Los tejidos mineralizados son tejidos biológicos que incorporan minerales en matrices blandas. Normalmente, estos tejidos forman un escudo protector o soporte estructural. [1] Hueso, conchas de moluscos , esponjas de aguas profundas de la especie Euplectella , radiolarios , diatomeas , hueso de asta , tendón , cartílago , esmalte dental y dentina son algunos ejemplos de tejidos mineralizados. [1] [2] [3] [4]
Estos tejidos han sido finamente ajustados para mejorar sus capacidades mecánicas a lo largo de millones de años de evolución. Por lo tanto, los tejidos mineralizados han sido objeto de muchos estudios, ya que hay mucho que aprender de la naturaleza, como se ve en el creciente campo de la biomimética . [2] La notable organización estructural y las propiedades de ingeniería hacen que estos tejidos sean candidatos deseables para la duplicación por medios artificiales. [1] [2] [4] Los tejidos mineralizados inspiran miniaturización, adaptabilidad y multifuncionalidad. Si bien los materiales naturales están formados por un número limitado de componentes, se puede utilizar una mayor variedad de químicas de materiales para simular las mismas propiedades en aplicaciones de ingeniería. Sin embargo, el éxito de la biomimética radica en comprender completamente el rendimiento y la mecánica de estos tejidos duros biológicos antes de intercambiar los componentes naturales con materiales artificiales para el diseño de ingeniería. [2]
Los tejidos mineralizados combinan rigidez, bajo peso, resistencia y tenacidad debido a la presencia de minerales (la parte inorgánica ) en las redes de proteínas blandas y los tejidos (la parte orgánica ). [1] [2] Existen aproximadamente 60 minerales diferentes generados a través de procesos biológicos, pero los más comunes son el carbonato de calcio que se encuentra en las conchas de los moluscos y la hidroxiapatita presente en los dientes y los huesos. [2] Aunque se podría pensar que el contenido mineral de estos tejidos puede hacerlos frágiles, los estudios han demostrado que los tejidos mineralizados son de 1.000 a 10.000 veces más resistentes que los minerales que contienen. [2] [5] El secreto de esta resistencia subyacente está en la estratificación organizada del tejido. Debido a esta estratificación, las cargas y las tensiones se transfieren a lo largo de varias escalas de longitud, desde macro a micro a nano, lo que da como resultado la disipación de energía dentro de la disposición. Por lo tanto, estas escalas o estructuras jerárquicas pueden distribuir el daño y resistir el agrietamiento. [2] Dos tipos de tejidos biológicos han sido objeto de una amplia investigación, a saber, el nácar de las conchas de moluscos y el hueso, que son ambos compuestos naturales de alto rendimiento. [2] [6] [7] [8] [9] Se utilizan muchas técnicas mecánicas y de imagen como la nanoindentación y la microscopía de fuerza atómica para caracterizar estos tejidos. [10] [11] Aunque el grado de eficiencia de los tejidos duros biológicos aún no es igualado por ningún compuesto cerámico hecho por el hombre, actualmente se están desarrollando algunas nuevas técnicas prometedoras para sintetizarlos. [1] [2] No todos los tejidos mineralizados se desarrollan a través de procesos fisiológicos normales y son beneficiosos para el organismo. Por ejemplo, los cálculos renales contienen tejidos mineralizados que se desarrollan a través de procesos patológicos. Por lo tanto, la biomineralización es un proceso importante para comprender cómo ocurren estas enfermedades. [3]
La evolución de los tejidos mineralizados ha sido un misterio durante más de un siglo. Se ha planteado la hipótesis de que el primer mecanismo de mineralización del tejido animal comenzó en el esqueleto oral del conodonto o en el esqueleto dérmico de los primeros agnatos . El esqueleto dérmico es solo dentina superficial y hueso basal, que a veces está cubierto por esmaltoide. Se cree que el esqueleto dérmico eventualmente se convirtió en escamas, que son homólogas a los dientes. Los dientes se vieron por primera vez en los condrictios y estaban hechos de los tres componentes del esqueleto dérmico, a saber, dentina, hueso basal y esmaltoide. El mecanismo de mineralización del tejido de los mamíferos se elaboró más tarde en actinopterigios y sarcopterigios durante la evolución de los peces óseos. Se espera que el análisis genético de los agnatos proporcione más información sobre la evolución de los tejidos mineralizados y aclare la evidencia de los registros fósiles tempranos. [12]
Las estructuras jerárquicas son características distintivas que se observan en diferentes escalas de longitud. [1] Para comprender cómo la estructura jerárquica de los tejidos mineralizados contribuye a sus notables propiedades, a continuación se describen las del nácar y el hueso. [13] Las estructuras jerárquicas son características de la biología y se observan en todos los materiales estructurales en biología, como el hueso [14] y el nácar de las conchas marinas [15].
