Выпуск 23-5, 2024

Обзорная статья

https://doi.org/10.38025/2078-1962-2024-23-5-97-107

Остеопластические биоматериалы из органических и минеральных компонентов костного матрикса: обзор литературы

Посмотреть статью (PDF файл для скачивания)



XML файл для скачивания

1ORCIDМарков П.А.,  1,*ORCIDЕрёмин П.С.,  1ORCIDБерёзкина Е.С.,1ORCIDВолкова М.В., 1ORCIDУсова И.А.,1ORCIDГильмутдинова И.Р.

1ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр реабилитации и курортологии» Минздрава России, Москва, Россия


РЕЗЮМЕ

ВВЕДЕНИЕ. Кости человека и животных обладают уникальной способностью к ремоделированию. Способность к постоянному обновлению костной ткани обусловливает заживление переломов и адаптацию костей к механическим нагрузкам. Однако про цесс самовосстановления кости эффективен только при дефектах некритического размера. При сегментарных и критических дефектах требуется эндогенная стимуляция регенерации костной ткани. В связи с этим сохраняется потребность в конструи ровании остеопластических биоматериалов с улучшенным прорегенеративным действием. С каждым годом появляются все новые данные, расширяющие наши представления о способах и механизмах стимуляции восстановления костной ткани с ис пользованием искусственных остеопластических материалов.
ЦЕЛЬ. Характеристика современных методов конструирования биомиметических материалов из органических и минеральных компонентов костного матрикса.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ. Литературный обзор проводился по базам данных PubMed и ScienceDirect. Даты запросов — май июль 2024 г., глубина запроса — 1965–2024 гг.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ОБЗОРА. Эффективное применение костных полимеров для создания биомиметических остеопла стических материалов возможно только при понимании принципов молекулярно-клеточного взаимодействия биополимеров с костными клетками и тканями. К настоящему времени установлено, что способность коллагена оказывать влияние на функци ональную активность клеток, участвующих в репаративной регенерации костной ткани, обусловлена наличием в его структуре особых паттернов — сайтов связывания с клеточными рецепторами, которые образованы определенной последовательно стью аминокислот в полипептидной цепи коллагена. В случае с неорганическим костным материалом функционально значи мыми элементами являются химический состав и кристаллическая структура солей ФК. Сравнительно новым и актуальным направлением в конструировании остеопластических материалов является придание им биомиметических свойств. На моле кулярном уровне этот подход реализуется с использованием биохимических методов, например, внутрифибриллярной и экс трафибриллярной минерализации фибрилл коллагена. На тканевом и органном уровне биомимикрия достигается благодаря применению технологий трехмерной биопечати.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Таким образом, благодаря достижениям в области биологии, физики, химии и технических наук удалось раз работать новые технологии конструирования остеопластических материалов, имитирующих структуру и функцию нативной костной ткани. Применение биоматериалов, созданных с использованием принципов биомиметики, повышает эффективность восстановления повреждений костной ткани.


КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: коллаген, гидроксиапатит, трикальцийфосфаты, биокомпозиты, биокерамика

ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ: Данное исследование не было поддержано никакими внешними источниками финансирования.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ: Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ:

Марков П.А., Ерёмин П.С., Берёзкина Е.С., Волкова М.В., Усова. И.А., Гильмутдинова И.Р. Остеопластические биоматериалы из органических и минеральных компонентов костного матрикса: обзор литературы. Вестник восстановительной медицины. 2024; 23(5):97-107. https://doi.org/10.38025/2078-1962-2024-23-5-97-107 [Markov P.A., Eremin P.S., Berezkina E.S., Volkova M.V., Usova I.A., Gilmutdinova I.R. Osteoplastic Biomaterials from Organic and Mineral Components of the Bone Matrix: a Literature Review. Bulletin of Rehabilitation Medicine. 2024; 23(5):97-107. https://doi.org/10.38025/2078-1962-2024-23-5-97-107 (In Russ.).]

