杂志俱乐部2013年6月主题:生物铁电:从猜测到现实

当电介质被置于电场中时，它就会发生极化——正电荷和负电荷被分离，产生极化，即每单位体积的偶极矩。同时，介电体会经历二次极化的电伸缩应变，尽管它通常是可以忽略不计的小。然而，如果介电介质没有对称中心，与电场成正比的较大压电应变也是可能的。在21个没有对称中心的晶体类别中，有20个是压电晶体，其中10个具有独特的自发极化极轴，称为热释电，其自发极化随温度变化。如果这种自发极化可以被外电场逆转，则热释电体也是铁电体，铁电性是指热释电体中自发极化的开关。

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，居里兄弟才确立了罗谢尔盐的压电性。又过了40年，荷兰研究生约瑟夫·瓦拉塞克(Joseph Valasek)于1920年在罗谢尔盐(Rochelle Salt)证明了极化的滞后性，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，在钛酸钡和其他钙钛矿氧化物中发现了压电性和铁电性，并出现了许多技术应用。

压电性在生物系统中的应用最早是在1940年被发现的。当羊毛纤维相互摩擦时，产生的摩擦电荷的迹象取决于摩擦的感觉;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年代初观察到木材中的压电性，1957年Eiichi Fukada发表了一篇具有里程碑意义的论文，报道了骨中的压电性[2]。许多生物组织后来被证明是压电的，这导致人们猜测压电性是生物组织的基本特性[3]。在发现生物压电性后不久，Sidney Lang于1966年报道了骨和肌腱中的热释电[4]，随后在许多其他生物系统中也报道了热释电[5]，导致了对生物铁电性的猜测[6]。然而，这种现象花了将近50年的时间才被实验报道出来。

关于离子通道中的生物铁电性，实际上有一些很有趣的理论，如Leuchtag和Bystrov[7]所述，他们假设电压依赖性离子通道中的构象转变是从铁电态到超离子导电态的转变。这些理论是由离子通道中的许多实验观察所激发的，包括热阻温度和热滞后的存在，表明可能的相变，温度相关的电流表明热释电，表面电荷表明自发极化，响应电压变化的膨胀表明压电性，以及铁电体中常见的电流-电压滞后和电压相关的双折射。同样有趣的是，von Hippel预测了铁电性、液晶与神经和肌肉冲动之间的关系[7]。然而，没有直接的实验证据。

Li和Zeng首先利用压电响应力显微镜(PFM)在绿鲍鱼壳中报道了铁电性的迹象[8]，尽管许多领先的PFM小组在胶原上进行的早期探针没有产生切换的证据。不久之后，我们与波士顿大学张延航的团队合作，在主动脉壁观察到生物铁电性[9]，几乎同时，在蛋白质中常见的最小氨基酸-甘氨酸中也报道了铁电性[10]。我们随后发现，arotic中的铁电性起源于弹性蛋白[11]，这与早期观察到的胶原蛋白不可转换一致。有趣的是，胶原蛋白是一种比弹性蛋白更古老的蛋白质，弹性蛋白只存在于脊椎动物的动脉和胚胎发育的后期，当血压变得高得多。这表明铁电开关可能在抑制增加的脉搏流量和血压方面发挥作用[12]。此外，热释电长期以来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密切相关。此外，研究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，弹性蛋白和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。生物铁电的分子机制是什么，可能的生理和病理意义是什么，我们能否在生物电子界面中利用这种现象?目前，所有这些都是高度投机的。事实上，由于迄今为止仅通过PFM证明了铁电性[13]，因此还存在许多疑问[14]。在这一现象被普遍接受之前，还需要更多的实验证据和理论认识。与此同时，有趣的是，一个密切相关的现象——挠性电，在生物界已经得到了很好的证实[15]。

最后，我们认为生物铁电是一个令人兴奋的前沿领域，需要跨学科的合作，该领域肯定会受益于灵巧的力学社区的贡献。我们预计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(节点/11185)和我自己(节点/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，这将为这种现象的机制及其含义提供前所未有的见解。

1.A. J. P.马丁。“摩擦——羊毛和头发里的电。”物理学会学报53.2(1941):186。

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

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

4.B。骨和肌腱的热释电效应。(1966): 704 - 705。

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

6.B。生物材料中的压电性、热释电性和铁电性:对其生物学意义的推测。电介质与电绝缘，IEEE学报，7.4(2000):466-473。

7.H.理查德·洛伊希塔格和弗拉基米尔·s·比斯特罗夫。电压依赖性离子通道中构象转变和离子传导的理论模型:生物热电学和超离子传导。铁电学220.1(1999):157-204。

8.李涛，曾凯。用扫描探针显微镜技术研究绿鲍鱼壳的压电特性和表面电位。材料学报59.9(2011):3667-3679。

9.刘元明，等。“用压电反应力显微镜发现主动脉壁的生物铁电性。”物理评论学报(2012):078103。

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

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

12.陈斌，高华健。“哺乳动物是铁电的吗?”物理在线学报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:扫描探针显微镜的新维度。为基础。启板牙。Res. 37(2007): 189-238。

14.斯科特，j.f.。“铁电体的前景:2012-2022”。ISRN材料科学2013(2013)。

15.布朗内尔，W. E.等。耳蜗外毛细胞的微观和纳米力学。生物医学工程年度回顾3.1(2001):169-194。