(1999) "Materiales biológicos y biomateriales"

MATERIALES BIOLÓGICOS Y BIOMATERIALES

MANUEL ELICES CALAFAT

Real Academia de Ciencias

INTRODUCCIÓN

Los materiales biológicos son el resultado de un largo pro-ceso evolutivo y nos muestran las historias que han teni-do un final feliz después de 4.000 millones de años de in-vestigación y desarrollo por parte de nuestro planeta. Eneste tiempo la naturaleza ha conseguido materiales conpropiedades extraordinarias y ha desarrollado técnicas so-fisticadas de fabricación, más allá de lo que es capaz la ac-tual tecnología (Elices 2000a).

Los materiales biológicos son multifuncionales; exhibensimultáneamente varias propiedades. También son inteli-gentes, si por inteligentes entendemos que son capaces dereaccionar a los estímulos externos. Las antenas de los in-sectos poseen ambas cualidades; tienen una buena resis-tencia mecánica, pueden autorrepararse, son capaces de de-tectar información química y térmica, transmitirla a loscentros de decisión, y realizar cambios de forma y posiciónde forma rápida y controlada. La supervivencia en la na-turaleza depende de la habilidad para detectar lo que su-cede en el exterior, integrar la información, predecir loque pueda suceder y actuar en consecuencia.

Las técnicas de fabricación que usa la naturaleza no sonagresivas para el medio ambiente; los procesos se efectúanen medios acuosos, a temperatura ambiente y, casi siem-pre, a presión atmosférica, condiciones muy distintas alas utilizadas por la industria química. Además, los mate-riales biológicos son biodegradables.

Para muchos lectores, los términos biomaterialj mate-rial biológico son sinónimos. Aparentemente, la posicióndel término bio -delante o detrás de la palabra material-no debería afectar al significado, pero los miembros de laSociedad Europea de Biomateriales decidieron, en sep-tiembre de 1991, reservar la palabra biomaterial exclusi-vamente para aquellos «materiales utilizados para evaluar,tratar, corregir o reemplazar cualquier tejido, órgano ofunción en el cuerpo humano». El término material bio-lógico se sigue utilizando para cualquier material que pro-ceda de un ser vivo. En esta breve nota se comentan dosmateriales biológicos -las conchas de los moluscos y los hi-los de seda de los gusanos y de las arañas- que han inspi-

rado el diseño de nuevos materiales de altas prestacionesy que, en algunas ocasiones, también han sido utilizadoscomo biomateriales.

LOS MOLUSCOS NOS ENSEÑAN A DISEÑAR CERÁMICAS

TENACES

Perlas y nácar: arquetipos de material nanolaminado

Se dice que los pescadores de perlas de Borneo reteníancelosamente cada novena perla que encontraban y laguardaban, junto con dos granos de arroz, en una bote-lla. Creían que estas perlas singulares podían reproducir-se siempre que se tomaran las debidas precauciones; en-tre otras, que se utilizara como tapón para la botella eldedo de un hombre muerto.

La perla —el primer material biológico que se describe—ha sido una gema codiciada desde los tiempos más remo-tos porque, además de su rareza y origen misterioso, se lehan atribuido poderes curativos, virtudes, símbolos y pro-piedades místicas.

En el lapidario de Alfonso X el Sabio podemos leer quela piedra llamada aljófar (nombre antiguo de la perla) ...«es muy buena, pues alivia mucho el temblor de corazón,y a los que son tristes o medrosos toda enfermedad que ven-ga por melancolía, ya que limpia la sangre del corazón,esclarécela y quita la turbiedad toda de ella».

La perla es símbolo de la pureza, de la ingenuidad y dela belleza en la tradición cristiana, que también la llamamargarita (posiblemente del persa murwari, que signifi-ca «hija de la luz»). Las imágenes de Santa Margarita deAntioquía, virgen y mártir emblemática de los primerossiglos del cristianismo, aparecen con frecuencia adornadascon un collar de perlas.

Los colores irisados de la luz reflejada por las perlas y elnácar de las conchas son, sin duda, otro de sus atractivos(figura 1). Ahora sabemos que este brillo especial -tam-bién llamado oriente- se debe a la interferencia de los ra-yos luminosos cuando atraviesan y se reflejan en las finascapas que, de forma semejante a una cebolla, forman la

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Fig 1 , - Irisaciones del nácar de las conchas; a. En una madreperla (Pinctada). b. En una oreja de mar (Haliotis).

perla. Antiguamente, las explicaciones eran más poéticas;¡as perlas eran gotas de rocío celeste que había sido con-densado y sus formas y colores dependían de la forma y co-lorido de las nubes, según que su nacimiento tuviera lugardurante un sereno amanecer o una radiante puesta de sol.

La cruda realidad es que la perla es la respuesta de unmolusco a la irritación producida por un material queproviene del exterior de su concha. Para proteger sus de-licados tejidos el molusco recubre el cuerpo extraño confinas capas de carbonato calcico que son las responsablesde su iridiscencia y de sus extraordinarias propiedades me-cánicas.

Las conchas de los moluscos, y en particular el nácar, sonunos materiales biológicos muy interesantes porque nosproporcionan pistas para diseñar y fabricar nuevos mate-riales de altas prestaciones. Son materiales compuestos dematriz orgánica; en general, entre el 95 y el 99 por cien-

to es carbonato calcico (en forma de aragonito o de cal-cita, según el tipo de molusco) y el resto, del 1 al 5 por cien-to, una matriz proteínica. Sorprendentemente, es esta pe-queña proporción de «pegamento» orgánico la que confiereal nácar una resistencia a la fractura dos o tres órdenes demagnitud superior a la del aragonito o de la calcita.

La explicación de su gran resistencia a la rotura hay quebuscarla en su microestructura formada por unos peque-ños «ladrillos» de carbonato calcico cementados con un«mortero» de proteínas y glicoproteínas (figura 2a). Las di-mensiones de los ladrillos y de las juntas de mortero va-rían de unos moluscos a otros; para el nácar de la Pincta-da margaritífera o del Haliotis rufescens, el espesor de los«ladrillos» puede variar entre 0.3 y 1.5 |J.m (1 (im =10 ' m)estando el tamaño de las otras dos dimensiones alrededorde las 10 )J.m. El espesor del «mortero» es mucho menor,del orden de los 10 nm (1 nm = 10~9 m).

Fig. 2 . - a) Microestructura del nácar; ladrillos de aragonito cementados con un mortero de proteínas. (Foto J.Y. Pastor), b) Microestructurade un material compuesto artificial; ladrillos de SiC cementados con grafito. (W.J. Clegg). (Nótese la diferencia de escalas).

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La resistencia a la fractura -también llamada tenaci-dad- está relacionada con la dificultad que encuentranlas grietas para propagarse; cuanto más cuesta, más resis-tente y tenaz es el material. Las conchas de los moluscosson muy tenaces porque hace falta gastar mucha energíapara propagar una grieta en su seno; si estuvieran fabricadassolamente con cristales de aragonito haría falta una ener-gía del orden de 1 J por cada metro cuadrado de grieta, peroal estar formadas por cristales de aragonito débilmentecementados por proteínas, la energía necesaria para rom-per un metro cuadrado se acerca a los 1000 J.

