Главным источником флексоэлектрического эффекта в костях, который приводит к возникновению небольшого электрического тока при возникновении локальных изгибов и способствует залечиванию поврежденных участков, оказался гидроксиапатит — основной минеральный компонент кости. Полученные количественные оценки для этого явления помогут в будущем для совершенствования технологий протезирования и разработки новых материалов, способных к самовосстановлению, пишут ученые в статье в Advanced Materials.

В некоторых диэлектрических материалах при наличии градиента деформации (и, соответственно, механического напряжения) может происходить разделение электрических зарядов, что приводит к поляризации. Такое явление называется флексоэлектрическим эффектом и приводит к тому, что при изгибе материала в нем начинает течь электрический ток. Еще с середины XX века известно, что флексоэлектрический эффект, например, наблюдается в костях, и под давлением в них появляется небольшой электрический ток, который участвует в одном из механизмов восстановления костной ткани при небольших повреждениях.

Изначально считалось, что единственный источник тока в костях — это пьезоэлектрический эффект, возникающий в коллагене, однако оказалось, что он может возникать в костной ткани и при отсутствии коллагена. Высказывалось предположение, что за него отвечает неорганические вещества, входящие в состав кости, в частности гидроксиапатит — основной минеральный компонент костей и зубов, однако до сегодняшнего дня никаких количественных подтверждений его роли в возникновении электрического тока при деформации кости не было.

Чтобы точно определить источник флексоэлектрического эффекта в костях и оценить его возможное влияние на залечивание повреждений, ученые под руководством Фабиана Васкеса-Санчо (Fabian Vasquez-Sancho) из Барселонского института науки и технологий измерили флексоэлектрический эффект в костях и в чистом гидроксиапатите. Для этого они брали образцы компактного вещества костей и синтезированные образцы гидроксиапатита, и измеряли поляризацию, которая в них возникает при трехточечном изгибе.

Схема проведения эксперимента по измерению флексоэлектрического эффекта в компактном веществе кости. Справа схематично изображено поле напряжений, которое возникает в кости при возникновении микротрещины. F. Vasquez-Sancho et al./ Advanced Materials, 2018

С помощью проведенного эксперимента удалось количественно оценить эффект для обоих типов образцов. Оказалось, что значения флексоэлектрического коэффициента очень близки друг к другу по порядку величины (для костей он составил от 0,2 до 2,3 нанокулона на метр, а для чистого гидроксиапатита — от 0,7 до 1,6 нанокулона на метр), то есть, вероятнее всего, именно гидроксиапатит служит основным источником электрического поля в кости за счет флексоэлектричества.

При этом авторы работы отмечают, что при макроскопических деформациях кости основную роль играет пьезоэлектрический эффект в коллагене, тогда как флексоэлектрический эффект гидроксиапатита становится доминирующим при небольших деформациях, возникающих при микроповреждениях. Это связано с тем, что максимальные градиенты деформаций возникают именно на кончиках микротрещин.

Зависимость поляризации от градиента деформации в образцах компактного вещества кости (данные обозначены сиреневым цветом) и чистого гидроксиапатита (данные обозначены розовым). F. Vasquez-Sancho et al./ Advanced Materials, 2018

После этого ученые рассчитали поле механических напряжений, которые возникают в кости при возникновении микротрещин. Исходя из поля напряжений и полученных данных о значении флексоэлектрического коэффициента, авторы работы смоделировали возникающее в костной ткани электрическое поле и показали, что такой электромеханический эффект может приводить к залечиванию. По оценкам ученых, величина электрического поля в области кончика микротрещины составляет порядка одного киловольта на метр. Этого достаточно для запуска механизма апоптоза остеоцитов — первой стадии механизма восстановления костной ткани после повреждения. Кроме того, такое поле может ускорить транспорт в область повреждения ионов, необходимых для остеогенеза.

Ученые отмечают, что поскольку этот эффект отвечает за восстановление костей при повреждениях, то полученные количественные данные можно использовать для разработки материалов и технологий для протезирования, а также для создания других материалов, которые способны к самовосстановление по аналогичным механизмам.

Сейчас для ускорения процессов роста костей в медицине обычно используются чисто химические подходы. В частности для восстановления костных тканей после тяжелых переломов или операций, применяются факторы роста в сочетании со специальными полимерными веществами или используются губчатые вещества, которые расширяются до определенного размера при контакте с водой.

Автор: Александр Дубов