In vitro оценка эффективности остеогенной дифференцировки клеток в присутствии пластин для костной пластики челюстей из полилактида (PLA) с различным составом

Актуальность. Врачи-стоматологи-хирурги сталкиваются с необходимостью установки дентальных имплантатов для восстановления функций зубочелюстной системы у пациентов с костными дефектами разной этиологии. Одним из методов костной пластики челюстей для восстановления дефекта является применение титановых мембран, однако это подразумевает дополнительный этап — извлечение каркаса — перед проведением имплантации. Использование биорезорбируемых материалов для изготовления мембран может стать новым шагом в аугментации костной ткани челюстей, снизить риски послеоперационных осложнений и время работы хирурга. Цель. Целью данного исследования было изучить влияние разных полимерных составов индивидуальных каркасов для костной пластики на процессы пролиферации и остеогенной дифференцировки в условиях in vitro. Материалы и методы. В исследовании были подготовлены пластины размером 10 х 10 х 0,5 мм из чистого полилактида (PLA), полилактида с добавлением 15% масс. наночастиц гидроксиапатита (PLA/HA), сополимеров полилактида с гликолидом с соотношениями мономеров 60:40 и 85:15 (PLGA 60:40 и 85:15). Для оценки влияния экспериментальных образцов на процессы пролиферации и остеогенной дифференцировки клеток были использованы гингивальные фибробласты, которые культивировались в низкоглюкозной питательной среде, далее в лунки помещали образцы. Остеогенную дифференцировку индуцировали путем смены питательной среды с добавлением остеофакторов. Далее культуры клеток окрашивали ализариновым красным, интенсивность кальцификации внеклеточного матрикса измеряли с помощью спектрофотомера.
Результаты. В процессе культивирования по краям от матрицы мы наблюдали активную пролиферацию гингивальных фибробластов в присутствии экспериментальных образцов. Несмотря на то что клетки активно пролиферировали в присутствии экспериментальных образцов, их пролиферация все же была ниже, чем у контрольных клеток. Мы выявили, что интенсивность окраски ализариновым красным у образца PLA/HA оказалась выше, что свидетельствует о большей кальцификации внеклеточного матрикса. Заключение. Таким образом, при оценке эффективности остеогенной дифференцировки клеток соединительной ткани десны на модифицированных композиционных матрицах из PLA и PLA/HA, PLGA 85:15 и PLGA 60:40 было выявлено, что клетки способны к пролиферации и дифференцировке в остеогенном направлении в присутствии полимерных пластин и могли бы применяться при проведении операций по увеличению объема костной ткани в полости рта.

Relevance. In oral implantology surgeons often face the need to improve the quality and volume of alveolar bone before the implantation in patients with bone defects. One of the clinical “gold standard” method for bone augmentation is Guided bone regeneration technique with titanium meshes the main disadvantage of them is the need of the extraction before implantation. We decided to pay attention to biodegradable scaffolds. Purpose. The aim of our research is to study various compositions of customized bone grafting scaffolds on the processes of proliferation and osteogenic differentiation in vitro. Materials and methods. Plates 10 x 10 x 0.5 mm were prepared from polylactide (PLA), polylactide with the addition of 15 wt%. hydroxyapatite nanoparticles (PLA/HA), copolymers of polylactide with glycolic acid 60:40 and 85:15 (PLGA 60:40 and 85:15). We use gingival fibroblasts to assess the influence of experimental samples on the processes of proliferation and osteogenic differentiation of cells, they were cultured in a low-glucose nutrient medium, then samples were added. Osteogenic differentiation was induced by the addition of osteofactors. Cell cultures were stained with alizarin red and the intensity of extracellular matrix calcification was measured using a spectrophotometer. Results. During cultivation, we observed active proliferation of gingival fibroblasts along the edges of the matrix. Although cells were actively proliferated in the presence of experimental samples, their proliferation was still lower than in control cells. We found that the intensity of alisarin red in the PLA/HA specimen was higher, suggesting greater calcification of the extracellular matrix. Conclusions. Cells actively proliferated in the presence of experimental samples made of PLA and PLA/HA, PLGA 85:15 and PLGA 60:40, but their proliferation was lower than that of control cells. We found that the intensity of alizarin red staining was higher in the PLA/HA sample, indicating greater calcification of the extracellular matrix. Biodegradable membranes are not toxic and could be used for bone augmentation.

костная пластика челюстей, аугментация челюстей, поликлактид, титановые мембраны.

bone reconstruction, bone augmentation technics, PLA, titanium scaffolds.

