Materiales Biológicos Duros

Materiales Biológicos Duros
Ejemplo de Material Biológico Duro: Hueso
Propiedades mecánicas del hueso
Estructura del hueso
Ejemplo de Material Biológico Duro: Cubierta diatomeas
Ejemplo de Material Biológico Duro: Exoesqueleto
Ejemplo de Material Biológico Duro: Madera
Funciones de los Materiales Biológicos Duros
Soporte del organismo
Protección
Requisitos: Rigidez y resistencia a la rotura
Estrategias en el diseño de Materiales Biológicos Duros
Empleo de biomoléculas (proteínas o polisacáridos) rígidas
Cuernos, Madera, exoesqueleto artópodos
Empleo de una fase orgánica y un refuerzo cerámico
Hueso, caparazón diatomeas, nácar
Materiales Biológicos Duros: Cuernos de bóvidos
Cornamenta
Cuerno
Estructura primaria de la α queratina humana K1H1
MPYNFCLPSL SCRTSCSSRP CVPPSCHSCT LPGACNIPAN VSNCNWFCEG
SFNGSEKETM QFLNDRLASY LEKVRQLERD NAELENLIRE RSQQQEPLLC
PSYQSYFKTI EELQQKILCT KSENARLVVQ IDNAKLAADD FRTKYQTELS
LRHVVESDIN GLRRILDELT LCKSDLEAQV ESLKEELLCL KSNHEQEVNT
LRCQLGDRLN VEVDAAPTVD LNRVLNETRS QYEALVETNR REVEQWFTTQ
TEELNKQVVS SSEQLQSYQA EIIELRRTVN ALEIELQAQH NLRDSLENTL
TESEARYSSQ LSQVQSLITN VESQLAEIRS DLERQNQEYQ VLLDVRARLE
CEINTYRSLL ESEDCNLPSN PCATTNACSK PIGPCLSNPC TSCVPPAPCT
PCAPRPRCGP CNSFVR
Estructura primaria de la α queratina humana K1H1
MPYNFCLPSL SCRTSCSSRP CVPPSCHSCT LPGACNIPAN VSNCNWFCEG
SFNGSEKETM QFLNDRLASY LEKVRQLERD NAELENLIRE RSQQQEPLLC
PSYQSYFKTI EELQQKILCT KSENARLVVQ IDNAKLAADD FRTKYQTELS
LRHVVESDIN GLRRILDELT LCKSDLEAQV ESLKEELLCL KSNHEQEVNT
LRCQLGDRLN VEVDAAPTVD LNRVLNETRS QYEALVETNR REVEQWFTTQ
TEELNKQVVS SSEQLQSYQA EIIELRRTVN ALEIELQAQH NLRDSLENTL
TESEARYSSQ LSQVQSLITN VESQLAEIRS DLERQNQEYQ VLLDVRARLE
CEINTYRSLL ESEDCNLPSN PCATTNACSK PIGPCLSNPC TSCVPPAPCT
PCAPRPRCGP CNSFVR
Hélices α
Hélices α
Hélices α
Hélices α
Estructura jerarquizada del pelo
Materiales Biológicos Duros: Cuernos de bóvidos
σ= 155 MPa
σ= 122 MPa
E= 4,3 GPa
E= 6,1 GPa
Curva fuerza-desplazamiento de un cuerno de antílope
Cuerno: resumen de sus propiedades mecánicas
Seco
Fresco
Húmedo
0
20
40
Rigidez media a flexión (GPa)
6.1
4.3
1.8
Ef (GPa)
6.1
6.1
6.1
Em (GPa)
6.1
3.1
0.9
Vf
0.61
0.56
0.53
Vm
0.39
0.44
0.47
Gm (GPa)
2.3
1.1
0.9
Voigt (fibras infinitas)
6.1
4.8
3.6
Voigt (Longitud de 40nm)
6.1
3.8
1.9
Contenido en agua(%)
Estimaciones de rigidez a flexión
Resistencia mecánica del cuerno
Mecanismo de Gordon-Cook de desviación de grietas
Ejemplos de Biominerales
Hidroxiapatita
Ca10(PO4)6(OH)2
Tejido de soporte
Ejemplos de Biominerales
Carbonato cálcico
CaCO3
Protección
Ejemplos de Biominerales
Diatomeas
SiO2
Protección
Radiolarios
SrSO4
Protección
Ejemplos de Biominerales
Magnetita (Fe3O4)
Sensor Magnético
Biomineralización frente a síntesis inorgánica
Policristales de alúmina
Monocristales de
magnetita (Fe3O4)
Biomineralización – Control:
-Composición
-Fase cristalográfica
-Formación de monocristales
-Orientación de los monocristales
Síntesis de sólidos a partir de una disolución
La precipitación de un sólido depende de:
Cl-
Cl-
Na+
Cl-
Na+
-Concentración
-Temperatura
-pH
-Presión
Na+
Cl- Na+ Cl- Na+ Cl- Na+
Cl- Na+ Cl- Na+ Cl- Na+
Cl- Na+ Cl- Na+ Cl- Na+
La formación de los primeros nanocristales
(nucleación) suele ser la etapa limitante
Procesos de biomineralización
-Proceso Biológicamente inducido
-Síntesis realizada en compartimentos (vesículas)
-Control sobre la composición en iones de la disolución
-Proceso Biológicamente controlado
-Síntesis mediada por la presencia de una matriz orgánica
sobre la que se nuclea el biomineral
- Ionotropía
- Epitaxis
Ejemplo: Formación de cristales de aragonito en molúscos
Atracción los iones de calcio a la proteína
Epitaxia entre la proteína y los cristales de aragonito