Использование гидрогелей на основе поливинилового спирта для регенеративной медицины и тканевой инженерии

Целью данного исследования являлось проведение аналитического обзора гидрогелей на основе поливинилового спирта, их применения в регенеративной медицине и тканевой инженерии. Поливиниловый спирт – синтетический биоразлагаемый полимер, не имеет запаха и вкуса, хорошо растворяется в горячей воде. В зависимости от степени полимеризации выделяют четыре группы: с низкой, средней, высокой и сверхвысокой молекулярной массой. В отношении биологических объектов поливиниловый спирт нетоксичен, поэтому имеет широкое применение в тканевой инженерии, в частности для изготовления гидрогелевых композиций. Получают гидрогели с помощью физических или химических методов сшивания, где физическому методу замораживания – оттаивания отдается предпочтение по простоте изготовления и отсутствию таких химических активаторов, как глутаровый альдегид, формальдегид, являющихся токсичными в отношении клеточных культур в тканевой инженерии. Гидрогели на основе поливинилового спирта широко применяют в регенеративной медицине и тканевой инженерии. Благодаря способности впитывать, удерживать большое количество жидкости и образовывать пленки гидрогели поливинилового спирта используют для лечения поврежденных кожных покровов. Данные гидрогели дополнительно нагружают мезенхимальными стволовыми клетками, имеющими способности к многолинейной дифференцировке, обладающими возможностью уменьшать воспалительную реакцию и рубцевание, индуцировать ангиогенез и регулировать ремоделирование внеклеточного матрикса. Также в гидрогели вводят ростовые факторы, стимулирующие целенаправленную клеточную дифференцировку для регенерации поврежденных костных, хрящевых, сухожильных тканей, и лекарственные препараты для таргетной терапии пролонгированного действия. Таким образом, благодаря настраиваемым физико-химическим свойствам гидрогели на основе поливинилового спирта считаются уникальными и имеют большие перспективы в регенеративной медицине и тканевой инженерии.

1. Zhu J., Marchant R.E. Design properties of hydrogel tissue-engineering scaffolds // Expert Review of Medical Devices. 2011. Vol. 8, no. 5. P. 607–626. DOI: 10.1586/erd.11.27.

2. Liu X., Zhang K., Han X., Zuo X., Li J., He H. Research status of 3D-printed composite PVA bone tissue engineering scaffolds // Journal of prevention and treatment for stomatological diseases. 2020. Vol. 28, no. 1. P. 52–55. (In Chinese). DOI: 10.12016/j.issn.2096-1456.2020.01.009.

3. Wen N., Jiang B., Wang X., Shang Z., Jiang D., Zhang L., et al. Overview of polyvinyl alcohol nanocomposite hydrogels for electro-skin, actuator, supercapacitor and fuel cell // Chemical Record. 2020. Vol. 20, no. 8. P. 773–792. DOI: 10.1002/tcr.202000001.

4. Chen Y., Song J., Wang S., Liu W. PVA-Based hydrogels: promising candidates for articular cartilage repair // Macromolecular Bioscience. 2021. Vol. 21, no. 10. P. 2100147. DOI: 10.1002/mabi.202100147.

5. Valentín J.L., López D., Hernández R., Mijangos C., Saalwächter K. Structure of poly(vinyl alcohol) cryo-hydrogels as studied by proton low-field NMR spectroscopy // Macromolecules. 2009. Vol. 42. P. 263–272. DOI: 10.1021/ma802172g.

6. Kim T.H., An D.B., Oh S.H., Kang M.K., Song H.H., Lee J.H. Creating stiffness gradient polyvinyl alcohol hydrogel using a simple gradual freezing-thawing method to investigate stem cell differentiation behaviors // Biomaterials. 2015. Vol. 40. P. 51–60. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2014.11.017.

7. Suzuki A., Sasaki S. Swelling and mechanical properties of physically crosslinked poly(vinyl alcohol) hydrogels // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 2015. Vol. 229, no. 12. P. 828–844. DOI: 10.1177/0954411915615469.

