Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)


Для цитирования:

Saveleva M. S., Demina P. A. Composite hydrogel gellan gum-based materials with CaCO3 vaterite particles [Савельева М. С., Демина П. А. Композитные гидрогелевые материалы на основе геллановой камеди и частиц ватерита CaCO3] // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2023. Т. 23, вып. 3. С. 245-253. DOI: 10.18500/1817-3020-2023-23-3-245-253, EDN: NGCWHC


Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
29.09.2023
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 141)
Язык публикации: 
английский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
54
EDN: 
NGCWHC

Composite hydrogel gellan gum-based materials with CaCO3 vaterite particles
[Композитные гидрогелевые материалы на основе геллановой камеди и частиц ватерита CaCO3]

Авторы: 
Савельева Мария Сергеевна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Демина Полина Анатольевна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 

Гидрогели представляют собой трехмерные полимерные связанные структуры, содержащие большое количество воды. Материалы на основе гидрогелей широко используются для тканевой инженерии. Однако низкая степень минерализации, слабые биомеханические свойства и слабая способность образовывать связь с костной тканью делают гидрогели непригодными для применения в качестве имплантов для регенерации костей. В настоящее время активно разрабатываются подходы к повышению биологической активности гидрогелей и их способности к минерализации. В данном исследовании описывается эффективный метод минерализации гидрогелей, основанном на синтезе карбоната кальция в гидрогелевой матрице при обработке ультразвуком. Были сформированы гидрогели на основе геллановой камеди с микрочастицами CaCO3 в полиморфной модификации ватерита, равномерно распределенными в матрице гидрогеля. Содержание CaCO3 в гидрогеле возможно контролировать количеством процедур при обработке ультразвуком. Таким образом, предложенная стратегия минерализации гидрогеля позволяет создавать функциональные композиционные материалы, перспективные для применения в инженерии костной ткани. 

