Flexoelectricity in biomaterials

Abstract

La flexoelectricidad es la capacidad de los materiales para generar electricidad al deformarse de forma no homogénea. Es una propiedad de todos los materiales y, en principio, posible que existiera en biomateriales. De hecho, ya se ha observado en estereocilios del oído interno, apuntando a su importancia para la transducción acústico-eléctrica en la audición de mamíferos. Esta tesis investiga las propiedades flexoeléctricas de varios compuestos biocerámicos, que van desde los huesos hasta el coral, poniendo énfasis no solo en medir las propiedades flexoeléctricas, sino también en relacionarlas con su papel fisiológico. El Capítulo 1 introduce el tema de mecanoelectricidad de materiales y ofrece una visión general de los biomateriales estudiados en esta tesis. En el Capítulo 2, se desarrolla un análisis teórico de las propiedades mecanoeléctricas de los sistemas no homogéneos. En biomateriales, la flexoelectricidad y piezoelectricidad no pueden separarse tan fácilmente como en el caso de las muestras cristalinas o cerámicas que son regulares y con propiedades definidas. Los biomateriales nos obligaron a considerar situaciones en las que la flexoelectricidad y piezoelectricidad pueden actuar a la vez. También, situaciones en las que la piezoelectricidad es capaz de disfrazarse como flexoelectricidad o viceversa, con el objetivo de establecer el marco conceptual para las mediciones y los resultados de los siguientes capítulos. El Capítulo 3 describe y analiza las mediciones macroscópicas de flexoelectricidad en hidroxiapatita y huesos. La polarización inducida de ambos materiales arrojó resultados muy similares, lo que demuestra que la hidroxiapatita puede explicar la mayor parte de la polarización de los huesos sin necesidad de invocar la piezoelectricidad del colágeno. Teniendo en cuenta que la flexoelectricidad es más relevante a la microescala, donde los gradientes de deformación son más grandes, el Capítulo 4 desarrolla un modelo para estudiar los campos flexoeléctricos en torno a las microgrietas en los huesos. La magnitud de los campos eléctricos generados por un crack puede inducir la apoptosis en los osteocitos que es el primer paso en el proceso de remodelación ósea. En el Capítulo 5, realizamos experimentos in vitro con osteocitos y osteoblastos para determinar si los campos flexoeléctricos pueden afectar a las células. Observamos no solo que los campos flexoeléctricos generados por grietas pueden inducir apoptosis de células en el corto plazo, sino que, en los experimentos de cultivos a largo plazo, la flexoelectricidad también puede estimular la diferenciación de las células. En el Capítulo 6, exploramos las propiedades mecanoeléctricas de otros biomateriales como los dientes, coral y el martillo de un camarón. Los dientes están compuestos por los mismos constituyentes que los huesos, y por lo tanto, es un buen material para comparar con el hueso. Mientras tanto, el coral es un material comúnmente utilizado como injerto óseo debido a las similitudes con el hueso. Al comparar las propiedades flexoeléctricas de ambos materiales, pudimos determinar que también son muy similares, lo que nos lleva a pensar que la compatibilidad flexoeléctrica puede ser un factor de ayuda en el buen desempeño de los injertos óseos coralinos, una posibilidad que proponemos explorar en otros candidatos para injertos óseos. Finalmente, el martillo de un camarón tiene una capacidad sobresaliente para soportar el estrés sin fracturarse y este fenómeno nos motivó a estudiar las propiedades mecanoeléctricas del martillo, ya que la flexoelectricidad afecta las propiedades mecánicas de la materia. Finalmente, el Capítulo 7 brinda una descripción personal de las perspectivas y líneas futuras que podrían derivarse de esta investigación. La descripción completa de los procedimientos experimentales para experimentos electromecánicos y biológicos y el algoritmo de Mathematica que programé para calcular los campos flexoeléctricos alrededor de las grietas se encuentran en los apéndices.

Flexoelectricity is the ability of materials to generate electricity upon being bent, or, more generally, upon being inhomogeneously deformed. It is a property that is allowed by symmetry in all materials and, therefore, it was in principle possible that it existed in biomaterials –one precedent existed for their observation in inner-ear stereocilia, in fact, pointing to its importance for acousto-electric transduction in mammalian hearing. In this context, this thesis investigates into the flexoelectrical properties of several biologically-produced ceramic composites, ranging from bones to coral, putting emphasis not only on measuring the flexoelectrical properties, but also in connecting them to their potential physiological role. Chapter 1 introduces the topic of the mechanoelectric properties of piezoelectricity and flexoelectricity, and gives an overview of the biomaterials studied in this thesis. In Chapter 2, a theoretical analysis of the mechanoelectric properties of inhomogeneous systems is developed. For biomaterials, flexoelectricity and piezoelectricity cannot be as easily separeted as in the case of crystal or ceramic samples that are regular and with defined properties. The use of biomaterials forced us to consider situations in which flexoelectricity and piezoelectricity may act together. Situations in which piezoelectricity is able to disguise itself as flexoelectricity or vice-versa are presented, with an aim to lay the conceptual framework for the electromechanical measurements and results of the following chapters. Chapter 3 describes the characterization and analysis of macroscopic measurements of flexoelectricity in hydroxyapatite and bones. Bending-induced polarization of both kinds of samples yielded very similar results, which demonstrates that hydroxyapatite can account for most of the polarization of bones without needing to invoke collagen piezoelectricity. Considering that flexoelectricity is more relevant at the microscale, where strain gradients are bigger, in Chapter 4, we developed a model to study flexoelectric fields around microcracks in bones. We determined that the magnitude of the electric fields generated by a loaded crack can induce apoptosis in osteocytes. Osteocyte apoptosys is known to be the first step in the bone remodeling process. In Chapter 5, we performed in vitro experiments with osteocytes and osteoblast to probe whether flexoelectric fields are indeed able to affect cells. We observed not only that crack-generated flexoelectric fields experiments are able to induce apoptosys of cells in the short term, but in the long-term culture experiments, flexoelectricity is also able to stimulate the differentiation of cells. Finally, in Chapter 6, we explored the mechanoelectric properties of other Ceramic-based biomaterials such as teeth, coral skeleton, and the club of a stomapod. In the case of teeth, they are composed by the same constituents as bones, and they were therefore a good material to compare with bone. Meanwhile, coral skeleton is a material commonly used as a bone graft due to the similarities with bone. By comparing flexoelectric properties of both materials, we were able to determine that they are also very similar, leading us to hypothesise that flexoelectric compatibility may be a helping factor in the good performance of coral-based bone grafts, a possibility we propose to explore in other candidates for bone grafts. Finally, the club of a stomapod has an outstanding capacity to stand stress without fracture and this phenomenon motivated us to study the mechanoelectric properties of the club, as flexoelectricity is known to affect the mechanical properties of matter. Finally, Chapter 7 gives a personal overview of the perspectives and future lines that could derive from this research. The complete description of experimental procedures for electromechanical and biological experiments is in Appendix ), and Appendix B is the Mathematica algorithm that I programmed for calculating flexoelectric fields around cracks.