Scaffold biocompatibility remains an urgent problem in tissue engineering. An especially interesting problem is guided cell intergrowth and tissue sprouting using a porous scaffold with a special design. Two types of structures were obtained from poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) using a salt leaching technique. In flat scaffolds (scaffold-1), one side was more porous (pore size 100–300 µm), while the other side was smoother (pore size 10–50 µm). Such scaffolds are suitable for the in vitro cultivation of rat mesenchymal stem cells and 3T3 fibroblasts, and, upon subcutaneous implantation to older rats, they cause moderate inflammation and the formation of a fibrous capsule. Scaffold-2s are homogeneous volumetric hard sponges (pore size 30–300 µm) with more structured pores. They were suitable for the in vitro culturing of 3T3 fibroblasts. Scaffold-2s were used to manufacture a conduit from the PHB/PHBV tube with scaffold-2 as a filler. The subcutaneous implantation of such conduits to older rats resulted in gradual soft connective tissue sprouting through the filler material of the scaffold-2 without any visible inflammatory processes. Thus, scaffold-2 can be used as a guide for connective tissue sprouting. The obtained data are advanced studies for reconstructive surgery and tissue engineering application for the elderly patients.

The results of comprehensive research on the thermal behavior and molecular and crystalline structures of poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) and poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHB-HV) films of different thicknesses, their molecular weights (M_w) and 3-hydroxyvalerate (3-HV) contents are reported. Increasing film thickness from 30 to 100 μm resulted in an isotropic crystal orientation, reducing the crystallite size of the orthorhombic α-phase in the b direction from 22 to 17 nm and increasing the degree of crystallinity of the PHB films without affecting their thermal behavior. Furthermore, despite resulting in the same degree of crystallinity and roughness, an ~8-fold decrease in PHB M_w from 803 kDa to 102 kDa resulted in a decreased number of piezoactive domains. The addition of 5.9% 3-HV resulted in anisotropy in the PHB crystalline structure and increased D₍₀₂₀₎ from 19 nm to 24 nm. Additionally, a further increase in the 3-HV content to 17.5% in the PHB-HV films led to a decrease in the melting temperature and a decrease in the degree of crystallinity from 57% to 23%, which resulted in the absence of local piezoresponse. Notably, the decrease in the M_w of PHB-HV (~17%) from 1177 kDa to 756 kDa resulted in an increase in the degree of crystallinity from 23% to 32%. Moreover, the PHB-HV films became smoother with increasing 3-HV content.

Rare earth-based biomaterials have representative optical/magnetic properties, which have shown the great potential in biomedical applications. In recent years, many studies have shown that rare earth-based biomaterials also possess the special biological properties, including antioxidation, antiinflammation and antibacterial activity, which also enabled their potential applications in enhancing wound healing and skin tissue regeneration. Thus, rare earth-based inorganic-organic hybrid biomaterials (REH) with special biological activities have been developed for wound healing and skin regeneration. REH biomaterials possess the double advantages of inorganic rare earth and organic biomedical polymers, and demonstrate the promising applications in wound healing and repair. In this work, we thoroughly reviewed the recent advances and findings on the fabrication and wound repair applications of bioactive REH biomaterials. The personal insights regarding as the challenges and perspectives on rare-earth nanocomposites in wound repair were also presented.

Biodegradable and biocompatible polymers are actively used in tissue engineering to manufacture scaffolds. Biomedical properties of polymer scaffolds depend on the physical and chemical characteristics and biodegradation kinetics of the polymer material, 3D microstructure and topography of the scaffold surface, as well as availability of minerals, medicinal agents, and growth factors loaded into the scaffold. However, in addition to the above, the intrinsic biological activity of the polymer and its biodegradation products can also become evident. This review provides studies demonstrating that scaffolds made of poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) and its copolymers have their own biological activity, and namely, osteoinductive properties. PHB can induce differentiation of mesenchymal stem cells in the osteogenic direction in vitro and stimulates bone tissue regeneration during the simulation of critical and non-critical bone defects in vivo.

Исследована возможность формирования микроструктурированных пленок поли-3-оксибутирата методом «самоорганизации» микрокапель воды с помощью искусственных шаблонов и обратных эмульсий полимера. Установлено, что методом «самоорганизации» можно сформировать упорядоченные микроструктуры поли-3-оксибутирата с гексагональным расположением ячеек регулируемого диаметра от 1 до 4 мкм. Показано, что путем применения обратных эмульсий поли-3-оксибутирата можно получить пористые пленки с заданным размером пор от 0,4 до 3 мкм, при этом структуру пленок и размер пор в них можно регулировать путем изменения концентрации полимера в дисперсионной среде и объемного соотношения фаз. С помощью метода центрифугирования и применения искусственных шаблонов можно создавать точные реплики поли-3-оксибутирата, которые характеризуются высокой степенью однородности по всей площади и отсутствием дефектных областей. Показано, что сформированные микроструктурированные пленки поли-3-оксибутирата с регулируемой топографией поверхности перспективны для использования в качестве скаффолдов для культивирования стволовых клеток.

Разработка новых эффективных методов обработки научно-технической информации в междисциплинарных исследованиях с применением математико-лингвистического направленного поиска является актуальной проблемой в таких научных направлениях как изучение биоматериалов для тканевой инженерии из-за необходимости обрабатывать большие объемы информации, разнообразия источников информации и терминологической путаницы. Авторами проведено исследование по анализу входящего потока публикаций на предмет соответствия их тематическому направлению пользователя. В качестве исходного массива взята персональная база данных, собранная за 20 лет профессиональной деятельности научной группой «Медицинские биополимеры», размер которой составляет 3650 статей, который сравнивался с данными, собранными автоматизированным способом с 3-х высокорейтинговых изданий – Acta Biomaterialia, Biomaterials, Materials Today Bio. Для определения схожести текстов использовалась программная библиотека difflib, основанная на алгоритме Ратклифа–Мезнера. По итогам исследования выявлено, что разработанный подход смог адекватно выявить публикации соответствующие интересам лидера научной группы «Медицинские биополимеры», но также был выявлен ряд проблем, которые планируется решить на следующих этапах исследования.

Functionalization of magnetite (Fe₃O₄) nanoparticles with reduced graphene oxide (rGO) with the preserved magnetic properties of the former presents great potential for applying the Fe₃O₄/rGO biocomposite in various biomedical applications, such as magnetic resonance imaging, as a therapeutic component in initiating tumour cell death in magnetic and photon ablation therapy, and as an effective carrier for drug delivery. In this study, magnetite nanoparticles (MNPs) with a high saturation magnetization were synthesized by co-precipitation under various conditions, followed by covalent functionalization with citric acid (CA) and subsequent attachment to rGO sheets by physical adsorption. Extensive characterization revealed increasing phase purity with a subsequent decrease in the crystallite size and average size of the MNPs synthesized in an inert atmosphere compared to ambient conditions. Meanwhile, further functionalization of the MNPs with CA by covalent binding does not affect the MNP structure and size, but decreases their agglomeration. To study the magnetic properties of the MNPs and the Fe₃O₄/rGO composite, magnetization curves were obtained with a vibrating sample magnetometer at a pulsed magnetic field of up to 6.5 kOe. The largest values of saturation magnetization are revealed for the samples synthesized without the addition of CA in an inert atmosphere (σs = 80.27 emu/g). The addition of CA to the synthesized MNPs and Fe₃O₄/rGO composites reduced agglomeration, with σs values in the range from 64.10 to 60.97 emu/g. In vitro biological experiments revealed the MNP concentrations that did not cause any toxic effects on cells for use as magnetic fillers to investigate the strain-mediated effects of hybrid polymer composites on cellular behaviour due to external magnetic field exposure in the next stages of research.

Magnetically responsive composite polymer scaffolds have good potential for a variety of biomedical applications. In this work, electrospun composite scaffolds made of polyhydroxybutyrate (PHB) and magnetite (Fe₃O₄) particles (MPs) were studied before and after degradation in either PBS or a lipase solution. MPs of different sizes with high saturation magnetization were synthesized by the coprecipitation method followed by coating with citric acid (CA). Nanosized MPs were prone to magnetite–maghemite phase transformation during scaffold fabrication, as revealed by Raman spectroscopy; however, for CA-functionalized nanoparticles, the main phase was found to be magnetite, with some traces of maghemite. Submicron MPs were resistant to the magnetite–maghemite phase transformation. MPs did not significantly affect the morphology and diameter of PHB fibers. The scaffolds containing CA-coated MPs lost 0.3 or 0.2% of mass in the lipase solution and PBS, respectively, whereas scaffolds doped with unmodified MPs showed no mass changes after 1 month of incubation in either medium. In all electrospun scaffolds, no alterations of the fiber morphology were observed. Possible mechanisms of the crystalline-lamellar-structure changes in hybrid PHB/Fe₃O₄ scaffolds during hydrolytic and enzymatic degradation are proposed. It was revealed that particle size and particle surface functionalization affect the mechanical properties of the hybrid scaffolds. The addition of unmodified MPs increased scaffolds’ ultimate strength but reduced elongation at break after the biodegradation, whereas simultaneous increases in both parameters were observed for composite scaffolds doped with CA-coated MPs. The highest saturation magnetization─higher than that published in the literature─was registered for composite PHB scaffolds doped with submicron MPs. All PHB scaffolds proved to be biocompatible, and the ones doped with nanosized MPs yielded faster proliferation of rat mesenchymal stem cells. In addition, all electrospun scaffolds were able to support angiogenesis in vivo at 30 days after implantation in Wistar rats.

