Mesenchymal stem cells (MSCs) are stromal multipotent stem cells that can differentiate into multiple cell types, including fibroblasts, osteoblasts, chondrocytes, adipocytes, and myoblasts, thus allowing them to contribute to the regeneration of various tissues, especially bone tissue. MSCs are now considered one of the most promising cell types in the field of tissue engineering. Traditional petri dish-based culture of MSCs generate heterogeneity, which leads to inconsistent efficacy of MSC applications. Biodegradable and biocompatible polymers, poly(3-hydroxyalkanoates) (PHAs), are actively used for the manufacture of scaffolds that serve as carriers for MSC growth. The growth and differentiation of MSCs grown on PHA scaffolds depend on the physicochemical properties of the polymers, the 3D and surface microstructure of the scaffolds, and the biological activity of PHAs, which was discovered in a series of investigations. The mechanisms of the biological activity of PHAs in relation to MSCs remain insufficiently studied. We suggest that this effect on MSCs could be associated with the natural properties of bacteria-derived PHAs, especially the most widespread representative poly(3-hydroxybutyrate) (PHB). This biopolymer is present in the bacteria of mammalian microbiota, whereas endogenous poly(3-hydroxybutyrate) is found in mammalian tissues. The possible association of PHA effects on MSCs with various biological functions of poly(3-hydroxybutyrate) in bacteria and eukaryotes, including in humans, is discussed in this paper.

Поли-3-оксибутират (ПОБ), основной полимер гомологичного ряда полиоксиалканоатов (ПОА) – наиболее известный микробиологический полиэфир, который является перспективной альтернативой биоразлагаемым синтетическим термопластикам и другим полимерам медицинского назначения. В отличие от природных полимеров (хитозан, альгинат, декстран, коллаген и т. д.) и химически синтезированных полимеров, ПОБ и его сополимеры получают биотехнологическим путем, который позволяет достичь высокой степени чистоты, задавать и контролировать физико-химические свойства биополимеров в узких пределах в процессе их биосинтеза. ПОБ является частично кристаллическим полимером, что значительно влияет на его основные свойства: термофизические, механические свойства, скорость биодеградации, биосовместимость, а также нано- и микроструктуру изготовляемых на его основе изделий.

Перспективными материалами для клеточной и тканевой инженерии являются полимерные микроструктурированные пленки, размер пор в которых соизмерим с размером клеток. Известно, что изменяя размер пор можно регулировать рост клеток на таких сетчатых структурах. Перспективным подходом к созданию упорядоченных микросеток с гексагональной симметрией ячеек является их получение путем «самоорганизации» микрокапель воды в жидкой полимерной пленке. Данный подход заключается в обработке жидкой полимерной пленки, сформированной на какой-либо поверхности, влажным воздухом. Этот метод прост в практическом исполнении, не требует сложного и дорогостоящего оборудования и позволяет формировать полимерные структуры с регулируемым размером пор и степенью их упорядоченности.

Целью данной работы являлось получение пористых пленок на основе ПОБ методом «самоорганизации» микрокапель воды.

Создание новых лекарственных соединений, обладающих противоопухолевым потенциалом, требует надёжных методов тестирования в доклинических условиях. К моделям для скрининга эффективности препаратов in vitro относят культуры клеток опухолей человека – 2D (монослойные) системы культур клеток и 3D системы. Трёхмерные системы клеточных культур – это своеобразное переходное звено между изучением рака и тестирований препаратов на клеточном уровне (в монослое) и в организме.

Целью данной работы являлось создание 3D клеточных сфероидов на микросферах из поли-3-оксибутирата (ПОБ).

В работе исследована способность бактерии Azotobacter agile 12 к биосинтезу полимеров: альгината (АЛГ) и поли(3-оксибутирата) (ПОБ), изучены их физико-химические свойства. Показано, что в условиях высокого уровня аэрации, штамм A. agile 12 синтезирует оба полимера одновременно, причем АЛГ в большем количестве по сравнению с ПОБ. Методом ИК-спектроскопии показано преобладание в полимерной цепи АЛГ маннуроновых кислот над гулуроновыми (M/G = 70/30) и наличие ацетильных групп в маннуроновых остатках. ПОБ при анализе методом ИК-спектроскопии имел полосу поглощения в области 1760 см^–1. Методом ЯМР подтверждено, что ПОБ является гомополимером, состоящим из звеньев 3-гидроксимасляной кислоты. Термогравиметрический анализ (ТГА) показал, что АЛГ имел три стадии разложения – дегидратация, первое и второе разложение. В отличие от АЛГ, ПОБ имел только одну стадию разложения с предварительной очень малой потерей массы (1.25%) при дегидратации. Тест на водопоглощение показал, что бактериальный АЛГ обладает большей водопоглощающей способностью по сравнению с АЛГ из водорослей, тогда как ПОБ является гидрофобным полимером. Таким образом, синтезированные одновременно бактериальным штаммом A. agile 12 полимеры ПОБ и АЛГ различались по физико-химическим свойствам: ПОБ – гидрофобный, термопластичный, механически устойчивый полимер, АЛГ – гидрофильный, формирующий гидрогели, эластичный, термически и механически неустойчивый полимер.

Biodegradable and biocompatible polymers, polyhydroxyalkanoates (PHAs), are actively used in medicine to produce a wide range of medical devices and dosage formulations. The medical industry mainly utilizes PHAs obtained by chemical synthesis, but interest in the medical application of natural PHAs obtained biotechnologically is also growing. Synthetic PHAs are the biomimetic analogs of bacterial poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) and other natural PHAs. This paper addresses the issue of the presence of biological activity in synthetic and natural PHAs (stimulation of cell proliferation and differentiation, tissue regeneration) and their possible association with various biological functions of PHB in bacteria and eukaryotes, including humans.

Биоразлагаемые и биосовместимые полимеры, полиоксиалканоаты, активно используются для изготовления различных медицинских изделий и лекарственных форм. В медицинской промышленности применяют полиоксиалканоаты, полученные химическим синтезом, но растет интерес и к природным полиоксиалканоатам, полученным биотехнологическим путем. Синтетические полиоксиалканоаты являются биомиметическими аналогами бактериального поли-3-оксибутирата и других природных полиоксиалканоатов. В обзоре рассмотрено наличие биологической активности у синтетических и природных полиоксиалканоатов (стимуляция пролиферации и дифференцировки клеток, регенерация тканей) и ее возможная связь с биологическими функциями поли-3-оксибутирата у бактерий и эукариот, в том числе у человека.