8. Yuan F., Ma M., Lu L., Pan Z., Zhou W., Cai J., et al. Preparation and properties of polyvinyl alcohol (PVA) and hydroxylapatite (HA) hydrogels for cartilage tissue engineering // Cellular and Molecular Biology. 2017. Vol. 63, no. 5. P. 32–35. DOI: 10.14715/cmb/2017.63.5.7.

9. Oh S.H., An D.B., Kim T.H., Lee J.H. Wide-range stiffness gradient PVA/HA hydrogel to investigate stem cell differentiation behavior // Acta Biomaterialia. 2016. Vol. 35. P. 23–31. DOI: 10.1016/j.actbio.2016.02.016.

10. Lu X., Dai S., Huang B., Li S., Wang P., Zhao Z., et al. Exosomes loaded a smart bilayer-hydrogel scaffold with ROS-scavenging and macrophage-reprogramming properties for repairing cartilage defect // Bioactive Materials. 2024. Vol. 38. P. 137–153. DOI: 10.1016/j.bioactmat.2024.04.017.

11. Meng D., Lei X., Li Y., Kong Y., Huang D., Zhang G. Three dimensional polyvinyl alcohol scaffolds modified with collagen for HepG2 cell culture // Journal of Biomaterials Applications. 2020. Vol. 35, no. 4-5. P. 459–470. DOI: 10.1177/0885328220933505.

12. Pohan G., Mattiassi S., Yao Y., Zaw A.M., Anderson D.E.J., Cutiongco M.F.A., et al. Effect of ethylene oxide sterilization on polyvinyl alcohol hydrogel compared with gamma radiation // Tissue Engineering. Part A. 2020. Vol. 26, no. 19–20. P. 1077–1090. DOI: 10.1089/ten.TEA.2020.0002.

13. Duflot A.V., Kitaeva N.K., Duflot V.R. Radiationchemical preparation of poly(vinyl alcohol) hydrogels // Radiation Physics and Chemistry. 2015. Vol. 107. P. 1–6. DOI: 10.1016/j.radphyschem.2014.08.002.

14. Alcântara M.T.S., Lincopan N., Santos P.M.D., Ramirez P.A., Brant A.J.C., Riella H.G., et al. Simultaneous hydrogel crosslinking and silver nanoparticle formation by using ionizing radiation to obtain antimicrobial hydrogels // Radiation Physics and Chemistry. 2020. Vol. 169. P. 108777. DOI: 10.1016/j.radphyschem.2020.108777.

15. Liu Y., Geever L.M., Kennedy J.E., Higginbotham C.L., Cahill P.A., McGuinness G.B. Thermal behavior and mechanical properties of physically crosslinked PVA/ Gelatin hydrogels // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2010. Vol. 3, no. 2. P. 203–209. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2009.07.001.

16. Chocholata P., Kulda V., Babuska V. Fabrication of scaffolds for bone-tissue regeneration // Materials. 2019. Vol. 12, no. 4. P. 568. DOI: 10.3390/ma12040568.

17. Yang W., Fortunati E., Bertoglio F., Owczarek J.S., Bruni G., Kozanecki M., et al. Polyvinyl alcohol/chitosan hydrogels with enhanced antioxidant and antibacterial properties induced by lignin nanoparticles // Carbohydrate Polymers. 2018. Vol. 181. P. 275–284. DOI: 10.1016/j.carbpol.2017.10.084.

18. Jin S.G. Production and application of biomaterials based on polyvinyl alcohol (PVA) as wound dressing // Chemistry – an Asian Journal. 2022. Vol. 17, no. 21. P. e202200595. DOI: 10.1002/asia.202200595.

19. Bahadoran M., Shamloo A., Nokoorani Y.D. Development of a polyvinyl alcohol/sodium alginate hydrogel-based scaffold incorporating bFGF-encapsulated microspheres for accelerated wound healing // Scientific Reports. 2020. Vol. 10, no. 1. P. 7342. DOI: 10.1038/s41598-020-64480-9.

20. Zulkiflee I., Fauzi M.B. Gelatin-polyvinyl alcohol film for tissue engineering: a concise review. Biomedicines. 2021. Vol. 9, no. 8. P. 979. DOI: 10.3390/biomedicines9080979.

