人牙是一种天然的介电材料，从理论上推测其应具有介电材料的一般性质，但是目前相关的报道很少。本研究以新鲜人类牙本质为模型，进行了以下实验：1.设计了压电效应的连续测量系统，并且首次测量了人类牙本质的压电系数d33，研究了牙小管方向、水分含量、胶原和矿物含量对其压电效应的影响。2.首次测量了人类牙本质的热释电系数随温度的变化，研究了水分含量、胶原和矿物含量对其热释电效应的影响。3.测量了人类牙本质在5个不同温度下的介电频谱，研究了牙本质的介电系数与水分含量、测量温度、频率的关系及胶原和矿物含量的影响。4.设计了流动电位的测量装置，首次测量了人类牙本质的流动电位。从本实验的结果可知，人类牙本质具有压...Human dentin is a nature dielectric material; it is assumed that it has similar dielectric properties to ordinary dielectric materials; in this study, investigations on the dielectric properties of human dentin were carried out as follows: 1. A testing system was setup to measure the piezoelectric properties of dentin continuously. The piezoelectric coefficients d33 of human dentin were tested ...学位：工学硕士院系专业：化学化工学院材料科学与工程系_材料物理与化学学号：20033601

王婷

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学校编码：10384                        分类号_______密级 ______ 学号：200336015                                     UDC _______   硕  士  学  位  论  文 人类牙本质的压电、热释电、介电性质 及流动电位的研究 Studies on the piezoelectric, pyroelectric, dielectric properties and streaming potential of human dentin 王  婷 指导教师姓名： 冯 祖 德 教授专 业 名 称： 材料物理与化学论文提交日期： 2 0 0 6 年 6 月论文答辩日期： 2 0 0 6 年 7 月学位授予日期： 2 0 0 6 年     月  答辩委员会主席：           评    阅    人：            2006 年 7 月  厦门大学学位论文原创性声明 厦门大学博硕士论文摘要库  兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。                         声明人（签名）： 年    月    日  厦门大学博硕士论文摘要库 厦门大学学位论文著作权使用声明   本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于   1、保密（  ），在   年解密后适用本授权书。   2、不保密（  ） （请在以上相应括号内打“√”）   作者签名：      日期：  年 月 日 导师签名：      日期：  年 月 日 厦门大学博硕士论文摘要库4 目   录 摘要 I 第 1 章 绪论 4 1.1 天然生物材料的介电性质 4 1.1.1 生物电介质材料 4 1.1.2 生物材料的压电效应 4 1.1.3 生物材料的热释电效应 7 1.1.4 生物材料的介电性质 9 1.1.5 生物材料的流动电位 12 1.2 牙的结构和组成 13 1.2.1 牙的结构 13 1.2.2 牙本质的理化性质 14 1.2.3 牙本质的微观结构 15 1.2.4 牙本质中的胶原 16 1.3 本研究的主要内容和意义 18 1.3.1 本研究主要工作内容 18 1.3.2 本研究的目的和意义 18 第 2 章 实验仪器与方法 20 2.1 主要实验仪器 20 2.2 实验方法 20 2.2.1 样品制备 20 2.2.2 样品的干燥、脱水及生物化学处理 22 2.2.3 实验装置的设计 23 2.2.4 牙本质样品的压电效应测量 26 2.2.5 牙本质样品热释电常数的测量 27 2.2.6 牙本质样品介电性质的测量 28 2.2.7 牙本质流动电位的测量 28 2.2.8 实验流程 29 厦门大学博硕士论文摘要库5 第 3 章 实验结果 31 3.1 牙本质的压电效应 31 3.1.1 未处理牙本质的压电效应 31 3.1.2 部分脱胶原牙本质的压电效应 35 3.1.3 部分脱矿牙本质的压电效应 37 3.1.4 统计分析 39 3.1.5 压电测量系统空白对照实验 40 3.2 牙本质的热释电效应 41 3.2.1 未处理牙本质的热释电效应 41 3.2.2 部分脱胶原牙本质的热释电效应 43 3.2.3 部分脱矿牙本质的热释电效应 46 3.2.4 统计分析 49 3.3 牙本质的介电性质 50 3.3.1 未处理牙本质的介电性质 50 3.3.2 部分脱胶原牙本质的介电性质 51 3.3.3 部分脱矿牙本质的介电性质 53 3.4 牙本质的流动电位 55 3.4.1 加载频率不同时牙本质的流动电位 55 3.4.2 加载频率不同时钻孔牙本质的流动电位 58 3.4.3 统计分析 60 3.4.4 流动电位测量系统空白对照实验 60 第 4 章 讨论 62 