cardiotomskСибирский журнал клинической и экспериментальной медициныSiberian Journal of Clinical and Experimental Medicine2713-29272713-265XTSU publishing10.29001/2073-8552-2023-38-1-140-150cardiotomsk-1722Research ArticleЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ. Тканевая биоинженерияEXPERIMENTAL INVESTIGATIONS. Tissue bioengineeringПервые результаты создания гибридного гидрогеля на основе фибрина и поливинилового спирта: сравнение с монокомпонентными гидрогелямиThe first results of obtaining a hybrid hydrogel based on fibrin and polyvinyl alcohol: comparison with monocomponent hydrogelshttps://orcid.org/0000-0002-9430-937XСенокосоваЕ. А.SenokosovaE. A.

Сенокосова Евгения Андреевна - кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории клеточных технологий.

650002, Кемерово, Сосновый бульвар, 6

Evgenia A. Senokosova - Cand. Sci. (Biol.), Research Scientist, Laboratory of Cell Technologies, Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases.

6, Sosnovy Boulevard, Kemerovo, 650002

sergeewa.ew@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4405-8904РезвоваМ. А.RezvovaM. A.

Резвова Мария Александровна - младший научный сотрудник лаборатории новых биоматериалов.

650002, Кемерово, Сосновый бульвар, 6

Maria A.  Rezvova - Junior  Research  Scientist,  Laboratory  for  Novel Biomaterials, Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases.

6, Sosnovy Boulevard, Kemerovo, 650002

rezvovama@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-0195-8803СевостьяноваВ. В.SevostyanovaV. V.

Севостьянова Виктория Владимировна - кандидат медицинских наук, научный сотрудник лаборатории  клеточных технологий.

650002, Кемерово, Сосновый бульвар, 6

Viktoria V. Sevostyanova - Cand. Sci. (Med.), Research Scientist, Laboratory of Cell Technologies, Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases.

6, Sosnovy Boulevard, Kemerovo, 650002

sevostv@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-4146-3373МатвееваВ. Г.MatveevaV. G.

Матвеева Вера Геннадьевна - кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник лаборатории  клеточных технологий.

650002, Кемерово, Сосновый бульвар, 6

Vera G. Matveeva - Cand. Sci. (Med.), Senior Research Scientist, Laboratory of Cell Technologies. Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases.

6, Sosnovy Boulevard, Kemerovo, 650002

matveeva_vg@mail.ruНаучно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеванийРоссияResearch Institute for Complex Issues of Cardiovascular DiseasesRussian Federation202309042023381140150Copyright © Сенокосова Е.А., Резвова М.А., Севостьянова В.В., Матвеева В.Г., 20232023Сенокосова Е.А., Резвова М.А., Севостьянова В.В., Матвеева В.Г.Senokosova E.A., Rezvova M.A., Sevostyanova V.V., Matveeva V.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.sibjcem.ru/jour/article/view/1722

Фибрин крайне перспективен в тканевой инженерии. Однако он лишён необходимых физико-механических характеристик при создании материалов для нужд сердечно-сосудистой хирургии. Получение гибридного гидрогеля с взаимопроникающей сетью на основе фибрина и поливинилового спирта может улучшить свойства фибрина, в частности, повысить физико-механические характеристики и уменьшить склонность к усадке.

Цель – выполнить последовательную полимеризацию фибрина и поливинилового спирта для получения гибридного гидрогеля и изучить его свойства в сравнении с монокомпонентными гидрогелями.

Материал и методы

Материал и методы. Из периферической крови пациентов методом этаноловой преципитации выделяли фибриноген, к нему добавляли поливиниловый спирт, растворенный в физиологическом растворе. Сначала инициировали полимеризацию фибрина, добавляя в раствор хлорид кальция. После следовал этап криоструктурирования поливинилового спирта циклами заморозки, разморозки и оттаивания. Таким образом, были приготовлены гибридные гидрогели на основе фибрина и поливинилового спирта и образцы из чистого фибрина и чистого поливинилового спирта. Изучали структуру гидрогелей, физико-механические свойства, усадку и биологическую активность. Статистическую обработку проводили в программе GraphPad Prism 6.

