生物材料与有机聚合物压电性

1、压电效应,当某些材料在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，引起它内部正负电荷中心相对转移而产生极化现象，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态这种现象就称为压电效应,压电材料分类,压电材料分类,无机压电材料,有机压电材料,压电陶瓷及其他无机压电材料,生物材料,通常为PVDF及其共聚物（薄膜）,压电性强、介电常数高、易加工成型机械品质因子低、电损耗大、稳定性差,环境友好、低能耗可用于医疗替换生物组织,柔韧性好、低密度、低阻抗,大功率换能器和宽带滤波器,1、承受或传递负载功能。如人造骨骼、关节和牙2、控制血液或体液流动功能。如人工瓣膜、血管等3、电、光、声传导功能。如心脏起博器、人工晶状体、耳蜗等4、填充功能。如整容手术用填充体等,特点,应用领域,生物材料,生物组织普遍存在压电效应可把机械能转化成生物电流1941年Martin首次观察到木材和毛发的压电效应。70年代以来发现多种生物大分子和生物组织都具有压电效应，一些合成多肽和光学活性聚合物也表现出压电效应。在对取向的固态生物聚合物进行定量研究时发现：生物聚合物和合成多肽的液晶态和大分子溶液也具有压电效应。,对生物聚合物的压电特性及其应用的研究，有助于深入认识一些生命活动的本质和规律，在医学诊断和治疗，生物医学工程等方面有着广阔的应用前景。合成多肽单个氨基酸生物大分子蛋白、多糖等生物组织骨骼等液晶和溶液类脂结构,生物材料,大腿骨上下压缩时的压电电位分布（电压单位mV),Friedenberg等观测到，在兔的有干骺端生长的骨中，直流电位与干骨比较显负电性，当骨折时，骨折部位可看到最大的负电位。研究发现，成骨细胞在负极化区被激活，破骨细胞在正极化区被激活。运动对保持骨中成骨细胞的活性至关重要，因为运动可使骨上的应力产生压电和流动电位，从而保持骨细胞的新陈代谢活性。另报道，长时间失去重力作用情况下骨的重量会减轻。,已有不少用外加电刺激促进骨生长的实验。例如在兔的大腿骨上装上螺旋正电极和线状负电极，连续三周通以1A直流电，可看到从负极到正极方向的软组织长出假骨。用Teflon驻极体薄膜或PMLG薄膜把折断的兔股骨包裹起来，四周后，在薄膜上生长出桥样的刚性骨。近年，出现直流、交流、脉冲和电磁场等方法治疗骨折的技术。,生物材料,研究表明，在电场作用下成骨细胞与破骨细胞有不同的趋电性。适宜宜的电刺激可以促进未分化的间充质细胞活化为成骨细胞，促进成骨细胞的增殖和分化，并可以通过成骨细胞调控破骨细胞对骨的吸收，进一步调控骨的改建。适宜的电刺激可以明显促进体外培养的成骨细胞的生物矿化，形成钙结节，碱性磷酸酶的活性增加，胶原和骨钙蛋白的分泌增加。电磁可以诱导骨生长因子的表达上调，如胰岛素样生长因子、形成蛋白2、转化生长因子1、细胞内游离的钙离子浓度。,传感和换能作用：听觉感受器位于耳蜗基膜中的毛细胞中，毛细胞的弯曲运动产生与声振幅成正比的电位，该现象称微音电位。其机制是毛细胞的纤维状蛋白通过其压电效应起了机械电换能作用。毛细胞,生物材料,PVDF与PZT比较,有机聚合物,聚偏氟乙烯(PVDF),1969年，Kawai发现了聚偏氟乙烯(简称PVDF)具有极强的压电效应，继而出现了以聚偏氟乙烯为代表的压电高聚物的研究热潮，现在研究已从均聚物扩大到共聚物、共混物和复合物，从结晶高聚物的压电性扩大到非晶高聚物的压电性。