El aumento espectacular —casi tres órdenes de magni-tud— de la energía de fractura de la concha se debe al ca-mino mucho más largo y tortuoso que la grieta tiene querecorrer. Este camino se ha representado, de forma esque-mática, en la figura 3. La calidad del pegamento que unelos cristales es muy importante; si la unión es muy fuerte,la grieta pasa fácilmente de un cristal a otro (como se in-dica en el esquema a de la figura 3), si la unión es muy dé-bil, el material se descompone fácilmente. El pegamentoque utilizan los moluscos optimiza la fuerza de adhesiónentre los cristales de aragonito para que la grieta siga un ca-mino muy largo y tortuoso (esquema b de la figura 3). Es-tas ideas se reflejan en la figura 3, obtenida a partir de unmodelo muy simple de un material laminado (similar aun milhojas) en el que se varía la fuerza de cohesión entrelas láminas. En el eje horizontal se ha representado la fuer-za de cohesión entre las láminas y en el vertical el tamañomáximo de la grieta capaz de provocar la delaminación delmaterial. Cuanto mayor sea este tamaño más tenaz será elmaterial, al ser más fácil que la rotura se produzca por de-laminación para un defecto inicial dado. Los cálculos sehan hecho para un material sintético: nitruro de silicio ce-mentado con nitruro de boro (Kovar et al. 1998).

Cerámicas tenaces inspiradas en las conchasde los moluscos

Las conchas de los moluscos nos sugieren procedimientospara que materiales frágiles, como el aragonito, puedantransformarse en materiales tenaces, si sabemos introdu-cir intercaras débiles en la dirección transversal a la de lapropagación de la grieta. La idea básica no es nueva; en eldiseño de materiales compuestos se utilizan fibras y par-tículas para reforzar matrices frágiles con el propósito decrear intercaras débiles que bloqueen, o desvíen, la tra-yectoria de las fisuras. La ventaja de la microestructura delas conchas de los moluscos es su sencillez y facilidadde fabricación.

El procedimiento directo y tradicional para fabricar ma-teriales cerámicos reforzados consiste en mezclar la fibracon los polvos cerámicos, conformar y compactar la mez-cla, y sinterizar la pieza. La experiencia demuestra que poresta ruta es difícil librarse de defectos internos. El proce-so se puede mejorar mediante el prensado isostático encaliente, pero el coste aumenta y siguen apareciendo de-fectos. Otras técnicas más sofisticadas, como infiltrar una

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VALORES RELATIVOS DE LA ADHERENCIA

Fig. 3.- Tamaño máximo de la grieta capaz de producir una roturapor delaminación (que consume mucha energía) en función de la ad-herencia entre las láminas. (Cálculos para S¡3N4/BN, según Kovar

etal. 1998).

preforma de fibras con un precursor cerámico en forma degas, son lentas y caras.

Los moluscos han seguido otra estrategia para construirsus conchas; unir pequeñas placas cerámicas con un pe-gamento fino y débil. Hace unos años, J. Clegg y su equi-po (1990) mostraron que, imitando a los moluscos, sepodían producir materiales cerámicos tenaces por un pro-cedimiento simple y barato. A partir de polvos cerámicosfabricaron pequeñas placas, a las que dieron un trata-miento superficial, las compactaron en la forma deseaday las sinterizaron sin presión.

Mediante esta técnica se han fabricado piezas de car-buro de silicio (SiC) mucho más tenaces que las conven-cionales. A partir de plaquitas de SiC recubiertas con gra-fito se ha conseguido aumentar la tenacidad de fracturadesde 4 hasta 18 MPa m1'2, y que la energía de fractura pa-sara de 30 a 6000 Jrrf2. En este nuevo material el SiChace el papel del aragonito y el grafito el del pegamentoproteínico. La microestructura del material compuesto semuestra en la figura 2b y se compara con la microestruc-tura, más fina, del nácar (figura 2a). El extraordinario au-mento de la energía de fractura que se consigue imitan-do las conchas de los moluscos -tres órdenes de magnitud-se muestra en la figura 4.

Las cerámicas obtenidas por este procedimiento están es-pecialmente indicadas en componentes que soportan fuer-tes solicitaciones térmicas y bajas cargas mecánicas, por-que son muy resistentes a la fatiga térmica. Una posibleaplicación es el recubrimiento del sistema de combustiónde turbinas de gas. Para muy altas temperaturas hace fal-ta buscar una solución alternativa al grafito, ya que este ma-terial empieza a oxidarse a partir de 600 °C.

De nuevo, imitando los materiales biológicos se ha di-señado una segunda generación de cerámicas tenaces queresuelve algunos problemas anteriores; son las cerámicas

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í s

g 3OtC 2

5¡C /graf i to

CaCO?/polímero

CaCO3 I I100 200 300 400

MÓDULO DE ROTURA (MPa)

500 600

Fig. 4 . - Las microestructuras laminares aumentan considerablemente la energía de fractura en comparación con el material de base: En lasestructuras naturales la energía pasa de 1 J/m2 (CaCO3)a 1000 J/m2 (CaCO3/polímero). En las estructuras artificiales se pasa de 30 J/m2 (SiC)

hasta 6000 J/m2 (SiC/grafito), o desde 100 J/m2 (S¡3N4) hasta 7000 J/m2 (Si3N4/BN).

monolíticas fibrosas (R.W. Trice y J.W. Halloran, 2000).Las excelentes propiedades de estos materiales cerámicosson consecuencia del diseño, a escala de mieras, de su es-tructura que, en esencia, consiste en pequeñas y resisten-tes células hexagonales unidas por un fino y débil pega-mento. Las células de nitruro de silicio Si3N4 -en formade fibras de 250 |J.m de diámetro- están unidas por un«mortero» de nitruro de boro BN, de 10 a 20 |J,m de es-pesor. El módulo de rotura de este material es de 510 MPaa temperatura ambiente y de 290 MPa a 1300 °C. Losmateriales laminados formados por placas de Si3N4 ce-mentadas con BN, también exhiben un excelente com-portamiento en fractura, como se indica en la figura 4,donde se puede apreciar un aumento de casi dos órdenesde magnitud con relación al Si3N4 monolítico.

La arquitectura de un material biológico -la humildeconcha de un molusco o el preciado nácar de las perlas, se-gún se mire- ha inspirado nuevos materiales cerámicos te-naces de altas prestaciones, pero la información contenidaen el nácar no termina aquí. Las conchas de los moluscostienen que funcionar como auténticas barreras protectoraspara los invertebrados; tienen que resistir la acción de los de-predadores, soportar enormes presiones en las profundaschimeneas hidrotermales donde proliferan los moluscos, otener la tenacidad necesaria para aguantar las embestidasde las olas cuando están en la zona intermareal. Además, tie-nen que simultanear su función resistente con otras más; fa-cilitar el acceso de los nutrientes, eliminar los residuos, y per-mitir el crecimiento y la reproducción. A cualquier ingeniero,el diseño de un material con todas estas prestaciones le cre-aría grandes problemas. Los moluscos lo consiguen conmateriales corrientes y agua, a temperatura ambiente y conpresiones normales (si exceptuamos aquéllos que viven enla profundidad del océano, en las chimeneas hidrotermales)utilizando técnicas de ingeniería biomolecular.