ДЛЯ КОРРЕСПОНДЕНЦИИ:

Ерёмин Пётр Серафимович, E-mail: ereminps@gmail.com, EreminPS@nmicrk.ru


Список литературы:

  1. Florencio-Silva R., Sasso G.R., Sasso-Cerri E., et al. Biology of Bone Tissue: Structure, Function, and Factors That Influence Bone Cells. Biomedical Research International. 2015; 2015: 421746. https://doi.org/10.1155/2015/421746
  2. Rossi N., Hadad H., Bejar-Chapa M., et al. Bone Marrow Stem Cells with Tissue-Engineered Scaffolds for Large Bone Segmental Defects: A Systematic Review. Tissue Engineering Part B Rev. 2023; 29(5): 457–472. https://doi.org/10.1089/ten.TEB.2022.0213
  3. Intravaia J.T., Graham T., Kim H.S., et al. Smart Orthopedic Biomaterials and Implants. Current opinion in biomedical engineering. 2023; 25: 100439. https://doi.org/10.1016/j.cobme.2022.100439
  4. Cárdenas-Aguazaco W., Lara-Bertrand A. L., Prieto-Abello L., et al. Exploring calcium-free alternatives in endochondral bone repair tested on In vivo trials - A review. Regenerative therapy. 2024; 26: 145–160. https://doi.org/10.1016/j.reth.2024.05.017
  5. Khan M.U.A., Aslam M.A., Bin Abdullah M.F., et al. Recent perspective of polymeric biomaterial in tissue engineering — a review. Materials Today Chemistry. 2023; 34: 101818. https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2023.101818
  6. Al Mahmud M.Z., Mobarak M.H., Hossain N., et al. Emerging breakthroughs in biomaterials for orthopedic applications: A comprehensive review. Bioprinting. 2023; 36: e00323. https://doi.org/10.1016/j.bprint.2023.e00323
  7. Battafarano G., Rossi M., De Martino V., et al. Strategies for Bone Regeneration: From Graft to Tissue Engineering. International Journal of Molecular Sciences. 2021; 22(3): 1128. https://doi.org/10.3390/ijms2203112810.3390/ijms22031128
  8. Senn N. Senn on the Healing of Aseptic Bone Cavities by Implantation of Antiseptic Decalcified Bone. Annals Surgery. 1889; 10(5): 352–368. https://doi.org/10.1097/00000658-188907000-00043
  9. Urist M.R. Bone: formation by autoinduction. Science. 1965; 150(3698): 893–899. https://doi.org/10.1126/science.150.3698.893
  10. Katz M.S., Ooms M., Heitzer M., et al. Postoperative Morbidity and Complications in Elderly Patients after Harvesting of Iliac Crest Bone Grafts. Medicina (Kaunas). 2021; 57(8): 759. https://doi.org/10.3390/medicina57080759
  11. Zhang H., Yang L., Yang X.G., et al. Demineralized Bone Matrix Carriers and their Clinical Applications: An Overview. Orthopaedic Surgery. 2019; 11(5): 725–737. https://doi.org/10.1111/os.12509
  12. Sorushanova A., Delgado L.M., Wu Z., et al. The Collagen Suprafamily: From Biosynthesis to Advanced Biomaterial Development. Advanced Materials. 2019; 31(1): e1801651. https://doi.org/10.1002/adma.201801651
  13. Siadat S.M., Ruberti J.W. Mechanochemistry of collagen. Acta Biomaterials. 2023; 163: 50–62. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2023.01.025
  14. Salvatore L., Gallo N., Natali M.L., et al. Mimicking the Hierarchical Organization of Natural Collagen: Toward the Development of Ideal Scaffolding Material for Tissue Regeneration. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2021; 9: 644595. https://doi.org/10.3389/fbioe.2021.644595
  15. Mikhailov O.V. Gelatin as It Is: History and Modernity. International Journal of Molecular Sciences. 2023; 24(4): 3583. https://doi.org/10.3390/ijms24043583
  16. Lin K., Zhang D., Macedo M.H., et al. Advanced collagen-based biomaterials for regenerative biomedicine. Advanced Functional Materials. 2019; 29: 1804943. https://doi.org/10.1002/adfm.201804943
