El estudio es financiado a través de un proyecto del Consejo Europeo de Investigación (ERC por sus siglas de European Research Council), el cual ha sido liderado por el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2 por sus siglas de Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia), de la Universidad Autónoma de Barcelona​, en España.

Además del CICIMA colaboran en la investigación el Laboratorio de Cálculo Numérico de la Universidad Politécnica de Catalunya (LaCàN por sus siglas de Laboratori de Càlcul Numèric), también de España y la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL por sus siglas de École Politechnique Federale de Lausanne) en Suiza.

Aporte tico

El CICIMA aportó a uno de los investigadores líderes del proyecto el M.Sc. Fabián Vásquez Sancho, quien aparece como primer autor de la publicación de los resultados de la investigación en la revista “Advanced Materials”.

El M.Sc. Vásquez fue enviado por la UCR a cursar el doctorado en España. Una vez finalizados sus estudios continuará su investigación en el CICIMA y tendrá como unidad base la Escuela de Física de esta Universidad.

Como parte del compromiso por los fondos recibidos de parte del Banco Mundial (BM) para infraestructura y equipos, la Universidad de Costa Rica debe dotar de plazas a las personas investigadoras que se envíen a cursar doctorados en el extranjero como parte del Plan de Mejoramiento Institucional (PMI), para que regresen a nuestro país a continuar sus investigaciones.

Según explicó el Dr. Esteban Damián Avendaño Soto, Director del CICIMA, como contrapartida de los compromisos de financiamiento de equipos e infraestructura aportados a través del Banco Mundial, este Centro fue dotado instalaciones propias y equipos de última generación para cooperar de manera horizontal en investigaciones avanzadas a nivel internacional.

De acuerdo con el científico, este reequipamiento “comprende un conjunto de equipos para estudios termo-mecánicos, un microscopio Raman Confocal, un microespectrofotómetro para estudios calorimétricos a escala micrométrica y un clúster para computación avanzada”.

Adicionalmente se adquirió un microscopio de fuerza atómica (AFM-STM), único en la región, un espectrofotómetro UV-VIS-NIR y otro FTIR MIR-FIR, estos últimos por medio del presupuesto ordinario.

Dentro de los sistemas de termo-mecánica se encuentra un analizador dinámico de materiales, requerido entre otras cosas para reforzar la investigación del doctorando M.Sc. Fabián Vásquez Sancho, quien utilizaría este equipo en la parte final de sus estudios y será la base para dar continuidad a su investigación sobre los mecanismos de reparación de los huesos, una vez concluya su doctorado en España y regrese a nuestro país, concluyó el Dr. Avendaño.

Voltaje sanador

Debemos de definir dos fenómenos físicos importantes para comprender el aporte científico: la piezoelectricidad, que es el voltaje generado por cierto tipo de materiales cuando se aplica una tensión uniforme y la flexoelectricidad, que es la respuesta de voltaje generado en ciertos materiales cuando se les aplica una tensión mecánica no homogénea.

Originalmente se pensaba que el mecanismo de sanación ósea se debía al efecto de piezoelectricidad del colágeno en los huesos, y que era la piezoelectricidad la que desencadenaba el mecanismo que estimula y guía la respuesta celular durante el proceso de reparación de una fractura de hueso.

El equipo de investigación internacional, del que forma parte el investigador costarricense, descubrió en realidad que la flexoelectricidad es la responsable de la activación de las células encargadas de formar nuevo tejido óseo.

En un comunicado de prensa donde da a conocer el descubrimiento, la UAB explica que “mediante el estudio de gradientes de tensión, tanto en huesos como en mineral óseo puro (hidroxiapatita), los investigadores han sido capaces de medir con precisión la magnitud  del campo eléctrico formado.

“Sus resultados indican que se trata de un efecto suficientemente grande como para que, a 50 micras de la punta de la grieta, pueda ser detectado por las células responsables de la reparación ósea. La flexoelectricidad queda así implicada de forma directa en el proceso”.

¿Células sanadoras?

Los investigadores no solo lograron establecer el nivel de flexoelectricidad en los huesos, sino que dieron respuesta a la pregunta ¿cómo se activan las células encargadas de formar nuevo tejido óseo que repara las fracturas?

En el proceso juega un papel determinante el mineral llamado hidroxiapatita, muy común en los huesos, que es el que ayuda en la generación del voltaje. Cuando el hueso sufre una microfractura, se agrieta y se originan deformaciones que provocan pequeños campos flexoeléctricos.

Estos campos eléctricos afectan las células cercanas en la matriz ósea llamadas osteocitos, las cuales mueren y liberan proteínas.

Esta variación en la concentración de proteínas, es detectada por otras células llamadas osteoclastos, lo cual a su vez les sirve de señal para localizar el  lugar de la fractura. Con esta guía, otras células denominadas osteoblastos se encargan de regenerar de nuevo el hueso.

Finalmente en su comunicado la BUA destaca que “este descubrimiento resulta prometedor para la industria de las prótesis. Mediante materiales que reproduzcan o amplifiquen el efecto flexoeléctrico sería posible guiar la reparación tisular de manera que se mejorara la integración de una prótesis.

“El trabajo tiene implicaciones potenciales en el campo de las prótesis y en el desarrollo de materiales auto-reparables biomiméticos”. También es útil para diseñar prótesis con materiales más amigables para las células óseas.