of obtaining porous ceramics from calcium phosphates for the treatment of bone defects № 2015112518A.
  27. Komlev, V.S., Fedotov, A.Y. (2016) Rus Patent 2596504. A61L27/12, A61K6/00, A61F2/28, C35/447. The method of obtaining ceramics composed on octacalcium phosphate. № 2015122276.
  28. Termine, J.D., Posner, A.S. (1966) Infra-red determination of the percentage of crystallinity in apatitic calcium phosphates. Nature, 211, 6268.
  29. Tarasovich, B.N. (2012) IR spectra of the main classes of organic compounds. Reference materials. Lomonosov Moscow State University.
  30. Yu X., Qu, H., Knecht, D., Wei, M. (2009). Incorporation of bovine serum albumin into biomimetic coatings on titanium with high loading efficacy and its release behavior. Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 20 (1), 287-294. DOI
  31. Liu, Y., Hunziker, E.B., Layrolle, P., Bruijn, J.D., De Groot, K. (2004) Bone morphogenetic protein 2 incorporated into biomimetic coatings retains its biological activity. Tissue engineering, 10(1-2), 101-108.
  32. Liu, Y., De Groot, K., Hunziker, E.B. (2005) BMP-2 liberated from biomimetic implant coatings induces and sustains direct ossification in an ectopic rat model. Bone, 36, 745 - 757.
  33. Yu, X., Qu, H., Knecht, D.A., Wei, M. (2009) Incorporation of bovine serum albumin into biomimetic coatings on titanium with high loading efficacy and its release behavior. Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 20, 287-294. DOI
  34. Forsgren, J., Brohede, U., Stromme, M., Engqvist, H.K. (2011) Co-loading of bisphosphonates and antibiotics to a biomimetic hydroxyapatite coating. Biotechnology Letters, 33, 1265-1268. DOI
  35. Eliaz, N.,Metoki, N. (2017). Calcium phosphate bioceramics: A review of their history, structure, properties, coating technologies and biomedical applications. Materials, 10(4), 334. DOI
  36. Ducheyne, P., Qiu, Q. (1999) The effect of surface reactivity on bone formation and bone cell function. Biomaterials, 20, 2287-2303.
  37. Veresov, A.G., Putlyaev, V.I., Tretyakov, Y.D. (2004). Chemistry of inorganic biomaterials based on calcium phosphate. Russian Chemical Journal, XLVIII(4), 52-64.
  38. Vasserman, I.M. (1980) Chemical precipitation from solutions. L.: Chemistry.
  39. Barrere, F., Blitterswijk, C.A., De Groot, K., Layrolle, P. (2002) Nucleation of biomimetic Ca-P coatings on Ti6Al4V from a SBF_5 solution: influence of magnesium. Biomaterials, 23, 2211-2220.
  40. Barrere, F., Blitterswijk, C.A., De Groot, K., Layrolle, P. (2002) Influence of ionic strength and carbonate on the Ca-P coating formation from SBF_5 solution. Biomaterials, 23, 1921 - 1930.