Efekt piezoelektryczny i gęstość kości

Efekt piezoelektryczny to właściwość niektórych materiałów polegająca na przekształcaniu energii mechanicznej w prąd elektryczny. „Piezo” to greckie słowo, które oznacza „ściskać”. Efekt został po raz pierwszy odkryty przez Pierre'a Curie i Jacques'a Curie w 1880 roku. dr I. Yasuda w 1957 odkrył istnienie efektu piezoelektrycznego w kościach.

Bezpośredni efekt piezoelektryczny definiuje się jako zdolność materiału do wytwarzania napięcia pod wpływem napięcia lub ściskania.

Odwrotny efekt piezoelektryczny definiuje się jako zginanie wywołane in materiały piezoelektryczne,, takich jak ceramika i kryształy, ze względu na przyłożony potencjał lub pole elektryczne.

Większość kości składa się z macierzy kostnej, która ma charakter nieorganiczny i organiczny. Hydroksyapatyt, który jest krystaliczny, tworzy nieorganiczną część macierzy kostnej. Z drugiej strony kolagen typu I jest organiczną częścią macierzy. Odkryto, że hydroksyapatyt jest odpowiedzialny za piezoelektryczność kości.

Kiedy molekuły kolagenu składające się z nośników ładunku są obciążone, te nośniki ładunku od wewnątrz przemieszczają się na powierzchnię próbki. To wytwarza potencjał elektryczny w całej kości.

Naprężenie działające na kość wywołuje efekt piezoelektryczny. Ten efekt z kolei przyciąga komórki budujące kości (zwane osteoblastami) z powodu tworzenia się dipoli elektrycznych. To z kolei osadza minerały – głównie wapń – na naprężonej stronie kości. Stąd efekt piezoelektryczny zwiększa gęstość kości.

Zewnętrzna stymulacja elektryczna może prowadzić do gojenia i naprawy kości. Ponadto efekt piezoelektryczny w kości może być wykorzystany do przebudowy kości. Dr Julius Wolff w 1892 zaobserwował, że kość ulega przekształceniu w odpowiedzi na działające na nią siły. Jest to również znane jako prawo Wolffa.