Модификация биофункциональных свойств коллагенового гидрогеля солями карбоновых кислот

   Одним из перспективных направлений немедикаментозного лечения ран является тканевая инженерия, которая включает в себя, в том числе, разработку биомиметических материалов. Наиболее близки к нативному внеклеточному матриксу биоматериалы, состоящие из коллагена или его денатурированных форм. Несмотря на явные преимущества биоматериалов на основе коллагена, их масштабное применение в практической медицине ограничено в силу быстрой биодеградации и низкой механической прочности. Одним из способов модификации функциональных свойств коллагеновых биоматериалов является формирование дополнительных сшивок между соседними полипептидными цепями коллагена, в том числе с использованием солей карбоновых кислот.

   Цель исследования – оценить в условиях in vitro биодеградацию и функциональный ответ фибробластов человека на коллагеновый гидрогель, модифицированный солью винной или лимонной кислоты.

   Материал и методы. В работе использовали денатурированный коллаген I типа компании First Alive Collagen (Россия), 80 мМ растворы тартрата натрия и цитрата натрия. Механические свойства образцов определяли с помощью анализатора текстуры TX-700 (Lamy Rheology Instruments, Франция). С использованием методов проточной цитометрии, световой и люминесцентной микроскопии оценивали влияние биоматериалов на количество апоптотических клеток,
адгезию и функциональную активность фибробластов in vitro.

   Результаты. Установлено, что модификация коллагенового гидрогеля солями трикарбоновых кислот позволяет получить гидрогелевые биоматериалы с улучшенными прочностными характеристиками и устойчивостью к биодеградации in vitro. Полученные модифицированные формы гидрогелей не оказывают цитотоксического действия и способны поддерживать рост и пролиферативную активность фибробластов на своей поверхности. Выявлена способность гидрогеля, модифицированного солью лимонной кислоты, стимулировать продукцию фибробластами белков межклеточного матрикса.

   Заключение. Полученные результаты могут использоваться при конструировании биоматериалов для стимуляции репаративной регенерации и профилактики фиброзных заболеваний.

1. Ratnatilaka Na Bhuket P., Li Y., Yu S.M. From collagen mimetics to collagen hybridization and back. Acc. Chem. Res. 2024;57(12):1649–1657. doi: 10.1021/acs.accounts.3c00772

2. Amirrah I.N., Lokanathan Y., Zulkiflee I., Wee M.F.M.R., Motta A., Fauzi M.B. A comprehensive review on collagen type I development of biomaterials for tissue engineering: from biosynthesis to bioscaffold. Biomedicines. 2022;10(9):2307. doi: 10.3390/biomedicines10092307

3. Salvatore L., Gallo N., Natali M.L., Terzi A., Sannino A., Madaghiele M. Mimicking the hierarchical organization of natural collagen: toward the development of ideal scaffolding material for tissue regeneration. Front. Bioeng. Biotechnol. 2021;9:644595. doi: 10.3389/fbioe.2021.644595

4. Li X., Zhang Q., Yu S.M., Li Y. The chemistry and biology of collagen hybridization. J. Am. Chem. Soc. 2023;145(20):10901–10916. doi: 10.1021/jacs.3c00713

5. Pires Figueiredo M., Rodríguez-Fernández S., Copes F., Mantovani D. Review of collagen type I-based hydrogels: focus on composition-structure-properties relationships. NPJ Biomed. Innov. 2025;2(1):16. doi: 10.1038/s44385-025-00018-w

6. Castro-Muñoz R., Boczkaj G. Paving the way for green cross-linker substances for the fabrication of polymer membranes – a review. Curr. Opin. Chem. Eng. 2025;47:101097. doi: 10.1016/j.coche.2025.101097

7. Jayachandran B., Parvin T.N., Alam M.M., Chanda K., Mm B. Insights on chemical crosslinking strategies for proteins. Molecules. 2022;27(23):8124. doi: 10.3390/molecules27238124

8. Xu H., Shen L., Xu L., Yang Y. Low-temperature crosslinking of proteins using non-toxic citric acid in neutral aqueous medium: Mechanism and kinetic study. Ind. Crop. Prod. 2015;74:234–240. doi: 10.1016/j.indcrop.2015.05.010