  17. Hoop C.L., Zhu J., Nunes A.M., et al. Revealing Accessibility of Cryptic Protein Binding Sites within the Functional Collagen Fibril. Biomolecules. 2017; 7(4): 76. https://doi.org/10.3390/biom7040076
  18. Ghatak S., Niland S., Schulz J.N., et al. Role of Integrins α1β1 and α2β1 in Wound and Tumor Angiogenesis in Mice. American Journal of Pathology. 2016; 86(11): 3011–3027. https://doi.org/10.1016/j.ajpath.2016.06.021
  19. Zhou L., Hinerman J.M., Blaszczyk M., et al. Structural basis for collagen recognition by the immune receptor OSCAR. Blood. 2016; 127(5): 529–537. https://doi.org/10.1182/blood-2015-08-667055
  20. Joyce K., Fabra G.T., Bozkurt Y., Pandit A. Bioactive potential of natural biomaterials: identification, retention and assessment of biological properties. Signal Transduction and Targeted Therapy. 2021; 6(1): 122. https://doi.org/10.1038/s41392-021-00512-8
  21. Kang J.I., Park K.M. Advances in gelatin-based hydrogels for wound management. Journal of Materials Chemistry B. 2021; 9(6): 1503–1520. https://doi.org/10.1039/D0TB02582H
  22. Feng Y., Qin S., Yang Y., et al. A functional hydrogel of dopamine-modified gelatin with photothermal properties for enhancing infected wound healing. Colloids and surfaces. B, Biointerfaces. 2024; 241: 114058. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2024.114058
  23. Cui B., Zhang C., Gan B., et al. Collagen-tussah silk fibroin hybrid scaffolds loaded with bone mesenchymal stem cells promote skin wound repair in rats. Materials science and engineering. C, Materials for biological applications. 2020; 109: 110611. https://doi.org/10.1016/j.msec.2019.110611
  24. Hong C., Chung H., Lee G., et al. Remendable Cross-Linked Alginate/Gelatin Hydrogels Incorporating Nanofibers for Wound Repair and Regeneration. Biomacromolecules. 2024; 25(7): 4344–4357. https://doi.org/10.1021/acs.biomac.4c00406
  25. Qin D., Wang N., You X.G., et al. Collagen-based biocomposites inspired by bone hierarchical structures for advanced bone regeneration: ongoing research and perspectives. Biomaterial Science. 2022; 10(2): 318–353. https://doi.org/10.1039/d1bm01294k
  26. Maternini M., Guttadauro A., Mascagni D., et al. Non cross-linked equine collagen (Salvecoll-E gel) for treatment of complex ano-rectal fistula. Asian Journal of Surgery. 2019; 43: 401–404. https://doi.org/10.1016/j.asjsur.2019.06.009
  27. Rezvani Ghomi E., Nourbakhsh N., Akbari Kenari M., et al. Collagen-based biomaterials for biomedical applications. Journal of biomedical materials research. Part B, Applied biomaterials. 2021; 109(12): 1986–1999. https://doi.org/10.1002/jbm.b.34881
  28. Wang Y., Wang Z., Dong Y. Collagen-Based Biomaterials for Tissue Engineering. ACS biomaterials science & engineering. 2023; 9(3): 1132–1150. https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.2c00730
  29. Dawson E., Bae H.W., Burkus J.K., et al. Recombinant human bone morphogenetic protein-2 on an absorbable collagen sponge with an osteoconductive bulking agent in posterolateral arthrodesis with instrumentation. A prospective randomized trial. Journal of bone and joint surgery. 2009; 91(7): 1604–1613. https://doi.org/10.2106/JBJS.G.01157
  30. Lu H., Kawazoe N., Kitajima T., et al. Spatial immobilization of bone morphogenetic protein-4 in a collagen-PLGA hybrid scaffold for enhanced osteoinductivity. Biomaterials. 2012; 33(26): 6140–6146. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2012.05.038
  31. Oryan A., Alidadi S., Moshiri A., Bigham-Sadegh A. Bone morphogenetic proteins: a powerful osteoinductive compound with non-negligible side effects and limitations. Biofactors. 2014; 40(5): 459–481. https://doi.org/10.1002/biof.1177
