danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8323-2025-69-3-198-205dan-1252Research ArticleХИМИЯCHEMISTRYCтруктурирование и физико-химические аспекты минерализации коллагеновых скаффолдовPhysicochemical aspects of structuring calcium phosphate on fibrillary collagen scaffoldsГайдашА. А.GaidashA. A.

Гайдаш Александр Александрович - д-р мед. наук,профессор, вед. науч. сотрудник

ул. Сурганова, 9/1, 220072, Минск

Gaidash Alexander A. - D. Sc. (Medicine), Professor, Leading Researcher

9/1, Surganov Str., 220072, Minsk

aljack880@gmail.comКулакА. И.KulakA. I.

Кулак Анатолий Иосифович - академик, д-р хим. наук, профессор, директор

ул. Сурганова, 9/1, 220072, Минск

Kulak Anatoly I. - Academician, D. Sc. (Chemistry),Professor, Director

9/1, Surganov Str., 220072, Minsk

kulak@igic.bas-net.byКрутькоВ. К.Krut’koV. K.

Крутько Валентина Константиновна - канд. хим.наук, доцент, заведующий лабораторией

ул. Сурганова, 9/1, 220072, Минск

Krut’ko Valentina K. - Ph. D. (Chemistry), AssistantProfessor, Head of the Laboratory

9/1, Surganov Str., 220072, Minsk

tsuber@igic.bas-net.byМусскаяО. Н.MusskayaO. N.

Мусская Ольга Николаевна - канд. хим. наук, доцент, вед. науч. сотрудник

ул. Сурганова, 9/1, 220072, Минск

Musskaya Olga N. - Ph. D. (Chemistry), Assistant Professor, Leading Researcher

9/1, Surganov Str., 220072, Minsk

musskaja@igic.basnet.byСкроцкаяК. В.SkrotskayaK. V.

Скроцкая Катарина Владимировна - инженер

ул. Ленинградская, 14, 220030, Минск

Skrotskaya Katarina V. - Engineer

14, Leningradskaya Str., 220030, Minsk

Katarinaskr@gmail.comКрутькоЕ. Н.KrutskoE. N.

Крутько Евгений Николаевич - ст. науч. сотрудник

ул. Сурганова, 9/1, 220072, Минск

Krutsko Evgeny N. - Senior Researcher

9/1, Surganov Str., 220072, Minsk

ev_krutsko@igic.bas-net.byИнститут общей и неорганической химии Национальной академии наук БеларусиInstitute of General and Inorganic Chemistry of the National Academy of Sciences of BelarusНаучно-исследовательский институт физико-химических проблем Белорусского государственного университетаResearch Institute for Physical Chemical Problems of the Belarusian State University202510072025693198205Copyright © Гайдаш А.А., Кулак А.И., Крутько В.К., Мусская О.Н., Скроцкая К.В., Крутько Е.Н., 20252025Гайдаш А.А., Кулак А.И., Крутько В.К., Мусская О.Н., Скроцкая К.В., Крутько Е.Н.Gaidash A.A., Kulak A.I., Krut’ko V.K., Musskaya O.N., Skrotskaya K.V., Krutsko E.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.belnauka.by/jour/article/view/1252

Изучены структура и физико-химические свойства скаффолдов, полученных из ацетатных экстрактов фибриллярного коллагена из оболочек сухожилий крыс Вистар. При 37 °С синтезирован пленчатый, 6 °С – объемный скаффолды, которые структурируются на клубковые и внеклубковые фракции. Объемные соотношения фракций определяются влиянием температуры на кинкинг коллагеновых волокон: при 37 °С кинкинг подавляется и приоритетно формируется фракция с исходно расправленными волокнами – внеклубковый каркас пленчатого скаффолда, при 6 °С кинкинг усиливается и ускоряется рост фракции с исходно извитыми волокнами – клубки объемного скаффолда. Типогенез гидроксиапатита определяется микроструктурой скаффолдов и направлением развития транспирирующих структур: стехиометрический гидроксиапатит синтезируется в доминантных водоиспаряющих фракциях, карбонат-гидроксиапатит - в субдоминантных водоудерживающих фракциях. Кинкинг и прочность пептидных цепей фибриллярного коллагена обратно взаимозависимы: при ослаблении кинкинга пептидные цепи упрочняются, при усилении – разупрочняются. Карбонатные замещения чувствительны к температуре синтеза скаффолдов: при 37 °С анионы CO32– замещают OH–, а при 6 °С – PO43− группы. Понимание механизмов структурирования кальцийфосфатов на матрицах фибриллярного коллагена позволит проектировать коллаген-апатитовые скаффолды с заданными функциональными свойствами.

