Onderzoekers van de ICN2 Oxide Nanophysics Group onder leiding van ICREA Prof. Gustau Catalan hebben een van de grote onbekenden bij botremodellering opgelost:hoe de cellen die verantwoordelijk zijn voor het vormen van nieuw botweefsel, in actie worden gebracht. Hun werk onthult de mogelijke rol van een elektromechanisch fenomeen op nanoschaal, flexo-elektriciteit, niet alleen in het stimuleren van de celrespons, maar door het precies te begeleiden tijdens het hele breukherstelproces.

De onderzoekers hebben ontdekt dat bot flexo-elektrisch is, het poneren van de mogelijke rol van flexo-elektriciteit bij de regeneratie van botweefsel in en rond het soort microfracturen dat dagelijks in botten optreedt. Hun bevindingen, vandaag gepubliceerd in Geavanceerde materialen met hoofdauteur Fabián Vásquez-Sancho, hebben potentiële implicaties voor de prothese-industrie en de ontwikkeling van biomimetische zelfherstellende materialen.

Van botten was al bekend dat ze onder druk elektriciteit opwekken, het stimuleren van zelfreparatie en hermodellering. Voor het eerst gerapporteerd in de late jaren 1950, dit werd aanvankelijk toegeschreven aan de piëzo-elektriciteit van de organische component van het bot, collageen. Echter, studies hebben sindsdien markers van botherstel waargenomen in afwezigheid van collageen, suggereert dat er andere effecten in het spel zijn. In dit werk hebben ICN2-onderzoekers precies zo'n effect onthuld:de flexo-elektriciteit van de minerale component van bot.

Flexo-elektriciteit is een eigenschap van sommige materialen die ervoor zorgt dat ze een kleine spanning afgeven bij toepassing van een niet-uniforme druk. Deze reactie is zeer plaatselijk, zwakker worden naarmate u zich van het punt van maximale spanning langs een spanningsgradiënt verwijdert. Bij microfracturen is het gelokaliseerd aan de voorrand of punt van de scheur, een atomair kleine site die, per definitie, concentreert de maximale belasting die een materiaal kan weerstaan ​​voordat het volledig scheurt. Het resultaat is een elektrisch veld van een grootte die, op dit lokale niveau, verduistert elk piëzo-elektrisch effect van collageen op de achtergrond.

Door spanningsgradiënten in botten en puur botmineraal (hydroxyapatiet) te bestuderen, de onderzoekers hebben de precieze grootte van dit flexo-elektrisch veld kunnen berekenen. Hun bevindingen tonen aan dat het voldoende groot is binnen de vereiste 50 micron van de scheurtip om te worden waargenomen door de cellen die verantwoordelijk zijn voor botherstel, die direct flexo-elektriciteit in dit proces zou betrekken.

Verder, aangezien bekend is dat de cellen die verantwoordelijk zijn voor de synthese van nieuw botweefsel (osteoblasten) zich dicht bij de punt hechten, het lijkt erop dat de elektrische veldverdeling dit punt aangeeft als het centrum van schade, een bewegend baken worden voor reparatie-inspanningen als de scheur is genezen.

Deze resultaten zijn veelbelovend voor de prothese-industrie, waar nieuwe materialen die dit flexo-elektrische effect reproduceren of versterken kunnen worden gebruikt om weefselregeneratie te begeleiden en een meer succesvolle assimilatie van implantaten mogelijk te maken.