El nácar tiene varios niveles estructurales jerárquicos. [13]
Algunas conchas de moluscos se protegen de los depredadores mediante un sistema de dos capas, una de las cuales es el nácar. [2] [13] El nácar constituye la capa interna mientras que la otra capa, la externa, está hecha de calcita . [2] [13] Esta última es dura y, por lo tanto, impide cualquier penetración a través de la concha, pero está sujeta a fallas frágiles. Por otro lado, el nácar es más blando y puede soportar deformaciones inelásticas, lo que lo hace más resistente que la capa exterior dura. [13] El mineral que se encuentra en el nácar es la aragonita , CaCO3 , y ocupa el 95% en volumen. El nácar es 3000 veces más resistente que la aragonita y esto tiene que ver con el otro componente del nácar, el que ocupa el 5% en volumen, que son los biopolímeros orgánicos más blandos. [1] Además, la capa nacarada también contiene algunas hebras de material más débil llamadas líneas de crecimiento que pueden desviar las grietas. [1] [2]
La microescala se puede imaginar como una pared tridimensional de ladrillos y mortero. Los ladrillos serían capas de tabletas poligonales de aragonito microscópico de 0,5 μm de espesor y aproximadamente 5-8 μm de diámetro. Lo que mantiene unidos los ladrillos son los morteros y, en el caso del nácar, es el material orgánico de 20-30 nm el que desempeña este papel. [1] Aunque estas tabletas se suelen ilustrar como láminas planas, diferentes técnicas de microscopía han demostrado que son de naturaleza ondulada con amplitudes tan grandes como la mitad del espesor de la tableta. [1] [2] Esta ondulación desempeña un papel importante en la fractura del nácar, ya que bloqueará progresivamente las tabletas cuando se separen e inducirá el endurecimiento. [2]
La interfaz de 30 nm de espesor entre las tabletas que las une y los granos de aragonito detectados mediante microscopía electrónica de barrido de los que están hechas las tabletas representan otro nivel estructural. El material orgánico que “pega” las tabletas entre sí está hecho de proteínas y quitina . [1]
En resumen, en la macroescala, la concha, sus dos capas ( nácar y calcita ) y las hebras más débiles dentro del nácar representan tres estructuras jerárquicas. En la microescala, las capas apiladas de la tableta y la interfaz ondulada entre ellas son otras dos estructuras jerárquicas. Por último, en la nanoescala, el material orgánico que conecta las tabletas, así como los granos de los que están hechas, es la sexta estructura jerárquica final del nácar. [2]
Al igual que el nácar y otros tejidos mineralizados, el hueso tiene una estructura jerárquica que también se forma mediante el autoensamblaje de componentes más pequeños. El mineral del hueso (conocido como mineral óseo ) es hidroxiapatita con muchos iones de carbonato, mientras que la porción orgánica está compuesta principalmente de colágeno y algunas otras proteínas. La estructura jerárquica del hueso se extiende a través de una jerarquía de tres niveles de la propia molécula de colágeno. [14] Diferentes fuentes informan diferentes números de niveles jerárquicos en el hueso, que es un material biológico complejo. [1] [2] [16] Los tipos de mecanismos que operan en diferentes escalas de longitud estructural aún deben definirse adecuadamente. [1] A continuación se presentan cinco estructuras jerárquicas del hueso. [16]
El hueso compacto y el hueso esponjoso tienen una escala de varios milímetros a 1 o más centímetros. [16]
Existen dos estructuras jerárquicas en la microescala. La primera, a una escala de 100 μm a 1 mm, se encuentra dentro del hueso compacto, donde se pueden distinguir unidades cilíndricas llamadas osteonas y pequeños puntales. [16] La segunda estructura jerárquica, la ultraestructura, a una escala de 5 a 10 μm, es la estructura real de las osteonas y los pequeños puntales. [16]
También existen dos estructuras jerárquicas en la nanoescala. La primera es la estructura dentro de la ultraestructura que son las fibrillas y el espacio extrafibrilar, a una escala de varios cientos de nanómetros. La segunda son los componentes elementales de los tejidos mineralizados a una escala de decenas de nanómetros. Los componentes son los cristales minerales de hidroxiapatita , moléculas cilíndricas de colágeno , moléculas orgánicas como lípidos y proteínas, y finalmente agua. [16] La estructura jerárquica común a todos los tejidos mineralizados es la clave de su rendimiento mecánico. [1] [2]
