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Carmen Mueller-Karger, Sara Wong, Alexandra La Cruz (Eds.): CLAIB 2007, IFMBE Proceedings 18, pp. 659–662, 2007
www.springerlink.com © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007
Influencia de la piezoelectricidad del colágeno tipo I en la adhesión celular
A.M. Ferreira1, K. Noris-Suárez1, A. Bello1, A.H. Marquez1, J.L. Feijoo2 y J. Lira-Olivares3.
1 Universidad Simón Bolívar/Dpto. de Biología Celular, Lab. Bioquímica Clínica y Molecular, Caracas, Venezuela.
2 Universidad Simón Bolívar / Dpto. de Ciencia de los Materiales, GPUSB, Caracas, Venezuela.
3 Universidad Simón Bolívar / Centro de Ingeniería de Superficies, CIS, Caracas, Venezuela.
Abstract—Bone healing and growth are controlled by the
rate of deposition of hydroxyapatite (HA). This process have
been so far accredited to the work of osteoblasts, which are
attracted by the electrical dipoles produced either by piezo-
electricity, due to deformation of the bone, specially the colla-
gen in it, or due to outside electrical stimuli. The main purpose
of this work was to study the influence of the cortical bone
collagen piezoelectricity effect, on the osteoblastic cells orienta-
tion. To evaluate the cellular adhesion on the cortical bone
collagen subject to deformation, bone cells of newborn cal-
varia’s rats were extracted. The bone collagen was prepared
and deformed following the specifications described in earlier
studies. The results of this study shown that the piezoelectric
phenomena of bone collagen promotes the cell’s adhesion on
the compression side more than tension side compared with
undeformed surface. Further studies ascertaining the os-
teoblastic activity due to the electric field are being advanced.
Palabras claves— hidroxiapatita, colágeno, osteoblastos,
piezoelectricidad, tejido oseo.
I. INTRODUCCIÓN
El incremento del número de personas que cada año
sufren traumas o enfermedades óseas se traduce en un
aumento de intervenciones quirúrgicas o tratamientos para
la reparación de estas deficiencias óseas. Es por ello que día
tras día la búsqueda de materiales sintéticos biocompatibles
que puedan ser usados en dispositivos médicos destinados a
interaccionar con sistemas biológicos que puedan cumplir
las funciones del tejido se ha intensificado. En la actualidad
el uso de ciertos materiales inertes tales como metales y
cementos óseos han sido usados ampliamente. Sin embargo
dado que el hueso es un tejido vivo que sufre
constantemente modificaciones en ciertos casos, estos
materiales no son compatibles con el tejido y por lo tanto
son rechazados por el sistema inmune del cuerpo.
Dadas estas limitaciones se busca mimetizar fenómenos
que ocurren en el cuerpo humano, implementando nuevas
estrategias para crear reemplazos de tejidos más completos
para la reparación de los defectos y enfermedades óseas. La
integración de un material apropiado que funcione como
soporte de las células regeneradoras del hueso para que
puedan proliferar y diferenciarse va a depender de las
características de la superficie del material (estructura,
composición y ciertas propiedades).
Se ha demostrado, de acuerdo a la ley de Wolf, que si el
hueso sufre una deformación progresiva esta produce una
estructura anatómica la cual es capaz de resistir la fuerza
aplicada, generándose un crecimiento en la zona cóncava
(compresión) y degradación en la zona convexa (tensión).
Partiendo de esta ley diversos trabajos se han realizado en
este campo. Iwao Yasuda (1957) fue el primero en
demostrar que el hueso seco es un piezoeléctrico, ya que al
someter el hueso a cierta deformación mecánica este
generaba impulsos eléctricos que estimulaban el
crecimiento óseo en concordancia con la ley de Wolf [1].
El proceso de reconstrucción de los huesos se relaciona
con un proceso bioquímico, sin embargo las características
piezoeléctricas del hueso, sugieren que el crecimiento puede
ser afectado y/o controlado por los potenciales producidos
por compresión o tensión del hueso y/o colágeno.
Ciertos materiales biológicos como el colágeno y
biopolímeros exhiben una orientación polar uniaxial de los
dipolos en su estructura molecular y pueden ser
considerados como bioeléctricos. Dichos materiales pueden
ser piroeléctricos y/o piezoeléctricos [2]. El colágeno
comprende el 90% de la matriz ósea y junto con la
hidroxiapatita (HA), gobierna las propiedades biomecánicas
y la integridad funcional del este tejido [3].
