攀兹

、丈泛

图8 一3 是臂骨
在应用载荷的作用下，悬臂骨表面的电荷会发生分离。张力侧产生正电荷，而受压侧产生负电荷。在骨弯曲韵顶点可以侧到较大的电荷电位。这种夸由部位也正是发生再塑形活动最为活跃的区域。负电引发成骨活动，而正电荷则是破骨活动的信号

二、外力
引起骨骼变形的外力分为两类：恒力和快速载荷力。恒力由重力、心的回缩力、收缩期血液的冲力和肌肉的张力，尤其是维持脊柱和下肢体位姿势的骨骼肌张力所构成。骨骼肌的活动以及周围环境中物体的撞击是快速载荷力。在影响骨小梁的最终排列方面，外力的作用是非常重要的。骨小梁在抵抗出生后骨的最大张力和压力曲线方面发挥着重要的作用，而这种随着后天生长发育出现的骨小梁粗线是机体进化和遗传特征所致。三、骨传导（换能器）
根据骨骼最主要的生物电性质，骨的转换器分为两类。它们是由于骨骼的机械性变形所致的

化学键扭转，即压电现象以及由固一液界面离子键的破裂所致的流动电位。因加热引起的键扭转被称为热电性。但在骨骼中所产生的热电压量是很小的。
压电现象是在某些晶体结构中观察到的。它于1850 年由J . P . Curie 在石英中首次发现，并于1910 年由美军将其应用于海底定位。一个晶体不见得非有中心性对称结构才具有这种特性。由于骨的组成绝大多数是由骨基质以及搀杂其中的少数的骨细胞构成，所以首先讨论骨细胞外基质的构成。
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骨的矿物质结晶沉积在有机基质中，大约占骨重量的2 乃。骨的晶体结构与一种在岩石中发现的矿物质― 氟磷灰石非常相似。在骨晶体中，氟磷灰石中氟原子的位置被经基对占据。因此，称之为经基磷灰石。经基磷灰石中的有机基质主要由胶原蛋白组成，这些胶原蛋白也呈晶状结构。从末端看时、胶原是以长链状螺旋分子的形式并行排列形成一个规则的六边形结构（图8 一4 ）。

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日8 一4 胶原的构成
胶原是一种纤维蛋白，由原胶原构成，它是3 种主要类型蛋白质中的l 种。它是由3 个相互缠绕的杆状多肚链分子结构组成。这种杆样结构是产生压电现盘的一个必要条件之一。。1 、倪、户这3 条链相互续绕形成1 个3 倍体的级旋样结构，其中正负电菏呈不均匀地分布于杆状结构的中心。完整的螺旋兰倍体皇极性，被称为原胶原。原胶原彼此交错平行排列形成胶原。平行排列的杆状原胶原也是倡极化的（a ) ；自然排列的胶原永久电矩（b ) ; 3 个彼此缠绕的链（动

Athe 讹taedt 于1970 年指出，短基磷灰石属于六角形双梭锥状的晶体结构（6 彻），为一中心对称性结构，因而既无热电性又无压电性。然而，E 眺哭tt 早在1965 证明，当通过化学方法去除骨中的轻基磷灰石后，干燥变形骨所产生的电量减少。要解决这一难题，有必要对肌脸的压电特性做一介绍。
Fukads 和YaS 叼a 于1964 年在干燥的肌健上观察并检测到了压电现象。肌胜主要是由平行的胶原纤维组成，其间胶原分子的走行与肌膜长轴的方向完全一致，而且有90 ％多的胶原纤维呈晶体化。胶原具有吸收水分子的能力，大约30 ％的水分子与胶原分子呈化学性结合，胶原纤维的对称性结构可发生变化。（卫阮en 山犯n , 1962 )
Ande 卿n 和曰kk 劝n 于1968 年发现新鲜的胶原纤维没有压电现象。因此，在体内，肌睦不具有压电特性。然而无法去除骨胶原中所有的水分子，纯化的肌键胶原具有吸收水分子的能力。由于骨骼中的经基磷灰石晶体与胶原呈化学性地紧密结合在一起，这样阻止了胶原吸收水分后的扩张。因此，干燥骨和活体骨应具有压电特性。
压电现象之所以被称作为“压电”，是因为它有高度的方向性。通过研究现已完全明确了骨的压电特性。一般认为，只有在剪力与肌健和骨的方向相同时，才会产生肌健和骨的电压现象，即只有当剪力作用的方向与胶原纤维的方向平行时才会发生。除压电现象外，尚无证据支持其它应力可在干燥骨上诱导出电压（Eri 协的n , 1976 ）。以下将介绍流动电位在湿骨上诱导电压的情况（与压电现象相同）。
当胶原纤维垂直排列时，电荷在水平或横行方向上分离，这点非常值得重视。这在以后的“神经障碍”章节中将重点介绍。由于胶原纤维对压电现象非常重要，所以对胶原分子的结构加以讨论。
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在有机结构中产生压电现象需要3 个必要的条件：
( l ）具有永久性的偶极矩；
( 2 ）结构的分子形态垦平行排列；
( 3 ）组织结构呈杆状或棱柱状。
胶原的组织结构可以满足以上3 条必要条件。H 记罗和Sohmltt 于1960 年发现正常的胶原纤维是以平行的方式聚合而成。胶原分子是一种长约3 000 埃，形似织针的坚硬的杆状物。胶原纤维的直径大约有14 埃。构建起长链状的胶原集合分子称为原胶原。这种分子由3 个缠绕着分别称为al 、电和俘的多肤链组成。这种肤键三联体紧密结合以致其中无容纳氨基酸的空间。这些侧链形成了原胶原的外表部分。带正电和负电的侧链呈非对称性分布在胶原分子长轴中心的周围（图8 一5 ）。其结果是在原胶原的长轴方向出现永久性偶极矩。（Bennett , 1968 ; Athenstaedt , 1974 ）。最终，在相临的原胶原分子之间形成共价键。这样使得胶原三维网架结构变得完全不溶，尽管其部分结构可被鸟嚎吟变性剂所降解（Bennett , 1968 ）。胶原偶极矩时的作用如图8 一5 所示。