El mineral es el componente inorgánico de los tejidos mineralizados. Este constituyente es lo que hace que los tejidos sean más duros y rígidos. [1] [2] La hidroxiapatita , el carbonato de calcio , la sílice , el oxalato de calcio , la whitlockita y el urato monosódico son ejemplos de minerales que se encuentran en los tejidos biológicos. [2] [3] En las conchas de los moluscos, estos minerales son transportados al sitio de mineralización en vesículas dentro de células especializadas. Aunque están en una fase mineral amorfa mientras están dentro de las vesículas , el mineral se desestabiliza a medida que sale de la célula y cristaliza. [17] En los huesos, los estudios han demostrado que el fosfato de calcio se nuclea dentro del área del agujero de las fibrillas de colágeno y luego crece en estas zonas hasta que ocupa el espacio máximo. [8]
La parte orgánica de los tejidos mineralizados está formada por proteínas. [1] En el hueso, por ejemplo, la capa orgánica es el colágeno proteico. [3] El grado de mineral en los tejidos mineralizados varía y el componente orgánico ocupa un volumen menor a medida que aumenta la dureza del tejido . [1] [18] Sin embargo, sin esta porción orgánica, el material biológico sería frágil y se rompería fácilmente. [1] [2] Por lo tanto, el componente orgánico de los tejidos mineralizados aumenta su tenacidad . [19] Además, muchas proteínas son reguladoras en el proceso de mineralización. Actúan en la nucleación o inhibición de la formación de hidroxiapatita. Por ejemplo, se sabe que el componente orgánico del nácar restringe el crecimiento de aragonito. Algunas de las proteínas reguladoras en los tejidos mineralizados son la osteonectina , la osteopontina , la osteocalcina , la sialoproteína ósea y la fosfoforina dentinaria . [20] En el nácar, el componente orgánico es poroso, lo que permite la formación de puentes minerales responsables del crecimiento y orden de las tabletas nacaradas. [19]
Comprender la formación de los tejidos biológicos es imprescindible para reconstruirlos artificialmente de forma adecuada. Aunque quedan algunas dudas sobre algunos aspectos y aún queda por determinar el mecanismo de mineralización de muchos tejidos mineralizados, existen algunas ideas sobre los de las conchas, los huesos y los erizos de mar de los moluscos. [17]
Los principales elementos estructurales que intervienen en el proceso de formación de la concha de los moluscos son: un gel de seda hidrófobo , una proteína rica en ácido aspártico y un soporte de quitina . El gel de seda forma parte de la porción proteica y está compuesto principalmente de glicina y alanina . No es una estructura ordenada. Las proteínas ácidas desempeñan un papel en la configuración de las láminas. La quitina está altamente ordenada y es el marco de la matriz. Los principales elementos del conjunto son: [17]
En el hueso, la mineralización comienza a partir de una solución heterogénea que tiene iones de calcio y fosfato. El mineral se nuclea, dentro del área de los agujeros de las fibrillas de colágeno, como capas delgadas de fosfato de calcio , que luego crecen para ocupar el máximo espacio disponible allí. Los mecanismos de deposición mineral dentro de la porción orgánica del hueso aún están bajo investigación. Tres posibles sugerencias son que la nucleación se debe a la precipitación de la solución de fosfato de calcio, causada por la eliminación de inhibidores biológicos o ocurre debido a la interacción de proteínas que se unen al calcio. [8]
El embrión de erizo de mar se ha utilizado ampliamente en estudios de biología del desarrollo. Las larvas forman un endoesqueleto sofisticado que está formado por dos espículas. Cada una de las espículas es un monocristal de calcita mineral. Esta última es el resultado de la transformación de CaCO3 amorfo a una forma más estable. Por lo tanto, hay dos fases minerales en la formación de espículas larvarias. [21]
La interfaz mineral-proteica con sus fuerzas de adhesión subyacentes está involucrada en las propiedades de endurecimiento de los tejidos mineralizados. La interacción en la interfaz orgánico-inorgánica es importante para comprender estas propiedades de endurecimiento. [22]
En la interfaz, se necesita una fuerza muy grande (>6-5 nN) para separar las moléculas de proteína del mineral de aragonito en el nácar, a pesar del hecho de que las interacciones moleculares no están enlazadas. [22] Algunos estudios realizan un análisis de modelo de elementos finitos para investigar el comportamiento de la interfaz. [7] [23] Un modelo ha demostrado que durante la tensión, la tensión posterior que se induce durante el estiramiento plástico del material juega un papel importante en el endurecimiento del tejido mineralizado. Además, las asperezas a escala nanométrica que se encuentran en las superficies de los comprimidos brindan resistencia al deslizamiento interlamelar y, por lo tanto, fortalecen el material. Un estudio de topología de superficie ha demostrado que el bloqueo y endurecimiento progresivo de los comprimidos, que son necesarios para distribuir grandes deformaciones en grandes volúmenes, se produjo debido a la ondulación de los comprimidos. [23]
