Carcass Compound Materials Base on Fluoropolymer for Tissue Engineering in Orthopedics

In this work new type of composite materials for application as coatings for intramedullary implants in the field of orthopaedics and traumatology is offered. Method is based on ability of fluoropolymers to act as biologically inert binding agent and ability of fine-dyspersated hydroxyapatite powders to act as biologically active filling agent providing osteoinduction and osteoconduction processes. Results of investigations of adhesion, elastic and morphometric characteristics of offered composite were presented; chemical composition was determined. Estimation of toxicological properties, locally irritant action and hemolytic activity of offered composites was done according to GOST R ISO 10993. In vivo tests were carried out; it was shown that offered composites didn’t cause any negative tissue reactions and stimulated osteogenesis processes in ectopic bone formation test. Key words: Carcass Compound Materials; fluoropolymers; orthopaedi

Возможности физико-химической регуляции пула стволовых клеток

Modulating influence of electric impulses, visible light, some microelements is studied in parameters which are near to physio-logic ones on life activity of progenitor and mature cells of blood system in vitro and in situ. Content of granulocyte and fibroblastoid colony-forming units, concentration of colony-stimulating and colony-inhibiting activities, their concentration were determined , myelograms and morphologic signs of myelocariocytes apoptosis and necrosis were scored, saturation by chrom ions of peripheral blood erythrocytes was studied in mice bone marrow. The results showed that cell effects of physical-chemical influ-ences are small specific. Nevertheless, one may perform both positive and negative regulating influence on life activity of stromal precursors in dependence of energy density and stimulus concentration . The effect is due not only by direct but mediated reactions regulating direction and intensity of metabolic intracellular processes. It is suggested that one of target cells capable of change in-crease program of hemopoietic and stromal cells-progenitors of bone marrow in dependence of physical stimulus strength are lym-phocytes.Исследовано модулирующее влияние электрических импульсов, видимого света, некоторых микроэлементов в параметрах, приближенных к физиологическим, на жизнедеятельность родоначальных и зрелых клеток системы крови in vitro и in situ. В костном мозге мышей определялись содержание гранулоцитарных (КОЕ-Г) и фибробластоидных (КОЕ-Ф) колониеобразующих единиц, концентрация колониестимулирующей и колониеингибирующей активностей, подсчитывались миелограммы и морфологические признаки апоптоза и некроза миелокариоцитов, изучалось насыщение ионами хрома эритроцитов периферической крови добровольца. Результаты показали, что клеточные эффекты физико-химических воздействий малоспецифичны. Тем не менее в зависимости от плотности энергии и концентрации раздражителя можно осуществлять как позитивное, так и негативное регуляторное влияние на жизнедеятельность кроветворных и стромальных прекурсоров. При этом эффект обусловлен не только прямыми, но и опосредованными через клеточное микроокружение реакциями, регулирующими направленность и интенсивность метаболических внутриклеточных процессов. Предполагается, что одними из клеток-мишеней, способных в зависимости от силы физического раздражителя переключать программу роста кроветворных и стромальных клеток-предшественников костного мозга, являются лимфоциты

Закономерности регенерации конъюнктивы и склеры после интраоперационной аппликации раствора циклоспорина А у кроликов со стероидной моделью глаукомы

