Выпуск 24-4, 2025

Оригинальная статья

https://doi.org/10.38025/2078-1962-2025-24-4-121-129

Биофункционализация альгинатного гидрогеля магнитными наночастицами: результаты экспериментального исследования

Посмотреть статью (PDF файл для скачивания)



XML файл для скачивания

ORCIDМарков П.А.1,*, ORCIDЕрёмин П.С.2, ORCIDТорлопов М.А.2, ORCIDМартаков И.С.2, ORCIDМихайлов В.И.2

1 Национальный медицинский исследовательский центр реабилитации курортологии Минздрава России, Москва, Россия
2 Институт химии Федерального исследовательского центра «Коми научный центр Уральского отделения Российской академии наук», Сыктывкар, Россия


РЕЗЮМЕ

ВВЕДЕНИЕ.  Применение гидроколлоидов и гидрогелей природного происхождения в качестве компонентов биомиметических материалов имеет существенное преимущество, поскольку такие биополимеры обладают высокой биосовместимостью. Вместе с тем масштабному внедрению природных гидрогелей в тканевую инженерию и практическую медицину препятствует сложность стандартизации структуры и химического состава этого класса биополимеров, а следовательно, трудности в прогнозировании клеточного ответа на гидрогелевые биоматериалы. Одним из способов решения данной проблемы может быть интеграция магнитных наночастиц в структуру гидрогелевых биоматериалов.

ЦЕЛЬ.  Оценить влияние наночастиц магнетита (НМ) на биосовместимость и адгезию фибробластов к поверхности альгинатного гидрогеля.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ.  Для приготовления альгинатной гидрогелевой пленки использовали 2 % водный раствор альгината натрия. Для модификации биофункциональных свойств альгинатного гидрогеля использовали НМ, обработанные лимонной кислотой. Биосовместимость материалов оценивали методами световой и люминесцентной микроскопии с использованием флюоресцентных красителей (DAPI, Rhodamine) и набора для оценки метаболической активности клеток с использованием тетразолиевого красителя (МТТ-тест).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ.  Установлено, что внесение в состав альгинатной пленки НМ сохраняет пролиферативную и метаболическую активность фибробластов. Через 48 часов инкубации количество клеток увеличивается с 30 ± 5 до 60 ± 7 шт./200 мкм2, а метаболическая активность фибробластов составляет 93 % от контрольных значений. Поверхность гибридной пленки приобретает способность поддерживать адгезию и жизнеспособность фибробластов, количество клеток на поверхности гибридной пленки более чем в 10 раз превышает количество клеток, адгезированных на альгинатной пленке. Таким образом, НМ, модифицированные лимонной кислотой, можно использовать для регуляции функциональных клеточных реакций на гидрогелевые биоматериалы растительного происхождения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.  Предложен новый способ биофункционализации альгинатного гидрогеля путем включения в его состав НМ. Интеграция НМ с природными гидрогелями и создание биоматериалов с контролируемыми структурно-механическими свойствами могут быть решением проблемы прогнозируемого клеточного ответа на гетерогенные по составу и структуре биополимеры.


КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: наночастицы магнетита, альгинат, биомиметические материалы, фибробласты, тканевая инженерия, регенеративная медицина, немедикаментозное лечение ран

ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ:

Марков П.А., Ерёмин П.С., Торлопов М.А., Мартаков И.С., Михайлов В.И. Биофункционализация альгинатного гидрогеля магнитными наночастицами: результаты экспериментального исследования. Вестник восстановительной медицины. 2025; 24(4):121–129. https://doi.org/10.38025/2078-1962-2025-24-4-121-129 [Markov P.A., Eremin P.S., Torlopov M.A., Martakov I.S., Mikhailov V.I. Use of Magnetic Nanoparticles for Biofunctionalization of Alginate Hydrogel: Experimental Study Findings. Bulletin of Rehabilitation Medicine. 2025; 24(4):121–129. https://doi.org/10.38025/2078-1962-2025-24-4-121-129 (In Russ.).] 

ДЛЯ КОРРЕСПОНДЕНЦИИ:

Марков Павел Александрович, Е-mail: markovpa@nmicrk.ru, p.a.markov@mail.ru


Список литературы:

