Bioespuma

Espuma elaborada a partir de sustancias biológicas

Las bioespumas son espumas biológicas o derivadas de sustancias biológicas que forman sólidos celulares livianos y porosos. Es un término relativamente nuevo, y su uso en el ámbito académico comenzó en la década de 1980 en relación con la espuma que se formaba en las plantas de lodos activados. ^{[1] [2]}

Bioespumas es un término amplio que cubre una gran variedad de temas, incluidas las espumas naturales, así como las espumas producidas a partir de materiales biológicos como el aceite de soja y la celulosa . Las bioespumas han sido un tema de investigación continua porque las bioespumas sintetizadas se están considerando como alternativas a las espumas tradicionales basadas en petróleo. ^{[3] [4] [5]} Debido a la naturaleza variable de las espumas sintetizadas, pueden tener una variedad de características y propiedades materiales que las hacen adecuadas para embalaje , aislamiento y otras aplicaciones.

Espumas de origen natural

Las espumas se pueden formar de forma natural en una variedad de organismos vivos. Por ejemplo, la madera, el corcho y la materia vegetal pueden tener componentes o estructuras de espuma. ^[6] Los hongos generalmente están compuestos de micelio , que está formado por filamentos huecos de nanofibras de quitina unidas a otros componentes. ^[7] Las partes de animales como el hueso esponjoso , los caparazones de cangrejos herradura , los picos de tucán , las esponjas , los corales, las plumas y las astas contienen estructuras similares a la espuma que disminuyen el peso total a expensas de otras propiedades del material. ^{[6] [8] [9]}

Las estructuras como los huesos, las astas y los caparazones tienen materiales fuertes que albergan en su interior materiales más débiles pero más ligeros. Los huesos tienden a tener regiones externas compactas y densas, que protegen el hueso esponjoso interno similar a la espuma. ^{[6] [8]} El mismo principio se aplica a los caparazones de los cangrejos herradura, los picos de los tucanes y las astas. ^{[6] [9] [10]} Las púas y los tallos de las plumas también contienen espuma de celdas cerradas. ^{[6] [11]}

Las espumas protectoras pueden formarse externamente por organismos parentales o por huevos que interactúan con el medio ambiente: los huevos de tunicado se mezclan con agua de mar para crear una espuma de base líquida; los huevos de rana arbórea crecen en espumas de proteínas sobre y por encima del agua (ver Figura 1); ciertos peces de agua dulce ponen huevos en la espuma superficial de su moco; los peces de aguas profundas producen huevos en vejigas natatorias de espumas de doble capa; y algunos insectos mantienen sus larvas en espuma. ^{[12] [13]}

Espumas sintéticas biomiméticas

Panal

Figura 2: Representación de varios patrones de panal ^[14]

El término panal de abeja hace referencia a patrones bioinspirados que proporcionan un diseño liviano para estructuras que absorben energía. El diseño de panal de abeja se puede encontrar en diferentes componentes biológicos estructurales, como el hueso esponjoso y la vasculatura de las plantas . Las estructuras de panal de abeja de inspiración biológica incluyen el panal de abeja Kelvin , Weaire y Floret (consulte la Figura 2); cada una con una estructura ligeramente diferente en comparación con el panal de abeja hexagonal natural . Estas variaciones en el diseño biológico han producido resultados de absorción de energía significativamente mejorados en comparación con la bioespuma de panal de abeja hexagonal tradicional. ^[14]

Debido a estas mayores prestaciones de absorción de energía, se están investigando estructuras inspiradas en panales para su uso dentro de las zonas de deformación de los vehículos . Al utilizar estructuras de panales como núcleo interno y rodear la estructura con una carcasa estructural más rígida, estos componentes pueden absorber la energía del impacto durante un choque y reducir la cantidad de energía que experimenta el conductor. ^[15]

Aerogel

Figura 3: Aerogel de tubo de carbono macroscópico bioinspirado (CTA) comparado con piel de oso polar a gran aumento ^[16]

Los aerogeles pueden llenar grandes volúmenes con un mínimo de material, lo que les confiere propiedades especiales, como baja densidad y baja conductividad térmica . Estos aerogeles tienden a tener estructuras internas categorizadas como estructuras de celdas abiertas o cerradas, ^[17] la misma estructura de celdas que se utiliza para definir muchas bioespumas tridimensionales en forma de panal. Los aerogeles también se están diseñando para reflejar las estructuras internas de espuma de los pelos de los animales (véase la Figura 3). Estos aerogeles biomiméticos se están investigando activamente por sus prometedoras propiedades elásticas y aislantes. ^[16]

Propiedades del material

Estructuras de células espumosas

Una espuma se considera de celdas abiertas si al menos dos de sus facetas son agujeros en lugar de paredes. ^[18] En este caso, la totalidad de la carga sobre la espuma recae sobre las vigas transversales que forman los bordes de la celda. ^[6] Si no más de una de las paredes de la celda son agujeros, la espuma se considera de celdas cerradas por naturaleza. ^[18] Para la mayoría de las espumas sintéticas, se observa una mezcla de carácter de celdas cerradas y celdas abiertas debido a que las celdas se rompen durante el proceso de formación de espuma y luego la matriz se solidifica. ^{[18] [5]}