  32. Salvatore L., Gallo N., Natali M.L. et al. Marine collagen and its derivatives: Versatile and sustainable bio-resources for healthcare. Materials Science & Engineering C-Materials for Biological Applications. 2020; 113: 110963. https://doi.org/10.1016/j.msec.2020.110963
  33. Song J.E., Thangavelu M., Choi J., et al. Bone Regeneration Using Duck’s Feet-Derived Collagen Scaffold as an Alternative Collagen Source. Advances in Experimental Medicine and Biology. 2020; 1250: 3–13. https://doi.org/10.1007/978-981-15-3262-7_1
  34. Lim D.J. Bone Mineralization in Electrospun-Based Bone Tissue Engineering. Polymers (Basel). 2022; 14(10): 2123. https://doi.org/10.3390/polym14102123
  35. Takagi S., Chow L.C., Ishikawa K. Formation of hydroxyapatite in new calcium phosphate cements. Biomaterials. 1998; 19(17): 1593–1599. https://doi.org/10.1016/S0142-9612(97)00119-1
  36. Jeong J., Kim J.H., Shim J.H., et al. Bioactive calcium phosphate materials and applications in bone regeneration. Biomaterials research. 2019; 23: 4. https://doi.org/10.1186/s40824-018-0149-3
  37. Hou X., Zhang L., Zhou Z., et al. Calcium Phosphate-Based Biomaterials for Bone Repair. Journal of Functional Biomaterials. 2022; 13(4): 187. https://doi.org/10.3390/jfb13040187
  38. Ambard A.J., Mueninghoff, L. Calcium Phosphate Cement: Review of Mechanical and Biological Properties. Journal of Prosthodontics. 2006; 15: 321–328. https://doi.org/10.1111/j.1532-849X.2006.00129.x
  39. Ramesh N., Moratti S.C., Dias G.J. Hydroxyapatite-polymer biocomposites for bone regeneration: A review of current trends. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials. 2018; 106(5): 2046–2057. https://doi.org/10.1002/jbm.b.33950
  40. Samavedi S., Whittington A.R., Goldstein A.S. Calcium phosphate ceramics in bone tissue engineering: a review of properties and their influence on cell behavior. Acta Biomaterials. 2013; 9(9): 8037–8045. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2013.06.014
  41. Xiao D., Zhang J., Zhang C., et al. The role of calcium phosphate surface structure in osteogenesis and the mechanisms involved. Acta Biomaterialia. 2020; 106: 22–33. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2019.12.034
  42. Katebifar S., Arul M., Abdulmalik S., et al. Novel high-strength polyester composite scaffolds for bone regeneration. Polymers for advanced technologies. 2023; 34(12): 3770–3791. https://doi.org/10.1002/pat.6178
  43. 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. International Journal of Molecular Sciences. 2022; 23(3): 1786. https://doi.org/10.3390/ijms23031786
  44. Ponzetti M., Rucci N. Updates on Osteoimmunology: What’s New on the Cross-Talk Between Bone and Immune System. Frontiers in Endocrinology 2019; 10: 236. https://doi.org/10.3389/fendo.2019.00236
  45. Mariani E., Lisignoli G., Borzì R.M., Pulsatelli L. Biomaterials: Foreign Bodies or Tuners for the Immune Response? International journal of molecular sciences. 2019; 20(3): 636. https://doi.org/10.3390/ijms20030636
  46. Gou M., Wang H., Xie H., Song, H. Macrophages in guided bone regeneration: potential roles and future directions. Frontiers in immunology. 2024; 15: 1396759. https://doi.org/10.3389/fimmu.2024.1396759
  47. Chen X., Wang M., Chen F., et al. Correlations between macrophage polarization and osteoinduction of porous calcium phosphate ceramics. Acta Biomaterials. 2020; 103: 318–332. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2019.12.019
