Bionanomateriales

BionanomaterialesFernando G. Torres, M.Phil., Ph.D.Laboratorio de Polmeros y Bionanomateriales, Pontificia Universidad Catlica del Peru

Fundada en Lima en 191711 Facultades, ms de 40 carreras18,729 estudiantes de pregrado5,753 estudiantes de posgradoMs de 300 investigaciones financiadas en 2011

Laboratorio de Polmeros y BionanomaterialesEstudio de sistemas biolgicos y desarrollo de nuevos materiales inspirados en los principios fsicos encontrados en la naturaleza.

Microscopio de Fuerza AtmicaAnalizador TermogravimtricoCalormetro de barrido diferencialEspectrofotmetro InfrarrojoMicroscopios pticosEstructura de la presentacinIntroduccin: Nivel nano, Nanocompuestos polimricos, Bioinspiracin, Ncar.Casos de estudio:Celulosa Bacteriana (BC)Escamas de pez de Arapaima GigasSeda de araaBiso de Aulacomya ater

introduccinEl nivel nanoNanotecnologa: Tecnologa que utiliza fenmenos y estructuras que ocurren a escalas nanomtricas (alrededor de 0.1 a 100nm)

Los materiales a estas escalas tienen propiedades diferentes que aquellos mismos a escalas macroscpicas

Se pueden ajustar las propiedades de los nanomateriales segn las caractersticas que se requiera para cada aplicacin.

Los constituyentes tienen al menos una de las dimensiones en la escala nano:Nanoparticulas (3 dimensiones en la escala nano)Nanofibras (2 dimensiones en la escala nano)Nanoclays (1 dimension en la escala nano)

Son usados en aplicaciones electrnicas, magnticas, optoelectrnicas, biomdicas, farmacuticas, cosmticas, energticas y catalticas.

El nivel nanoCiencias Biologicas

Ciencias de los Materiales

10-1610-1410-1210-1010-810-610-410-210010210410610-18quarkelectronproton, neutronncleo de atomoradio de atomo, enlace covalente (0.1 nm)ancho de ADN, proteinas globulares(2 nm)hemoglobina (6.6 nm)virusbacteria, organelas internas (1 m)celula (50 m)grano de arenaabejaaltura de un ser humano (1 m)longitud de la ballena azulaltura del Everest (8848 m)diametro de la tierra1025tamao del universoCaracteristica mas pequea observable por el ojo humano, espesor del cabello humano(Adaptado de: Undergraduate course 3.052 Nanomechanics of Materials and Biomaterials. Prof. Christine Ortiz, Ortiz Lab, MIT) (http://web.mit.edu/cortiz/www)

longitud de la muralla chinalongitud de Boeing 767altura del World Trade CenterMateriales y estructuras tradicionaleschipssistemas mecanicos microelectronicos (MEMS), transistores de cicuitos integradosestructuras cristalinasradio de punta detectora de viga en AFMmolecula C60 (buckminsterfullereno), diametro de nanotubos de carbono, quimica supramolecular, particulas coloidales, nanolitografiaNanocompuestos polimricosEl Boom de lo snanocompuestosLos trabajos de Okamoto et al en TOYOTAEl sistema: Nylon 6 montmorillonitaDecepcion con otros sistemas Tipos de Nanocompuestos

P.C. LeBaron et al.rApplied Clay Science (1999) Vol 15 p11Propiedades MecnicasLa principal razn que produce un drstico mejoramiento en el modulo elstico (Nylon 6) en los nanocompuestos se debe a la fuerte interaccin entre la matriz y las laminas de arcilla, en el caso de Nylon 6 es la formacin de los enlaces de hidrogeno.

Nylon 6MMTS. Sinha Ray, M. Okamoto / Prog. Polym. Sci. 28 (2003) p.1539Schematic of formation of hydrogen bonds in Nylon 6/ Montmorillonite (MMT) nanocomposite.Temperatura de distorsin trmica /Heat Distortion Temperature (HDT)La HDT de un material polimrico es un ndice que indica la resistencia al calor del material, cuando una carga es aplicada.Al igual que el caso anterior se atribuye que el incremento de la HDT se debe a la presencia de fuertes enlaces de hidrogeno.