Las propiedades mecánicas de la espuma dependen entonces del carácter de celda cerrada de la espuma, tal como lo dedujeron Gibson y Ashby: ^[19]

${\displaystyle \left({\frac {E}{E_{s}}}\right)\propto \left({\frac {\rho }{\rho _{s}}}\right)^{2}\left({\frac {1}{(1+\phi )^{2}}}\right)\left[1+{\frac {\rho }{\rho _{s}}}({\frac {\phi ^{3}}{1+\phi }})\right]}$

Donde E es el módulo elástico , ρ es la densidad del material, φ es la relación entre el volumen de la cara y el volumen del borde del material y el subíndice s denota la propiedad en volumen del material en lugar de la de la muestra de espuma.

Espumas liquidas y solidas

En el caso de muchas espumas poliméricas, se forma una espuma solidificada polimerizando y espumando una mezcla de polímeros líquidos y luego permitiendo que esa espuma se solidifique. ^{[5] [12] [18] [3]} Por lo tanto, los efectos del envejecimiento de la espuma líquida ocurren antes de la solidificación. En la espuma líquida, las fuerzas gravitacionales y las presiones internas provocan un flujo del líquido hacia el fondo de la espuma. ^{[12] [20]} Esto hace que algunas de las celdas de la espuma se formen en poliedros irregulares como desagües de líquido, que son estructuras menos estables que las estructuras esféricas de una espuma tradicional. ^[12] Sin embargo, estas estructuras se pueden estabilizar mediante la presencia de un surfactante . ^[20]

La estructura de la espuma antes de la solidificación es inherentemente inestable, ya que los huecos presentes aumentan en gran medida la energía libre superficial de la estructura. ^{[12] [20]} En algunas bioespumas sintéticas, se puede utilizar un surfactante para reducir la energía libre superficial de la espuma y, por lo tanto, estabilizarla. En algunas bioespumas naturales, las proteínas pueden actuar como surfactantes para que las espumas se formen y se estabilicen. ^[12]

Refuerzo de fibra

Durante la solidificación de las bioespumas sintéticas, se pueden agregar fibras como agente de refuerzo para la matriz. ^{[18] [4]} Esto creará además un sitio de nucleación heterogéneo para las bolsas de aire de la propia espuma durante el proceso de formación de espuma. ^[18] Sin embargo, a medida que aumenta el contenido de fibra, puede comenzar a inhibir la formación de la estructura celular de la matriz. ^[4]

Aplicaciones

Embalaje

Figura 4. PLA producido a través de polimerización por apertura de anillo de lactida. ^[21]

En relación con los envases, los almidones y los biopoliésteres componen estas bioespumas, ya que son sustitutos adecuados del poliestireno expandido. ^[22] Los ácidos polilácticos (PLA) son una forma común de la base de estas bioespumas, ya que ofrecen un sustituto de las espumas a base de poliolefina que se utilizan comúnmente en las industrias de piezas de automóviles, productos farmacéuticos y envases desechables de corta vida útil debido a sus propiedades de base biológica y biodegradables . ^[23] El PLA proviene de la formación de lactida producida a partir del ácido láctico debido a la fermentación bacteriana a través de la polimerización por apertura de anillo, en el que el proceso se muestra a través de la Figura 4. ^[21]

El PLA no tiene las características más deseables para la biodegradabilidad en la industria del embalaje, ya que contiene una baja temperatura de distorsión térmica y tiene características de barrera de agua desfavorables. ^[22] Por otro lado, se ha demostrado que el PLA tiene propiedades de embalaje deseables, incluidas altas propiedades de barrera de luz ultravioleta y bajas temperaturas de fusión y transición vítrea. ^[24] Recientemente, el PGA se ha introducido en la industria del embalaje, ya que es un buen solvente y comparable al PLA. La Tabla 1 muestra las características de ambas bioespumas y cómo se comparan. ^[25] Como se muestra, el PGA contiene una fuerte estructura estereoquímica que a su vez hace que tenga altas propiedades mecánicas y de barrera, lo que lo hace deseable para la industria del embalaje. ^[25] El estudio de la mezcla de PGA y PLA se ha explorado mediante el uso de copolimerización para que el PGA ayude a mejorar las propiedades de barrera del PLA cuando se usa en el embalaje. ^[25]

Tabla 1: Propiedades del PLA en comparación con el PGA. ^[25]

Biomédica

Figura 5: El PLA impreso en 3D basado en FFF sometido a pruebas de compresión y su forma después de calentar la muestra por encima de su temperatura de transición vítrea (Tg). ^[21]

