Las bioespumas son espumas biológicas o de origen biológico , que forman sólidos celulares ligeros y porosos. Un término relativamente nuevo, su uso en el mundo 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 a base de 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.
Las espumas pueden formarse naturalmente dentro de 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] Partes de animales como hueso esponjoso , caparazones de cangrejo herradura , picos de tucán , esponjas , corales, plumas y astas contienen estructuras similares a espuma que disminuyen el peso total a expensas de otras propiedades del material. [6] [8] [9]
Estructuras como huesos, astas y caparazones tienen materiales fuertes que albergan materiales más débiles pero más livianos en su interior. Los huesos tienden a tener regiones externas compactas y densas, que protegen el hueso esponjoso interno similar a una espuma. [6] [8] El mismo principio se aplica a los caparazones del cangrejo herradura, los picos de los tucanes y las astas. [6] [9] [10] Las púas y los ejes de las plumas también contienen espuma de células cerradas. [6] [11]
Las espumas protectoras pueden ser formadas 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 arborícola crecen en espumas proteicas sobre y sobre el 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 espuma de doble capa; y algunos insectos mantienen sus larvas en espuma. [12] [13]
Honeycomb se refiere a patrones bioinspirados que proporcionan un diseño liviano para estructuras que absorben energía. El diseño de panal se puede encontrar en diferentes componentes biológicos estructurales, como el hueso esponjoso y la vasculatura vegetal . Las estructuras alveolares de inspiración biológica incluyen los panales Kelvin , Weaire y Floret (ver Figura 2); cada uno con una estructura ligeramente diferente en comparación con el panal hexagonal natural . Estas variaciones en el diseño biológico han producido resultados de absorción de energía significativamente mejores en comparación con la bioespuma de panal 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 alveolares como núcleo interno y rodear la estructura con una capa 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]
Los aerogeles son capaces de llenar grandes volúmenes con un mínimo de material, lo que produce propiedades especiales como baja densidad y baja conductividad térmica . Estos aerogeles tienden a tener estructuras internas categorizadas como estructuras celulares abiertas o cerradas, [17] la misma estructura celular que se utiliza para definir muchas bioespumas tridimensionales en forma de panal. También se están diseñando aerogeles para reflejar las estructuras internas de espuma de los pelos de animales (ver Figura 3). Estos aerogeles biomiméticos se están investigando activamente por sus prometedoras propiedades elásticas y aislantes. [dieciséis]
Una espuma se considera de celda abierta si al menos dos de sus caras 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 perforadas, la espuma se considera de naturaleza de celda cerrada. [18] Para la mayoría de las espumas sintéticas, se observa una mezcla de carácter de celda cerrada y de celda abierta debido a que las células 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 según lo obtenido por Gibson y Ashby: [19]
Donde E es el módulo de elasticidad , 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 aparente del material en lugar de la de la muestra de espuma.
