Voor jaren, wetenschappers hebben zich afgevraagd of het hart en de aangrenzende vaten misschien zijn geëvolueerd om piëzo-elektrisch te zijn, wat betekent dat het weefsel een elektrische lading kan genereren wanneer het wordt samengeknepen. Ze dachten dat het hart misschien profiteert van deze elektromechanische relatie om tientallen jaren van continu kloppen aan te drijven. Hoewel sommige studies het idee hebben ondersteund dat de wanden van de aorta piëzo-elektrisch of zelfs ferro-elektrisch zijn, waar permanente elektrische dipolen kunnen worden geschakeld door een elektrisch veld, het meest recente onderzoek vindt geen bewijs van deze eigenschappen.

Een samenwerking van Duitse onderzoekers onderzocht de vraag door monsters van varkensaorta te testen met behulp van een traditionele opstelling, bekend als de Sawyer-toren, ferro-elektriciteit te detecteren. Hun experimenten suggereren dat de aorta geen speciale eigenschappen heeft, en in plaats daarvan fungeert als een standaard diëlektrisch materiaal dat geen stroom geleidt. Ze rapporteren deze bevindingen deze week in Technische Natuurkunde Brieven .

Wetenschappers realiseerden zich voor het eerst dat biologische weefsels piëzo-elektrisch kunnen zijn in de jaren vijftig, toen de Japanse wetenschappers Eiichi Fukada en Iwao Yasuda deze eigenschap in botweefsel ontdekten. Tegen het einde van de 19e eeuw, wetenschappers wisten dat botten zichzelf versterken als reactie op uitgeoefende stress, maar later onderzoek toonde aan dat botcompressie een elektrische lading genereert, die biologische processen stimuleert om botweefsel te versterken. Vanaf dat moment, wetenschappers hebben piëzo-elektriciteit gedetecteerd in andere weefsels, inclusief de luchtpijp, ingewanden, spiervezels en zelfs kreeftenschelpen.

Recente studies met behulp van een techniek genaamd piëzoresponskrachtmicroscopie (PFM) leverden bewijs dat varkensaorta's niet alleen piëzo-elektrisch zijn, maar ook ferro-elektrisch. wat een voorwaarde is voor piëzo-elektriciteit in ongeordende materialen. PFM is een krachtige techniek voor het detecteren van piëzo-elektriciteit en ferro-elektrisch schakelen, maar kan alleen micrometergrote gebieden aanspreken. Bovendien, in tests van ferro-elektriciteit, de techniek kan misleidende artefacten creëren.

"Er was veel controverse over dit onderwerp, " zei Thomas Lenz van het Max Planck Institute for Polymer Research en een van de auteurs van de studie. Hij en collega's wogen mee in de discussie met behulp van een eenvoudige Sawyer-Tower-opstelling, voor het eerst gebruikt door C.B. Sawyer en C.H. Toren om ferro-elektrische hysteresislussen te meten in 1929.

De Sawyer-Tower-techniek houdt in dat een elektrisch veld op een materiaal wordt aangelegd en vervolgens de resulterende elektrische verplaatsing wordt gemeten. In combinatie met een fotonische sensor, onderzoekers kunnen tegelijkertijd meten hoe het materiaal van vorm verandert als reactie op de stroming. In tegenstelling tot PFM, de techniek levert kwantitatieve resultaten op over grootschalige elektromechanische eigenschappen.

De onderzoekers werkten samen met biologen en anesthesiologen van het Universitair Medisch Centrum Mainz, in Duitsland, om varkensaorta's te verkrijgen. Ze bewaarden aorta-stukken op dezelfde manier als de eerdere onderzoeken met PFM. Ze ontdekten dat wanneer ze een elektrisch veld aanbrachten over een centimeter groot stuk weefsel, het veranderde van vorm zoals elk diëlektrisch materiaal dat elektrostrictie vertoont.

Als het hart of andere weefsels ferro-elektrisch en piëzo-elektrisch waren, dan zouden ze gemaakt moeten zijn van een biopolymeer met een polaire kristalstructuur. Voor de aorta, dit is uiterst onwaarschijnlijk omdat de wanden een complexe anatomische structuur hebben die anders is dan botten, waar de polaire structuur van collageen hun fascinerende piëzo-elektrische eigenschappen oplevert.

"We konden geen enkel teken van piëzo-elektriciteit of ferro-elektriciteit zien, en we dachten dat we dat moesten bijdragen aan de wetenschappelijke discussie, " zei Lenz, opmerkend dat hun werk slechts één bewijslijn over dit onderwerp is. "Jammer. Ik had me er graag verder in verdiept."