Наноявление, запускающее процесс восстановления костей

Исследователи из группы нанофизики оксидов ICN2 под руководством профессора ICREA Густау Каталана раскрыли одну из главных загадок ремоделирования костей: как привлекаются к работе клетки, ответственные за формирование новой костной ткани. Их работа показывает возможную роль электромеханического явления на наноуровне — флексоэлектричества — не только в стимулировании клеточного ответа, но и в точном его направлении на протяжении всего процесса заживления перелома.

Исследователи обнаружили, что кость обладает флексоэлектрическими свойствами, и предположили возможную роль флексоэлектричества в регенерации костной ткани вокруг микротрещин, возникающих в костях ежедневно. Результаты, опубликованные в Advanced Materials с ведущим автором Фабианом Васкес-Санчо, имеют потенциальное значение для индустрии протезирования и разработки биомиметических самовосстанавливающихся материалов.

Было известно, что кости генерируют электричество под давлением, стимулируя самовосстановление и ремоделирование. Впервые это явление, описанное в конце 1950-х годов, приписывали пьезоэлектричеству органического компонента кости — коллагена. Однако последующие исследования наблюдали маркеры восстановления кости и в отсутствие коллагена, что указывало на другие эффекты. В данной работе исследователи ICN2 выявили именно такой эффект: флексоэлектричество минерального компонента кости.

Флексоэлектричество — это свойство некоторых материалов, вызывающее генерацию небольшого напряжения при приложении неоднородного давления. Этот отклик крайне локализован и ослабевает по мере удаления от точки максимального напряжения вдоль градиента деформации. В микротрещинах он локализован на переднем крае или вершине трещины — атомарно малом участке, который по определению концентрирует максимальную деформацию, которую материал может выдержать до полного разрыва. Результатом является электрическое поле, величина которого на этом локальном уровне превосходит любой фоновый пьезоэлектрический эффект коллагена.

Изучая градиенты деформации в костях и чистом минерале кости (гидроксиапатите), исследователи смогли рассчитать точную величину этого флексоэлектрического поля. Их результаты показывают, что оно достаточно велико в пределах необходимых 50 микрон от вершины трещины, чтобы быть обнаруженным клетками, ответственными за восстановление кости, что прямо указывает на вовлечённость флексоэлектричества в этот процесс.

Более того, поскольку известно, что клетки, ответственные за синтез новой костной ткани (остеобласты), прикрепляются вблизи вершины трещины, похоже, что распределение электрического поля маркирует эту точку как центр повреждения, становясь движущимся маяком для восстановительных работ по мере заживления трещины.

Эти результаты перспективны для индустрии протезирования, где новые материалы, воспроизводящие или усиливающие этот флексоэлектрический эффект, могут быть использованы для направления регенерации ткани и обеспечения более успешной интеграции имплантатов.