Vissa material visar lovande att främja benregenerering genom att förbättra dess naturliga elektriska egenskaper, enligt en recension i tidskriften Vetenskap och teknik för avancerade material .

Vissa fasta ämnen, inklusive ben, emalj och kvarts, bildar ett elektriskt fält när de deformeras. Denna fastighet, kallas den piezoelektriska effekten, händer när en mekanisk kraft trycker atomer närmare varandra eller längre isär, rubbar den elektriska balansen och gör att positiva och negativa laddningar dyker upp på motsatta sidor av ett material.

Forskare upptäckte att ben var ett piezoelektriskt material 1957. Sedan dess de har funnit att piezoelektricitet uppstår när benkollagenfibrer glider mot varandra. Detta leder till ackumulering av laddningar och generering av en liten ström, som öppnar upp kalciumjonkanaler i benceller som kallas osteocyter. Detta utlöser en kaskad av signalvägar som i slutändan främjar benbildning.

"Piezoelektricitet är en av flera mekaniska reaktioner i benmatrisen som gör att bencellerna kan reagera på förändringar i sin miljö, " förklarar den biomedicinska ingenjören Zong-Hong Lin från Taiwans nationella Tsing Hua University och läkaren Fu-Cheng Kao från Taiwans Chang Gung Memorial Hospital, som ledde granskningen.

Forskare försöker utnyttja denna egenskap för att förbättra benregenerering och reparation. Till exempel, de utforskar material för att tillverka små, självdrivna elektriska generatorer som kan implanteras inuti eller utanför benet för att stimulera dess naturliga läkningsprocesser.

Vissa team har avsevärt accelererat spridningen och differentieringen av mus embryonala benbildande celler när de använder en så kallad triboelektrisk nanogenerator. En elektrisk ström genereras när två material separeras och sedan bringas i kontakt igen. Dessa nanogeneratorer har testats med material som polydimetylsiloxan, Indiumtennoxid, aluminium, och polytetrafluoreten. De visar potential för att behandla osteoporos och benskörhetrelaterade frakturer.

Piezoelektriska nanogeneratorer, å andra sidan, tillverkas genom att ansluta en elektrod till ett piezoelektriskt material på ett flexibelt substrat, och generera en ström när kraft appliceras. Dessa nanogeneratorer har också visat sig främja spridningen av mänskliga benbildande celler.

Förutom nanogeneratorer, piezoelektriska polymerer, som har god biokompatibilitet med mänskliga vävnader, visar sig lovande som absorberbara skruvar och stift vid svåra benfrakturer, hjälpa till att undvika en andra operation för att avlägsna dem.

Piezoelektrisk keramik ger starkare elektriska strömmar jämfört med polymerer, men kan vara giftig. Icke-blybaserad keramik, som bariumtitanat, hydroxiapatit, och zinkoxid är ledande kandidater för benställningar som främjar bentillväxt och regenerering och för konstgjorda bensubstitut.

Lin och hans kollegor förväntar sig att ytterligare forskning kommer att leda till piezoelektricitetsbaserade tillämpningar för vävnadsteknik och benregenerering.