Si se quiere aprender más de las conchas de los mo-luscos hace falta contemplarlas desde nuevos puntos devista, utilizar las herramientas de la biología molecular,la química de las proteínas, la físico-química de las su-perficies e intercaras, y entender cómo se ensamblan ycrecen las macromoléculas (figura 5). Cuando se sepacómo se forman estos nanomateriales biológicos se po-drán diseñar cerámicas más tenaces y nuevos materialescon más altas prestaciones. Los conocimientos que seadquieran sobre biomineralización servirán para estudiarla formación de biocapas, para el diseño de intercaras enbiomateriales y para comprender mejor y poder tratarla formación de piedras en el cuerpo humano. Esta in-formación permitirá, también, diseñar arquitecturasinorgánicas complejas para catalizadores, filtros selec-tivos y tejidos para implantes, como se comentará másadelante.

Fig. 5.- Diagrama esquemático (según von H.K. Erben) donde seindican las distintas etapas en la formación y crecimiento de las ca-

pas de nácar.

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LOS GUSANOS DE SEDA Y LAS ARAÑAS NOS ENSEÑAN

A FABRICAR FIBRAS DE ALTAS PRESTACIONES

Sedas naturales: arquetipo de ensamblaje molecular

Hace 4.640 años, según una leyenda china, la princesaXi Ling Shi paseaba en su jardín con una taza de té en lamano. El azar quiso que el capullo de un gusano de sedacayera en su taza. Al intentar sacarlo, observó que podíaobtener un delicado, lustroso e iridiscente hilo de la blan-da masa formada por el calor de la infusión. Este acci-dente fue el origen del arte y de la industria de la seda. Loschinos habían descubierto cómo trabajar los capullos delos gusanos de seda para obtener una fibra más larga ybrillante que cualquier otra fibra natural.

La mayoría de los gusanos de seda pertenecen a la especiedomesticada Bombyx mori y producen seda durante unaetapa de su ciclo vital. La hebra que hilan -moviendo sucabeza en forma de ocho- está formada por dos filamen-tos de fibroina recubiertos por una goma de sericina (fi-gura 6). El diámetro de los filamentos es de unas 10 (Xm(el de un cabello humano es de unas 100 |J.m). Las fibrasde seda se extraen de los capullos que previamente se hanhervido en agua jabonosa para eliminar el recubrimientode sericina. De cada capullo se obtienen entre 300 a 1.200metros de fibra, teniendo el récord los japoneses que con-siguieron, a principios del siglo XX, una variedad de gu-sano de seda cuyo capullo proporcionaba dos kilómetrosde fibra. Para confeccionar una corbata hacen falta unos100 capullos, 650 para una camisa y más de 3.000 paraun kimono de calidad; para ello, los gusanos han de con-sumir unos 60 kilos de hojas de morera.

La seda, además de su lustre, tacto agradable y facili-dad de tinción, posee unas propiedades mecánicas in-teresantes; tiene una resistencia a la rotura alrededor de

500 MPa (similar a la de los aceros utilizados en las es-tructuras metálicas. Las fibras de acero más resistentes,con diámetros de décimas de milímetro, alcanzan 3000MPa), un alargamiento en el instante de la rotura del 20%(el acero de alta resistencia sólo alcanza valores del 1 al3%), y un módulo de elasticidad de 10 GPa. Estas cifras,cuando se expresan por kilo de fibra y se comparan conlas del acero resultan aún mucho más atractivas (tabla I).

Tabla I. Comparación entre propiedades de la seday fibras artificiales

FIBRAS

Seda (B. morí)

Seda (N. davipes)

Kevlar 49®

Acero (cuerda de piano)

Resistencia(MPa)

5001.2003.0003.000

Deformaciónhasta rotura (%)

203032

Energía almacenada(kJ/kg)

40130304

(1 Pa = 1 N/mz; 1 MPa = 106 Pa, 1GPa = 109Pa)

La gran resistencia y el poco peso hicieron de la sedaun material idóneo para fabricar paracaídas durante la Se-gunda Guerra Mundial. La fábrica de Macclesfield, en In-glaterra, producía ochocientos paracaídas por semana.Pronto entró en competencia el nilón pero, al principio,los paracaídas de nilón sólo los utilizaban las tripulacio-nes de los bombarderos porque abultaban mucho y re-sultaban incómodos para los pilotos de los pequeños avio-nes, como los Spitfire. La facilidad con que se doblan lostejidos de seda hizo que también se utilizaran en tiemposde guerra para confeccionar mapas; uno de 30 X 30 cm sepodía empaquetar en una caja de cerillas. Mapas de sedade algunas regiones de Francia, Alemania o Suiza, con de-talles de las carreteras y pueblos, todavía tienen cierta uti-lidad y son muy buscados por los coleccionistas.

Fig. 6.- a) Hebra de seda del gusano B. mori formada por dos filamentos de fibroina recubiertos por sericina. b) Hebra de seda de la arañaArgiope formada, también, por dos filamentos proteicos. (J. Pérez Rigueiro, J.M. Martínez).

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Fig. 7.- Nos asombra la belleza y precisión de una tela de araña, sobre todo si la observamos temprano por la mañana cuando está ador-nada con las rutilantes gotas de rocío.

No es de extrañar que este interesante material biológicohaya despertado el interés de los pueblos a lo largo de lahistoria. Durante centenares de años los chinos guardaroncelosamente el secreto de la sericultura; una ley imperialdecretaba la muerte por tortura a los que lo revelaran.Pero con el paso del tiempo y el declinar del imperio elcírculo de los que conocían los secretos de la lustrosa ysensual fibra se fue ensanchando. Hace 2.000 años la sedaya se conocía en Europa. Dos civilizaciones poderosas,Roma y China, reinaban en los dos extremos de la Rutade la Seda, un puente de cultura y comercio.

Ya en tiempos del imperio romano, sólo los más opu-lentos se podían permitir el lujo de usar tejidos de seda,ligeros y transparentes, que hacían las delicias de hom-bres y mujeres. En su Historia Natural, Plinio hace lasiguiente revelación: «Los primeros hombres que cono-cieron la seda fueron los séricos, famosos por la lana de susbosques. Desprenden con agua la pelusa blanca adheridaa las hojas, y de este modo nuestras mujeres ejecutan la do-ble tarea de separar los hilos y retejerlos: gracias a esta la-bor tan minuciosa desarrollada en tierras lejanas, las damaspueden aparecer en público con vestidos transparentes».Estos eran los vestidos indecentes que criticaron primeroSéneca (siglo i) y después Solín (siglo III).

Hasta el siglo VI no se conocieron las técnicas de la se-ricultura en occidente. Procopio de Cesárea, en la Guerrade los Godos, relata: «Hacia esta época, unos monjes veni-dos de la India, al saber con qué celo se esforzaba el em-perador Justiniano en impedir que los romanos compra-sen la seda a los persas, fueron a hablar con el soberano yle prometieron encargarse de la fabricación de la seda.Ante estas palabras, el emperador les prometió grandesfavores y les invitó a probar sus afirmaciones. Retornaron

pues a Serinda y llevaron los huevos a Bizancio; consi-guieron transformarlos en gusanos y los alimentaron conhojas de morera; y después se comenzó a fabricar seda en-tre los romanos». Los dos monjes protagonizaron uno delos primeros casos conocidos de espionaje industrial.

