Казалось бы, что общего между костью и пьезоэлектричеством? Каким образом пьезоэлектричество способствует восстановлению и реконструкции костей? Вспомним, что пьезоэлектрический эффект — это возникновение поляризации диэлектрика (то есть материала, не проводящего электричество) под действием механических напряжений. Другими словами, деформация материала-пьезоэлектрика приводит к появлению электрического напряжения между его поверхностями.
Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие материалы. У костной ткани такие свойства обнаружили в 1957 году японские исследователи — хирург-ортопед Ивао Ясуда и физик Ейики Фукада*. При механической деформации или давлении на костную ткань возникающие в ней электрические заряды активируют её клетки, побуждая их расти и делиться. Поэтому искусственные пьезоэлектрические материалы, обладающие биосовместимостью и способные к биоразложению, весьма перспективны для использования в реконструктивной медицине. Однако проблема в том, что хорошие пьезоэлектрики обычно биодеградировать не могут.
Учёные Томского политехнического университета (ТПУ) совместно с коллегами из Университета Авейру (Португалия) и ряда других зарубежных университетов — Кёльнского (Германия), Антверпенского и Гентского (Бельгия) — разработали полимерный материал, сочетающий сразу два свойства, важных для применения в медицинских имплантатах. Он одновременно и биоразлагаемый, и хороший пьезоэлектрик — производит электрический заряд, ускоряющий регенерацию тканей.
Улучшить пьезоэлектрические свойства материала удалось за счёт введения в полимерный раствор «примеси» из нанохлопьев двумерного восстановленного оксида графена. За основу исследователи взяли доступный биоразлагаемый полимер поли-3-оксибутират, с которым ранее уже работали. «Восстановленный оксид графена получается путём уменьшения количества кислородных групп в оксиде графена, — поясняет директор исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» ТПУ, профессор Роман Анатольевич Сурменев. — Добавление восстановленного оксида графена вызывает структурно-фазовые изменения в полимере, кроме того выявлено химическое взаимодействие восстановленного оксида графена с полимерными цепями поли-3-оксибутирата».
По внешнему виду полученный материал напоминает ткань сероватого цвета.
У новых — гибридных — скаффолдов электрический заряд (потенциал) на поверхности вырос в 9,5 раза и в 2,5 раза увеличился пьезоэлектрический отклик по сравнению с чистым немодифицированным полимером. Более того, их пьезоэлектрические свойства превосходят пьезоотклик костной ткани человека и коллагена.
Теперь предстоит выяснить, как новый материал взаимодействует с живыми клетками и тканями, чтобы в перспективе его можно было использовать для изготовления биодеградируемых имплантатов не только для реконструкции кости. Исследователи полагают, что материал может оказаться полезным для восстановления нервных и других тканей.
Результаты исследования опубликованы в журнале «Nano Energy» (IF: 17,881; Q1), работа поддержана мегагрантом российского правительства.
По информации пресс-службы ТПУ.
Фото предоставлены ТПУ.
Комментарии к статье
* Fukada E., Yasuda I. On the Piezoelectric Effect of Bone. Journal of the Physical Society of Japan, 12, 1158—1162 (1957).
