Tejidos mineralizados - Mineralized tissues
Tejidos mineralizados son biológicos tejidos que los minerales incorporar en matrices suaves. Normalmente, estos tejidos forman un escudo protector o soporte estructural. Huesos, conchas de moluscos , especies de Euplectella de esponjas de aguas profundas , radiolarios , diatomeas , astas , tendones , cartílagos , esmalte dental y dentina son algunos ejemplos de tejidos mineralizados.
Estos tejidos se han ajustado con precisión para mejorar sus capacidades mecánicas durante 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 . La notable organización estructural y las propiedades de ingeniería hacen que estos tejidos sean candidatos deseables para la duplicación por medios artificiales. Los tejidos mineralizados inspiran miniaturización, adaptabilidad y multifuncionalidad. Si bien los materiales naturales se componen de 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 biológicos duros antes de intercambiar los componentes naturales con materiales artificiales para el diseño de ingeniería.
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 ). Hay 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 moluscos y la hidroxiapatita presente en dientes y huesos. Aunque uno podría pensar que el contenido mineral de estos tejidos puede volverlos frágiles, los estudios han demostrado que los tejidos mineralizados son entre 1.000 y 10.000 veces más resistentes que los minerales que contienen. El secreto de esta fuerza subyacente está en las capas organizadas del tejido. Debido a esta estratificación, las cargas y tensiones se transfieren a lo largo de varias escalas de longitud, de macro a micro y 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. Dos tipos de tejidos biológicos han sido objeto de una extensa investigación, a saber, nácar de conchas de moluscos y huesos, que son compuestos naturales de alto rendimiento. Para caracterizar estos tejidos se utilizan muchas técnicas mecánicas y de imágenes, como la nanoindentación y la microscopía de fuerza atómica. Aunque el grado de eficiencia de los tejidos duros biológicos aún no ha sido igualado por ningún compuesto cerámico artificial, actualmente se están desarrollando algunas técnicas nuevas y prometedoras para sintetizarlos. 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.
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Evolución
La evolución de los tejidos mineralizados ha sido desconcertante 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 conodonte o en el esqueleto dérmico de los primeros agnathanos . El esqueleto dérmico es solo dentina superficial y hueso basal, que a veces está superpuesto por esmalte. 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 condrictios y estaban hechos de los tres componentes del esqueleto dérmico, a saber, dentina, hueso basal y esmalte. 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 agnathans proporcione más información sobre la evolución de los tejidos mineralizados y aclare la evidencia de los primeros registros fósiles.
Estructura jerarquica
Las estructuras jerárquicas son características distintas que se ven a lo largo de diferentes escalas de longitud. Para comprender cómo la estructura jerárquica de los tejidos mineralizados contribuye a sus notables propiedades, las del nácar y el hueso se describen a continuación. Las estructuras jerárquicas son características de la biología y se ven en todos los materiales estructurales de la biología, como el hueso y el nácar de las conchas marinas.
Nácar
El nácar tiene varios niveles estructurales jerárquicos.
La macroescala
Algunas conchas de moluscos se protegen de los depredadores mediante el uso de un sistema de dos capas, una de las cuales es el nácar. El nácar constituye la capa interna, mientras que la otra capa externa está hecha de calcita . Este último es duro y, por lo tanto, evita cualquier penetración a través del caparazón, pero está sujeto a fallas por fragilidad. Por otro lado, el nácar es más suave y puede soportar deformaciones inelásticas, lo que lo hace más resistente que la capa exterior dura. El mineral que se encuentra en el nácar es la aragonita , CaCO3, y ocupa el 95% vol. El nácar es 3000 veces más resistente que el aragonito y esto tiene que ver con el otro componente del nácar, el que ocupa el 5% vol., Que son los biopolímeros orgánicos más blandos. Además, la capa nacarada también contiene algunas hebras de material más débil llamadas líneas de crecimiento que pueden desviar las grietas.
La microescala
La microescala se puede imaginar mediante una pared de ladrillo y mortero tridimensional. Los ladrillos serían capas de 0,5 µm de espesor de tabletas poligonales de aragonito microscópicas de aproximadamente 5-8 µm de diámetro. Lo que mantiene unidos a los ladrillos son los morteros y, en el caso del nácar, es el material orgánico de 20-30 nm el que juega este papel. Aunque estas tabletas se ilustran generalmente como hojas planas, diferentes técnicas de microscopía han demostrado que son de naturaleza ondulada con amplitudes tan grandes como la mitad del grosor de la tableta. Esta ondulación juega un papel importante en la fractura del nácar, ya que bloqueará progresivamente las tabletas cuando se separan e inducirá el endurecimiento.
La nanoescala
La interfaz de 30 nm de grosor entre las tabletas que las conecta entre sí y los granos de aragonito detectados por microscopía electrónica de barrido a partir de la cual están hechas las tabletas representan otro nivel estructural. El material orgánico que “pega” las tabletas está hecho de proteínas y quitina .
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. A microescala, las capas de tabletas apiladas y la interfaz ondulada entre ellas son otras dos estructuras jerárquicas. Por último, en la nanoescala, el material orgánico de conexión entre las tabletas, así como los granos de los que están hechas, es la sexta estructura jerárquica final del nácar.