La historia de la sericultura es apasionante pero nos ale-ja demasiado del propósito de este artículo. Además, hayotros tipos de seda que conviene comentar; se trata de laseda que fabrican las arañas. Los seres humanos contem-plamos las arañas con una mezcla de recelo y admiración.Nos asombra la belleza y precisión de una tela de araña,sobre todo si la observamos temprano, por la mañana,cuando está adornada con las rutilantes gotas de rocío (fi-gura 7). La seda de las arañas es, posiblemente, la fibranatural de más altas prestaciones mecánicas aunque has-ta la fecha no se ha podido utilizar en la industria textil por-que las arañas son de costumbres solitarias y predadoras,y no se han sabido domesticar como hicieron los chinoscon los gusanos de seda. Hasta mediados del siglo XX loshilos de seda de la araña sólo se utilizaban para fabricar lasretículas de los instrumentos ópticos. Los nativos de Nue-va Guinea, Nuevas Hébridas y de la isla Salomón, hanutilizado los hilos de seda de las arañas de la especie Nep-hila para fabricar redes y artificios para pescar, según des-cribe el naturalista E. A. Pratt (1906) en su curioso libroDos años entre los caníbales de Nueva Guinea. En 1709,Bon de Saint-Hilaire fabricó guantes y medias a partir dela seda de los sacos ovígenos, pero la Academia Francesaconsideró que la industria de la seda basada en arañasnunca sería rentable. Trescientos años después, con la lle-gada de la biotecnología, se está reconsiderando la ob-tención industrial de las proteínas de la seda a partir de or-ganismos genéticamente modificados.

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Las propiedades mecánicas de los hilos de seda de las ara-ñas son impresionantes cuando se comparan con los hi-los de acero y con otras fibras de altas prestaciones, comoel Kevlar 49 (DuPont): la tensión de rotura (fuerza de ro-tura dividida por la sección del hilo) para el acero y elKevlar se sitúa alrededor de 3.000 MPa mientras que la delhilo de araña Amneusgemmoides puede alcanzar 4.000 MPa(Viney 2000). Los valores más normales están alrede-dor de 1.000 MPa (recuérdese que el hilo de seda delBombyx morí llegaba a 500 MPa). Además, los hilos deseda de araña son más flexibles y pueden deformarse másdel 30% sin romperse. Estas dos propiedades —gran re-sistencia y deformabilidad— permiten que el hilo almace-ne una gran cantidad de energía antes de romperse;130 kj/kg para el hilo de araña, frente a 30 kj/kg para elKevlar y apenas 4 kj/kg para el acero. Esta propiedad noes de extrañar ya que la tela de araña debe ser capaz desoportar sin romperse el impacto de un insecto. En la ta-bla se muestran algunas propiedades de los hilos de sedajunto con las de otras fibras artificiales e hilos de acero, yen la figura 8 se han representado las curvas obtenidas enensayos de tracción. El área encerrada bajo cada curva in-dica la capacidad de almacenar energía antes de romper elhilo.

La solución acuosa que dará origen a las hebras de seda-tanto en el gusano de seda como en las arañas- es una so-lución de cadenas proteínicas de forma globular, según lainformación proporcionada por resonancia magnética nu-clear y espectroscopia Raman (Viney 2000). En las he-

bras aparece una estructura cristalina donde las cadenas pro-teínicas se ordenan en forma de hojas plegadas, conocidascomo hojas (3. La estructura de la hebra se puede mode-lizar como si fuera un material compuesto por microcris-tales de hojas (3 embebidos en una matriz amorfa de unpolipéptido (figura 9). La fibroína de la seda de las arañastiene una secuencia de aminoácidos menos regular que lade los gusanos de seda y esta podría ser la causa de quela seda de las arañas tenga una mayor proporción de ma-terial amorfo.

Los hilos de la tela de araña tienen otras propiedadessorprendentes: el recubrimiento de los hilos radiales -quesuelen mantenerse secos- es una fina capa de lípidos,mientras que los hilos de la espiral -los llamados hilos decaptura, que conviene que sean muy deformables- po-seen un revestimiento acuoso que facilita su deformación.Además, los recubrimientos incorporan fungicidas y bac-tericidas que defienden los hilos contra bacterias y hon-gos que podrían deleitarse con las nutritivas proteínas delrecubrimiento. Esta cualidad antiséptica de la tela de ara-ña podría justificar que se la usara antiguamente para ven-dar las heridas. Entre otras propiedades curiosas, tambiénse ha detectado un comportamiento piezoeléctrico de loshilos e interesantes propiedades ópticas; algunas telas dearaña reflejan la luz ultravioleta y son verdaderas trampaspara los insectos que se sienten atraídos por esas longitu-des de onda mientras buscan alimento, apareamiento oun lugar para depositar sus huevos. Otras telas cambiande color según las estaciones para facilitar la captura de las

3000

DEFORMACIÓN (%)Fig. 8.- Ensayos de tracción correspondientes a distintos tipos de fibras. En la escala vertical se representa la tensión (fuerza/sección) y en

la horizontal, la deformación (incremento de longitud/longitud).

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| 6nm

Fig. 9.- La microestructura del hilo de araña no se conoce aún con detalle. El material compuesto por microcristales de hojas p embebidosen una matriz amorfa, permite calcular propiedades mecánicas que coinciden bastante bien con los experimentos.

presas y para protegerse de los predadores. Todo este com-portamiento polivalente ilustra el concepto de multifun-cionalidad, casi siempre presente en los materiales bioló-gicos, fruto de una estructura muy jerarquizada.

El hilado, o quizá con más propiedad el extrusionado,de la solución proteínica que dará lugar a las hebras deseda es un proceso muy ingenioso y todavía no bien co-nocido. Mediante este sistema, la solución concentrada(aproximadamente 30 %) y viscosa almacenada en las glán-dulas se convierte en una fibra insoluble en agua. El pro-ceso implica la formación de una fase de cristal-líquido,de baja viscosidad y sensible al esfuerzo cortante, a medi-da que se elimina el agua y aumenta la concentración. Lainformación disponible (a partir de observaciones de B.mori y N. clavipes) sugiere que la fase formada es una so-lución de estructuras alargadas supramoleculares, ensam-bladas por agregación de las cadenas proteínicas globula-res (Viney 2000).

A mediados del siglo XX empezaron a estudiarse los pri-meros cristales líquidos de origen polimérico y prontosurgieron patentes para fabricar sólidos a partir de estos exó-ticos materiales en la esperanza de haber encontrado laruta para reproducir la compleja organización moleculartípica de las estructuras biológicas. La euforia duró pocoporque la arquitectura molecular de los materiales bioló-gicos es escurridiza. La aparición de la química supramo-lecular y su extensión a los polímeros supramoleculares, afinales del siglo XX, ha despertado nuevas esperanzas en losintentos de ensamblar estructuras sofisticadas que pre-tenden mimetizar la compleja y jerárquica arquitecturade los materiales biológicos.

Fibras de altas prestaciones inspiradas en la seda

El interés por los hilos de seda de las arañas, o de los gu-sanos de seda, no radica solamente en sus excelentes pro-piedades mecánicas, sino en su potencial como modelospara diseño de materiales de altas prestaciones. Es muyprobable que la aparición del nilón, en los años treinta, sedebiera a un intento de «copiar» los enlaces peptídicos de

las proteínas de la seda aunque la historia nos dice quefue un descubrimiento casual (Elices, 2000b). Las fibrasde Kevlar, aparecidas a finales de los sesenta, también es-tán basadas en un polímero con uniones peptídicas, perocon monómeros mucho más rígidos. Las técnicas para ca-racterizar las estructuras de los materiales han tenido undesarrollo considerable en la segunda mitad del siglo XXy han permitido empezar a entender las complejas es-tructuras de los materiales biológicos y, en consecuencia,comenzar a diseñar nuevos materiales inspirados en la na-turaleza.

