Flexoelectricity in biomaterials
La flexoelectricidad es la capacidad de los materiales para generar electricidad al deformarse de forma no homogénea. Es una propiedad de todos los materiales y, en principio, posible que existiera en biomateriales. De hecho, ya se ha observado en estereocilios del oído interno, apuntando a su impor...
| Autor: | |
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| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Fecha de publicación: | 2018 |
| País: | España |
| Institución: | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Repositorio: | Dipòsit Digital de Documents de la UAB |
| Idioma: | inglés |
| OAI Identifier: | oai:ddd.uab.cat:201228 |
| Acceso en línea: | https://ddd.uab.cat/record/201228 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Materials biomèdics Ceràmica en la medicina Piezoelectricitat |
| Sumario: | La flexoelectricidad es la capacidad de los materiales para generar electricidad al deformarse de forma no homogénea. Es una propiedad de todos los materiales y, en principio, posible que existiera en biomateriales. De hecho, ya se ha observado en estereocilios del oído interno, apuntando a su importancia para la transducción acústico-eléctrica en la audición de mamíferos. Esta tesis investiga las propiedades flexoeléctricas de varios compuestos biocerámicos, que van desde los huesos hasta el coral, poniendo énfasis no solo en medir las propiedades flexoeléctricas, sino también en relacionarlas con su papel fisiológico. El Capítulo 1 introduce el tema de mecanoelectricidad de materiales y ofrece una visión general de los biomateriales estudiados en esta tesis. En el Capítulo 2, se desarrolla un análisis teórico de las propiedades mecanoeléctricas de los sistemas no homogéneos. En biomateriales, la flexoelectricidad y piezoelectricidad no pueden separarse tan fácilmente como en el caso de las muestras cristalinas o cerámicas que son regulares y con propiedades definidas. Los biomateriales nos obligaron a considerar situaciones en las que la flexoelectricidad y piezoelectricidad pueden actuar a la vez. También, situaciones en las que la piezoelectricidad es capaz de disfrazarse como flexoelectricidad o viceversa, con el objetivo de establecer el marco conceptual para las mediciones y los resultados de los siguientes capítulos. El Capítulo 3 describe y analiza las mediciones macroscópicas de flexoelectricidad en hidroxiapatita y huesos. La polarización inducida de ambos materiales arrojó resultados muy similares, lo que demuestra que la hidroxiapatita puede explicar la mayor parte de la polarización de los huesos sin necesidad de invocar la piezoelectricidad del colágeno. Teniendo en cuenta que la flexoelectricidad es más relevante a la microescala, donde los gradientes de deformación son más grandes, el Capítulo 4 desarrolla un modelo para estudiar los campos flexoeléctricos en torno a las microgrietas en los huesos. La magnitud de los campos eléctricos generados por un crack puede inducir la apoptosis en los osteocitos que es el primer paso en el proceso de remodelación ósea. En el Capítulo 5, realizamos experimentos in vitro con osteocitos y osteoblastos para determinar si los campos flexoeléctricos pueden afectar a las células. Observamos no solo que los campos flexoeléctricos generados por grietas pueden inducir apoptosis de células en el corto plazo, sino que, en los experimentos de cultivos a largo plazo, la flexoelectricidad también puede estimular la diferenciación de las células. En el Capítulo 6, exploramos las propiedades mecanoeléctricas de otros biomateriales como los dientes, coral y el martillo de un camarón. Los dientes están compuestos por los mismos constituyentes que los huesos, y por lo tanto, es un buen material para comparar con el hueso. Mientras tanto, el coral es un material comúnmente utilizado como injerto óseo debido a las similitudes con el hueso. Al comparar las propiedades flexoeléctricas de ambos materiales, pudimos determinar que también son muy similares, lo que nos lleva a pensar que la compatibilidad flexoeléctrica puede ser un factor de ayuda en el buen desempeño de los injertos óseos coralinos, una posibilidad que proponemos explorar en otros candidatos para injertos óseos. Finalmente, el martillo de un camarón tiene una capacidad sobresaliente para soportar el estrés sin fracturarse y este fenómeno nos motivó a estudiar las propiedades mecanoeléctricas del martillo, ya que la flexoelectricidad afecta las propiedades mecánicas de la materia. Finalmente, el Capítulo 7 brinda una descripción personal de las perspectivas y líneas futuras que podrían derivarse de esta investigación. La descripción completa de los procedimientos experimentales para experimentos electromecánicos y biológicos y el algoritmo de Mathematica que programé para calcular los campos flexoeléctricos alrededor de las grietas se encuentran en los apéndices. |
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