生物材料與有機聚合物壓電性

1、1、壓電效應(yīng) 當(dāng)某些材料在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生變形時，引起它內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生極化現(xiàn)象，其表面上會產(chǎn)生電荷；若將外力去掉時，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)這種現(xiàn)象就稱為壓電效應(yīng)壓電材料分類壓電材料分類壓電材料分類無機壓電材料無機壓電材料有機壓電材料有機壓電材料壓電陶瓷及其他壓電陶瓷及其他無機壓電材料無機壓電材料生物材料生物材料通常為通常為PVDF及其及其共聚物（薄膜）共聚物（薄膜）p 壓電性強、介電常數(shù)高、 易加工成型p 機械品質(zhì)因子低、 電損耗大、穩(wěn)定性差p 環(huán)境友好、低能耗p 可用于醫(yī)療替換生物組織p 柔韌性好、低密度、低阻抗大功率換能器和寬帶濾波器1、承受或傳遞負(fù)載

2、功能。如人造骨骼、關(guān)節(jié)和牙2、控制血液或體液流動功能。如人工瓣膜、血管等3、電、光、聲傳導(dǎo)功能。如心臟起博器、人工晶狀體、耳蝸等4、填充功能。如整容手術(shù)用填充體等特點應(yīng)用領(lǐng)域生物材料 生物組織普遍存在壓電效應(yīng)可把機械能轉(zhuǎn)化成生物電流 1941年MARTIN首次觀察到木材和毛發(fā)的壓電效應(yīng)。 70 年代以來發(fā)現(xiàn)多種生物大分子和生物組織都具有壓電效應(yīng)，一些合成多肽和光學(xué)活性聚合物也表現(xiàn)出壓電效應(yīng)。 在對取向的固態(tài)生物聚合物進(jìn)行定量研究時發(fā)現(xiàn)：生物聚合物和合成多肽的液晶態(tài)和大分子溶液也具有壓電效應(yīng)。 對生物聚合物的壓電特性及其應(yīng)用的研究，有助于深入認(rèn)識一些生命活動的本質(zhì)和規(guī)律，在醫(yī)學(xué)診斷和治療，生物醫(yī)

3、學(xué)工程等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。合成多肽單個氨基酸生物大分子蛋白、多糖等生物組織骨骼等液晶和溶液類脂結(jié)構(gòu)生物材料大腿骨上下壓縮時的壓電電位分布（電壓單位MV) Friedenberg等觀測到，在兔的有干骺端生長的骨中，直流電位與干骨比較顯負(fù)電性，當(dāng)骨折時，骨折部位可看到最大的負(fù)電位。 研究發(fā)現(xiàn)，成骨細(xì)胞在負(fù)極化區(qū)被激活，破骨細(xì)胞在正極化區(qū)被激活。 運動對保持骨中成骨細(xì)胞的活性至關(guān)重要，因為運動可使骨上的應(yīng)力產(chǎn)生壓電和流動電位，從而保持骨細(xì)胞的新陳代謝活性。 另報道，長時間失去重力作用情況下骨的重量會減輕。 已有不少用外加電刺激促進(jìn)骨生長的實驗。 例如 在兔的大腿骨上裝上螺旋正電極和線狀負(fù)電極，

4、連續(xù)三周通以1A直流電，可看到從負(fù)極到正極方向的軟組織長出假骨。 用TEFLON駐極體薄膜或PMLG薄膜把折斷的兔股骨包裹起來，四周后，在薄膜上生長出橋樣的剛性骨。 近年，出現(xiàn)直流、交流、脈沖和電磁場等方法治療骨折的技術(shù)。生物材料 研究表明，在電場作用下成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞有不同的趨電性。 適宜宜的電刺激可以促進(jìn)未分化的間充質(zhì)細(xì)胞活化為成骨細(xì)胞，促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖和分化，并可以通過成骨細(xì)胞調(diào)控破骨細(xì)胞對骨的吸收，進(jìn)一步調(diào)控骨的改建。 適宜的電刺激可以明顯促進(jìn)體外培養(yǎng)的成骨細(xì)胞的生物礦化，形成鈣結(jié)節(jié)，堿性磷酸酶的活性增加，膠原和骨鈣蛋白的分泌增加。 電磁可以誘導(dǎo)骨生長因子的表達(dá)上調(diào)，如胰島素樣生長

5、因子、形成蛋白2、轉(zhuǎn)化生長因子1、細(xì)胞內(nèi)游離的鈣離子濃度。傳感和換能作用： 聽覺感受器位于耳蝸耳蝸基膜中的毛細(xì)胞中，毛細(xì)胞的彎曲運動產(chǎn)生與聲振幅成正比的電位，該現(xiàn)象稱微音電位。其機制是毛細(xì)胞的纖維狀蛋白通過其壓電效應(yīng)起了機械電換能作用。 毛細(xì)胞生物材料PVDF與PZT比較有機聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)1969年，KAWAI發(fā)現(xiàn)了聚偏氟乙烯(簡稱PVDF)具有極強的壓電效應(yīng)，繼而出現(xiàn)了以聚偏氟乙烯為代表的壓電高聚物的研究熱潮，現(xiàn)在研究已從均聚物擴大到共聚物、共混物和復(fù)合物，從結(jié)晶高聚物的壓電性擴大到非晶高聚物的壓電性。PVDF家族壓電鐵電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是有機換能器領(lǐng)域發(fā)展的里程碑。PVDF聚