Las técnicas convencionales de la ingeniería química,con las que se fabrican las sedas artificiales, permiten unbuen control de las estructuras primarias y secundarias delos polímeros. Las técnicas de biosíntesis que usan las ara-ñas y los gusanos de seda —además de controlar la se-cuencia, composición y conformado de los biopolíme-ros— permiten realizar estructuras complejas mediante unproceso continuo que va desde la síntesis del polímerohasta el autoensamblaje de las macromoléculas. A conti-nuación se citan dos ejemplos, inspirados en las sedas delBombyx mori y de la Nephila clavipes, donde se usan téc-nicas de biosíntesis y se concluye con unos comentarios so-bre el interés de las técnicas de autoensamblaje.

La fibroma del Bombyx mori es un excelente modelo deproteína para estudiar cómo se pueden conseguir fibrasde altas prestaciones hilando polímeros proteínicos. Los pri-meros resultados satisfactorios de polímeros sintéticos,parecidos a la seda del B. mori, se obtuvieron a finales delos años ochenta mediante fermentación de bacterias mo-dificadas genéticamente (Ferrari et al., 1988). Para el di-seño de estas sedas artificiales se tuvo en mente las se-cuencias de aminoácidos que suelen ir asociadas a laformación de hojas con estructura (3 en las sedas natura-les y se escogió como monómero el hexapéptido (glicina-alanina-glicina-alanina-glicina-serina). El estudio de es-tos polímeros, por difracción de rayos X, confirmó lapresencia de estructuras en hojas-fi, semejantes a las de-tectadas en las sedas naturales procedentes de los capu-llos. Tirrell y su equipo (Tirrell et al., 1991) han genera-

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lizado esta técnica y han fabricado una nueva familia deproteínas formadas por bloques de (glicina-alanina)x, don-de x es 3 o 6, separados por cortos fragmentos de (glici-na-prolina-ácido glutámico) o de (glicina-ácido glutámi-co). Estos polímeros también pueden formar estructurasen forma de hojas-p\ que se pliegan formando pequeñoscristales. Se cree que la microestructura formada por es-tos pequeños cristales embebidos en una matriz amorfa delmismo polímero es, en gran parte, la responsable de las ex-celentes propiedades de los hilos de seda (Termonia, 2000).

También se han hecho intentos para fabricar hilos de sedade araña por vía biosintética. Entre los distintos tipos dehilos de seda que producen las arañas, el más resistente esel que hila la glándula mayor. Es el que se utiliza para fa-bricar los radios de la red y el que usa la araña como cor-dón de seguridad cuando se desplaza. Las etapas para fa-bricar la fibra son a grandes rasgos: diseño del polímero(a partir de las secuencias de la seda natural), síntesis quí-mica de los genes, introducción y expresión de los genesen microorganismos, aislamiento y purificación del polí-mero y, finalmente, «hilado» por extrusión de la soluciónproteínica.

El hilo de seguridad de la araña Nephila clavipes estáformado por dos proteínas llamadas spidroin 1 y spidroin 2.Las secuencias de los aminoácidos son bastante distin-tas entre las dos y también difieren de la proteína del gu-sano de seda. La spidroin 1 está formada por una secuen-cia de 34 aminoácidos y la spidroin 2 por una de 47, bas-tante rica en prolina (Lewis, 1992). Para los hilos deseguridad de otras arañas se han encontrado proteínas consecuencias parecidas, pero no iguales. La misma araña escapaz de fabricar proteínas con distintas secuencias segúnla finalidad del hilo, por ejemplo: la secuencia de amino-ácidos para el hilo de seguridad -que necesita resistenciay tenacidad- es distinta de la del hilo circunferencial uti-

lizado para atrapar las presas -que debe ser más elástico-.Estas observaciones nos indican que es posible diseñar fi-bras con distintas prestaciones variando la secuencia delos aminoácidos. Todavía quedan muchos tipos de hilosde araña por explorar, pero parece claro que lo más inte-resante es conocer el idioma en el que las proteínas ex-presan su estructura y función.

Una vez decidida la secuencia de aminoácidos, el si-guiente paso es la preparación de genes artificiales tra-tando de reproducir los aspectos más característicos de lasproteínas naturales. Los primeros intentos de expresar losgenes en la clásica bacteria Escherichia coli no fueron muysatisfactorios y, entre los distintos microorganismos can-didatos, el grupo de DuPont ha obtenido resultados acep-tables con la levadura Pichiapastoris (O'Brien et al. 1998).

El citado grupo de investigación, a partir de una soluciónacuosa de las proteínas sintéticas, obtuvo por extrusiónuna fibra de seda. Las fibras artificiales exhibieron unaspropiedades mecánicas ligeramente inferiores a las de lasnaturales; la resistencia disminuyó y el módulo de elasti-cidad aumentó. Los datos publicados de la microestruc-tura indican que el tamaño de los cristales es mayor enlas fibras sintéticas y también el espaciamiento de las lá-minas-fi (0.75 nm en las sintéticas y 0.53 nm en las na-turales). Se cree que la diferencia de tamaño de los crista-les puede ser una de las causas del inferior comportamientode las fibras sintéticas, como se comenta en el párrafo si-guiente.

Y. Termonia ha simulado numéricamente el comporta-miento durante un ensayo de tracción de tres tipos de fi-bras ideales; una con pequeños cristales semejantes a losde la seda de B. morí ( 2 x 6 x 2 1 nm), la segunda concristales con las mismas proporciones, pero tres veces másgrandes, y la tercera con cristales más anchos que los pri-meros (figura 10). Los mayores valores de la resistencia y

INFLUENCIA DEL TAMAÑO Y FORMA DE LA FASE CRISTALINA

10 15 20 25 30

DEFORMACIÓN (%)

25 40

Fig. 10.- Simulación numérica del ensayo de tracción para tres microestructuras que difieren en el tamaño de los cristales. Los mejoresresultados se obtienen con los cristales semejantes a los observados en la seda de B. morí. (Y. Termonia).

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de la deformación los obtuvo con la primera fibra. Conla segunda, disminuyó la resistencia y la deformación, ycon la tercera, la resistencia (Termonia 2000). Parece serque la naturaleza ha optimizado las dimensiones de loscristales para conseguir fibras de seda muy elásticas y re-sistentes, pero es posible que estas propiedades puedanmejorarse en fibras sintéticas cuando se conozca mejor lamicroestructura de las sedas.

La diferencia entre los dos procesos de extrusión —el na-tural y el artificial- también podría ser la causa de la in-ferior calidad de las sedas artificiales. Durante el hiladonatural se consigue un buen alineamiento de los políme-ros, proceso difícil de conseguir industrialmente -el granéxito de las fibras de polietileno de altas prestaciones sealcanzó cuando se supo mejorar la alineación de lascadenas-. No basta con copiar la composición del mate-rial, las técnicas de procesado también son importantes yconviene imitarlas. Cuando el biomimetismo se haga aescala molecular disminuirán las diferencias entre el artede manufacturar natural y artificial. A este nivel, el de losnanómetros (10~9 m), se espera que la nanotecnologíaproduzca una fuerte sinergia entre la ingeniería y la bio-logía. Con la biosíntesis de la seda, ya se ha dado el pri-mer paso.

