Mechanische Andullatie-trillingen worden omgezet in elektrische microstroompjes
"Piëzo-elektriciteit"
Dankwoord
Bij het schrijven van deze blog gaat mijn oprechte dank naar Professor Emeritus dr. Pierre Lievens van de Vrije Universiteit Brussel voor zijn zeer gewaardeerde wijsheid en academische kennis.
Mechanische Andullatie-vibraties omzetten in elektrische stromen
Het kernmechanisme van de Andullatie-technologie is de omzetting van mechanische trillingen in elektrische microstroompjes. Andullatie-trillingen zijn daarom bijzonder belangrijk voor het herstel en de productie van collageenvezels. Deze vezels maken tot 30 à 40 % uit van de lichaamseiwitten en zijn het hoofdbestanddeel van bindweefsel in beenderen, gewrichten, spieren en pezen.
Ontdekking van piëzo-elektriciteit door Pierre en Paul-Jacques Curie
Rond 1880 ontdekten de gebroeders Curie het piëzo-elektrische fenomeen. Ze stelden o. a. vast dat een kwartskristal onder mechanische druk [= F/A] en andere inkrimpings- en uitzettingskrachten een vervorming ondergaat (= sigma [σ]). Deze deformatie veroorzaakt vervolgens een elektrische spanning die zich voortzet in de vorm van elektrische stroompjes (= intensiteit I). Alle apparaten, substanties en moleculen die mechanische stress in elektrische stromen omzetten, noemt men daarom piëzo-elektrische materialen (1, 2). Piëzo is afkomstig van het Griekse ‘πιέζω’ wat zoveel betekent als ‘druk uitoefenen’.
Piëzo-elektrische materialen zijn bijzonder goede sensoren
Piëzo-elektrische materialen die mechanische energie in elektrische energie omzetten en omgekeerd, zijn niet alleen onontbeerlijk in de wereld van de telecommunicatie maar ook in de geneeskunde, nl. voor beeldvorming. Vooral bij medisch ultrasound onderzoek van zwangere vrouwen gebruikt men zeer geavanceerde apparatuur, zoals transducers en sensoren, die uiterst hoge piëzo-elektrische eigenschappen vereisen (3, 4, 5, 6). Voor commerciële doeleinden worden daartoe ferro-elektrische kristallen geproduceerd die de geleerde naam kregen van ‘perovskietoxide-‘ of ‘PMT-PT-kristallen’.
Collageeneiwitten zijn uitstekende piëzo-elektrische sensoren
In het menselijk lichaam zijn vooral collageenvezels in staat mechanische trillingen specifiek aan te voelen vooraleer deze in elektrische potentialen om te zetten. De productie van collageenvezels in ons lichaam is trouwens voor 80 % afhankelijk van piëzo-elektriciteit. Dit gebeurt continu omdat het lichaam voortdurend onderhevig is aan allerlei krachten. De zwaartekracht, dagelijkse bewegingen en fysieke inspanningen zorgen constant voor piëzo-elektrische effecten. Maar ook Andullatie-trillingen kunnen deze effecten creëren. Tijdens een Andullatie-sessie worden collageenvezels in been-, spier-, pees- en gewrichtsweefsel onder mechanische druk achtereenvolgens ingedrukt en uitgerekt. Hierdoor ontstaan zgn. streaming-electric-potentials (S.E.P.) of elektrische micropotentialen (7) (Fig. 1).
Fig. 1. Collageenvezels vormen het hoofdbestanddeel van been-, kraakbeen-, spier- en peesweefsel. Evenals een piston die in een wagen op- en neergaat, zo zijn collageenvezels op zo’n manier opgebouwd dat ze over elkaar kunnen glijden. Deze vezels bezitten piëzo-elektrische eigenschappen. Dat betekent dat de mechanische energie van de Andullatie-trillingen de collageenvezels indrukt en uitrekt, waardoor ze elektrische microstroompjes (mP’s) genereren. Omdat collageenvezels ook als halfgeleiders fungeren kan de opgewekte piëzo-elektriciteit over langere afstand voortgeplant worden, wat het herstel en de groei van de collageenvezels bevordert.
Collagene vezels fungeren als halfgeleiders
Collageenvezels bezitten de eigenschap zeer kleine elektrische stromen (= SEP’s) over lange afstanden te kunnen vervoeren (8). Ze fungeren dus als halfgeleiders. Dit verklaart waarom het opgewekte piëzo-elektrisch effect medeverantwoordelijk is voor een snellere herstel én productie van collageenvezels.
