2013年6月杂志俱乐部主题:生物铁电性:从猜测到现实

当电介质被置于电场中时，它会发生极化——正电荷和负电荷分离，产生极化，定义为每单位体积的偶极矩。同时，电介质经历的电致伸缩应变是极化的二次，尽管它通常可以忽略不计。但是，如果电介质没有对称中心，也可能产生与电场成正比的较大压电应变。在21种没有对称中心的晶体中，有20种是压电晶体，其中10种具有独特的自发极化极轴，称为热释电，其自发极化随温度而变化。如果这种自发极化能被外加电场逆转，那么热释电也是铁电性的，铁电性是指热释电中自发极化的开关。

铁电体的历史可以追溯到1655年，当时法国的Elie Seignette首次分离出罗谢尔盐。但直到200多年后的1880年，居里兄弟才建立了罗谢尔盐的压电性。1920年，荷兰研究生约瑟夫·瓦拉塞克(Joseph Valasek)在罗谢尔盐(Rochelle Salt)中证明了极化的迟滞性质，又过了40年，他创造了“铁电”一词，以反映其与铁磁性的类比。第二次世界大战期间，钛酸钡和其他钙钛矿氧化物中发现了压电性和铁电性，出现了许多技术应用。

压电在生物系统中的应用于1940年首次被发现。当羊毛纤维相互摩擦时，产生摩擦电荷的标志取决于摩擦的感觉;A.J.P. Martin将这种现象归因于热释电和压电效应[1]。前苏联物理学家在20世纪50年代早期观察到树林中的压电现象，深田荣一在1957年发表了一篇具有里程碑意义的论文，报告了骨头[2]中的压电现象。后来，许多生物组织被证明具有压电性，这导致人们猜测，压电性是生物组织的基本特性。在生物压电发现后不久，悉尼·朗(Sidney Lang)于1966年在骨骼和肌腱中报道了热电现象[4]，随后在许多其他生物系统[5]中也报道了热电现象，这导致了对生物铁电性的猜测[6]。然而，这种现象花了近50年的时间才被实验报道。

实际上，在离子通道中有关于生物铁电性的迷人理论，假设电压依赖离子通道中的构象转变从铁电态转变为超导电态，如Leuchtag和Bystrov[7]所述。这些理论是由离子通道中的一些实验观测所激发的，包括存在热块温度和热滞后，这表明可能的相变，温度依赖电流表明热电性，表面电荷表明自发极化，电压变化导致的膨胀表明压电性，以及铁电体中常见的电流-电压滞后和电压依赖双折射。同样有趣的是，铁电性、液晶与神经和肌肉冲动之间的关系是由冯·希佩尔[7]预测的。然而，没有直接的实验证据被提出。

生物组织中铁电性的指示是由Li和Zeng在绿鲍鱼壳中使用压电响应力显微镜(PFM)[8]首次报道的，尽管一些领先的PFM小组对胶原的早期探测没有产生开关的证据。不久之后，我们与波士顿大学的张延航团队合作，在主动脉壁[9]中观察到生物铁电性，几乎同时，在蛋白质[10]中常见的最小氨基酸-甘氨酸中也报道了铁电性。我们随后发现，arotic中的铁电性源于弹性蛋白[11]，这与之前的观察结果一致，即胶原蛋白是不可切换的。值得注意的是，胶原蛋白是一种比弹性蛋白更古老的蛋白质，它只存在于脊椎动物的动脉和胚胎发育后期，此时血压会变得更高。这表明铁电开关可能在抑制增加的脉动流量和血压[12]中发挥作用。此外，热释电一直被认为在形态发生过程中起着重要作用，这与弹性蛋白是晚期动脉形态发生的分子决定因素的观察结果相吻合。此外，发现弹性蛋白中的铁电开关在很大程度上受到葡萄糖的抑制，这可能与衰老有关，在衰老过程中，弹性蛋白与糖之间自然发生糖基化。

尽管取得了这些进展，但仍存在许多问题。生物铁电性的分子机制是什么，可能的生理和病理含义是什么，我们能否利用生物电子界面中的现象?目前所有这些都是高度推测性的。事实上，由于铁电性到目前为止只通过PFM被证明，[13]，很多怀疑仍然存在。在这种现象被普遍接受之前，更多的实验证据和理论理解是绝对必要的。与此同时，有趣的是，一个密切相关的现象，挠性电，在生物界[15]中得到了很好的确立。

最后，我们认为生物铁电性是一个需要跨学科合作的激动人心的前沿领域，该领域肯定会受益于巧妙的力学社区的贡献。我们期望原子力显微镜将继续在探索中发挥重要作用，读者可能会对Majid Minary (node/11185)和我自己(node/10193)早期的相关期刊俱乐部文章感兴趣。另一方面，我们相信令人兴奋的机会在于分子和量子力学理论，这将对现象的机制及其影响提供前所未有的见解。

1.马丁，A. J. P。“羊毛和头发中的摩擦电。”物理学会学报53.2(1941):186。

2.深田英一和安田岩夫。“关于骨骼的压电效应。”期刊。Soc。日本12.10(1957):1158-1162。

3.沙莫斯，莫里斯H。"压电性是生物组织的基本特性"自然213(1967):267-269。

4.朗，西德尼·B。“骨骼和肌腱中的热释电效应。”(1966): 704 - 705。

5.Athenstaedt,赫伯特。“脊椎动物的热释电和压电特性。”纽约科学院年报238.1(1974):68-94。

6.朗，西德尼·B。生物材料中的压电性，热电性和铁电性:对其生物学意义的推测。电介质与电气绝缘，IEEE学报7.4(2000):466-473。

7.勒赫塔格，h·理查德和弗拉迪米尔·s·拜斯托夫。电压依赖性离子通道中构象跃迁和离子传导的理论模型:生物铁电和超离子传导。铁电学220.1(1999):157-204。

8.李，T.和曾k .。用扫描探针显微镜技术研究绿鲍鱼壳的压电性能和表面电位。材料学报59.9(2011):3667-3679。

9.刘元明，等。“高压反应力显微镜在主动脉壁发现生物铁电性。”物理评审快报108.7(2012):078103。

10.埃雷迪亚，亚历杭德罗，等。结晶γ -甘氨酸的纳米级铁电性先进功能材料22.14(2012):2996-3003。

11.刘元明，等。葡萄糖抑制主动脉弹性蛋白中的生物铁电性物理评论110.16(2013):168101。

12.陈斌，高华健。“哺乳动物是铁电性的吗?”物理学在线杂志5(2012):19。

13.加里宁，谢尔盖V.等。铁电和生物系统的纳米级电力学:扫描探针显微镜的一个新维度。为基础。启板牙。决议37(2007):189-238。

14.斯科特，j.f.。铁电体展望:2012-2022ISRN材料科学2013(2013)。

15.Brownell, W. E.等。"耳蜗外毛细胞的微观和纳米力学"生物医学工程年度综述3.1(2001):169-194。