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Investigadores del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología han respondido a una de las grandes cuestiones sin resolver del proceso de autoreparación de los huesos: ¿cómo se activan las células responsables de formar nuevo tejido óseo? Sus resultados identifican un fenómeno electromecánico que se da en la nanoescala, la flexoelectricidad, como posible mecanismo que estimula y guía la respuesta celular durante el proceso de reparación de una fractura. El trabajo tiene implicaciones potenciales en el campo de las prótesis.
Un equipo delInstituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2) ha 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 Gustau Catalan, publica estos resultados hoy en Advanced Materials, con Fabián Vásquez-Sancho como primer autor. El trabajo tiene implicaciones potenciales en el campo de las prótesis y en el desarrollo de materiales autoreparables biomiméticos.
El hecho de que los huesos generen electricidad bajo presión, estimulando así la autoreparación y el remodelado, era ya sabido. Tras describirse por primera vez en los años 50, 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.
Magnitud del campo eléctrico
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. 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.
Es sabido que las células responsables de sintetizar nuevo tejido óseo (osteoblastos) se adhieren cerca de la punta de la fractura. Por lo tanto, parece que la distribución del campo eléctrico señalaría este punto como el epicentro del daño a reparar, convirtiéndose en una baliza móvil que localiza la ubicación del extremo de la grieta a medida que ésta se va curando.
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.
El presente estudio ha sido financiado a través de un proyecto European Research Council (ERC), y se ha liderado desde el ICN2 con la colaboración del Centro de Investigación en Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Costa Rica (CICIMA, Costa Rica), el Laboratorio de Cálculo Numérico de la Universidad Politécnica de Cataluña (LaCàN, España), y la École Politechnique Federale de Lausanne (EPFL, Suiza).
Referencia bibliográfica:
F. Vasquez-Sancho, A. Abdollahi, D. Damjanovic, G. Catalan. "Flexoelectricity in bones". Advanced Materials,2018. DOI: adma.201705316
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Con estos ‘minicolones’ cultivados en laboratorio se consigue, por primera vez, una mayor resolución para estudiar los procesos moleculares y celulares implicados en la formación de este tipo de tumores. Además, se reduce el uso de animales en su investigación.
La retención del colágeno a nivel celular podría allanar el camino para el desarrollo de nuevos tratamientos que mejoren los efectos cosméticos de las cicatrices de la piel, alivien los síntomas de enfermedades autoinmunes como la esclerodermia, o incidan en la prevención del desarrollo de la fibrosis. Este tratamiento es efectivo, no tóxico y sus efectos son reversibles.
