Использование естественной электрической активности кости для регенерации

Некоторые материалы демонстрируют потенциал в стимулировании регенерации костной ткани за счёт усиления её естественных электрических свойств, согласно обзору в журнале Science and Technology of Advanced Materials.

Некоторые твёрдые тела, включая кость, эмаль и кварц, формируют электрическое поле при деформации. Это свойство, называемое пьезоэлектрическим эффектом, возникает, когда механическая сила сближает или раздвигает атомы, нарушая электрический баланс и вызывая появление положительных и отрицательных зарядов на противоположных сторонах материала.

Учёные обнаружили, что кость является пьезоэлектрическим материалом в 1957 году. С тех пор было установлено, что пьезоэлектричество возникает, когда волокна костного коллагена скользят друг относительно друга. Это приводит к накоплению зарядов и генерации слабого тока, который открывает кальциевые ионные каналы в костных клетках — остеоцитах. Это запускает каскад сигнальных путей, которые в конечном итоге способствуют формированию кости.

"Пьезоэлектричество — это один из нескольких механических ответов костного матрикса, который позволяет костным клеткам реагировать на изменения в их окружении", — поясняют биомедицинский инженер Цзун-Хун Линь из Национального университета Цин Хуа (Тайвань) и врач Фу-Ченг Као из Мемориальной больницы Чан Гун (Тайвань), возглавлявшие обзор.

Исследователи стремятся использовать это свойство для улучшения регенерации и восстановления кости. Например, они изучают материалы для создания крошечных самогенерирующих электрических генераторов, которые можно имплантировать внутрь или снаружи кости для стимуляции её естественных процессов заживления.

Некоторые команды значительно ускорили пролиферацию и дифференцировку эмбриональных костеобразующих клеток мыши с помощью так называемого трибоэлектрического наногенератора. Электрический ток генерируется, когда два материала разделяются, а затем снова входят в контакт. Эти наногенераторы тестировались с такими материалами, как полидиметилсилоксан, оксид индия-олова, алюминий и политетрафторэтилен. Они демонстрируют потенциал для лечения остеопороза и связанных с ним переломов.

Пьезоэлектрические наногенераторы, с другой стороны, создаются путём соединения электрода с пьезоэлектрическим материалом на гибкой подложке и генерируют ток при приложении силы. Эти наногенераторы также показали способность стимулировать пролиферацию человеческих костеобразующих клеток.

Помимо наногенераторов, пьезоэлектрические полимеры, обладающие хорошей биосовместимостью с тканями человека, демонстрируют потенциал в качестве рассасывающихся винтов и штифтов при тяжёлых переломах костей, помогая избежать повторной операции по их удалению.

Пьезоэлектрическая керамика обеспечивает более сильные электрические токи по сравнению с полимерами, но может быть токсичной. Безсвинцовая керамика, такая как титанат бария, гидроксиапатит и оксид цинка, являются ведущими кандидатами для костных каркасов, способствующих росту и регенерации кости, и для искусственных костных заменителей.

Линь и его коллеги ожидают, что дальнейшие исследования приведут к созданию приложений на основе пьезоэлектричества для тканевой инженерии и регенерации кости.