4.1 牙本质的压电效应 62 4.1.1 压电效应的理论分析 62 4.1.2 牙本质压电效应的来源 66 4.1.3 牙本质压电效应的影响因素 68 4.2 牙本质的热释电效应 71 4.2.1 热释电效应的理论分析 71 4.2.2 牙本质热释电效应的来源 72 4.2.3 牙本质的热释电效应影响因素 73 4.3 牙本质的介电性质 74 4.3.1 介电性质的理论分析 74 4.3.2 牙本质的介电性质分析 75 4.3.3 牙本质介电性质的影响因素 75 厦门大学博硕士论文摘要库6 4.4 牙本质的流动电位 78 4.4.1 流动电位的理论分析 78 4.4.2 牙本质流动电位的产生 80 4.4.3 牙本质流动电位的影响因素 80 第 5 章 本研究的主要结论与展望 82 5.1 本研究的主要结论 82 5.2 本研究的创新点 82 5.3 展望 83 参考文献 84 攻读学位期间发表的学术论文 89 致谢 90   厦门大学博硕士论文摘要库7 Content Abstract I Chapter 1  Introduction 4 1.1 The dielectric properties of biologicmaterilas 4 1.1.1 Biologic dielectric materials 4 1.1.2 The piezoelectricity of biologicmaterials 4 1.1.3 The pyroelectricity of biologicmaterials 7 1.1.4 The dielelectric properties of biologicmaterials 9 1.1.5 The streaming potential of biologicmaterials 12 1.2 The structure and constitute of tooth 13 1.2.1 The structure of tooth 13 1.2.2 The physical and chemical properties of dentin 14 1.2.3 The microstructure of dentin 15 1.2.4 The collagen in dentin 16 1.3 Main content and significance of this study 18 1.3.1 Main content of this study 18 1.3.2 The intention and significance of this study 18 Chapter 2  Apparatuses and methods 20 2.1 Apparatuses 20 2.2 Methods 20 2.2.1 The preparation of specimens 20 2.2.2 Dry, dehydration and biochemistry treatments of specimens 22 2.2.3 The design of experiment setups 23 2.2.4 Measurement of the piezoelectric properties of dentin 26 2.2.5 Measurement of the pyroelectric constant of dentin 27 2.2.6 Measurement of the dielectric properties of dentin 28 2.2.7 Measurement of the streaming potential of dentin 28 2.2.8 Experiment flow 29 Chapter 3  Results 31 厦门大学博硕士论文摘要库8 3.1 The piezoelectric properties of dentin 31 3.1.1 The piezoelectric properties of intact dentin 31 3.1.2 The piezoelectric properties of decollagen dentin 35 3.1.3 The piezoelectric properties of demineralization dentin 37 3.1.4 Statistic analysis 39 3.1.5 Control tests 40 3.2 The pyroelectric effect of dentin 41 3.2.1 The pyroelectric effect of dentin 41 3.2.2 The pyroelectric effect of decollagen dentin 43 3.2.3 The pyroelectric effect of demineralization dentin 46 3.2.4 Statistic analysis 49 3.3 The dielectric properties of dentin 50 3.3.1 The dielectric properties of intact dentin 50 3.3.2 The dielectric properties of decollagen dentin 51 3.3.3 The dielectric properties of demineralization dentin 53 3.4 The streaming potential of dentin 55 3.4.1 The streaming potentialof dentin at different frequencies 55 3.4.2 The