Brug af knoglers naturlig elektricitet til at fremme regenerering

Nogle materialer viser løfte om at fremme knogleregenerering ved at forbedre dets naturlige elektriske egenskaber, ifølge en anmeldelse i tidsskriftet Videnskab og teknologi af avancerede materialer .

Nogle faste stoffer, inklusive knogler, emalje og kvarts, danner et elektrisk felt, når det deformeres. Denne ejendom, kaldet den piezoelektriske effekt, sker, når en mekanisk kraft skubber atomer tættere sammen eller længere fra hinanden, forstyrre den elektriske balance og få positive og negative ladninger til at opstå på hver sin side af et materiale.

Forskere opdagede, at knogler var et piezoelektrisk materiale i 1957. Siden da, de har fundet ud af, at piezoelektricitet opstår, når knoglekollagenfibre glider mod hinanden. Dette fører til akkumulering af ladninger og generering af en lille strøm, som åbner op for calciumionkanaler i knogleceller kaldet osteocytter. Dette udløser en kaskade af signalveje, der i sidste ende fremmer knogledannelsen.

"Piezoelektricitet er en af ​​flere mekaniske reaktioner af knoglematrixen, der tillader knogleceller at reagere på ændringer i deres miljø, " forklarer biomedicinsk ingeniør Zong-Hong Lin fra Taiwans National Tsing Hua University og læge Fu-Cheng Kao fra Taiwans Chang Gung Memorial Hospital, der ledede gennemgangen.

Forskere søger at udnytte denne egenskab til at forbedre knogleregenerering og reparation. For eksempel, de udforsker materialer til at fremstille små, selvdrevne elektriske generatorer, der kan implanteres inden i eller uden for knogle for at stimulere dens naturlige helingsprocesser.

Nogle hold har signifikant accelereret spredningen og differentieringen af ​​museembryonale knogledannende celler, når de bruger en såkaldt triboelektrisk nanogenerator. En elektrisk strøm genereres, når to materialer adskilles og derefter bringes i kontakt igen. Disse nanogeneratorer er blevet testet med materialer som polydimethylsiloxan, indiumtinoxid, aluminium, og polytetrafluorethylen. De viser potentiale til at behandle osteoporose og osteoporose-relaterede frakturer.

Piezoelektriske nanogeneratorer, på den anden side, fremstilles ved at forbinde en elektrode til et piezoelektrisk materiale på et fleksibelt underlag, og generere en strøm, når der påføres kraft. Disse nanogeneratorer har også vist sig at fremme spredningen af ​​menneskelige knogledannende celler.

Udover nanogeneratorer, piezoelektriske polymerer, som har god biokompatibilitet med humant væv, viser lovende som absorberbare skruer og stifter ved alvorlige knoglebrud, hjælper med at undgå en anden operation for deres fjernelse.

Piezoelektrisk keramik giver stærkere elektriske strømme sammenlignet med polymerer, men kan være giftig. Ikke-blybaseret keramik, som bariumtitanat, hydroxyapatit, og zinkoxid er førende kandidater til knoglestilladser, der fremmer knoglevækst og -regenerering, og til kunstige knogleerstatninger.

Lin og hans kolleger forventer, at yderligere forskning vil føre til piezoelektricitetsbaserede applikationer til vævsteknologi og knogleregenerering.