Background. Patients with malignant bone and joint tumors often require reconstructive surgery for osteosynthesis or arthrodesis. The design of the implant can be realized by 3D printing using biodegradable materials with shape memory effect, which will facilitate operative access and reduce the risk of reoperation.
Aim. The study aimed to evaluate the mechanical properties, biocompatibility and biological activity of polylactide (PLA) with hydroxyapatite (HA) and silicon dioxide (SiO2) produced by extrusion and 3D printing to identify prospects for the development of implants based on them for osteoreconstructive surgeries.
Materials and methods. Materials based on PLA with the addition of 10, 15 and 20 % HA and SiO2 were obtained by extrusion. These materials were 3D-printed to produce samples that underwent a compression test. Their extracts obtained after incubation of the samples in fetal calf serum for 30 days were examined. Biocompatibility was assessed by the level of hemolysis and cytotoxicity of the extracts, as well as stimulation of oxidative stress. The effects of the extracts on cell adhesion and intensity of multipotent mesenchymal stromal cells colonization on the surface of both intact and biodegraded samples were studied separately.
Results. The addition of HA and SiO2 to PLA did not significantly increase hemolysis and cytotoxicity compared to pure PLA. However, incubation with extracts of samples containing 20 % stimulated an increase in oxidative stress in leukocytes, and inhibited cell adhesion. Samples with 10 and 15 % HA maximally stimulated cell colonization on the sample surface.
Conclusion. Materials based on PLA with 10 and 15 % HA combine high strength, biocompatibility, biodegradability and effective osteoconductivity, which makes them promising candidates for implants for osteoreconstruction and arthrodesis.
Введение. Пациентам со злокачественными опухолями костей и суставов часто требуется проведение реконструктивных операций для остеосинтеза или артродеза. Дизайн конструкции может быть реализован за счет 3D-печати с использованием биодеградируемых материалов с эффектом памяти формы, что позволит облегчить оперативный доступ и снизить риск проведения повторной операции.
Цель исследования – оценка механических свойств, биосовместимости и биологической активности полимеров из полилактида (ПЛА) с добавлением гидроксиапатита (ГА) и диоксида кремния (SiO2), произведенных методом экструзии и 3D-печати, для выявления перспектив разработки на их основе имплантатов для остеореконструктивных операций.
Материалы и методы. Материалы на основе ПЛА с добавлением 10, 15 и 20 % ГА и SiO2 были получены методом экструзии. Из данных материалов методом 3D-печати получили образцы, прошедшие исследование на сжатие. Исследовали также экстракты образцов, полученные после инкубации образцов в фетальной телячьей сыворотке в течение 30 сут. Биосовместимость оценивали по уровню гемолиза и цитотоксичности экстрактов из материалов, а также стимуляции оксидативного стресса. Отдельно изучали влияние экстрактов на клеточную адгезию и интенсивность колонизации мультипотентными мезенхимальными стромальными клетками поверхности как интактных, так и подвергнутых биодеградации образцов.
Результаты. Установлено, что добавление к ПЛА ГА и SiO2 не приводило к достоверному нарастанию гемолиза и цитотоксичности в сравнении с чистым ПЛА. Однако инкубация с экстрактами образцов, содержавших 20 % примеси, стимулировала нарастание оксидативного стресса в лейкоцитах и угнетала клеточную адгезию. Образцы на основе смеси ПЛА с 10 и 15 % ГА максимально эффективно стимулировали колонизацию клетками поверхности образцов.
Заключение. Материалы на основе ПЛА, дополненного 10 и 15 % ГА, сочетают высокую прочность, биосовместимость, способность к биодеградации и эффективную остеокондуктивность, что делает их перспективными кандидатами для изготовления имплантатов для остеореконструкции и артродеза пациентов с проблемами опорно-двигательной системы, и в частности онкологических больных.