Surface morphology affects cell attachment and proliferation. In this research, different films made of biodegradable polymers, poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) and poly(3-hydroxybutyrateco-3-hydroxyvalerate) (PHB-co-HV), containing different molecular weights, with microstructured surfaces were investigated. Two methods were used to obtain patterned films—water-assisted self-assembly (“breath figure”) and spin-coating techniques. The water-assisted technique made it possible to obtain porous films with a self-assembled pore structure, which is dependent on the monomer composition of a polymer along with its molecular weight and the technique parameters (distance from the nozzle, volume, and polymer concentration in working solution). Their pore morphologies were evaluated and their hydrophobicity was examined. Mesenchymal stem cells (MSCs) isolated from bone marrow were cultivated on a porous film surface. MSCs’ attachment differed markedly depending on surface morphology. On strip-formed stamp films, MSCs elongated along the structure, however, they interacted with a larger area of film surface. The honeycomb films and column type films did not set the direction of extrusion, but cell flattening depended on structure topography. Thus, stem cells can “feel” the various surface morphologies of self-assembled honeycomb films and change their behavior depending on it.

This study investigated the effect of various cultivation conditions (sucrose/phosphate concentrations, aeration level) on alginate biosynthesis using the bacterial producing strain Azotobacter vinelandii 12 by the full factorial design (FFD) method and physicochemical properties (e.g., rheological properties) of the produced bacterial alginate. We demonstrated experimentally the applicability of bacterial alginate for tissue engineering (the cytotoxicity testing using mesenchymal stem cells (MSCs)). The isolated synthesis of high molecular weight (M_w) capsular alginate with a high level of acetylation (25%) was achieved by FFD method under a low sucrose concentration, an increased phosphate concentration, and a high aeration level. Testing the viscoelastic properties and cytotoxicity showed that bacterial alginate with a maximal M_w (574 kDa) formed the densest hydrogels (which demonstrated relatively low cytotoxicity for MSCs in contrast to bacterial alginate with low M_w). The obtained data have shown promising prospects in controlled biosynthesis of bacterial alginate with different physicochemical characteristics for various biomedical applications including tissue engineering.

The use of bioengineering methods and approaches is extremely promising for the development of experimental models of cancer, especially head and neck squamous cell carcinomas (HNSCC) that are characterized by early metastasis and rapid progression., for testing novel anticancer drugs and diagnostics. This review summarizes the most relevant HNSCC tumor models used to this day as well as future directions for improved modeling of the malignant disease. Apart from conventional 2D-cell cultivation methods and in vivo animal cancer models a number of bioengineering techniques of modeling HNSCC tumors were reported: genetic-engineering, ethanol/tobacco exposure experiment, spheroids, hydrogel-based cell culture, scaffold-based cell culture, microfluidics, bone-tumor niche cell culture, cancer and normal cells co-culture, cancer cells, and bacteria co-culture. An organized set of these models can constitute a system of HNSCC experimental modeling, which gives potential towards developing the newest approaches in the diagnosis, prevention, and treatment of HNSCC.

Highly porous composite poly(vinyl alcohol) (PVA) cryogels loaded with the poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) microbeads containing the drug, simvastatin (SVN), were prepared via cryogenic processing (freezing—storing frozen—defrosting) of the beads’ suspensions in aqueous PVA solution. The rigidity of the resultant composite cryogels increased with increasing the filler content. Optical microscopy of the thin section of such gel matrices revealed macro-porous morphology of both continuous (PVA cryogels) and discrete (PHB-microbeads) phases. Kinetic studies of the SVN release from the drug-loaded microbeads, the non-filled PVA cryogel and the composite material showed that the cryogel-based composite system could potentially serve as a candidate for the long-term therapeutic system for controlled drug delivery. Such PHB-microbeads-containing PVA-cryogel-based composite drug delivery carriers were unknown earlier; their preparation and studies have been performed for the first time.

We studied biocompatibility and bioresorption of 3D-printed polylactide and polyglycolide tissue membranes. Ultrasound microscopy and histological examination showed that membranes fabricated of a copolymer of lactic and glycolic acids in a mass ratio of 1:9 are bioresorbed and have good biocompatibility with soft tissues (connective tissue, adipose tissue, and epithelium). An important feature of the copolymer membranes, which differs them from pure polylactide membranes, is the formation of a thin fibrous capsule that did not interfere its destruction by the mechanism of hydrolytic resorption.

Technology has become an integral part of everyday lives. Recent years have witnessed advancement in technology with a wide range of applications in healthcare. However, the use of the Internet of Things (IoT) and robotics are yet to see substantial growth in terms of its acceptability in healthcare applications. The current study has discussed the role of the aforesaid technology in transforming healthcare services. The study also presented various functionalities of the ideal IoT-aided robotic systems and their importance in healthcare applications. Furthermore, the study focused on the application of the IoT and robotics in providing healthcare services such as rehabilitation, assistive surgery, elderly care, and prosthetics. Recent developments, current status, limitations, and challenges in the aforesaid area have been presented in detail. The study also discusses the role and applications of the aforementioned technology in managing the current pandemic of COVID-19. A comprehensive knowledge has been provided on the prospect of the functionality, application, challenges, and future scope of the IoT-aided robotic system in healthcare services. This will help the future researcher to make an inclusive idea on the use of the said technology in improving the healthcare services in the future.

Over the past century there was a significant development and extensive application of biodegradable and biocompatible polymers for their biomedical applications. This research investigates the dynamic change in properties of biodegradable polymers: poly(3-hydroxybutyrate (PHB), poly-L-lactide (PLA), and their 50:50 blend (PHB/PLA)) during their hydrolytic non-enzymatic (in phosphate buffered saline (PBS), at pH = 7.4, 37°C) and enzymatic degradation (in PBS supplemented with 0.25 mg/mL pancreatic lipase). 3T3 fibroblast proliferation on the polymer films experiencing different degradation durations was also studied. Enzymatic degradation significantly accelerated the degradation rate of polymers compared to non-enzymatic hydrolytic degradation, whereas the seeding of 3T3 cells on the polymer films accelerated only the PLA molecular weight loss. Surprisingly, the immiscible nature of PHB/PLA blend (showed by differential scanning calorimetry) led to a slower and more uniform enzymatic degradation in comparison with pure polymers, PHB and PLA, which displayed a two-stage degradation process. PHB/PLA blend also displayed relatively stable cell viability on films upon exposure to degradation of different durations, which was associated with the uneven distribution of cells on polymer films. Thus, the obtained data are of great benefit for designing biodegradable scaffolds based on polymer blends for tissue engineering.

Реферат. Успешное применение хирургических и медикаментозных методов лечения восстановления костной ткани челюстей убедительно подтверждено в клинической практике. Вместе с тем продолжают развиваться технологии по потенцированию остеоиндуктивных свойств остеопластических материалов для восстановления костного объема. Включение в состав остеопластических материалов статинов самостоятельно или в комбинации с МСК — одно из новых и многообещающих направлений регенераторного воздействия.

Цель обзора — сбор и анализ научных данных о влиянии симвастатина на дифференцировку МСК, участие симвастатина при воспалительных процессах в тканях пародонта, поиск перспектив применения симвастатина как составляющей комплексной терапии заболеваний пародонта.

Материалы и методы. Поиск данных проводили на основе баз данных pubmed.com, sciencedirect.com, elibrary.ru по ключевым словам: «simvastatin» AND «periodontitis», «simvastatin» AND «stromal mesenchymal cells» с 2014 г. до 2020 г. Были отобраны статьи на основе экспериментальных работ.

Результаты.Подчеркнуты основные клеточно-генетические пути реализации работы симвастатина по отношению к МСК и заболеваниям пародонта, выявлена корреляционная связь дозозависимого применения симвастатина с дифференцировкой МСК и выраженностью воспалительного ответа при заболеваниях пародонта.

Заключение. Симвастатин является перспективным средством при заболеваниях пародонта как на воспалительном, так и на реабилитационном этапах.

We studied the effect of porous composite scaffolds based on poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) loaded with simvastatin on the growth and differentiation of mesenchymal stem cells. The scaffolds have a suitable microstructure (porosity and pore size) and physicochemical properties to support the growth of mesenchymal stem cells. Scaffold loading with simvastatin suppressed cell growth and increased alkaline phosphatase activity, which can attest to their osteoinductive properties.

В данной работе исследовано влияние пористых композитных матриксов на основе поли-3-оксибутирата (ПОБ), загруженных симвастатином, на рост и дифференцировку мезенхимальных стволовых клеток (МСК). Показано, что полученные матриксы обладают подходящей микроструктурой (пористость и размер пор) и физико-химическими свойствами для поддержания роста МСК. Матриксы, загруженные симвастатином, вызывали угнетение роста клеток и возрастание активности щелочной фосфатазы, что может указывать на их остеоиндуктивные свойства.

Для исследования противоопухолевых препаратов в качестве переходного звена между моделями для скрининга новых лекарств и средств ранней диагностики in vitro и тестированием препаратов на животных моделях опухолевых заболеваний in vivo разрабатывают биоинженерные модели трёхмерного роста опухолевых клеток. Особенно актуально создание таких модельных систем для моделирования in vitro плоскоклеточного рака головы и шеи (ПРГШ).

