Forskare från ICN2 Oxide Nanophysics Group under ledning av ICREA Prof. Gustau Catalan har löst en av de stora okända inom benremodelleringen:hur cellerna som är ansvariga för att bilda ny benvävnad kallas till handling. Deras arbete avslöjar den möjliga rollen för ett elektromekaniskt fenomen på nanoskala, flexoelektricitet, inte bara för att stimulera cellresponsen, men genom att precis vägleda det under hela reparationsprocessen.
Forskarna har upptäckt att benet är flexoelektriskt, som utgör flexoelektricitetens möjliga roll vid regenerering av benvävnad i och runt den typ av mikrofrakturer som uppstår i ben dagligen. Deras fynd, publicerad idag i Avancerade material med huvudförfattaren Fabián Vásquez-Sancho, har potentiella konsekvenser för protesindustrin och utvecklingen av biomimetiska självläkande material.
Ben var redan kända för att generera el under tryck, stimulerar självreparation och ombyggnad. Rapporterades första gången i slutet av 1950 -talet, detta tillskrevs ursprungligen piezoelektriciteten hos benets organiska komponent, kollagen. Dock, studier har sedan observerat markörer för benreparation i frånvaro av kollagen, tyder på att andra effekter spelar in. I detta arbete har ICN2 -forskare avslöjat just en sådan effekt:flexoelektriciteten hos benets mineralkomponent.
Flexoelektricitet är en egenskap hos vissa material som får dem att avge en liten spänning vid applicering av ett ojämnt tryck. Detta svar är extremt lokaliserat, blir svagare när du går bort från punkten med maximal stress längs en töjningsgradient. I mikrofrakturer är den lokaliserad till sprickans framkant eller spets, en atomiskt liten plats som, per definition, koncentrerar den maximala belastningen ett material kan motstå före full bristning. Resultatet är ett elektriskt fält av en storlek som på denna lokala nivå, förmörkelse någon bakgrundskollagen piezoelektrisk effekt.
Genom att studera stamgradienter i ben och rent benmineral (hydroxiapatit), forskarna har kunnat beräkna den exakta storleken på detta flexoelektriska fält. Deras resultat visar att det är tillräckligt stort inom de erforderliga 50 mikronen av sprickspetsen för att kunna avkännas av cellerna som är ansvariga för benreparation, vilket direkt skulle implicera flexoelektricitet i denna process.
Vidare, eftersom cellerna som är ansvariga för syntetisering av ny benvävnad (osteoblaster) är kända för att fästa nära spetsen, det verkar som om den elektriska fältfördelningen signalerar denna punkt som centrum för skador, bli en rörlig fyr för reparationsinsatser när sprickan läker.
Dessa resultat lovar för protesindustrin, där nya material som reproducerar eller förstärker denna flexoelektriska effekt kan användas för att styra vävnadsregenerering och möjliggöra en mer framgångsrik assimilering av implantat.