Piëzo-elektriciteit is welbekend in de professionele sportwereld
Intense en herhaalde massages produceren piëzo-elektrische microstroompjes die collageen kunnen herstellen en vormen, waardoor de recuperatie van letsels in ligamenten, spieren, pezen en gewrichtskapsels veel sneller verloopt. Mechanische trillingen met dezelfde fysische kenmerken als Andullatie-trillingen hebben een bewezen invloed op het genezingsproces na chirurgie van het schoudergewricht (9).
Opgewekte piëzo-elektriciteit stimuleert celactiviteiten
De piëzo-elektrische effecten van collageenvezels veranderen ook het elektrische veld rond cellen. Bij tal van biofysische technieken – vergelijkbaar met Andullatie – zijn het eveneens de opgewekte micropotentialen (mP’s) die de cellen van supplementaire energie voorzien zodat celfuncties gunstig beïnvloed worden. Cellen produceren energie (zie volgende blog over ATP), maar hebben hiertoe nu eenmaal zelf energie nodig.
Opgewekte piëzo-elektrische micropotentialen bevorderen de groei van kraakbeen en beenderen
Dagelijkse mechanische belasting via actieve beweging levert de essentiële piëzo-elektrische prikkels die zowel kraakbeenvormende (10) als beenvormende cellen nodig hebben (11). Dagelijkse – onbewust waargenomen – microscopisch kleine trillingen zijn essentieel om het glijdingsmechanisme tussen de kraakbenige oppervlakten in de gewrichten te onderhouden (12). Men weet sinds lang dat mechanische belasting van het beenweefsel de energieproductie (= ATP) in jonge beenvormende cellen (= osteoblasten) bevordert en hun functioneren ten goede komt (13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26). Wanneer beenfragmenten niet goed aan elkaar vastgroeien, stimuleren elektrisch opgewekte micropotentialen de groei van de beencellen (27).
De volgende blog wordt de invloed van Andullatie op de energieproductie in cellen belicht.
Referenties
1. Ranade SS, Woo SH, Dubin AE, Moshourab RA et al., ‘Piezo2 is the major transducer of mechanical forces for touch sensation in mice’,
Nature, 2014, 516:121
2. Liao WQ, Zhao D, Tang YY et al., ‘A molecular perovskite solid solution with piezoelectricity stronger than lead zirconate titanate’,
Science, 2019, 363:1206
3. Fu H, Cohen RE, ‘Polarization rotation mechanism for ultrahigh electromechanical response in single-crystal piezoelectrics
Nature, 2000, 403:281
4. Zhang S, Li F, Jiang X et al., ‘Advantages and challenges of relaxor-PbTiO3 ferroelectric crystals for electroacoustic transducers. A Review’,
Prog Mater Sci, 2015, 68:1
5. Hlinka J, ‘Doubling up piezoelectric performance. Trace amounts of samarium greatly improve materials used in sonar and ultrasound imaging’,
Science, 2019, 364:228
6. Li F, Cabral MJ, Xu B et al., ‘Giant piezoelectricity of Sm-doped Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 single crystals’,
Science, 2019, 364:264
7. Fukada E, Yasuda I, ‘Piezoelectric effects in collagen’,
J Applied Physics, 1964, 3:117
8. Minary-Jolandan M, Yu MF, ‘Nanoscale characterization of isolated individual type I collagen fibrils: Polarization and piezoelectricity’,
Nanotechnology, 2009, 20:085706
9. Dos Santos ML, Lima FPS, de Freitas STT et al., ‘Effects of vibration therapy in the musculoskeletal system in postsurgical breast cancer women: longitudinal controlled clinical study’,
Research on Biomedical Engineering, 2016, 32:213
10. Wolff J, ‘Das Gesetz der Transformation der Knochen‘,
Hirschwald, Berlin 1892
11. Fukada E, Yasuda I, ‘On the piezoelectric effect of bone’,
J Physical Society Japan, 1957, 12:1158
12. Adams MA, Bogduk N, Burton K, Dolan P, ‘The biomechanics of back pain. Third edition’,
Churchill Livingstone, Elsevier, 2013:124
13. Reich KM, Gay CV, Frangos JA, ‘Fluid shear stress as a mediator of osteoblast cyclic adenosine monophosphate production’,