Методом контролируемого биосинтеза получен терполимер поли-3-оксибутират-3-оксивалерат-полиэтиленгликоль. Были получены пленки из этого полимера и исследованы его физико-термические и пьезо-электрические свойства. Показано, что несмотря на существенный разброс в значениях среднеквадратичной шероховатости, влияющих на амплитуду пьезоэлектрических колебаний полимерных пленок, у образца пленки терполимера наблюдается более высокий пьезоотклик, чем у образца пленки из гомополимера ПОБ.

Показана принципиальная возможность формирования на основе поли-3-оксибутирата микроструктурированных пленок методом «самоорганизации» микрокапель воды. Установлено, что морфология пленок зависит от концентрации полимера в растворе, изменяя которую можно формировать как сетчатые пленки с различным расположением и полидисперсностью пор, так и сплошные покрытия с располагающимися на их поверхности выступающими элементами. Полученные структуры могут представлять интерес для регулирования и исследования миграции, пролиферации и дифференцировки клеток разных типов для клеточной и тканевой инженерии.

Capsular alginate was synthesized using bacteria Azotobacter agile 12 in order to test its potential for use in biotechnology and tissue engineering. Capsular bacterial alginate was isolated and purified using EDTA treatment and dialysis. Calcium alginate spheres were produced and their effect on growth of mesenchymal stem cells was studied. Bacterial alginate shows significantly lower cytotoxicity than commercial alginate isolated from algae.

Boosting of plant immunity to improve its resistance to pathogens is a promising approach to increase crop capacity and reduce pesticide press on the environment. A typical scenario of such approach is based on the use of elicitors able to activate key plant defense mechanisms. MF3, a highly thermostable FKBP-type peptidyl prolyl cis/trans isomerase from Pseudomonas fluorescens, has a proved eliciting activity regarding various crops. However, for field application, this enzyme should be protected against degrading action of sunlight, as well as plant and microbial proteinases. In this study we examined a possibility to encapsulate MF3 using biodegradable poly-3-hydroxybutyrate (PHB) and evaluated the efficacy of the resulted MF3 shielding against UV radiation and enzymatic proteolysis, as well as the resistance-eliciting activity of the encapsulated protein. PHB-based microparticles loaded with MF3 in a complex with low-molecular chitosan and 500-kDa dextran were obtained using a Solid/Oil/Water technique followed with a spray drying and freeze frying. The resulting microparticles consisted of PHB (80%), chitosan (4%), dextran (6%), and MF3 (10%) and had a size of 10-25 μm. The effective loading capacity was ~10%; in vitro kinetic study showed that 89% of the total loaded protein was released within the first 24 h, while the rest of the protein slowly released within next 12 days. A comparison of the resistance-eliciting activity of free and encapsulated MF3 was carried out using two model “plant-pathogen” systems, tobacco/tobacco mosaic virus (TMV) and tobacco/Alternaria longipes. In both models, activity of encapsulated MF3 was similar to that of free MF3 of the same concentration and resulted in the reduction of infection level by 30.3–36.8% for A. longipes and 66.8–68.4% for TMV. In vitro assessment of the effect of UV irradiation and proteinase K treatment on the activity of free and encapsulated MF3 showed a clear shielding effect of PHB. Even after 8 h of UV treatment, when free MF3 completely lost its resistance-eliciting activity, encapsulated MF3 still provided almost 50% suppression of TMV infection. Treatment with proteinase K (20 and 100 μg/mL) resulted in significant loss of free MF3 protecting efficiency (22.9 and 35.5%, respectively), while for encapsulated MF3 this loss made only 2.6 and 12.2%, respectively. These results confirmed the encapsulation procedure did not impair the protective activity of MF3, while provided a successful release of this protein from the complex and its delivery to putative receptors of plant cells. The study has shown a principal possibility to produce PHB-based MF3 preparations characterized by improved resistance of their bioactive component to adverse biotic and abiotic factors and possessed a significant protective activity in relation to the tested plant pathogens. The further improvement of the encapsulation technology and the characterization of encapsulated MF3 using other model systems and whole plants are planned.

Use of chemical pesticides poses a threat for environment and human health, so green technologies of crop protection are of high demand. Some microbial proteins able to activate plant defense mechanisms and prevent the development of resistance in plant pathogens, may be good alternative to chemicals, but practical use of such elicitors is limited due to need to protect them against adverse environment prior their delivery to target receptors of plant cells. In this study we examined a possibility to encapsulate heat resistant FKBP-type peptidyl prolyl cis-trans isomerase (PPIase) from Pseudomonas fluorescens, which possesses a significant eliciting activity in relation to a range of plant pathogens, in sodium alginate microparticles and evaluated the stability of resulted complex under long-term UV irradiation and in the presence of proteinase K, as well as its eliciting activity in three different “plant-pathogen” models comparing to that of free PPIase. The obtained PPIase-containing microparticles consisted of 70% of sodium alginate, 20% of bovine serum albumin, and 10% of PPIase. In contrast to free PPIase, which lost its eliciting properties after 8-h UV treatment, encapsulated PPIase kept its eliciting ability unchanged; after being exposed to proteinase K, its eliciting ability twice exceeded that of free PPIase. Using “tobacco-TMV”, “tobacco-Alternaria longipes”, and “wheat-Stagonospora nodorum” model systems, we showed that encapsulation process did not influence on the eliciting activity of PPIase. In the case of the “wheat- S. nodorum” model system, we also observed a significant eliciting activity of alginate-albumin complex and almost doubled activity of encapsulated PPIase as compared to the free PPIase. As far as we know, this is the first observation of a synergistic interaction between alginate and other compound possessing any bioactive properties. The results of the study show some prospects for a PPIase use in agriculture.

