Les chercheurs du groupe de nanophysique des oxydes ICN2 dirigé par l'ICREA, le professeur Gustau Catalan, ont résolu l'une des grandes inconnues du remodelage osseux :comment les cellules responsables de la formation de nouveau tissu osseux sont mises en action. Leurs travaux révèlent le rôle possible d'un phénomène électromécanique à l'échelle nanométrique, flexoélectricité, non seulement en stimulant la réponse cellulaire, mais en le guidant précisément tout au long du processus de réparation de la fracture.
Les chercheurs ont découvert que l'os est flexoélectrique, posant le rôle possible de la flexoélectricité dans la régénération du tissu osseux dans et autour du type de microfractures subies quotidiennement dans les os. Leurs découvertes, publié aujourd'hui dans Matériaux avancés avec l'auteur principal Fabián Vásquez-Sancho, ont des implications potentielles pour l'industrie des prothèses et le développement de matériaux biomimétiques auto-cicatrisants.
Les os étaient déjà connus pour produire de l'électricité sous pression, stimuler l'autoréparation et le remodelage. Signalé pour la première fois à la fin des années 1950, cela a été initialement attribué à la piézoélectricité du composant organique de l'os, collagène. Cependant, des études ont depuis observé des marqueurs de la réparation osseuse en l'absence de collagène, suggérant que d'autres effets sont en jeu. Dans ce travail, les chercheurs de l'ICN2 ont mis en évidence un tel effet :la flexoélectricité du composant minéral de l'os.
La flexoélectricité est une propriété de certains matériaux qui les amène à émettre une faible tension lors de l'application d'une pression non uniforme. Cette réponse est extrêmement localisée, devenant plus faible à mesure que vous vous éloignez du point de contrainte maximale le long d'un gradient de déformation. Dans les microfractures, il est localisé au bord d'attaque ou à la pointe de la fissure, un site atomiquement petit qui, par définition, concentre la contrainte maximale qu'un matériau est capable de supporter avant la rupture complète. Le résultat est un champ électrique d'une magnitude qui, à ce niveau local, éclipse tout effet piézoélectrique de collagène de fond.
En étudiant les gradients de déformation dans les os et le minéral osseux pur (hydroxyapatite), les chercheurs ont pu calculer l'amplitude précise de ce champ flexoélectrique. Leurs résultats montrent qu'il est suffisamment grand dans les 50 microns requis du fond de fissure pour être détecté par les cellules responsables de la réparation osseuse, ce qui impliquerait directement la flexoélectricité dans ce processus.
Par ailleurs, puisque les cellules responsables de la synthèse du nouveau tissu osseux (ostéoblastes) sont connues pour se fixer près de la pointe, il semblerait que la distribution du champ électrique signale ce point comme le centre des dommages, devenant un phare mobile pour les efforts de réparation à mesure que la fissure est guérie.
Ces résultats sont prometteurs pour l'industrie de la prothèse, où de nouveaux matériaux qui reproduisent ou amplifient cet effet flexoélectrique pourraient être utilisés pour guider la régénération tissulaire et permettre une meilleure assimilation des implants.
