Фотополимеризуемые композиции для регенерации костной ткани

Восстановление дефектов костной ткани представляет собой одну из наиболее важных задач в стоматологии, ортопедии и челюстно-лицевой хирургии. С развитием технологий стало возможным создание костно-пластических композиций, которые не только обладаю биологической совместимостью, но также характеризуются удобством применения. Одними из них стали материалы, способные к отверждению под действием излучения. Преимуществами технологии фотоотверждения являются возможность пространственно-временного контроля над получаемой формой композиции. Отверждаемые светом материалы формируют каркасы, характеризующиеся структурной стабильностью, а в случае с использования их в качестве чернил для 3D-печатьи — способностью формировать сложные биомиметические структуры, напоминающие по своему строению костную ткань [1]. Использование различных стратегий модификации композиций позволяет создавать материалы с улучшенными механическими и биологическими свойствами [2]. Контролируемая скорость биодеградации таких композиций приводит к тому, что ремоделирование тканей происходит со скоростью регенерации кости. Все это обусловливает удобство применения фотоотверждаемых композиций и делает их идеальными кандидатами для применения в стоматологии, челюстно-лицевой хирургии и ортопедии [3].

В статье рассмотрены ключевые аспекты разработки и применения фотополимеризуемых систем для регенерации костной ткани, включая их состав и механизмы полимеризации. Также обсуждено текущее состояние исследований в этой области и перспективы дальнейшего развития технологий.

Фотополимеризуемые системы представляют собой фотоотверждаемые гидрогели, которые могут использоваться самостоятельно,или в качестве чернил для 3D-печати [1].

Гидрогели из сшитых гидрофильных полимеров, образующих сложные сети, обладают способностью поглощать значительные количества воды и имитируют внеклеточный матрикс [4]. Их структура позволяет включать в состав различные вещества, с сохранением механических и вязкоупругих свойств композиции. В связи с этим гидрогели широко используются в качестве материалов для тканевой инженерии, а также для доставки факторов роста, лекарственных средств, ионов металлов, низкомолекулярных препаратов или клеток [5].

Для восстановления костных дефектов также могут использоваться фотоотверждаемые каркасы, изготовленные с помощью 3D-печати [6]. На сегодняшний день существует несколько технологий трехмерной печати, основанных на технологии фотополимеризации. Среди них стереолитография и цифровая светодиодная проекция являются наиболее популярными [7].

Стереолитография (SLA) представляет собой процесс послойной полимеризации жидкого материала лучом ультрафиолетового лазера [8]. В технологии цифровой светодиодной проекции (DLP) слой чернил отверждается под воздействием излучения, поступающего от цифрового проектора. Это позволяет одновременно облучать весь полимерный слой материала и добиваться быстрой печати [9]. Технология SLA из-за зависимости от лазерного луча больше подходит для изготовления материалов большого размера с более низким разрешением печати, DLP — для материалов небольшого размера с высоким разрешением [10].

Однако использование 3D-печати для восстановления костных дефектов в клинической практике ограничено, поскольку требует наличия специального оборудования, специалистов, которые обладают необходимыми знаниями и навыками работы с 3D-принтерами. Также изготовление таких имплантатов требует времени и характеризуется высокой стоимостью [11]. В связи с этим для восстановления небольших костных дефектов актуальны отверждаемые in situ материалы. Они позволяют восполнять ткани минимально инвазивным способом, не требуют специальных ресурсов и громоздкого оборудования, и более удобны для применения практикующими специалистами [12].

Для изготовления фотополимеризуемых композиций необходимы фотоинициаторы и полимеры, которые будут рассмотрены далее.

Фотоинициаторы являются важными компонентами фотополимеризуемых систем. Концентрация, спектр поглощения излучения, стабильность, а также возможность образования свободных радикалов и молярное поглощение оказывают влияние на протекание реакции полимеризации, а цитотоксичность и растворимость в воде — на биосовместимые свойства композиций [13].

В зависимости от механизма полимеризации выделяют свободнорадикальные и катионные фотоинициаторы. Первые широко используются в биомедицине из-за их высокой безопасности. Применение катионных фотоинициаторов ограничено в связи с формированием в процессе полимеризации протонной среды, которая оказывает негативное влияние на клетки [14].