Благодарности: 
Работа выполнена при финансовой поддержке стипендии Президента Российской Федерации (№ СП-727.2022.4). Авторы выражают благодарность Богдану Владиславовичу Парахонскому (Гентский университет, Гент, Бельгия) и Тимоти Дугласу (Ланкастерский университет, Ланкастер, Великобритания) за помощь в проведении исследования.
Список источников: 
  1. Radulescu D.-M., Neacsu I. A., Grumezescu A.-M., Andronescu E. New Insights of Scaffolds Based on Hydrogels in Tissue Engineering. Polymers (Basel), 2022, vol. 14, iss. 4, article no. 799. https://doi.org/10.3390/polym14040799
  2. Chauhan N., Saxena K., Jain U. Hydrogel based materials: A progressive approach towards advancement in biomedical applications. Mater. Today Commun., 2022, vol. 33, article no. 104369. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.104369
  3. Hoffman A. S. Hydrogels for biomedical applications. Adv. Drug Deliv. Rev., 2012, vol. 64, pp. 18–23. https://doi.org/10.1016/j.addr.2012.09.010
  4. Kailasa S. K., Joshi D. J., Kateshiya M. R., Koduru J. R., Malek N. I. Review on the biomedical and sensing applications of nanomaterial-incorporated hydrogels. Mater. Today Chem., 2022, vol. 23, article no. 100746. https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2021.100746
  5. Gkioni K., Leeuwenburgh S. C. G. G., Douglas T. E. L. L., Mikos A. G., Jansen J. A. Mineralization of Hydrogels for Bone Regeneration. Tissue Eng. Part B. Rev., 2010, vol. 16, pp. 577–585. https://doi.org/10.1089/ten.teb.2010.0462
  6. Douglas T., Wlodarczyk M., Pamula E., Declercq H., Mulder E. de, Bucko M., Balcaen L., Vanhaecke F., Cornelissen R., Dubruel P., Jansen J., Leeuwenburgh S. Enzymatic mineralization of gellan gum hydrogel for bone tissue-engineering applications and its enhancement by polydopamine. J. Tissue Eng. Regen. Med., 2014, vol. 8, pp. 906–918. https://doi.org/10.1002/term.1616
  7. Lopez-Heredia M. A., Lapa A., Mendes A. C., Balcaen L., Samal S. K., Chai F., Voort P. Van der, Stevens C. V., Parakhonskiy B. V., Chronakis I. S., Vanhaecke F., Blanchemain N., Pamuіa E., Skirtach A. G., Douglas T. E. L. Bioinspired, biomimetic, double-enzymatic mineralization of hydrogels for bone regeneration with calcium carbonate. Mater. Lett., 2017, vol. 190, iss. 1, pp. 13–16. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2016.12.122
  8. Schroder R., Pohlit H., Schuler T., Panthofer M., Unger R. E., Frey H., Tremel W. Transformation of vaterite nanoparticles to hydroxycarbonate apatite in a hydrogel scaffold: Relevance to bone formation. J. Mater. Chem. B, 2015, vol. 3, pp. 7079–7089. https://doi.org/10.1039/C5TB01032B
  9. Abalymov A., Lengert E., Meeren L. Van der, Saveleva M., Ivanova A., Douglas T. E. L., Skirtach A. G., Volodkin D., Parakhonskiy B. The influence of Ca/Mg ratio on autogelation of hydrogel biomaterials with bioceramic compounds. Mater. Sci. Eng. C, 2022, vol. 133, article no. 112632. https://doi.org/10.1016/j.msec.2021.112632
  10. Tolba E., Müller W. E. G. Abd El-Hady B. M., Neufurth M., Wurm F., Wang S., Schröder H. C., Wang X. High biocompatibility and improved osteogenic potential of amorphous calcium carbonate/vaterite. J. Mater. Chem. B, 2016, vol. 4, pp. 376–386. https://doi.org/10.1039/C5TB02228B
  11. Campbell J., Ferreira A. M., Bowker L., Hunt J., Volodkin D., Vikulina A. Dextran and Its Derivatives: Biopolymer Additives for the Modulation of Vaterite CaCO3 Crystal Morphology and Adhesion to Cells. Adv. Mater. Interfaces, 2022, vol. 9, article no. 2201196. https://doi.org/10.1002/admi.202201196
  12. Trushina D. B., Bukreeva T. V., Kovalchuk M. V., Antipina M. N. CaCO3 vaterite microparticles for biomedical and personal care applications. Mater. Sci. Eng. C, 2014, vol. 45, pp. 644–658. https://doi.org/10.1016/j.msec.2014.04.050
  13. Svenskaya Y. I., Fattah H., Zakharevich A. M., Gorin D. A., Sukhorukov G. B., Parakhonskiy B. V. Ultrasonically assisted fabrication of vaterite submicronsized carriers. Adv. Powder Technol., 2016, vol. 27, iss. 2, pp. 618–624. https://doi.org/10.1016/j.apt.2016.02.014
  14. Maeda H., Maquet V., Kasuga T., Chen Q. Z., Roether J. A., Boccaccini A. R. Vaterite deposition on biodegradable polymer foam scaffolds for inducing bone-like hydroxycarbonate apatite coatings. J. Mater. Sci. Mater. Med., 2007, vol. 18, pp. 2269–2273. https://doi.org/10.1007/s10856-007-3108-4
  15. Vuola J., Göransson H., Böhling T., Asko-Seljavaara S. Bone marrow induced osteogenesis in hydroxyapatite and calcium carbonate implants. Biomaterials, 1996, vol. 17, iss. 18, pp. 1761–1766. https://doi.org/10.1016/0142-9612(95)00351-7