  1. Васильева В.А., Марченкова Л.А., Ответчикова Д.И. и др. Медицинская реабилитация после травм нижних конечностей у пациентов с сахарным диабетом: обзор литературы. Вестник восстановительной медицины. 2024; 22(3): 61–68. https://doi.org/10.38025/2078-1962-2024-23-3-61-68 [Vasileva V.A., Marchenkova L.A., Otvetchikova D.I., et al. Medical Rehabilitation after Lower Limb Injuries in Patients with Diabetes Mellitus: a Review. Bulletin of Rehabilitation Medicine. 2024; 22(3): 61–68. https://doi.org/10.38025/2078-1962-2024-23-3-61-68 (In Russ.).]
  2. Carton F., Rizzi M., Canciani E. et al. Use of Hydrogels in Regenerative Medicine: Focus on Mechanical Properties. Int J Mol Sci. 2024; 25(21): 11426. https://doi.org/10.3390/ijms252111426
  3. Amadeh A., Mohebbi N., Amadeh Z., Jamshidbeigi A. Comparative Efficacy of Autolytic and Collagenase-Based Enzymatic Debridement in Chronic Wound Healing: A Comprehensive Systematic Review. Int Wound J. 2025; 22(4): e70177. https://doi.org/10.1111/iwj.70177
  4. Ahmad Z., Salman S., Khan S.A, et al. Versatility of Hydrogels: From Synthetic Strategies, Classification, and Properties to Biomedical Applications. Gels. 2022; 8(3): 167. https://doi.org/10.3390/gels8030167
  5. Tran T., Hamid Z., Cheong K. A Review of Mechanical Properties of Scaffold in Tissue Engineering: Aloe Vera Composites. J. Phys. Conf. Ser. 2018; 1082: 012080. https://doi.org/10.1088/1742–6596/1082/1/012080
  6. Lu P., Ruan D., Huang M., et al. Harnessing the potential of hydrogels for advanced therapeutic applications: current achievements and future directions. Signal Transduct Target Ther. 2024; 9(1): 166. https://doi.org/10.1088/1742–6596/1082/1/012080
  7. Марков П.А., Ерёмин П.С., Падерин Н.М. и др. Влияние биопластического материала на адгезию, рост и пролиферативную активность фибробластов человека в средах, имитирующих кислотность раневого ложа при остром и хроническом воспалении. Вестник восстановительной медицины. 2023; 22(2): 42–51. https://doi.org/10.38025/2078-1962-2023-22–2-42-51 [Markov P.A., Eremin P.S., Paderin N.M., et al. Effect of Bioplastic Material on Adhesion, Growth and Proliferative Activity of Human Fibroblasts when Incubated in Solutions Mimic the Acidity of Wound an Acute and Chronic Inflammation. Bulletin of Rehabilitation Medicine. 2023; 22(2): 42–51. https://doi.org/10.38025/2078-1962-2023-22-2-42-51 (In Russ.).]
  8. Cambria E., Brunner S., Heusser S. et al. Cell-Laden Agarose-Collagen Composite Hydrogels for Mechanotransduction Studies. Frontiers in bioengineering and biotechnology. 2020; 8:346. https://doi.org/10.3389/fbioe.2020.00346
  9. Zhang M., Sun Q., Liu Y., et al. Controllable ligand spacing stimulates cellular mechanotransduction and promotes stem cell osteogenic differentiation on soft hydrogels. Biomaterials. 2021; 268: 120543. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.120543
  10. Meli V.S., Atcha H., Veerasubramanian P.K., et al. YAP-mediated mechanotransduction tunes the macrophage inflammatory response. Science advances. 2020; 6(49): eabb8471. https://doi.org/10.1126/sciadv.abb8471
  11. Chaudhuri O., Cooper-White J., Janmey P.A., et al. Effects of extracellular matrix viscoelasticity on cellular behaviour. Nature. 2020; 584(7822): 535–546. https://doi.org/10.1038/s41586–020–2612–2
  12. Liu J., Zheng H., Poh P.S., et al. Hydrogels for Engineering of Perfusable Vascular Networks. Int J Mol Sci. 2015; 16(7): 15997–6016. https://doi.org/10.3390/ijms160715997
  13. Zhang M., Sun Q., Liu Y., et al. Controllable ligand spacing stimulates cellular mechanotransduction and promotes stem cell osteogenic differentiation on soft hydrogels. Biomaterials. 2021: 268: 120543. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.120543
  14. Raja I.S., Fathima N.N. Gelatin-Cerium Oxide Nanocomposite for Enhanced Excisional Wound Healing. ACS applied bio materials, 2018; 1(2): 487–495. https://doi.org/10.1021/acsabm.8b00208
  15. Wu P., Shen L., Liu H., et al. The marriage of immunomodulatory, angiogenic, and osteogenic capabilities in a piezoelectric hydrogel tissue engineering scaffold for military medicine. Military Medical Research. 2023; 10(1): 35. https://doi.org/10.1186/s40779-023-00469-5
  16. Chen L., Zhou X., He C. Mesoporous silica nanoparticles for tissue-engineering applications. Wiley interdisciplinary reviews. Nanomedicine and nanobiotechnology. 2019; 11(6): e1573. https://doi.org/10.1002/wnan.1573
