基于扫描探针显微方法对生物组织压电性和类铁电性的研究
发布时间：2021-07-17 10:59
自从在生物体中发现压电性以来,人们对生物组织的力电耦合效应进行了广泛的研究,结果表明压电性是生物组织的一种基本属性,在生物组织的损伤自我修复等生理工程中具有重要意义。近年来,借助扫描探针显微方法,人们发现生物组织不仅具有压电性,而且具有类铁电现象,并与生物体的疾病演变存在相互关联。然而,当前微观尺度上的生物压电性和铁电性研究尚处于起步阶段,规律性研究较少,压电性和类铁电性的微观起源尚不明确。基于此,本论文首先选取小鼠血管组织以及鼠肺组织为研究对象,结合传统的和新发展的扫描探针显微方法和分析理论,探究血管组织和肺组织的压电性和类铁电性的规律性,讨论其可能的生理影响。在此基础上,以猪血管组织中的胶原蛋白纤维为研究对象,基于新发展的时序激励压电响应力显微方法表征胶原蛋白纤维周期性结构和其压电响应之间的关联,从而进一步探究生物压电性的微观起源。本文的研究内容包括以下几个方面:（1）小鼠血管组织的压电性和极性翻转研究。以小鼠血管组织为研究对象,探究了血管组织面外和面内的线性和非线性谐振响应,研究了血管组织面外和面内的局域压电性,探讨了血管组织的极化翻转行为与直流电压幅值和循环周期之间的关联。结果...
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：118 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?（ａ）电介质材料、压电材料、热释电材料和铁电材料之间的关系；（ｂ）铁电体的??极化在外加电场作用下翻转Ｗ??
?湘潭大学博士论文???者多个晶向之间发生变化。进而产生其电极化随着电场的大小和方向改变而改变??的非线性迟滞效应，这也是铁电材料的一个典型特征。因此，具有铁电性的材料??一定具有压电性，而具有压电性的材料并不一定具有铁电性，其之间的关联如图??１．１（ａ）所示［６】，而铁电材料可能的极化方向及其翻转如图１．１（ｂ）所示［６】。由于这些??不同的极化方向，铁电材料中存在许多不同的小区域，称之为“畴”。在每一个??畴内，其极化方向相同，而极化方向不同的畴之间则形成畴壁。??１．１．２压电材料与铁电材料??压电材料，顾名思义，是指具有压电效应的材料，能够在外界应力的作用下??在表面产生电荷，同时也能在外加电场的作用下发生形变。与压电材料不同的是，??铁电材料在处于低于居里温度的环境时，具有自发的极化，即在不受到外界应力??和偏压的作用下，也存在有电偶极矩，而且电偶极矩的极化方向在受到外电场的??作用时，可以沿着不同的晶向改变，得到铁电材料中典型的相位迟滞回线和振幅??蝶形曲线，如图１．２所示Ｗ。当撤掉外加电场后，铁电材料中仍保留有剩余极化，??而且剩余极化会在外界应力的作用下改变［７］。因此，铁电材料一定是压电材料，??具有压电材料所显示的特性，而压电材料并不一定是铁电材料。典型压电材料的??压电性能如表１．１所示。??（ａ）?°－｛，ｍ?（ｂ）?ｆ；??，齋會??图１．２铁电体的（ａ）相位迟滞回线和（ｂ）振幅蝶形曲线［６Ｉ??自居里兄弟在石英晶体中发现压电效应以来，最初的压电材料主要源于自然??存在的压电材料，如石英、电气石和罗息盐等［８］。这些材料的压电系数较低，限??制了它们的使用范围。随着研究的深
部旋转，导致了生物材料中的压电效应。相比??于传统的无机压电材料，生物组织的压电性非常微弱，如表１．２所示［３３］。??Ｐｈａｓｅ?Ｕｎｉｔ?ｃｅｌｌ??Ｑｕａｒｔｚ?Ｃｒｙｓｔａｌ????ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ??１?ｎｉ?１０?ｍｍ?（Ｕ?ｍｍ?１?ｎｍ?Ｕ）?ｎｍ?１?Ａ??Ｉ?１丨丨１１＂．＿—?ｉ丨Ｉ丨丨■■■■■＿＿■?Ｉ?丨丨丨丨｜丨丨丨＂丨丨ｉ?１?１?ｙ—?Ｉ???Ｉ?１??－Ｍｉｌ?Ｋｉ??Ｍｏｕｓｅ?ｏｅ／／?Ｍｏｌｅｃｕｌｅ??图１．３无机体系和生物体系中不同尺度的力电耦合现象Ｍｌ??对于生物组织压电性的研究，还有一点值得注意，由于生物组织一般处在一??定的生理环境中，因此生物组织中含水量的多少和组织所处环境等对其压电性的??影响非常重要，其中水分是最主要的关注点之一［２９，３６１。有许多相关研究工作报道，??无论是自然的还是重新组装的胶原蛋白纤维，其压电性均受到含水量的影响［３６，３７］。??Ａｎｄｅｒｓｏｎ等Ｍ通过对跟腱中胶原蛋白纤维压电性的研宄指出，干燥的胶原蛋白??纤维表现出很强的压电性，但是完全含水的胶原蛋白纤维并不具有压电性，其在??受到应力时产生的电信号实际上是流动电势。１９７５年，？＾拍〇等【３８］在研宄水分对??胶原蛋白压电性的影响时，认为胶原蛋白分子中的极化残基与水分子相结合，从??而导致胶原蛋白的压电响应随着含水量的增加而减校此外，含水量对骨头压电??性的影响也多有报道＾２９＇３９＂４１］。１９７０年，Ａｎｄｅｒｓｏｎ等［４２］在研宄了水分对跟腱中胶??原蛋白纤维压电性的影响之后，接着研究了水分对骨头压电性的影响。他们发现，??含有水分的骨头的
【参考文献】：
期刊论文
[1]血红蛋白氧亲和力在临床应用的研究进展[J]. 褚宗棠,王瑛,赵莲,周虹. 临床输血与检验. 2019(02)
[2]Mapping intrinsic electromechanical responses at the nanoscale via sequential excitation scanning probe microscopy empowered by deep data[J]. Boyuan Huang,Ehsan Nasr Esfahani,Jiangyu Li. National Science Review. 2019(01)
[3]高频通气的研究进展[J]. 孙希武. 临床荟萃. 1992(06)
本文编号：3288043
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：118 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?（ａ）电介质材料、压电材料、热释电材料和铁电材料之间的关系；（ｂ）铁电体的??极化在外加电场作用下翻转Ｗ??