J Cell Physiol, 1990, 143:100
14. Klein-Nulend J, Van der Plas A, Semeins CM et al., ‘Sensitivity of osteocytes to biomechanical stress in vitro’,
FASEB J, 1995, 9:441
15. Burger EH, Klein-Nulend J, ‘Mechanotransduction in bone. Role of the lacuno-canalicular network’,
FASEB J, 1999, 13:S101
16. Bakker AD, Klein-Nulend J, Tanck E et al., ‘Different responsiveness to mechanical stress in bone cells from osteoporotic versus osteoarthritic donors’,
Osteoporos Int, 2006, 17:827
17. Bacabac RG, Smit TH, van Loon JJWA et al., ‘Bone cell response to high-frequency vibration stress. Does the nucleus oscillate within the cytoplasm?’,
FASEB J, 2006, 20:858
18. Tjabringa GS, Vezeridis PS, Zandieh-Doulabi B et al., ‘Polyamines modulate nitric oxide production and COX-2 gene expression in response to mechanical loading in human adipose tissue-derived mesenchymal stem cells’,
Stem Cells, 2006, 24:2262
19. Vatsa A, Mizuno D, Smit TH et al., ‘Bio imaging of intracellular nitric oxide production in single bone cells after mechanical stimulation’,
J Bone Miner Res, 2006, 21:1722
20. Tan SD, de Vries TJ, Kuijpers-Jagtman AM et al., ‘Osteocytes subjected to fluid flow inhibit osteoclast formation and bone resorption’,
Bone, 2007, 41:745
21. Bacabac RG, Mizuno D, Vatsa A et al., ‘Round versus flat. Bone cell morphology, elasticity, and mechanosensing. A Perren Award winning paper’,
J Biomech, 2008, 41:1590
22. Vatsa A, Breuls RG, Semeins CM et al., ‘Osteocyte morphology in fibula and calvaria – is there a role for mechanosensing?’,
Bone 2008, 43:452
23. Bakker AD, Da Silva VC, Krishnan R et al., ‘Tumor necrosis factor alpha and interleukin-1beta modulate calcium and nitric oxide signaling in mechanically stimulated osteocytes’,
Arthritis Rheum, 2009, 60:3336
24. Knippenberg M, Helder MN, Bank RA et al., ‘Differential effects of bone morphogenetic protein 2 and transforming growth factor-?1 on gene expression of collagen modifying enzymes in human adipose tissue-derived mesenchymal stem cells’,
Tissue Eng Part A, 2009, 15:2213
25. Santos A, Bakker AD, Zandieh-Doulabi B et al., ‘Pulsating fluid flow modulates gene expression of proteins involved in Wnt signaling pathways in osteocytes’,
J Orthop Res, 2009, 27:1280
26. Van Hove RP, Nolte PA, Vatsa A et al., ‘Osteocyte morphology in human tibiae of different bone pathologies with different bone mineral density – is there a role for mechanosensing?’,
Bone, 2009, 45:321
27. de Haas WG, Watson J, Morrison DM, ‘Non-invasive treatment of ununited fractures of the tibia using electrical stimulation’,
J Bone Joint Surg, 1980, 62B:465
* Guy Declerck, MD
. 1964, Grieks-Latijnse Humaniora
. 1978, Dokter in de Genees-,Heel-, en Verloskunde (KUL)
. 1983, Medische Specialist in de Orthopedie (KUL & Exeter, UK)
. 1988, Postgraduate Orthopedic Surgery (Plymouth & Liverpool, UK)
. 1989, Spinal Fellow in Adult Spinal Surgery (Perth, Australia)
. 1989, Research Fellow in Spinal Injuries & Rehabilitation (Perth, Australia)
. 1989, Neuromuscular Foundation of Western Australia Postgraduate Studentship
. 1992, Spinaal Orthopedisch Chirurg (Vlaanderen en buitenland)
. 1992, Medical Doctor National Belgian Judo Team
. 1993, European Spine Research Fellowship ‘Bionic Walking’ (Stoke-on-Trent, UK)
. 1994, Worldwide Encyclopaedia Invited Surgeon and SAFIR Spinal Travel Fellowship
. 2003, Rugchirurg-op-rust in Vlaanderen
. 2003-2006, Sabbatical
. 2007-2014, International Spinal Research, Spinal Scientific Advisory Consultant & Instructor
. 2007-now, Consultant Research & Development Innovative & Restorative Spinal Technologies
. 2007-now, Spinal Lecturing & Writing, Surgical Education (www.guy-declerck.com en www.hhp.be/nl/blog)
. 2012-now: President International Association Andullation Therapy (www.iaat.eu/Science)
GALLERIJ
