Bu yeni piezoelektrik bandaj kırık kemikleri daha hızlı iyileştirebiliyor

Bu yeni piezoelektrik bandaj kırık kemikleri daha hızlı iyileştirebiliyor

Araştırmacılar, yalnızca farelerde hasar görmüş kemikleri yenilemekle kalmayıp aynı zamanda insanlarda kemik yenilenmesini dönüştürme vaadini de taşıyan öncü bir "kemik bandajını" tanıttı.

Kore İleri Bilim ve Teknoloji Enstitüsü'ndeki (KAIST) bilim adamları tarafından geliştirilen bu biyomimetik iskele, piezoelektrik malzemeleri ve kemiklerde doğal olarak bulunan bir mineral olan hidroksiapatitin (HAp) büyümeyi teşvik eden özelliklerini birleştiriyor.

KAIST araştırmacılarının benimsediği yenilikçi yaklaşım, kulağa bilim kurgu gibi gelse de, basınç uygulandığında elektrik sinyalleri üreten bağımsız bir iskeleden ibaret.

Mekanik strese yanıt olarak elektrik yükü üreten piezoelektrik malzemelerin kemik onarımında rol oynadığı uzun zamandır bilinmektedir. Ancak HAp'ın entegrasyonu bu kavramı tamamen yeni bir seviyeye taşıyor.
Kemik gücünü ve yenilenmesini artırmadaki rolüyle bilinen bir mineral olan hidroksiapatit, diş macunundan dişleri güçlendirmek ve kemik greftleri için biyomateryallere kadar çeşitli uygulamalarda kullanıldı. Araştırmacılar, piezoelektrik özelliklere sahip bir iskele ve vücudun hücre dışı matrisini taklit eden bir yüzey oluşturmak için HAp'yi bir polimer film olan poliviniliden florür-ko-trifloro etilen (P(VDF-TrFE)) ile birleştirdi.

Simüle edilmiş ortamlarda HAp'li ve HAp'siz iskeleler arasındaki karşılaştırmalar etkileyici sonuçlar ortaya çıkardı. HAp iskelelerine hücre bağlanması %10 ila %15 daha yüksekti ve beş günlük hücre kültüründen sonra hücre proliferasyonu %20 ila %30 daha yüksekti.

Ek olarak, HAp iskelelerinde osteogenez seviyeleri (kemik oluşumu süreci) yaklaşık %30 ila %40 daha yüksekti; bu da HAp'ın iskelenin piezoelektrik özelliklerini geliştirebileceğini ve doku yenilenmesine elverişli bir ortam yaratabileceğini gösteriyor.

Kemik defektlerinde altı haftalık iskele sonrasında önemli düzeyde yenilenme
Gerçek test, araştırmacıların HAp/P(VDF-TrFE) yapı iskelelerini kafatası kemiği kusurlu farelere implante etmesiyle ortaya çıktı. İskeleler altı hafta boyunca deformasyon olmadan yerinde kaldı ve sonuçlar dikkat çekiciydi.

HAp iskelelerine sahip fareler, enfeksiyon veya inflamatuar yanıtlar gibi herhangi bir olumsuz olay gözlenmeden, kontrol gruplarına kıyasla önemli ölçüde gelişmiş kemik rejenerasyonu sergiledi.

Araştırmanın yazarlarından biri olan Seungbum Hong, gelişmeyle ilgili heyecanını dile getirerek şunları ifade etti: "Kemik yenilenmesini hızlandırma yeteneği sayesinde 'kemik bandajı' gibi davranabilen HAp bazlı bir piezoelektrik kompozit malzeme geliştirdik."

Bu araştırma yalnızca biyomateryal tasarımı için yeni kapılar açmakla kalmıyor, aynı zamanda piezoelektrikliğin ve yüzey özelliklerinin kemik yenilenmesi üzerindeki potansiyel etkisini de araştırıyor.

ACS Applied Materials & Interfaces dergisinde yayınlanan çalışma, rejeneratif tıp alanında önemli bir ilerlemeye işaret ediyor.

Çalışma Özeti

Kemik yenilenmesi, çeşitli tıbbi disiplinler arasında kritik bir konu olmaya devam etmektedir çünkü bu, doğal hücresel mikroçevreyi taklit etmek için mekanik, elektriksel ve biyolojik uyaranların entegrasyonunu içeren kombinatoryal bir yaklaşım gerektiren karmaşık bir süreçtir. Bu bağlamda piezoelektrik iskeleler, dinamik kuvvetlere tepki olarak elektrik alanları üretme konusundaki olağanüstü yeteneklerinden dolayı büyük ilgi görmüştür.

Bununla birlikte, bu tür iskelelerin kemik dokusu mühendisliğindeki uygulaması, hem karmaşık elektromekanik ortamı hem de doğal kemik dokusunun biyouyumluluğunu aynı anda sağlayabilen bir iskelenin bulunmaması nedeniyle sınırlı kalmıştır. Burada, piezoelektrik ve topografik iyileştirmenin benzersiz özelliklerini hidroksiapatitin (HAp) doğal osteojenik yetenekleriyle birleştiren öncü bir biyomimetik iskele sunuyoruz.

Özellikle, bu çalışmanın yeniliği, HAp'ın poliviniliden florür-ko-trifloro etilene bağımsız bir biçimde dahil edilmesinde ve bunun doğal osteojenik potansiyelinin bir piezoelektrik çerçeve içinde kullanılmasında yatmaktadır. Kapsamlı in vitro ve in vivo araştırmalar yoluyla, bu iskelelerin kemik yenilenmesini hızlandırma konusundaki olağanüstü potansiyelini ortaya koyuyoruz.

Ayrıca, kolaylaştırılmış kemik iyileşme sürecine toplu olarak katkıda bulunan üç temel mekanizmayı (i) elektriksel, (ii) topografik ve (iii) parakrin) gösteriyor ve öneriyoruz. Bulgularımız, çeşitli rejeneratif tıp uygulamalarının yanı sıra kemik rejenerasyonu için geniş kapsamlı beklentilere sahip, sinerjistik olarak türetilmiş bir biyomimetik iskele tasarımı sunmaktadır.

Kaynak: Interesting Engineering