The structure and diffusion properties of combined ultrafibrous matrices containing microspheres for prolonged release of lysozyme are studied in the work. The matrices are biocompatible and they are not cytotoxic. The matrices are obtained via electrospinning. These materials are suitable for solving problems of tissue engineering, since they combine ultrafine fibers of poly(hydroxybutyrate) promoting effective attachment and growth of cells and poly(hydroxybutyrate) microparticles capable of prolonged release of a bioactive compound. These properties allow one to recommend these matrices for tissue engineering.

The hydrolytic and enzymatic degradation of polymer films of poly(3-hydroxybutyrate)(PHB) of different molecular mass and its copolymers with 3-hydroxyvalerate (PHBV) of different 3-hydroxyvalerate (3-HV) content and molecular mass, 3-hydroxy-4-methylvalerate (PHB4MV), and polyethylene glycol (PHBV-PEG) produced by the Azotobacter chroococcum 7B by controlled biosynthesis technique were studied under in vitro model conditions. The changes in the physicochemical properties of the polymers during their in vitro degradation in the pancreatic lipase solution and in phosphate-buffered saline for a long time (183 days) were investigated using different analytical techniques. A mathematical model was used to analyze the kinetics of hydrolytic degradation of poly(3-hydroxyaklannoate)s by not autocatalytic and autocatalytic hydrolysis mechanisms. It was also shown that the degree of crystallinity of some polymers changes differently during degradation in vitro. The total mass of the films decreased slightly up to 8–9% (for the high-molecular weight PHBV with the 3-HV content 17.6% and 9%), in contrast to the copolymer molecular mass, the decrease of which reached 80%. The contact angle for all copolymers after the enzymatic degradation decreased by an average value of 23% compared to 17% after the hydrolytic degradation. Young’s modulus increased up to 2-fold. It was shown that the effect of autocatalysis was observed during enzymatic degradation, while autocatalysis was not available during hydrolytic degradation. During hydrolytic and enzymatic degradation in vitro, it was found that PHBV, containing 5.7–5.9 mol.% 3-HV and having about 50% crystallinity degree, presents critical content, beyond which the structural and mechanical properties of the copolymer have essentially changed. The obtained results could be applicable to biomedical polymer systems and food packaging materials.

A critical-sized calvarial defect in rats is employed to reveal the osteoinductive properties of biomaterials. In this study, we investigate the osteogenic efficiency of hybrid scaffolds based on composites of a biodegradable and biocompatible polymer, poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) with hydroxyapatite (HA) filled with alginate (ALG) hydrogel containing mesenchymal stem cells (MSCs) on the regeneration of the critical-sized radial defect of the parietal bone in rats. The scaffolds based on PHB and PHB/HA with desired shapes were prepared by two-stage salt leaching technique using a mold obtained by three-dimensional printing. To obtain PHB/HA/ALG/MSC scaffolds seeded with MSCs, the scaffolds were filled with ALG hydrogel containing MSCs; acellular PHB/ALG and PHB/ALG filled with empty ALG hydrogel were prepared for comparison. The produced scaffolds have high porosity and irregular interconnected pore structure. PHB/HA scaffolds supported MSC growth and induced cell osteogenic differentiation in a regular medium in vitro that was manifested by an increase in ALP activity and expression of the CD45 phenotype marker. The data of computed tomography and histological studies showed 94% and 92%, respectively, regeneration of critical-sized calvarial bone defect in vivo at 28th day after implantation of MSC-seeded PHB/HA/ALG/MSC scaffolds with 3.6 times higher formation of the main amount of bone tissue at 22–28 days in comparison with acellular PHB/HA/ALG scaffolds that was shown at the first time by fluorescent microscopy using the original technique of intraperitoneal administration of fluorescent dyes to living postoperative rats. The obtained in vivo results can be associated with the MSC-friendly microstructure and in vitro osteogenic properties of PHB/HA base-scaffolds. Thus, the obtained data demonstrate the potential of MSCs encapsulated in the bioactive biopolymer/mineral/hydrogel scaffold to improve the bone regeneration process in critical-sized bone defects.

We studied the efect of porous composite scafolds based on poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) loaded with simvastatin on the growth and diferentiation of mesenchymal stem cells. The scafolds have a suitable microstructure (porosity and pore size) and physicochemical properties to support the growth of mesenchymal stem cells. Scafold loading with simvastatin suppressed cell growth and increased alkaline phosphatase activity, which can attest to their osteoinductive properties.

Были получены пленки из биоразлагаемого и биосовместимого полимера поли-3-оксибутирата, загруженные антибиотиком левофлоксацином (1% и 5% вес.) и остеоиндуктором симвастатином (1% и 5% вес.). Исследование пролиферации мезенхимальных стволовых клеток на поверхности полученных пленок показало, что пленки из поли-3-оксибутирата, загруженные левофлоксацином (1% и 5%) и симвастатином (1%) способствуют поддержанию жизнеспособности и пролиферации мезенхимальных стволовых клеток на поверхности пленки, но на пленках, содержащих 5% симвастатина рост наблюдалось подавление роста клеток. Лекарственные системы на основе ПОБ обладают хорошими перспективами для применения с целью регенерации костной ткани.

Проведено исследование биосовместимости и скорости резорбции тканевых мембран из полилактида и полигликолида, изготовленных методом 3D-печати. Результаты ультразвуковой микроскопии и гистологического исследования продемонстрировали, что мембраны из сополимера молочной и гликолевой кислот в массовом соотношении 1:9 подвергаются биорезорбции и имеют хорошую биосовместимость с мягкими тканями (соединительная ткань, жировая клетчатка и эпителий). Важным отличием от чистого полилактида является образование вокруг мембран из сополимера фиброзной капсулы незначительной толщины, которая не препятствует деструкции, протекающей по механизму гидролитической резорбции.

High-resolution ultrasonic imaging techniques are necessary for the non-invasive diagnostics of artificial cell-matrix systems. The results from experimental studies show these techniques are sensitive to variations in the elastic properties of biopolymer samples and can be used effectively to detect micro and macro voids and monitor processes of biodegradation in tissue-engineered constructs (TECs).

Ультразвуковые методы визуализации высокого разрешения необходимы для неинвазивной диагностики искусственных клеточно-матричных систем. Результаты экспериментальных исследований показывают, что метод чувствителен к вариациям упругих свойств биополимерных образцов, эффективен для обнаружения микро- и макропустот и наблюдения за процессами биодеградации в тканеинженерных конструкциях (ТИК).

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.

This work is designed to be an informative source for biodegradable poly(3-hydroxybutyrate) and its derivatives’ research. We focuses on hydrolytic degradation kinetics at 37 and 70°C in phosphate buffer to compare PLA and PHB kinetic profiles. Besides, we reveal the kinetic behavior for copolymer PHBV (20% of 3-hydroxyvalerate) and the blend PHB-PLA. The intensity of biopolymer hydrolysis characterized by total weight lost and the viscosity-averaged molecular weight (MW) decrement. The degradation is enhanced in the series PHBV < PHB < PHB-PLA blend < PLA. Characterization of PHB and PHBV includes MW and crystallinity evolution (x-ray diffraction) as well as AFM analysis of PHB film surfaces before and after aggressive medium exposition. The important impact of MW on the biopolymer hydrolysis is shown.

Работа посвящена биоразлагаемому поли(3-гидроксибутирату) и исследованию его производных. Исследована кинетика гидролитического разложения при 37 и 70°С в фосфатном буфере для сравнения кинетических профилей ПЛЛ и ПГБ. Кроме того, изучена кинетика для сополимера ПГБВ (20% 3-гидроксивалерата) и смеси ПГБ-ПЛЛ. Интенсивность гидролиза биополимера характеризуется общей потерей массы и уменьшением усреднённой молекулярной массы (ММ). Разложение усиливается в серии ПГБВ < ПГБ < смесь ПГБ-ПЛЛ < PLA. Характеристики ПГБ и ПГБВ включают ММ и изменение кристалличности (дифракции рентгеновских лучей), а также АСМ-анализ поверхности ПГБ-плёнок до и после экспозиции в агрессивной среде. Показано влияние ММ на гидролиз биополимера.

The aim of the investigation was to develop a new synthetic material based on poly-3-hydroxybutyrate, sodium alginate and hydroxyapatite in the form of a paste and study in vitro and in vivo its efficiency when repairing bone defects.

Materials and Methods. For a paste we used poly-3-hydroxybutyrate (PHB) developed microbiologically, with molecular weight of 52 kDa, hydroxyapatite (HAP) and sodium alginate (Sigma-Aldrich, Germany).

Results. A comparative study of implantation results of HAP–PHB and xenogeneic osseous non-demineralized collagen with a defect covered by PHB membrane showed that by day 180 critical bone defect healed completely in a group with HAP–PHB implantation. Despite the fact that cortical plate formed in a group of patients with implantation of xenogeneic osseous non-demineralized collagen, chronic productive inflammation results in osseous tissue rarefaction and fibrosis formation in interjoist that can have a negative effect on mechanical properties of the bone.

Conclusion. The obtained biomaterial based on composite microparticles from PHB and HAP in alginate gel can be used as a filling agent to correct bone tissue defects, since in its structure there are combined solid support elements and a substance able to maintain optimal microenvironment for cell culture.

