La flexoelectricidad está detrás de la reparación de pequeñas fracturas óseas

La flexoelectricidad es un fenómeno que se produce por las asimetrías que se forman al deformar un material. Cuando se dobla una superficie los átomos quedan apretados en la parte interna de la curvatura creada y se trasladan por el costado exterior. Como consecuencia, los electrones se redistribuyen y esto se puede aprovechar para generar una corriente eléctrica entre las dos superficies.

Un equipo de investigadores del Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia de Barcelona (ICN2 @icn2nano), miembro del Barcelona Institute of Science and Technology (BIST @_BIST), descubrió que este principio físico sobradamente demostrado, está más presente en nuestro entorno de lo que se pensaba, pues se hallaría detrás de la activación del proceso de reparación de los huesos.

La clave está en el mineral

Los científicos descubrieron que este fenómeno electromecánico que se produce a nanoescala, es el que estimula la respuesta celular, es decir, la formación de nuevo tejido óseo durante la reparación de una fractura. Este hallazgo es importante a la hora del desarrollo de las prótesis y de materiales de autoreparables biomiméticos.

En los años 50, ya se descubrió que los huesos generan electricidad cuando se someten a una presión, y de este modo estimulan la autoreparación y el remodelado. En un principio, esta teoría se relacionó a la piezoelectricidad (hecho que sucede en algunos cristales al someterse a tensiones mecánicas) de una de las sustancias presentes en el hueso, el colágeno. Pero con el tiempo, se apreció que cuando había una carencia del mismo, este proceso natural de reparación ósea estaba vinculado a otros elementos. Lo que vieron estos científicos, es que este realmente se produce por la flexoelectricidad del mineral que anida en los huesos.

Cuando surge una microfractura este fenómeno sucede principalmente en el punto de la grieta, que es básicamente donde se concentra la mayor tensión que puede soportar un material antes de romperse. Por consiguiente, se produce un campo flexoeléctrico tan grande en la zona cercana a la fractura, que impide cualquier efecto que pueda provenir del colágeno.

Para medir la magnitud de ese campo eléctrico, los expertos estudiaron gradientes de tensión en huesos y en mineral óseo puro o hidroxiapatita. Se descubrió que el efecto es tan considerable que a 50 micras de la punta de la grieta las células encargadas de la reparación ósea lo pueden detectar, y de este modo la flexoelectricidad forma parte del proceso.

Las células encargadas de reparar el daño y crear nuevo tejido óseo se adhieren siempre cerca de la punta de la fractura. Así pues tal y como se distribuye el campo eléctrico, este punto queda definido como el punto clave a reparar. Es como “una baliza móvil que va localizando el extremo de la grieta a medida que esta va sanando”, aseguran los expertos. Se trata de una señal de alarma que a la vez sirve de guía ya que va dirigiendo a las células que se encargan de solucionar esas fracturas mínimas, pero que es necesario que se solucione para evitar que el hueso se rompa definitivamente.

Lo que permite esta novedad es que las prótesis tengan en cuenta la fractura, produciéndose una mejora en la integración de las mismas. Al usar materiales que reproduzcan o amplifiquen el efecto flexoeléctrico, se puede guiar la reparación de los tejidos, logrando así una mayor aceptación de estos aparatos. De igual modo, sería probable que duraran más en el tiempo y que su deterioro fuera menor. Los siguientes pasos son determinar qué materiales son más adecuados para poner en marcha esta tecnología en la que se contempla la posibilidad de crear prótesis por medio de impresoras 3D.

Otras aplicaciones

Además de tener aplicaciones para la salud, los investigadores del ICN2, realizaron estudios previos que les llevaron a descubrir esta circunstancia en determinados campos hasta el momento desconocidos. De esta manera se percataron de que si bien hasta el momento se pensaba que solo los materiales aislantes podían sufrir este estado, se dieron cuenta de que los semiconductores son capaces de generar electricidad, incluso más que los aislantes.

Llegaron a esta conclusión al comprobaron como un material aislante que se altera y se convierte en semiconductor consigue provocar hasta mil veces más electricidad. Esto sucede porque la superficie mantiene sus cualidades aislantes, al margen de que el interior sea conductor. Las superficies se polarizan, y los electrones del semiconductor contribuyen a que esa polarización de la superficie sea aún mayor. Por lo tanto, en los materiales semiconductores esta condición se produce a consecuencia de las superficies. A este efecto lo llamaron “flexoelectric-like” o “casi-flexoelectrico”, porque aunque se produce al doblar el material, difiere ligeramente respecto al principio físico.

Las aplicaciones tecnológicas son muy amplias pues gran cantidad de estos elementos se emplean en la industria electrónica, y con este hallazgo los investigadores se dieron cuenta de que los transmisores autogeneran electricidad solo que a un nivel micro. Los siguientes pasos que se están ejecutando consisten en ver cómo se puede insertar en distintos dispositivos para ver qué tipos de mejoras producen en los mismos.