La piezoelectricidad en colágeno óseo y su influencia en
la fisiología y funcionalidad en el hueso ha sido altamente
estudiada. Sin embargo el proceso de mineralización ha sido
atribuido fundamentalmente a la actividad de los
osteoblastos (células regeneradoras de los huesos) las cuales
son atraídas eléctricamente por los dipolos generados por el
efecto piezoeléctrico al deformar el hueso, especialmente el
colágeno, por un estímulo eléctrico externo. [4].
En trabajos anteriores se ha demostrado que el efecto
piezoeléctrico del colágeno generado al deformar el material
favorece la deposición de la hidroxiapatita (HA) en la zona
cargada negativamente, es decir sometida a compresión
(Ver figura 1). [5]
El objetivo del presente estudio es determinar la
influencia del efecto piezoeléctrico del colágeno tipo I en la
orientación celular, generado al aplicarse un esfuerzo
mecánico.
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Fig. 1 Modelo esquemático de proceso de mineralización [5]
II. MÉTODOS
A. Preparación del colágeno
El colágeno óseo se obtuvo de los miembros posteriores
de conejos New Zeland, siguiendo el procedimiento descrito
por Noris-Suárez et al. [5]
B. Deformación del colágeno
En la deformación del colágeno se utilizó la técnica
descrita por Noris-Suárez et al. [5], doblando en el interior
de un tubo de 0,6 cm de diámetro la muestra de colágeno,
con la diferencia que no solo se deformó con el endostio en
compresión sino también en tensión (ver figura 3).
C. Adhesión y cuantificación celular
Con el propósito de evaluar el fenómeno piezoeléctrico
del colágeno del hueso sobre la adhesión celular se
extrajeron de calvaria de ratas neonatas, células
ósteoprogenitoras siguiendo el método descrito por Noris-
Suárez et al [6]. A fin de evaluar la adhesión celular sobre el
material colagénico se sumergieron las muestras de
colágeno deformadas y sin deformar (control) en una
suspensión celular que contenía 3x105 cel/ml en medio de
cultivo DMEM (el ensayo se realizó por duplicado). Las
células con el colágeno fueron incubadas durante 2 horas a
370C con una atmósfera de 5% CO2 y 95% de humedad (ver
figura 2). Las muestras fueron retiradas de la suspensión y
lavadas con buffer fosfato salino (PBS por sus siglas en
inglés). El número de células adheridas por cada superficie
(cara interna y externa del hueso, sometida o no a
deformación) se cuantificó empleando el kit comercial
Cyquant (Invitrogen, USA). Este se fundamenta en la
tinción del material nuclear de la célula (ADN) con un
compuesto fluorescente. Para lisar las células adheridas y
cuantificar el material nuclear total de la preparación
relativo al número de células presentes (por cada condición
evaluada), se incubaron las muestras a -70 0C durante 30
minutos e inmediatamente se descongelaron a temperatura
ambiente. El material fue solubilizado con el buffer
suministrado en el kit y el número de células adheridas fue
cuantificado empleando un fluorímetro a las longitudes de
onda λ= 480 nm de excitación y λ= 520 nm de emisión.
Previamente se realizó una curva de calibración con una
suspensión celular, siguiendo las instrucciones del kit.
III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En trabajos previos [5, 7] se reportó la capacidad del
colágeno óseo de inducir deposición de mineral cuando este
era deformado, mediado por el efecto piezoeléctrico en
presencia de fluido simulado del cuerpo. En estos trabajos
se demostró que la deposición del mineral ocurre en la cara
sometida a compresión (cargada negativamente, ver figura 1
y 4).
A pesar de que en diversos trabajos se ha discutido sobre
el efecto que ejerce el fenómeno de piezoelectricidad del
colágeno sobre las células óseas, no existen estudios que
Fig.2 Esquema del montaje experimental para la adhesión celular
Fig.3 Esquema de deformación del colágeno óseo
Influencia de la piezoelectricidad del colágeno tipo I en la adhesión celular 661
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demuestren que efectivamente la adhesión de las células
óseas se puede orientar por este fenómeno.
Utilizando el Kit Cyquant se pudo determinar la cantidad
de células adheridas en la superficie del colágeno y
comparar la adhesión celular sobre las muestras que
sufrieron deformación respecto al control (material sin
deformar). Se quiso evaluar la influencia de la apariencia
superficial de cada cara (endostio o periostio) del material
óseo, a fin de descartar que ésta fuera importante para el
fenómeno de adhesión. Por ello las muestras fueron
deformadas sometiendo en un caso la superficie del
endostio a compresión y en otro caso a tensión. Viceversa,
el periostio sometido a tensión en un caso, y a compresión
en el otro (ver figura 3).