Свободнорадикальные фотоинициаторы представлены двумя типами. Тип I разлагается с образованием свободных радикалов после поглощения соответствующей длины волны, тип II требует использования соинициатора для извлечения и переноса электронов или для инициации полимеризации [15].

Рассматривая преимущества и недостатки фотоицициаторов следует отметить, что тип I подвергается полимеризации в более коротком диапазоне длин волн, менее склонен к изменению цвета, имеет высокий молярный коэффициент экстинкции. Второй тип характеризуются более медленной скоростью фотоинициации, необходимостью применения соинициатора. Преимуществом этого типа является способность к полимеризации под действием излучения видимого диапазона [16].

В зависимости от происхождения выделяют фотоинициаторы природного и синтетического происхождения. Основными преимуществами природных фотоинициаторов являются их биосовместимость, низкая токсичность. Помимо этого, с точки зрения фармакологии, такие фотоинициаторы обладают уникальными свойствами — противовоспалительным, противоаллергическим, антиоксидантным, антимикробным и противоопухолевым [17,18].

Рибофлавин — фотоинициатор II типа, водорастворимый витамин (витамин B2), природный пигмент, подвергающийся полимеризации под действием УФ и видимого излучения. Обладает окислительно-восстановительными свойствами и способен к модификации за счет включения функциональных молекул [19,20]. Рибофлавин был использован для разработки биоматериала на основе хитозана и гидроксиапатита для регенерации костной ткани. Изготовленная композиция обладала антимикробным потенциалом и антиоксидантной активностью, а также способствовала пролиферации и миграции клеток [21]. Сочетание рибофлавина и триэтаноламина в качестве соинициатора было использовано для печати гидрогелей с настраиваемыми свойствами из диметакрилата полиэтиленгликоля с помощью стереолитографии. Напечатанные структуры характеризовались высокой прочностью при растяжении, оставались при этом прочными и упругими. Цитосовместимые свойства позволили рассматривать их для применения в тканевой инженерии и для создания биомедицинских устройств [22].

Флавоны — семейство фенольных соединений, которые присутствуют в злаках, травах и цветах. Флавоны демонстрируют высокое поглощение в ближнем УФ- и видимом диапазоне, особенно между 350 и 470 нм [23]. Семейство флавонов включает такие соединения, как 3-гидроксифлавон, 6-гидроксифлавон, 7-гидроксифлавон, хризин и мирицетин. Флавоны могут быть использованы в качестве фотоинициаторов для композитов и 3D-печатных биоматериалов на основе метакрилатов бисфенол A-глицидилметакрилата и триэтиленгликоль диметакрилата [24,25].

Халконы — природные соединения, присутствующие во многих овощах, фруктах. Производные халконов способствуют остеогенной дифференцировке клеток, обладают ингибируют рост кариесогенных бактерий [26]. Халконы поглощают свет в ближней УФ и видимой области света — 344—423 нм и могут выполнять двойную роль в фотополимерных системах — фотоинициатора и мономера [27]. Халконы используются для фотополимеризации композиций на основе акрилатов, а также для получения 3D-печатных конструкций в тканевой инженерии [28].

Куркумин — гидрофобное фенольное природное вещество, представляющее собой желто-оранжевый природный краситель. Куркумин способен формировать высококонъюгированные системы, фотополимеризуемые при длине волны между 350 и 535 нм [29]. К преимуществам куркумина также можно отнести способность хорошо растворяться в полярных и неполярных мономерах и полимерах и низкую цитотоксичностью [29—31]. Вместе с этим, свойства куркумина зависят от используемого растворителя или среды. Система куркумин/иодониевая соль/трифенилфосфин инициировала фотополимеризацию метакрилата на воздухе при облучении ультрафиолетовыми, синими, зелеными, желтыми, красными и теплыми белыми бытовыми светодиодными лампами, что придает панхроматическую способность к фотоинициированию. Данное сочетание обладало большей эффективностью по сравнению с коммерческими фотоинициаторами — фенилбис(2,4,6-триметилбензоил)фосфин оксидом и камфорохиноном [32].