La siguiente etapa en la imitación de los materiales bio-lógicos se basa en las técnicas de autoensamblaje. Las fuer-zas que participan en este complejo proceso no son lastradicionales fuerzas de los enlaces covalentes, iónicos o me-tálicos, son más débiles y se correponden con las fuerzasde los enlaces de hidrógeno, de van der Waals o fuerzas di-polares (también se las llama a todas ellas «interaccionessupramoleculares»). La tensión superficial y la gravedadtambién intervienen en este proceso. Todas estas interac-ciones permiten la formación de agregados atómicos —mu-cho mayores que las moléculas convencionales— que pos-teriormente se agrupan en estructuras complejas conpropiedades que no exhiben ni los componentes por se-parado, ni cuando se agrupan de forma más homogéneaal formar cristales. Entre las propiedades emergentes de lasestructuras autoensambladas puede aparecer la capacidadde autorrepararse y de reproducirse. El atractivo de lastécnicas del autoensamblaje es evidente, porque permiti-rán la fabricación barata de estructuras complejas y demateriales inteligentes.

FUTURO DE LOS BIOMATERIALES:

ANDAMIOS ACOGEDORES E INTELIGENTES PARA

IMPLANTES Y ÓRGANOS DE REPUESTO

Las raíces históricas de la ciencia de los biomaterialeshay que buscarlas en los trabajos antiguos de los dentis-tas y cirujanos ortopédicos. Se puede encontrar informa-ción muy interesante de finales del siglo XIX y comienzosdel XX, pero es raro encontrar casos documentados de im-plantes funcionales de tiempos remotos. Por este motivo,el hallazgo de un implante dental funcional en una ne-

Fig. 1 1 . - Detalle de la mandíbula superior derecha del cráneo halladoen Essone (siglo I o II d.C). El implante dental de hierro se puede apre-ciar en la parte inferior de la imagen. (E. Crubézy et al., Nature).

crópolis Galo-Romana en Essone, Francia, fue un hechorelevante que se publicó en la prestigiosa revista Nature(Crubézy et al., 1998).

Se trata de un implante de hierro en la posición del se-gundo premolar de la mandíbula superior derecha (figu-ra 11). Corresponde a un hombre que falleció alrededor delos treinta años, en el siglo I o II d. C. Lo interesante delhallazgo es que, al parecer, no hubo rechazo y el implantese integró con el hueso y debió ser funcional. Según la in-formación disponible este proceso requiere un mínimo detres a seis meses y, por lo que se pudo inferir del periostio,el sujeto disfrutó del implante más de un año.

De ser cierto este hallazgo, el éxito se debió a la con-fluencia de tres factores; un «cirujano» habilidoso, un «he-rrero» consumado y mucha «suerte». Estos factores siguenpresentes en la nueva disciplina de los biomateriales, don-de es preciso conjugar: ciencia básica (la «suerte» citada an-teriormente en forma de Biología, Química y Física), in-geniería de materiales (el herrero) y práctica clínica (elcirujano).

Entre los cometidos de los biomateriales, evaluar, curaro reemplazar tejidos y órganos, es en el último donde sehan depositado más esperanzas. Existe una gran deman-da de biomateriales compatibles para reemplazar tejidos da-ñados y hacen falta biomateriales para facilitar la soldadurade los huesos o para sustituir partes que han degenerado.La sustitución de la cabeza del fémur en personas mayo-res es una práctica común y para ello se utilizan materia-les metálicos: acero y aleaciones de titanio. El inconve-niente de estas prótesis es que tienen una vida media dediez o quince años antes de que se aflojen o se rompan. Lasolución ideal sería que el cuerpo fuera capaz de fabricartejido óseo que, poco a poco, fuera regenerando el tejidodañado.

Antiguamente, al seleccionar biomateriales para im-plantes se intentaba que fueran inertes, que interacciona-

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ran lo menos posible con el cuerpo, para no entorpecer elcrecimiento y actividad natural de las células en contactocon el material. Este objetivo no fue realista, por inevita-ble, y en la actualidad ha sido sustituido por el diseño demateriales que interaccionen de forma adecuada con lascélulas. Volviendo a los implantes óseos, la tendencia ac-tual es diseñar implantes que inciten la osificación y quedespués sean biodegradables, de forma que el biomaterialactúe como un andamio mientras se forma hueso y al fi-nal desaparezca cuando el hueso se haya regenerado.

Con el planteamiento actual hacen falta armaduras queproporcionen a las células implantadas un sustrato paraque se adhieran y un soporte físico que guíe la formaciónde nuevos órganos. Las células transplantadas adheridas alandamio, proliferan, segregan sus propias matrices extra-celulares y estimulan la formación de nuevos tejidos. Du-rante este proceso, el andamiaje se va degradando y pue-de llegar a desaparecer. El biomaterial de la armadura debeser un material multifuncional; capaz de facilitar la adhe-sión de las células, estimular su crecimiento y permitir ladiferenciación. También debe ser biocompatible, poroso,resistente, maleable y biodegradable.

Los materiales utilizados para estos propósitos pertene-cen, hasta ahora, a dos grandes familias: polímeros sinté-ticos biodegradables y polímeros naturales derivados delcolágeno. Entre los primeros han tenido éxito los polí-meros del ácido glicólico, del ácido láctico y los copolímerosde los dos. Todos son biocompatibles, permiten fabricarimplantes con la misma forma que el tejido a reemplazar,y pueden ser suficientemente resistentes para mantenerla forma hasta que haya crecido el nuevo tejido. Tambiénse puede controlar la velocidad de biodegradación paraacompasarla a la de regeneración del implante. El incon-veniente de estos polímeros sintéticos es la hidrofobia y laincapacidad para ser reconocidos por las células, lo queconduce a una adhesión celular pobre. Por el contrario, lospolímeros naturales derivados del colágeno pueden inte-raccionar con las células y al ser hidrófilos se facilita, ade-más, su siembra. Su mayor inconveniente es que los an-damios construidos con estos polímeros suelen ser muyblandos y es difícil darles la forma deseada para los im-plantes.

Parece lógico que el siguiente paso sea la fabricación dearmazones híbridos a partir de polímeros biodegradablessintéticos y naturales. Siguiendo esta idea se ha experi-mentado con biomateriales híbridos -formados por fibrasde colágeno embebidas en una matriz de un polímero delácido láctico— para reconstrucción de tendones y liga-mentos (Dunn et al., 1997). Otro tipo de andamiaje hí-brido, poroso y biodegradable, se ha conseguido alojan-do microesponjas de colágeno en los poros de una esponjade poliéster (Chen et al., 1999). La resistencia y la relaciónsuperficie/volumen para las células transplantadas, sonmayores en este material que en las esponjas por separado.