Development of biocompatible 3D scaffolds is one of the most important challenges in tissue engineering. In this study, we developed polymer scaffolds of different design and microstructure to study cell growth in them. To obtain scaffolds of various microstructure, e.g., size of pores, we used double- and one-stage leaching methods using porogens with selected size of crystals. A composite of poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) with poly(ethylene glycol) (PEG) (PHB/PEG) was used as polymer biomaterial for scaffolds. The morphology of scaffolds was analyzed by scanning electron microscopy; the Young modulus of scaffolds was measured by rheometry. The ability to support growth of mesenchymal stem cells (MSCs) in scaffolds was studied using the XTT assay; the phenotype of MSC was preliminarily confirmed by flow cytometry and the activity of alkaline phosphatase and expression level of CD45 marker was studied to test possible MSC osteogenic differentiation. The obtained scaffolds had different microstructure: the scaffolds with uniform pore size of about 125 μm (normal pores) and 45 μm (small pores) and scaffolds with broadly distributed pores size from about 50–100 μm. It was shown that PHB/PEG scaffolds with uniform pores of normal size did not support MSCs growth probably due to their marked spontaneous osteogenic differentiation in these scaffolds, whereas PHB/PEG scaffolds with diverse pore size promoted stem cells growth that was not accompanied by pronounced differentiation. In scaffolds with small pores (about 45 μm), the growth of MSC was the lowest and cell growth suppression was only partially related to stem cells differentiation. Thus, apparently, the broadly distributed pore size of PHB/PEG scaffolds promoted MSC growth in them, whereas uniform size of scaffold pores stimulated MSC osteogenic differentiation.

In this study, Ti-Nb-Zr superelastic foams were produced, characterized from the standpoint of their morphology and mechanical properties. To improve biocompatibility of these foams, they were subjected to surface modification by Poly(3-Hydroxybutyrate). The two-stage immersion of the Ti-Nb-Zr foams in the PHB-containing solution allows forming on their surface continuous polymer layers with incorporation of 6.4 % (w/w) of PHB.

Porous scaffolds for tissue engineering have been prepared from poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) and a copolymer of poly(3-hydroxybutyrate) and polyethylene glycol (PHB-PEG) produced by bioPEGylation. The morphology of the scaffolds and their capacity for adsorption of the model protein bovine serum albumin (BSA) have been studied. Scaffolds produced from bioPEGylated PHB adsorbed more BSA, whereas the share of protein irreversibly adsorbed on these scaffolds was significantly lower (33%) than in the case of PHB homopolymer-based scaffolds (47%). The effect of protein adsorption on scaffold biocompatibility in vitro was tested in an experiment that involved the cultivation of fibroblasts (line COS-1) on the scaffolds. PHB-PEG scaffolds had a higher capacity for supporting cell growth than PHB-based scaffolds. Thus, the bioPEGylated PHB-based polymer scaffolds developed in the present study have considerable potential for use in soft tissue engineering.

Изготовлены пористые матриксы для тканевой инженерии на основе поли‑3-оксибутирата(ПОБ) и его сополимера с полиэтиленгликолем (ПОБ-ПЭГ), который был получен по технологиибиоПЭГилирования. Исследована морфология полученных матриксов и адсорбция на них модельного белка, бычьего сывороточного альбумина (БСА). Показано, что матриксы на основе биоПЭГилированного ПОБ сорбировали больше БСА, а доля необратимо сорбированного белка на них значительно меньше (33%), чем на матриксах из гомополимера ПОБ (47%). Влияние адсорбции белка на биосовместимость матриксов in vitro было проверено путем культивирования на них фибробластов линии COS‑1. Показано, что матриксы на основе ПОБ-ПЭГ в большей степени поддерживали ростклеток на них по сравнению с матриксами на основе ПОБ. Таким образом, полученные полимерные матриксы на основе биоПЭГилированного ПОБ могут быть более перспективны для использования в инженерии мягких тканей.

The hydrolytic degradation of polymer films of poly(3-hydroxybutyrate) of different molecular weights and its copolymers with 3-hydroxyvalerate (9 mol % 3-hydroxyvalerate in the poly(3-hydroxybutyrate) chain) of different molecular weights was studied in model conditions in vitro. The changes in the physicochemical properties of the polymers were investigated using different analytical techniques: viscometry, differential scanning calorimetry, gravimetrical method, and water contact angle measurement for polymers. The data showed that in a period of 6 months the weight of polymer films decreased insignificantly. The molecular weight of the samples was reduced significantly; the largest decline (up to 80% of the initial molecular weight of the polymer) was observed in the high-molecular-weight poly(3-hydroxybutyrate). The surface of all investigated polymers became more hydrophilic. In this work, we focus on a mathematical model that can be used for the analysis of the kinetics of hydrolytic degradation of poly(3-hydroxyaklannoate)s by noncatalytic and autocatalytic hydrolysis mechanisms. It was also shown that the degree of crystallinity of some polymers changes differently during degradation in vitro. Thus, the studied polymers can be used to develop biodegradable medical devices such that they can perform their functions for a long period of time.

Иccледована гидpолитичеcкая дегpадация пленок полимеpов поли-3-окcибутиpата pазной молекуляpной маccы и его cополимеpов c 3-окcивалеpатом (c 9 мол. % вxождением 3-окcивалеpата в цепь поли-3-окcибутиpата) также pазличной молекуляpной маccы в модельныx уcловияx in vitro. Изменения физико-xимичеcкиx cвойcтв полимеpов были иccледованы pядом аналитичеcкиx методов: виcкозиметpии, диффеpенциально-cканиpующей калоpиметpии, гpавиметpичеcким методом и методом измеpения контактного угла cмачивания полимеpов. Было показано, что в течение шеcти меcяцев наблюдалоcь незначительное падение маccы пленок полимеpов. Молекуляpная маccа обpазцов cнижалаcь значительно, наибольшее cнижение наблюдалоcь у выcокомолекуляpного поли-3-окcибутиpата – до 80% от начальной молекуляpной маccы полимеpа. Повеpxноcть вcеx иccледуемыx полимеpов cтала более гидpофильной. В pаботе пpименяли математичеcкие модели анализа кинетики гидpолитичеcкой дегpадации поли-3-окcиалканоатов по некаталитичеcкому и автокаталитичеcкому меxанизмам. Также было показано волнообpазное изменение cтепени кpиcталличноcти pяда полимеpов в пpоцеccе дегpадации in vitro. Таким обpазом, изучаемые полимеpы могут быть иcпользованы для cоздания биоpазлагаемыx медицинcкиx изделий, cпоcобныx длительно выполнять cвои функции.

