Forskare utvecklar nytt ”benbandagematerial” för spruckna ben

Design och karakterisering av piezoelektriskt och topografiskt uppkomna biomimetiska byggnadsställningar. (a) Schematisk representation av den förbättrade benregenerationsmekanismen genom elektriska och topografiska signaler från HAp-inkorporerade P(VDF-TrFE)-ställningar. (b) Schematiskt diagram över tillverkningsprocessen. Kredit: Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
Design och karakterisering av piezoelektriskt och topografiskt uppkomna biomimetiska byggnadsställningar. (a) Schematisk representation av den förbättrade benregenerationsmekanismen genom elektriska och topografiska signaler från HAp-inkorporerade P(VDF-TrFE)-ställningar. (b) Schematiskt diagram över tillverkningsprocessen. Kredit: Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)

Benregenerering är en komplex process och befintliga metoder för att underlätta regenerering, t.ex. transplantationer och överföring av tillväxtfaktorer, har begränsningar såsom höga kostnader. Men nyligen har ett piezoelektriskt material som kan främja tillväxten av benvävnad utvecklats.

Ett KAIST-forskarlag under ledning av professor Seungbum Hong från Department of Materials Science and Engineering (DMSE) har utvecklat en biomimetisk byggnadsställning som genererar elektriska signaler vid tryck genom att utnyttja den unika osteogena förmågan hos hydroxiapatit (HAp). HAp är ett grundläggande kalciumfosfatmaterial som finns i ben och tänder. Denna biokompatibla mineralsubstans är också känd för att förhindra karies och används ofta i tandkräm.

Forskningen genomfördes i samarbete med ett team som leds av professor Jangho Kim från Department of Convergence Biosystems Engineering vid Chonnam National University. Resultaten publiceras i tidskriften ACS Applied Materials & Interfaces.

Tidigare studier av piezoelektriska byggnadsställningar bekräftade effekterna av piezoelektricitet för att främja benregenerering och förbättra benfusion i olika polymerbaserade material, men var begränsade när det gällde att simulera den komplexa cellulära miljö som krävs för optimal regenerering av benvävnad. Denna forskning föreslår dock en ny metod för att utnyttja de unika osteogena egenskaperna hos HAp för att utveckla ett material som efterliknar miljön för benvävnad i en levande kropp.

Analys av piezoelektriska egenskaper och ytegenskaper hos de biomimetiska byggnadsställningarna med hjälp av atomkraftsmikroskopi. (a) PFM-amplitud- och fasbilder av box-polade kompositbyggnadsställningar. Den vita stapeln representerar 2 μm. (b) 3D-representationer av sammansatta byggnadsställningar i kombination med typiska 2D-linjesektioner. (c) Mikro-CT-analys av benregenerering in vivo, (d) schematisk bild av fyllmedlets elektriska ursprung vid benregenerering. Kredit: Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
Analys av piezoelektriska egenskaper och ytegenskaper hos de biomimetiska byggnadsställningarna med hjälp av atomkraftsmikroskopi. (a) PFM-amplitud- och fasbilder av box-polade kompositbyggnadsställningar. Den vita stapeln representerar 2 μm. (b) 3D-representationer av sammansatta byggnadsställningar i kombination med typiska 2D-linjesektioner. (c) Mikro-CT-analys av benregenerering in vivo, (d) schematisk bild av fyllmedlets elektriska ursprung vid benregenerering. Kredit: Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)

Forskargruppen utvecklade en tillverkningsprocess som smälter samman HAp med en polymerfilm. Den flexibla och fristående byggnadsställningen som utvecklades genom denna process visade sin anmärkningsvärda potential för att främja benregenerering genom in vitro- och in vivo-experiment på råttor.

Teamet identifierade också de principer för benregenerering som deras byggnadsställning bygger på. Med hjälp av atomkraftsmikroskopi (AFM) analyserade de byggnadsställningens elektriska egenskaper och utvärderade de detaljerade ytegenskaperna relaterade till cellform och cellskelettproteinbildning. De undersökte också effekterna av piezoelektricitet och ytegenskaper på uttrycket av tillväxtfaktorer.

Professor Hong från KAIST:s DMSE säger: ”Vi har utvecklat ett HAp-baserat piezoelektriskt kompositmaterial som kan fungera som ett ’benbandage’ genom sin förmåga att påskynda benregenerering.” Han tillade: ”Denna forskning föreslår inte bara en ny riktning för utformning av biomaterial, utan är också betydelsefull för att ha utforskat effekterna av piezoelektricitet och ytegenskaper på benregenerering.”

Ytterligare information: Soyun Joo et al, Piezoelectrically and Topographically Engineered Scaffolds for Accelerating Bone Regeneration, ACS Applied Materials & Interfaces (2024). DOI: 10.1021/acsami.3c12575

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.