9. Еремин П.С., Рожкова Е.А., Марков П.А. Модификация и характеристика биофункциональных свойств коллагенсодержащих ксерогелей медицинского назначения: результаты экспериментального исследования. Вестн. восстанов. мед. 2025;24(3):29–37. doi: 10.38025/2078-1962-2025-24-3-29-37

10. Singh P., Baisthakur P., Yemul O.S. Synthesis, characterization and application of crosslinked alginate as green packaging material. Heliyon. 2020;6(1):e03026. doi: 10.1016/j.heliyon.2019.e03026

11. Díaz-Carrasco F., Benito E., García-Martín M.G., de-Paz M.V. Closed-loop biomaterial design: Diels-Alder hydrogels from renewable polymers for biomedical devices. Int. J. Biol. Macromol. 2025;323(Pt 2):147146. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2025.147146

12. Rajan M., Murugan M., Ponnamma D., Sadasivuni K.K., Munusamy M.A. Poly-carboxylic acids functionalized chitosan nanocarriers for controlled and targeted anti-cancer drug delivery. Biomed. Pharmacother. 2016;83:201–211. doi: 10.1016/j.biopha.2016.06.026

13. Shao Z., Shen D., Fan F., Sun X., Ding J., Fang Y., Li P. Facile synthesis of chitosan-tartaric acid biosorbents for removal of Cu(II) and Cd(II) from water and tea beverages. Int. J. Biol. Macromol. 2023;241:124533. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2023.124533

14. Zhao Y., Zhang L., Zhou X., Xu H., Li X., Wang D., Chen C., Wang J., Wang L., Wang W. Tuning the shell structure of peptide nanotubes with sodium tartrate: From monolayer to bilayer. J. Colloid. Interface Sci. 2022;608(Pt 2):1685–1695. doi: 10.1016/j.jcis.2021.10.023

15. Cumming M.H., Leonard A.R., LeCorre-Bordes D.S., Hofman K. Intra-fibrillar citric acid crosslinking of marine collagen electrospun nanofibres. Int. J. Biol. Macromol. 2018;114:874–881. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2018.03.180

16. Uranga J., Nguyen B.T., Si T.T., Guerrero P., de la Caba K. The effect of cross-linking with citric acid on the properties of agar/fish gelatin films. Polymers. 2020;12(2):291. doi: 10.3390/polym12020291

17. Марков П.А., Еремин П.С., Торлопов М.А., Мартаков И.С., Михайлов В.И. Биофункционализация альгинатного гидрогеля магнитными наночастицами: результаты экспериментального исследования. Вестн. восстанов. мед. 2025;24(4):121–129. doi: 10.38025/2078-1962-2025-24-4-121-129

18. Lertwimol T., Sonthithai P., Hankamolsiri W., Kaewkong P., Uppanan P. Development of chondrocyte-laden alginate hydrogels with modulated microstructure and properties for cartilage regeneration. Biotechnol. Prog. 2023;39(2):e3322. doi: 10.1002/btpr.3322

19. Perut F., Graziani G., Columbaro M., Caudarella R., Baldini N., Granchi D. Citrate supplementation restores the impaired mineralisation resulting from the acidic microenvironment: an in vitro study. Nutrients. 2020;12(12):3779. doi: 10.3390/nu12123779

20. Liu Q., Xue Y., Guo J., Tao L., Zhu Y. Citrate: a key signalling molecule and therapeutic target for bone remodeling disorder. Front. Endocrinol (Lausanne). 2025;15:1512398. doi: 10.3389/fendo.2024.1512398

21. Lin H., Wang X., Chung M., Cai S., Pan Y. Direct fibroblast reprogramming: an emerging strategy for treating organic fibrosis. J. Transl. Med. 2025;23(1):240. doi: 10.1186/s12967-024-06060-3

22. Mishra T., Wairkar S. Pathogenesis, attenuation, and treatment strategies for keloid management. Tissue Cell. 2025;94:102800. doi: 10.1016/j.tice.2025.102800

23. Luttikhuizen D.T., Harmsen M.C., van Luyn M.J. Cellular and molecular dynamics in the foreign body reaction. Tissue Eng. 2006;12(7):1955–1970. doi: 10.1089/ten.2006.12.1955