Algún día, estos biomateriales permitirán reemplazar lamayoría de los componentes estructurales del cuerpo hu-mano: huesos, ligamentos, piel y arterias. También pro-

porcionarán armazones biodegradables para reparar teji-dos y órganos. Se utilizarán para encapsular drogas y li-berarlas en el lugar adecuado, sin efectos secundarios du-rante el trayecto. Todos estos logros pueden darnos unaimagen del cuerpo humano como si fuera una máquinacompleja en la que las partes defectuosas se podrán repa-rar, o cambiar por piezas guardadas en un almacén. Esmás, puede parecer una visión un tanto fría e inquietan-te del futuro; hasta puede evocar reminiscencias de Fran-kenstein. Pero en la actualidad, con el progreso de la Cien-cia de los Materiales, de la Biología Molecular y de laIngeniería Genética, este panorama es realista y debe serreconocido y considerado. Además, al aumentar cada díalas posibilidades de curar y reparar tejidos y órganos en-fermos o debilitados, la sociedad deberá preguntarse conmás frecuencia lo que es deseable, o aceptable, y lo que nolo es. Estas consideraciones se salen del marco de los bio-materiales, pero son preguntas que surgirán de este cam-po y que la comunidad médica y la sociedad tendrán queencarar porque el progreso científico no se realiza en elvacío.

CONSIDERACIONES FINALES. BIOMATERIALES

A PARTIR DE MATERIALES BIOLÓGICOS

Evelyne López, Gerard Atlan y sus colaboradores, enParís y Montpellier, han utilizado el nácar del moluscoPinctada máxima como biomaterial; lo han molido fina-mente y lo han mezclado con sangre de ocho pacientes,mujeres entre 48 y 55 años, que padecían pérdida de hue-so en el maxilar superior. La solución se inyectó en los te-jidos afectados por la pérdida de hueso y éstos se biopsia-ron después de seis meses. Los resultados indicaron que nohubo inflamación y que el nácar había sido aceptado porlos tejidos, como si se tratara del hueso de los propios pa-cientes. Todavía más, los osteoblastos (células especializa-das que segregan la matriz del hueso) se activaron y for-maron tejido óseo sano en el implante. El nuevo tejidoóseo permaneció soldado a las partículas de nácar sin nin-gún tejido intermedio, blando o fibroso. Los osteoclastos(células que participan en los procesos de absorción del te-jido óseo) permanecieron activos alrededor del hueso perono interaccionaron con el nácar (Atlan et al. 1997).

¿Qué tienen en común el nácar y el hueso para que pue-dan engañar a nuestro sistema inmunitario? Los osteo-blastos reconocen el nácar y no lo atacan, pero no sucedelo mismo con el aragonito fabricado en el laboratorio.Aunque el hueso y el nácar son muy distintos, deben te-ner en común parte de la compleja maquinaria que con-trola su formación. Los experimentos citados sugieren quepodrían ser las macromoléculas encargadas de transmitirla señal para iniciar o terminar la biomineralización.

Nuestros antepasados ya intuyeron la utilización del ná-car como biomaterial. En 1931 se descubrió un fragmentode mandíbula, de la civilación Maya, con implantes den-tales hechos de nácar y las radiografías mostraron que las

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raíces de los implantes se integraron bien en el hueso. Eldescubrimiento lo realizó el matrimonio de arqueólogosPopenoe durante una excavación en la Playa de los Muer-tos, en el valle de Ulloa en Honduras. La mandíbula, fe-chada alrededor del año 600 d. C , perteneció a una jovende unos 20 años. En ella se implantaron tres incisivos de ná-car y, al principio, se creyó que se habían insertado despuésde haber fallecido la joven, pero un detallado análisis porrayos X mostró que se había formado hueso compacto al-rededor de los implantes (Bobbio 1972). Nuevamente, elpoder de la intuición no deja de sorprendernos.

La seda de las arañas y de los gusanos de seda nos ofre-ce otro ejemplo de material biológico que puede utilizarsecomo biomaterial. En 1957 el Dr. Feng Youxian, ciruja-no del hospital Zhongshan en Shanghai, experimentó coninjertos de seda. En Estados Unidos y en Europa se utili-zaban implantes de Dacron para reemplazar arterias peroen China no se disponía de este biomaterial. El Dr. Fengfabricó una arteria artificial con una manga de una camisade seda y la implantó en un perro, con resultados satis-factorios. En 1959 se fabricaron prótesis de seda y se im-plantaron con éxito en más de 500 pacientes.

Las propiedades antisépticas, anteriormente menciona-das, de la seda de las arañas han inspirado el diseño de te-jidos bacteriostáticos. Estos textiles contienen sustanciasque regulan la multiplicación de las bacterias responsa-bles de los malos olores y pueden ser de gran utilidad enla lucha contra las infecciones que se contraen en los hos-pitales. Los tejidos pueden actuar de dos formas: impi-diendo que las bacterias proliferen, o bien protejiéndoseellos mismos de la degradación que les pueden originar lasbacterias. Cuando las condiciones de temperatura y hu-medad son favorables, las bacterias y los hongos presen-tes en el aire, en el agua o en el suelo, colonizan los texti-les, proliferan y son los responsables de su degradación.Algunos microorganismos liberan enzimas que degradanlas fibras naturales y otros liberan pigmentos que las co-lorean. El olor característico a «cerrado» o a «húmedo»indica la presencia de hongos o de bacterias.

El diseño de un tejido antibacteriano ideal no es fácil; silos tejidos no están en contacto con la piel se pueden im-pregnar con bactericidas, pero cuando pueden estar en con-tacto con ella hay que limitar la proliferación de los mi-croorganismos con bacteriostáticos que no destruyan laflora microbiana que vive naturalmente sobre la piel yla protege. Además de luchar contra las bacterias y los hon-gos microscópicos, el tejido ha de ser duradero y no perdersus propiedades después de numerosos lavados, tener unaspecto agradable y no ser muy caro, para ser competitivo.Tiene que ser compatible con los agentes impermeabili-zantes, ignífugos y colorantes. También debe resistir la ra-diación ultravioleta. Hoy día no se dispone de un textil contodas estas características y los hilos de seda de las arañas nospueden proporcionar una pista para conseguirlo.

Hasta un Rolls-Royce acaba parándose cuando algunapieza deja de funcionar debido a una rotura o al desgas-

te. Lo mismo ocurre con el cuerpo humano, con losmúsculos, ligamentos y órganos que soportan el trabajo dia-rio y las sobrecargas de las enfermedades y el envejeci-miento. Por desgracia, la tecnología para fabricar repues-tos humanos está mucho más atrasada que la de losautomóviles. No obstante, los nuevos biomateriales —seanmateriales biológicos o no- ya permiten realizar trans-plantes que hace pocos años no eran imaginables y, posi-blemente, dentro de algunos años se dispondrá de cora-zones, ríñones y pulmones que apenas se desgasten y que,de vez en cuando, tengan que pasar alguna revisión.

Russ R. Cianelli, en un artículo futurista (Cianelli,2000), comenta que los biomateriales tendrán un granporvenir en el mundo de los deportes y se imagina que,en el 2089, cuando el equipo de fútbol americano de losGigantes de Nueva York fiche al quarterback por un billónde dólares, el contrato incluirá una cláusula que le obliguea estar operado de las rodillas y a que tenga dos implan-tes artificiales. Sospecha que, por aquellas fechas, las ro-dillas artificiales se fabricarán a partir de unos biomaterialescon unas excelentes propiedades mecánicas y estarán pro-vistas de sensores que permitirán que primero se rompanlos componentes mecánicos antes de que se rasguen los li-gamentos.

