La flexoelectricitat activa el procés de reparació dels ossos
Investigadors de l’ICN2 han identificat un fenomen electromecànic que es dona a la nanoescala, la flexoelectricitat, com a possible mecanisme que estimula i guia la resposta cel·lular durant el procés de reparació d’una fractura òssia.
19/01/2018
Investigadors de l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), centre Severo Ochoa ubicat al campus de la UAB i membre del Barcelona Institute of Science and Technology (BIST), han descobert que els ossos també són flexoelèctrics. Segons proposen, la flexoelectricitat tindria un paper important en la regeneració del teixit ossi per fer front a les microfractures que amb gran freqüència pateixen els ossos. El Grup ICN2 de Nanofísica d’Òxids, encapçalat pel Prof. ICREA Gustau Catalan, publica aquests resultats avui a Advanced Materials, amb Fabián Vásquez-Sancho com a primer autor. El treball té implicacions potencials en el camp de les pròtesis i en el desenvolupament de materials auto-reparables biomimètics.
El fet que els ossos generen electricitat sota pressió, estimulant així l’auto-reparació i el remodelat, era ja sabut. Després de descriure’s per primera vegada als anys cinquanta, es va atribuir inicialment a la piezoelectricitat d’un dels components orgànics dels ossos, el col·lagen. No obstant això, estudis posteriors han observat marcadors de reparació òssia en absència de col·lagen, suggerint que podria ser deguda a altres efectes. En aquest treball els investigadors de l’ICN2 n’han revelat al veritable responsable: la flexoelectricitat del component mineral dels ossos.
La flexoelectricitat és una propietat present en alguns materials mitjançant la qual emeten un petit voltatge quan se’ls aplica una pressió no homogènia. La resposta és extremadament localitzada, fent-se més dèbil a mida que ens allunyem del punt de màxim estrès. En microfractures es concentra a la punta de l’esquerda, un punt anatòmic petit que, per definició, concentra la màxima tensió que pot suportar un material abans de trencar-se. El resultat és un camp flexoelèctric de tal magnitud que, a la zona propera a la fractura, eclipsa qualsevol possible efecte piezoelèctric procedent del col·lagen.
Emprant l’estudi de gradients de tensió, tant en ossos com en mineral ossi pur (hidroxiapatita), els investigadors han estat capaços de mesurar amb precisió la magnitud del camp elèctric format. Els seus resultats indiquen que es tracta d’un efecte prou gran com per a què, a 50 micres de la punta de l’esquerda, pugui ser detectat per les cèl·lules responsables de la reparació òssia. La flexoelectricitat queda així implicada de manera directa en el procés.
És sabut que les cèl·lules responsables de sintetitzar nou teixit ossi (osteoblasts) s’adhereixen a prop de la punta de la fractura. Per tant, sembla que la distribució del camp elèctric assenyalaria aquest punt com l’epicentre de la fractura a reparar, convertint-se en una balisa mòbil que localitza la ubicació de l’extrem de l’esquerda a mida que aquesta es va curant.
Aquest descobriment resulta prometedor per a la industria de les pròtesis. Mitjançant materials que reprodueixin o amplifiquin l’efecte flexoelèctric seria possible guiar la reparació tissular de manera que es millorés la integració d’una pròtesi.
El present estudi ha estat finançat a través d’un projecte European Research Council (ERC), y s’ha encapçalat des de l’ICN2 amb la col·laboració del Centro de Investigación en Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Costa Rica (CICIMA, Costa Rica), el Laboratori de Càlcul Numèric de la Universitat Politècnica de Catalunya (LaCàN, Espanya), i l’École Politechnique Federale de Lausanne (EPFL, Suiza).