PLA and MMT clay S. Sinha Ray, M. Okamoto / Prog. Polym. Sci. 28 (2003) p.1539 Preparacin de nanocompuestosIntercalacin del polmero en solucin

(E.P Giannelis, et al Adv Polym 138, (1999), 107)

La arcilla es agregada, de manera que esta es embebida dentro del solvente (polimero soluble: agua, tulueno, etc)Cuando la arcilla y el polmero son mezclados, las cadenas polimricas desplazan al solvente que se encontraba dentro de las lminas de arcilla.Finalmente el solvente es removido, y una estructura intercalada es generada: un nanocompuesto.Intercalacin y polimerizacin in situ

(Sinha Ray S. and Okamoto M.; Prog Polym Sci 28, (2003) 1539-1641)La arcilla es colocada esta vez dentro una solucin del monmero seleccionado.El polmero es formado dentro de la cavidad formada entre las laminas de la arcillaLa polimerizacin puede ser iniciada por calor o radiacin, usando un iniciador adecuado el caso.

Preparacin de nanocompuestosIntercalacin del polmero en esta fundido

(Sinha Ray S. and Okamoto M.; Prog Polym Sci 28, (2003) 1539-1641)Involucra la mezcla de uno o ms polmeros en estado fundido con la arcilla, el mezclado es realizado bajo esfuerzos cortantes.Este mtodo tiene algunas ventajas sobre los dos previos mtodos presentados: menos contaminante debido a la ausencia de solventes orgnicos y la posibilidad de usar una variedad mayor de polmeros que no podran usarse con los mtodos anteriores.El mtodo es compatible con procesos como la extrusin o inyeccin. Nanocompuestos usando extrusion

Nylon 6: 2kg/h Screw length: 1365 mm L/D: 45.5Clay Slurry: 2 kg/h (Na-MMT (40 g) in 1960 ml water)Temp. Melting Zone: 240-250 CRPM: 200 Residence time : 10 minN. Hasegawa et al. Polymer 44, (2003), 2933BioinspiracinExisten ejemplos en la naturaleza de estructuras organizadas a nivel nanometrico que son altamente eficientesEjemplos clasicos: NacarSeda de arana

Ncar

Mecanismo de tenacidad en el ncar

Mecanismo de tenacidad en el ncar

Enfoque Global Habr otros biomateriales que valga la pena investigar?Dnde buscar???Dnde estn los biomateriales?Dnde abunda la biodiversidad?Pases megadiversos

Pases Megadiversos CANCUN DECLARATION OF LIKE-MINDED MEGADIVERSITY COUNTRIES (2002) Brasil, China, Colombia, Costa Rica, Ecuador, India, Indonesia, Kenya, Mexico, Per, Sud-Africa and Venezuela70% de la diversidad biolgica del planetaPer: Considerado uno de los 5 pases con mayor biodiversidad en el mundoFuente: UNIDONuevo Approach para la Conservacin de la BiodiversidadNos cuesta proteger la biodiversidad solo por protegerlaConcientizar no bastaSi hay algn beneficio adicional, es ms fcil conservarBiodiversidad: fuente de recursos para materiales industriales de alta perfomance, biomedicos, biodegradables, renovables.Metodo: tecnicas de la biomecanicaLa biomecanica aporta tecnicas experimentales para el estudio de materiales de origen biologico en diferentes niveles jerarquicos.Para el desarrollo de materiales nanoestructurados bioinspirados, son relevantres los siguientes niveles:Biomecanica de los tejidosBiomecanica celularBiomecanica molecularBiomateriales Biomecanica - Biomimetica

Biomecanica/biofisica molecularCiencia de bionanomaterialesTeoria de polimerosCasos de estudioCelulosa Bacteriana (BC)

Torres et. al. Reversible stress softening and recovering of cellulose networks. Soft Matter 2009, 5: 4185-4190Celulosa sintetizada por ciertas bacterias en determinados medios de cultivo.La celulosa es producida en forma de fibras (100 nm de dimetro) que forman una red coherente tridimensionalCelulosa BacterianaCondiciones de crecimiento:Medio EstaticoMedio agitado Pellets, fibras y esferasMembrana (gel)Red de BC con bacterias presentes

Poro de extrusionMicrofibra de celulosa (alta cristalinidad)Mecanismo de produccion de BC:(Brown, R.M.; Cellulose: Structural and functional aspects, Ellis Howoodide, 1989, 145.)