El entusiasmo que pueden despertar los materiales bio-lógicos debe atemperarse con una apreciación realista delas limitaciones de la naturaleza. Las tecnologías que usala naturaleza no son las que exhibiría si hubiera dispues-to de materiales y tiempo sin limitación alguna; por elcontrario, ha tenido que desarrollarlas con las constric-ciones impuestas por la continuidad en la evolución, larestricción de materiales y una capacidad limitada paraalmacenar información. Por otra parte, los objetivos dela naturaleza no tienen por qué coincidir con los nuestrosy los materiales biológicos no tienen por qué estar opti-mizados para el uso que les queremos dar, ni para el am-biente en que los queremos utilizar. Por último, estos ma-teriales son el fruto de numerosos pequeños pasos a lolargo del camino de la evolución. Difícilmente podemosimaginar lo que acabaría siendo dentro de varios millonesde años un prototipo recién fabricado con sus defectosiniciales, las imperfecciones son necesarias para evolucio-nar (Elices, 1994).

No obstante, la naturaleza siempre será una fuente deinspiración, aun cuando los procesos que utilice sean muycomplejos o extremadamente lentos. Las conchas de losmoluscos nos proporcionan, de nuevo, un ejemplo; se po-dría dudar de las ventajas que se obtendrían si fuéramoscapaces de copiar el proceso de fabricación de las conchas,cuya velocidad de crecimiento es de apenas unos milíme-tros por año. Sin embargo, las conchas de los moluscos nospueden proporcionar información valiosa sobre cómo di-señar la intercara entre el polímero orgánico y el materialcerámico para conseguir un extraordinario valor de la te-nacidad de fractura, superior en varios órdenes de magnituda la del material cerámico. Incluso es posible que se pue-

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Fig. 12.- Delicada estructura de una diatomea no identificada. (Sedi-mento marino del Eoceno. Cortesía de C. W. Li y B. E. Volcam, Phil. Trans).

da aumentar la velocidad de fabricación de la concha cuan-do se entienda bien el proceso, si se tiene en cuenta quela velocidad de fabricación de las conchas de los huevos enlas aves (otro material compuesto de cerámica y políme-ro) es dos órdenes de magnitud mayor.

En conclusión, aunque la evolución no siempre hayaoptimizado las propiedades de los materiales biológicosen aquellos aspectos que nos puedan interesar, con fre-cuencia podemos aprender de ellos copiando alguna desus peculiaridades. Las delicadas filigranas de los esquele-tos de las diatomeas y radiolarios, chocan con la idea in-tuitiva de que las estructuras fabricadas con materialesinorgánicos son rígidas y simples (figura 12). Observan-do los materiales biológicos siempre encontraremos la ins-piración para innovar. En la naturaleza hay un montón depatentes escondidas.

AGRADECIMIENTOS

El autor desea agradecer a Gustavo V. Guinea sus valiososcomentarios al manuscrito, a José Miguel Martínez por laayuda prestada en las figuras y a Rosa María Morera porla esmerada elaboración del texto.

BIBLIOGRAFÍA

ATLAN, G., BALMAIN, N., BERLAND, S., VIDAL, B.,

LÓPEZ, E.: «Reconstruction of Human Maxillary De-fects with Nacre Powder: Histológica! Evidence of BoneRegeneration», C.R. Acad. Sci. Paris/Life Sci., 320,págs. 253-258, 1997.BASKARAN, S., NUNN, S. D., POPOVIC, D., HALLO-

RAN, J. W.: «Fibrous Monolithic Ceramics»,/. Am. Ce-ram. Soc, 76, págs. 2209-2224, y 77, págs. 1249-1262,1993-1994.BOBBIO, A.: «The First Endosseous Alloplastic Implantin the History of Man», Bull. Hist. Dent., 20, págs. 1-6,1972.CLEGG, W. J., KENDALL, K., ALFORD, N. M., BUT-

TON, T. W., BlRCHALL, J. D.: «A Simple Way to MakeTough Ceramics», Nature, 347, págs. 455-457, 1990.

CRUBÉZY, E., MURAIL, R, GIRARD, L., BERNADOU,

J. E: «FalseTeeth of the Román World», Nature, 391,pág. 29, 1998. Véase, también, BECKER, M. J.: «A Ro-mán "Implant" Reconsidered», Nature, 394, pág. 534,1998.CHEN, G., USHIDA, X, TATEISHI, T.: «Fabrication ofPLGA-Collagen Hybrid Sponge», Chem. Lett., 58,págs. 561-562, 1999.CHIANELLI, R. R.: «Materials Science 2100?», MRSBu-lletin, 25(9), págs. 25-58, 2000.DUNN, M. G., BELLINCAMPI, L. D., TRIA, A.}., ZA-

WADSKY, J. P.: «Preliminary Development of a Colla-gen-PLA Composite for ACL Reconstruction», / . Appl.Polym. Sci., 63, págs. 1423-1428, 1997.ELICES, M.: Sobre la necesidad de las imperfecciones, ca-pítulo 5, Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas yNaturales, 1994.—: Structural Biológica! Materials: Design and Structu-re-Property Relationships, Pergamon, Elsevier Science,2000a.—: «De las cuerdas de cáñamo a los hilos de araña», enReal Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales,Horizontes culturales. Las fronteras de la ciencia, EspasaCalpe, Madrid, 2000b, págs. 1-10.ERBEN, H. K.: «On the Formation and Growth of Na-cre», Biomineralization, 4, págs. 15-46, 1972.FERRARI, F. A., RICHARDSON, C , CHAMBERS, J.,

CHAUSEY, J., POLLOCK, S. C : World Patent Applica-tion WO 88/03533, 1998.HYDE, N.: «The Queen of Textiles», Nat. Geographic,165, págs. 2-49, 1984.KOVAR, D., THOULESS, M. D., HALLORAN, J. W.:

«Crack Defection and Propagation in Layered Silicon Ni-tride/Boron Nitride Ceramics»,/. Am. Ceram. Soc, 81,págs. 1004-1012, 1998.LEWIS, R. V: «Spider Silk: The Unravelling of a Mistery»,Acc. Chem. Res., 25, págs. 392-398, 1992.Li, C. W., VOLCANI, B. E.: «Aspects of Silicification inWall Morphogenesis of Diatoms», Phil. Trans. R. Soc.Lond. B, 304, págs. 519-528, 1984.O'BRIEN, J. R, FAHNESTOCK, S.R., TERMONIA, Y.,

GARDNER, K. H.: «Nylons from Nature: Synthetic Ana-logs to Spider Silk», Adv. Mater, 10, págs. 1185-1195,1998.PRATT, E. A.: TWO Years amongNew Guinea Cannibals,Feeley & Co., London, 1906.TERMONIA, Y.: «Modeling of the Stress-Strain Beha-viour of Spider Dragline», capítulo 11 de Structural Bio-logical Materials (M. Elices, ed.), Pergamon, ElsevierScience, 2000.TlRRELL, D. A., FOURNIER, M. J., MASXON, T. L.:«Genetic Engineering of Polymeric Materials», MRSBulletin, 16, págs. 23-28, 1991.VlNEY, O: «Silk Fibers: Origins, Nature and Conse-quences of Structure», capítulo 10 de Structural Biolo-gicalMaterials (M. Elices, ed.), Pergamon, Elsevier Scien-ce, 2000.

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(1999) "Materiales biológicos y biomateriales"

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