The structure and physicochemical properties of scaffolds obtained from acetate extracts of fibrillar collagen from the tendon membranes of Wistar rats have been the subject of study. The synthesis of a film-like scaffold at 37 °C and a volume scaffold at 6 °C was conducted. Scaffolds of both types are structured into glomerular and extraglomerular fractions. The volume ratios of fractions are determined by the influence of temperature on the kinking of collagen fibers. At 37 °С, kinking is suppressed, and a fraction with initially straightened fibers – the extracellular framework of a filmy scaffold – is formed. At 6 °С, kinking increases, and the growth of a fraction with initially twisted fibers – tangles of a volumetric scaffold – is accelerated. The typogenesis of hydroxyapatite is determined by the microstructure of the scaffolds and the direction of development of transpiring structures. Stoichiometric hydroxyapatite is synthesized in dominant water-evaporating fractions, while carbonate hydroxyapatite is synthesized in subdominant water-retaining fractions. The relationship between kinking and the strength of the peptide chains of fibrillar collagen is characterized by an inverse interdependence. Specifically, when kinking is weakened, the peptide chains are strengthened, and when kinking is strengthened, they are softened. Carbonate substitutions are sensitive to the temperature of scaffold synthesis. At 37 °C, CO32– anions replace OH–, and at 6 °C, PO43− groups replace them. The comprehension of the mechanisms underlying the structuring of calcium phosphates on matrices of fibrillary collagen is essential for the design of collagen-apatite-based scaffolds with predefined functional properties.