Biodegradable and biocompatible polymers referred to as polyhydroxyalkanoates (PHAs) are extensively used in the production of pharmaceutical drugs to ensure sustained release, targeted delivery, reduced toxicity, and increased stability of the drug substance. Although the pharmaceutical industry ordinarily exploits chemically synthesized PHAs, bioengineered polymers are also starting to enjoy growing interest. This article focuses on the research and development of drug formulations based on natural PHAs that act as auxiliary substances for antibacterial, anti-inflammatory, anticancer, and hormonal medications, as well as pain killers, and discusses the association between their properties and the micro/nano structure of the synthetic drug. The problems associated with the poor performance of active components in traditional dosage forms can be overcome in PHAs-based formulations.

Биоразлагаемые и биосовместимые полимеры, полиоксиалканоаты (ПОА), активно используются для изготовления широкого спектра лекарственных форм, придающих лекарственным средствам такие свойства, как: пролонгированное действие, направленная доставка, сниженная токсичность, увеличенная стабильность. В основном в медицинской промышленности используются ПОА, полученные химическим синтезом, но интенсивно растет интерес и к использованию в фармацевтике природных ПОА, полученных биотехнологическим путем. В статье обсуждаются разработка и исследование разнообразных форм на основе природных ПОА как вспомогательных веществ для различных лекарственных средств: антибактериальных, противовоспалительных, противоопухолевых, обезболивающих, гормональных и другого действия лекарственных веществ и связь их свойств с микро- и наноструктурой изделий, микро- и наночастиц из этих биополимеров. Лекарственные системы на основе ПОА позволят устранить недостатки активных действующих веществ с неудовлетворительными физико-химическими характеристиками в традиционных лекарственных формах.

Получены микросферы для направленной доставки доксорубицина на основе поли-3-оксибутирата (ПОБ). Изучена кинетика высвобождения доксорубицина из микросфер. Как показывают полученные данные, лекарственное вещество высвобождается в основном по деструктивному механизму. Диффузионный механизм выражен слабо из-за сильного гидрофобного взаимодействия между полимерной матрицей и молекулами доксорубицина. Берст-эффект (взрывной эффект первоначального выброса) практически отсутствовал. Пролонгированное высвобождение доксорубицина может быть использовано при длительной химиотерапии. Пролонгированный эффект высвобождения доксорубицина из полимерной матрицы микросфер наблюдался в течение 120 дней. Новое поколение высококачественных микросфер может служить основой для направленной доставки доксорубицина, используемого в терапии ряда онкологических заболеваний. Малотоксичные биосовместимые микросферы на основе ПОБ с включением доксорубицина позволят уменьшить дозу цитостатика и повысить его эффективность, что откроет перспективу для использования этих микросфер при длительной химиотерапии.

В статье на основании ретроспективного анализа архивного гистологического материала (2008–2016) продемонстрирован ряд сходных макрофагальных реакций у человека и лабораторных животных на имплантацию в дефекты костей различных видов остеопластических материалов. Присутствие таких материалов в костном регенерате приводило к появлению гигантских клеток инородных тел и остеокластоподобных клеток. Клетки появлялись как на поверхности остеопластического материала, так и на поверхности новообразованной кости, что сопровождалось ее резорбцией. Данный феномен предложено называть материал-ассоциированной костной резорбцией.

Получены микросферы на основе поли-3-оксибутирата (ПОБ) с включением в полимерную матрицу лекарственного вещества (ЛВ) дексаметазона. Изучены морфология, кинетика высвобождения ЛВ из микросфер. Полученные данные о кинетике высвобождения ЛВ свидетельствуют о том, что пролонгированное высвобождение происходит за счет диффузии ЛВ из полимерной матрицы на начальном этапе и гидролитической деструкции полимера на более поздних этапах. Длительный пролонгирующий эффект высвобождения из полимерной матрицы наблюдался в течение 28 дней. Изучаемая система может служить основой для создания новых пролонгированных лекарственных форм дексаметазона, используемых при заболеваниях, требующих адресной доставки ЛВ. Малотоксичные микросферы на основе ПОБ с контролируемым высвобождением дексаметазона позволяют повысить эффективность действия ЛВ и уменьшить дозу препарата.

Abstract—Natural polyhydroxyalkanoates (PHAs) and their synthetic analogs are widely used in medicine, including the production of biodegradable medical devices (prostheses, patches, stents, and plugs) intended for regenerative intestinal surgery. The possibility of biosynthesis and biodegradation of PHAs, primarily, their most common representative, poly(3-hydroxybutyrate) (PHB), by different symbiotic and infectious human and animal bacteria, particularly, multiple bacteria of intestinal microbiota, as well as the physiological role of biopolymer in bacterial cells, is discussed in detail in the review. The review also focuses on the problem of endogenous PHB in humans and animals. The assumption that microbiota bacteria can be a source of endogenous PHB is also discussed. In addition, the use of PHAs in regenerative intestine surgery is considered.

Природные полиоксиалканоаты (ПОА) и их синтетические аналоги широко используются в медицине, в том числе для изготовления биодеградируемых медицинских изделий (протезов, заплат, стентов, плагов), предназначенных для регенеративной хирургии кишечника. В обзоре подробно рассматривается возможность биосинтеза и биодеградации ПОА, прежде всего, их наиболее распространенного представителя поли-3-оксибутирата (ПОБ), различными симбиотическими и инфекционными бактериями человека и животных, в частности, многочисленными бактериями микробиоты кишечника, а также физиологическая роль биополимера в клетках бактерий. Большое внимание в обзоре также посвящено проблеме эндогенного ПОБ у человека и животных. Обсуждается предположение о том, что источником эндогенного ПОБ могут быть бактерии микробиоты. Кроме того, рассмотрено применение ПОА в регенеративной хирургии кишечника.