2-гидрокси-1-[4-(2-гидроксиэтокси) фенил]-2-метил-1-пропанон (Irgacure 2959) — один из первых водорастворимых коммерческих фотоинициаторов. Пик поглощения приходится на 280 нм, а хвостовое поглощение наблюдается в спектре УФ-А. Однако для минимизации токсического эффекта традиционно полимеризация Irgacure 2959 проводится при излучении с длиной волны 365 нм. К недостаткам относится то, что из-за слабого поглощения фотоинициатор требует длительного времени экспозиции, что может приводить к клеточной гибели или мутагенезу. Помимо этого, он характеризуется низкой растворимостью в воде. Использование фотоинициатора при 3D-биопечати показало, что жизнеспособность клеток снижается по мере увеличения концентрации фотоинициатора. Однако с увеличением времени экспозиции его токсическое воздействия на клетки становилось менее выраженным [33]. Irgacure 2959 широко используют для получения гидрогелевых материалов для инкапсуляции клеток, доставки лекарств и биопечати [33—35].

Фенил-2,4,6-триметилбензоилфосфинат лития (LAP) — водорастворимый и цитосовместимый фотоинициатор [36]. По сравнению с Irgacure 2959 он менее токсичен, обладает высокой водорастворимостью и улучшенной кинетикой полимеризации при 365 нм [37]. LAP поглощает большее количество света, что приводит к более высокой скорости инициирования, полимеризации и, как следствие, образования большего количества сшивок [33]. В связи с этим материалы, содержащие LAP, характеризуются лучшими механическими свойствами. Фотоинициатор широко используется для получения гидрогелевых материалов для инкапсуляции клеток, доставки лекарств и 3D-печати [33,34,38].

2,4,6-триметилбензоилдифенилфосфиноксид (TPO) — слаборастворимый в воде фотоинициатор с хорошей термической стабильностью, который способен к полимеризации под действием УФ- и видимого излучения [24, 26]. Недостатком TPO является малая растворимость в воде, что не позволяет использовать его для полимеризации гидрогелевых структур на основе биополимеров типа коллагена или гиалуроновой кислоты. Фотоинициатор подходят для создания материалов для инкапсуляции клеток и высокоточной 3D-печати [37,40,41].

1,7,7-триметилбицикло[2.2.1]гептан-2,3-дион (камфорохинон) — фотоинициатор, широко используемый в стоматологии для создания фотокомпозитов [42]. Его полимеризация происходит под воздействием видимого излучения 375—500 нм, с пиком 470 нм [43]. Недостатками камфорохинона является способность окрашивать композиции в желтый цвет, а также внутренний экранирующий эффекта, способствующий образованию участков непрореагировавшего фотоинициатора [44,45]. Помимо этого, он характеризуется низкой растворимостью в воде и необходимостью включения третичных аминов для повышения эффективности процесса полимеризации [46]. Камфорохинон применяют для создания гидрогелей с инкапсулированными клетками и 3D-печати имплантатов для восстановления твердых тканей [47,48].

2,2’-азобис[2-метил-N-(2-гидроксиэтил) промионамид] (VA-086) — водорастворимый фотоинициатор, характеризующийся низкой цитотоксичностью. Его полимеризация протекает при воздействии УФ-излучения с длиной волны от 300 до 420 нм, с пиком 385 нм. Фотоинициатор используют для изготовления гидрогелей и 3D-печатных конструкций, содержащих клетки [49,50].

Эозин-Y используется для окрашивания гистологических препаратов. Фотоинициатор полимеризуется под действием видимого излучения с длиной волны 400—700 нм, с пиком абсорбции — 510 нм. Он характеризуется высокой растворимостью, цитосовместимостью, что позволяет использовать его для создания гидрогелей для доставки лекарств, клеток, изготовления чернил для биопечати [51—54].

Для создания фотополимеризуемых систем используют как природные, так и синтетические полимеры. К природным полимерам относятся коллаген, желатин, гиалуроновая кислота, хитозан, альгинат. Синтетические полимеры в основном представлены полиэтиленгликолем, поливиниловым спиртом и поликапролактоном.

Одними из наиболее популярных природных полимеров являются коллаген и желатин. Благодаря своему строению, они способны образовывать гидрогели даже в отсутствие фотоинициаторов, характеризуются высокой биологической совместимостью, биодеградируемостью. Помимо этого желатин содержит пептидную последовательность аргинин-глицин-аспарагиновая кислота, которая способствует прикреплению клеток к его поверхности [55]. Чаще всего для создания фотополимеризуемых материалов полимеры модифицируют метакриловым ангидридом. В результате получают метакрилированный коллаген и желатин. Отличительными свойствами таких гидрогелей является высокая биосовместимость, способность усиливать адгезию и пролиферацию клеток, а также инициировать минерализацию в клетках в отсутствие каких-либо экзогенных остеогенных факторов [56, 57].

