第三节生物聚合物的压电特性10级

传感和换能作用
例如，1977年，提出生物材料的压电性可 把机械能转化成生物电流
如针刺治疗的针刺
传感和换能作用
人体对机械和热刺激的前期感受器显然与生 物聚合物的压电性和热电性能相关。
传感和换能作用
听觉感受器位于耳蜗基膜中的毛细胞中，毛细胞的弯曲运动产 生与声振幅成正比的电位，该现象称微音电位。其机制是毛细 胞的纤维状蛋白通过其压电效应起了机械－电换能作用。
一些生物聚合物的压电特性
名称 木材 二醋酸纤维薄膜 二醋酸纤维薄膜 骨 壳质 甲壳 腱 韧带 主动脉 d25 (10-9cgs· esu) 3 16 8 6 2 21 70 8 0.6 肌肉 筋 肌球蛋白薄膜 肌球蛋白薄膜 纤维蛋白薄膜 角 鲑精子DNA 小牛胸腺DNA 纤维素薄膜 名称 d25 (10-9cgs· esu) 12 2 0.3 1.5 6 55 0.3 0.05 100
毛细胞
传感和换能作用
皮肤中起压力感觉器作用的是帕西尼小体的末 端，被由胶原层组成的鳞茎样结构所包围，这 种结构起压电换能器作用。
生物大分子
纤维蛋白 环网络。 由纤维蛋白组成的凝胶可形成交联
例如，牛的血浆或牛的纤维蛋白水溶液中加入凝血酶 即可形成凝胶，用水充分清洗后压缩成薄膜，然后在 水合状态下延伸成各种尺寸。 试验表明，纤维蛋白薄膜的d常数与延伸度之间有线 性关系。
若薄膜充分干燥，则随温度增加d常数升高； 若膜含水，温度增加到0℃以上d常数下降，这可能是冰融化 后导致水泄漏所致。
c c d14 FC (d14 d 25 )/2
压电常数的测量
通常用动力学方法测定复合压电常数，把正 弦状的力加到样品上，测量得到的电压或电 荷。
压电常数的测量
待测样品
应变计
激荡器
恒温槽
压力测量计
运算电路 e’ e”
Baidu Nhomakorabea
电荷放大器
运算电路 d’ d”
压电常数e和d的测量原理图
二、一些生物物质的压电特性
合成多肽
1975年， Takashita首次 研究了不同分 子构象的聚γ －甲基－D－ 谷氨酸盐 （PMDG）压 电性与温度的 关系。 温度单位℃ 。
生物大分子
胶原 胶原是骨压电性的来源。在长骨中，胶 原纤维沿骨轴方向取向，其切变极化最明显。
酶溶解的骨胶原空气 干燥薄膜的e和d常数 与温度的关系
大分子溶液的压电性 生物体中的大分子多数 处于溶液态。 实验：1982年，在PMLG溶液中，相
距2cm的电极上加直流电压，在与 PMLG取向成45°方向上加上100Hz 的超声振荡，则在垂直于切应力平面的 两个电极间观测到100Hz的电振荡。
结果：加上直流电压后由PMLG分子逐 渐取向而发生的压电电压随时间变化， 结果提示，生物体内溶液态的蛋白质 分子也具有压电性。
h (
E T ) D 0 4 ( ) S 0 S D
压电特性和压电常数
压电常数通常可表示成复合量：
d d 'id "; e e'ie"; g g 'ig"; h h'ih";
常用的压电常数是e（压变应变常数）和d（压变应力常数）。
压电特性和压电常数
机械和电刺激与骨骼的生长
研究表明，在电场作用下成骨细胞与破骨细胞有不同的趋 电性。
适宜宜的电刺激可以促进未分化的间充质细胞活化为成骨 细胞，促进成骨细胞的增殖和分化，并可以通过成骨细胞 调控破骨细胞对骨的吸收，进一步调控骨的改建。 适宜的电刺激可以明显促进体外培养的成骨细胞的生物矿 化，形成钙结节，碱性磷酸酶的活性增加，胶原和骨钙蛋 白的分泌增加。 电磁可以诱导骨生长因子的表达上调，如胰岛素样生长因 子Ⅱ、形成蛋白2、转化生长因子β1、细胞内游离的钙离 子浓度。
机械和电刺激与骨骼的生长
实验证明，电刺激对处理困难的骨矫形和持 久性骨不愈合征有实用价值。 根据骨胶原压电效应的可逆性，在骨折治疗 中，可以综合施加各种方式的应力和电刺激， 施加的应力包括恒张力、压力或不同频率的 振动。
传感和换能作用
生物聚合物压电效应的换能作用和传感作用 引起人们极大兴趣。
液晶和溶液
生物体中有多种形式的液晶结构，最显著的 是细胞膜的类脂结构，由磷脂和胆固醇组成 的细胞膜框架，可以成平行双层或六角形排 列。 有人提出，细胞膜类脂有近似于晶体液晶结 构，具有由机械波传送信息的奇特功能。 对生物体液晶的结构和物理的及生理的功能 研究，引起研究者浓厚的兴趣。
液晶和溶液
压电特性和压电常数
一种物质由应力和应变而诱发出电场的现象，称正 向压电效应； 由外加电场而产生应变和应力的现象称逆压电效应。
压电特性和压电常数
压电常数是反应不同物质的应力或应变与电场相互关系特征 的一种物理量 有四种压电常数分别表示正效应和逆效应：
电位移 极化强度
1 D P d ( ) E 0 ( ) E 0 4 T T
