Los investigadores han regenerado con éxito cráneos dañados en ratones mediante la creación de un andamio biomimético independiente que combina una estructura piezoeléctrica con las propiedades promotoras del crecimiento de un mineral natural. Este nuevo tipo de "vendaje óseo" tiene amplias perspectivas de aplicación en la regeneración ósea y la medicina regenerativa.
Los materiales piezoeléctricos generan cargas eléctricas cuando se les aplica tensión mecánica. El hueso es un material piezoeléctrico. Dado que el hueso tiene un microambiente eléctrico, las señales eléctricas desempeñan un papel importante en el proceso de reparación ósea y pueden promover eficazmente la regeneración ósea. Sin embargo, la regeneración ósea es un proceso complejo que depende de componentes mecánicos, eléctricos y biológicos.
Las estrategias actuales de regeneración ósea, como los injertos o armazones liberadores de factores de crecimiento, tienen sus limitaciones, como complicaciones en el sitio donante, disponibilidad limitada y alto costo. Ahora, investigadores del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST) han desarrollado un método innovador de regeneración ósea que combina piezoelectricidad con un mineral que se encuentra naturalmente en los huesos.
La hidroxiapatita (HAp) es un mineral que se encuentra en los huesos y los dientes y que desempeña un papel en la resistencia y regeneración de la estructura ósea. A menudo se agrega a la pasta de dientes para remineralizar el esmalte dental y fortalecer los dientes. Los estudios han encontrado que la HAp puede promover la osteogénesis (formación de hueso) y proporcionar un andamio para el crecimiento de hueso nuevo. También tiene propiedades piezoeléctricas y una superficie rugosa, lo que lo convierte en un material ideal para fabricar estructuras de crecimiento óseo.
Por lo tanto, los investigadores fabricaron un andamio biomimético independiente que integra HAp en una estructura piezoeléctrica de una película de polímero, fluoruro de polivinilideno-trifluoroetileno (P (VDF-TrFE)). Este stent independiente genera una señal eléctrica cuando se aplica presión, lo que hace que este enfoque sea diferente de estudios anteriores que combinaban HAp y P(VDF-TrFE), que se limitaban a recubrimientos sobre prótesis metálicas. El nuevo enfoque de los investigadores proporciona una plataforma versátil para la regeneración ósea que va más allá de las aplicaciones superficiales, afirman.
Una comparación in vitro de armazones con y sin HAp encontró que las tasas de unión celular en armazones de HAp eran entre un 10% y un 15% más altas. Después de cinco días de cultivo celular, la tasa de proliferación celular en la estructura de HAp aumentó entre un 20 % y un 30 % y el nivel de osteogénesis aumentó aproximadamente entre un 30 % y un 40 %. Los hallazgos muestran que HAp maximiza las propiedades piezoeléctricas de la estructura y crea un entorno similar a la matriz extracelular humana, el componente no celular de todos los tejidos que proporciona la estructura física básica y las señales importantes necesarias para la regeneración del tejido.
Luego, los investigadores probaron su armazón HAp/P (VDF-TrFE) en ratones, colocándolo sobre defectos en los cráneos de los animales (huesos de la parte inferior de las piernas). El stent duró seis semanas sin deformarse. Todos los ratones sobrevivieron; no se observaron efectos adversos, incluidas infecciones o reacciones inflamatorias. Dos, cuatro y seis semanas después de la implantación, la capacidad de regeneración ósea de los ratones equipados con estructuras de HAp mejoró significativamente en comparación con el grupo de control sin formación ósea.
Seungbum Hong, uno de los autores correspondientes del estudio, dijo: "Hemos desarrollado un material compuesto piezoeléctrico basado en HAp que puede acelerar la regeneración ósea como un 'vendaje óseo'. Esta investigación no sólo propone una nueva dirección para el diseño de biomateriales, sino que también es de gran importancia en la exploración de los efectos de la piezoelectricidad y las propiedades de la superficie en la regeneración ósea".
La investigación fue publicada en la revista ACS Applied Materials and Interfaces.