Влияние температуры, микроструктуры и внутримолекулярной динамики фибриллярного коллагена на апатитогенез в скаффолдах

Изучены структура и физико-химические свойства скаффолдов, полученных из коллагенового геля с использованием соединительнотканных оболочек паравертебральных сухожилий крыс Вистар. Скаффолды получали при 37 °C (пленчатый) и 6 °C (объемный). При отвердевании в каркасах формируются клубковая и внеклубковая фракции, что характерно для коллагеновых гелей, полученных из сухожильных мембран. Соотношение объемов фракций определяют структура пор и кинкинг коллагеновых фибрилл. В пленчатом скаффолде формируются поры закрытого типа с ослабленным кинкингом, что приводит к доминированию внеклубкового каркаса. В объемном скаффолде интенсифицируется кинкинг, формируются поры открытого типа, что определяет доминирование клубкового каркаса. Морфогенетическими факторами формирования доминантных фракций являются упорядочение и повышенная жесткость, субдоминантных – хаотизация и эластизация коллагеновых каркасов. Фибриллярный коллаген подвергается экстра- и интрафибриллярной минерализации in situ со структурированием кальцийфосфатов по апатитовому направлению. Микромеханические свойства скаффолдов индуцируют экстрафибриллярный синтез и определяют направление апатитогенеза: на жестких матрицах синтезируется стехиометрический гидроксиапатит, на рыхлых – карбонат-гидроксиапатиты. Интрафибриллярный синтез в сочетании с температурой определяют степень кристалличности, состав катионных и анионных подрешеток гидроксиапатитов. На матрицах фибриллярного коллагена с упрочненными связями пептидных и карбонатных групп формируется стехиометрический гидрокси- апатит, степень кристалличности которого модерируется температурой: чем выше температура синтеза, тем выше степень кристалличности и насыщенность кальцием. На матрицах с ослабленными пептидными и C−O связями формируются карбонат-гидроксиапатиты, в которых замещения в анионной подрешетке регулируются температурой: при повышенной температуре CO₃²⁻ группы замещают преимущественно OH⁻, при пониженной – PO₄³⁻ группы.

1. Sherman, S. In vitro and in vivo evaluation of carbonate apatite-collagen scaffolds with some cytokines for bone tissue engineering / S. Sherman, D. A. Maretaningtias // Journal of Indian Prosthodontic Society. – 2015. – Vol. 15, № 4. – P. 349–355. https://doi.org/10.4103/0972-4052.171821

2. Bone formation ability of carbonate apatite-collagen scaffolds with different carbonate contents / A. Matsuura, T. Kubo, K. Doi [et al.] // Dental Materials Journal. – 2009. – Vol. 28, № 2. – P. 234–242. https://doi.org/10.4012/dmj.28.234

3. Marine Collagen/Apatite Composite Scaffolds Envisaging Hard Tissue Applications / G. S. Diogo, E. López-Senra, R. Pirraco [et al.] // Marine Drugs. – 2018. – Vol. 16, № 8. – P. 269. https://doi.org/10.3390/md16080269

4. Kuttappan, 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 (Pt. B). – P. 1390–1401. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2016.06.043

5. Preparation of a biomimetic composite scaffold from gelatin / collagen and bioactive glass fibers for bone tissue engineering / E. Sharifi, M. Azami, A.-M. Kajbafzadeh [et al.] // Materials Science and Engineering: C. – 2016. – Vol. 59. – P. 533–541. https://doi.org/10.1016/j.msec.2015.09.037

6. Toughening and functionalization of bioactive ceramic and glass bone scaffolds by biopolymer coatings and infiltration: a review of the last 5 years / A. Philippart, A. R. Boccaccini, C. Fleck [et al.] // Expert Review of Medical Devices. – 2015. – Vol. 12, № 1. – P. 93–111. https://doi.org/10.1586/17434440.2015.958075

7. Hu, 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, № 5. – P. 1153–1161. https://doi.org/10.1002/jbm.a.35649

8. Development of a biomimetic collagen-hydroxyapatite scaffold for bone tissue engineering using a SBF immersion technique / A. A. Al-Munajjed, N. A. Plunkett, J. P. Gleeson [et al.] // Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials. – 2009. – Vol. 90, № 2. – P. 584–591. https://doi.org/10.1002/jbm.b.31320

9. Niederberger, M. Oriented attachment and mesocrystals: non-classical crystallization mechanisms based on nanoparticle assembly / M. Niederberger, H. Cölfen // Physical Chemistry Chemical Physics. – 2006. – Vol. 8. – P. 3271–3287. https://doi.org/10.1039/b604589h

10. Hierarchical and non-hierarchical mineralisation of collagen / Y. Liu, Y.-K. Kim, L. Dai [et al.] // Biomaterials. – 2011. – Vol. 32. – P. 1291–1300. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2010.10.018

11. Enhanced Intrafibrillar Mineralization of Collagen Fibrils Induced by Brushlike Polymers / L. Yu, I. J. Martin, R. M. Kasi, M. Wei // ACS Applied Materials and Interfaces. – 2018. – Vol. 10, № 34. – P. 28440–28449. https://doi.org/10.1021/acsami.8b10234

12. Synergistic intrafibrillar / extrafibrillar mineralization of collagen scaffolds based on a biomimetic strategy to promote the regeneration of bone defects / X. Zhang, Y. Wang, N. Manh, H. Wang [et al.] // International Journal of Nanomedicine. – 2016. – Vol. 11. – P. 2053–2067. https://doi.org/10.2147/IJN.S102844

