danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8323-2020-64-2-173-185dan-868Research ArticleХИМИЯCHEMISTRYСтруктура и физико-химические свойства фибриллярных коллагеновых тканей, модифицированных диоксидом кремния и гиалуроновой кислотойStructure and physico-chemical properties of fibrillary collagen fabric modified by silicon dioxide and hyaluronic acidГайдашА. 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, Chief researcher.

9/1, Surganov Str., 220072, Minsk

jack200@ngs.ruКрутькоВ. 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), Assistant professor, Head of the Laboratory.

9/1, Surganov Str., 220072, Minsk

tsuber@igic.bas-net.byКулакА. И.KulakA. I.

Кулак Анатолий Иосифович – член-корреспондент, д-р хим. наук, профессор, директор.

Kulak Anatoly I. – Corresponding Member, D. Sc. (Chemistry), Professor, Director.

9/1, Surganov Str., 220072, Minsk

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

Мусская Ольга Николаевна – канд. хим. наук, доцент, ст. науч. сотрудник.

Musskaya Olga N. – Ph. D. (Chemistry), Assistant professor, Senior researcher.

9/1, Surganov Str., 220072, Minsk

musskaja@igic.bas-net.byСкроцкаяК. В. SkrotskayaK. V.

Скроцкая Катарина Владимировна – инженер.

ул. Ленинградская, 14, 220030, Минск

Skrotskaya Katarina V. – Engineer.

14, Leningradskaya Str., 220030, Minsk

Katarinaskr@gmail.comБудейкоН. Л.BudeikoN. L.

Будейко Николай Леонович – канд. хим. наук, заведующий лабораторией.

ул. Сурганова, 9/1, 220072, Минск

Budeiko Nikolay L. – Ph. D. (Chemistry), Head of the Laboratory.

9/1, Surganov Str., 220072, Minsk

bnl@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 University202017052020642173185Copyright © Гайдаш А.А., Крутько В.К., Кулак А.И., Мусская О.Н., Скроцкая К.В., Будейко Н.Л., 20202020Гайдаш А.А., Крутько В.К., Кулак А.И., Мусская О.Н., Скроцкая К.В., Будейко Н.Л.Gaidash A.A., Krut’ko V.K., Kulak A.I., Musskaya O.N., Skrotskaya K.V., Budeiko N.L.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/868

Изучены соединительнотканные оболочки паравертебральных сухожилий (перитеноны) белых лабораторных крыс, обработанные диоксидом кремния и гиалуроновой кислотой. Установлено, что перитеноны представляют собой каркасные с ортогональной анизотропией природные композиты с развитой системой интерстициальных пористых мембран, которые регулируют тканевые гидродинамические потоки. Во внеклеточном матриксе перитенонов присутствуют карбонат-гидроксиапатит и гидроксид кальция в аморфизированном состоянии. Диоксид кремния и гиалуронат формируют гидрофобные силикатные и гиалуронатные покрытия коллагеновых фибрилл (инкапсуляция), упрочняют связи в Амидах I, II, III, снижают интенсивность полос связанных гидроксильных и полос валентных колебаний фосфатных групп, что свидетельствует о замещении карбонат-ионами OH-групп и подавлении синтеза гидроксиапатита. Ключевым механизмом снижения интенсивности апатитогенеза является инкапсуляция коллагеновых фибрилл, сопровождающаяся экранированием центров эпитаксиальных взаимодействий, структурирующихся в ходе гетерогенной нуклеации кальцийфосфатов. В биомиметической жидкости SBF деформирующее действие модифицирующих агентов нивелируется, но усиливается гидратированность и возрастает скорость распада фибриллярного коллагена. При этом на фоне избыточного поступления экзогенных фосфатов и карбонатов из SBF апатитогенез в перитенонах осуществляется, преимущественно, по механизму гомогенной нуклеации.

The connective tissue sheaths of paravertebral tendons (peritenons) of white laboratory rats treated with silicon dioxide and hyaluronic acid were studied. It was found that peritenones are natural composites with orthogonal anisotropy with a developed system of interstitial porous membranes that regulate tissue hydrodynamic flows. The extracellular matrix of peritenons contains carbonate-hydroxyapatite and calcium hydroxide in the amorphized state. Silicon dioxide and hyaluronate form hydrophobic silicate and hyaluronate coatings of collagen fibrils (encapsulation), strengthen bonds in Amides I, II, III, reduce the intensity of the bands of bound hydroxyl and stretching vibration bands of phosphate groups, which indicates the replacement of OH groups with carbonate ions and the suppression synthesis of hydroxyapatite. A key mechanism for reducing the intensity of apatitogenesis is the encapsulation of collagen fibrils, accompanied by screening the centers of epitaxial interactions that are structured during heterogeneous nucleation of calcium phosphates. In SBF biomimetic fluid, the deforming effect of modifying agents is leveled, but hydration and decomposition of fibrillar collagen increase. Moreover, against the background of excess supply of exogenous phosphates and carbonates from SBF, apatitogenesis in peritenons is carried out mainly by the mechanism of homogeneous nucleation.