21. Дремина Н.Н., Трухан И.С., Шурыгина И.А. Природные компоненты как структура гидрогелей для клеточной терапии и тканевой инженерии // Acta Biomedica Scientifica. 2023. Т. 8. N 5. С. 23–35. DOI: 10.29413/ABS.2023-8.5.3. EDN: BBHVMF.

22. Kraskouski A., Hileuskaya K., Kulikouskaya V. Kabanava V., Agabekov V., Pinchuk S., et al. Polyvinyl alcohol and pectin blended films: preparation, characterization, and mesenchymal stem cells attachment // Journal of Biomedical Materials Research Part A. 2021. Vol. 109, no. 8. P. 1379–1392. DOI: 10.1002/jbm.a.37130.

23. Дремина Н.Н., Трухан И.С., Шурыгина И.А. Клеточные технологии в травматологии: от клетки до тканевой инженерии // Acta Biomedica Scientifica. 2020. Т. 5. N 6. С. 66–76. DOI: 10.29413/ABS.2020-5.6.8. EDN: IESIHX.

24. Chahardoli F., Pourmoslemi S., Asl S.S., Tamri P., Haddadi R. Preparation of polyvinyl alcohol hydrogel containing chlorogenic acid microspheres and its evaluation for use in skin wound healing // Journal of Biomaterials Applications. 2023. 37(9):1667-1675. DOI: 10.1177/08853282221150845.

25. Fan Y., Lu Q., Liang W., Wang Y., Zhou Y., Lang M. Preparation and characterization of antibacterial polyvinyl alcohol/chitosan sponge and potential applied for wound dressing // European Polymer Journal. 2021. Vol. 157. P. 110619. DOI: 10.1016/j.eurpolymj.2021.110619.

26. Zhao F., Lan X.-Q., Du Y., Chen P.-Y., Zhao J., Zhao F., et al. King cobra peptide OH-CATH30 as a potential candidate drug through clinic drug-resistant isolates // Zoological Research. 2018. Vol. 39, no. 2. P. 87–96. DOI: 10.24272/j.issn.2095-8137.2018.025.

27. Zou P., Lee W-H., Gao Z., Qin D., Wang Y., Liu J., et al. Wound dressing from polyvinyl alcohol/chitosan electrospun fiber membrane loaded with OH-CATH30 nanoparticles // Carbohydrate Polymers. 2020. Vol. 232. P. 115786. DOI: 10.1016/j.carbpol.2019.115786.

28. Pandey G., Pandey P., Arya D.K., Kanaujiya S., Kapoor D.D., Gupta R.K., et al. Multilayered nanofibrous scaffold of Polyvinyl alcohol/gelatin/poly (lactic-co-glycolic acid) enriched with hemostatic/antibacterial agents for rapid acute hemostatic wound healing // International Journal of Pharmaceutics. 2023. Vol. 638. P. 22918. DOI: 10.1016/j.ijpharm.2023.122918.

29. Li P., Cao L., Sang F., Zhang B., Meng Z., Pan L., et al. Polyvinyl alcohol/sodium alginate composite sponge with 3D ordered/disordered porous structure for rapidly controlling noncompressible hemorrhage // Biomaterials Advances. 2022. Vol. 134. P. 112698. DOI: 10.1016/j.msec.2022.112698.

30. Verbraeken B., Lavrysen E., Aboukais R., Menovsky T. Polyvinyl alcohol sponges to facilitate cerebral bypass surgery: technical note // World Neurosurgery. 2021. Vol. 156. P. 53–55. DOI: 10.1016/j.wneu.2021.09.007.

31. Morandim-Giannetti A.A., Silva R.C., Junior O.M., Schor P., Bersanetti P.A. Conditions for obtaining polyvinyl alcohol/trisodium trimetaphosphate hydrogels as vitreous humor substitute // Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials. 2016. Vol. 104, no. 7. P. 1386–1395. DOI: 10.1002/jbm.b.33473.

32. Yu Z., Ma S., Wu M., Cui H., Wu R., Chen S., et al. Self-assembling hydrogel loaded with 5-FU PLGA microspheres as a novel vitreous substitute for proliferative vitreoretinopathy // Journal of Biomedical Materials Research Part A. 2020. Vol. 108, no. 12. P. 2435–2446. DOI: 10.1002/jbm.a.36995.