Результаты

Результаты. 3-D структура гибридного гидрогеля представлена сочетанием полигональных полостей поливинилового спирта, оплетенных сетью тонких фибриновых волокон. Распределение компонентов было равномерным в толще образцов, тогда как на поверхности преобладал поливиниловый спирт. Удлинение (247 (220,0; 293,2) %; р = 0,0005) и модуль Юнга (0,09 (0,11; 0,13) мПа; р = 0,0001) гибридного гидрогеля были статистически значимо выше относительно значений фибрина. Гибридный гидрогель не дал усадку, в отличие от фибрина, который усел в 11 раз. Количество адгезированных эндотелиальных клеток на матрицах из гибридного гидрогеля было в 8 раз выше, чем на поливиниловом спирте, но в 10 раз меньше, чем на фибрине. Пролиферативная активность клеток на поливиниловом спирте отсутствовала, на IPN-гидрогеле отмечено 13,6% пролиферирующих клеток, на фибрине 59,52%.

Заключение

Заключение. Способ последовательной полимеризации IPN-гидрогеля фибрина и поливинилового спирта дает равномерное распределение волокон в толще материала и позволяет получать гидрогели с улучшенными механическими свойствами, отсутствием склонности к усадке. Но перераспределение компонентов на поверхности гибридного гидрогеля в пользу поливинилового спирта с поддержанием относительно низкой адгезионности материала диктует необходимость проведения дальнейших экспериментов по созданию оптимальных условий для жизнедеятельности клеток.

Fibrin  displays  promising  characteristics  for tissue  engineering.  However,  it has suboptimal  physical  and mechanical properties when used as a material for cardiovascular applications. Obtaining an interpenetrating polymer network (IPN) hydrogel based on fibrin and polyvinyl alcohol (PVA) can improve the physical and mechanical characteristics and shrink behavior of fibrin.

Aim

Aim: To perform sequential polymerization of fibrin and PVA to obtain IPN hydrogel and analyze its properties in comparison with monocomponent hydrogels.

Material and Methods

Material and Methods. Fibrinogen was isolated from the peripheral blood of patients using ethanol precipitation, then polyvinyl alcohol dissolved in saline was added to it. First, fibrin polymerization was initiated by adding calcium chloride to the solution. Then, it was followed by polyvinyl alcohol undergoing freeze–thaw cycles. Thus, a hydrogel based on fibrin and PVA, samples from pure fibrin and pure polyvinyl alcohol were prepared. We studied the structure of hydrogels, their physical and mechanical properties, shrink behavior and biological activity. Statistical data processing was carried out using the GraphPad Prism 6 software.

Results

Results. 3D structure of the hydrogel is presented by polyvinyl alcohol polygonal cavities with a network of thin fibrin fibers. The distribution of components was equal in the inside of the samples, while polyvinyl alcohol prevails on the surface. Elongation (247 (220.0; 293.2)%; p = 0.0005) and Young’s modulus (0.09 (0.11; 0.13) mPa; p = 0.0001) of the hydrogel were statistically significantly higher compared to fibrin values. The hydrogel did not shrink, unlike fibrin that shrunk (11-fold decrease in volume). The number of adherent endothelial cells on the hydrogel matrices was 8 times higher than on polyvinyl alcohol, but 10 times lower than on fibrin. There was no proliferative activity of cells on polyvinyl alcohol, but 13.6% of proliferating cells were noted on the IPN hydrogel, and 59.52% on fibrin

Conclusion

Conclusion. Using sequential polymerization to obtain the IPN hydrogel based on fibrin and polyvinyl alcohol provides an equal distribution of fibers in the thickness of the material, making it possible to obtain hydrogels with improved mechanical properties and shrink behavior. However, the components on the surface of the IPN hydrogel need to be redistributed - more polyvinyl alcohol should be added still maintaining a relatively low adhesiveness of the material. Therefore further research is necessary to create the most optimal conditions for cell activity.

