Las fibras naturales o fibras naturales (ver diferencias ortográficas ) son fibras que se producen por procesos geológicos o a partir de los cuerpos de plantas o animales . [1] Se pueden utilizar como componente de materiales compuestos , donde la orientación de las fibras afecta las propiedades. [2] Las fibras naturales también se pueden enmarañar en láminas para hacer papel o fieltro . [3] [4]
La evidencia más temprana del uso de fibras por parte de los humanos es el descubrimiento de fibras de lana y lino teñido encontradas en una cueva prehistórica en la República de Georgia que datan de 36.000 años antes de Cristo . [5] [6] Las fibras naturales se pueden utilizar para aplicaciones de alta tecnología, como piezas compuestas para automóviles y suministros médicos. En comparación con los compuestos reforzados con fibras de vidrio , los compuestos con fibras naturales tienen ventajas como menor densidad, mejor aislamiento térmico y menor irritación de la piel. Además, a diferencia de las fibras de vidrio, las fibras naturales pueden ser descompuestas por bacterias una vez que ya no se utilizan.
Las fibras naturales absorben bien el agua y se pueden encontrar en distintas texturas. Las fibras de algodón , por ejemplo, producen tejidos ligeros, de textura suave y que se pueden confeccionar en distintos tamaños y colores. Las personas que viven en climas cálidos y húmedos suelen preferir la ropa hecha con fibras naturales, como el algodón, a la ropa hecha con fibras sintéticas . [ cita requerida ]
Las fibras animales generalmente comprenden proteínas como colágeno , queratina y fibroína ; algunos ejemplos son la seda , los tendones , la lana , el catgut , la angora , el mohair y la alpaca .
La quitina es el segundo polímero natural más abundante del mundo , después del colágeno. Es un "polisacárido lineal de β-(1-4)-2-acetamido-2-desoxi-D-glucosa". [10] La quitina es altamente cristalina y generalmente está compuesta de cadenas organizadas en una lámina β. Debido a su alta cristalinidad y estructura química, es insoluble en muchos solventes. También tiene baja toxicidad en el cuerpo y es inerte en los intestinos. La quitina también tiene propiedades antibacterianas. [11]
La quitina forma cristales que forman fibrillas que quedan rodeadas de proteínas. Estas fibrillas pueden agruparse para formar fibras más grandes que contribuyen a la estructura jerárquica de muchos materiales biológicos. [12] Estas fibrillas pueden formar redes orientadas aleatoriamente que proporcionan la resistencia mecánica de la capa orgánica en diferentes materiales biológicos. [13]
La quitina proporciona protección y soporte estructural a muchos organismos vivos. Forma parte de las paredes celulares de los hongos y las levaduras, de las conchas de los moluscos y de los exoesqueletos de los insectos y los artrópodos . En las conchas y los exoesqueletos, las fibras de quitina contribuyen a su estructura jerárquica. [10]
En la naturaleza, la quitina pura (100% acetilada ) no existe. En cambio, existe como un copolímero con el derivado desacetilado de la quitina, el quitosano. Cuando la composición acetilada del copolímero está acetilada en más del 50%, se trata de quitina. [12] Este copolímero de quitina y quitosano es un copolímero aleatorio o en bloque. [10]
El quitosano es un derivado desacetilado de la quitina. Cuando la composición acetilada del copolímero es inferior al 50%, se trata de quitosano. [12] El quitosano es un "polímero de β-(1-4)-2-amino-2-desoxi-D-glucosa" semicristalino. [10] Una diferencia entre la quitina y el quitosano es que el quitosano es soluble en soluciones acuosas ácidas. El quitosano es más fácil de procesar que la quitina, pero es menos estable porque es más hidrófilo y tiene sensibilidad al pH. Debido a su facilidad de procesamiento, el quitosano se utiliza en aplicaciones biomédicas. [11]
El colágeno es una proteína estructural, a menudo denominada "el acero de los materiales biológicos". [14] Existen múltiples tipos de colágeno: Tipo I (que comprende la piel, los tendones y los ligamentos, la vasculatura y los órganos, así como los dientes y los huesos y las paredes arteriales); Tipo II (un componente del cartílago); Tipo III (que a menudo se encuentra en las fibras reticulares ); y otros. El colágeno tiene una estructura jerárquica, formando triples hélices, fibrillas y fibras. El colágeno es una familia de proteínas que sostienen y fortalecen muchos tejidos del cuerpo.
