Исследователи из Южнокорейского института науки и технологий (KAIST) добились успеха в регенерации поврежденных костей с помощью инновационного "костного бинта". Этот бинт представляет собой биомиметический каркас, обладающий пьезоэлектрическими свойствами и включающий минералы, которые стимулируют рост костной ткани. Разработка обладает широким потенциалом для различных применений в регенеративной медицине.
Электричество и минералы
Пьезоэлектрические материалы генерируют электрический заряд при механическом воздействии. Живая костная ткань также обладает пьезоэлектрическими свойствами. Более того, электрические сигналы играют важную роль в ее восстановлении. Однако регенерация костей – это сложный процесс, зависящий от механических, электрических и биологических факторов.
Существующие методы регенерации, такие как пересадки или каркасы с факторами роста, имеют ограничения, включая осложнения, ограниченную доступность и высокую стоимость. Новый подход KAIST сочетает пьезоэлектричество с природным минералом костной ткани – гидроксиапатитом (HAp).
HAp играет важную роль в прочности и восстановлении костей. Например, он добавляется в зубную пасту для реминерализации эмали. Исследования показали, что HAp стимулирует остеогенез (рост костной ткани) и служит каркасом для роста новой кости. Минерал также обладает пьезоэлектрическими свойствами и шероховатой поверхностью, что делает его идеальным материалом для создания костных каркасов.
Как это работает?
“Костный бинт” - это своеобразный каркас, который накладывается прямо на поврежденную кость. Для его создания ученые встроили минерал HAp в пьезоэлектрический полимерный слой со сложным названием “поливинилиденфторид-сополимер трифторэтилен (P(VDF-TrFE))”. Созданный каркас способен генерировать электрические сигналы при приложении давления, что отличает его от предыдущих разработок, где аналогичные материалы использовались лишь в качестве покрытия металлических протезов.
Лабораторные испытания показали, что живые клетки на 10-15% быстрее нарастают на полученный каркас с HAp. А уже на пятый день лечения деление клеток костной ткани ускоряется на 20-30%. В целом, скорость нарастания кости на каркасах с HAp оказывается на 30-40% выше, чем без него.
Результаты предполагают, что минерал HAp усиливает пьезоэлектрические свойства основы каркаса и создает среду, подобную естественной внеклеточной матрице организма, которая играет важную роль в регенерации тканей.
Испытания на мышах
Исследователи уже протестировали свои костные каркасы HAp/P(VDF-TrFE) на мышах, поместив их на искусственные повреждения черепных костей. Каркасы продержались шесть недель без деформации.
В результате эксперимента все мыши выжили. При этом у них не наблюдалось никаких побочных эффектов, таких как инфекции или воспалительные реакции. На всех этапах исследования - через две, четыре и шесть недель после имплантации - регенерация кости у мышей с каркасами HAp была значительно выше по сравнению с мышами в контрольных группах, которые не получили соответствующего лечения.
"Мы разработали композитный материал HAp на основе пьезоэлектричества, который может действовать как 'костный бинт' благодаря своей способности ускорять регенерацию костей. Это исследование не только предлагает новое направление для разработки биоматериалов, но и является важным шагом в изучении влияния пьезоэлектричества и свойств поверхности на регенерацию костей”, - говорит Сынбом Хонг, один из авторов исследования.
Исследование опубликовано в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.
