Der piezoelektrische Effekt ist die Eigenschaft einiger Materialien, mechanische Energie in elektrischen Strom umzuwandeln. „Piezo“ ist ein griechisches Wort und bedeutet „quetschen“. Der Effekt wurde erstmals 1880 von Pierre Curie und Jacques Curie entdeckt. Dr. I. Yasuda entdeckte 1957 die Existenz des piezoelektrischen Effekts in Knochen.
Direkte Piezoelektrizität
Der direkte piezoelektrische Effekt ist definiert als die Fähigkeit eines Materials, unter Zug oder Druck Spannung zu erzeugen.
Inverse Piezoelektrizität
Der inverse piezoelektrische Effekt ist definiert als die durch piezoelektrische MaterialienB. Keramiken und Kristallen, aufgrund des angelegten Potentials oder des elektrischen Felds.
Knochen
Die Mehrheit der Knochen besteht aus einer anorganischen und organischen Knochenmatrix. Hydroxylapatit, das kristallin ist, bildet den anorganischen Teil der Knochenmatrix. Auf der anderen Seite ist Kollagen Typ I der organische Teil der Matrix. Es wurde entdeckt, dass Hydroxyapatit für die Piezoelektrizität in Knochen verantwortlich ist.
Ursprung der Piezoelektrizität in Knochen
Bei Belastung von Kollagenmolekülen, bestehend aus Ladungsträgern, wandern diese Ladungsträger von innen an die Oberfläche der Probe. Dies erzeugt ein elektrisches Potenzial über den Knochen.
Knochendichte und piezoelektrischer Effekt
Die auf den Knochen einwirkende Belastung erzeugt den piezoelektrischen Effekt. Dieser Effekt wiederum zieht aufgrund der Bildung elektrischer Dipole knochenaufbauende Zellen (sogenannte Osteoblasten) an. Dieser lagert anschließend Mineralien – vor allem Kalzium – auf der beanspruchten Seite des Knochens ab. Somit erhöht der piezoelektrische Effekt die Knochendichte.
Bedeutung
Eine externe elektrische Stimulation kann zur Heilung und Reparatur des Knochens führen. Außerdem kann der piezoelektrische Effekt im Knochen zum Knochenumbau genutzt werden. Dr. Julius Wolff beobachtete 1892, dass sich Knochen als Reaktion auf die auf ihn einwirkenden Kräfte umformen. Dies ist auch als Wolffsches Gesetz bekannt.