перитенондиоксид кремниягиалуроновая кислотафибриллярный коллагенвнеклеточный матрикстканевые стяжкигидроксиапатитperitenonesilicon dioxidehyaluronic acidfibrillar collagenextracellular matrixtissue screedshydroxyapatiteРабота выполнена в рамках задания 1.04 ГПНИ «Химические технологии и материалы».The work was supported by the SPSI “Chemical technologies and materials” (task 1.04).ReferencesСтруктурные и физико-химические преобразования перикардиальных имплантатов, модифицированных эпоксидной смолой / А. А. Гайдаш [и др.] // Док. Нац. акад. наук Беларуси. - 2018. - Т. 62, № 6. - С. 703-711. https://10.29235/1561-8323-2018-62-6-703-711Gaidash A. А., Kulak A. I., Drozdovski K. V., Kazbanov V. V., Krut’ko V. K., Musskaya O. N., Skrotskaya K. V., Linnik Yu. I. Structural and physico-chemical transformations of modified with epoxy resin pericardia implants. Doklady Natsional’noi akademii nauk Belarusi = Doklady of the national Academy of Sciences of Belarus, 2018, vol. 62, no. 6, pp. 703-711 (in Russian). https://10.29235/1561-8323-2018-62-6-703-711High-concentration glutaraldehyde fixation of bovine pericardium in organic solvent and post-fixation glycine treatment: in vitro material assessment and in vivo anticalcification effect / C. Lee [et al.] // Europ. J. Cardio-Thoracic Surg. - 2011. - Vol. 39, N 3. - P. 381–387. https://doi.org/10.1016/j.ejcts.2010.07.015Lee C., Kim S. H., Choi S.-H., Kim Y. J. High-concentration glutaraldehyde fixation of bovine pericardium in organic solvent and post-fixation glycine treatment: in vitro material assessment and in vivo anticalcification effect. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery, 2011, vol. 39, no. 3, pp. 381–387. https://doi.org/10.1016/j.ejcts.2010.07.015Triglycidylamine crosslinking of porcine aortic valve cusps or bovine pericardium results in improved biocompatibility, biomechanics, and calcification resistance: Chemical and biological mechanisms / J. M. Connolly [et al.] // Am. J. Pathol. - 2005. - Vol. 166, N 1. - P. 1-13. https://doi.org/10.1016/S0002-9440(10)62227-4Connolly J. M., Alferiev I., Clark-Gruel J. N., Eidelman N., Sacks M., Palmatory E., Kronsteiner A., Defelice S., Xu J., Ohri R., Narula N., Vyavahare N., Levy R. J., Clark-Gruel J. N. Triglycidylamine crosslinking of porcine aortic valve cusps or bovine pericardium results in improved biocompatibility, biomechanics, and calcification resistance. American Journal of Pathology, 2005, vol. 166, no. 1, pp. 1–13. https://doi.org/10.1016/s0002-9440(10)62227-4Сканирующая зондовая микроскопия перикардов, модифицированных диглицидиловым эфиром этилен гликоля / А. А. Гайдаш [и др.] // Новости мед.-биол. наук. - 2018. - Т. 18, № 2. - С. 96-106.Gaydash A. A., Drozdovskiy K. V., Melnikova G. B., Kuznetsova T. A., Chizhik S. A., Krut’ko V. K., Kulak A. I., Linnik Yu. I., Skrotskaya K. V., Kazbanov V. V., Gurinovich T. A., Kanunnikova A. R. Scanning probe microscopy of pericardium modified with ethylene glycol diglycidyl ether. Novosti mediko-biologicheskih nauk = News of Biomedical Sciences, 2018, vol. 18, no. 2, pp. 96-106 (in Russian).Страхов, И. П. Химия и технология кожи и меха / И. П. Страхов, Ю. Н. Аронина, Л. П. Гайдаров. - М., 1970. - 632 с.Strahov I. P., Aronina Yu. N., Gajdarov L. P. Chemistry and technology of leather and fur. Moscow, 1970. 632 p. (in Russian).Fabrication and characterization of porous hyaluronic acid-collagen composite scaffolds / S. Tang [et al.] // J. Biomed. Mater. Res. Part A. - 2007. - Vol. 82A, N 2. - P. 323-335. https://doi.org/10.1002/jbm.a.30974Tang S., Vickers S. M., Hsu H.