Цель исследования — разработка нового синтетического материала на основе поли-3-оксибутирата, альгината натрия и гидроксиапатита в виде пасты и исследование in vitro и in vivo его эффективности при восстановлении костных дефектов.

Материалы и методы. Для разработки пасты использовали поли-3-оксибутират (ПОБ), полученный микробиологическим путем, с молекулярной массой 52 кДа, гидроксиапатит (ГАП) и альгинат натрия (Sigma-Aldrich, Германия).

Результаты. При сравнительном изучении результатов имплантации ГАП–ПОБ и ксеногенного костного недеминерализованного коллагена с перекрытием дефекта мембраной ПОБ выявлено, что к 180-м суткам наблюдения критический костный дефект полностью зажил в группе с имплантацией ГАП–ПОБ. Несмотря на то, что образование кортикальной пластинки происходит и в группе с имплантацией ксеногенного костного недеминерализованного коллагена, хроническое продуктивное воспаление приводит к разрежению костной ткани и формированию фиброза в межбалочном пространстве, что может негативно отразиться на механических свойствах кости.

Заключение. Полученный биоматериал на основе композитных микрочастиц из ПОБ и ГАП в альгинатном геле можно использовать в качестве наполнителя при устранении дефектов костной ткани, так как в его структуре сочетаются элементы твердой подложки и вещество, способное поддерживать оптимальное микроокружение для клеточной культуры.

The copolymerization of poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) is a promising trend in bioengineering to improve biomedical properties, e.g. biocompatibility, of this biodegradable polymer. We used strain Azotobacter chroococcum 7B, an effective producer of PHB, for biosynthesis of not only homopolymer and its main copolymer, poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHB-HV), but also novel terpolymer, poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate)-poly(ethylene glycol) (PHB-HV-PEG), using sucrose as the primary carbon source and valeric acid and poly(ethylene glycol) 300 (PEG 300) as additional carbon sources. The chemical structure of PHB-HV-PEG was confirmed by ¹H nuclear-magnetic resonance analysis. The physico-chemical properties (molecular weight, crystallinity, hydrophilicity, surface energy) of produced biopolymer, the protein adsorption to the terpolymer, and cell growth on biopolymer films were studied. Despite of low EG monomers content in bacterial-origin PHB-HV-PEG polymer, the terpolymer demonstrated significant improvement in biocompatibility in vitro in contrast to PHB and PHB-HV polymers, which may be coupled with increased protein adsorption, hydrophilicity and surface roughness of PEG-containing copolymer.

Приведен анализ отечественных и зарубежных источников специальной литературы, отражающих положительные и отрицательные свойства материалов, используемых в современной стоматологической практике для замещения дефектов костной ткани. Учитывая высокую востребованность в использовании костнозамещающих материалов в хирургической стоматологии и челюстно-лицевой хирургии, сделан акцент на значимость разработки нового синтетического материала для замещения дефектов костной ткани. Синтетические материалы на основе искусственного ГАП по ряду характеристик превосходят ГАП животного происхождения. Они исключают возможность переноса инфекционных заболеваний, позволяют регулировать скорость резорбции за счет особенностей синтеза, различных замещений фосфатных и гидроксильных групп в структуре апатита. Это характеризует синтетический ГАП как перспективный остеопластический материал для использования во всех областях костно-пластической хирургии.

В настоящей работе приведены исследования биополимерной лекарственной формы пролонгированного высвобождения противопаразитарного препарата Иверлонг, изучена кинетика и динамика выведения ивермектина из организма овец. Полученные данные свидетельствуют о том, что пролонгированное высвобождение ивермектина из микросфер за счет диффузии лекарственного вещества из полимерной матрицы приводит к более эффективным пролонгированным действиям препарата за счет продолжительного равномерного высвобождения лекарственной формы препарата, а также высокой биосовместимости полимерной лекарственной формы.

Background. The improvement of biomedical properties, e.g. biocompatibility, of poly(3-hydroxyalkanoates) (PHAs) by copolymerization is a promising trend in bioengineering. We used strain Azotobacter chroococcum 7B, an effective producer of PHAs, for biosynthesis of not only poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) and its main copolymer, poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHB-HV), but also alternative copolymer, poly(3-hydroxybutyrate)-poly(ethylene glycol) (PHB-PEG).

Results. In biosynthesis we used sucrose as the primary carbon source and valeric acid or poly(ethylene glycol) 300 (PEG 300) as additional carbon sources. The chemical structure of PHB-PEG and PHB-HV was confirmed by ¹H nuclear-magnetic resonance (¹H NMR) analysis. The physico-chemical properties (molecular weight, crystallinity, hydrophilicity, surface energy) and surface morphology of films from PHB copolymers were studied. To study copolymers biocompatibility in vitro the protein adsorption and COS-1 fibroblasts growth on biopolymer films by XTT assay were analyzed. Both copolymers had changed physico-chemical properties compared to PHB homopolymer: PHB-HV and PHB-PEG had less crystallinity than PHB; PHB-HV was more hydrophobic than PHB in contrast to PHB-PEG appeared to have greater hydrophilicity than PHB; whereas the morphology of polymer films did not differ significantly. The protein adsorption to PHB-PEG was greater and more uniform than to PHB and PHB-PEG copolymer promoted better growth of COS-1 fibroblasts compared with PHB homopolymer.

Conclusions. Thus, despite low EG-monomers content in bacterial origin PHB-PEG copolymer, this polymer demonstrated significant improvement in biocompatibility in contrast to PHB and PHB-HV copolymers, which may be coupled with increased protein adsorption and hydrophilicity of PEG-containing copolymer.

Приведен анализ отечественных и зарубежных источников специальной литературы, отражающих положительные и отрицательные свойства резорбируемых и нерезорбируемых мембран. Представлены новые, современные мебраны, используемые для направленной костной регенерации. Обозначены принципиально новые подходы в лечении пациентов с заболеваниями пародонта. Дана характеристика метода направленной тканевой регенерации (GTR), показана его клиническая эффективность в комплексном применении с остеоиндуктивными и остеокондуктивными костезамещающими материалами. Учитывая высокую востребованность в использовании изолирующих мембран в хирургической стоматологии как при регенеративном лечении воспалительно-деструктивных заболеваний пародонта, так и при проведении костной пластики до и во время дентальной имплантации, сделан акцент на значимость разработки новой синтетической биодеградируемой мембраны для направленной костной регенерации.

Hydrolytic degradations of biodegradable poly(3-hydroxybutyrate) (PHB), polylactide (PLA) and their derivatives were explored by kinetic and structure methods at 37 and 70°C in phosphate buffer. It was revealed the kinetic profiles for copolymer PHBV (20% of 3-hydroxyvalerate) and the blend PHB-PLA (1:1 wt. ratio). The intensity of biopolymer hydrolysis depending on temperature is characterized by total weight loss and the viscosity-averaged molecular weight decrement ( ΔMW) as well as by WAXS and AMF techniques. Characterization of PHB and PHBV includes both ΔMW and crystallinity evolution (x-ray diffraction) as well as the AFM analysis of PHB film surfaces before and after aggressive medium exposition. The degradation is enhanced in the series PHBV < PHB < PHB-PLA blend < PLA. The impact of MW on the biopolymer hydrolysis is shown.

We focused on hydrolytic degradation kinetics at 310 and 343 K in phosphate buffer to compare PLA and PHB kinetic profiles. Besides, we revealed the kinetic behavior for copolymer PHBV (20 % of 3-hydroxyvalerate) and the blend PHB-PLA (1:1). The intensity of biopolymer hydrolysis is characterized by total weight lost and the viscosity-averaged molecular weight (MW) decrement. The degradation is enhanced in the series PHBV < PHB < PHB-PLA blend < PLA. Characterization of PHB and PHBV includes MW and crystallinity evolution (X-ray diffraction) as well as AFM analysis of PHB film surfaces before and after aggressive medium exposition. The important impact of MW on the biopolymer hydrolysis is shown.

Биоразлагаемый полимер бактериального происхождения, поли-3-оксибутират (ПОБ), активно исследуется как биоматериал для тканевой инженерии. Однако факторы, определяющие биосовместимость этого полимерного материала, в настоящее время остаются не до конца ясны. С целью исследования влияния свойств поли-3-оксибутирата на жизнеспособность культивируемых на нем клеток была проведена модификация полимерного материала с использованием гидрофильного полимера полиэтиленгликоля 300 (ПЭГ). Были получены композиты ПОБ/ПЭГ с различным содержанием ПЭГ (10, 20, 30 и 50%), после чего 95% ПЭГ было удалено из композитов в ходе инкубации в воде. Были исследованы шероховатость и гидрофильность поверхности пленок методами атомно-силовой микроскопии и измерения контактного угла смачивания, соответственно. Была исследована биосовместимость плёнок in vitro на культуре фибробластов линии COS-1. Показано, что как шероховатость полимерной поверхности, так и ее гидрофобность прямо пропорциональны исходному содержанию ПЭГ в композитах ПОБ/ПЭГ. Показано, что интенсивность роста фибробластов линии COS-1 на полимерных пленках определяет сочетание двух основных физико-химических свойств полимерной поверхности: шероховатости и гидрофильности. Оптимальной шероховатостью для роста клеток линии COS-1 является средняя шероховатость более 25 нм, предельных значений контактного угла смачивания, ответственных за относительно высокую жизнеспособность клеток, найдено не было. Это свидетельствует о том, что наибольшее влияние на рост клеток оказывает шероховатость поверхности пленок, а уровень гидрофильности полимерной поверхности вызывает дополнительный положительный эффект на жизнеспособность прикрепившихся на плёнках клеток через посредство формирования на ней слоя адсорбированного белка. Таким образом, модификация полимерного материала ПОБ с использованием ПЭГ привело к улучшению жизнеспособности клеток, культивируемых на полимерных пленках in vitro. Полученные данные можно использовать для разработки таких медицинских изделий, как хирургические заплаты и пародонтологические мембраны.