Целью данного исследования явилась разработка трёхмерных гибридных тканеинженерных конструкций (ТИК) на основе поли-3-оксибутирата (ПОБ) и мезенхимальных стволовых клеток (МСК) для замещения костных дефектов. Регенерацию костных дефектов изучали на модели критического костного дефекта свода черепа у крыс. Для их восстановления были изготовлены трехмерные тканеинженерные конструкции на основе композита поли-3-оксибутирата и наноразмерного гидроксиапатита (ГАП): при помощи 3D-принтера была напечатана пресс-форма, в которой методом двойного выщелачивания из композита ПОБ/ГАП был сформирован скаффолд. На основе полученного скаффолда сформировали ТИК, заполнив ее раствором альгината натрия (АЛГ) и суспензированными в нем мезенхимальными стволовыми клетками с последующим его гелированием. ТИК помещали в критический костный дефект и исследовали динамику, а также параметры регенерации. Результаты имплантации, а именно остеогенную активность определяли через месяц с использованием конусно-лучевой томографии и методом гистоморфометрии.

Проведенные исследования показали, что разработанная нами ТИК обладает остеогенными свойствами и способствует регенерации плоских костей черепа у крыс. Имплантациия ТИК обеспечивает закрытие критического костного дефекта свода черепа у крысы до 92% его площади в течение 1 месяца наблюдений, по-видимому, благодаря введенным в конструкцию МСК и биоматериалам скаффолда, способным к стимуляции роста костной ткани.

Таким образом, разработанная тканеинженерная конструкция обладает остеогенными свойствами, потенциируя регенерацию критических костных дефектов свода черепа крыс.

A precursor feeding strategy for effective biopolymer producer strain Azotobacter chroococcum 7B was used to synthesize various poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) copolymers. We performed experiments on biosynthesis of PHB copolymers by A. chroococcum 7B using various precursors: sucrose as the primary carbon source, various carboxylic acids and ethylene glycol (EG) derivatives [diethylene glycol (DEG), triethylene glycol (TEG), poly(ethylene glycol) (PEG) 300, PEG 400, PEG 1000] as additional carbon sources. We analyzed strain growth parameters including biomass and polymer yields as well as molecular weight and monomer composition of produced copolymers. We demonstrated that A. chroococcum 7B was able to synthesize copolymers using carboxylic acids with the length less than linear 6C, including poly (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxy-4-methylvalerate) (PHB-4MHV) using Y-shaped 6C 3-methylvaleric acid as precursor as well as EG-containing copolymers: PHB–DEG, PHB–TEG, PHB–PEG, and PHB–HV–PEG copolymers using short-chain PEGs (with n≤9) as precursors. It was shown that use of the additional carbon sources caused inhibition of cell growth, decrease in polymer yields, fall in polymer molecular weight, decrease in 3-hydroxyvalerate content in produced PHB–HV–PEG copolymer, and change in bacterial cells morphology that were depended on the nature of the precursors (carboxylic acids or EG derivatives) and the timing of its addition to the growth medium.

Chemical conjugation or blending with poly(ethylene glycols) (PEGs) are established procedures to facilitate solubilisation of hydrophobic compounds. The techniques of bioPEGylation and blending with PEG were applied to poly(3-hydroxybutyrate). In this paper we have examined the properties of copolymer of poly(3-hydroxybutyrate-co-poly(ethylene glycol)) (PHB-PEG) and composite material polyhydroxybutyrate with poly(ethylene glycol) (PHB+PEG) compared to homopolymer of poly(3-hydroxybutyrate) (PHB). It was found that copolymer has significally different mechanical and thermophysical properties with respect to pure PHB: an increased crystallinity but a decreased Young’s modulus and elongation at break. Moreover, the creation of the composite, and a copolymer of PHB with PEG results in a change in surface morphology of ultrathin films.

Electrospinning is a technology for electrostatic formation of polymer nanoand micro- fibers. We used this method to prepare blend scaffold from a biodegradable polymer, poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) (PHBV), and a model globular protein, bovine serum albumin (BSA). These polymers were mixed at 70:30 ratio in a common solvent (1,1,1,3,3,3-hexafluoroisopropanol) and electrospun. Blend solution-cast film and single-component electrospun films were used as control ones. We analyzed the film properties: morphology, dissolution kinetics, hydrophilicity, cytocompatibility. In contrast to the ordinary single-component electrospun films, the blend films consisted of several types of fibers: PHBV round fibers, BSA flat ribbons and the fine network. When the films were immersed in water, BSA dissolution rate from the blend was lower than from the solution-cast film. Vero cell viability and hydrophilicity was higher on the electrospun films than on the solution-cast ones. The obtained electrospun blend materials introduces a new class of polyester-protein blends. It can be used in tissue engineering.

Recent years biodegradable polymers of natural origin, poly(3-hydroxyalkanoates) (PHAs) and alginates (ALGs), have found broad application in medicine and tissue engineering. These polymers are very different in their properties: PHAs are hydrophobic, mechanically strong polyesters, while alginates are hydrophilic, hydrogelforming, mechanically destructible polysaccharides. However these polymers bring together the fact that PHAs and ALGs can be produced biotechnologically allowing to regulate their properties. Particularly, development of composite constructions from these polymers makes it possible to adjust the selected properties, especially mechanics, of the resulting composite PHAs/ALGs constructions for bone and cartilage engineering, where PHAs and ALGs are widely used. Thus, the objective of the work was to create the composite scaffolds from poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) and sodium alginate (ALG).

A study of in vitro biodegradation of poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) in model conditions was performed. The porcine pancreatic lipase solutions at different concentrations in the two buffer systems (phosphate-buffered saline (PBS) and simulating body fluid (SBF)) were chosen as model biodegradation media. At first, optimal concentration of pancreatic lipase (0.25 mg/ml in PBS) was determined: in these media the decomposition of PHB films realized faster according to the data of gravimetric analysis. Differential scanning calorimetry showed an increase in the crystallinity of the samples (from 49% to 59%) after enzymatic degradation. These data are confirmed by method of nanoindentation, where the increase of the Young’s modulus during the degradation (from 1.37 GPa to 4.4 GPa) was shown. This is due to the crystallization of the amorphous polymer component, and its decomposition and dissolving. During biodegradation three types of polymer ultrastructure changes were observed on the surfaces of the films: appearance of new lamellae, disappearance of lamellae and disintegration of lamellae into shorter fragments.

Background: Poly(hydroxyalkanoates) (PHA) have recently attracted increasing attention due to their biodegradability and high biocompatibility, which makes them suitable for the development of new prolong drug formulations.

Objective: This study was conducted to develop new prolong paclitaxel (PTX) formulation based on poly(3- hydroxybutyrate) (PHB) microparticles.

