Et nanofænomen, der udløser knoglereparationsprocessen

Forskere fra ICN2 Oxide Nanophysics Group under ledelse af ICREA Prof. Gustau Catalan har løst en af ​​de store ubekendte i knoglemodellering:hvordan cellerne, der er ansvarlige for dannelse af nyt knoglevæv, kaldes til handling. Deres arbejde afslører en elektromekanisk fænomenes mulige rolle på nanoskalaen, flexoelektricitet, ikke kun for at stimulere cellens respons, men ved præcist at guide det gennem brudreparationsprocessen.

Forskerne har opdaget, at knogle er flexoelektrisk, udgør den mulige rolle flexoelektricitet i regenerering af knoglevæv i og omkring den slags mikrofrakturer, der opstår i knogler på daglig basis. Deres fund, udgivet i dag i Avancerede materialer med hovedforfatter Fabián Vásquez-Sancho, have potentielle konsekvenser for protetikindustrien og udviklingen af ​​biomimetiske selvhelbredende materialer.

Knogler var allerede kendt for at generere elektricitet under tryk, stimulerende selvreparation og ombygning. Først rapporteret i slutningen af ​​1950'erne, dette blev oprindeligt tilskrevet piezoelektriciteten af ​​knogles organiske komponent, kollagen. Imidlertid, undersøgelser har siden observeret markører for knoglereparation i fravær af kollagen, tyder på, at andre effekter er i spil. I dette arbejde har ICN2 -forskere afsløret netop en sådan effekt:flexoelektriciteten af ​​knogles mineralkomponent.

Fleksoelektricitet er en egenskab ved nogle materialer, der får dem til at udsende en lille spænding ved påføring af et ikke-ensartet tryk. Dette svar er ekstremt lokaliseret, bliver svagere, når du bevæger dig væk fra punktet med maksimal stress langs en belastningsgradient. I mikrobrud er det lokaliseret til forkant eller spids af revnen, et atomisk lille sted, der, Per definition, koncentrerer den maksimale belastning et materiale er i stand til at modstå før fuldt brud. Resultatet er et elektrisk felt af en størrelse, der, på dette lokale niveau, formørker enhver baggrunds kollagen piezoelektrisk effekt.

Ved at studere belastningsgradienter i knogler og rent knoglemineral (hydroxyapatit), forskerne har været i stand til at beregne den præcise størrelse af dette flexoelektriske felt. Deres fund viser, at det er tilstrækkeligt stort inden for de krævede 50 mikrometer af revnespidsen til at blive registreret af cellerne, der er ansvarlige for knoglereparation, hvilket direkte ville implicere flexoelektricitet i denne proces.

Desuden, da de celler, der er ansvarlige for syntetisering af nyt knoglevæv (osteoblaster), vides at vedhæfte tæt på spidsen, det ser ud til, at den elektriske feltfordeling signalerer dette punkt som centrum for skader, blive et bevægende fyrtårn til reparationsindsats, da revnen er helet.

Disse resultater lover godt for protesebranchen, hvor nye materialer, der reproducerer eller forstærker denne flexoelektriske effekt, kan bruges til at styre vævsregenerering og muliggøre en mere vellykket assimilering af implantater.