Vật liệu áp điện sinh ra điện tích để đáp ứng với ứng suất cơ học. Xương là vật liệu áp điện. Do xương có môi trường điện vi mô, nên tín hiệu điện đóng vai trò quan trọng trong quá trình sửa chữa xương, thúc đẩy tái tạo xương hiệu quả. Tuy nhiên, tái tạo xương là quá trình phức tạp dựa vào các thành phần cơ, điện và sinh học.

Các phương pháp tái tạo xương hiện có như sử dụng mảnh ghép hoặc giàn khung để giải phóng các yếu tố tăng trưởng có hạn chế nhất định, chẳng hạn như biến chứng tại vị trí điều trị, khả năng sẵn có hạn chế và chi phí cao. Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học và Công nghệ tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) đã đưa ra một phương pháp tiên phong để tái tạo xương bằng cách kết hợp áp điện với một khoáng chất có trong xương.

Hydroxyapatite (HAp), khoáng chất trong xương và răng, đóng vai trò quan trọng tạo nên độ bền và khả năng tái tạo cấu trúc xương. HAp thường được bổ sung vào kem đánh răng để tái khoáng hóa men răng và giúp răng chắc khỏe. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng HAp tăng cường quá trình hình thành xương và cung cấp giàn khung cho sự phát triển xương mới. HAp cũng có đặc tính áp điện và bề mặt gồ ghề, nên lý tưởng để tạo ra giàn khung cho xương phát triển.

Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã chế tạo một giàn khung mô phỏng sinh học độc lập, kết hợp HAp trong khung áp điện của màng polime được gọi là polyvinylidene fluoride-co-trifluoro ethylene (P(VDF-TrFE)). Giàn khung độc lập, phát ra tín hiệu điện khi có ứng suất tác dụng, làm cho phương pháp này khác biệt với nghiên cứu trước đây kết hợp HAp và P (VDF-TrFE), chỉ giới hạn ở lớp phủ trên chi giả bằng kim loại. Phương pháp mới cung cấp nền tảng linh hoạt để tái tạo xương, ngoài các ứng dụng trên bề mặt.

Kết quả so sánh giữa các giàn khung có HAp và không có HAp trong ống nghiệm cho thấy khả năng gắn kết tế bào trên các giàn khung chứa HAp cao hơn từ 10% đến 15%. Sau năm ngày nuôi cấy, tế bào tăng sinh mạnh hơn từ 20% đến 30% và mức độ tạo xương trên các giàn khung HAp cao hơn khoảng 30% đến 40%. Bên cạnh đó, HAp tăng tối đa các đặc tính áp điện của giàn khung và tạo ra một môi trường tương tự như ma trận ngoại bào của cơ thể, thành phần phi tế bào của tất cả các mô tạo nên cấu trúc vật lý thiết yếu và các tín hiệu quan trọng cần thiết cho quá trình tái tạo mô.

Sau đó, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm đặt khung HAp/P(VDF-TrFE) lên trên các khuyết tật xương sọ của chuột. Giàn khung được duy trì trong sáu tuần mà không bị biến dạng. Tất cả chuột đều sống sót nhưng không bị tác dụng phụ nào như nhiễm trùng hoặc phản ứng viêm. Sau hai, bốn và sáu tuần cấy ghép, quá trình tái tạo xương ở chuột đặt khung HAp được tăng cường đáng kể so với nhóm đối chứng.

Seungbum Hong, đồng tác giả nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi đã tạo ra vật liệu tổng hợp áp điện dựa vào HAp, có thể hoạt động giống như một ‘băng xương’ thông qua khả năng tăng tốc độ tái tạo xương. Nghiên cứu không chỉ gợi mở một hướng đi mới để thiết kế vật liệu sinh học mà còn có ý nghĩa quan trọng trong việc khám phá tác động của áp điện và tính chất bề mặt đến quá trình tái tạo xương”.