Method: PHB microparticles loaded with antitumor cytostatic drug PTX were obtained by spray-drying method using Nano Spray Dryer B-90. The PTX release kinetics in vitro from PHB microparticles and their cytotoxity on murine hepatoma cell line MH-22a were studied. Microparticles antitumor activity in vivo was studied using intraperitoneally (i.p.) transplanted tumor models: murine Lewis lung carcinoma and xenografts of human breast cancer RMG1.

Results: Uniform PTX release from PHB-microparticles during 2 months was observed. PTX-loaded PHB microparticles have demonstrated a significant antitumor activity versus pure drug both in vitro in murine hepatoma cells and in vivo when administered i.p. to mice with murine Lewis lung carcinoma and xenografts of human breast cancer RMG1.

Conclusion: The developed technique of PTX sustained delivery from PHB-microparticles has therapeutic potential as prolong anticancer drug formulation.

Electrospinning is a method for the preparation of nanosized polymer fibers. Here, electrospinning is used to prepare a blend of a polyester, poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) (PHBV), and a globular protein, bovine serum albumin (BSA). The electrospun blend film is compared with a solution-cast blend film and with single-component electrospun films made of PHBV and BSA. In the electrospun blend films, BSA manifests itself as flat ribbons and a fine network formed from fibers less than 50nm in diameter. The dissolution rate of BSA from the electrospun blended film is lower than from the solution-cast one. The films are characterized using scanning electron microscopy, differential scanning calorimetry, and contact-angle measurements. The obtained PHBV1BSA blend films have several emergent properties: a slow BSA dissolution rate, a fine BSA network, and unusual thermal behavior. Thus, the PHBV1BSA blend films introduce a new class of polymer–protein blends.

Background: Poly(hydroxyalkanoates) (PHA) have recently attracted increasing attention due to their biodegradability and high biocompatibility, which makes them suitable for the development of new prolong drug formulations.

Objective: A preclinical toxicology study of paclitaxel biopolymer formulation (PBF) (paclitaxel-loaded poly(3- hydroxybutyrate) (PHB) microparticles) was done in order to assess its safety and to forecast side and toxic effects in a clinical study on patients.

Method: PHB microparticles loaded with antitumor cytostatic drug PTX were obtained by spray-drying method using Nano Spray Dryer B-90. The comprehensive study of cytotoxicity (on bone marrow stem cells), acute and chronic toxicity, allergenic and pyrogenic properties, histological investigation (in mice, rats and rabbits) of obtained PBF was carried out.

Results: The acute toxicity study showed that PBF is much less toxic in equivalent PTX-content doses than PTX in conventional formulation when administered intraperitoneally to mice and rats. However, the chronic toxicity study showed that at intraperitoneal administration PBF has distinct cumulative properties and toxic effects that prevent PBF from clinical testing in current composition.

Conclusion: Thus, the PBF as a prolong drug needs to correct its parameters for further drug formulation development.

In the current work, we studied the degradation of PHB films in vitro by pancreatic lipase and in phosphate buffer saline (PBS). We traced the changes in film properties by several analytical methods: the change of weight, surface roughness and morphology (by atomic-force microscopy) and Young’s modulus (by nanoindentation) were measured. PHB is a semicrystalline polymer and thus the films have lamellar structure. During biodegradation, three types of changes were observed on the film surface: appearance of new lamellae, disappearance of lamellae and disintegration of lamellae into shorter fragments. During the six months of polymer films degradation the weight of samples decreased; and an increase in Young's modulus due to the relatively fast degradation of the amorphous areas was observed by nanoindentation.

The ability of representatives of various species of the bacterial genus Azotobacter (A. chroococcum 7B, A. chroococcum 12B, A. chroococcum 12BS, A. agile 12, A. indicum 8, A. vinelandii 17, and A. vinelandii 5B) to alginate synthesis has been studied. It has been shown that all tested bacterial strains have this ability to different extents. Capsular alginate comprises from 2.6 to 32% of the total amount of synthesized alginate in various bacterial species. Strains that are able to active synthesis of alginate have been selected; the effect of the medium composition on their biosynthesis has been studied. The optimal conditions for alginate synthesis by the A. chroococcum 12BS producer strain include the presence of mannitol (40 g/L), yeast extract (1%), and low concentration of phosphates (KH₂PO₄—0.008 g/L, K₂HPO₄—0.032 g/L) in the medium; alginate production under these conditions is 4.5 g/L. The effect of aeration on polymer biosynthesis has been revealed: an increase in aeration causes an increase in alginate synthesis, while its decrease promotes the synthesis of poly-3-hydroxybutirate. It has been shown by IR spectroscopy that alginates obtained under various conditions of cultivation contain different ratios of residues of mannuronic and guluronic acids (M/G from 70/30 to 80/20) in the polymer chain and also differ in the amount of acetyl groups (from 10 to 25%) in the polyme structure.

Изучена способность представителей различных видов бактерий рода Azotobacter (A. chroococcum 7Б, A. chroococcum 12Б, A. chroococcum 12БС, A. agile 12, A. indicum 8, A. vinelandii 17, A. vinelandii 5Б) к синтезу альгинатов. Показано, что все испытанные штаммы бактерий в различной степени обладали этой способностью. Капсулярный альгинат составлял от 2.6% до 32% от общего количества синтезируемого альгината у разных видов бактерий. Отобраны штаммы, способные к активному синтезу альгинатов, изучено влияние состава среды на биосинтез. Оптимальные условия для синтеза альгинатов штаммом-продуцентом A. chroococcum 12БС: присутствие в среде маннита (40 г/л), дрожжевого экстракта (1%) и низкое содержание фосфатов (KH₂PO₄ – 0.008 г/л, K₂HPO₄ – 0.032 г/л); продукция альгината в этих условиях составляла 4.5 г/л. Показано влияние аэрации на синтез полимеров: увеличение аэрации приводило к увеличению синтеза альгинатов, уменьшение способствовало синтезу поли-3-оксибутирата. Методом ИК-спектроскопии показано, что альгинаты, полученные при разных условиях культивирования, содержали в цепи полимера различное соотношение остатков маннуроновых и гулуроновых кислот (M/G от 70/30 до 80/20), а также различались количеством ацетильных групп (от 10% до 25%) в структуре полимера.