  16. Das M., Giri T. K. Hydrogels based on gellan gum in cell delivery and drug delivery. J. Drug Deliv. Sci. Technol., 2020, vol. 56, article no. 101586. https://doi.org/10.1016/j.jddst.2020.101586
  17. Stevens L. R., Gilmore K. J., Wallace G. G., in het Panhuis M. Tissue engineering with gellan gum. Biomater. Sci., 2016, vol. 4, pp. 1276–1290. https://doi.org/10.1039/C6BM00322B
  18. Lopez-Heredia M. A., Łapa A., Reczyńska K., Pietryga K., Balcaen L., Mendes A. C., Schaubroeck D., Voort P. Van Der, Dokupil A., Plis A., Stevens C. V., Parakhonskiy B. V., Samal S. K., Vanhaecke F., Chai F., Chronakis I. S., Blanchemain N., Pamuіa E., Skirtach A. G., Douglas T. E. L. Mineralization of gellan gum hydrogels with calcium and magnesium carbonates by alternate soaking in solutions of calcium/magnesium and carbonate ion solutions. J. Tissue Eng. Regen. Med., 2018, vol. 12, pp. 1825–1834. https://doi.org/10.1002/term.2675
  19. Abalymov A., Meeren L. Van der, Skirtach A. G., Parakhonskiy B. V. Identification and Analysis of Key Parameters for the Ossification on Particle Functionalized Composites Hydrogel Materials. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, vol. 12, iss. 35, pp. 38862–38872. https://doi.org/10.1021/acsami.0c06641
  20. Savelyeva M. S., Abalymov A. A., Lyubun G. P., Vidyasheva I. V., Yashchenok A. M., Douglas T. E. L., Gorin D. A., Parakhonskiy B. V. Vaterite coatings on electrospun polymeric fibers for biomedical applications. J. Biomed. Mater. Res. Part A, 2017, vol. 105, pp. 94–103. https://doi.org/10.1002/jbm.a.35870
  21. Douglas T. E. L., Piwowarczyk W., Pamula E., Liskova J., Schaubroeck D., Leeuwenburgh S. C. G., Brackman G., Balcaen L., Detsch R., Declercq H., Cholewa-Kowalska K., Dokupil A., Cuijpers V. M. J. I., Vanhaecke F., Cornelissen R., Coenye T., Boccaccini A. R., Dubruel P. Injectable self-gelling composites for bone tissue engineering based on gellan gum hydrogel enriched with different bioglasses. Biomed. Mater., 2014, vol. 9, article no. 045014. https://doi.org/10.1088/1748-6041/9/4/045014
  22. Parakhonskiy B. V., Haase A., Antolini R. Sub-Micrometer Vaterite Containers: Synthesis, Substance Loading, and Release. Angew. Chemie, 2012, vol. 124, pp. 1221–1223. https://doi.org/10.1002/ange.201104316
  23. Bail A. Le, Ouhenia S., Chateigner D. Microtwinning hypothesis for a more ordered vaterite model. Powder Diffr., 2012, vol. 26, iss. 1, pp. 16–21. https://doi.org/10.1154/1.3552994
  24. Sitepu H. Texture and structural refinement using neutron diffraction data from molybdite (MoO3) and calcite (CaCO3) powders and a Ni-rich Ni50.7Ti49.30 alloy. Powder Diffr., 2009, vol. 24, iss. 4, pp. 315–326. https://doi.org/10.1154/1.3257906
  25. Saveleva M., Prikhozhdenko E., Gorin D., Skirtach A. G., Yashchenok A., Parakhonskiy B. Polycaprolactone-Based, Porous CaCO3 and Ag Nanoparticle Modified Scaffolds as a SERS Platform With MoleculeSpecific Adsorption. Front. Chem., 2020, vol. 7, pp. 1-11. https://doi.org/10.3389/fchem.2019.00888
  26. Bellini D., Cencetti C., Meraner J., Stoppoloni D., D’Abusco A. S., Matricardi P. An in situ gelling system for bone regeneration of osteochondral defects. Eur. Polym. J., 2015, vol. 72, pp. 642–650. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2015.02.043
  27. Robinson G., Manning C. E., Morris E. R. Conformation and Physical Properties of the Bacterial Polysaccharides Gellan, Welan, and Rhamsan. In: Dickinson E., ed. Food Polymers, Gels and Colloids. Woodhead Publ., 1991, pp. 22–33. https://doi.org/10.1533/9781845698331.22
  28. Saveleva M. S., Ivanov A. N., Chibrikova J. A., Abalymov A. A., Surmeneva M. A., Surmenev R. A., Parakhonskiy B. V., Lomova M. V., Skirtach A. G., Norkin I. A. Osteogenic Capability of Vaterite-Coated Nonwoven Polycaprolactone Scaffolds for In Vivo Bone Tissue Regeneration. Macromol. Biosci., 2021, vol. 21, article no. 2100266. https://doi.org/10.1002/mabi.202100266
  29. Svenskaya Y. I., Navolokin N. A., Bucharskaya A. B., Terentyuk G. S., Kuz’mina A. O., Burashnikova M. M., Maslyakova G. N., Lukyanets E. A., Gorin D. A. Calcium carbonate microparticles containing a photosensitizer photosens: Preparation, ultrasound stimulated dye release, and in vivo application. Nanotechnologies Russ., 2014, vol. 9, pp. 398–409. https://doi.org/10.1134/S1995078014040181
  30. Saveleva M. S., Lengert E. V., Verkhovskii R. A., Abalymov A. A., Pavlov A. M., Ermakov A. V., Prikhozhdenko E. S., Shtykov S. N., Svenskaya Y. I. CaCO3-based carriers with prolonged release properties for antifungal drug delivery to hair follicles. Biomater. Sci., 2022, vol. 10, pp. 3323–3345. https://doi.org/10.1039/D2BM00539E
Поступила в редакцию: 
20.03.2023
Принята к публикации: 
15.06.2023
Опубликована: 
29.09.2023