Sommige materialen zijn veelbelovend voor het bevorderen van botregeneratie door de natuurlijke elektrische eigenschappen te verbeteren, volgens een recensie in het tijdschrift Wetenschap en technologie van geavanceerde materialen .

Sommige vaste stoffen, inclusief bot, email en kwarts, vormen een elektrisch veld wanneer ze worden vervormd. Dit pand, het piëzo-elektrische effect genoemd, gebeurt wanneer een mechanische kracht atomen dichter bij elkaar of verder uit elkaar duwt, de elektrische balans verstoren en positieve en negatieve ladingen veroorzaken aan weerszijden van een materiaal.

Wetenschappers ontdekten in 1957 dat bot een piëzo-elektrisch materiaal was. ze hebben ontdekt dat piëzo-elektriciteit optreedt wanneer botcollageenvezels tegen elkaar schuiven. Dit leidt tot de accumulatie van ladingen en het genereren van een kleine stroom, die calciumionkanalen opent in botcellen die osteocyten worden genoemd. Dit veroorzaakt een cascade van signaalroutes die uiteindelijk de botvorming bevorderen.

"Piëzo-elektriciteit is een van de vele mechanische reacties van de botmatrix waarmee botcellen kunnen reageren op veranderingen in hun omgeving, " uitleggen biomedisch ingenieur Zong-Hong Lin van de Taiwanese National Tsing Hua University en arts Fu-Cheng Kao van het Chang Gung Memorial Hospital in Taiwan, die de recensie leidde.

Onderzoekers proberen deze eigenschap te gebruiken om botregeneratie en -herstel te verbeteren. Bijvoorbeeld, ze onderzoeken materialen om kleine, zelfaangedreven elektrische generatoren die binnen of buiten het bot kunnen worden geïmplanteerd om het natuurlijke genezingsproces te stimuleren.

Sommige teams hebben de proliferatie en differentiatie van embryonale botvormende cellen van muizen aanzienlijk versneld door gebruik te maken van een zogenaamde tribo-elektrische nanogenerator. Een elektrische stroom wordt opgewekt wanneer twee materialen worden gescheiden en vervolgens weer met elkaar in contact worden gebracht. Deze nanogeneratoren zijn getest met materialen zoals polydimethylsiloxaan, indiumtinoxide, aluminium, en polytetrafluorethyleen. Ze tonen potentieel voor de behandeling van osteoporose en osteoporose-gerelateerde fracturen.

Piëzo-elektrische nanogeneratoren, anderzijds, worden gemaakt door een elektrode aan te sluiten op een piëzo-elektrisch materiaal op een flexibel substraat, en genereren een stroom wanneer kracht wordt uitgeoefend. Van deze nanogeneratoren is ook aangetoond dat ze de proliferatie van menselijke botvormende cellen bevorderen.

Naast nanogeneratoren, piëzo-elektrische polymeren, die een goede biocompatibiliteit hebben met menselijke weefsels, zijn veelbelovend als absorbeerbare schroeven en pinnen bij ernstige botbreuken, helpen voorkomen dat een tweede operatie voor hun verwijdering.

Piëzo-elektrische keramiek zorgt voor sterkere elektrische stromen in vergelijking met polymeren, maar kan giftig zijn. Keramiek zonder lood, zoals bariumtitanaat, hydroxyapatiet, en zinkoxide zijn belangrijke kandidaten voor botstructuren die botgroei en -regeneratie bevorderen en voor kunstmatige botvervangers.

Lin en zijn collega's verwachten dat verder onderzoek zal leiden tot op piëzo-elektriciteit gebaseerde toepassingen voor weefselmanipulatie en botregeneratie.