 Aim. In an in vivo experiment, to study the effect of local intraoperative application of 0.05% cyclosporin A solution on the conjunctival and scleral regeneration after surgery on the rabbit eyes with steroid-induced  glaucoma.Materials and methods. At the first stage of the experiment, a model of steroid-induced glaucoma was reproduced for 29 male Californian rabbits by injecting 0.5 ml of a 0.4% solution of dexamethasone subconjunctivally in both eyes once a week for 3 months (12 subconjunctival injections for each rabbit). At the second stage of the experiment, after the development of  steroid glaucoma, the rabbits were divided into the main group, consisting  of the subgroup «a» (n = 8) and the subgroup «b» (n = 8), and the comparison group (n = 8). All animals were performed a penetrating incision of the conjunctiva and a non-penetrating incision of the sclera of one of the eyes. A hemostatic sponge impregnated with 0.05% cyclosporin А solution was applied to the intervention area in the main group, in the subgroup «a» – for 3 minutes, in the subgroup «b» – for 6 minutes. In the comparison group, the cytostatic was not used.Results. The use of 0.05% cyclosporin А solution led to a decrease in the  infiltration of fibroblasts and inflammatory cells into the area of surgical  injury. On the 4th day after the surgery, cell density in the intervention area  in the subgroup «a» with 3-minute application of cytostatic-antimetabolite solution was 2.7 times lower (p = 0.043) than in the comparison group, while exceeding the values in the subgroup «b» by 3.2 times (p = 0.036). The number of fibroblasts in the subgroups «a» and «b» was 3.6 (p = 0.043) and 12.8 times (p = 0.031) less than in the comparison group, and a shift in the cellular composition of the infiltrate towards the fibroblastic population occurred only on the 14th day after the surgery.Conclusion. Intraoperative application of 0.05% cyclosporin А solution significantly slows down the course of regeneration, reducing infiltrative inflammation in the intervention area, which prevents excessive scarring.  Цель. В эксперименте in vivo изучить влияние местной интраоперационной аппликации 0,05%-го раствора (р-ра) циклоспорина А на регенерацию конъюнктивы и склеры  после операции на глазах кроликов со стероидной  глаукомой.Материалы и методы. На I этапе эксперимента 29 самцам  кроликов калифорнийской породы моделировали  стероидную глаукому путем введения под конъюнктиву  обоих глаз 0,5 мл 0,4%-го р-ра дексаметазона 1 раз в нед в течение 3 мес (12 инъекций). На II этапе эксперимента, после развития стероидной глаукомы, кроликов разделили на основную группу, состоящую из подгруппы «a» (n = 8) и подгруппы «b» (n = 8), и группу сравнения (n = 8). Всем животным выполняли сквозной разрез конъюнктивы и непроникающий надрез склеры одного из глаз. На область вмешательства в основной группе накладывали гемостатическую губку, пропитанную 0,05%-м р-ром циклоспорина А, в подгруппе «а» на 3 мин, в подгруппе «b» – на 6 мин. В группе сравнения цитостатик не использовали.Результаты. Применение 0,05%-го р-ра циклоспорина А  привело к уменьшению инфильтрации зоны хирургической  травмы воспалительными клетками и фибробластами. На 4- е сут после операции клеточная плотность в области вмешательства в подгруппе «а» основной группы с трехминутной аппликацией р-ра цитостатика-антиметаболита была в 2,7 раза меньше (p = 0,043), чем в  группе сравнения, превышая при этом показатели подгруппы «b» в 3,2 раза (p = 0,036). Численность  фибробластов в подгруппах «а» и «b» была в 3,6 (p = 0,043) и 12,8 раза (p = 0,031) ниже, чем в группе сравнения. При  этом сдвиг клеточного состава инфильтрата в сторону  фибробластической популяции произошел только на 14-е  сут после операции. Заключение. Интраоперационная аппликация 0,05%-го р- ра циклоспорина А существенно замедляет течение  воспалительно-репаративной регенерации, уменьшая  инфильтративное воспаление в зоне вмешательства, что  предотвращает излишнее рубцевание.

Патоморфологические особенности регенерации конъюнктивы и склеры на фоне интраоперационной аппликации раствора циклоспорина А

