La flexoelectricidad activa el proceso de reparación de los huesos
El investigador Amir Abdollahi, del Laboratorio de Cálculo Numérico (LaCàn) de la UPC, ha participado en un estudio en el que se ha identificado la flexoelectricidad como posible responsable en la regeneración del tejido óseo, ante las microfracturas que sufren los huesos.
30/01/2018
Investigadores del Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), centro Severo Ochoa ubicado en el Campus de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) y miembro del Barcelona Institute of Science and Technology (BIST), han descubierto que los huesos también son flexoeléctricos. Según proponen, la flexoelectricidad tendría un papel importante en la regeneración del tejido óseo tras las microfracturas que con gran frecuencia sufren los huesos. El Grupo ICN2 de Nanofísica de Óxidos, liderado por el Prof. ICREA Gustau Catalan, publica estos resultados en la revista de referencia Advanced Materials, con Fabián Vásquez-Sancho como primer autor. El trabajo, que también firma el investigador Amir Abdollahi, del LaCàn de la UPC, junto con otros científicos, tiene implicaciones potenciales en el campo de las prótesis y en el desarrollo de materiales auto-reparables biomiméticos.
El hecho de que los huesos generan electricidad bajo presión, estimulando así la auto-reparación y el remodelado, era ya sabido. Tras describirse por primera vez en los años cincuenta, se atribuyó inicialmente a la piezoelectricidad de uno de los componentes orgánicos de los huesos, el colágeno. Sin embargo, estudios posteriores han observado marcadores de reparación ósea en ausencia de colágeno, sugiriendo que podría ser debida a otros efectos. En este trabajo los investigadores del ICN2 han revelado al verdadero responsable: la flexoelectricidad del componente mineral de los huesos.
La flexoelectricidad es una propiedad presente en algunos materiales mediante la cual emiten un pequeño voltaje cuando se les aplica una presión no homogénea. La respuesta es extremadamente localizada, haciéndose más débil a medida que nos alejamos del punto de máximo estrés. En microfracturas se concentra en la punta de la grieta, un punto anatómico pequeño que, por definición, concentra la máxima tensión que puede sostener un material antes de romperse. El resultado es un campo flexoeléctrico de tal magnitud que, en la zona próxima a la fractura, eclipsa cualquier posible efecto piezoeléctrico procedente del colágeno.
Mediante el estudio de gradientes de tensión, tanto en huesos como en mineral óseo puro (hidroxiapatita), los investigadores han sido capaces de medir con precisión la magnitud del campo eléctrico formado. En el cálculo de estas medidas ha participado el investigador Amir Abdollahi, del LaCàn de la UPC. Sus resultados indican que se trata de un efecto suficientemente grande como para que, a 50 micras de la punta de la grieta, pueda ser detectado por las células responsables de la reparación ósea. La flexoelectricidad queda así implicada de forma directa en el proceso.
Este descubrimiento resulta prometedor para la industria de las prótesis. Mediante materiales que reproduzcan o amplifiquen el efecto flexoeléctrico sería posible guiar la reparación tisular de manera que se mejorara la integración de una prótesis.
En el presente estudio, financiado a través de un proyecto European Research Council (ERC), han colaborado, además del Laboratorio de Cálculo Numérico de la UPC, el Centro de Investigación en Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Costa Rica (CICIMA, Costa Rica) y la École Politechnique Federale de Lausanne (EPFL, Suiza).
El hecho de que los huesos generan electricidad bajo presión, estimulando así la auto-reparación y el remodelado, era ya sabido. Tras describirse por primera vez en los años cincuenta, se atribuyó inicialmente a la piezoelectricidad de uno de los componentes orgánicos de los huesos, el colágeno. Sin embargo, estudios posteriores han observado marcadores de reparación ósea en ausencia de colágeno, sugiriendo que podría ser debida a otros efectos. En este trabajo los investigadores del ICN2 han revelado al verdadero responsable: la flexoelectricidad del componente mineral de los huesos.
La flexoelectricidad es una propiedad presente en algunos materiales mediante la cual emiten un pequeño voltaje cuando se les aplica una presión no homogénea. La respuesta es extremadamente localizada, haciéndose más débil a medida que nos alejamos del punto de máximo estrés. En microfracturas se concentra en la punta de la grieta, un punto anatómico pequeño que, por definición, concentra la máxima tensión que puede sostener un material antes de romperse. El resultado es un campo flexoeléctrico de tal magnitud que, en la zona próxima a la fractura, eclipsa cualquier posible efecto piezoeléctrico procedente del colágeno.
Mediante el estudio de gradientes de tensión, tanto en huesos como en mineral óseo puro (hidroxiapatita), los investigadores han sido capaces de medir con precisión la magnitud del campo eléctrico formado. En el cálculo de estas medidas ha participado el investigador Amir Abdollahi, del LaCàn de la UPC. Sus resultados indican que se trata de un efecto suficientemente grande como para que, a 50 micras de la punta de la grieta, pueda ser detectado por las células responsables de la reparación ósea. La flexoelectricidad queda así implicada de forma directa en el proceso.
Este descubrimiento resulta prometedor para la industria de las prótesis. Mediante materiales que reproduzcan o amplifiquen el efecto flexoeléctrico sería posible guiar la reparación tisular de manera que se mejorara la integración de una prótesis.
En el presente estudio, financiado a través de un proyecto European Research Council (ERC), han colaborado, además del Laboratorio de Cálculo Numérico de la UPC, el Centro de Investigación en Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Costa Rica (CICIMA, Costa Rica) y la École Politechnique Federale de Lausanne (EPFL, Suiza).
Artículo de referencia:
- F. Vasquez-Sancho, A. Abdollahi, D. Damjanovic, G. Catalan. Flexoelectricity in bones. Advanced Materials, 2018. DOI: 10.1002/adma.201705316
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