Elektryczne odkrycie może zrewolucjonizować chirurgię kości
Odkrycie to może skutkować opracowaniem nowej generacji wszczepów i protez reagujących na nacisk ciała i wspomagających regenerację kości po operacji. Technika ta może również ograniczyć konieczność korzystania z usług dawców kości, co ograniczy zarówno koszty medyczne, jak i ryzyko.
Elastyczny materiał
„Nasze kości mają niezwykłe właściwości remodelujące”, wyjaśniają Nathalie Barroca, stypendystka w ramach działania „Maria Skłodowska-Curie”, oraz Gustau Catalan, koordynator projektu FLEXOBONEGRAFT z ramienia Katalońskiego Instytutu Nanonauki i Nanotechnologii (ICN2). „Złamania się goją, zaś siła uderzenia może wzmocnić kości, jednak brak ćwiczeń – lub też doświadczany w przestrzeni kosmicznej brak grawitacji – może spowodować, że kości staną się słabe i porowate”. Co więcej, imponujące zdolności adaptacyjne kości zmniejszają się z wiekiem. Przeszczep kości jest drugim najczęściej wykonywanym zabiegiem transplantacji, zaraz po transfuzji krwi – co roku w samej Europie wykonuje się ponad milion takich zabiegów. Z uwagi na starzejącą się populację w Europie prawdopodobnie odnotowany zostanie wzrost liczby zachorowań na schorzenia powiązane z kośćmi, takie jak osteoporoza. „Ewidentnie potrzebne są nowatorskie metody leczenia chorób mięśniowo-szkieletowych; prężnie rozwijają się też badania nad naprawą kości”, dodaje Catalan.
Przełomy biomedyczne
Grupa Catalana w barcelońskim Instytucie ICN2 już wcześniej odkryła, że minerał kości jest fleksoelektryczny. Fleksoelektryczność (oznaczająca dosłownie „wyginającą się elektryczność”) opisuje zdolność materiału do wytworzenia energii elektrycznej w odpowiedzi na odkształcenia, co jest ważne, jako że nasze kości są stale poddawane naciskom mechanicznym. Po sukcesie tego początkowego badania finansowanego przez ERBN zespół, w którego składzie znalazł się biolog Raquel Nuñez, dwoje fizyków (Gustau Catalan i Fabian Vasquez) oraz specjalistka ds. materiałów, Nathalie Barroca, zbadał niektóre z wpływów fizjologicznych fleksoelektryczności na remodelowanie kości, realizując projekt FLEXOBONEGRAFT. Badacze odkryli, że fleksoelektryczność powoduje najpierw obumieranie osteocytów przylegających do złamań kości, tym samym rozpoczynając proces naprawy kości. Następnie stymuluje ona komórki tworzące kości (osteoblasty) do wydzielania minerału kostnego i wytwarzania wyższych poziomów osteokalcyny (białka wiążącego wapń). „Zaobserwowaliśmy, że dzięki temu fleksoelektryczność otwiera nowe perspektywy w zakresie leczenia regeneracyjnego kości”, opowiada Barroca, stypendystka działania „Maria Skłodowska-Curie”. „Kolejnym krokiem był wybór biozgodnych i biodegradowalnych polimerów zatwierdzonych do zastosowań medycznych, które będzie można wykorzystać jako materiały imitujące kość, a następnie opisanie ich właściwości fleksoelektrycznych”. Aby dodatkowo imitować właściwości chemiczne kości, Barroca połączyła polimery z nanocząsteczkami hydroksyapatytu, głównego minerału z kości. Ustalono kilka składów mających taki sam współczynnik fleksoelektryczny co kość, dzięki czemu nadają się do stymulacji komórek. Odkrycie to (które zostanie wkrótce opublikowane) będzie przydatne dla inżynierów biomedycznych chcących uwzględnić fleksoelektryczność jako parametr projektowy. „Odkryte materiały wykorzystano także do utworzenia projektów strukturalnych poddawanych miejscowym mikroodgięciom (w celu wytworzenia fleksoelektryczności) w odpowiedzi na naciski mechaniczne podobne do tych zachodzących w organizmie”, zauważa Barroca. „Udało się to osiągnąć dzięki rusztowaniom wydrukowanym drukarką 3D z nakładającymi się mikrobelkami i pustymi otworami o różnych kształtach. Naszym celem jest również zbadanie wpływu takich kompozytów mikroteksturowych na faktyczne komórki kostne”. Wyniki projektu wpisują się w rosnące zainteresowanie wykorzystaniem biomateriałów w celach medycznych. Już teraz protezy kostne zawierają polimery, z których można także tworzyć rusztowania „kierujące” działaniem regeneracyjnym komórek kostnych. Następnie rusztowania takie podlegają rozpadowi na biozgodne produkty uboczne, które organizm może przetworzyć.
Słowa kluczowe
FLEXOBONEGRAFT, kość, biomateriały, kompozyty, polimery, fleksoelektryczność, osteoporoza, wapń