Biocompatible and biodegradable polymer microparticles are contemporary medicines able to eliminate the side effects and unsatisfactory pharmacokinetics of already existing preparations. In this work we have developed a high-tech scalable method for the synthesis of paclitaxel-loaded poly(3-hydroxybutyrate) (PHB)-based microparticles. These particles were synthesized on a B-90 Buchi nano spray dryer by piezoelectric spray drying in an inert atmosphere. A regular spherical shape, narrow size distribution, and satisfactory results for the release of paclitaxel from the polymeric matric of microparticles in vitro make this polymeric medicinal form promising for its further application in pharmaceutics. Nanoparticles with a similar composition synthesized via the laboratory one-stage emulsification method were used for comparison. This study is the first stage in the creation of a sustained-action anticancer paclitaxel preparation.

Микрочастицы из биосовместимых и биодеградируемых полимеров – это современные лекарственные формы, способные элиминировать побочные эффекты и неудовлетворительную фармакокинетику уже существующих лекарственных препаратов. В этой работе мы разработали высокотехнологичный масштабируемый метод получения микрочастиц, загруженных паклитакселом, на основе поли-(3-гидроксибутирата) (ПГБ). Данные частицы получали на распылительной сушилке Buchi Nano Spray Dryer B-90 методом пьезоэлектрического распылительного высушивания в инертной атмосфере. Правильная сферическая форма, узкое распределение по размерам, а также удовлетворительные результаты высвобождения паклитаксела из полимерной матрицы микрочастиц in vitro делают эту полимерную лекарственную форму перспективной для ее будущего применения в фармацевтике. Для сравнения были использованы наночастицы аналогичного состава, полученные с помощью лабораторного метода одноэтапного эмульгирования. Это исследование является первым этапом для создания противоопухолевого препарата паклитаксела пролонгированного действия.

Poly(3-hydroxybutyrate)-poly(ethylene glycol) (PHB-PEG) copolymer is a novel member of polyhydroxyalkanoates (PHAs) produced by biotechnological PEGylation with improved biocompatibility and biodegradability. We used the PHB-PEG to produce the porous 3D scaffolds for bone tissue engineering. The PHB-PEG caffolds were made by gas porous formation technique using ammonium carbonate as a porogen. The 3D-scaffolds on the base of homopolymer poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) and its blend with PEG 70:30 w/w (PHB+PEG) were used for comparison. In this study morphology (e.g., porosity), hydrophilicity, thermal properties and protein adsorption of PHB-PEG 3D scaffolds were examined. Bone marrow stromal cells (BMSCs) and 3T3 fibroblast cells were cultured on PHB-PEG 3D scaffolds. Cell viability, growth and adhesion on polymer 3D scaffolds were investigated by XTT test and scanning electron microscopy. The obtained data showed that the PHB-PEG copolymer scaffolds demonstrated lower hydrophobicity and better biocompatibility in comparison with the PHB homopolymer scaffolds and these indicators were not inferior to the PHB+PEG blend. It was also shown that PHB-PEG 3D scaffolds are suitable substrate for cell growth and could be applied for bone tissue engineering.

Production of novel polyhydroxyalkanoates (PHAs), biodegradable polymers for biomedical applications, and biomaterials based on them is a promising trend in modern bioengineering. We studied the ability of an effective strain-producer Azotobacter chroococcum 7B to synthesize not only poly(3-hydroxybutyrate) homopolymer (PHB) and its main copolymer poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV), but also a novel copolymer, poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxy-4-methylvalerate) (PHB4MV). For the biosynthesis of PHB copolymers, we used carboxylic acids as additional carbon sources and monomer precursors in the chain of synthesized copolymers. The main parameters of these polymers’ biosynthesis were determined: strain-producer biomass yield, polymer yield, molecular weight and monomer composition of the synthesized polymers, as well as the morphology of A. chroococcum 7B bacterial cells. The physico-chemical properties of the polymers were studied using nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), differential scanning calorimetry (DSC), contact angle test, and other methods. In vitro biocompatibility of the obtained polymers was investigated using stromal cells isolated from the bone marrow of rats with the XTT cell viability test. The synthesis of the novel copolymer PHB4MV and its chemical composition were demonstrated by NMR spectroscopy: the addition of 4-methylvaleric acid to the culture medium resulted in incorporation of 3-hydroxy-4-methylvalerate (3H4MV) monomers into the PHB polymer chain (0.6 mol%). Despite the low molar content of 3H4MV in the obtained copolymer, its physico-chemical properties were significantly different from those of the PHB homopolymer: it has lower crystallinity and a higher contact angle, i.e. the physico-chemical properties of the PHB4MV copolymer containing only 0.6 mol% of 3H4MV corresponded to PHBV copolymer with a molar content ranging from 2.5% to 7.8%. In vitro biocompatibility of the obtained PHB4MV copolymer, measured in the XTT test, was not statistically different from the cell growth at PHB and PHBV polymers, which make its use possible in biomedical research and development.

Получение новых полиоксиалканоатов (ПОА) – биоразлагаемых полимеров биомедицинского назначения и биоматериалов на их основе – перспективное направление современной биоинженерии. Изучена способность эффективного штамма-продуцента Azotobacter chroococcum 7Б синтезировать не только гомополимер поли-3-оксибутирата (ПОБ) и его основной сополимер поли-3-оксибутират-со-3-оксивалерат (ПОБВ), но и новый сополимер поли-3-оксибутират-со-3-окси-4-метилвалерат (ПОБ4МВ). Для биосинтеза сополимеров ПОБ мы использовали карбоновые кислоты в качестве дополнительных источников углерода и предшественников мономеров в цепи синтезируемых сополимеров. Определены основные параметры биосинтеза полимеров: урожай биомассы штамма-продуцента, продукция полимера, молекулярная масса и мономерный состав синтезируемых полимеров, а также морфология клеток A. chroococcum 7Б. Физико-химические свойства полученных полимеров определены с использованием спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР), дифференциально-сканирующей калориметрии (ДСК), измерения контактного угла смачивания и др. Рост клеток на полученных полимерах in vitro оценен с использованием стромальных клеток (СК), выделенных из костного мозга крыс, и теста анализа жизнеспособности клеток ХТТ. Синтез нового сополимера ПОБ4МВ показан путем определения его химического состава методом спектроскопии ЯМР – добавление в культуральную среду 4-метилвалериановой кислоты приводило к включению в полимерную цепь ПОБ мономеров 3-окси-4-метилвалерата (3О4МВ) (0.6 мол. %). Несмотря на малое молярное содержание 3О4МВ в составе сополимера, его физико-химические свойства значительно отличались от свойств гомополимера ПОБ: имел сниженную степень кристалличности и повышенный контактный угол смачивания, т.е. по своим физико-химическим свойствам сополимер ПОБ4МВ с содержанием 3О4МВ всего 0.6 мол. % соответствовал сополимеру ПОБВ с молярным содержанием от 2.5 до 7.8%. Рост СК, определенный по тесту ХТТ, на полученном сополимере ПОБ4МВ in vitro не отличался статистически от их роста на полимерах ПОБ и ПОБВ, что позволяет использовать его в биомедицинских разработках и исследованиях.