En los vertebrados , los tejidos mineralizados no solo se desarrollan a través de procesos fisiológicos normales, sino que también pueden estar involucrados en procesos patológicos . Algunas áreas enfermas que incluyen la aparición de tejidos mineralizados incluyen placas ateroscleróticas , [24] [25] calcinosis tumoral , dermatomiositis juvenil , cálculos renales y salivales . Todos los depósitos fisiológicos contienen el mineral hidroxiapatita o uno análogo a este. Las técnicas de imagen como la espectroscopia infrarroja se utilizan para proporcionar información sobre el tipo de fase mineral y los cambios en la composición mineral y de la matriz involucrados en la enfermedad. [3] Además, las células clásticas son células que causan la reabsorción del tejido mineralizado . Si hay un desequilibrio de células clásticas, esto interrumpirá la actividad de reabsorción y causará enfermedades. Uno de los estudios que involucra tejidos mineralizados en odontología es sobre la fase mineral de la dentina para comprender su alteración con el envejecimiento. Estas alteraciones conducen a una dentina "transparente", que también se llama esclerótica. Se ha demostrado que un mecanismo de "disolución y reprecipitación" rige la formación de dentina transparente. [26] Las causas y curas de estas afecciones posiblemente se puedan encontrar a partir de estudios adicionales sobre el papel de los tejidos mineralizados involucrados.
Los materiales estructurales naturales que comprenden fases duras y blandas dispuestas en elegantes arquitecturas jerárquicas multiescala, generalmente exhiben una combinación de propiedades mecánicas superiores . Por ejemplo, muchos materiales mecánicos naturales ( hueso , nácar , dientes , seda y bambú ) son livianos, fuertes, flexibles, resistentes, resistentes a las fracturas y autorreparables. El mecanismo subyacente general detrás de estos materiales avanzados es que los componentes rígidos altamente orientados brindan a los materiales una gran resistencia mecánica y rigidez , mientras que la matriz blanda "pega" los componentes rígidos y les transfiere la tensión. Además, la deformación plástica controlada de la matriz blanda durante la fractura proporciona un mecanismo de endurecimiento adicional. Esta estrategia común fue perfeccionada por la propia naturaleza a lo largo de millones de años de evolución, lo que nos inspiró para construir la próxima generación de materiales estructurales. Existen varias técnicas que se utilizan para imitar estos tejidos. Algunas de las técnicas actuales se describen aquí. [1] [27]
El modelo a gran escala de los materiales se basa en el hecho de que la deflexión de las grietas es un mecanismo importante de endurecimiento del nácar. Esta deflexión se produce debido a las interfaces débiles entre las baldosas de aragonito . Se utilizan sistemas a escala macroscópica para imitar estas interfaces débiles con tabletas de cerámica compuesta en capas que se mantienen unidas mediante un “pegamento” de interfaz débil. Por lo tanto, estos modelos a gran escala pueden superar la fragilidad de la cerámica. Dado que otros mecanismos como el bloqueo de las tabletas y la propagación de los daños también desempeñan un papel en la tenacidad del nácar, también se han ideado otros conjuntos de modelos inspirados en la ondulación de la microestructura del nácar a gran escala. [1]
Todos los materiales duros en animales se logran mediante el proceso de biomineralización : células dedicadas depositan minerales en una matriz polimérica (proteica) blanda para fortalecerla, endurecerla y/o endurecerla. Por lo tanto, la mineralización biomimética es un proceso obvio y efectivo para construir materiales sintéticos con propiedades mecánicas superiores. La estrategia general se inicia con andamios orgánicos con sitios de unión de iones que promueven la nucleación heterogénea. Luego, la mineralización localizada se puede lograr mediante la sobresaturación iónica controlada en estos sitios de unión iónica. En un material compuesto de este tipo , los minerales funcionan como una capa superficial muy fuerte y muy resistente al desgaste y la erosión. Mientras que los andamios orgánicos blandos proporcionan una base resistente que soporta cargas para soportar tensiones excesivas.