Se encontró que el número de células que se adhirieron
en la superficie de colágeno difieren entre las muestras
comparadas. Para las muestras sometidas a deformación en
presencia de la suspensión celular se encontró que en la
zona correspondiente al endostio (cara interna del hueso)
había un mayor número de células adheridas en el área
sometida a compresión en comparación con esa misma
superficie sometida a tensión (ver tabla 1 y figura 3).
En la zona correspondiente al periostio (parte externa del
hueso) se encuentra que la cantidad de osteoblastos
adheridos en el área sometida a compresión es ligeramente
mayor que en esa misma área cuando es sometida a tensión
(ver tabla 1 y figura 5).
Por otra parte, comparando el área de compresión en
ambas zonas, endostio y periostio, se observa que la
adhesión celular es similar y que la pequeña variabilidad se
encuentra dentro del rango de error. Sin embargo en el área
de tensión la adhesión celular es mayor en la zona del
periostio respecto a la del endostio (ver tabla 1).
En general, se adhiere un mayor número de células en la
superficie del material deformado respecto al sin deformar
(ver tabla 1y figura 5).
El efecto piezoeléctrico parece afectar la orientación de
la adhesión celular en el colágeno en particular, cuando es
deformado en compresión. De ello se deduce que la
polaridad negativa (compresión) generada al deformar el
colágeno induce una mayor adhesión celular comportándose
de manera similar al fenómeno de deposición encontrado
para la hidroxiapatita reportada en experimentos anteriores
[5].
De acuerdo a lo expuesto anteriormente se propone un
modelo que permita explicar esta orientación. Cuando la
superficie se encuentra cargada positivamente la adhesión
celular puede ocurrir para favorecer una degradación del
material regulando los osteoclastos e induciendo
osteoclastogénesis. En el caso inverso, cuando la superficie
se encuentra polarizada negativamente la adhesión de los
osteoblastos inhibe la osteogénesis y promueve una
formación ósea (ver figura 6).
IV. CONCLUSIONES
La adhesión celular en las diferentes superficies es
afectada por la distribución de cargas generadas por el
efecto piezoeléctrico, encontrándose que las células se
orientan y adhieren con una mayor predisposición hacia la
zona cargada negativamente (compresión). Se requieren
otros estudios para entender mejor como la
Fig.4 Micrografías obtenidas por MEB de la deposición
preferencial de la HA en ambos lados deformados del [5]
Tabla 1. Células adheridas según la zona y condición experimental.
Deformación Endostio
(cel x103)
Periostio
(cel x103)
Compresión 45 ± 7 48 ± 5
Tensión 33 ± 1 43 ± 5
Sin deformar 38 ± 5 34 ± 5
Fig. 5 Esquema de la adhesión celular en las diferentes deformaciones
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piezoelectricidad del material estaría regulando las
funciones celulares.
RECONOCIMIENTOS
El presente trabajo fue financiado por fondos
provenientes de FONACIT (proyectos LAB-2000001152,
G-200100900 y G-2005000173) y del Decanato de
Investigación y Desarrollo de la Universidad Simón Bolívar
por el apoyo al programa de Grupos GID-02 y Fondo
Trabajo PPI (Prof Jose Luis Feijoo)
REFERENCIAS
1. Fukada E., Yasuda I. et al. (1957) On the piezoelectric effect
of bone. J. Phys. Soc. Jpn 10: 1158–1162.
2. Silva C., Thomazini D. et al. (2001) Collagen-Hydroxyapatite
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3. Knott L., Bailey A. (1998) Collagen cross-links in mineraliza-
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relevance. Bone 22: 181–187
4. Young R. W., (1966) The control of cell specialization in
bone. Clin Orthop. Relat. Res. 45: 153-156
5. Noris-Suárez K., Lira-Olivares J. et al (2007) In Vitro Deposi-
tion of Hydroxyapatite on Cortical Bone Collagen Stimulated
by Deformation-Induced Piezoelectricity. 8(3): 941-948.
6. K. Noris-Suárez, I. Barrios de Arenas et al (2005) Caracteri-
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del sistema SiO2.Na2O.CaO K2O.MgO.P2O5 modificados
con Al2O3 y B2O3. Rev. Latin. Am. Met. Mat. 23: 82-88.
7. Noris-Suárez K., Lira -Olivares J., Ferreira A. M., Graterol
A., Feijoo J. L., Lee S. W.. (2007) Electrochemical influence
of collagen piezoelectric effect in bone healing Mat. Sci.
Forum 544- 545: 981-984
Autor de correspondencia:
Autor: Karem Noris Suárez
Instituto: Universidad Simon Bolivar
Calle: Carretera Nacional de Baruta
Ciudad: Caracas
País: Venezuela
E-mail: knoris@usb.ve
Fig. 6 Modelo propuesto de regulación de la funcionalidad celular
según la adhesión preferencial de las células óseas.