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Un nanofenómeno que desencadena el proceso de AUTO reparación ósea

Última Actualización en: abril 16, 2018

Investigadores del Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), un centro de investigación de Severo Ochoa ubicado en el Campus de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) y miembro del Institut Barcelona de Ciència i Tecnologia (BIST), han descubierto que el hueso también es flexoeléctrico. Plantean el posible papel de la flexoelectricidad en la regeneración del tejido óseo dentro y alrededor del tipo de microfracturas que se producen diariamente en los huesos.

El Grupo de Nanofísica de Óxidos ICN2, liderado por el Prof. Gustau Catalán, informa hoy sobre estos hallazgos en Advanced Materials (“Flexoelectricity in Bones”), con el autor principal Fabián Vásquez-Sancho. El trabajo tiene implicaciones potenciales para la industria protésica y el desarrollo de materiales biomiméticos autorregenerables.

Los huesos ya eran conocidos por generar electricidad bajo presión, estimulando la auto-reparación y la remodelación. Reportado por primera vez a finales de los años cincuenta, esto se atribuyó inicialmente a la piezoelectricidad del componente orgánico del hueso, el colágeno. Sin embargo, desde entonces, los estudios han observado marcadores de reparación ósea en ausencia de colágeno, lo que sugiere que otros efectos están en juego. En este trabajo los investigadores del ICN2 han revelado precisamente un efecto de este tipo: la flexoelectricidad del componente mineral del hueso.

Los gradientes de deformación pueden ser grandes alrededor de pequeños defectos como microfisuras en el mineral óseo, por lo que también se espera que la electricidad inducida por gradientes (flexoelectricidad) sea grande alrededor de dichos defectos.

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La flexoelectricidad es una propiedad de algunos materiales que hace que emitan un pequeño voltaje al aplicar una presión no uniforme. Esta respuesta es extremadamente localizada, debilitándose a medida que se aleja del punto de máxima tensión. En microfracturas se localiza en el borde de ataque o en la punta de la grieta, un lugar atómicamente pequeño que, por definición, concentra la máxima deformación que un material es capaz de soportar antes de la rotura total. El resultado es un campo flexoeléctrico de tal magnitud que, en las inmediaciones de la grieta, eclipsa cualquier efecto piezoeléctrico de colágeno de fondo.

Los huesos generan electricidad bajo presión, y se cree que este comportamiento electromecánico es esencial para las propiedades de auto-reparación y remodelación del hueso.

El origen de esta respuesta se atribuye a la piezoelectricidad del colágeno, que es la principal proteína estructural de los huesos. Sin embargo, en teoría, cualquier material también puede generar tensiones en respuesta a los gradientes de deformación, gracias a la propiedad conocida como flexoelectricidad.

En este trabajo, la flexoelectricidad del hueso y el mineral óseo puro (hidroxiapatita) se miden y se encuentran en el mismo orden de magnitud; la similitud cuantitativa sugiere que la flexoelectricidad de hidroxiapatita es la principal fuente de polarización inducida por flexión en el hueso cortical. Además, los coeficientes flexoeléctricos medidos se utilizan para calcular los campos (flexo)eléctricos generados por las grietas en el mineral óseo.

Los resultados indican que la flexoelectricidad generada por grietas es teóricamente lo suficientemente grande como para inducir la apoptosis de los osteocitos y por lo tanto iniciar el proceso de cicatrización de las grietas, lo que sugiere un papel central de la flexoelectricidad en la reparación y remodelación ósea.

Al estudiar los gradientes de tensión en los huesos y el mineral óseo puro (hidroxiapatita), los investigadores han podido calcular la magnitud exacta de este campo eléctrico. Sus hallazgos indican que es lo suficientemente grande dentro de las 50 micras requeridas de la punta de la grieta para ser detectado por las células responsables de la reparación ósea, implicando directamente a la flexoelectricidad en este proceso.

Además, como se sabe que las células responsables de la síntesis de nuevo tejido óseo (osteoblastos) se adhieren cerca de la punta, parece que la distribución del campo eléctrico señala este punto como el centro del daño, convirtiéndose en un faro móvil para los esfuerzos de reparación a medida que se cura la grieta.

Estos resultados son prometedores para la industria protésica, donde nuevos materiales que reproducen o amplifican este efecto flexoeléctrico podrían ser utilizados para guiar la regeneración tisular, conduciendo a una asimilación más exitosa de los implantes.

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Fuentes & Referencias
https://dx.doi.org/doi:10.1002/adma.201705316https://onlinelibrary.wiley.com/action/downloadSupplement?doi=10.1002%2Fadma.201705316&attachmentId=2192739832

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