I. Aislamiento de Gluconacetobacter sp. de Kombucha (nata de te)Preparacin de medio de cultivoEsterilizacin (Autoclave)Inoculacin de la cepa en condiciones estrilesExaminacin del medio por microscopa optica Crece la cepa junto con hongos?Utilizar un fungicida en el medioDesarrollo de Celulosa Bacteriana pura (25-30 C)Almacenamiento de la cepaMezcla de fuentes de carbon y nitrgeno (pH 4)2 daysYESNO21 daysII. Auto ensamblaje de nanocompuestos de celulosa y almidn nativo

C.J. Grande, F.G. Torres, C.M. Gomez, O.P. Troncoso, J Canet-Ferrer, J. Martinez-Pastor, Mat. Sci. Eng. C 29 (2009) 10981104

Auto ensamblaje de nanocompuestos de celulosa y almidn nativo Anlisis morfolgico

BC nanofibras

Lminas de BC consisten en nanofibras ensambladas al azar La red puede ser utilizada para producir compuestos reforzados a escala nanomtrica.La presencia de almidn no afect la estructura de BC Una capa relativamente uniforme de almidn form una cobertura externa alrededor de las nanofibras.C.J. Grande, F.G. Torres, C.M. Gomez, O.P. Troncoso, J Canet-Ferrer, J. Martinez-Pastor, Mat. Sci. Eng. C 29 (2009) 10981104Auto ensamblaje de nanocompuestos de celulosa y almidn nativo Anlisis morfolgico

Por AFM: Dimetro de las fibras de BC estn en el rango [100-200 nm]

C.J. Grande, F.G. Torres, C.M. Gomez, O.P. Troncoso, J Canet-Ferrer, J. Martinez-Pastor, Polym Polym Comp, 16, (2008), 165.III. Nanocompuestos de BC-hidroxiapatita para aplicaciones biomdicasObjetivo: La fabricacin de un compuesto basado en BC en presencia de hidroxiapatita para aplicaciones biomdicas El uso de CMC para mejorar la capacidad del medio de cultivo para retener las partculas.

La hidroxiapatita (HA):Usado en la sustitucin de huesos y dientes

Usado como scaffolds para la regeneracin de estos tejidos

Carboximetilcelulosa(CMC): Usado como un modificador de la viscosidad (Majewicz et. al., Cellulose Ethers, in Marks Encyclopedia (2004)

Usado en nanocompuestos para aplicaciones biomdicas (NA Zhakarov et. al., Inorg Mater 41, (2005), 509

Compatible con la formacion de BC (D Klemm, D Schumann, U Udhardt, S Marsch; Prog Polym Sci 26, (2001), 1561)

Gluconacetobacter sp. Es agregado al medio de cultivoFormacin de las nanofibras BC en presencia de la fase HASnthesis de partculas HA a partir de sales de Ca y PCompuestos BC-HA para aplicaciones biomdicas con formas predeterminadasAdicin de HA en el medio de cultivo CMC modificada

Nanocompuestos de BC-hidroxiapatita para aplicaciones biomdicas Mecanismo de formacin31

abcdDiametro de particulas HA sintetizadas: [0.5 10] mParticulas de HA retenidas en la red de celulosaBC obtenido de un medio de cultivo. Dimetro medio de las fibras : 117.76 nm 29.58 nm BC obtenida de un medio de cultivo modificado con CMC. Dimetro medio de las fibras : 60.90 nm 12.63 nmNanocompuestos de BC-hidroxiapatita para aplicaciones biomdicas Anlisis morfolgicoLa presencia de un polmero compatible en el medio de cultivo interacta con las cadenas de celulosa, alterando la agregacin normal de las fibras(A Hirai, M Tsuji, H Yamamoto, F Horii; Cellulose 5, (1998), 201.C.J. Grande, F.G. Torres, C.M. Gomez, M.C. Bano, Acta Biomaterialia 5 (2009) 16051615.

