生体のフレキソエレクトリシティ
Investigation of The Cellular Response to Bone Fractures: Evidence for Flexoelectricity
Sci Rep. 2020 Jan 14;10(1):254. doi: 10.1038/s41598-019-57121-3
フレキソエレクトリック効果
圧電効果は材料のひずみに比例して発生する電気分極です。
圧電効果は結晶材料にのみ存在し、機械的ひずみと電界の関係、およびその逆の関係（逆圧電効果）があります。
圧電効果については、詳しくは関連記事をご参照ください ↓
フレキソエレクトリック効果は、ひずみの空間的な変化率（ひずみ勾配）に比例して電気分極が発生する現象です。
ひずみ勾配によって反転対称性が破られることによって電気分極が誘発されます。
圧電効果とは異なり、すべての誘電体に存在する電気特性の１つです。
巨視的には誘電体試料を曲げることや、非対称な応力を加えることにより、分極が発生することが知られています。
傾斜歪みの大きさは長さの逆数に比例するため、ナノスケールの微細な格子歪みによって、ひずみ勾配は高い値を得ることができます。
フレキソエレクトリック効果は、圧電効果よりも分極量は小さいと言われてきましたが、ナノスケールでは比較的大きな誘電分極が発生するため重要となります。
固体圧電材料では、大きなひずみ勾配が現れる変形形態が少ないため、圧電効果による分極の方が一般的には大きくなります。
液晶は形状変化を大きく取ることが容易に可能であり、フレキソエレクトリック効果による電気分極が顕著に現れます。
私たちの体の約7割は水でできており、体内の水は液晶構造をとって、自己組織化する散逸構造を支えています。
液晶によるフレキソエレクトリック効果については、関連記事をご参照ください ↓
骨のフレキソエレクトリシティ
微小亀裂は、あらゆる骨に遍在する特徴であり、反復的かつ周期的に加えられる応力による疲労損傷の結果です。
アスリートによく見られ、骨リモデリングの種として機能するだけでなく、非常に強い負荷がかかると、機械的疲労の原因にもなります。
微小亀裂は、より大きな亀裂のひずみエネルギーを逸らして消散させることで骨破壊を防ぎ、全体的な骨の靭性を向上させる役割も果たしています。
亀裂に反応して局所的に骨がリモデリングされる生理学的プロセスには、骨芽細胞、骨細胞、破骨細胞という 3 つの主な細胞が関与しています。
骨細胞が損傷すると化学信号を放出し、骨吸収に向けて破骨細胞の動員を促進します。
次に、骨芽細胞は、石灰化されていない細胞外マトリックスを生成して新しい骨の形成を開始し、それが続いて石灰化します。
さらに、微小亀裂の生成は、さまざまな成長因子（TGF-b、BMP、IGF、PDGFなど）の放出を介して骨芽細胞の骨細胞への成熟も促進します。
細胞外マトリックスについては、関連記事をご参照ください ↓
骨のリモデリングは、骨組織の圧電性の画期的な発見以来、電気力学と関連付けられ、圧電性コラーゲンの存在によるものと考えられてきました。
コラーゲンの圧電性について、関連記事をご参照ください ↓
生体電気については、関連記事をご参照ください ↓
しかし最近では、機械的ストレスに反応して電圧を生成する骨の能力は、適用された変形が不均一である限り、フレキソエレクトリシティのおかげで、コラーゲンがなくても保持されることが発見されました。
フレキソエレクトリシティは、非圧電性のものを含むすべての誘電材料が、ひずみ勾配に比例して電圧を生成する特性です。
骨の構造では、機械的ストレスの分布は不均一であるため、フレキソエレクトリシティは、あらゆる機械的負荷に対する必然的な反応となります。
微小骨折という形での骨の損傷も、大きな局所的ひずみ勾配を伴う機械的不均一性を生み出し、強いフレキソエレクトリカル信号を生成します。
骨の微小亀裂周辺のフレキソエレクトリカルフィールドは、亀裂の頂点付近では数 kV/m に達し、これは骨細胞のアポトーシスを誘発することが知られている静電場と同程度の大きさとなります。
フレキソエレクトリシティは、骨のリモデリングにおいて、骨細胞のアポトーシス誘発と骨芽細胞の骨形成活動の電気刺激という、少なくとも 2 つの異なる役割を果たしていると考えられます。
まとめ
フレキソエレクトリック効果は、ひずみの空間的な変化率（ひずみ勾配）に比例して電気分極が発生する現象です。
傾斜歪みの大きさは長さの逆数に比例するため、ナノスケールの微細な格子歪みによって、ひずみ勾配は高い値を得ることができます。
フレキソエレクトリック効果は、圧電効果よりも分極量は小さいと言われてきましたが、ナノスケールでは比較的大きな誘電分極が発生するため重要となります。
液晶は形状変化を大きく取ることが容易に可能であり、フレキソエレクトリック効果による電気分極が顕著に現れます。
骨の構造では、機械的ストレスの分布は不均一であるため、フレキソエレクトリシティは、あらゆる機械的負荷に対する必然的な反応となります。
フレキソエレクトリシティは、骨のリモデリングにおいて、骨細胞のアポトーシス誘発と骨芽細胞の骨形成活動の電気刺激という、少なくとも 2 つの異なる役割を果たしていると考えられます。
