Исследователи успешно регенерировали поврежденные кости черепа у мышей, создав биомеметический каркас, сочетающий в себе пьезоэлектрический каркас и свойства природного минерала, способствующего росту. Новый «костный бандаж» имеет широкий потенциал применения для регенерации костей и регенеративной медицины в целом.
Пьезоэлектрические материалы генерируют электрический заряд в ответ на приложенную механическую нагрузку. Кость является пьезоэлектрическим материалом. Поскольку она имеет электрическое микроокружение, электрические сигналы играют важную роль в процессе восстановления кости, что может эффективно способствовать регенерации кости.
Современные стратегии регенерации кости, такие как трансплантаты или каркасы, высвобождающие факторы роста, имеют ограничения, такие как усложнение, ограниченная доступность и высокая стоимость.
Разработанный исследователями из Корейского передового института науки и технологий (KAIST) новаторский подход к регенерации костей, сочетающий в себе пьезоэлектричество и минерал, естественным образом содержащийся в кости.
Гидроксиапатит (HAp), минерал в костях и зубах, играет немаловажную роль в структурной прочности и регенерации костей. Его обычно добавляют в зубную пасту для реминерализации зубной эмали и укрепления зубов. Исследования показали, что HAp усиливает остеогенез (образование костей) и обеспечивает основу для роста новой кости. Он также обладает пьезоэлектрическими свойствами и шероховатой поверхностью, что делает его идеальным кандидатом для создания каркасов для выращивания костей.
Исследователи изготовили отдельный биомиметический каркас, объединив HAp в пьезоэлектрический каркас из поливинилиденфторида – трифторитилена (P(VDF-TrFE)), полимерной пленки. Новый подход исследователей, по их словам, обеспечивает универсальную платформу для регенерации костей вне поверхностных применений.
Сравнение каркасов с и без HAp in vitro показало, что прикрепление клеток на каркасах HAp было на 10–15% выше. После пяти дней культивирования клеток клеточная пролиферация была на 20-30% выше, а уровень остеогенеза на каркасах HAp был примерно на 30-40% выше. Полученные результаты свидетельствуют о том, что HAp максимизирует пьезоэлектрические свойства каркаса и создает среду похожую на внеклеточный матрикс организма, неклеточный компонент всех тканей, обеспечивающий важную физическую структуру и важные сигналы, необходимые для регенерации тканей.
Исследователи протестировали свои каркасы HAp/P(VDF-TrFE) на мышах, разместив их над дефектами в костях черепа животных (кальвария). Скаффолды сохранялись в течение 6 недель без деформации. Все мыши выжили; не наблюдалось побочных явлений, включая отсутствие инфекции или воспалительной реакции. Через две, четыре и шесть недель после имплантации регенерация костной ткани значительно улучшилась у мышей с установленными каркасами HAp по сравнению с контрольными группами.
Исследование было опубликовано в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.