Hueso
Al igual que el nácar y los demás tejidos mineralizados, el hueso tiene una estructura jerárquica que también está formada por el autoensamblaje de componentes más pequeños. El mineral del hueso (conocido como mineral óseo ) es la 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 abarca una jerarquía de tres niveles de la propia molécula de colágeno. Diferentes fuentes informan diferentes números de nivel jerárquico en el hueso, que es un material biológico complejo. Los tipos de mecanismos que operan a diferentes escalas de longitud estructural aún no se han definido adecuadamente. A continuación se presentan cinco estructuras jerárquicas de hueso.
La macroescala
El hueso compacto y el hueso esponjoso están en una escala de varios milímetros a 1 o más centímetros.
La microescala
Hay dos estructuras jerárquicas en la microescala. El primero, 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. La segunda estructura jerárquica, la ultraestructura, a una escala de 5 a 10 μm, es la estructura real de las osteonas y pequeños puntales.
La nanoescala
También hay dos estructuras jerárquicas en la nanoescala. El primero es la estructura dentro de la ultraestructura que son las fibrillas y el espacio extrafibrilar, a una escala de varios cientos de nanómetros. Los segundos 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. La estructura jerárquica común a todos los tejidos mineralizados es la clave de su desempeño mecánico.
Componente mineral
El mineral es el componente inorgánico de los tejidos mineralizados. Este componente es lo que hace que los tejidos sean más duros y rígidos. 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. En las conchas de moluscos, estos minerales se llevan al sitio de mineralización en vesículas dentro de células especializadas. Aunque se encuentran en una fase mineral amorfa mientras están dentro de las vesículas , el mineral se desestabiliza a medida que sale de la célula y cristaliza. En el hueso, 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.
Componente orgánico
La parte orgánica de los tejidos mineralizados está formada por proteínas. En los huesos, por ejemplo, la capa orgánica es la proteína colágeno. 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 . Sin embargo, sin esta porción orgánica, el material biológico sería frágil y se rompería fácilmente. Por tanto, el componente orgánico de los tejidos mineralizados aumenta su tenacidad . Además, muchas proteínas son reguladores del 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 de los tejidos mineralizados son la osteonectina , la osteopontina , la osteocalcina , la sialoproteína ósea y la dentina fosfoforina . En nácar, el componente orgánico es poroso, lo que permite la formación de puentes minerales responsables del crecimiento y orden de las tabletas nacaradas.
Formación de minerales
Comprender la formación de los tejidos biológicos es inevitable para reconstruirlos artificialmente adecuadamente. Incluso si quedan dudas en algunos aspectos y aún no se ha determinado el mecanismo de mineralización de muchos tejidos mineralizados, existen algunas ideas sobre los de concha de moluscos, huesos y erizos de mar.
Concha de molusco
Los principales elementos estructurales involucrados en el proceso de formación de la cáscara del molusco son: un gel de seda hidrófobo , proteína rica en ácido aspártico y un soporte de quitina . El gel de seda es parte de la porción de proteína y se compone principalmente de glicina y alanina . No es una estructura ordenada. Las proteínas ácidas juegan un papel en la configuración de las láminas. La quitina está muy ordenada y es el marco de la matriz. Los principales elementos del conjunto son:
- El gel de seda llena la matriz que se mineralizará antes de que tenga lugar la mineralización.
- La quitina altamente ordenada determina la orientación de los cristales.
- Los componentes de la matriz se pueden distinguir espacialmente.
- El carbonato de calcio amorfo es la primera forma del mineral.
- Una vez que comienza la nucleación en la matriz, el carbonato de calcio se convierte en cristales.
- Mientras crecen los cristales, algunas de las proteínas ácidas quedan atrapadas dentro de ellos.
Hueso
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 del agujero de las fibrillas de colágeno, como capas delgadas de fosfato de calcio , que luego crecen para ocupar el espacio máximo disponible allí. Los mecanismos de deposición de minerales 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 se produce debido a la interacción de las proteínas de unión al calcio.
Embrión de erizo de mar
El embrión de erizo de mar se ha utilizado ampliamente en estudios de biología del desarrollo. Las larvas forman un endoesqueleto sofisticado que está hecho de dos espículas . Cada una de las espículas es un solo cristal de calcita mineral . Este último es el resultado de la transformación del CaCO 3 amorfo en una forma más estable. Por lo tanto, hay dos fases minerales en la formación de espículas larvarias.
Interfaz orgánico-inorgánico
La interfaz mineral-proteína con sus fuerzas de adhesión subyacentes está involucrada en las propiedades de endurecimiento de los tejidos mineralizados. La interacción en la interfaz orgánico-inorgánico es importante para comprender estas propiedades de endurecimiento.