La bioespuma más popular en el uso de dispositivos biomédicos también es PLA. Las propiedades de PLA también son deseables en aplicaciones biomédicas, especialmente en combinación con otros polímeros. ^[26] Específicamente, su biocompatibilidad y biodegradabilidad lo hacen favorable en la ingeniería de tejidos mediante el uso de la impresión FDM-3D. ^[26] El PLA se desempeña bien en estos entornos de impresión ya que su temperatura de transición vítrea y memoria de forma son pequeñas. ^[21] En estudios recientes, PLA se ha combinado específicamente con hidroxiapatita (HA) para hacer que el módulo de la muestra sea más favorable para su aplicación en la reparación de fallas óseas. ^[26] Específicamente en ingeniería de tejidos, también se ha demostrado que HA genera osteogénesis al activar osteoblastos y células preosteoblásticas. ^[27] HA es un material fuerte, lo que lo hace ideal para agregar a PLA, debido al hecho de que PLA tiene una tenacidad débil con un 10% de elongación antes de la falla. ^[26] Se utilizó la impresión 3D basada en FFF, así como las pruebas de compresión que se muestran en la Figura 5. ^[21] Los resultados mostraron que existía una capacidad de autocuración de la muestra, que podría usarse en ciertas prácticas biomédicas. ^[21]

Impacto ambiental

Figura 7: Biodegradación de cubos de PU durante 12 semanas. La degradación se analizó a través de A) cambio en la apariencia, B) masa del cubo y C) fuerza máxima al 50 % de deflexión de fuerza de compresión (CFD). Las barras de error indican desviaciones estándar de muestra de las mediciones triplicadas. Para la pérdida de masa de compost y suelo, p < 0,01, y para la CFD de compost y suelo, p < 0,01 (Tabla S2). ^[28]

Con la reciente atención hacia el cambio climático, el calentamiento global y la sostenibilidad, ha habido una nueva ola de investigación sobre la creación y sostenibilidad de productos biodegradables. Esta investigación ha evolucionado para incluir la creación de bioespumas biodegradables, con la intención de reemplazar otras espumas que pueden ser dañinas para el medio ambiente o cuya producción puede ser insostenible. Siguiendo esta línea, Gunawan et al. ^[28] llevaron a cabo una investigación para desarrollar " productos de poliuretano comercialmente relevantes que pueden biodegradarse en el entorno natural". ^[28] Uno de estos productos incluye chanclas, por lo que, como parte de la investigación, se creó un prototipo de chanclas hechas de poliuretano derivado de algas (ver Figura 7). ^{[28] [29] [30] [31]} Esta investigación finalmente resultó en la conclusión de que tanto en un entorno de compost como de suelo (diferentes microorganismos presentes en cada entorno) se produce una degradación significativa en la espuma de poliuretano formulada a partir de aceite de algas. ^[28]

Figura 6: A) Síntesis y estructura general de poliol de poliéster y poliuretano (PU). B) Prototipo de flip-flop de PU basado en algas Algenesis ^[28]

De manera similar, se han realizado investigaciones en las que se han formulado aceite de algas (AO) y aceite de palma residual (RPO) en espuma de poliuretano en diferentes proporciones para determinar qué proporción tiene la biodegradabilidad óptima. El RPO se recupera de los desechos de la fábrica de aceite de palma y es un subproducto de ese proceso de fabricación. Después de someterse a pruebas para determinar la biodegradabilidad, así como a un análisis termogravimétrico , el equipo determinó que el material podría utilizarse en aplicaciones como aislamiento o retardantes de fuego dependiendo de la proporción AO/RPO. ^[5]

Otro objetivo de la investigación sobre bioespumas es el desarrollo de bioespumas que no sólo sean biodegradables, sino que también sean rentables y requieran menos energía para su producción. Luo et al. han llevado a cabo investigaciones en esta área de bioespumas y finalmente han desarrollado una bioespuma que se produce a partir de un “mayor contenido de materiales de recursos biológicos naturales” y utilizando un “número mínimo de pasos de procesamiento”. ^[32] Los pasos de procesamiento incluyen el método de preparación de espuma en un solo recipiente publicado por F. Zhang y X. Luo en su artículo sobre el desarrollo de bioespumas de poliuretano como alternativa a las espumas a base de petróleo para aplicaciones específicas. ^[33]

Investigación en curso

Se han realizado esfuerzos de investigación para utilizar componentes naturales en la creación de productos de espuma potencialmente biodegradables. Se han utilizado micelio (Figura 8), quitosano (Figura 9), gluten de trigo (Figura 10) y celulosa (Figura 11) para crear bioespumas con diferentes propósitos. ^{[7] [34] [35] [18]} El ejemplo de gluten de trigo se utilizó en combinación con grafeno para intentar crear una bioespuma conductora. ^[35] Los ejemplos de bioespuma a base de micelio, quitosano y celulosa están destinados a convertirse en opciones de materiales rentables y de baja densidad. ^{[7] [34] [18]}

• 
  La figura 8: a) muestra un bloque de bioespuma de micelio y b) muestra una imagen de microscopio electrónico de barrido del mismo. ^[7]
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  Figura 9: Estas imágenes de microscopía electrónica de barrido de acceso abierto muestran una bioespuma a base de quitosano en dos aumentos diferentes. ^[34]
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  Figura 10: Imágenes de microscopía electrónica de barrido de acceso abierto de espuma a base de gluten de trigo. ^[35]
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  Figura 11: Imágenes de microscopía electrónica de barrido de acceso abierto de espumas de aceite de soja y fibra de celulosa. ^[18]

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