K. Ikushima et al., / Physical Review Letters (2019)
Физики зафиксировали электромагнитный отклик при воздействии
ультразвуком на образцы мягких тканей животных. Успешная регистрация
наблюдалась для сухожилий, стенок аорты и клапанов сердца. При этом сигнал
от жировой ткани и мышцы сердца оказался гораздо слабее. Обнаружение генерации
доказывает пьезоэлектрические свойства невысушенных биологических тканей и
может стать основой новых методов медицинской диагностики, пишут авторы в журнале
Physical Review Letters.
Пьезоэлектрический эффект заключается в электрической
поляризации некоторых кристаллов под воздействием механических деформаций.
Наиболее строгое определение этого явления предполагает только неорганические
монокристаллы без центральной симметрии. Однако известны примеры органических
веществ и неорганических поликристаллов, проявляющих пьезоэлектрические
свойства.
Электромеханическая природа пьезоэлектричества позволила
найти этому феномену широкое применение на практике. К наиболее распространенным
можно отнести создание искры в зажигалках (прямой пьезоэлектрический эффект) и генерацию
стабильных колебаний в кварцевых часах (обратный пьезоэлектрический эффект).
В последние годы выяснилось, что подобные свойства также
могут проявлять биологических образцы. Сперва это продемонстрировали на костях,
а затем на ряде высушенных мягких тканей. Однако данные на этот счет
противоречивы, так как в некоторых других работах подобного не обнаруживалось.
Еще менее понятна ситуация была с невысушенными тканями, что объясняется
ограниченностью экспериментальных методик и возникновением в случае присутствия
заметного количества воды двойного электрического слоя из ионов, который
компенсирует поверхностный заряд.
Кэндзи Икусима (Kenji Ikushima) и его коллеги из Токийского
университета сельского хозяйства и технологий разработали новый способ изучения
влажных тканей и обнаружили пьезоэлектрические свойства у аортального клапана и
стенок аорты свиньи, а также ахиллесова сухожилия коровы. Результаты
доказывают, что даже влажные ориентированные волокна коллагена могут поляризоваться
при деформации.
Авторы облучали образцы импульсами ультразвука длительностью
около 50 наносекунд и частотой в 8–10 мегагерц. Высокочастотные колебания
оказывали механическое воздействие на ткани и приводили к их периодическим
деформациям. В результате возникала зависящая от времени поверхностная
поляризация, появление которой фиксировалось при помощи небольшой антенны. Ученые
зафиксировали заметный отклик в случае образцов волокнистой ткани и намного
менее выраженный сигнал в случае мышцы сердца и жировой ткани, строение которых
отличается.
Исследователям удалось построить два вида томографических
изображений: один на основе отраженного ультразвукового сигнала, а другой — по
электромагнитному отклику. В большинстве случаев они не совпадают, так как
изученные ткани неоднородны, но очертания образцов видны в обоих случаях.
Изображения и томографии образца ахиллесова сухожилия, полученные при помощи анализа отраженного ультразвука (первый столбец) и электромагнитного отклика (правый столбец).
K. Ikushima et al., / Physical Review Letters (2019)
Ученые считают, что на основе открытия можно в перспективе создать новые диагностические
медицинские методы. В следующих работах они планируют изучить, возможно
ли с помощью воздействия ультразвуком обнаружить разрушение коллагеновых
волокон или изменения в их распределении, которые сопутствуют развитию
остеопороза и фиброза.
Ранее ученые продемонстрировали имплантат, способный добывать себе энергию из ультразвука, научились «включать» нейроны ультразвуком и наделили нанороботов способностью двигаться за счет ферментов и ультразвука.
Тимур Кешелава