  48. Li M., Guo X., Qi W., et al. Macrophage polarization plays roles in bone formation instructed by calcium phosphate ceramics. Journal of Materials Chemistry B. 2020; 8(9): 1863–1877. https://doi.org/10.1039/C9TB02932J
  49. Shang L., Shao J., Ge S. Immunomodulatory Properties: The Accelerant of Hydroxyapatite-Based Materials for Bone Regeneration. Tissue Engineering Methods (Part C). 2022; 28(8): 377–392. https://doi.org/10.1089/ten.tec.2022.00111112
  50. Nie Z., Hu Z., Guo X., et al. Genesis of osteoclasts on calcium phosphate ceramics and their role in material-induced bone formation. Acta Biomaterials. 2023; 157: 625–638. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2022.11.005
  51. Pearson J.J., Gerken N., Bae C., et al. In vivo hydroxyapatite scaffold performance in infected bone defects. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials. 2020; 108(3): 1157–1166. https://doi.org/10.1002/jbm.b.34466
  52. Hu C., Zilm M., Wei M. et al. Fabrication of intrafibrillar and extrafibrillar mineralized collagen/apatite scaffolds with a hierarchical structure. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 2016; 104(5): 1153–1161. https://doi.org/10.1002/jbm.a.35649
  53. Zou L., Zhang Y., Liu X., et al. Biomimetic mineralization on natural and synthetic polymers to prepare hybrid scaffolds for bone tissue engineering. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2019; 178: 222–229. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2019.03.004
  54. Hu C., Zhang L., Wei M. Development of biomimetic scaffold woth both intrafibrilar and extrafibrillar mineralization. ACS Biomaterials Science & Engineering. 2015; 1(8): 669–676. https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.5b00088
  55. Ciocca L., Lesci I.G., Mezini O., et al. Customized hybrid biomimetic hydroxyapatite scaffold for bone tissue regeneration. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials. 2017; 105(4): 723–734. https://doi.org/10.1002/jbm.b.33597
  56. Xu S.J., Qiu Z.Y., Wu J.J., et al. Osteogenic differentiation gene expression profiling of hMSCs on hydroxyapatite and mineralized collagen. Tissue Engineering Part A. 2016; 22(2): 170–181. https://doi.org/10.1089/ten.tea.2015.0237
  57. Qiu Z.Y., Cui Y., Tao C.S., et al. Mineralized collagen: rationale, current status, and clinical applications. Materials (Basel). 2015; 8(8): 4733–4750. https://doi.org/10.3390/ma8084733
  58. Khalaf A.T., Wei Y., Wan J., et al. Bone Tissue Engineering through 3D Bioprinting of Bioceramic Scaffolds: A Review and Update. Life (Basel). 2022; 12(6): 903. https://doi.org/10.3390/life12060903
  59. Abbadessa A., Ronca A., Salerno, A. Integrating bioprinting, cell therapies and drug delivery towards in vivo regeneration of cartilage, bone and osteochondral tissue. Drug delivery and translational research. 2024; 14(4): 858–894. https://doi.org/10.1007/s13346-023-01437-1
  60. Saberi A., Kouhjani M., Mohammadi M., Hosta-Rigau L. Novel scaffold platforms for simultaneous induction osteogenesis and angiogenesis in bone tissue engineering: a cutting-edge approach. Journal of nanobiotechnology. 2023; 21(1): 351. https://doi.org/10.1186/s12951-023-02115-7
  61. Yuan X., Zhu W., Yang Z., et al. Recent Advances in 3D Printing of Smart Scaffolds for Bone Tissue Engineering and Regeneration. Advanced Materials. 2024; e2403641. https://doi.org/10.1002/adma.202403641
  62. van der Heide D., Cidonio G., Stoddart M.J., D’Este M. 3D printing of inorganic-biopolymer composites for bone regeneration. Biofabrication. 2022; 14(4): 10.1088/1758-5090/ac8cb2. https://doi.org/10.1088/1758-5090/ac8cb2



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.