The aim of the investigation was to develop a technology of manufacturing bone implants based on a hybrid polymer construction composed of poly(3-hydroxybutyrate) and sodium alginate for guided bone regeneration using 3D printing method.

Materials and Methods. Complex shaped bone implants based on poly(3-hydroxybutyrate) and sodium alginate were manufactured by the method of two-stage leaching using a mold obtained by 3D printing. The appearance, morphology and structure of the obtained scaffolds were analyzed by means of scanning electron microscopy. Biocompatibility in vivo was determined based on the histology data of scaffolds implantation as bone substitutes.

Results. The study of the developed hybrid 3D scaffolds from poly(3-hydroxybutyrate) and sodium alginate showed that they perform a restrictive function providing conditions for regeneration of flat cranial bones in rats.

Conclusion. The developed hybrid 3D scaffolds do not interfere with normal osteogenesis and provide beneficial conditions for regeneration.

Цель исследования — разработка технологии изготовления костных имплантатов на основе гибридной полимерной конструкции из поли-3-оксибутирата и альгината натрия для направленной костной регенерации с применением метода 3D-печати.

Материалы и методы. Для изготовления имплантатов сложной формы на основе поли-3-оксибутирата и альгината натрия применяли метод двойного выщелачивания с использованием пресс-формы, выполненной методом 3D-печати. Исследование внешнего вида, морфологии и структуры полученных матриксов проводили с помощью сканирующей электронной микроскопии. Биосовместимость in vivo определяли по результатам внутримышечной имплантации костных имплантатов и по данным гистологии.

Результаты. Исследование разработанного гибридного 3D-матрикса из поли-3-оксибутирата и альгината натрия показало, что он обладает ограничительной функцией, обеспечивая условия для нормальной регенерации плоских костей черепа у крыс.

Заключение. Разработанный гибридный 3D-матрикс не препятствует течению нормального остеогенеза и обеспечивает благоприятные для регенерации условия.

We studied the possibility of long-term culturing of mouse mesenchymal stem cells on a porous scaffold made of biocompatible polymer poly-3-hydroxybutyrate. The cells remained viable for at least 2 months and passed more than 65 population doublings in culture. Culturing on the scaffold did not change surface phenotype of cells. 3D poly-3-hydroxybutyrate scaffolds are appropriate substrate for long-term culturing of mesenchymal stem cells.

Исследована возможность долговременного культивирования мезенхимных стволовых клеток мыши на пористом матриксе на основе биосовместимого полимера поли-3-оксибутирата. Клетки сохраняли жизнеспособность в течение не менее 2 мес и проходили в культуре более 65 популяционных делений. При этом поверхностный фенотип исследованных клеток после культивирования на матриксе не менялся. Трехмерный матрикс на основе поли-3-оксибутирата является подходящим субстратом для долговременного культивирования мезенхимных стволовых клеток.

The influence of small concentrations of nanoscale silicon and titanium dioxide particles on the structure, physicomechanical and sorption properties, thermal destruction resistance, and thermal and photo oxidant destruction of unwoven ultrathin fibrous materials that are prepared via electrostatic solution spinning is studied. It is established that nanoscale particles favor the formation of thinner fibers with improved physical and mechanical parameters; good resistance to thermal, thermo- and photo oxidant destruction; and positive dynamics of mesenchymal stem cells.

Цель исследования — разработка новой системы пролонгированного высвобождения белков, в основе которой лежит использование микрокапсул поли(3-гидроксибутирата) (ПГБ), загружаемых бычьим сывороточным альбумином (БСА).

Материалы и методы. Для разработки микрокапсул применяли ПГБ, полученный микробиологическим путем с использованием штамма-продуцента Azotobacter chroococcum 7Б. Микрокапсулы, загруженные модельным белком — БСА, были получены с помощью метода двухэтапного эмульгирования «водная фаза/масляная фаза/водная фаза». Для исследования морфологии микрокапсул, процессов загрузки и высвобождения из них БСА были использованы методы спектрофотометрии, конфокальной и сканирующей электронной микроскопии. Исследование биосовместимости микрокапсул in vivo проведено по результатам внутримышечной имплантации и по данным гистологии.

Результаты. Исследование процессов включения и пролонгированного высвобождения БСА из полученных микрокапсул в течение более чем 190 ч показало эффективность представленной системы. Установлено, что высвобождение белка из микрокапсул происходит в результате разрыва их полимерных стенок. Выявлена умеренная тканевая реакция на имплантацию полученных микрокапсул.

Заключение. Разработанные микрокапсулы из ПГБ, загруженные БСА, представляют собой удачный пример создания пролонгированной формы препарата белковой природы.

Поражения костных тканей занимают одно из первых мест среди причин временной нетрудоспособности и развития инвалидности. В настоящее время в хирургической практике применяются методики направленной костной регенерации с использованием различных остеопластических материалов и изолирующих мембран. Нами разработана методика получения пористых мембран из сополимера поли-3-оксибутирата с 3-оксивалератом (ПОБВ), продуцируемого штаммом Azotobacter chroococcum 7B , и проведены исследования данной подложки на биосовместимость как на клеточной культуре мезенхимальных стволовых клеток (МСК), так и на лабораторных животных. Результаты теста на цитотоксичность и гистологических исследований свидетельствуют о высокой биосовмесимости данного материала и потенциальной возможности использования его в тканевой инженерии костной ткани.