скаффолдыапатитогенезстехиометрический гидроксиапатиткарбонат-гидроксиапатитфибриллярный коллагенминерализация in situscaffoldsapatitogenesisstoichiometric hydroxyapatitecarbonate-hydroxyapatitefibrillar collagenmineralization in situАвторы благодарны сотрудникам группы тканевых технологий Института цитологии РАН за содействие в получении коллагенового геля. Работа выполнена при финансовой поддержке ГПНИ «Химические процессы, реагенты и технологии, биорегуляторы и биооргхимия» (задание 2.1.04.7).The authors express their gratitude to the staff of the tissue technology group of the Institute of Cytology of the Russian Academy of Sciences for assistance in obtaining collagen gel. The work was supported by the SPSI “Chemical processes, reagents and technologies, bioregulators and bioorganic chemistry” (task 2.1.04.7).ReferencesThe paratenon contributes to scleraxis-expressing cells during patellar tendon healing / N. A. Dyment, Ch.-F. Liu, N. Ka zemi [et al.] // PLoS ONE. – 2013. – Vol. 8, N 3. – Art. e59944. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0059944Dyment N. A., Liu C.-F., Kazemi N., Aschbacher-Smith L. E., Kenter K., Breidenbach A. P., Shearn J. T., Wylie C., Rowe D. W., Butler D. L. The paratenon contributes to scleraxis-expressing cells during patellar tendon healing. PLoS ONE, 2013, vol. 8, no. 3, art. e59944. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0059944Структура перитенонов паравертебральных сухожилий, обработанных гиалуроновой кислотой / А. А. Гайдаш, В. К. Крутько, А. И. Кулак [и др.] // Успехи современной биологии. – 2023. – Т. 143, № 4. – С. 315–328. https://doi.org/10.31857/S0042132423040063Gaidash А. А., Krut’ko V. K., Kulak A. I., Musskaya O. N., Skrotskaya K. V., Tokalchik Yu. P., Kulchitsky V. A. Structure of the peritenons of the paravertebral tendons treated by hyaluronic acid. Biology Bulletin Reviews, 2023, vol. 13, pp. 559–571. https://doi.org/10.1134/s2079086423060075The skeletal attachment of tendons – tendon ‘entheses’ / M. Benjamin, T. Kumai, S. Milz [et al.] // Comparative Biochemistry and Physiology. Part A: Molecular and Integrative Physiology. – 2002. – Vol. 133, N 4. – P. 931–945. https://doi.org/10.1016/s1095-6433(02)00138-1Benjamina M., Kumai T., Milz S., Boszczyk B. M., Boszczyk A. A., Ralphs J. R. The skeletal attachment of tendons – tendon ‘entheses’. Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular and Integrative Physiology, 2002, vol. 133, no. 4, pp. 931–945. https://doi.org/10.1016/s1095-6433(02)00138-1Mienaltowski, M. J. Tendon proper- and peritenon-derived progenitor cells have unique tenogenic properties / M. J. Mienaltowski, S. M. Adams, D. E. Birk // Stem Cell Research and Therapy. – 2014. – Vol. 5. – Art. 86. https://doi.org/10.1186/scrt475Mienaltowski M. J., Adams S. M., Birk D. E. Tendon proper- and peritenon-derived progenitor cells have unique tenogenic properties. Stem Cell Research and Therapy, 2014, vol. 5, art. 86. https://doi.org/10.1186/scrt475Bone ridge patterning during musculoskeletal assembly is mediated through SCX regulation of Bmp4 at the tendon-skeleton junction / E. Blitz, S. Viukov, A. Sharir [et al.] // Developmental Cell. – 2009. – Vol. 17, N 6. – P. 861–873. https://doi.org/10.1016/j.devcel.2009.10.010Blitz E., Viukov S., Sharir A., Shwartz Y., Galloway J. L., Pryce B. A., Johnson R. L., Tabin C. J., Schweitzer R., Zel- zer E. Bone ridge patterning during musculoskeletal assembly is mediated through SCX regulation of Bmp4 at the tendon-skeleton junction. Developmental Cell, 2009, vol. 17, no. 6, pp. 861–873. https://doi.org/10.1016/j.devcel.2009.10.010Kuttappan, S. Biomimetic composite scaffolds containing bioceramics and collagen/gelatin for bone tissue engineering – A mini review / S. Kuttappan, D. Mathew, M. B. Nair // International Journal of Biological Macromolecules. – 2016. – Vol. 93, Part B. – P. 1390–1401. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2016.06.043Kuttappan S., Mathew D., Nair M. B. Biomimetic composite scaffolds containing bioceramics and collagen/gelatin for bone tissue engineering – A mini review. International Journal of Biological Macromolecules, 2016, vol. 93, part B, pp. 1390–1401. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2016.06.043Hu, C. Fabrication of intrafibrillar and extrafibrillar mineralized collagen/apatite scaffolds with a hierarchical structure / C. Hu, M. Zilm, M. Wei // Journal of Biomedical Materials Research. Part A. – 2016. – Vol. 104, N 5. – P. 1153–1161. https://doi.org/10.1002/jbm.a.35649Hu C., Zilm M., Wei M. Fabrication of intrafibrillar and extrafibrillar mineralized collagen/apatite scaffolds with a hierarchical structure. Journal of Biomedical Materials Research. Part A, 2016, vol. 104, no. 5, pp. 1153–1161. https://doi.org/10.1002/jbm.a.35649Development of a biomimetic collagen-hydroxyapatite scaffold for bone tissue engineering using a SBF immersion technique / A. A. Al-Munajjed, N. A. Plunkett, J. P. Cleeson [et al.] // Journal of Biomedical Materials Research. Part B: Applied Biomaterials. – 2009. – Vol. 90, N 2. – P. 584–591. https://doi.org/10.1002/jbm.b.31320Al-Munajjed A. A., Plunkett N. A., Gleeson J. P., Weber T., Jungreuthmayer C., Levingstone T., Hammer J., O’Bri- en F. J. Development of a biomimetic collagen-hydroxyapatite scaffold for bone tissue engineering using a SBF immersion technique. Journal of Biomedical Materials Research. Part B: Applied Biomaterials, 2009, vol. 90, no. 2, pp. 584–591. https:// doi.org/10.1002/jbm.b.31320Chandrakasan, G. Preparation of intact monomeric collagen from rat tail tendon and skin and the structure of the nonhelical ends in solution / G. Chandrakasan, D. A. Torchia, K. A. Piez // Journal of Biological Chemistry. – 1976. – Vol. 251, N 19. – P. 6062–6067. https://doi.org/10.1016/s0021-9258(17)33059-4Chandrakasan G., Torchia D. A., Piez K. A. Preparation of intact monomeric collagen from rat tail tendon and skin and the structure of the nonhelical ends in solution. Journal of Biological Chemistry, 1976, vol. 251, no. 19, pp. 6062–6067. https:// doi.org/10.1016/s0021-9258(17)33059-4Collagen fibril orientation in ovine and bovine leather affects strength: A small angle X-ray scattering (SAXS) study / M. M. Basil-Jones, R. L. Edmonds, S. M. Cooper, R. G. Haverkamp // Journal of Agricultural and Food Chemistry. – 2011. – Vol. 59, N 18. – P. 9972–9979. https://doi.org/10.1021/jf202579bBasil-Jones M. M., Edmonds R. L., Cooper S. M., Haverkamp R. G. Collagen fibril orientation in ovine and bovine leather affects strength: A small angle X-ray scattering (SAXS) study. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2011, vol. 59, no. 18, pp. 9972–9979. https://doi.org/10.1021/jf202579bEarly diagenetic evolution of bone phosphate: An X-ray diffractometry analysis / A. Person, H. Bocherens, J.-F. Saliège [et al.] // Journal of Archaeological Science. – 1995. – Vol. 22, N 2. – P. 211–221. https://doi.org/10.1006/jasc.1995.0023Person A., Bocherens H., Saliège J.-F., Paris F., Zeitoun V., Gerard M. Early diagenetic evolution of bone phosphate: An X-ray diffractometry analysis. Journal of Archaeological Science, 1995, vol. 22, no. 2, pp. 211–221. https://doi.org/10.1006/jasc.1995.0023Структура и морфогенетические свойства коллагеновых матриц, полученных из соединительнотканных оболочек паравертебральных сухожилий / А. А. Гайдаш, А. И. Кулак, В. К. Крутько [и др.] // Успехи современной биологии. – 2024. – Т. 144, № 3. – С. 265–290. https://doi.org/10.31857/S0042132424030024Gaidash А. А., Kulak A. I., Krut’ko V. K., Blinova M. I., Musskaya O. N., Aleksandrova S. A., Skrotskaya K. V., Kulchitsky V. A. Structure and morphogenetic properties of collagen matrixes obtained from connective tissue sheaths of paravertebral tendons. Biology Bulletin Reviews, 2024, vol. 14, pp. 758–778. https://doi.org/10.1134/S2079086424600413Rietveld refinements and spectroscopic studies of the structure of Ca-deficient apatite / R. M. Wilson, J. C. Elliott, S. E. P. Dowker, L. M. Rodriguez-Lorenzo // Biomaterials. – 2005. – Vol. 26, N 11. – P. 1317–1327. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2004.04.038Wilson R. M., Elliott J. C., Dowker S. E. P., Rodriguez-Lorenzo L. M. Rietveld refinements and spectroscopic studies of the structure of Ca-deficient apatite. Biomaterials, 2005, vol. 26, no. 11, pp. 1317–1327. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2004.04.038Rhee, S. H. Nucleation of hydroxyapatite crystal through chemical interaction with collagen / S. H. Rhee, J. D. Lee, J. Tanaka // Journal of the American Ceramic Society. – 2000. – Vol. 83, N 11. – P. 2890–2892. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.2000. tb01656.xRhee S. H., Lee J. D., Tanaka J. Nucleation of hydroxyapatite crystal through chemical interaction with collagen. Journal of the American Ceramic Society, 2000, vol. 83, no. 11, pp. 2890–2892. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.2000. tb01656.x3D Tortuosity and diffusion characterization in the human mineralized collagen fibril using a random walk model / F. Bini, A. Pica, A. Marinozzi, F. Marinozzi // Bioengineering. – 2023. – Vol. 10, N 5. – Art. 558. https://doi.org/10.3390/bioengineering10050558Bini F., Pica A., Marinozzi A., Marinozzi F. 3D Tortuosity and diffusion characterization in the human mineralized collagen fibril using a random walk model. Bioengineering, 2023, vol. 10, no. 5, art. 558. https://doi.org/10.3390/bioengineering10050558

The authors declare that there are no conflicts of interest present.