/ REFERENCES:
1. Гордиенко М.Г., Каракатенко Е.Ю., Меньшутина Н.В., Актянова А.В., авторы; ФГБОУ ВО "РХТУ им. Д.И.Менделеева", патентообладатель. Биосовместимый биоразлагаемый скаффолд на основе полимерного композита, содержащего наночастицы гидроксиапатита. Пат. 2756551 Рос. Федерация. Опубл. 01.10.2021 [Gordienko MG, Karakatenko EY, Menshutina NV, Aktyanova AV, inventors: FGBOU VO “RKhTU im. DI. Mendeleev”, assignee. Biocompatible biodegradable scaffold based on polymer composite containing hydroxyapatite nanoparticles. Russian Federation patent RU 2756551. 2021 Oct 01. (in Russ.)].
2. Ferràs-Tarragó J, Sabalza-Baztán O, Sahuquillo-Arce JM, Angulo-Sánchez MÁ, Amaya-Valero J, De-La-Calva Ceinos C, Baixauli-García F. Security of 3D-printed polylactide acid piece sterilization in the operating room: a sterility test. // European Journal of Trauma and Emergency Surgery. 2022; 48(5):3895-3900. https://doi.org/10.1007/s00068-020-01564-1.
3. Hua N, Ti VL, Xu Y. Biodegradable effect of PLGA membrane in alveolar bone regeneration on beagle dog. // Cell Biochem Biophys. 2014; 70(2):1051-5. https://doi.org/10.1007/s12013-014-0022-5.
4. Ikawa H, Moroi A, Yoshizawa K, Saida Y, Hotta A, Tsutsui T, Fukaya K et al. Bone regeneration enhancement by ultra-violet (UV) treatment for uHA/PLLA absorbable mesh. // Journal of Cranio-Maxillo-Facial Surgery . 2017; 45(5):634-641. https://doi.org/10.1016/j.jcms.2017.02.001.
5. Kanno T, Sukegawa S, Furuki Y, Nariai Y, Sekine J. Overview of innovative advances in bioresorbable plate systems for oral and maxillofacial surgery. // Japanese Dental Science Review. 2018; 54(3):127-138. https://doi.org/10.1016/j.jdsr.2018.03.003.
6. Lobov A, Kuchur P, Khizhina A, Kotova A, Ivashkin A, Kostina D et al. Mesenchymal Cells Retain the Specificity of Embryonal Origin During Osteogenic Differentiation. // Stem Cells. 2024; 42(1):76-89. https://doi.org/10.1093/stmcls/sxad081.
7. Matsuo A, Chiba H, Takahashi H, Toyoda J, Abukawa H. Clinical application of a custom-made bioresorbable raw particulate hydroxyapatite/poly-L-lactide mesh tray for mandibular reconstruction. // Odontology. 2010 ;98(1):85-8. doi: 10.1007/s10266-009-0111-x. Epub 2010 Feb 16. PMID: 20155513. https://doi.org/10.1007/s10266-009-0111-x.
8. Ngo HX, Bai Y, Sha J, Ishizuka S, Toda E, Osako R et al. A Narrative Review of u-HA/PLLA, a Bioactive Resorbable Reconstruction Material: Applications in Oral and Maxillofacial Surgery. // Materials (Basel). 2021; 15(1):150. https://doi.org/10.3390/ma15010150.
9. Pérez Davila S, González Rodríguez L, Chiussi S, Serra J, González P. How to Sterilize Polylactic Acid Based Medical Devices? // Polymers (Basel). 2021; 13(13):2115. https://doi.org/10.3390/polym13132115.
10. Shea GK, Wu KL, Li IW, Leung MF, Ko AL, Tse L et al. A review of the manufacturing process and infection rate of 3D-printed models and guides sterilized by hydrogen peroxide plasma and utilized intra-operatively. // D Printing in Medicine. 2020; 6(1):7. https://doi.org/10.1186/s41205-020-00061-w.
11. Sun F, Sun X, Wang H, Li C, Zhao Y, Tian J, Lin Y. Application of 3D-Printed, PLGA-Based Scaffolds in Bone Tissue Engineering. // International Journal of Molecular Sciences. 2022; 23(10):5831. https://doi.org/10.3390/ijms23105831.
12. Tolstunov L, Hamrick JFE, Broumand V, Shilo D, Rachmiel A. Bone Augmentation Techniques for Horizontal and Vertical Alveolar Ridge Deficiency in Oral Implantology. // Oral and Maxillofacial Surgery Clinics of North America. 2019; 31(2):163-191. https://doi.org/10.1016/j.coms.2019.01.005.
13. Zhao D, Zhu T, Li J, Cui L, Zhang Z, Zhuang X, Ding J. Poly(lactic-co-glycolic acid)-based composite bone-substitute materials. // Bioactive Materials. 2020;6(2):346-360. https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2020.08.016.
14. Zhao R, Yang R, Cooper PR, Khurshid Z, Shavandi A, Ratnayake J. Bone Grafts and Substitutes in Dentistry: A Review of Current Trends and Developments. // Molecules. 2021; 26(10):3007. https://doi.org/10.3390/molecules26103007.