La tentación de hielo/ congelación es un nuevo método que utiliza la física de la formación de hielo para desarrollar un material híbrido en capas. Específicamente, las suspensiones cerámicas se congelan direccionalmente en condiciones diseñadas para promover la formación de cristales de hielo lamelares , que expulsan las partículas cerámicas a medida que crecen. Después de la sublimación del agua, esto da como resultado un andamio cerámico homogéneo en capas que, arquitectónicamente, es una réplica negativa del hielo. El andamio se puede llenar con una segunda fase blanda para crear un compuesto en capas duro-blando. Esta estrategia también se aplica ampliamente para construir otros tipos de materiales bioinspirados, como hidrogeles extremadamente fuertes y resistentes , [28] materiales biomiméticos híbridos de metal/cerámica y polímero/cerámica con arquitecturas lamelares finas o de ladrillo y mortero. La capa de "ladrillo" es extremadamente fuerte pero frágil y la capa de "mortero" blanda entre los ladrillos genera una deformación limitada, lo que permite el alivio de tensiones localmente altas al mismo tiempo que proporciona ductilidad sin demasiada pérdida de resistencia.
La fabricación aditiva abarca una familia de tecnologías que se basan en diseños informáticos para construir estructuras capa por capa. [29] Recientemente, se han construido muchos materiales bioinspirados con elegantes motivos jerárquicos con características que varían en tamaño desde decenas de micrómetros hasta un submicrómetro. Por lo tanto, la grieta de los materiales solo puede ocurrir y propagarse a escala microscópica, lo que no provocaría la fractura de toda la estructura. Sin embargo, el tiempo que lleva fabricar los materiales mecánicos jerárquicos, especialmente a escala nanométrica y microscópica, limitó la aplicación posterior de esta técnica en la fabricación a gran escala.
La deposición capa por capa es una técnica que, como sugiere su nombre, consiste en un ensamblaje capa por capa para formar compuestos multicapa como el nácar. Algunos ejemplos de esfuerzos en esta dirección incluyen capas alternas de componentes duros y blandos de TiN/Pt con un sistema de haz de iones . Los compuestos hechos mediante esta técnica de deposición secuencial no tienen una microestructura estratificada segmentada. Por lo tanto, se ha propuesto la adsorción secuencial para superar esta limitación y consiste en adsorber electrolitos repetidamente y enjuagar las tabletas, lo que da como resultado multicapas. [1]
La deposición de película delgada se centra en reproducir la microestructura laminar cruzada de la caracola en lugar de imitar la estructura en capas del nácar mediante sistemas microelectromecánicos (MEMS) . Entre las conchas de moluscos, la caracola tiene el mayor grado de organización estructural. El mineral aragonito y la matriz orgánica se sustituyen por polisilicio y fotorresistencia . La tecnología MEMS deposita repetidamente una fina película de silicio. Las interfaces se graban mediante grabado iónico reactivo y luego se rellenan con fotorresistencia . Hay tres películas depositadas consecutivamente. Aunque la tecnología MEMS es cara y requiere más tiempo, existe un alto grado de control sobre la morfología y se pueden realizar grandes cantidades de muestras. [1]
El método de autoensamblaje intenta reproducir no solo las propiedades, sino también el procesamiento de las biocerámicas . En este proceso, se utilizan materias primas fácilmente disponibles en la naturaleza para lograr un control estricto de la nucleación y el crecimiento. Esta nucleación se produce en una superficie sintética con cierto éxito. La técnica se lleva a cabo a baja temperatura y en un entorno acuoso. Las películas autoensamblables forman plantillas que efectúan la nucleación de las fases cerámicas. La desventaja de esta técnica es su incapacidad para formar una microestructura estratificada segmentada. La segmentación es una propiedad importante del nácar que se utiliza para la deflexión de grietas de la fase cerámica sin fracturarla. Como consecuencia, esta técnica no imita las características microestructurales del nácar más allá de la estructura estratificada orgánica/inorgánica y requiere una mayor investigación. [1]
Los diversos estudios han permitido avanzar en la comprensión de los tejidos mineralizados. Sin embargo, todavía no está claro qué características micro/nanoestructurales son esenciales para el rendimiento material de estos tejidos. Además, actualmente no se dispone de leyes constitutivas a lo largo de las distintas rutas de carga de los materiales. En el caso del nácar, es necesario realizar más estudios para definir por completo el papel de algunos nanogranos y puentes minerales. El éxito de la biomimización de las conchas de moluscos dependerá de la obtención de un mayor conocimiento de todos estos factores, especialmente de la selección de materiales influyentes en el rendimiento de los tejidos mineralizados. Además, la técnica final utilizada para la reproducción artificial debe ser rentable y escalable a escala industrial. [1]
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