-P., Spector M. Fabrication and characterization of porous hyaluronic acid–collagen composite scaffolds. Journal of Biomedical Materials Research Part A, 2007, vol. 82A, no. 2, pp. 323–335. https://doi.org/10.1002/jbm.a.30974An osteoconductive collagen/hyaluronate matrix for bone regeneration / L. S. Liu [et al.] // Biomaterials. - 1999. - Vol. 20, N 12. - P. 1097-1108. https://doi.org/10.1016/s0142-9612(99)00006-xLiu L. Sh., Thompson A. Y., Heidaran M. A., Poser J. W., Spiro R. C. An osteoconductive collagen/hyaluronate matrix for bone regeneration. Biomaterials, 1999, vol. 20, no. 12, pp. 1097-1108. https://doi.org/10.1016/s0142-9612(99)00006-xCharacterization of porous collagen/hyaluronic acid scaffold modified by 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide cross-linking / Si-N. Park [et al.] // Biomaterials. – 2002. – Vol. 23, N 4. – P. 1205–1212. https://doi.org/10.1016/s0142-9612(01)00235-6Park S. N., Park J. C., Kim H. O., Song M. J., Suh H. Characterization of porous collagen/hyaluronic acid scaffold modified by 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide cross-linking. Biomaterials, 2002, vol. 23, no. 4, pp. 1205–1212. https://doi.org/10.1016/s0142-9612(01)00235-6Comprising Cross-Linked Hyaluronic Acid and Human Collagen for Tissue Reconstruction / Z.-H. Kim [et al.] // J. Microbiol. Biotechnol. – 2015. – Vol. 25, N 3. – P. 399–406. https://doi.org/10.4014/jmb.1411.11029Kim Z.-H., Lee Y., Kim S.-M., Kim H., Yun C.-K., Choi Y.-S. A Composite Dermal Filler Comprising Cross-Linked Hyaluronic Acid and Human Collagen for Tissue Reconstruction. Journal of Microbiology and Biotechnology, 2015, vol. 25, no. 3, pp. 399–406. https://doi.org/10.4014/jmb.1411.11029Hahn, S. K. Anti-calcification of bovine pericardium for bioprosthetic heart valves after surface modification with hyaluronic acid derivatives / S. K. Hahn, R. Ohri, C. M. Giachelli // Biotechnol. Bioproc. Engin. - 2005. - Vol. 10, N 3. - P. 218-224. https://doi.org/1010.1007/bf02932016Hahn S. K., Ohri R., Giachelli C. M. Anti-calcification of bovine pericardium for bioprosthetic heart valves after surface modification with hyaluronic acid derivatives. Biotechnology and Bioprocess Engineering, 2005, vol. 10, no. 3, pp. 218–224. https://doi.org/10.1007/bf02932016Сканирующая электронная микроскопия коллагенсодержащих материалов, модифицированных диоксидом кремния и гиалуроновой кислотой / А. А. Гайдаш [и др.] // Новости мед.-биол. наук. – 2019. – Т. 19, № 3. – С. 68–83.Gaydash A. A., Krut’ko V. K., Kulak A. I., Skrotskaya K. V., Musskaya O. N., Zamaro A. S., Danilova-Tret’yak S. M. Scanning electron microscopy of collagen-containing materials modified with silicon dioxide and hyaluronic acid. Novosti mediko-biologicheskih nauk = News of Biomedical Sciences, 2019, vol. 198, no. 3, pp. 68-83 (in Russian).Matrix macromolecules in hard tissues control the nucleation and hierarchical assembly of hydroxyapatite / S. Gajjeraman [et al.] // J. Biol. Chem. – 2007. – Vol. 282, N 2. – P. 1193–1204. https://doi.org/10.1074/jbc.M604732200Gajjeraman S., Narayanan K., Hao J., Qin C., George A. Matrix Macromolecules in Hard Tissues Control the Nucleation and Hierarchical Assembly of Hydroxyapatite. Journal of Biological Chemistry, 2006, vol. 282, no. 2, pp. 1193– 1204. https://doi.org/10.1074/jbc.m604732200Veis, A. Biomineralization mechanisms: a new paradigm for crystal nucleation in organic matrices / A. Veis, J. R. Dorvee // Calcif. Tissue. Int. – 2012. – Vol. 93, N 4. – P. 307-315. https://doi.org/10.1007/s00223-012-9678-2Veis A., Dorvee J. R. Biomineralization Mechanisms: A New Paradigm for Crystal Nucleation in Organic Matrices. Calcified Tissue International, 2012, vol. 93, no. 4, pp. 307–315. https://doi.org/10.1007/s00223-012-9678-2Беллами, Л. Новые данные по ИК спектрам сложных молекул / Л. Беллами. – М., 1971. - 318 с.Bellami L. The Infra-red Spectra of Complex Molecules. Springer, 1975. 433 p. https://doi.org/10.1007/978-94-011-6017-9Physicochemical Properties and Structure of the Bone Matrix in Simulated Tuberculous Osteitis / V. K. Krut’ko [et al.] // Technical Physics. – 2019. – Vol. 64, N 1. – P. 121–126. https://doi.org/10.1134/S1063784219010183Krut’ko V. K., Kazbanov V. V., Musskaya O. N., Gaidash A. A., Kulak A. I., Chekan N. M., Serdobintsev M. S., Skrotskaya K. V. Physicochemical Properties and Structure of the Bone Matrix in Simulated Tuberculous Osteitis. Technical Physics, 2019, vol. 64, no. 1, pp. 121–126. https://doi.org/10.1134/S1063784219010183

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