La queratina es una proteína estructural que se encuentra en las superficies duras de muchos vertebrados. La queratina tiene dos formas, α-queratina y β-queratina , que se encuentran en diferentes clases de cordados. La convención de nomenclatura para estas queratinas sigue la de las estructuras proteínicas: la queratina alfa es helicoidal y la queratina beta tiene forma de lámina. La queratina alfa se encuentra en el pelo, la piel, las uñas, los cuernos y las púas de los mamíferos , mientras que la queratina beta se puede encontrar en las especies de aves y reptiles en escamas, plumas y picos. Las dos estructuras diferentes de queratina tienen propiedades mecánicas diferentes, como se ve en sus diferentes aplicaciones. La alineación relativa de las fibrillas de queratina afecta significativamente las propiedades mecánicas. En el cabello humano, los filamentos de queratina alfa están muy alineados, lo que da una resistencia a la tracción de aproximadamente 200 MPa. Esta resistencia a la tracción es un orden de magnitud mayor que la de las uñas humanas (20 MPa), porque los filamentos de queratina del cabello humano están más alineados. [10]
Las fibras naturales tienden a tener menor rigidez y resistencia en comparación con las fibras sintéticas. [10]
Las propiedades también disminuyen con la edad de la fibra. Las fibras más jóvenes tienden a ser más fuertes y más elásticas que las más viejas. [10] Muchas fibras naturales exhiben sensibilidad a la velocidad de deformación debido a su naturaleza viscoelástica. [15] El hueso contiene colágeno y exhibe sensibilidad a la velocidad de deformación en el sentido de que la rigidez aumenta con la velocidad de deformación, también conocida como endurecimiento por deformación . La seda de araña tiene regiones duras y elásticas que juntas contribuyen a su sensibilidad a la velocidad de deformación, estas hacen que la seda también exhiba endurecimiento por deformación. [12] Las propiedades de las fibras naturales también dependen del contenido de humedad en la fibra. [10]
La presencia de agua juega un papel crucial en el comportamiento mecánico de las fibras naturales. Las plantas dependen del agua para crecer. Si la humedad fuera demasiado alta, provocaría que las plantas crearan moho y bacterias. La humedad también aumentaría la cantidad de plagas alrededor de las plantas. Los biopolímeros hidratados generalmente tienen una ductilidad y una dureza mejoradas. El agua juega el papel de un plastificante , una pequeña molécula que facilita el paso de las cadenas de polímeros y, al hacerlo, aumenta la ductilidad y la dureza. Cuando se utilizan fibras naturales en aplicaciones fuera de su uso nativo, se debe tener en cuenta el nivel original de hidratación. Por ejemplo, cuando se hidrata, el módulo de Young del colágeno disminuye de 3,26 a 0,6 GPa y se vuelve más dúctil y más resistente. Además, la densidad del colágeno disminuye de 1,34 a 1,18 g/cm 3 . [10]
Cuatro fibras animales (lana, seda, pelo de camello y angora) tienen valor industrial, así como cuatro fibras vegetales (algodón, lino, cáñamo y yute). El algodón para textiles es el que predomina en términos de escala de producción y uso. [16]
Las fibras naturales también se utilizan en materiales compuestos, al igual que las fibras sintéticas o de vidrio. Estos compuestos, llamados biocompositos, son una fibra natural en una matriz de polímeros sintéticos. [1] Uno de los primeros plásticos reforzados con biofibras que se utilizó fue una fibra de celulosa en compuestos fenólicos en 1908. [1] El uso incluye aplicaciones en las que la absorción de energía es importante, como aislamiento, paneles que absorben el ruido o áreas colapsables en automóviles. [17]
Las fibras naturales pueden tener diferentes ventajas sobre las fibras sintéticas de refuerzo. La más notable es que son biodegradables y renovables. Además, suelen tener densidades bajas y costos de procesamiento más bajos que los materiales sintéticos. [17] [18] Los problemas de diseño con los compuestos reforzados con fibras naturales incluyen poca resistencia (las fibras naturales no son tan fuertes como las fibras de vidrio) y dificultad para unir las fibras y la matriz. Las matrices de polímeros hidrófobos ofrecen una adhesión insuficiente para las fibras hidrófilas. [17]
Los nanocompositos son deseables por sus propiedades mecánicas. Cuando los rellenos en un compuesto están en la escala de longitud nanométrica , la relación superficie-volumen del material de relleno es alta, lo que influye en las propiedades generales del compuesto más en comparación con los compuestos tradicionales. Las propiedades de estos elementos de tamaño nanométrico son notablemente diferentes de las de su componente general.