Microspheres were obtained on the basis of poly(3-oxibutyrate) (POB) with the inclusion of the Chlorambucil and Etoposide cytostatic drugs in a polymer matrix, and the morphology, kinetics of drug release from microspheres, and the interaction between microspheres and tumor cells in vitro were studied. Data on the kinetics of drug release suggests that a prolonged release occurs by drug diffusion from the polymer matrix at the initial stage and at the expense of hydrolytic degradation of the polymer at a later stage. A study of the biocompatibility and biological activity of biopolymeric microspheres showed that chlorambucil operates actively and strongly inhibits the growth of cultured cells for a short time (24 h). Etoposide acts weaker (the percentage of cell growth suppression during 48 h does not exceed 50%), but subsequently it has a basis for the creation of new dosage forms with prolonged action of Etoposide and chlorambucil for cancer therapy.

Получены микросферы на основе поли-3-оксибутирата (ПОБ) с включением в полимерную матрицу цитостатических лекарственных веществ (ЛВ) хлорамбуцила и этопозида, изучены морфология, кинетика высвобождения ЛВ из микросфер и взаимодействие микросфер с опухолевыми клетками рака молочной железы человека линии MFC-7 in vitro. Полученные данные свидетельствуют о том, что пролонгированное высвобождение ЛВ происходит за счет диффузии лекарственного вещества из полимерной матрицы на начальном этапе и за счет гидролитической деструкции полимера на более поздних этапах. При изучении биосовместимости и биологической активности биополимерных микросфер показано, что хлорамбуцил сильнее подавляет рост культивируемых опухолевых клеток за короткое время (24 ч). Этопозид действует слабее (подавление роста клеток за 48 ч не превышает 50%), однако в дальнейшем он имеет долгий пролонгированный эффект высвобождения ЛВ из полимерной матрицы. Изучаемая система может послужить основой создания новых лекарственных форм пролонгированного действия этопозида и хлорамбуцила для терапии онкозаболеваний.

The development of time-delayed controlled release formulations based on biodegradable polymers is a promising trend in modern pharmacology. Polyhydroxyalkanoates (PHA) attract increasing attention due to their biodegradability and high biocompatibility, which make them suitable for the development of novel drug dosage forms. We have prepared poly(3-hydroxybutyrate) (PHB)-based microspheres loaded with the antitumor drug paclitaxel and investigated morphology, drug release kinetics and the effect of these microspheres on tumor cells in vitro. The data on the kinetics of drug release, biocompatibility and biological activity of the biopolymer microspheres in vitro have demonstrated that the studied system of prolonged drug release had lower toxicity and higher efficiency compared to the traditional dosage forms of paclitaxel.

Создание лекарственных систем пролонгированного действия на основе биоразлагаемых полимеров является перспективным направлением в современной фармакологии. Полиоксиалканоаты (ПОА) в последнее время привлекают все больше внимания благодаря их способности к биоразложению и высокой биосовместимости, что делает их пригодными для создания новых лекарственных форм. Были получены микросферы на основе поли-3-оксибутирата (ПОБ) с включением в полимерную матрицу противоопухолевого лекарственного вещества (ЛВ), паклитаксела, и изучены морфология, кинетика высвобождения ЛВ из микросфер и взаимодействие микросфер с опухолевыми клетками in vitro. Полученные данные по кинетике высвобождения ЛВ, биосовместимости и биологической активности биополимерных микросфер in vitro показали, что изучаемая система пролонгированного высвобождения ЛВ обладает меньшей токсичностью и большей эффективностью по сравнению с противоопухолевым препаратом в традиционной лекарственной форме.

Biodegradable biopolymers attract much attention in biology and medicine due to its wide application. The present review considers a biodegradable and biocompatible polymer of bacterial origin, poly(3-hydroxybutyrate), which has wide perspectives in medicine and pharmaceutics. It highlights basic properties of biopolymer (biodegradability and biocompatibility) and also biopolymer systems: various materials, devices and compositions based on the biopolymer. Application of poly(3-hydroxybutyrate)-based biopolymer systems in medicine as surgical implants, in bioengineering as cell culture scaffolds, and in pharmacy as novel drug dosage forms and drug systems are also considered.

Биодеградируемые биополимеры привлекают повышенное внимание в биологии и медицине благодаря чрезвычайно широкому спектру их применения. Обзор посвящен биоразлагаемому и биосовместимому полимеру бактериального происхождения, поли-3-оксибутирату, имеющему широкие перспективы использования в медицине и фармацевтике. Подробно рассмотрены основные свойства этого биополимера: способность к биодеградации и биосовместимость, а также биополимерные системы: различные материалы, изделия и композиции на его основе. Рассмотрено использование биополимерных систем на основе поли-3-оксибутирата в медицине в качестве хирургических имплантатов, в биоинженерии – в качестве каркасов для клеточных культур, в фармацевтике – в качестве новых лекарственных форм и систем.

Biodegradable biopolymers attract much attention in biology and medicine due to its wide application. The present review is designed to be a comprehensive source for research of biodegradable and biocompatible bacterial polymer, poly(3-hydroxybutyrate). This paper focuses on basic properties of biopolymer: biodegradability and biocompatibility. Application of biopolymer systems based on poly(3-hydroxybutyrate) in medicine as surgical implants, in bioengineering as scaffold for cell cultures, and in pharmacy as drug dosage forms and drug systems is observed in the present review.

The aim of this study was to evaluate and to compare the long-term kinetics curves of biodegradation of poly(3-hydroxybutyrate) (PHB), its copolymer poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate), and a PHB/polylactic acid composite. The total weight loss and the change of average viscosity molecular weight were used as the parameters reflecting the biodegradation degree. The rate of biodegradation was analyzed in vitro in the presence of lipase and in vivo after film implantation in animal tissues. The morphology of the PHB film surface was studied by the atomic force microscopy technique. It was shown that PHB biodegradation involves both polymer hydrolysis and its enzymatic biodegradation. The results obtained in this study can be used for the development of various PHB-based medical devices.

The ability of Azotobacter chroococcum strain 7B, producer of polyhydroxybutyrate (PHB), to synthesize its copolymer poly-3-hydroxybutyrate-3-hydroxyvalerate (PHB–HV) was studied. It was demonstrated, for the first time, that A. chroococcum strain 7B was able to synthesize PHB-HV with various molar rates of HV in the polymer chain when cultivated on medium with sucrose and carboxylic acids as precursors of HV elements in the PHB chain, namely, valeric (13.1–21.6 mol %), propanoic (3.1 mol %), and hexanoic (2.1 mol %) acids. Qualitative and functional differences between PHB and PHB-HV were demonstrated by example of the release kinetic of methyl red from films made of synthesized polymers. Maximal HV incorporation into the polymer chain (28.8mol %) was recorded when the nutrient medium was supplemented with 0.1% peptone on the background of 20 mM valerate. These results suggest that that the studied strain can be regarded as a potential producer of not only PHB but also PHB–HV.

Исследована способность штамма Azotobacter chroococcum 7Б, продуцента полигидроксибутирата (ПГБ), синтезировать его сополимер-поли-3-гидроксибутират-3-гидроксивалерат (ПГБ-ГВ). Впервые показано, что штамм A. chroococum 7Б способен синтезировать ПГБ-ГВ с разным молярным процентом включения гидроксивалерата (ГВ) в полимерную цепь при росте на среде с сахарозой с добавлением карбоновых кислот в качестве предшественников звеньев ГВ в цепи ПГБ: валериановой (от 13.1 до 21.6 мол. %), пропионовой (3.1 мол. %) и гексановой (2.1 мол. %) кислот. Качественное и функциональное различие между ПГБ и ПГБ-ГВ показано на примере оценки кинетики выхода метилового красного из пленок, изготовленных на основе синтезированных полимеров. Максимальное включение ГВ в полимерную цепь (28.8 мол. %) отмечено при дополнительном внесении в питательную среду 0.1% пептона на фоне 20 мM валерата. Полученные данные позволяют рассматривать штамм в качестве потенциального продуцента не только ПГБ, но и ПГБ-ГВ.

The aim of this work is the registration and the comparison of long-term kinetics of polymer systems' hydrolysis, namely, bacterial poly(3-hydroxybutyrate) (PHB), its copolymer with 3-hydroxyvaleriate, and the blend PHB with polylactide (PLA). The total weight loss and an averaged viscosity molecular weight (Mw) have been used as the control of hydrolytic destruction degree. The morphology of PHB surface has been elucidated by AFM technique. It was shown that kinetic profile of destruction depends on incubation medium (buffer nature), temperature, polymer Mw, and macromolecular content (ratio HB/HV). The AFM technique confirms the competition between surface and volume hydrolytic process of PHB samples.

