Исследователи успешно регенерировали поврежденные кости черепа у мышей, используя биомиметический каркас из пьезоэлектрического материала и способствующие росту свойства природного минерала. Новый «костный бандаж» пригодится для регенерации костей и регенеративной медицины в целом.

Исследование опубликовано в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

Пьезоэлектрические материалы генерируют электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение. В данном случае, кость — пьезоэлектрический материал. Поскольку он обладает электрическим микроокружением, электрические сигналы играют важную роль в процессе восстановления кости, что может эффективно способствует регенерации кости. Однако это сложный процесс, основанный на механических, электрических и биологических компонентах.

Исследователи из Корейского института передовых наук и технологий (KAIST) разработали новаторский подход к регенерации костей, который сочетает в себе пьезоэлектричество и минерал, который естественным образом встречается в кости — гидроксиапатит (HAp). Обычно его добавляют в зубную пасту для реминерализации эмали и укрепления зубов. Исследования показали, что HAp усиливает остеогенез и обеспечивает основу для роста новой кости. Также он отличается пьезоэлектрическими свойствами и шероховатой поверхностью, что делает его идеальным кандидатом для создания каркасов для выращивания костей.

Исследователи изготовили отдельно стоящий биомиметический каркас, интегрировав HAp в пьезоэлектрический каркас из поливинилиденфторид-ко-трифторэтилена (P(VDF-TrFE)), полимерной пленки.

(d) Изображения микроКТ, показывающие регенерацию кости в черепах мышей с использованием различных каркасов, и (e) объем и площадь кости через 2, 4 и 6 недель после имплантации каркаса. Предоставлено: Джу и др.

Сравнение каркасов с HAp и без них in vitro показало, что прикрепление клеток к каркасам HAp было на 10–15 % выше. После пяти дней культивирования клеток их пролиферация была на 20–30% выше, а уровни остеогенеза на каркасах HAp — на 30–40% больше.

Результаты исследования показали, что HAp максимизирует пьезоэлектрические свойства каркаса и создает среду, аналогичную внеклеточному матриксу организма. Это неклеточный компонент всех тканей, который обеспечивает необходимую физическую структуру и важные сигналы для регенерации тканей.

Затем исследователи протестировали каркасы HAp/P(VDF-TrFE) на мышах, поместив их поверх дефектов костей черепа животных. Каркасы выдерживали в течение шести недель без деформации. Все мыши выжили; не наблюдалось никаких побочных эффектов, включая отсутствие инфекции или воспалительной реакции. После двух, четырех и шести недель имплантации регенерация кости усилилась в разы у мышей с установленными каркасами HAp.