En lo que respecta a las fibras naturales, algunos de los mejores ejemplos de nanocompuestos aparecen en biología. Los huesos , la concha de abulón , el nácar y el esmalte dental son todos nanocompuestos. A partir de 2010, la mayoría de los nanocompuestos de polímeros sintéticos exhiben tenacidad y propiedades mecánicas inferiores en comparación con los nanocompuestos biológicos. [19] Existen nanocompuestos completamente sintéticos, sin embargo, también se están probando biopolímeros de tamaño nanométrico en matrices sintéticas. Se están utilizando varios tipos de fibras de tamaño nanométrico basadas en proteínas en nanocompuestos. Estos incluyen colágeno, celulosa, quitina y tunicano. [20] Estas proteínas estructurales deben procesarse antes de su uso en compuestos.
Para utilizar la celulosa como ejemplo, las microfibrillas semicristalinas se cortan en la región amorfa, lo que da como resultado la celulosa microcristalina (MCC). Estas pequeñas fibrillas de celulosa cristalina se reclasifican en este punto como filamentos y pueden tener un diámetro de 2 a 20 nm con formas que van desde esféricas a cilíndricas. Los filamentos de colágeno, quitina y celulosa se han utilizado para fabricar nanocompuestos biológicos. La matriz de estos compuestos son comúnmente polímeros sintéticos hidrófobos como el polietileno, el cloruro de polivinilo y los copolímeros de poliestireno y poliacrilato. [20] [19]
Tradicionalmente, en la ciencia de los materiales compuestos se requiere una interfaz fuerte entre la matriz y el relleno para lograr propiedades mecánicas favorables. Si este no es el caso, las fases tienden a separarse a lo largo de la interfaz débil y dan lugar a propiedades mecánicas muy deficientes. Sin embargo, en un compuesto MCC, este no es el caso; si la interacción entre el relleno y la matriz es más fuerte que la interacción relleno-relleno, la resistencia mecánica del compuesto disminuye notablemente. [20]
Las dificultades de los nanocompuestos de fibras naturales surgen de la dispersión y de la tendencia de las fibras pequeñas a agregarse en la matriz. Debido a la alta relación entre área superficial y volumen, las fibras tienen una tendencia a agregarse, más que en los compuestos a microescala. Además, el procesamiento secundario de las fuentes de colágeno para obtener microfibrillas de colágeno de suficiente pureza agrega un grado de costo y desafío a la creación de un nanocompuesto de celulosa u otro relleno que soporte carga. [20]
Las fibras naturales suelen ser prometedoras como biomateriales en aplicaciones médicas. La quitina es notable en particular y se ha incorporado en una variedad de usos. Los materiales a base de quitina también se han utilizado para eliminar contaminantes industriales del agua, se han procesado en fibras y películas y se han utilizado como biosensores en la industria alimentaria. [21] La quitina también se ha utilizado en varias aplicaciones médicas. Se ha incorporado como material de relleno óseo para la regeneración de tejidos, como portador y excipiente de fármacos y como agente antitumoral. [22] La inserción de materiales extraños en el cuerpo a menudo desencadena una respuesta inmune, que puede tener una variedad de resultados positivos o negativos según la respuesta del cuerpo al material. Implantar algo hecho de proteínas sintetizadas naturalmente, como un implante a base de queratina, tiene el potencial de ser reconocido como tejido natural por el cuerpo. Esto puede conducir a la integración en casos raros donde la estructura del implante promueve el recrecimiento del tejido con el implante formando una superestructura o la degradación del implante en la que las cadenas principales de las proteínas son reconocidas para su escisión por el cuerpo. [21] [22]
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)23. Kuivaniemi, Helena y Gerard Tromp. "Colágeno tipo III (COL3A1): estructura de genes y proteínas, distribución tisular y enfermedades asociadas". Gene vol. 707 (2019): 151-171. doi:10.1016/j.gene.2019.05.003