Целью настоящей работы является регистрация и сопоставление долгосрочных кинетических кривых гидролитической деструкции полимерных систем: бактериального поли-3-оксибутирата (ПОБ), его сополимера с оксивалератом, а также композиционной смеси ПОБ с полилактидом (ПЛА). Для контроля степени гидролитической деструкции использовали суммарную потерю массы образца и изменение средневязкостной молекулярной массы (ММ). Для оценки состояния поверхности плёнок ПОБ использовался метод атомно-силовой микроскопии. Показано, что скорость гидролитической деструкции зависит от среды инкубации (природы буфера), температуры, химического состава биополимера и его молекулярной массы. Методом атомно-силовой микроскопии подтверждено, что наряду с объёмными процессами гидролиза ПОБ протекает и поверхностный гидролиз полимера.

The kinetics of the controlled release of the antiproliferative drug dipyridamole from microspheres based on the biocompatible and biodegradable polymer poly(3-hydroxy)butyrate is studied. As carriers for dipyridamole, microspheres prepared from a solution of poly(3-hydroxy)butyrate by single emulsion method are used. Under in vitro conditions, the kinetic curves describing the release of dipyridamole from microspheres with diameters of 19, 63, and 92 μm show two characteristic regions: the region of fast drug release within a short time period and a well-pronounced continuous linear region. For microspheres with a diameter of 4 μm, the linear region is missing. Analysis of the kinetic curves illustrating controlled drug release together with the measurements on polymer degradation shows that their kinetic profiles depend on the diffusion-controlled process and hydrolytic degradation of poly(3-hydroxy)butyrate. The diffusion kinetic equation describing both linear and nonlinear regions of dipyridamole released from the microspheres involves the sum of two terms: desorption from the sphere via the diffusion-controlled mechanism and drug release via the zero-order reaction. The linear region of the drug release curve is explained by the zero-order hydrolysis of poly(3-hydroxy)butyrate. The diffusion coefficients and kinetic constants are calculated. For bigger microspheres, the existence of the continuous linear region in the corresponding kinetic curves makes it possible to use microsystems based on poly(3-hydroxy)butyrate and dipyridamole as novel systems for local prolonged drug delivery.

Исследована кинетика контролируемого высвобождения антипролиферативного лекарственного вещества дипиридамола из микросфер на основе биосовместимого и биоразлагаемого полимера, поли-3-гидроксибутирата. В качестве носителей дипиридамола использовали микросферы, полученные из раствора поли-3-гидроксибутирата методом однократного эмульгирования. В условиях in vitro кинетические кривые высвобождения дипиридамола для микросфер диаметра 19, 63 и 92 мкм имеют два характерных участка – быстрое выделение лекарственного вещества за относительно короткий период времени и хорошо выраженный длительный линейный участок. Для объектов с диаметром 4 мкм линейный участок не наблюдался. Анализ кинетических кривых контролируемого высвобождения лекарственного вещества в сочетании с измерением деструкции полимера показал, что их кинетический профиль зависит от сочетания диффузионного процесса и гидролитической деструкции поли-3-гидроксибутирата. Диффузионно-кинетическое уравнение, описывающее линейную и нелинейную стадии высвобождения дипиридамола из микросфер, записано в виде суммы двух слагаемых: десорбции из сферы по диффузионному механизму и высвобождения в результате реакции нулевого порядка соответственно. Линейный участок профиля высвобождения объяснен реакцией гидролиза поли-3-гидроксибутирата нулевого порядка. Рассчитаны коэффициенты диффузии и кинетические константы. Для микросфер большого диаметра существование на кинетических кривых длительного линейного участка позволит использовать микросистемы поли-3-гидроксибутират-дипиридамол как новые лекарственные препараты для локальной пролонгированной доставки лекарственного вещества.

Целью нашей работы является регистрация и сопоставление долгосрочных кинетических кривых биодеградации поли-3-оксибутирата (ПОБ), его сополимера с 3-оксивалератом, а также композита ПОБ с полилактидом. В качестве показателей степени биодеградации использовали суммарную потерю массы образца и изменение средневязкостной молекулярной массы. Скорость биодеградации анализировали в присутствии липазы in vitro и при имплантации клеток в ткани животных in vivo. Для изучения морфологии поверхности плёнок ПОБ использовали метод атомно-силовой микроскопии. Было показано, что биодеградация ПОБ осуществляется как за счёт гидролиза биополимера, так и путём его ферментативной биодеструкции. Полученные результаты могут быть использованы при разработке медицинских изделий на основе ПОБ.

This chapter is disigned to be a comprehensive source for biodegradable polymer: poly(3-hydroxybutyrate) research, including fundamental structure/property relationships and biodegradation kinetics for samples of different geometry. In addition to presenting the scintific framework for the advances in PHB research, this review foceses on applications of PHB in biomedicine and environment with a discussion on commercial applications and health/safety concerns for biodegradable materials.

This review is disigned to be a comprehensive source for biodegradable polymer: poly(3-hydroxybutyrate) research, including fundamental structure/property relationships and biodegradation kinetics for samples of different geometry. In addition to presenting the scintific framework for the advances in PHB research, this review foceses on applications of PHB in biomedicine and environment with a discussion on commercial applications and health/safety concerns for biodegradable materials.

It has been shown that poly-3-hydroxybutyrate (PHB) of predetermined molecular weight can be obtained by varying the growth conditions of the producer strain, Azotobacter chroococcum 7B: pH, temperature, aeration, presence of sodium acetate as an additional carbon source, or growth on crude complex carbon sources (molasses, vinasse, or starch). High-molecular-weight polymer can be obtained at pH 7.0, optimal for the culture (1485 kDa), temperature 30–37°C (1600–1450 kDa, respectively), and low aeration (2215 kDa). The following factors decrease PHB MW: pH deviation to the acidic (pH 6.0, 476 kDa) or alkaline (pH 8.0, 354 kDa) range or lower temperature (20°C, 897 kDa). Introduction of additional carbon source (sodium acetate) at concentrations in the medium varying from 0 to 5 g/l provides an original method of production of PHB with predetermined MW in a wide range, from 270 to 1515 kDa, with high PHB content in the cell.

Показана возможность получения поли-3-гидроксибутирата (ПГБ) разной молекулярной массы (ММ) путём изменения условий культивирования штамма-продуцента Azotobacter chroococcum 7Б: рН среды, температура, уровень аэрации, внесение дополнительного источника углерода – ацетат натрия, а также при росте на неочищенных комплексных источниках углерода (меласса, винасса, крахмал). Полимер с высокой степенью полимеризации может быть получен при оптимальном для роста культуры нейтральном (рН 7.0) среды (1485 кДа), при температуре культивирования 30-37°С (1600-1450 кДа соответственно), при низком уровне аэрации (2215 кДа). Снижению степени полимеризации ПГБ способствовало отклонение рН среды в кислую (рН 6.0, 476 кДа) или щелочную область (рН 8.0, 354 кДа), а также понижение температуры культивирования до 20°С (897 кДа). Впервые разработан способ получения ПГБ заданной молекулярной массы в широком диапазоне ММ от 270 до 1515 кДа с высоким содержанием ПГБ в клетке путём внесения в среду культивирования дополнительного источника углерода – ацетата натрия при изменении его градиента концентрации в среде от 0 до 5 г/л.

Polyhydroxyalkanoates (PHAs) are bacterial polymers that are formed as naturally occurring storage polyesters by a wide range of microorganisms. Biodegradable and biocompatible poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) and its copolymers with 3-hydroxyvalerate (PHBV) are the best known representatives of PHA family. For more than 20 years biosynthesis, biodegradation and applications of PHB and its copolymers have been studied in the Bach Institute of Biochemistry RAS. An effective technology for production of PHB and PHBV of different molecular weight (from 200 to 1500 kDa) by diazotrophic bacteria of Azotobacter and Rhizobium genus has been developed. In order to clarify mechanism of PHB biodegradation degradation of PHB at different conditions in vitro and in vivo have been studied. A number of medical devices on basis of PHB: surgical meshes, screws and plates for bone fixation, periodontal membranes, and wound dressing are developed. High biocompatibility of PHB films and medical devices implanted in animal tissues has been demonstrated. Nowadays, development of systems of sustained drug delivery on the base of PHAs microspheres and microcapsules as a new and promising trend in the modern pharmacology is intensively in progress.

Novel biodegradable microspheres on the base of poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) designed for controlled release of antithrombotic drug, namely dipyridamole (DPD), have been kinetically studied. The profiles of release from the microspheres with different diameters 4, 9, 63, and 92 µm present the progression of nonlinear and linear stages. Diffusionkinetic equation describing both linear (PHB hydrolysis) and nonlinear (diffusion) stages of the DPD release profiles from the spherical subjects has been written down as the sum of two terms: desorption from the homogeneous sphere in accordance with diffusion mechanism and the zero-order release. In contrast to the diffusivity dependence on microsphere size, the constant characteristics (k) of linearity are scarcely affected by the diameter of PHB microparticles. The view of the kinetic profiles as well as the low rate of DPD release are in satisfactory agreement with kinetics of weight loss measured in vitro for the PHB films. Taking into account kinetic results, we suppose that the degradation of both films and PHB microspheres is responsible for the linear stage of DPD release profiles. In the nearest future, combination of biodegradable PHB and DPD as a representative of proliferation cell inhibitors will give possibility to elaborate the novel injectable therapeutic system for a local, long-term, antiproliferative action.