En la interfaz, se necesita una fuerza muy grande (> 6-5 nN) para alejar las moléculas de proteína del mineral de aragonito en el nácar, a pesar de que las interacciones moleculares no están unidas. Algunos estudios realizan un análisis de modelo de elementos finitos para investigar el comportamiento de la interfaz. Un modelo ha demostrado que durante la tensión, la tensión de espalda que se induce durante el estiramiento plástico del material juega un papel importante en el endurecimiento del tejido mineralizado. Además, las asperezas a nanoescala que se encuentran en las superficies de las tabletas proporcionan resistencia al deslizamiento interlaminar y, por lo tanto, fortalecen el material. Un estudio de topología de superficie ha demostrado que el bloqueo y el endurecimiento progresivo de las tabletas, que son necesarios para extender grandes deformaciones en grandes volúmenes, se produjo debido a la ondulación de las tabletas.
Tejidos mineralizados enfermos
En los vertebrados , los tejidos mineralizados no solo se desarrollan a través de procesos fisiológicos normales, sino que también pueden participar en procesos patológicos . Algunas áreas enfermas que incluyen la aparición de tejidos mineralizados incluyen placas ateroscleróticas , calcinosis tumoral , dermatomiositis juvenil , cálculos renales y salivales . Todos los depósitos fisiológicos contienen el mineral hidroxiapatita o uno análogo a él. Se utilizan técnicas de imagen como la espectroscopia infrarroja para proporcionar información sobre el tipo de fase mineral y los cambios en la composición de la matriz y el mineral implicados en la enfermedad. Además, las células clásticas son células que provocan la reabsorción de tejido mineralizado . Si hay un desequilibrio de las células clásticas, esto interrumpirá la actividad de reabsorción y provocará enfermedades. Uno de los estudios sobre 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", también llamada esclerótica. Se demostró que un mecanismo de "disolución y reprecipitación" reina en la formación de dentina transparente. Las causas y curas de estas afecciones posiblemente se puedan encontrar a partir de estudios adicionales sobre el papel de los tejidos mineralizados involucrados.
Materiales bioinspirados
Las atractivas propiedades de los tejidos mineralizados como el nácar y el hueso han dado lugar a la creación de una gran cantidad de materiales biomiméticos . Aunque se pueden realizar mejoras, se utilizan varias técnicas para imitar estos tejidos. Algunas de las técnicas actuales se describen aquí para la imitación del nácar.
"Materiales para modelos" a gran escala
El modelo de materiales a gran escala se basa en el hecho de que la desviación de la fisura es un importante mecanismo de endurecimiento del nácar. Esta desviación ocurre debido a las interfaces débiles entre las tejas de aragonito . Los sistemas en las escalas macroscópicas se utilizan para imitar estas interfaces semanales con tabletas cerámicas compuestas en capas que se mantienen unidas por 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 la tableta y la propagación del daño también juegan un papel en la tenacidad del nácar, también se han ideado a gran escala otros ensamblajes de modelos inspirados en la ondulación de la microestructura del nácar.
Tentación de hielo
Ice Templation es un nuevo método que utiliza la física de la formación del hielo para desarrollar un material híbrido en capas. En este sistema, las partículas de cerámica en una suspensión concentrada se congelan utilizando una cinética de congelación cuidadosamente controlada. Como resultado, se puede hacer un andamio poroso homogéneo, que luego se llena con una segunda fase orgánica o inorgánica para construir materiales compuestos en capas densas.
Deposición capa por capa
La deposición capa por capa es una técnica que, como sugiere su nombre, consiste en un ensamblaje capa por capa para hacer 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 materiales compuestos fabricados mediante esta técnica de deposición secuencial no tienen una microestructura estratificada segmentada. Por tanto, se ha propuesto la adsorción secuencial para superar esta limitación y consiste en adsorber electrolitos repetidamente y enjuagar los comprimidos, lo que da como resultado multicapas.
Deposición de película fina: estructuras microfabricadas
La deposición de película delgada se centra en reproducir la microestructura de laminillas cruzadas de la concha en lugar de imitar la estructura en capas del nácar utilizando sistemas microelectromecánicos (MEMS) . Entre conchas de moluscos, la concha shell tiene el más alto grado de organización estructural. El mineral aragonito y la matriz orgánica son reemplazados por polisilicio y fotorresistente . La tecnología MEMS deposita repetidamente una fina película de silicio. Las interfaces se graban mediante grabado con iones reactivos y luego se rellenan con fotorresistente . 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.
Autoensamblaje
El método de autoensamblaje intenta reproducir no solo las propiedades, sino también el procesamiento de 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 ocurre a baja temperatura y en un ambiente 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 desviar las fisuras 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 estratificada y requiere más investigación.
El futuro
Los diversos estudios han aumentado el progreso hacia la comprensión de los tejidos mineralizados. Sin embargo, aún no está claro qué características micro / nanoestructurales son esenciales para el desempeño material de estos tejidos. Además, las leyes constitutivas a lo largo de varias rutas de carga de los materiales no están disponibles actualmente. Para el nácar, el papel de algunos nanogranos y puentes minerales requiere más estudios para estar completamente definido. El éxito de la biomimilación de conchas de moluscos dependerá de que se obtenga un mayor conocimiento de todos estos factores, especialmente 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 industrialmente.
Ver también
Referencias
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