33. Wu C., Or P.W., Chong J.I.T., Don I.K.K.P., Lee C.H.C., Wu K., et al. Controllable release of pirfenidone by polyvinyl alcohol film embedded soft contact lenses in vitro and in vivo // Drug Delivery. 2021. Vol. 28, no. 1. P. 634–641. DOI: 10.1080/10717544.2021.1895911.

34. Phan C.-M., Subbaraman L.N., Jones L.W. Uptake and release of polyvinyl alcohol from hydrogel daily disposable contact lenses // Optometry and Vision Science. 2019. Vol. 96, no. 3. P. 180–186. DOI: 10.1097/OPX.0000000000001351.

35. Chen Y-Z., Chen Z-Y., Tang Y-J., Tsai C-H., Chuang Y-L., Hsieh E-H., et al. Development of lutein-containing eye drops for the treatment of dry eye syndrome // Pharmaceutics. 2021. Vol. 13, no. 11. P. 1801. DOI: 10.3390/pharmaceutics13111801.

36. Nazouri M., Seifzadeh A., Masaeli E. Characterization of polyvinyl alcohol hydrogels as tissue-engineered cartilage scaffolds using a coupled finite element-optimization algorithm // Journal of Biomechanics. 2020. Vol. 99. P. 109525. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2019.109525.

37. Chocholata P., Kulda V., Dvorakova J., Dobra K.J., Babuska V. Biological evaluation of polyvinyl alcohol hydrogels enriched by hyaluronic acid and hydroxyapatite // International Journal of Molecular Sciences. 2020. Vol. 21, no. 16. P. 5719. DOI: 10.3390/ijms21165719.

38. Luo C., Zhao H., Y., Sun X., Luo F. Fabrication of antiseptic, conductive and robust polyvinyl alcohol/chitosan composite hydrogels // Journal of Polymer Research. 2020. Vol. 27. P. 269. DOI: 10.1007/s10965-020-02247-6.

39. Abouzeid R.E., Salama A., El-Fakharany E.M., Guarino V. Mineralized polyvinyl alcohol/sodium alginate hydrogels incorporating cellulose nanofibrils for bone and wound healing // Molecules. 2022. Vol. 27, no. 3. P. 697. DOI: 10.3390/molecules27030697.

40. Chen Y., Song J., Wang S., Liu W. PVA-based hydrogels: promising candidates for articular cartilage repair // Macromolecular Bioscience. 2021. Vol. 21, no. 10. P. 2100147. DOI: 10.1002/mabi.202100147.

41. Xu Z., Sun Y., Dai H., Ma Y., Bing H. Engineered 3D-printed polyvinyl alcohol scaffolds incorporating β-tricalcium phosphate and icariin induce bone regeneration in rat skull defect model // Molecules. 2022. Vol. 27, no. 14. P. 4535. DOI: 10.3390/molecules27144535.

42. Asghari N., Irani S., Pezeshki-Moddaress M., Zandi M., Mohamadali M. Neuronal differentiation of mesenchymal stem cells by polyvinyl alcohol/Gelatin/crocin and beta-carotene // Molecular Biology Reports. 2022. Vol. 49, no. 4. P. 2999–3006. DOI: 10.1007/s11033-022-07123-8.

43. Alhosseini S.N., Moztarzadeh F., Mozafari M., Asgari S., Dodel M., Samadikuchaksaraei A., et al. Synthesis and characterization of electrospun polyvinyl alcohol nanofibrous scaffolds modified by blending with chitosan for neural tissue engineering // International Journal of Nanomedicine. 2012. Vol. 7. P. 25–34. DOI: 10.2147/IJN.S25376.

44. Дремина Н.Н., Трухан И.С., Шурыгина И.А. Клеточные технологии в регенерации сухожилий: от клетки до тканевой инженерии // Acta Biomedica Scientifica. 2021. T. 6. N 2. C. 166–175. DOI: 10.29413/ABS.2021-6.2.19. EDN: KDIILM.

45. Sun M., Li H., Hou Y., Huang N., Xia X., Zhu H., et al. Multifunctional tendon-mimetic hydrogels // Science Advances. 2023. Vol. 9, no. 7. P. eade6973. DOI: 10.1126/sciadv.ade6973.