Гиалуроновая кислота обладает биоактивными свойства, отсутствием иммуногенности, биодеградируемостью и гидрофильностью [58]. Ее структура способствует миграции клеток, их пролиферации, дифференцировке [59]. Наличие большого количества гидроксильных и карбоксильных групп позволяет модифицировать гиалуроновую кислоту путем включения метакрилатных, винильных, тиольных, норборненовых и тираминных функциональные группы, посредством реакций сшивания, этерификации [60].

Хитозан является природным катионным сополимером, который представляет большой интерес для создания гидрогелей [61]. Он имеет гидрофильную природу, биосовместим и биодеградируем [62]. Хитозан проявляет мукоадгезивные свойства, что широко используется при изготовлении гидрогелей для доставки лекарственных средств [63].

Альгинат натрия обладает рядом преимуществ, включая хорошую биосовместимость, низкую токсичность, иммуногенность. Недостатками альгинатных гидрогелей является недостаточная клеточная адгезия и то, что они имеют тенденцию терять свою механическую прочность в культуре in vitro [64]. Для создания прочных 3D-конструкций зачастую требуется использование гидрогелей с высокой концентрацией альгината, обладающих цитотоксическими свойствами [65].

Преимуществами описанных природных полимеров является их высокая биологическая совместимость, структура, способствующая прикреплению клеток, способность к биодеградации, а также наличие функциональных групп для связывания с фотоинициаторами [2]. Несмотря на описанные преимущества, они могут вызывать иммунный ответ, характеризуются неконтролируемой скоростью биодеградации, низкой механической прочностью и сложной воспроизводимостью. В то время как синтетические гидрогели отличаются большей механической прочностью и гибкостью структуры, однако при этом они в меньшей степени способствуют адгезии и пролиферации клеток и не обладают биологической активностью [66].

Полиэтиленгликоль (PEG) — гидрофильный полимер с высокой биосовместимостью, устойчивостью к адсорбции белков и структурной гибкостью [67, 68]. Наличие модифицируемых концевых групп позволяют использовать его для образования гидрогелей и конъюгации с биомолекулами. Некоторые из материалов, полученных из PEG, такие как поли(этиленгликоль)диакрилат, характеризуются хорошей биосовместимостью, приемлемыми механическими свойствами и низкой стоимостью [69].

Поливиниловый спирт — гидрофильный синтетический полимер, отличающийся простотой синтеза, способностью к биорезорбции. Благодаря высокому содержанию воды и пористой микроструктуре гидрогели на его основе считаются подходящими материалами для тканевой инженерии [70, 71]. Кроме того, они обладают уникальной прочностью по сравнению с большинством других синтетических гидрогелей [72].

Поликапролактон — гидрофобный полимер. Он отличается простой изготовления, возможностью модифицирования для придания необходимых механических и биологических свойств [73]. Благодаря этому из поликапролактона могут быть изготовлены материалы с высокими прочностными, адгезивными, гидрофильными и биосовместимыми свойствами [74]. В отличие от полилактида он обладает большей стабильностью, но подвергается биодеградации в течение более длительного периода времени [75].

Возможность пространственно-временного контроля и мягкие условия отверждения позволяют изготавливать удобные для применения фотоотверждаемые материалы, в том числе содержащие клетки, факторы роста или лекарственные вещества, способствующие регенерации костной ткани. Помимо использования фотоотверждаемых композиций in situ для заполнения небольших дефектов сложной формы, они могут применяться для 3D-печати индивидуальных конструкций для восстановления протяженных костных дефектов. Следует ожидать, что дальнейшее развитие технологий изготовления фотоотверждаемых материалов будет направлено на повышение биосовместимых свойств композиций и входящих в их состав компонентов, в том числе фотоинициаторов, улучшение физико-механических свойств и разработку способов создания сложных структур, позволяющих добиться полной органо- и гистотипической регенерации.

Работа выполнена в рамках госзадания Минздрава России по теме: «Фотоотверждаемый биополимерный материал для регенерации пародонта и периимплантных тканей» (WLGC-2024-0001), рег. №1023021300027-9-3.2.14

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.