Forskere kommer direkte til hjertet af piezoelektriske væv

Årevis, forskere har spekuleret på, om hjertet og tilstødende kar kunne have udviklet sig til at være piezoelektriske, hvilket betyder, at vævet kan generere en elektrisk ladning, når det klemmes. De troede, at hjertet måske udnytter dette elektromekaniske forhold til at drive årtiers kontinuerlige slag. Mens nogle undersøgelser har støttet tanken om, at aortas vægge er piezoelektriske eller endda ferroelektriske, hvor permanente elektriske dipoler kan skiftes af et elektrisk felt, den seneste forskning finder ingen beviser for disse egenskaber.

Et samarbejde mellem tyske forskere undersøgte spørgsmålet ved at teste prøver af svine aorta ved hjælp af en traditionel opsætning, kendt som Sawyer-Tower, at detektere ferroelektricitet. Deres eksperimenter tyder på, at aorta ikke har nogen særlige egenskaber, og fungerer i stedet som et standard dielektrisk materiale, der ikke leder strøm. De rapporterer disse fund i denne uge i Anvendt fysik bogstaver .

Forskere indså først, at biologiske væv kan være piezoelektriske i 1950'erne, da japanske forskere Eiichi Fukada og Iwao Yasuda opdagede denne egenskab i knoglevæv. I slutningen af ​​1800 -tallet, videnskabsmænd vidste, at knogler styrker sig som reaktion på påført stress, men senere forskning viste, at knoglekompression genererer en elektrisk ladning, som stimulerer biologiske processer til at styrke knoglevæv. Siden da, forskere har opdaget piezoelektricitet i andre væv, herunder luftrøret, tarmene, muskelfibre og endda hummerskaller.

Nylige undersøgelser ved hjælp af en teknik kaldet piezoresponse force microscopy (PFM) viste tegn på, at griseortaer ikke kun er piezoelektriske, men også ferroelektriske, hvilket er en forudsætning for piezoelektricitet i uordnede materialer. PFM er en kraftfuld teknik til påvisning af piezoelektricitet og ferroelektrisk kobling, men kan kun adressere områder i mikrometerstørrelse. I øvrigt, i ferroelektricitetstest, teknikken kan skabe vildledende artefakter.

"Der var meget kontrovers om dette emne, "sagde Thomas Lenz fra Max Planck Institute for Polymer Research og en af ​​forfatterne til undersøgelsen. Han og kolleger vejede ind på diskussionen ved hjælp af et simpelt Sawyer-Tower-setup, først brugt af C.B. Sawyer og C.H. Tårn til måling af ferroelektriske hysteresesløjfer i 1929.

Sawyer-Tower-teknikken indebærer at anvende et elektrisk felt på et materiale og derefter måle den resulterende elektriske forskydning. Kombineret med en fotonisk sensor, forskere kan samtidig måle, hvordan materialet ændrer form som reaktion på strømmen. I modsætning til PFM, teknikken giver kvantitative resultater på elektromekaniske egenskaber i stor skala.

Forskerne arbejdede med biologer og anæstesiologer fra University Medical Center Mainz, i Tyskland, at skaffe grise -aortaer. De bevarede aortastykker på samme måde som de tidligere undersøgelser ved hjælp af PFM. De fandt ud af, at når de påførte et elektrisk felt over et centimeter stort stykke væv, det ændrede form som ethvert dielektrisk materiale, der viser elektrostriktion.

Hvis hjertet eller andre væv var ferroelektriske og piezoelektriske, så ville de skulle bestå af en biopolymer med en polær krystalstruktur. For aorta, dette er yderst usandsynligt, fordi dets vægge har en kompleks anatomisk struktur, der er ulig knogler, hvor den polare struktur af kollagen giver deres fascinerende piezoelektriske egenskaber.

"Vi kunne ikke se tegn på piezoelektricitet eller ferroelektricitet, og vi tænkte, at vi skulle bidrage med det til den videnskabelige diskussion, "sagde Lenz, bemærker, at deres arbejde kun er en bevislinje om dette emne. "Det er ærgerligt. Jeg ville gerne have studeret det nærmere."