streaming potentialof dentin with a hole at different frequencies 58 3.4.3 Statistic analysis 60 3.4.4 Control tests 60 Chapter 4  Discussions 62 4.1 The piezoelectric properties of dentin 62 4.1.1 The theory of piezoelectric property 62 4.1.2 The generation of piezoelectric properties in dentin 66 4.1.3 The influencing factors of piezoelectric properties of dentin 68 4.2 The pyroelectric effect of dentin 71 4.2.1 The theory of pyroelectric effect 71 4.2.2 The generation of pyroelectric properties in dentin 72 4.2.3 The influencing factors of pyroelectric properties of dentin 73 4.3 The dielectric properties of dentin 74 4.3.1 The theory of pyroelectric properties 74 4.3.2 The analysis of dielectric properties of dentin 75 4.3.3 The influencing factors of dielectric properties of dentin 75 4.4 The streaming potential of dentin 78 4.4.1 The theory of streaming potential 78 4.4.2 The generation of streaming potential in dentin 80 厦门大学博硕士论文摘要库9 4.4.3 The influencing factors of dielectric properties of dentin 80 Chapter 5  Conclusions and expectations 82 5.1 Conclusions 82 5.2 Innovations in this study 82 5.3 Expectations 83 References 84 P apers published in pursuing degree 89 Acknowledgement 90   厦门大学博硕士论文摘要库厦门大学博硕士论文摘要库摘要 I 摘   要 人牙是一种天然的介电材料，从理论上推测其应具有介电材料的一般性质，但是目前相关的报道很少。本研究以新鲜人类牙本质为模型，进行了以下实验： 1. 设计了压电效应的连续测量系统，并且首次测量了人类牙本质的压电系数d33，研究了牙小管方向、水分含量、胶原和矿物含量对其压电效应的影响。 2. 首次测量了人类牙本质的热释电系数随温度的变化，研究了水分含量、胶原和矿物含量对其热释电效应的影响。 3. 测量了人类牙本质在 5 个不同温度下的介电频谱，研究了牙本质的介电系数与水分含量、测量温度、频率的关系及胶原和矿物含量的影响。 4. 设计了流动电位的测量装置，首次测量了人类牙本质的流动电位。 从本实验的结果可知，人类牙本质具有压电效应和热释电效应，并且这二者均来源于牙本质中的胶原纤维的极化。对压电效应的研究表明，水分含量越高，牙本质的压电效应越大；并且沿牙小管方向测到的压电效应较垂直牙小管方向大。对热释电效应的研究表明，含饱和水分样品的热释电效应随温度上升而下降，干燥样品的热释电效应在测试的温度范围内没有明显的变化。对牙本质介电性质的研究表明，在一定频率范围内，含水牙本质的介电常数大于干燥牙本质；并且牙本质的介电常数随频率增加而减小，随温度升高而降低。同时，实验结果表明脱矿和脱胶原处理对压电效应、热释电效应和介电性质也有一定的影响。牙本质流动电位的研究表明，人类牙本质具有流动电位，并且加载频率越高流动电位越大，在相同加载频率下有小孔样品的流动电位较小。 研究天然生物材料电学性质，使生物医用材料具有和生物体相似的结构和功能是仿生学的重要指导思想，也是材料科研工作者们关注的问题。所以，对牙本质压电效应、热释电现象、介电性质和流动电位的研究，可以深化对牙本质生物电现象的认识，对新型牙科修复材料的研制也具有重要的意义。 关键词 牙本质；介电性质；水分含量 厦门大学博硕士论文摘要库厦门大学硕士学位论文 II Abstract Human dentin is a nature dielectric material; it is assumed that it has similar dielectric properties to ordinary dielectric materials; in this study, investigations on the dielectric properties of human dentin were carried out as follows: 1. A testing system was setup to measure the piezoelectric properties of dentin continuously. The piezoelectric coefficients d33 of human dentin were tested for the first time; and the influences of the direction of tubules, water content, decollagen and demineralization treatments were discussed. 