Сухожилия и клапаны сердца оказались пьезоэлектриками

Физики зафиксировали электромагнитный отклик при воздействии ультразвуком на образцы мягких тканей животных. Успешная регистрация наблюдалась для сухожилий, стенок аорты и клапанов сердца. При этом сигнал от жировой ткани и мышцы сердца оказался гораздо слабее. Обнаружение генерации доказывает пьезоэлектрические свойства невысушенных биологических тканей и может стать основой новых методов медицинской диагностики, пишут авторы в журнале Physical Review Letters.

Пьезоэлектрический эффект заключается в электрической поляризации некоторых кристаллов под воздействием механических деформаций. Наиболее строгое определение этого явления предполагает только неорганические монокристаллы без центральной симметрии. Однако известны примеры органических веществ и неорганических поликристаллов, проявляющих пьезоэлектрические свойства.

Электромеханическая природа пьезоэлектричества позволила найти этому феномену широкое применение на практике. К наиболее распространенным можно отнести создание искры в зажигалках (прямой пьезоэлектрический эффект) и генерацию стабильных колебаний в кварцевых часах (обратный пьезоэлектрический эффект).

В последние годы выяснилось, что подобные свойства также могут проявлять биологических образцы. Сперва это продемонстрировали на костях, а затем на ряде высушенных мягких тканей. Однако данные на этот счет противоречивы, так как в некоторых других работах подобного не обнаруживалось. Еще менее понятна ситуация была с невысушенными тканями, что объясняется ограниченностью экспериментальных методик и возникновением в случае присутствия заметного количества воды двойного электрического слоя из ионов, который компенсирует поверхностный заряд.

Кэндзи Икусима (Kenji Ikushima) и его коллеги из Токийского университета сельского хозяйства и технологий разработали новый способ изучения влажных тканей и обнаружили пьезоэлектрические свойства у аортального клапана и стенок аорты свиньи, а также ахиллесова сухожилия коровы. Результаты доказывают, что даже влажные ориентированные волокна коллагена могут поляризоваться при деформации.

Авторы облучали образцы импульсами ультразвука длительностью около 50 наносекунд и частотой в 8–10 мегагерц. Высокочастотные колебания оказывали механическое воздействие на ткани и приводили к их периодическим деформациям. В результате возникала зависящая от времени поверхностная поляризация, появление которой фиксировалось при помощи небольшой антенны. Ученые зафиксировали заметный отклик в случае образцов волокнистой ткани и намного менее выраженный сигнал в случае мышцы сердца и жировой ткани, строение которых отличается.

Исследователям удалось построить два вида томографических изображений: один на основе отраженного ультразвукового сигнала, а другой — по электромагнитному отклику. В большинстве случаев они не совпадают, так как изученные ткани неоднородны, но очертания образцов видны в обоих случаях.

Ученые считают, что на основе открытия можно в перспективе создать новые диагностические медицинские методы. В следующих работах они планируют изучить, возможно ли с помощью воздействия ультразвуком обнаружить разрушение коллагеновых волокон или изменения в их распределении, которые сопутствуют развитию остеопороза и фиброза.

Ранее ученые продемонстрировали имплантат, способный добывать себе энергию из ультразвука, научились «включать» нейроны ультразвуком и наделили нанороботов способностью двигаться за счет ферментов и ультразвука.