Purpose. In experiment in vivo to study the features of regeneration of the conjunctiva and sclera of rats after surgery with intraoperative application of a 0.05% Ciclosporin A.Materials and methods. Еxperimental animals (rats) (n = 48) were divided into the main group, including the subgroups a (n = 16) and b (n = 16) and the comparison group (n = 16). Performed a through cut of the conjunctiva and damage to the surface layers of the sclera one of the eyes of all animals. Further on the surgical trauma zone in the main group, the intraoperative application of the cytostatic was performed. In the subgroup a with a duration of 3 minutes, in the subgroup b – 6 minutes. In the comparison group a hemostatic sponge without a cytostatic was used intraoperatively.Results. In the comparison group postoperative period proceeds with a stereotyped dynamics of cell phase changes in damaged tissues. In the end the development of dense conjunctival-scleral fusion in the area of surgical trauma was noted. Intraoperative application of 0.05% Cyclosporine A leads to a slowing of regeneration, preventing formation of rough conjunctival-scleral scar.Conclusions. Intraoperative applications of 0.05% Cyclosporin A change the stereotyped dynamics of the inflammatory-reparative regeneration in the surgical intervention zone, inhibiting the migration of cells almost in 3 times and significantly (in 2 times) prolonging the duration of the macrophage phase. This causes a slowdown of reparative regeneration, prevents excessive scarring in the operating area. Цель работы: в эксперименте in vivo изучить особенности регенерации конъюнктивы и склеры крыс после хирургического вмешательства и интраоперационной аппликации 0,05%-го раствора циклоспорина А.Материалы и методы. Экспериментальные животные (самцы крыс, n = 48) были разделены на основную группу, включающую подгруппы а (n = 16) и b (n = 16), и группу сравнения (n = 16). Всем животным выполняли сквозной разрез конъюнктивы и непроникающий надрез поверхностных слоев склеры одного из глаз. На область хирургической травмы в основной группе накладывалась гемостатическая губка, пропитанная 0,05%-м раствором циклоспорина А: в подгруппе а длительностью 3 мин, в подгруппе b – 6 мин. В группе сравнения интраоперационно накладывалась гемостатическая губка без цитостатика.Результаты. У животных группы сравнения послеоперационный период протекал со стереотипной динамикой смены клеточных фаз в поврежденных тканях. В исходе отмечено развитие плотного конъюнктивально-склерального сращения в зоне хирургической травмы. Интраоперационная аппликация 0,05%-м раствором циклоспорина А приводила к замедлению регенерации, препятствовала формированию грубого конъюнктивально-склерального рубца.Заключение. Интраоперационные аппликации 0,05%-го раствора циклоспорина А меняют стереотипную динамику течения воспалительно-репаративной регенерации в зоне хирургического вмешательства, подавляя практически в три раза миграцию клеток, и значительно (в два раза) увеличивая продолжительность макрофагальной фазы. Это обусловливает замедление репаративной регенерации, препятствующее избыточному рубцеванию в операционной зоне.

Исследование реакции тромбоцитов на a-C:H:SiOx покрытие, полученное методом плазмохимического осаждения с использованием импульсного биполярного смещения

Aim. To study platelet adhesion to a-C:H:SiOx film on titanium in an in vitro experiment to evaluate its antithrombogenic potential.Materials and methods. Thin (less than 1 μm) a-C:H:SiOx films were deposited on VT-6 titanium plates with a size of 10 × 10 mm2 and a thickness of 0.2 mm using a vacuum ion-plasma unit using pulsed bipolar bias. The surface roughness was evaluated according to GOST 2789-73 using an atomic force microscope. The test samples were cultured at 37 °C for 30 min in platelet-rich human blood plasma, prepared for scanning electron microscopy, after which the distribution density of blood plates adhering to the test coating was calculated.Results. With the same roughness index of the studied a-C:H:SiOx samples, the film decreased 116 times (in comparison with untreated titanium) the platelet count per 1 mm2 of the surface.Conclusion. The deposition of a-C:H:SiOx thin film on the surface of VT-6 titanium alloy by PACVD method using pulsed bipolar bias significantly reduces the distribution density of platelets in comparison with an untreated metal surface. In vitro data suggest a significant antithrombogenic potential of this type of coating on the surface of devices in contact with blood.Цель. Изучить в эксперименте in vitro адгезию тромбоцитов к a-C:H:SiOx пленке на титане для оценки ее атромбогенного потенциала.Материалы и методы. Тонкие (менее 1 мкм) a-C:H:SiOx пленки наносили на титановые пластины марки ВТ-6 размером 10 × 10 мм2 и толщиной 0,2 мм с помощью вакуумной  ионно-плазменной установки с использованием импульсного биполярного смещения.  Шероховатость поверхности оценивали согласно ГОСТ 2789-73 с помощью атомно-силового микроскопа. Исследуемые образцы культивировали при 37 °C в течение 30 мин в плазме крови человека, обогащенной тромбоцитами, подготавливали для сканирующей электронной микроскопии, после чего подсчитывали плотность  распределения кровяных пластинок, адгезирующих к исследуемому покрытию.Результаты. При одинаковом индексе шероховатости исследуемых образцов a-C:H:SiOx пленка в 116 раз снижала (в сравнении с необработанным титаном) количество  тромбоцитов на 1 мм2 поверхности.Заключение. Формирование на поверхности титанового сплава ВТ-6 тонкой пленки состава a-C:H:SiOx методом плазмохимического осаждения с использованием  импульсного биполярного смещения значительно снижает плотность распределения  тромбоцитов в сравнении с необработанной металлической поверхностью. Полученные in vitro данные предполагают существенный атромбогенный потенциал данного вида покрытий на поверхности устройств, контактирующих с кровью

