Вчені підтвердили роль гідроксиапатиту в електромеханічному загоєнні кісток

Головним джерелом флексоелектричного ефекту в кістках, який призводить до виникнення невеликого електричного струму при виникненні локальних вигинів і сприяє заліковуванню пошкоджених ділянок, виявився гідроксиапатит - основний мінеральний компонент кістки. Отримані кількісні оцінки для цього явища допоможуть у майбутньому для вдосконалення технологій протезування та розробки нових матеріалів, здатних до самовстановлення, пишуть науковці у статті в.

У деяких діелектричних матеріалах при наявності градієнта деформації (і, відповідно, механічного напруження) може відбуватися поділ електричних зарядів, що призводить до поляризації. Таке явище називається флексоелектричним ефектом і призводить до того, що при вигині матеріалу в ньому починає текти електричний струм. Ще з середини XX століття відомо, що флексоелектричний ефект, наприклад, спостерігається в кістках, і під тиском в них з'являється невеликий електричний струм, який бере участь в одному з механізмів відновлення кісткової тканини при невеликих ушкодженнях.

Спочатку вважалося, що єдине джерело струму в кістках - це п'єзоелектричний ефект, що виникає в колагені, проте виявилося, що він може виникати в кістковій тканині і за відсутності колагену. Висловлювалося припущення, що за нього відповідає неорганічні речовини, що входять до складу кістки, зокрема гідроксиапатит - основний мінеральний компонент кісток і зубів, проте до сьогоднішнього дня ніяких кількісних підтверджень його ролі у виникненні електричного струму при деформації кістки не було.

Щоб точно визначити джерело флексоелектричного ефекту в кістках і оцінити його можливий вплив на заліковування пошкоджень, вчені під керівництвом Фабіана Васкеса-Санчо (Fabian Vasquez-Sancho) з Барселонського інституту науки і технологій виміряли флексоелектричний ефект в кістках і в чистому гідроксиапатиті. Для цього вони брали зразки компактної речовини кісток і синтезовані зразки гідроксиапатиту, і вимірювали поляризацію, яка в них виникає при триточковому вигині.

За допомогою проведеного експерименту вдалося кількісно оцінити ефект для обох типів зразків. Виявилося, що значення флексоелектричного коефіцієнта дуже близькі один до одного за порядком величини (для кісток він склав від 0,2 до 2,3 нанокулона на метр, а для чистого гідроксиапатиту - від 0,7 до 1,6 нанокулона на метр), тобто, найімовірніше, саме гідроксиапатит служить основним джерелом електричного поля в кістці за рахунок флексоелектрики.

При цьому автори роботи відзначають, що при макроскопічних деформаціях кістки основну роль відіграє п'єзоелектричний ефект в колагені, тоді як флексоелектричний ефект гідроксиапатиту стає домінуючим при невеликих деформаціях, що виникають при мікроушкодженнях. Це пов'язано з тим, що максимальні градієнти деформацій виникають саме на кінчиках мікротріщин.

Після цього вчені розрахували поле механічних напружень, які виникають у кістці при виникненні мікротріщин. Виходячи з поля напружень і отриманих даних про значення флексоелектричного коефіцієнта, автори роботи змоделювали виникає в кістковій тканині електричне поле і показали, що такий електромеханічний ефект може призводити до заліковування. За оцінками вчених, величина електричного поля в області кінчика мікротріщини становить близько одного кіловольта на метр. Цього достатньо для запуску механізму апоптозу остеоцитів - першої стадії механізму відновлення кісткової тканини після пошкодження. Крім того, таке поле може прискорити транспорт в область пошкодження іонів, необхідних для остеогенезу.

Вчені відзначають, що оскільки цей ефект відповідає за відновлення кісток при пошкодженнях, то отримані кількісні дані можна використовувати для розробки матеріалів і технологій для протезування, а також для створення інших матеріалів, які здатні до самовстановлення за аналогічними механізмами.

Зараз для прискорення процесів зростання кісток в медицині зазвичай використовуються суто хімічні підходи. Зокрема для відновлення кісткових тканин після важких переломів або операцій, застосовуються фактори росту в поєднанні зі спеціальними полімерними речовинами або використовуються губчасті речовини, які розширюються до певного розміру при контакті з водою.