32Nanocompuestos de BC-hidroxiapatita para aplicaciones biomdicas - Caracterizacin

Predominio de los grupos qumicos de HA con respecto a BC y BC-CMC en los materiales compuestosLa presencia de grupos qumicos bien unidas de BC y HA mejorar la estabilizacin de los materiales compuestos

BC no es totalmente un material cristalino: picos anchos de difraccinReduccin de la cristalinidad de BC cuando se modifica con CMC. (Menores diametros de fibras BC-CMC ) (H Yamamoto, F Horii, A Hirai; Cellulose 3, (1996), 229 Presencia de algunas regiones cristalinas de HA en los compuestos finalesPor TGA: La fase mineral constituye 23,7% en peso de los materiales compuestos finalesC.J. Grande, F.G. Torres, C.M. Gomez, M.C. Bano, Acta Biomaterialia 5 (2009) 16051615.

Siembra celular de BC-HA

Celulas embrionarias huamanas kidney (HEK) fueron sembradas en BC, BC-CMC and laminas BC-HACasi el 100% of viabilidad celular fue obtenido para el comouesto BC-HA (porcentaje de celulas vivientes despues de 1 dia)La viabilidad celular y la biocompatibilidad de los materiales se confirm.Ms investigacin es necesaria con el fin de mejorar la adhesion de las clulasC.J. Grande, F.G. Torres, C.M. Gomez, M.C. Bano, Acta Biomaterialia 5 (2009) 16051615.

Escamas de pez de Arapaima Gigas

Introduccin

http://www.cites.org/gallery/speciespics/fish/arapaima_gigas

escamasArapaima Gigas (Paiche): Pez amazonico de agua dulce(ca. 2 m largo, 150 kg peso)

Escamas: Proteger la piel / Responsable del rendimiento en natacin de los peces

Estructura de las escamas de los peces telesteos:Las fibras de colgeno (principalmente de tipo I)Nanocristales de hidroxiapatita deficiente de calcio agua

F.G. Torres, O.P. Troncoso, J. Nakamatsu, C.J. Grande, C.M. Gmez, Mat. Sci. Eng. C, (2008)Fibras de colgeno e hidroxiapatita en escamas de pezLas fibras de colgenoCapa externa: fibras incrustadas en una matriz de proteoglicanos / Capa interna: fibras de formar una estructura de madera contrachapada

HidroxiapatitaEn forma de placa nanocristales (1,5 - 4,0 nm) considerados como refuerzo / Orientacin de los cristales de apatita es en el eje c (paralela a las fibras de colgeno) en las escalas de peces

Objetivo : Determinar la microestructura y las propiedades mecnicas de los tejidos mineralizados de las escamas Arapaima gigas con un enfoque de la ciencia de materiales

Las fibras de colgeno estn co-alineados dentro de cada capa individual (laminillas) que gira alternativamente en ngulos de alrededor 90Similar structure is found in bones, teeth and mineralized tendonsEstructura de las escamas

Fish scalesPrecipitated hydroxyapatiteComparacin de cristalinidad entre la hidroxiapatita obtenida a partir de escamas de pez y las obtenidas mediante precipitacin XRD comparable a la correspondiente a la estructura de HA utilizado para reparar defectos seos (R Murugan and S Ramakrishna, Appl. Phys. Lett 88, (2006), 193124) and to fabricate scaffolds for bone tissue engineering (V Thomas et. al., Biomacromolecules 8, (2007), 631)

Amide IAmide IIAmide III Bandas de amidas corresponden al tipo I de colagenoDatos similares para la estructura de colgeno hidroxiapatita de escamas de pescado se encuentra en los huesos humanos y los biomateriales dentales(TJ Ikoma et. al., J Struct Biol 142, (2003), 327)F.G. Torres, O.P. Troncoso, J. Nakamatsu, C.J. Grande, C.M. Gmez, Mat. Sci. Eng. C, (2008)Escamas de pez - Caracterizacin morfolgica

F.G. Torres, O.P. Troncoso, J. Nakamatsu, C.J. Grande, C.M. Gmez, Mat. Sci. Eng. C, (2008)

Maeswari et al. Powering up nanoparticles: versatile carbon materials for engineering and medicine