机械应力
g (
E S ) D 0 4 ( )T 0 T D
压电常数 S d和g分别表示在短路时 ( ) T 0 （E=0）和开路（D=0） E 电场强度 条件下由单位应力引起 的电极化和电场； e和h表示由单位应变引 起的电极化和电场。
机械应变
1 D P T e ( ) E 0 ( ) E 0 ( ) S 0 4 S S E
第一章
第一节 第二节 第三节 第四节
生物电学
概述 生物聚合物的介电特性 生物聚合物的压电特性 人体组织和器官的电阻抗和电活动图
引入
生物组织普遍存在压电效应
1941年Martin首次观察到木材和毛发的压电效应。 70 年代以来发现多种生物大分子和生物组织都具 有压电效应，一些合成多肽和光学活性聚合物也 表现出压电效应。 在对取向的固态生物聚合物进行定量研究时发现： 生物聚合物和合成多肽的液晶态和大分子溶液也 具有压电效应。
压电特性和压电常数
压电常数数值与物质结构的诸因素相关。
例如，木材的压电性来源于纤维素晶体的压电 特性，木材的压电常数d14与其密度ρ、分子团 取向度FC 和结晶度Φ有关。 一般而言，当大量晶体在样品的Z轴方向取向时， d14与取向度FC 、结晶度Φ和剪切压电常数dC14 与dC25的平均值成正比：
骨和韧带 把干燥的骨一端固定，另一端弯 曲时，附在骨上各部位的电极之间就会出现 电位差。因为骨的形状复杂，故与应力相对 应的极化分布也很复杂。
大腿骨压缩时的压电电位分布（电压单位mV)
液晶和溶液
液晶的弯曲压电性
液晶有三种形变：倾斜、弯曲和扭转。 液晶中的压电效应是由弯曲形变产生的，而不 是象固体晶体那样由切应变或张应变产生压电 性。因此，有对称中心的晶体结构无压电性， 而有对称中心的液晶却有压电性。
一种物质的压电性与其晶体的对称性有关，采用Z轴 为取向轴的正交坐标系表达正向压电效应时，应力 用6个张量分量表示，则d系数要用dij的18个分量表 示为矩阵形式。 根据不同材料的对称性，可以简化矩阵。
如拉伸制备的合成多肽薄膜可用 D∞（∞2）表示为：
0 0 0
0 0 0
0 0 0
d14 0 0 0 -d14 0 0 0 0
三、压电的生理意义和医学应用
机械和电刺激与骨骼的生长 传感和换能作用
机械和电刺激与骨骼的生长
Friedenberg等观测到，在兔的有干骺端生长的骨 中，直流电位与干骨比较显负电性，当骨折时，骨 折部位可看到最大的负电位。 研究发现，成骨细胞在负极化区被激活，破骨细胞 在正极化区被激活。 运动对保持骨中成骨细胞的活性至关重要，因为运 动可使骨上的应力产生压电和流动电位，从而保持 骨细胞的新陈代谢活性。 另报道，长时间失去重力作用情况下骨的重量会减 轻。
生物大分子
多糖

木材中的正向和逆向压电效应可用纤维素的微晶压电性说明。
木材用液氨、氢氧化钠等处理后压电常数显著增加。 二醋酸纤维素由晶相和取向的非晶相组成，二者都有压电性。
1976年测定了晶相 压电常数和非晶相压 电常数与温度的关系 dc为结晶相的参数 da为非结晶相的参数 温度单位℃
生物组织
引入
对生物聚合物的压电特性及其应用的研究， 有助于深入认识一些生命活动的本质和规律， 在医学诊断和治疗，生物医学工程等方面有 着广阔的应用前景。
第三节 生物聚合物的压电特性
生物聚合物的压电特性 一些生物物质的压电特性 压电的生理意义和医学应用
一、生物聚合物的压电特性
1. 压电特性和压电常数 2. 压电常数的测量
合成多肽 生物大分子 生物组织 液晶和溶液
合成多肽
合成多肽仅由一种氨基酸构成，多肽分子有 结晶态和非结晶态两种构型。 结晶态又有α－螺旋和β－折叠两种立体构象。 只有高结晶度和高取向度的合成多肽才有明 显的压电效应。 利用在磁场中取向和压延的方法制备测试样 品，得到一些合成多肽的压电参数。
机械和电刺激与骨骼的生长
已有不少用外加电刺激促进骨生长的实验。 例如
在兔的大腿骨上装上螺旋正电极和线状负电极，连续三 周通以1μA直流电，可看到从负极到正极方向的软组织 长出假骨。 用Teflon驻极体薄膜或PMLG薄膜把折断的兔股骨包裹 起来，四周后，在薄膜上生长出桥样的刚性骨。 近年，出现直流、交流、脉冲和电磁场等方法治疗骨折 的技术。
d14称为剪切压电常数。由于生物聚合物通常是不均匀的，不 能严格符合压电常数的矩阵表达式。
压电特性和压电常数
实验研究表明，骨和腱等已测到d13和d33分量 的压电性，它相当于具有C∞（∞）对称： 0 0 0 d14 d15 0 0 0 0 d15 -d14 0 d31 d32 d33 0 0 0 对极性高分子、压电陶瓷粉末与高分子的复 合物等，可预期符合C∞v对称，即简化为只有 d15、d31、d33分量。