фибринполивиниловый спиртбиоматериалыбиосовместимостьэндотелиальные клеткиfibrinpolyvinyl alcoholbiomaterialsbiocompatibilitendothelial cellsИсследование выполнено в рамках фундаментальной темы Научно-исследовательского института комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний № 0419-2022-0001 «Молекулярные, клеточные и биомеханические механизмы патогенеза сердечно-сосудистых заболеваний в разработке новых методов лечения заболеваний сердечно-сосудистой системы на основе персонифицированной фармакотерапии, внедрения малоинвазивных медицинских изделий, биоматериалов и тканеинженерных имплантатов».This research was funded by the Complex Program of Basic Research under the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences within the Basic Research Topic of Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases No. 0419-2022-0001 “Molecular, cellular and biomechanical mechanisms of the pathogenesis of cardiovascular diseases in the development of new treatment methods based on personalized pharmacotherapy, minimally invasive medical devices, biomaterials and tissue-engineered implants”.ReferencesChlupáč J., Filová E., Riedel T., Houska M., Brynda E., Remy-Zolghadri M. et al. Attachment of human endothelial cells to polyester vascular grafts: pre-coating with adhesive protein assemblies and resistance to short-term shear stress. Physiol. Res. 2014;63(2):167–177. DOI: 10.33549/physiolres.932577.Chlupáč J., Filová E., Riedel T., Houska M., Brynda E., Remy-Zolghadri M. et al. Attachment of human endothelial cells to polyester vascular grafts: pre-coating with adhesive protein assemblies and resistance to short-term shear stress. Physiol. Res. 2014;63(2):167–177. DOI: 10.33549/physiolres.932577.Filová E., Brynda E., Riedel T., Chlupáč J., Vandrovcová M., Svindrych Z. et al. Improved adhesion and differentiation of endothelial cells on surface-attached fibrin structures containing extracellular matrix proteins. J. Biomed. Mater. Res. Part A. 2014;102(3):698–712. DOI: 10.1002/jbm.a.34733.Filová E., Brynda E., Riedel T., Chlupáč J., Vandrovcová M., Svindrych Z. et al. Improved adhesion and differentiation of endothelial cells on surface-attached fibrin structures containing extracellular matrix proteins. J. Biomed. Mater. Res. Part A. 2014;102(3):698–712. DOI: 10.1002/jbm.a.34733.Marinaro F., Silva J.M., Barros A.A., Aroso I.M., Gómez-Blanco J.C., Jardin I. et al. A fibrin coating method of polypropylene meshes enables the adhesion of menstrual blood-derived mesenchymal stromal cells: a new delivery strategy for stem cell-based therapies. Int. J. Mol. Sci. 2021;22(24):13385. DOI: 10.3390/ijms222413385.Marinaro F., Silva J.M., Barros A.A., Aroso I.M., Gómez-Blanco J.C., Jardin I. et al. A fibrin coating method of polypropylene meshes enables the adhesion of menstrual blood-derived mesenchymal stromal cells: a new delivery strategy for stem cell-based therapies. Int. J. Mol. Sci. 2021;22(24):13385. DOI: 10.3390/ijms222413385.Morin K.T., Tranquillo R.T. In vitro models of angiogenesis and vasculogenesis in fibrin gel. Exp. Cell Res. 2013;319(16):2409–2417. DOI: 10.1016/j.yexcr.2013.06.006.Morin K.T., Tranquillo R.T. In vitro models of angiogenesis and vasculogenesis in fibrin gel. Exp. Cell Res. 2013;319(16):2409–2417. DOI: 10.1016/j.yexcr.2013.06.006.Certelli A., Valente P., Uccelli A., Grosso A., Di Maggio N., D’Amico R et al. Robust angiogenesis and arteriogenesis in the skin of diabetic mice by transient delivery of engineered VEGF and PDGF-BB proteins in fibrin hydrogels. Front. Bioeng. Biotechnol. 