2. The changes of the pyroelectric properties of human dentin as increasing temperature were studied for the first time. And the influences of water content, decollagen and demineralization treatments were discussed. 3. Dielectric constants of human dentin as a function of the frequency of electric field were tested at 5 different temperatures. Moreover, the influences of water content, temperature, testing frequency, decollagen and demineralization treatments on the dielectric properties of human dentin were investigated. 4. A testing system was setup to measure the streaming potential, and the streaming potential of human dentin was observed for the first time. Results in this study indicated that human dentin was piezoelectric and pyroelectric, and both these two properties were generated from the polarization of collagen fibers in dentin. The research on piezoelectricity of dentin showed that piezoelectricity increased upon increasing moisture content, and greater piezoelectricity was detected parallel to tubules than vertical to tubules. The research on pyroelectricity of dentin indicated that pyroelectric properties of moist specimen decreased as increasing temperature, however, that of dry specimen showed no obvious change in the whole heating process. The research on dielectric property of dentin showed that moist dentin had higher dielectric constant than dry dentin, and dielectric constant of dentin decreased as increasing 厦门大学博硕士论文摘要库摘要 III frequency and temperature. Furthermore, decollagen and demineralization treatments had significant influences on the piezoelectric, pyroelectric and dielectric properties of dentin. The research on streaming potential of dentin indicated that human dentin exhibited streaming potential, which got higher as the loading frequency increasing; and the specimen drilled had lower streaming potential. To produce artificial biomaterials that have the same structure and function to organism is the guideline of bionics, and investigations on the dielectric properties of natural biological materials draw a lot of attentions of materials researchers. Therefore, further understanding to the piezoelectric, pyroelectric properties, dielectric properties and streaming potential is not only significant to the investigation of human bioelectricity, but also is an inspiration to research and development of new novel dental bionic materials. Keywords  dentin; dielectric properties; water 厦门大学博硕士论文摘要库厦门大学硕士学位论文 4 第1章 绪论  1.1 天然生物材料的介电性质 1.1.1 生物电介质材料 凡在外电场作用下产生宏观上不等于零的电偶极矩，从而形成宏观束缚电荷的现象称为电极化，能产生电极化现象的物质统称为电介质[1]。