Μαλακοί βιολογικοί ιστοί μπορούν να δημιουργήσουν πιεζοηλεκτρισμό

Πιέστε έναν κρύσταλλο χαλαζία και θα δημιουργηθεί μια ηλεκτρική διαφορά δυναμικού. Αυτή η ηλεκτρομηχανική σύζευξη, γνωστή ως πιεζοηλεκτρισμός, αξιοποιείται σε πολλές εφαρμογές, από ωρολόγια χαλαζία και αναπτήρες τσιγάρων μέχρι ενισχυτές για κιθάρες. Το φαινόμενο εμφανίζεται σε κρυστάλλους και κεραμικά, αλλά επίσης και σε βιολογικά στερεά όπως τα οστά. Τώρα, ο Kenji Ikushima και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο Γεωργίας και Τεχνολογίας του Τόκιο έχουν τεκμηριώσει την πρώτη περίπτωση πιεζοηλεκτρισμού σε ενυδατωμένους ιστούς – ένα εύρημα που θα μπορούσε να έχει βιοϊατρικές εφαρμογές.

Ο πιεζοηλεκτρισμός απαιτεί τακτοποίηση των ηλεκτρικών διπόλων σε ένα υλικό, πράγμα το οποίο είναι ευκολότερο σε κρυστάλλους παρά σε υλικά χωρίς τάξη. Σε βιολογικά στερεά, όπως τα οστά, μπορεί να προκύψει από την ευθυγράμμιση μακρών πολικών πρωτεϊνών γνωστών ως κολλαγόνα. Ωστόσο, μέχρι τώρα, ήταν ασαφές αν κολλαγόνα σε ιστούς που είναι υγροί και μαλακοί θα μπορούσαν επίσης να παραγάγουν αυτό το φαινόμενο. Για να ελέγξει αυτή την δυνατότητα, η ομάδα στόχευσε κομμάτια από αχίλλειους τένοντες, τοιχώματα αορτής και καρδιακές βαλβίδες με διαμορφωμένα κύματα υπερήχων, τα οποία παρήγαγαν μηχανικές πιέσεις στα δείγματα. Σε ένα πιεζοηλεκτρικό υλικό, αυτή η πίεση θα προκαλέσει μια ηλεκτρική χρονικά μεταβαλλόμενη πόλωση, η οποία ακτινοβολεί ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που μπορεί να εντοπιστεί από μια πολύ μικρή κεραία. Η ομάδα ανίχνευσε τέτοιο σήμα, αποκαλύπτοντας πιεζοηλεκτρισμό σε αυτούς τους μαλακούς ιστούς.

Η ομάδα μετέφρασε τις μετρήσεις της σε τομογραφικές εικόνες που δείχνουν την κατανομή του κολλαγόνου στους ιστούς. Οι εικόνες αυτές, λένε οι ερευνητές, θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε καινοτόμα διαγνωστικά εργαλεία. Σε επερχόμενη εργασία, τα μέλη της ομάδας σχεδιάζουν να διερευνήσουν αυτή την δυνατότητα μελετώντας αν η διάταξή τους μπορεί να αποκαλύψει είτε την αποδόμηση των μορίων του κολλαγόνου ή τις αλλαγές στην κατανομή τους που αναμένονται να συμβούν στην οστεοπόρωση ή την ίνωση – ασθένειες που επηρεάζουν την δομική συνοχή οστών και οργάνων, αντίστοιχα.