13. Ma, J. Biomimetic self-assembly of apatite hybrid materials: from a single molecular template to bi-/multi-molecular templates / J. Ma, J. Wang, X. Ai, S. Zhang // Biotechnology Advances. – 2014. – Vol. 32, № 4. – P. 744–760. https://doi.org/10.1016/j. biotechadv.2013.10.014

14. Assessment of Trabecular Bones Microarchitectures and Crystal Structure of Hydroxyapatite in Bone Osteoporosis with Application of the Rietveld Method / J. M. D. A. Rollo, R. S. Boffa, R. Cesar [et al.] // Procedia Engineering. – 2015. – Vol. 110. – P. 8–14. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.07.003

15. Physical and Chemical Characterization of Biomineralized Collagen with Different Microstructures / T. Du, Y. Niu, Y. Liu [et al.] // Journal of Functional Biomaterials. – 2022. – Vol. 13, № 2. – P. 57. https://doi.org/10.3390/jfb13020057

16. Fabrication and characterization of biomimetic collagen–apatite scaffolds with tunable structures for bone tissue engineering / Z. Xia, X. Yu, X. Jiang [et al.] // Acta Biomaterialia. – 2013. – Vol. 9, № 7. – P. 7308–7319. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2013.03.038

17. Glaser, J. R. Stereology, morphometry, and mapping: the whole is greater than the sum of its parts / J. R. Glaser, E. M. Glaser // Journal of Chemical Neuroanatomy. – 2000. – Vol. 20, № 1. – P. 115–126. https://doi.org/10.1016/s0891-0618(00)00073-9

18. Пантелеев, В. Г. Компьютерная микроскопия / В. Г. Пантелеев, О. В. Егорова, Е. И. Клыкова. – М.: Техносфера, 2005. – 303 с.

19. Collagen 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, № 18. – P. 9972–9979. https://doi.org/10.1021/jf202579b

20. Sacks, M. S. A small angle light scattering device for planar connective tissue microstructural analysis / M. S. Sacks, D. B. Smith, E. D. Hiester // Annals of Biomedical Engineering. – 1997. – Vol. 25, № 4. – P. 678–689. https://doi.org/10.1007/BF02684845.

21. Person, A. Early Diagenetic Evolution of Bone Phosphate: An X-ray Diffractometry Analysis / A. Person, H. Bocherens, J.-F. Saliège // Journal of Archaeological Science. – 1995. – Vol. 22, № 2. – P. 211–221. https://doi.org/10.1006/jasc.1995.0023

22. Cheng, P. T. Pyrophosphate, phosphate ion interaction: effects on calcium pyrophosphate and calcium hydroxyapatite crystal formation in aqueous solutions / P. T. Cheng, K. Pritzker // Journal of Rheumatology. – 1983. – Vol. 10, № 5. – P. 769−777.

23. Barralet, J. Carbonate substitution in precipitated hydroxyapatite: an investigation into the effects of reaction temperature and bicarbonate ion concentration / J. Barralet, S. Best, W. Bonfield // Journal of Biomedical Materials Research. − 1998. − Vol. 41, № 1. − P. 79−86. https://doi.org/10.1002/(sici)1097-4636(199807)41:1<79::aid-jbm10>3.0.co;2-c

24. Greish, Y. E. Phase evolution during the formation of stoichiometric hydroxyapatite at 37.4 degrees C / Y. E. Greish, P. W. Brown // Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials. − 2003. − Vol. 67, № 1. − P. 632−637. https://doi.org/10.1002/jbm.b.10056

25. Rietveld 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, № 11. − P. 1317−1327. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2004.04.038

26. Rhee, 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, № 11. – P. 2890–2892. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.2000.tb01656.x

27. Leikina, E. Type I collagen is thermally unstable at body temperature / E. Leikina, M. V. Mertts, N. V. Kuznetsova, S. Leikin // Proceedings of the National Academy of Sciences. – 2002. – Vol. 99, № 3. – P. 1314–1318. https://doi.org/10.1073/pnas.032307099

28. Collagen orientation and leather strength for selected mammals / K. H. Sizeland, M. M. Basil-Jones, R. L. Edmonds [et al.] // Journal of Agricultural and Food Chemistry. – 2013. – Vol. 61, № 4. – P. 887–892. https://doi.org/10.1021/jf304306729C

29. 3D Tortuosity and Diffusion Characterization in the Human Mineralized Collagen Fibril Using a Random Walk Model / F. Bini, A. Pica, A. Marinozzi, F. Marinozzi // Bioengineering (Basel). – 2023. – Vol. 10, № 5. – P. 558 (1–12). https://doi.org/10.3390/bioengineering10050558

30. TenHuisen, K. S. Variations in solution chemistry during calcium-deficient and stoichiometric hydroxyapatite formation from CaHPO4·2H2O and Ca4(PO4)2O / K. S. TenHuisen, P. W. Brown // Journal of Biomedical Materials Research. – 1997. – Vol. 36, № 2. – P. 233–241. https://doi.org/10.1002/(sici)1097-4636(199708)36:2<233::aid-jbm12>3.0.co;2-h

31. Fulmer, M. T. Effects of temperature on the formation of hydroxyapatite / M. T. Fulmer, P. W. Brown // Journal of Materials Research. – 1993. – Vol. 8, № 7. – P. 1687–1696. https://doi.org/10.1557/JMR.1993.1687

32. The effect of chemical potential on the thermodynamic stability of carbonate ions in hydroxyapatite / T. Kubota, A. Nakamura, K. Toyoura, K. Matsunaga // Acta Biomaterialia. – 2014. – Vol. 10, № 8. – P. 3716–3722. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2014.05.007