2021;9:688467. DOI: 10.3389/fbioe.2021.688467.Certelli A., Valente P., Uccelli A., Grosso A., Di Maggio N., D’Amico R et al. Robust angiogenesis and arteriogenesis in the skin of diabetic mice by transient delivery of engineered VEGF and PDGF-BB proteins in fibrin hydrogels. Front. Bioeng. Biotechnol. 2021;9:688467. DOI: 10.3389/fbioe.2021.688467.Ханова М.Ю., Великанова Е.А., Глушкова Т.В., Матвеева В.Г. Создание персонифицированного клеточно-заселенного сосудистого протеза in vitro. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2021;10(2S):89–93. DOI: 10.17802/2306-1278-2021-10-2S-89-93.Khanova M.Yu., Velikanova E.A., Glushkova T.V., Matveeva V.G. Development of personalized cell-populated vascular graft in vitro. Complex Issues of Cardiovascular Diseases. 2021;10(2S):89–93. (In Russ.). DOI: 10.17802/2306-1278-2021-10-2S-89-93.Utracki L.A., Wilkie C.A. (editors). Polymer Blends Handbook. NewYork, Heidelberg, Dordrecht, London: Springer Reference; 2002. DOI: 10.1007/978-94-007-6064-6.Utracki L.A., Wilkie C.A. (editors). Polymer Blends Handbook. NewYork, Heidelberg, Dordrecht, London: Springer Reference; 2002. DOI: 10.1007/978-94-007-6064-6.Slaughter B.V., Khurshid S.S., Fisher O.Z., Khademhosseini A., Peppas N.A. Hydrogels in regenerative medicine. Adv. Mater. 2009;21(32–33):3307–3329. DOI: 10.1002/adma.200802106.Slaughter B.V., Khurshid S.S., Fisher O.Z., Khademhosseini A., Peppas N.A. Hydrogels in regenerative medicine. Adv. Mater. 2009;21(32–33):3307–3329. DOI: 10.1002/adma.200802106.Dhand A.P., Galarraga J.H., Burdick J.A. Enhancing biopolymer hydrogel functionality through interpenetrating networks. Trends Biotechnol. 2021;39(5):519–538. DOI: 10.1016/j.tibtech.2020.08.007.Dhand A.P., Galarraga J.H., Burdick J.A. Enhancing biopolymer hydrogel functionality through interpenetrating networks. Trends Biotechnol. 2021;39(5):519–538. DOI: 10.1016/j.tibtech.2020.08.007.Kumar A., Han S.S. PVA-based hydrogels for tissue engineering: A review. Int. J. Polym. Mater. Polym. Biomater. 2017;66(4):159–182. DOI: 10.1080/00914037.2016.1190930.Kumar A., Han S.S. PVA-based hydrogels for tissue engineering: A review. Int. J. Polym. Mater. Polym. Biomater. 2017;66(4):159–182. DOI: 10.1080/00914037.2016.1190930.Weller W.J. Emerging technologies in upper extremity surgery: polyvinyl alcohol hydrogel implant for thumb carpometacarpal arthroplasty and processed nerve allograft and nerve conduit for digital nerve repairs. Orthop. Clin. North. Am. 2019;50(1):87–93. DOI: 10.1016/j.ocl.2018.08.011.Weller W.J. Emerging technologies in upper extremity surgery: polyvinyl alcohol hydrogel implant for thumb carpometacarpal arthroplasty and processed nerve allograft and nerve conduit for digital nerve repairs. Orthop. Clin. North. Am. 2019;50(1):87–93. DOI: 10.1016/j.ocl.2018.08.011.Deshmukh K., Ahamed M.B., Deshmukh R., Pasha S.K., Bhagat P., Chidambaram K. Biopolymer composites with high dielectric performance: Interface engineering. Biopolymer Composites in Electronics. 2017:27–128. DOI: 10.1016/B978-0-12-809261-3.00003-6.Deshmukh K., Ahamed M.B., Deshmukh R., Pasha S.K., Bhagat P., Chidambaram K. Biopolymer composites with high dielectric performance: Interface engineering. Biopolymer Composites in Electronics. 2017:27–128. DOI: 10.1016/B978-0-12-809261-3.00003-6.Gupta S.T.G., Basu B., Goswami S., Sinha A. Stiffness- and wettability-dependent myoblast cell compatibility of transparent poly(vinyl alcohol) hydrogels. J. Biomed. Mater. Res. Part B: Appl. Biomater. 