?湘潭大学博士论文???者多个晶向之间发生变化。进而产生其电极化随着电场的大小和方向改变而改变??的非线性迟滞效应，这也是铁电材料的一个典型特征。因此，具有铁电性的材料??一定具有压电性，而具有压电性的材料并不一定具有铁电性，其之间的关联如图??１．１（ａ）所示［６】，而铁电材料可能的极化方向及其翻转如图１．１（ｂ）所示［６】。由于这些??不同的极化方向，铁电材料中存在许多不同的小区域，称之为“畴”。在每一个??畴内，其极化方向相同，而极化方向不同的畴之间则形成畴壁。??１．１．２压电材料与铁电材料??压电材料，顾名思义，是指具有压电效应的材料，能够在外界应力的作用下??在表面产生电荷，同时也能在外加电场的作用下发生形变。与压电材料不同的是，??铁电材料在处于低于居里温度的环境时，具有自发的极化，即在不受到外界应力??和偏压的作用下，也存在有电偶极矩，而且电偶极矩的极化方向在受到外电场的??作用时，可以沿着不同的晶向改变，得到铁电材料中典型的相位迟滞回线和振幅??蝶形曲线，如图１．２所示Ｗ。当撤掉外加电场后，铁电材料中仍保留有剩余极化，??而且剩余极化会在外界应力的作用下改变［７］。因此，铁电材料一定是压电材料，??具有压电材料所显示的特性，而压电材料并不一定是铁电材料。典型压电材料的??压电性能如表１．１所示。??（ａ）?°－｛，ｍ?（ｂ）?ｆ；??，齋會??图１．２铁电体的（ａ）相位迟滞回线和（ｂ）振幅蝶形曲线［６Ｉ??自居里兄弟在石英晶体中发现压电效应以来，最初的压电材料主要源于自然??存在的压电材料，如石英、电气石和罗息盐等［８］。这些材料的压电系数较低，限??制了它们的使用范围。随着研究的深
部旋转，导致了生物材料中的压电效应。相比??于传统的无机压电材料，生物组织的压电性非常微弱，如表１．２所示［３３］。??Ｐｈａｓｅ?Ｕｎｉｔ?ｃｅｌｌ??Ｑｕａｒｔｚ?Ｃｒｙｓｔａｌ????ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ??１?ｎｉ?１０?ｍｍ?（Ｕ?ｍｍ?１?ｎｍ?Ｕ）?ｎｍ?１?Ａ??Ｉ?１丨丨１１＂．＿—?ｉ丨Ｉ丨丨■■■■■＿＿■?Ｉ?丨丨丨丨｜丨丨丨＂丨丨ｉ?１?１?ｙ—?Ｉ???Ｉ?１??－Ｍｉｌ?Ｋｉ??Ｍｏｕｓｅ?ｏｅ／／?Ｍｏｌｅｃｕｌｅ??图１．３无机体系和生物体系中不同尺度的力电耦合现象Ｍｌ??对于生物组织压电性的研究，还有一点值得注意，由于生物组织一般处在一??定的生理环境中，因此生物组织中含水量的多少和组织所处环境等对其压电性的??影响非常重要，其中水分是最主要的关注点之一［２９，３６１。有许多相关研究工作报道，??无论是自然的还是重新组装的胶原蛋白纤维，其压电性均受到含水量的影响［３６，３７］。??Ａｎｄｅｒｓｏｎ等Ｍ通过对跟腱中胶原蛋白纤维压电性的研宄指出，干燥的胶原蛋白??纤维表现出很强的压电性，但是完全含水的胶原蛋白纤维并不具有压电性，其在??受到应力时产生的电信号实际上是流动电势。１９７５年，？＾拍〇等【３８］在研宄水分对??胶原蛋白压电性的影响时，认为胶原蛋白分子中的极化残基与水分子相结合，从??而导致胶原蛋白的压电响应随着含水量的增加而减校此外，含水量对骨头压电??性的影响也多有报道＾２９＇３９＂４１］。１９７０年，Ａｎｄｅｒｓｏｎ等［４２］在研宄了水分对跟腱中胶??原蛋白纤维压电性的影响之后，接着研究了水分对骨头压电性的影响。他们发现，??含有水分的骨头的
【参考文献】：
期刊论文
[1]血红蛋白氧亲和力在临床应用的研究进展[J]. 褚宗棠,王瑛,赵莲,周虹. 临床输血与检验. 2019(02)
[2]Mapping intrinsic electromechanical responses at the nanoscale via sequential excitation scanning probe microscopy empowered by deep data[J]. Boyuan Huang,Ehsan Nasr Esfahani,Jiangyu Li. National Science Review. 2019(01)
[3]高频通气的研究进展[J]. 孙希武. 临床荟萃. 1992(06)
本文编号：3288043
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