To impart antimicrobial activity to surgical sutures, weaved polyester fibers are coated with poly- 3-hydroxybutyrate (PHB), containing the antimicrobial agent furazolidone (FZ). The prolonged FZ effect (7 - 14 days) is achieved by two-step application of a sheath, constituting 10% of the suture weight and containing 2–6% FZ. The sheath structure and antimicrobial activity of sutures can be modified by the introduction of other biocompatible and biodegradable polymers.

Для придания хирургическим нитям антимикробной активности на плетёные полиэфирные нити наносили покрытие из поли-3-гидроксибутирата (ПГБ), содержащее антимикробное вещество фуразолидон (ФЗ). Показано, что пролонгированных эффект действия ФЗ (7-14 сут) достигается двукратным нанесением покрытия в количестве 10% от массы нити, в состав которого входит 2-6% ФЗ. Показана возможность регулирования структуры покрытия и антимикробной активности нитей введением в него других биосовместимых и биодеградируемых полимеров.

С целью достижения контроля высвобождения антисептика (фурацилина) предложена полимерная система на основе биосовместимого и биодеградируемого поли(3-гидроксибутирата) [ПГБ]. Кинетика высвобождения фурацилина из мембран ПГБ, содержащих от 0,5 до 5,0% лекарственного вещества, в водный раствор исследовалась методом УФ-спектрометрии при 25°С. Кинетические кривые высвобождения представляют комбинацию диффузионного и кинетического процессов. Проанализирована диффузионная составляющая процесса, измерены коэффициенты диффузии и определена их концентрационная зависимость. Кинетическая константа высвобождения также зависит от содержания фурацилина и связана с гидролитической деструкцией ПГБ, которая наиболее наглядно наблюдается при длительных временах высвобождения (после 1-й недели эксплуатации системы). Изложенные результаты необходимы при дальнейшей разработке систем для высвобождения нескольких лекарственных веществ одновременно с целью достижения комбинированного физиологического эффекта воздействия на ткани и органы биологических систем.

New poly-(3-hydroxybutyrate)-based systems for controlled release of anti-inflammatory and antithrombogenic drugs have been studied. The release occurs via two mechanisms (diffusion and degradation) operating simultaneously. Dipyridamole and indomethacin diffusion processes determine the rate of the release at the early stages of the contact of the system with the environment (the first 6–8 h). The coefficient of the release diffusion of a drug depends on its nature, the thickness of the poly-(3-hydroxybutyrate) films containing the drug, the concentrations of dipyridamole and indomethacin, and the molecular weight of the poly-(3- hydroxybutyrate). The results obtained are critical for developing systems of release of diverse drugs, thus, enabling the attainment of the requisite physiological effects on tissues and organs of humans.

Исследованы новые полимерные системы на основе поли-(3-гидроксибутирата) для контролируемого высвобождения лекарственных веществ противовоспалительного и антитромбогенного действия. Высвобождение реализуется одновременно по диффузионному и деструктивному механизму. Рассмотрена диффузия дипиридамола и индометацина, определяющая скорость высвобождения на начальных временах контакта системы с окружающей средой (первые 6-8 суток). Показано, что коэффициент диффузии высвобождения лекарственных веществ зависит от природы лекарственного вещества, толщины плёнок поли-(3-гидроксибутирата), содержащих лекарственное вещество, от концентрации дипиридамола и индометацина и от молекулярной массы поли-(3-гидроксибутирата). Изложенные результаты необходимы для разработки систем высвобождения различных лекарственных веществ с целью достижения необходимого физиологического эффекта воздействия на ткани человека.

We studied the preparation of polymeric films formed from solutions of poly-3-hydroxybutyrate and poly-ε-caprolactone in chloroform and methylene chloride. A morphological study of film chips (electron microscopy) showed that solvent evaporation results in the formation of a heterogeneous structure with interpenetrating pores (1–20 μm). We proposed a new method for introducing the proteolytic enzyme and the aminopolysaccharide chitosan into the composition of polyester films. Composite films possessed necrolytic activity and were characterized by increased hydrophilicity. Properties of enzyme-containing films from a mixture of polymers (proteolytic activity, porous structure, and increased hydrophilicity) account for their use in the preparation of biodegradable wound coverings.

Изучен процесс получения полимерных плёнок из формовочных композиций на основе смешанных растворов поли-3-гидроксибутирата и поли-ε-капролактона в хлороформе и метиленхлориде. Исследование морфологии сколов плёнок методом электронной микроскопии показало, что в процессе испарения растворителя формируется гетерогенная структура с системой взаимопроникающих пор (1-20 мкм). Предложен метод включения в состав полиэфирных плёнок протеолитического фермента совместно с аминополисахаридом хитозаном. Полученные композиционные плёнки, кроме некролитической активности, обладают повышенной гидрофильностью. Свойства полученных ферментсодержащих плёнок из смеси полимеров (протеолитическая активность, характер пористой структуры, повышенная гидрофильность) являются предпосылкой для создания на их основе биодеградируемых раневых покрытий.

We have integrated scientific research of polymer blends on the base of poly-3-hydroxybutyrate (PHB and its copolymers) with bench testing in blend preparation by both solvent casting and melt extrusion. As a second component, we have used traditional synthetic macromolecules with various hydrophilicity degree and hence with different morphologies and physical behavior. Besides, variation of polymer hydrophilicity permits to control both the service characteristic and the rate of (bio)degradation operating in the presence of water. Therefore, a substantial part of our work is devoted to water transport in the parent PHB and its blends. Combining the morphology knowledge (SEM, WAXS, FTIR tecynique), transport characteristics (permeability cells and McBain spring microbalance), and mechanical testing, we propose that blending of the parent biodegradable polymer with synthetic macromolecules is a perspective tool to design novel materials with improved characteristics. Both the water transport coefficients and the mechanical characteristics are essentially sensitive to structure and morphology of the blends. Hydrophilicity variation in the order LDPE < SPEU < PVA at blending with PHB shows that the morphology transformation in immicsible or partly miscible blends shifted along the PHB concentration scale as LDPE (at ∼ 16 wt% PHB) < PVA (∼ 30 wt% PHB) < SPEU (∼ 50 wt% PHB) Our instrumental monitoring the structural hierarchy of parent polymers and their blends as well as, simultaneously, the study of transport processes, their modeling, and computer simulating open up the way to understanding the precepts of polymer operation in corrosive and bioactive media.

Application of systems of prolonged nitric oxide (NO) delivery on basis of controlled-release polymers is the new and promising trend in the modern cardiovascular physiology and pharmacology. We have produced the novel system for controlled release of a new effective NO donor, FPTO. The system is based on a biocompatible biodegradable polymer used for medical implantation, poly(3-hydroxybutyrate) (PHB).

Second-order regression polynomial models describing the characteristics of modification of sewing thread by application of coatings were constructed. The adequacy of the regression equations makes the proposed method a good tool for analysis of multifactor mechanisms with a large set of experimental data.

Food industry wastewater served as a carbon source for the synthesis of poly-β-hydroxybutyrate (PHB) by Azotobacter chroococcum . The content of polymer in bacterial cells grown on the raw materials reached 75%. PHB films were degraded under aerobic, microaerobic, and anaerobic conditions in the presence and absence of nitrate by microbial populations of soil, sludges from anaerobic and nitrifying/denitrifying reactors, and sediment from a sludge deposit site. Changes in molecular mass, crystallinity, and mechanical properties of PHB were studied. Anaerobic degradation was accompanied by acetate formation, which was the main intermediate utilized by denitrifying bacteria or methanogenic archaea. On a decrease in temperature from 20 to 5°C in the presence of nitrate, the rate of PHB degradation was 7.3 times lower. Under anaerobic conditions and in the absence of nitrate, no PHB degradation was observed, even at 11°C. The enrichment cultures of denitrifying bacteria obtained from soil and anaerobic sludge degraded PHB films for a short time (3–7 d). The dominant species in the enrichment culture from soil were Pseudomonas fluorescens and Pseudomonas stutzeri. The rate of PHB degradation by the enrichment cultures depended on the polymer molecular weight, which reduced with time during biodegradation.

The biodegradation of films made of poly-β-hydroxybutyrate (PHB) with a molecular mass of 1500 kDa was studied using a model soil community in the presence and absence of nitrate and at different concentrations of oxygen in the gas phase. The biodegradation of PHB was investigated with respect to changes in its molecular mass, crystallinity, and some mechanical properties.

Исследована биодеградация плёнок из поли-β-гидроксибутирата молекулярной массы 1500 кДа (выделенного из клеток Azotobacter chroococcum в Институте биохимии им. А.Н. Баха РАН) в модельных условиях почвенного сообщества при дополнительном внесении нитратов и разных концентрациях кислорода в газовой фазе. Прослежены изменения молекулярной массы, степени кристалличности и некоторых механических свойств полимера в процессе его биодеградации.

Проведено исследование надмолекулярной структуры волокон полигидроксибутирата, полученных методом гель-формования. Для изученных волокон характерна высокая степень восстанавливаемости размеров после деформации при значительной степени кристалличности, что типично для так называемых хард-эластиков. При упругом растяжении образца наряду с рефлексами ромбической ячейки полигидроксибутирата обнаружено появление дополнительного рефлекса на экваторе рентгенограммы, носящее обратимый характер.