6、偏氟乙烯，分子式為(CH2-CF2)n，外觀為半透明狀。分子鏈間排列緊密，又有較強的氫鍵，含氧指數(shù)為46%，不燃，結(jié)晶度65%78%，密度1.171.79g/cm3 , 熔點為172,熱變形溫度112145,長期使用溫度為40150。 PVDF壓電膜的制備 PVDF壓電膜的制作方法大致有3種方法， 即溶液澆鑄法， 共聚合法和熱壓拉延法； 由于熱壓拉延法制得膜的壓電性最強，并且此法也較容易，通常采用此法工藝包含以下四個步驟：純的PVDF壓電膜PZT-PVDF復(fù)合壓電膜 采用陶瓷 PZT微粉和高聚物 PVDS 制備復(fù)合材料膜，通過軋膜、 鍍電極和極化3個主要工藝制備軋膜（用熱軋擠壓成膜方法， 軋輥

7、升溫到12040）加PVDF粉末 軟化緩慢添加PZT粉料混軋成膜自然冷卻取膜鍍電極使用濺射金屬電極工藝如下：丙酮、酒精清洗薄膜抽真空 加電壓 濺射銀極化采用常規(guī)的油浴直流高壓極化法，將油溫控制在預(yù)定溫度，把樣品放入 浴油中的夾具上，固定極化電壓，保持規(guī)定時間，去掉電壓，取出樣品PVDF壓電膜應(yīng)用 由于PVDF壓電高聚物薄膜的壓電性強， 柔性好， 其聲阻抗與空氣、 水和生物組織很接近， 所在許多技術(shù)領(lǐng)域都有適用性。特別是用它制作與液體、 生物體及氣體的換能器， 可獲得比用其它壓電材料制作換能器更好的阻抗匹配。在電聲換能器中的應(yīng)用在電聲換能器中的應(yīng)用 由PVDF壓電高聚物制作的器件對溫度、濕度和化

8、學(xué)物質(zhì)高度穩(wěn)定，機械強度又高， 用其制作的聲電轉(zhuǎn)換器件結(jié)構(gòu)簡單、形狀細(xì)致、重量輕、失真小、音質(zhì)好、穩(wěn)定性高， 能廣泛應(yīng)用于聲學(xué)設(shè)備，特別適宜于高質(zhì)量的立體聲耳機、 揚聲器和話筒等此外PVDF壓電高聚物還可應(yīng)用于紅外探測器、輻射計、電荷分離器、濾波器、光掃描器、方位探測器、光相調(diào)制器等在智能材料系統(tǒng)中的應(yīng)用在智能材料系統(tǒng)中的應(yīng)用 由于壓電材料對于所加應(yīng)力能產(chǎn)生可測量的電信號，是智能結(jié)構(gòu)中理想的傳感元件。PVDF壓電膜， 壓電系數(shù)高，具有薄、重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、 可黏貼于材料的表面的特點，與結(jié)構(gòu)有著良好的相容性， 并可在結(jié)構(gòu)中大面積使用。比如，在機器人的觸覺傳感器中， 因為 PVDF壓電膜同

9、時具有壓電和熱釋電效應(yīng)， 所以它是最合適的器件。在醫(yī)療儀器中的應(yīng)用在醫(yī)療儀器中的應(yīng)用 PVDF壓電高聚物對生物組織的適應(yīng)性和相容性很好，用它們制成的電子型人工臟器及其組件將有可能移植到動物體內(nèi)，用它們制成的醫(yī)療儀器已廣泛使用。用途用途壓電產(chǎn)品壓電產(chǎn)品計測裝置監(jiān)視血管移植修復(fù)術(shù)中血流擾動和脈動的 PVDF壓力傳感器同時測量心臟內(nèi)的壓力和聲音的 PVDF血管內(nèi)診斷裝置監(jiān)測嬰兒呼吸狀況的非接觸長期呼吸監(jiān)視裝置同時測量指脈和呼吸波的指脈和呼吸測量裝置測量人體心率PVDF傳感器檢測血流速度PVDF傳感器測量人體血壓PVDF膜測量足底壓力PVDF膜信號發(fā)生器采集和記錄人體脈像信息的脈像儀測心音PVDF加速

10、型心音傳感器將呼吸運動的部分能轉(zhuǎn)換成電能的PVDF壓電膜換能器使用超聲原理PVDF胎心音探測器用換能器宮縮監(jiān)視儀用超聲換能器高透明度的有機壓電薄膜的傳感裝置為此村田制作所開發(fā)出了一種有機壓電薄膜， 具有壓電常數(shù)大、透明度高（98%） 無熱釋電現(xiàn)象 能夠檢測出彎曲度和扭轉(zhuǎn)程度預(yù)計今后該壓電薄膜將被廣泛應(yīng)用于各種人機界面。 村田制作所開發(fā)了使用這個有機壓電薄膜的2個應(yīng)用裝置，即能夠利用彎曲和扭轉(zhuǎn)的動作來控制電視機的遙控器，以及能夠檢測出手指向下按觸摸屏的力度的具有壓力檢測功能的觸摸屏Touch Pressure Pad (壓力式觸摸板) 。 至今為止，由于壓電薄膜具有熱釋電性能，因此在使用壓電薄膜的傳感裝置的過程中，無法分別檢測溫度與彎曲度和扭轉(zhuǎn)程度。利用彎曲和扭轉(zhuǎn)的動作來控制電視機的遙控器分別使用了能夠檢測出彎曲度的壓電薄膜和能夠檢測出扭轉(zhuǎn)程度的壓電薄膜，此應(yīng)用裝置是能夠通過用雙手彎曲和朝相反方向扭轉(zhuǎn)薄膜型機體來操縱電視機的新感覺遙控器。具有壓力檢測功能的觸摸屏“壓力式觸摸板”由于壓電薄膜不具有熱釋電性，所以手指溫度不