Las fibras naturales o fibras naturales (ver diferencias ortográficas ) son fibras que se producen mediante procesos geológicos , o a partir del cuerpo 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 unir en hojas para hacer papel o fieltro . [3] [4]
La evidencia más temprana de que los humanos usan fibras es el descubrimiento de lana y fibras de lino teñidas encontradas en una cueva prehistórica en la República de Georgia que datan del año 36.000 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 composites reforzados con fibras de vidrio , los composites con fibras naturales tienen ventajas como una menor densidad, un mejor aislamiento térmico y una menor irritación de la piel. Además, a diferencia de las fibras de vidrio, las bacterias pueden descomponer las fibras naturales una vez que ya no se utilizan.
Las fibras naturales son buenos absorbentes de agua y se pueden encontrar en varias texturas. Las fibras de algodón obtenidas de la planta del algodón , por ejemplo, producen tejidos ligeros, de textura suave y que se pueden fabricar en varios tamaños y colores. Las personas que viven en climas cálidos y húmedos suelen preferir la ropa hecha de fibras naturales, como el algodón, a la ropa hecha de fibras sintéticas . [ cita necesaria ]
Las fibras animales generalmente comprenden proteínas tales como colágeno , queratina y fibroína ; los ejemplos incluyen seda , tendón , lana , catgut , angora , mohair y alpaca .
La quitina es el segundo polímero natural más abundante en el mundo , siendo el colágeno el primero. 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 disolventes. También tiene baja toxicidad en el organismo 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. Constituye las paredes celulares de hongos y levaduras, las conchas de moluscos, los exoesqueletos de insectos y artrópodos . En caparazones y exoesqueletos, las fibras de quitina contribuyen a su estructura jerárquica. [10]
En la naturaleza, la quitina pura (100% acetilación ) no existe. En cambio, existe como un copolímero con el derivado desacetilado de la quitina, el quitosano. Cuando la composición acetilizada del copolímero está acetilada en más del 50%, se trata de quitina. [12] Este copolímero de quitina y quitosano es un copolímero aleatorio o de bloques. [10]
El quitosano es un derivado desacetilado de la quitina. Cuando la composición acetilada del copolímero está por debajo del 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 piel, tendones y ligamentos, vasculatura y órganos, así como dientes, huesos y paredes arteriales); Tipo II (un componente del cartílago); Tipo III (a menudo se encuentra en 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 ubicada 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 proteicas: la queratina alfa es helicoidal y la queratina beta tiene forma de lámina. La alfa queratina se encuentra en el cabello, la piel, las uñas, los cuernos y las púas de los mamíferos , mientras que la beta queratina se puede encontrar en 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 alfa queratina están muy alineados, lo que proporciona 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 elásticas que las más viejas. [10] Muchas fibras naturales exhiben sensibilidad a la tasa 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 conocido como endurecimiento por deformación . La seda de araña tiene regiones duras y elásticas que en conjunto contribuyen a su sensibilidad a la tasa de deformación, lo que hace que la seda también se endurezca por deformación. [12] Las propiedades de las fibras naturales también dependen del contenido de humedad de la fibra. [10]
La presencia de agua juega un papel crucial en el comportamiento mecánico de las fibras naturales. Los biopolímeros hidratados generalmente tienen mayor ductilidad y tenacidad. El agua desempeña el papel de plastificante , una pequeña molécula que facilita el paso de las cadenas de polímeros y, al hacerlo, aumenta la ductilidad y la tenacidad. 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]
Tienen valor industrial cuatro fibras animales: lana, seda, pelo de camello y angora, así como cuatro fibras vegetales: algodón, lino, cáñamo y yute. El algodón dominante en términos de escala de producción y uso es el algodón para textiles. [dieciséis]
Las fibras naturales también se utilizan en materiales compuestos, al igual que las fibras sintéticas o de vidrio. Estos compuestos, llamados biocompuestos, son una fibra natural en una matriz de polímeros sintéticos. [1] Uno de los primeros plásticos reforzados con biofibras en uso fue una fibra de celulosa en fenólicos en 1908. [1] El uso incluye aplicaciones donde la absorción de energía es importante, como aislamiento, paneles absorbentes de ruido o áreas plegables en automóviles. [17]
Las fibras naturales pueden tener diferentes ventajas sobre las fibras de refuerzo sintéticas. En particular, son biodegradables y renovables. Además, suelen tener densidades bajas y costes 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 realmente las fibras y la matriz. Las matrices de polímeros hidrófobos ofrecen una adhesión insuficiente para las fibras hidrófilas. [17]
Los nanocompuestos son deseables por sus propiedades mecánicas. Cuando los rellenos en un composite están en la escala de longitud nanométrica , la relación superficie-volumen del material de relleno es alta, lo que influye más en las propiedades globales del composite en comparación con los composites tradicionales. Las propiedades de estos elementos nanométricos son marcadamente diferentes de las de su componente principal.
En lo que respecta a las fibras naturales, algunos de los mejores ejemplos de nanocompuestos aparecen en biología. El hueso , 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 una tenacidad y propiedades mecánicas inferiores en comparación con los nanocompuestos biológicos. [19] Existen nanocompuestos completamente sintéticos, aunque también se están probando biopolímeros de tamaño nanométrico en matrices sintéticas. En los nanocompuestos se están utilizando varios tipos de fibras de tamaño nanométrico a base de proteínas. Estos incluyen colágeno, celulosa, quitina y tunican. [20] Estas proteínas estructurales deben procesarse antes de su uso en compuestos.
Para usar 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 bigotes y pueden tener de 2 a 20 nm de diámetro con formas que van desde esféricas hasta cilíndricas. Se han utilizado bigotes de colágeno, quitina y celulosa para fabricar nanocompuestos biológicos. La matriz de estos compuestos suele ser polímeros sintéticos hidrófobos como polietileno y cloruro de polivinilo y copolímeros de poliestireno y poliacrilato. [20] [19]
Tradicionalmente, en la ciencia de los composites 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 pobres. Sin embargo, en un composite 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 composite disminuye notablemente. [20]
Las dificultades en los nanocompuestos de fibras naturales surgen de la dispersidad y la tendencia de las fibras pequeñas a agregarse en la matriz. Debido a la alta relación entre área superficial y volumen, las fibras tienen tendencia a agregarse, más que en los compuestos a microescala. Además, el procesamiento secundario de fuentes de colágeno para obtener microfibrillas de colágeno de pureza suficiente añade cierto costo y desafío a la creación de una celulosa que soporte carga u otro nanocompuesto a base de relleno. [20]
Las fibras naturales suelen resultar prometedoras como biomateriales en aplicaciones médicas. La quitina es particularmente notable y se ha incorporado a 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, 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 dependiendo de la respuesta del cuerpo al material. Implantar algo elaborado a partir 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 en los que la estructura del implante promueve el nuevo crecimiento de tejido con el implante formando una superestructura o a la degradación del implante en la que el cuerpo reconoce las columnas vertebrales de las proteínas para su escisión. [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 de tejidos y enfermedades asociadas". Gen vol. 707 (2019): 151-171. doi:10.1016/j.gene.2019.05.003