Para muchas espumas poliméricas, una espuma solidificada se forma polimerizando y espumando una mezcla de polímeros líquida y luego permitiendo que la 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 células de la espuma formen poliedros irregulares como drenajes de líquido, que son estructuras menos estables que las estructuras esféricas de una espuma tradicional. [12] Sin embargo, estas estructuras pueden estabilizarse mediante la presencia de un tensioactivo . [20]
La estructura de 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 tensioactivo para reducir la energía libre superficial de la espuma y, por lo tanto, estabilizar la espuma. En algunas bioespumas naturales, las proteínas pueden actuar como tensioactivos para que las espumas se formen y estabilicen. [12]
Durante la solidificación de las bioespumas sintéticas, se pueden agregar fibras como agente de refuerzo de la matriz. [18] [4] Esto además creará 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]
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 base para estas bioespumas, ya que ofrecen un sustituto de las espumas a base de poliolefinas que se utilizan comúnmente en piezas de automóviles, productos farmacéuticos y en las industrias de envases desechables de corta duración debido a su Propiedades biológicas y biodegradables . [23] El PLA proviene de la formación de lactida producida a partir de ácido láctico debido a la fermentación bacteriana mediante polimerización con apertura de anillo, en la cual el proceso se muestra en la Figura 4. [21]
El PLA no tiene las características más deseables de biodegradabilidad en la industria del embalaje, ya que contiene una temperatura de distorsión térmica baja y tiene características de barrera al agua desfavorables. [22] Por otro lado, se ha demostrado que el PLA tiene propiedades de embalaje deseables, incluidas altas propiedades de barrera a la luz ultravioleta y bajas temperaturas de fusión y transición vítrea. [24] Recientemente, el PGA se ha introducido en la industria del embalaje porque es un buen disolvente 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 envases. [25]
Tabla 1: Las propiedades del PLA en comparación con el PGA. [25]
La bioespuma más popular en el uso de dispositivos biomédicos también es el PLA. Las propiedades del 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 funciona bien en estos entornos de impresión ya que su temperatura de transición vítrea y su memoria de forma son pequeños. [21] En estudios recientes, el 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 el HA genera osteogénesis al activar osteoblastos y células preosteoblásticas. [27] El HA es un material fuerte, lo que lo hace ideal para agregarlo al PLA, debido al hecho de que el PLA tiene una tenacidad débil con un alargamiento del 10% antes de fallar. [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 había una capacidad de autocuración de la muestra, que podría usarse en ciertas prácticas biomédicas. [21]
Con la atención reciente 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 hasta incluir la creación de bioespumas biodegradables, con la intención de sustituir otras espumas que pueden ser perjudiciales para el medio ambiente o cuya producción puede resultar insostenible. Siguiendo esta línea, Gunawan et al. [28] llevaron a cabo investigaciones para desarrollar “productos de poliuretano comercialmente relevantes que puedan biodegradarse en el entorno natural”. [28] Uno de esos productos incluye chanclas, por lo que, como parte de la investigación, se creó un prototipo de una chancla hecha de poliuretano derivado de algas (ver Figura 7). [28] [29] [30] [31] Esta investigación finalmente llegó a la conclusión de que tanto en el ambiente del abono como del suelo (diferentes microorganismos presentes en cada ambiente) se produce una degradación significativa en la espuma de poliuretano formulada a partir de aceite de algas. [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 residuos de la molienda de aceite de palma y es un subproducto de ese proceso de fabricación. Después de someterse a pruebas para determinar la biodegradabilidad y a un análisis termogravimétrico , el equipo determinó que el material podría utilizarse en aplicaciones como aislamiento o retardantes de fuego dependiendo de la relación AO/RPO. [5]
Otro foco 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 producirse. Luo y col. han realizado investigaciones en esta área de las bioespumas y, en última instancia, 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]
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 para diferentes propósitos. [7] [34] [35] [18] El ejemplo del gluten de trigo se usó en combinación con grafeno para intentar hacer una bioespuma conductora. [35] Los ejemplos de bioespuma a base de micelio, quitosano y celulosa pretenden convertirse en opciones de materiales rentables y de baja densidad. [7] [34] [18]
![Figura 9: Estas imágenes de microscopía electrónica de barrido de acceso abierto muestran una bioespuma a base de quitosano con dos aumentos diferentes.[34]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/84/Researched_Chitosan_Mimicking_Biofoam.png/1280px-Researched_Chitosan_Mimicking_Biofoam.png)
![Figura 10: Imágenes de microscopía electrónica de barrido de acceso abierto de espuma a base de gluten de trigo.[35]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1f/Gluten_and_carbon_nanotubes.gif/1280px-Gluten_and_carbon_nanotubes.gif)
![Figura 11: Imágenes de microscopía electrónica de barrido de acceso abierto de espumas de aceite de soja y fibra de celulosa.[18]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/8e/Cellulose_foam.webp/1280px-Cellulose_foam.webp.png)
![{\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]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/69accae2d23ebebae7b43fc1c0539cf8a1a984fd)
![Figura 8: a) muestra un bloque de bioespuma de micelio yb) muestra una imagen de microscopio electrónico de barrido del mismo.[7]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/61/Mycelium_Based_Structure.jpg/1280px-Mycelium_Based_Structure.jpg)