2013;101B:346–354. DOI: 10.1002/jbm.b.32845.Gupta S.T.G., Basu B., Goswami S., Sinha A. Stiffness- and wettability-dependent myoblast cell compatibility of transparent poly(vinyl alcohol) hydrogels. J. Biomed. Mater. Res. Part B: Appl. Biomater. 2013;101B:346–354. DOI: 10.1002/jbm.b.32845.Способ изготовления аутологичного фибрина с регулируемым содержанием фибриногена без использования экзогенного тромбина. Патент RU 2758260 C1. Антонова Л.В., Матвеева В.Г., Ханова М.Ю., Барбараш О.Л., Барбараш Л.С. Дата регистрации: 27.10.2021. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=47122803 (09.01.2023).Method for manufacturing autologous fibrin with controlled fibrinogen content without using exogenous thrombin. Patent RU 2758260 C1. Antonova L.V., Matveeva V.G., Khanova M.Yu., Barbarash O.L., Barbarash L.S. Date of registration: 27.10.2021. (In Russ.). URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=47122803 (09.01.2023).Brown E.E., Zhang J., Laborie M.P.G. Never-dried bacterial cellulose/ fibrin composites: preparation, morphology and mechanical properties. Cellulose. 2011;18:631–641. DOI: 10.1007/s10570-011-9500-8.Brown E.E., Zhang J., Laborie M.P.G. Never-dried bacterial cellulose/ fibrin composites: preparation, morphology and mechanical properties. Cellulose. 2011;18:631–641. DOI: 10.1007/s10570-011-9500-8.Blat A., Dybas J., Chrabaszcz K., Bulat K., Jasztal A., Kaczmarska M. et al. FTIR, Raman and AFM characterization of the clinically valid biochemical parameters of the thrombi in acute ischemic stroke. Scientific reports. 2019;9(1):1–10. DOI: 10.1038/s41598-019-51932-0.Blat A., Dybas J., Chrabaszcz K., Bulat K., Jasztal A., Kaczmarska M. et al. FTIR, Raman and AFM characterization of the clinically valid biochemical parameters of the thrombi in acute ischemic stroke. Scientific reports. 2019;9(1):1–10. DOI: 10.1038/s41598-019-51932-0.Choo K., Ching Y., Chuah C., Julai S., Liou N.S. Preparation and characterization of polyvinyl alcohol-chitosan composite films reinforced with cellulose nanofiber. Materials. 2016;9(8):644. DOI: 10.3390/ma9080644.Choo K., Ching Y., Chuah C., Julai S., Liou N.S. Preparation and characterization of polyvinyl alcohol-chitosan composite films reinforced with cellulose nanofiber. Materials. 2016;9(8):644. DOI: 10.3390/ma9080644.Sa’adon S., Ansari M.N.M., Razak S.I.A., Anand J.S., Nayan N.H.M., Ismail A.E. et al. Preparation and physicochemical characterization of a diclofenac sodium-dual layer polyvinyl alcohol patch. Polymers. 2021;13:2459. DOI: 10.3390/polym13152459.Sa’adon S., Ansari M.N.M., Razak S.I.A., Anand J.S., Nayan N.H.M., Ismail A.E. et al. Preparation and physicochemical characterization of a diclofenac sodium-dual layer polyvinyl alcohol patch. Polymers. 2021;13:2459. DOI: 10.3390/polym13152459.Ino J.M., Chevallier P., Letourneur D., Mantovani D., Le Visage C. Plasma functionalization of poly(vinyl alcohol) hydrogel for cell adhesion enhancement. Biomatter. 2013;3(4):e25414. DOI: 10.4161/biom.25414.Ino J.M., Chevallier P., Letourneur D., Mantovani D., Le Visage C. Plasma functionalization of poly(vinyl alcohol) hydrogel for cell adhesion enhancement. Biomatter. 2013;3(4):e25414. DOI: 10.4161/biom.25414.Qiu K., Netravali A.N. A composting study of membrane-like polyvinyl alcohol based resins and nanocomposites. J. Polym. Environ. 2013;21:658–674. DOI: 10.1007/s10924-013-0584-0.Qiu K., Netravali A.N. A composting study of membrane-like polyvinyl alcohol based resins and nanocomposites. J. Polym. Environ. 2013;21:658–674. DOI: 10.1007/s10924-013-0584-0.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.