STIMULATING EFFECT OF HIGH DOSE HEPARIN ON MIGRATION ACTIVITY AND MSC STEMNESS PRESERVATION IN THE PRESENCE OF BONE-SUBSTITUTING MATERIALS

Synthetic materials used in regenerative medicine, upon implantation, induce the development of an inflammatory reaction necessary for the effective regeneration of damaged bone tissue. Implant contact with tissues is accompanied by the deposition of blood proteins and interstitial fluid on its surface, contributing to the activation of the complement system, components of innate immunity, initiating coagulation hemostasis, leading to the formation of a fibrin clot. An extracellular matrix based on fibrin, collagen and elastin forms on the implant’s surface, which provides the basis for the formation of tissue structure through the adhesion of stem cells to the forming bone callus before the formation of bone regenerate. To prevent the development of postoperative pathological conditions caused by hypercoagulable syndrome, therapeutic strategies are used to use anticoagulants (heparin, warfarin). However, their use limits the normal formation of a fibrin clot in vivo. This can slow down the migration of mesenchymal stem cells (MSC) and disrupt the formation of callus, inhibiting the processes of osseointegration of the implant and bone healing. The study’s goal was to study the effect of heparin in a gradient of low and high concentrations on the migration activity and stem capacity of human MSCs under in vitro cultivation conditions. According to the results of flow cytometry, it was revealed that high concentrations of heparin (130, 260 IU/ml) in a 2D cultivation model contribute to an increase in the number of cells expressing surface markers CD73 and CD90, which indicates that MSCs retain high clonogenic potential. A 3D model of in vitro cultivation with the addition of heparin and osteosubstituting implants bearing a CF coating with a roughness index of Ra = 2.6-4.9 μm contributed to preserving the “stemness” character of MSCs through the expression of surface markers CD73 and CD90. According to the results obtained using the xCELLigence system, heparin at a later time (from 20-40 hours) increases the invasion of MSCs through micropores that simulate the state of the blood vessel walls. However, in the presence of HAP nanoparticles that mimic the remodeling processes of the mineral bone matrix and/or resorption of bone cement, the effect of heparin was less pronounced. The results can be used in the field of regenerative medicine associated with the introduction of MSCs. The data can serve as a prerequisite for developing new therapeutic strategies for surgical patients with a high risk of postoperative thrombosis after osteosynthesis

Mesenchymal stem cells: a brief review of classis concepts and new factors of osteogenic differentiation

Molecular genetic mechanisms, signaling pathways, cultural conditions, factors, and markers of osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells (MSC) are actively studied despite numerous works in this area of cellular technologies. This is largely due to the accumulating contradictions in seemingly classical knowledge, as well as permanent updating of the results in the field. In this regard, we focused on the main classical concepts and some new factors and mechanisms that have a noticeable regulatory effect on the differentiation potential of postnatal MSCs. The present review considers the significance of MSC sources for their differentiation capacity, as well as the role of the cellular microenvironment. The issues of classification, terminology, and functional activity of MSCs from various sources are discussed. The paracrine potential of MSCs in tissue regeneration has been considered; sufficient importance of inflammation in osteogenesis is noted, in particular, the presence of inflammatory cytokines and chemokines in the lesion focus, produced not only by microenvironmental cells but also by blood cells, including mononuclear leukocytes, migrating to the affected site. An important role in this review is given to biomechanical signals and to influence of conformational changes in cell cytoskeleton (cell shape) upon MSC differentiation, since the morphological features of cells and the structure of cytoskeleton are modulated by interactions of the cell surface with environmental factors, including hydrostatic pressure, fluid flow, compression/stretching loads. The data are presented concerning elasticity of extracellular matrix being a determining factor of cell differentiation. We conclude that one should switch from point studies of individual gene effects to multiple measurements of the gene-regulatory profile and biomolecules responsible for multiple, still poorly studied osteogenic factors of endogenous and exogenous origin. Among cornerstones in future (epi)genetic studies will be to decide if osteomodulatory effects are realized through specific signaling pathways and/or via cross-signaling with known genes controlling osteogenic differentiation of MSCs