The capacity for denitrification was studied in Azotobacter bacteria, which are free-living nitrogenfixing obligatory aerobes. Data on nitrate reduction to nitrites and nitric oxide by A. indicum under anaerobic conditions were obtained for the first time for genus Azotobacter.

The samples of poly-β-hydroxybutyrate (PHB) with molecular weight 633 kDa were tested for fungicidity and resistance to fungi by estimating the growth rate of test fungi from the genera Aspergillus, Aureobasidium, Chaetomium, Paecilomyces, Penicillium, Trichoderma under optimal growth conditions. PHB film did not exhibit neither fungicide properties, nor the resistance to fungal damage, and served as a good substrate for fungal growth. Changes in molecular weight and mechanical properties of PHB film during biodegradation were studied.

Перспективность использования поли-β-гидроксибутирата (ПГБ) в народном хозяйстве обусловлена его нестойкостью в окружающей среде и возможностью разложения до углекислого газа и воды. Среди факторов, способствующих его разрушению в различных природных средах (гидролиз, механическое или термическое разложение, окисление, фотодеструкция), биодеградация под воздействием бактерий и грибов занимает центральное место. Грибы характеризуются гетеротрофным типом питания, их потребности в питательных субстратах чрезвычайно разнообразны и определяются ферментными системами, которыми они обладают. Многие виды грибов способны усваивать труднодоступные соединения, и это даёт им определённые экологические преимущества в естественной среде обитания. Так как грибы составляют значительную часть микробиоты почвы (Мирчик, 1976), нельзя недооценивать их роль в биодеградации биополимеров. Среди выделенных из почвы микроорганизмов, участвующих в биодеградации полимера полигидроксибутирата, примерно 1/3 составляют грибы (Maergaert et al., 1992; Matavulj, Molitoris, 1992; Oda et al., 1995).

Способность грибов разрушать ПГБ в природной окружающей среде показана в целом ряде работ. Как правило, грибы-диструкторы выявляли путём высева смывов с образцов биопластика на питательный агар (Matavulj, Molitoris, 1992; Lopez-Liorca et al., 1993; Savencova et al., 2000; Бонарцева и др., 2002). О способности отдельных видов грибов разрушать ПГБ судили по интенсивности их развития и зонам просветления при росте колоний на агазированной среде с полимером (Oda et al., 1995; Козловский и др., 1999). Наиболее часто в литературе как деструкторы ПГБ упоминаются грибы следующих родов: Penicillum, Aspergillus, Paecilomyces, Acremonium, Verticillium, Cephalosporium, Trichoderma.

Целью данной работы было впервые лабораторно испытать полимерную плёнку из ПГБ, полученную нами из клеток Azotobacter chroococcum в Институте биохимии им. А. Н. Баха РАН, на грибостойкость и фунгицидность путём заражения её чистыми культурами плесневых грибов (роды Aspergillus, Aureobasidium, Chaetomium, Paecilomyces, Penicillum, Trichoderma) в оптимальных для их развития условиях; проследить за изменениями молекулярной массы и механических свойств плёнки в процессе биоразрушения.

The food industry wastewater served as a carbon source for PHB synthesis by Azotobacter croococcum. The content of polymer in bacterial cells grown on the raw materials reached 75%.The films of poly-β-hydroxybutyrate (PHB) were degraded under anaerobic conditions in the presence and absence of nitrate and at low temperatures by microbial populations of sludges from anaerobic and nitrifying/denitrifying reactors, and of sediment from a sludge check. In the presence of nitrate, PHB was degraded to CO₂ with formation VFA (acetate, propionate and butyrate) as intermediate products. Then VFA were consumed by denitrifying microorganisms and nitrate was reduced to N₂O. Under anaerobic conditions in the absence of nitrate, VFA were formed from PHB rapidly. High concentrations of acetate (to 90 mM) accumulated in medium and suppressed acetoclastic methanogenesis. The rate of PHB degradation at 20° C on all investigated sludges were similar in both the presence and absence of nitrate. PHB degradation was temperature-dependent. In the presence of nitrate, the average rate of PHB degradation and the maximal rate of denitrification decreased 7.3 and 7.1 times, respectively, with a temperature decrease from 20° C to 5°. Under anaerobic conditions without nitrate PHB was not degraded even at 11° C. PHB-degrading microorganisms belong to different morphological types.

The food industry wastewater may serve as raw material for PHB synthesis by Az. croococcum. The content of polymer in bacterial cells grown on that raw materials may reach 75%. Biodegradation of films made of poly-β-hydroxybutyrate (PHB) was studied in a model soil community in the presence and absence of nitrate and at different concentrations of oxygen in the gas phase. PHB biodegradation was investigated with respect to changes in its molecular mass, crystallinity, and mechanical properties.

The enrichment culture of bacteria degrading PHB films during a short time (3 – 7 days) was obtained from soil suspension. In that culture, the dominant species were Pseudomonas fluorescens and Pseudomonas stutzeri. The rate of PHB degradation in the enrichment culture depended on polymer molecular weight which reduced with time during biodegradation.

The conditions for a maximal poly-β-oxybutyrate synthesis in a poorly active strain of Rhizobium phaseoli have been optimized by the method of mathematical planning of the experiment. Oxygen, sucrose, and potassium nitrate were used as variable factors. As the result of the experiment, the ratios of the factors investigated have been selected so that poly-β-oxybutyrate content in the strain A₁ of R. phaseoli reached 80% of dry biomass.

Методом математического планирования эксперимента оптимизированы условия для максимального синтеза поли-β-оксибутирата малоактивным штаммом Rhizobium phaseoli. В качестве варьируемых факторов взяты кислород, сахароза и нитрат калия. В результате эксперимента концентрационные соотношения исследуемых факторов были подобраны таким образом, что содержание поли-β-оксибутирата у R. phaseoli, штамм А₁ достигало 80% веса сухих клеток.

The capacity for poly-β-hydroxybutyrate synthesis was tested in active and less active collection strains of Rhizobium phaseoli, R. meliloti, and R. trifolii during growth on media with different carbon and nitrogen sources. It was found that poly-β-hydroxybutyrate synthesis can be selectively induced either in active or less active Rhizobium strains by choosing appropriate sources of carbon and nitrogen. A promising producer of poly-β-hydroxybutyrate, a less active strain R. phaseoli 680, was revealed. The poly-β-hydroxybutyrate content in cells of this strain reached 65% of dry cell weight during growth on a medium with sucrose and nitrate.

Исследована способность к синтезу поли-β-оксимасляной кислоты (поли-β-оксибутирата у коллекционных штаммов (активных и малоактивных) Rhizobium phaseoli, R. meliloti, R. trifolii при выращивании их на разных источниках углерода и азота. Показано, что в зависимости от использованных источников углерода и азота синтез поли-β-оксибутирата можно избирательно индуцировать как у активных штаммов Rhizobium, так и умалоактивных. Среди изученных штаммов выявлен потенциальный продуцент поли-β-оксибутирата - малоактивный штамм R. phaseoli 680, клетки которого при выращивании на среде с сахарозой и нитратом содержали 65% поли-β-оксибутирата от веса сухих клеток.

The effect of various cultivation conditions on the accumulation of poly-3-hydroxybutyrate (PHB) and nitrogenase activity was investigated in Azotobacter genus bacteria strains. The main regulation factors of culture growth and PHB accumulation were established to be the aeration level and iron ion concentration in dependence of the nitrogen source. Under the cultivation conditions used, biomass maximum yields for polymer accumulating cultures are higher with low and mean aeration levels. The use of sucrose or fructose as s source of carbon, with an increase of the FeSO₄*7H₂O in the medium from 0.005 g/l to 0/05 g/l causes an increase in the biomass by 1.2 to 2.0 times and an increase in the PHB yield. A decrease in the iron ion concentration in the medium results in an increase of oxygen consumption. Introduction of ammonium ions to the medium activates the glutamate dehydrogenase pathway of ammonium assimilation.

The poly-β-hydroxybutyrate content of cells of nodule bacteria was determined when these were reared under conditions inducing nitrogenase activity and promoting hydrogen recycling. There was shown to be an inverse relationship between the poly-β-hydroxybutyrate content and nitrogenase activity and a direct relationship between the same hydrogenase activity.

Определено содержание поли-β-оксибутирата в клетках клубеньковых бактерий при выращивании их в условиях, индуцирующих активность нитрогеназы и способствующих рециклизации водорода. Показана обратная зависимость содержания поли-β-оксибутирата от активности нитрогеназы и прямая - от активности гидрогеназы.

Предлагается простой флуоресцентный метод окрашивания поли-β-оксибутирата в клетках бактерий при выращивании их колоний на твёрдой среде в чашках Петри в присутствии витального липофильного красителя фосфина 3R. О наличии полимера свидетельствует флуоресценция колоний в ультрафиолетовом свете.

Метод может быть применён для первичного качественного отбора активных штаммов клубеньковых бактерий люцерны и фасоли. Колонии активных штаммов, содержащие поли-β-оксибутират в небольших количествах, не обладают флуоресценцией; колонии малоактивных штаммов, содержащие большое количество гранул полимера, дают ярко-зелёную флуоресценцию при просмотре в УФ-свете. Простота выполнения метода делает его пригодным для серийных анализов.