PVDF家族压电铁电效应的发现被认为是有机换能器领域发展的里程碑。,PVDF聚偏氟乙烯，分子式为(CH2-CF2)n，外观为半透明状。分子链间排列紧密，又有较强的氢键，含氧指数为46%，不燃，结晶度65%78%，密度1.171.79g/cm3,熔点为172,热变形温度112145,长期使用温度为40150。,PVDF压电膜的制备,PVDF压电膜的制作方法大致有3种方法，即溶液浇铸法，共聚合法和热压拉延法；,由于热压拉延法制得膜的压电性最强，并且此法也较容易，通常采用此法,工艺包含以下四个步骤：,纯的PVDF压电膜,PZT-PVDF复合压电膜,采用陶瓷PZT微粉和高聚物PVDS制备复合材料膜，通过轧膜、镀电极和极化3个主要工艺制备,轧膜（用热轧挤压成膜方法，轧辊升温到12040）加PVDF粉末软化缓慢添加PZT粉料混轧成膜自然冷却取膜,镀电极使用溅射金属电极工艺如下：丙酮、酒精清洗薄膜抽真空加电压溅射银,极化采用常规的油浴直流高压极化法，将油温控制在预定温度，把样品放入浴油中的夹具上，固定极化电压，保持规定时间，去掉电压，取出样品,PVDF压电膜应用,由于PVDF压电高聚物薄膜的压电性强，柔性好，其声阻抗与空气、水和生物组织很接近，所在许多技术领域都有适用性。特别是用它制作与液体、生物体及气体的换能器，可获得比用其它压电材料制作换能器更好的阻抗匹配。,在电声换能器中的应用,由PVDF压电高聚物制作的器件对温度、湿度和化学物质高度稳定，机械强度又高，用其制作的声电转换器件结构简单、形状细致、重量轻、失真小、音质好、稳定性高，能广泛应用于声学设备，特别适宜于高质量的立体声耳机、扬声器和话筒等此外PVDF压电高聚物还可应用于红外探测器、辐射计、电荷分离器、滤波器、光扫描器、方位探测器、光相调制器等,在智能材料系统中的应用,由于压电材料对于所加应力能产生可测量的电信号，是智能结构中理想的传感元件。PVDF压电膜，压电系数高，具有薄、重量轻、体积小、结构简单、可黏贴于材料的表面的特点，与结构有着良好的相容性，并可在结构中大面积使用。比如，在机器人的触觉传感器中，因为PVDF压电膜同时具有压电和热释电效应，所以它是最合适的器件。,在医疗仪器中的应用,PVDF压电高聚物对生物组织的适应性和相容性很好，用它们制成的电子型人工脏器及其组件将有可能移植到动物体内，用它们制成的医疗仪器已广泛使用。,高透明度的有机压电薄膜的传感装置,为此村田制作所开发出了一种有机压电薄膜，具有压电常数大、透明度高（98%）无热释电现象能够检测出弯曲度和扭转程度预计今后该压电薄膜将被广泛应用于各种人机界面。,村田制作所开发了使用这个有机压电薄膜的2个应用装置，即能够利用弯曲和扭转的动作来控制电视机的遥控器，以及能够检测出手指向下按触摸屏的力度的具有压力检测功能的触摸屏TouchPressurePad(压力式触摸板)。,至今为止，由于压电薄膜具有热释电性能，因此在使用压电薄膜的传感装置的过程中，无法分别检测温度与弯曲度和扭转程度。,利用弯曲和扭转的动作来控制电视机的遥控器,分别使用了能够检测出弯曲度的压电薄膜和能够检测出扭转程度的压电薄膜，此应用装置是能够通过用双手弯曲和朝相反方向扭转薄膜型机体来操纵电视机的新感觉遥控器。,具有压力检测功能的触摸屏“压力式触摸板”,由于压电薄膜不具有热释电性，所以手指温度不会产生电压的。因此该触摸屏能够进行更