Estudio de las propiedades mecánicas de biopolímeros nanoestructurados presentes en la naturaleza

Zusammenfassung

Diferentes biopolímeros presentes en la naturaleza como el colágeno, la elastina y la actina forman parte de una variedad de sistemas biológicos que cumplen diversas funciones como las de protección, barreras químicas y soporte mecánico. Dichos sistemas presentan una estructura jerarquizada en la que cada componente está formado, a su vez, por estructuras cada vez más pequeñas. Algunos de estos sistemas biológicos han sido bastante estudiados porque presentan propiedades mecánicas importantes. Entre ellos se encuentra la seda de araña (la fibra más tenaz que existe) y la concha de nácar. El colágeno es un biopolímero presente en muchos tejidos y forma estructuras blandas como piel y cartílago, y estructuras duras como huesos. En el presente trabajo se estudian tres sistemas biológicos distintos: el biso de mejillón, la membrana interna de los huevos y el músculo del manto del calamar gigante. Los bisos son fibras usadas por los mejillones para fijarse a rocas y otros sustratos. La resistencia y extensibilidad de dichas fibras permiten a los mejillones soportar las fuerzas producidas por el golpe de las olas a velocidades mayores a 10 m/s y aceleraciones de aproximadamente 400 m/s2. Su tenacidad es seis veces mayor que la del tendón humano y es comparable con la tenacidad de las fibras de carbono. La membrana de huevo es un tejido que se encuentra entre el cascarón y la clara de los huevos constituido por una red bidimensional de fibras que forman una estructura porosa interconectada. Debido a su estructura porosa interconectada y la capacidad para el transporte de nutrientes al embrión en desarrollo, se han estudiado sus aplicaciones biomédicas como membrana para la regeneración de huesos y como parche para el tratamiento de heridas y como un sustrato para el cultivo de células. El músculo del manto del calamar gigante se estudió como un material modelo de una red tridimensional debido a que su morfología muestra un gran número de cavidades porosas e irregulares que recuerdan la morfología de celdas abiertas donde las celdas están separadas por paredes delgadas. Se llevó a cabo la caracterización morfológica mediante microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido y microscopía de fuerza atómica. La presencia del colágeno se verificó con ensayos de espectroscopía infrarroja. Las propiedades mecánicas se estudiaron con el uso de ensayos de tensión cuasi-estática, reología y ensayos de nanoindentación. Además, se llevaron a cabo ensayos de calorimetría de barrido diferencial y termo-gravimetría para estudiar las propiedades térmicas de las muestras. Las pruebas llevadas a cabo sirvieron para caracterizar los sistemas en estudio y para analizar su comportamiento mecánico en función de su morfología y de de la influencia del ambiente en que trabajan (influencia del medio, temperatura, humedad). Como parte del análisis de los resultados se utilizaron modelos de la ciencia de materiales como la ecuación de Mooney-Rivlin para establecer si podían describir satisfactoriamente el comportamiento de los sistemas estudiados. Con los resultados de este estudio se pretende avanzar hacia la posible construcción de un modelo general que describa las propiedades mecánicas de los biopolímeros nanoestructurados.