  17. Stiufiuc G.F., Stiufiuc R.I. Magnetic Nanoparticles: Synthesis, Characterization, and Their Use in Biomedical Field. Applied Sciences. 2024; 14(4): 1623. https://doi.org/10.3390/app14041623
  18. Mikhaylov V.I., Kryuchkova A.V., Sitnikov P.A., et al. Magnetite Hydrosols with Positive and Negative Surface Charge of Nanoparticles: Stability and Effect on the Lifespan of Drosophila melanogaster. Langmuir. 2020; 36: 4405–4415. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.0c00605
  19. Arami H., Teeman E., Troksa A., et al. Tomographic magnetic particle imaging of cancer targeted nanoparticles. Nanoscale. 2017; 9(47): 18723–18730. https://doi.org/10.1039/c7nr05502a
  20. Estelrich J., Sánchez-Martín M.J., Busquets M.A. Nanoparticles in magnetic resonance imaging: from simple to dual contrast agents. International Journal of Nanomedicine. 2015; 10: 1727–1741. https://doi.org/10.2147/IJN.S76501
  21. Rarokar N., Yadav S., Saoji S., et al. Magnetic nanosystem a tool for targeted delivery and diagnostic application: Current challenges and recent advancement. International Journal of Pharmaceutics. 2024; 7: 100231. https://doi.org/10.1016/j.ijpx.2024.100231
  22. Lu Y., Wang X., Jia Y., et al. PAD4 Inhibitor-Loaded Magnetic Fe3O4 Nanoparticles for Magnetic Targeted Chemotherapy and Magnetic Resonance Imaging of Lung Cancer. International journal of nanomedicine. 2025; 20: 3031–3044. https://doi.org/10.2147/IJN.S502814
  23. Chircov C., Bejenaru I.T., Nicoară A.I., et al. Chitosan-Dextran-Glycerol Hydrogels Loaded with Iron Oxide Nanoparticles for Wound Dressing Applications. Pharmaceutics. 2022, 14(12): 2620. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics14122620
  24. Hong J., Wu D., Wang H., et al. Magnetic fibrin nanofiber hydrogel delivering iron oxide magnetic nanoparticles promotes peripheral nerve regeneration. Regenerative biomaterials. 2024; 11: rbae075. https://doi.org/10.1093/rb/rbae075
  25. Najafi P., Tamjid E., Abdolmaleki P., Behmanesh M. Thermomagneto-responsive injectable hydrogel for chondrogenic differentiation of mesenchymal stem cells. Biomaterials advances. 2025; 168: 214115. https://doi.org/10.1016/j.bioadv.2024.214115
  26. Terkawi M.A., Matsumae G., Shimizu T., et al. Interplay between Inflammation and Pathological Bone Resorption: Insights into Recent Mechanisms and Pathways in Related Diseases for Future Perspectives. Int J Mol Sci. 2022; 23(3): 1786. https://doi.org/10.3390/ijms23031786
  27. Ponzetti M., Rucci N. Updates on Osteoimmunology: What’s New on the Cross-Talk Between Bone and Immune System. Front Endocrinol (Lausanne). 2019; 10: 236. https://doi.org/10.3389/fendo.2019.00236
  28. Xu G.R., Zhang C., Yang H.X., et al. Modified citrus pectin ameliorates myocardial fibrosis and inflammation via suppressing galectin-3 and TLR4/MyD88/NF-κB signaling pathway. Biomed Pharmacother. 2020; 126: 110071. https://doi.org/10.1016/j.biopha.2020.110071
  29. Cao J., Yang J., Wang Z., Lu M., Yue K. Modified citrus pectins by UV/H2O2 oxidation at acidic and basic conditions: Structures and in vitro anti-inflammatory, anti-proliferative activities. Carbohydr Polym. 2020; 247: 116742. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.116742
  30. Hurtado A., Cano-Vicent A., Tuñón-Molina A., et al. Engineering alginate hydrogel films with poly(3-hydroxybutyrate-co-3-valerate) and graphene nanoplatelets: Enhancement of antiviral activity, cell adhesion and electroactive properties. International journal of biological macromolecules. 2022; 219: 694–708. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2022.08.039
  31. Chen X., Liu J., Bu Y., et al. Dodecyl glycoside intercalated organo-montmorillonite promoted biomimetic alginate/microcrystalline cellulose/nano-hydroxyapatite composite hydrogels for bone tissue engineering. International journal of biological macromolecules. 2025; 310(Pt 2): 143304. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2025.143304
  32. Eivazzadeh-Keihan R., Nokandeh S.M., Aliabad H.A.M., et al. Unveiling the synergy: Biocompatible alginate-cellulose hydrogel loaded with silk fibroin and zinc ferrite nanoparticles for enhanced cell adhesion, and anti-biofilm activity. International journal of biological macromolecules. 2024; 275(Pt 1): 133412. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.133412



Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.

©
Эта статья открытого доступа по лицензии CC BY 4.0. Издательство: ФГБУ «НМИЦ РК» Минздрава России.