一般的电介质材料的电阻率很高，所以也被称为绝缘体。有些电介质的电阻率并不很高，不能称为绝缘体，但由于能发生极化过程，也可归入电介质。 固态电介质包括晶态电介质和非晶态电介质两大类，后者包括玻璃、树脂和高分子聚合物等，是良好的绝缘材料；生物电介质也是固态电介质中的一大类。生物电介质包括生物体（植物、动物、人体），生物材料（生物功能材料、仿生物功能材料），生物聚合物（具有生命的物质群中的高分子）[1]。生物大分子以蛋白质为主，通常具有很大的电偶极矩，所以许多天然生物材料具有各种特殊的介电性能，例如压电效应、热释电效应、驻极效应、铁电效应等。 天然生物材料的各种介电性质是生物体的基本属性，生物的各种电行为存在于生命活动的全过程[2]。生物体中电信号有效地控制着诸如神经信号的产生、思维过程、生物记忆的再生、细胞组织的电解调节、疾病的发生和控制等生命现象，例如骨骼中细胞的生长与电信号有很大关系[2-4]。所以生物材料的介电性质对于生物体有重要的意义。生物材料介电性质的研究有着深刻的临床医学背景，因此引起了许多生物医学工程工作者的关注[1]。 1.1.2 生物材料的压电效应 1.1.2.1 骨的压电效应 压电效应是材料中一种机械能与电能相互转换的现象，最早在 1880 年由Pierre Curie 和 Jacques Curie 兄弟在对电器石的研究中发现。一些晶体因受外力而厦门大学博硕士论文摘要库第 1 章 绪论 5 产生形变时，会发生极化现象，在两相对面上形成异号束缚电荷，其电荷密度与应力大小成正比，称为正压电效应；反之，对晶体施加激励电场，晶体将产生机械变形，称为逆压电效应，如图 1.1.1 所示。    Figure 1.1.1 正压电效应和逆压电效应示意图  研究发现许多天然生物材料，例如骨、筋健、角膜等，都具有将受到的机械载荷转化为电信号的能力，类似于压电陶瓷的压电效应[3, 5, 6, 7]。这种力－电转换性质对于生物体中细胞的生长、调节具有重要的意义，能产生应变的所有组织（骨骼、软骨、筋健等）均有以电信号调节、改善和修复组织的功能[2]。 对天然生物材料压电效应的研究中，对骨的研究比较多。骨的力电性质（Stress Generate Potential, SGP）表现为骨受力形变后在骨内产生极化电荷，从而在骨内产生电位分布。1957 年，Fukada 和 Yasuda 对人和牛股骨的干皮质骨试件做了系统的研究，第一次定量地测量了骨的压电效应及其逆效应[5]。其后的研究大都以厦门大学博硕士论文摘要库厦门大学硕士学位论文 6 他们的研究为基础。Fukada、Liboft、Martin、Anderson 和 Bur 等人采用立方体试样测量骨的压电系数[5, 8, 9, 10, 11]。他们的测量结果由于试样及测试条件不同而不能直接比较，但数量级基本上是相同的，最大压电系数约为石英晶体最大压电系数的十分之一，一般是 d41 取值最大。每个测试结果之间数据的分散性和不规律性说明骨压电效应与矿物压电效应之间的差别。 把骨试样做成梁，测量弯曲变形后相对电极上的极化电荷（或电压）是研究骨压电效应的另一种方法。Williams 等对悬臂梁试样的研究发现：极化电压正比于加力点与电极之间的距离，且往往受拉边出现正电荷，受压边出现负电荷；电极位置的任何细小改变都使极化电压发生明显的变化，而且毫无规律可循；将试件磨去一薄层，极化电压将减小甚至变为零或改变符号[3]。 Hastings 等人对骨压电频率响应的研究表明：当加载交变方波载荷时，加载频率小于 1Hz 时极化电压的峰值随加载频率的增加而增加，加载频率大于 1Hz 时极化电压的峰值接近最大值，此后频率再增加电压峰值基本不变。当加载频率为正弦波时，在 50Hz 左右极化电压才达到最大值。实验还发现极化电压的峰值与载荷的幅值也成线性关系[12]。 Steinberg 等人对胶原与骨的压电效应的关系的研究表明：骨压电效应的强弱依赖于骨胶原分子共价键交联的多少；交联增加压电效应增强，反之压电效应减弱[13]。 骨中应力产生的电起着修复和塑型的作用。Bassett 提出，应力促进骨重建的原因可能是应力在骨内产生的电位引起细胞反应导致骨生成[4]。骨和软骨对机械应力比较敏感，当应力作用于这些组织上时可产生电效应，由应力产生的电流与细胞外基质的液体流动有关，液体流动将电信号传递给细胞器，启动骨改建的一系列连锁反应[2]。 1.1.2.2 牙本质的压电效应 考虑到牙本质在主要组分及微观结构上与皮质骨有很大的相似性，可以推测在生理活动（咀嚼和咬合）中牙本质可能存在与皮质骨类似的力电效应。Braden厦门大学博硕士论文摘要库Degree papers are in the “Xiamen University Electronic Theses and Dissertations Database”. 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Studies on the piezoelectric,pyroelectric,dielectric properties and streaming potential of human dentin

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