Для восстановления повреждённой кости обычно используют каркасы (скаффолды) — своеобразные «строительные леса» для живых клеток, формирующие новую костную ткань.

Модель нового биоразлагаемого пьезоэлектрика для использования в реконструктивной медицине. Добавление восстановленного оксида графена (ВОГ) к полимеру-пьезоэлектрику увеличило потенциал поверхности и изменило структуру полимера. Максимальный пьезоэффект наблюдался при содержании в полимере 0,7 масс.% ВОГ (что можно видеть на рисунке). Фото, представленные в правой части рисунка, получены с помощью пьезоэлектрической силовой микроскопии, реализованной на сканирующем зондовом микроскопе: белые пятна отвечают пьезоактивным доменам.

Роман Сурменев около установки по получению пьезополимерных скаффолдов методом электроформования.

Подготовкой полимерного раствора для получения гибридных полимерных скаффолдов занимается научный сотрудник Роман Чернозём.

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).

№12, 2021