正极端

明卜～? ? 负极

正极- - - - －叫卜

负赢戈卜。

图艺一5 电场中的假极排列
原胶原和胶原都是永久性的双极结构。此示意图显示了排列于应用电场中的原胶原偶极

应力作用下骨的电能是作为一个电位进行测量的。从1957 年起人们就可以检铡到在应力作用下骨骼所产生的电位。某些物质的电荷分离，在此是指骨，可以通过机械性变形和（或）应力的作用而诱导产生。物体变形所引起的电位至少有如下6 种特性：压电性、热电性、铁电性一铁弹性、半导体、驻极体和流动电位。1971 年卫短撒tt 认为骨骼具有上述6 种特性中的5 个，这种电位应包括所有这5 种现象或其中的一部分。而Erk ～于1976 年证明在测定电位时，流动电位起着重要作用。这种在变形的（或）应力作用下所测得的骨骼电位，目前被称作为“应力下产生的电位（SGP ) " ，它可以涵盖所有的专业术语。随知识的不断丰富，业已证明在应力下产生的电位（SGP ）可以归因于应力作用下骨的压电性或流动电位，或是对二者的共同作用。并且，最近有人提议将“Wd 任定律”改为“应力下产生的电位一‘Wolff 定律”，以此来表明这种可测得的电位是在应力作用下骨骼的再塑形所致。
压电特性存在于许多各向异性的，即非对称性晶体样物质当中，许多生物组织以此进行分类。如前所述，压电现象是压力电荷所致。当具有压电性的物质变形时，其化学键很可能是氢键就会发生扭曲变形。化学键扭曲可导致电子的极化。相反，在晶体表面施加电压可导致这一物质发生机械性扭曲。正是这种相互作用的关系构成了传统压电效应的特征。在加载的情- 186 -

况下，化学键结构改变的结果是产生偶极矩，这可导致晶体内部产生电磁场，而且晶体表面的电荷发生反跳（图8 一6 ）。
需要强调的是只要应力作用于晶体，极化场就会持

续存在，因为它是由电荷的实际位移所产生的。为了观察这个极化场，就必须将电极置于晶体的表面，并将它们与一个装有可以测定电压的静电计或相类似装置的外部电路连接在一起。许多人误认为在施加应力的条件下可以观察到波峰的出现。为了对这种极化现象进行观察，需要将电极粘贴上，但这些电极对骨的电荷具有引流作用，因而降低了波峰。波峰的下降使人们对压电现象产生了一个错觉。有人将电极和外部电路连接到晶体上，结果在外部电路中出现电荷的流动，并直至晶体表面的电荷呈中性为止。此时，在应力去除之前将不会有电荷的进一步流动。需要指出的是，假如果阻断外部电路，并移走电极，极化的电荷将仍然停留在电介体上，这是因为只要有应力存在，偶极就会存在。应力

应力

图8 一‘压电荷压电物质具有在应用载荷作用时产生电荷极化的性质，反之．在电荷存在的悄况下也可引起物

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作用下产生的电位也可称为Hall 电压所产生的Hall 效质约机械变形。在施与物理应力的条件下会有应。一个产生偶极力矩的联结变形，这将导致在物象压电性的电荷一样，在骨受到机械性应力作用时体内部产生电场，而在其表面出现跳跃电荷可产生流动电位。流动性电位不是骨本身的一个生物
学特性，而是液体流经超显微的横行细孔过程中的一个特性（图