Compuesto laminado para remo de KayakTEM:Individual layers (lamellae) Las fibras estan coalineadas dentro de cada laminillas (aproximadamente 2 m de espesor)Laminas alternativamente rotadas ca. 90 (patrn de madera contrachapada formada por fibras de colgeno)No hay observaciones de nanocristales de apatitaDimetro de las fibras de colgeno: ca. 100 nm

Fibras de colgenoEscamas de pescado - EstructuraF.G. Torres, O.P. Troncoso, J. Nakamatsu, C.J. Grande, C.M. Gmez, Mat. Sci. Eng. C, (2008)

Fase mineral y orgnica

Fase Mineral FaseOrgnicaComponentePorcentaje (%)Agua16Fase Orgnica45Fase Inorgnica39F.G. Torres, O.P. Troncoso, J. Nakamatsu, C.J. Grande, C.M. Gmez, Mat. Sci. Eng. C, (2008)Ensayos de Tensin

Curvas tensin-deformacin presenta varios picos relacionados con la rotura de lminas sucesivas

El agua en escamas hmedas reduce la fraccin de volumen de cristales de hidroxiapatita. Esto se acompaa de una reduccin de las propiedades mecnicas.

F.G. Torres, O.P. Troncoso, J. Nakamatsu, C.J. Grande, C.M. Gmez, Mat. Sci. Eng. C, (2008)I. Nanoindentracion de Escamas de pescado de Arapaima Gigas

FG Torres, E. Le Bourhis, OP Troncoso, J. Llamoza, Nanomecanica de materiales Biologicos, VII CONGRESO BOLIVARIANO DE INGENIERIA MECANICA Imagen SEM de la seccin transversal de una escama de Arapaima Gigas acompaada de los valores de dureza puntualNanoindentracion de Escamas de pescado de Arapaima Gigas

FG Torres, E. Le Bourhis, OP Troncoso, J. Llamoza, Nanomecanica de materiales Biologicos, VII CONGRESO BOLIVARIANO DE INGENIERIA MECANICASe registra la fuerza (F) que aplica un indentador al penetrar la muestra una profundidad (h). El indentador penetra el material a una velocidad constante durante 30 segundos (1). Luego el indentador permanece en la posicin alcanzada por treinta segundos (2). Finalmente el indentador es retirado de la muestra (3).A partir de estos valores se calcula la dureza del materialSeda de Araa

Fibra polimrica de origen natural.Es la fibra ms tenaz que existe (drag line).Formada por protenas estructurales (espidroina)IntroduccinAraa tiene 7 glndula de hileras complejas. Cada una sintetiza un polmero estructural con propiedades especficasMayor investigacin: Dragline (dos protenas: Spidroin 1 y Spidroin 2)Aplicaciones :Suturas BiomdicaScaffold para ingeniera de tejido (hueso / ligamentos)Trajes blindados

JM Gosline, PA Guerette, CS Ortlepp, KN Savage, J Exp Biol 202, (1999), 3295

Las araas son hiladores altamente desarrolladosLewis, R. Chem. Rev. 2006, 106, 3762-3774.Dicko, C.; Vollrath, F.; Kenney, J.M. Biomacromolecules 2004, 5, 704-710.

Spidroin secretionLumenSpinneretDuctFiber alignmentDuctTailFunnel1 mmVollrath, F. J. Biotechnol. 2000, 74, 67-83.

Refuerzo de la red(Glndula Minor ampullate)Seda Dragline (Glndula MajorAmpullate)Envoltura de huevos (aciniforme)Seda piriformeAcini-formeEspiral de captura(Flageliforme)Recubrimiento gomoso(seda aglomerada)Fibra para encapsular huevo de gran diametro (Tubuliforme)AglomeradoTubuliformeFlageliformePiriformeGlndula Minor ampullateGlndula Major ampullateCaracteristicas de la seda

Propiedades mecnicas de la seda de araa (dragline) frente a sedas sintticasMaterial Strength (Gpa)Elasaticity (%) Energy to break (J/kg)Seda Dragline 1.1354 x 105 Kevlar3.653 x 104Caucho0.0016008 x 104Nylon, tipo 60.072006 x 104

Eje de la fibraKevlar: Dupont (1960s) Usos - Cascos y chalecos a prueba de balas- Pastillas de freno (automviles)- Cuerdas y cables- Piezas aeroespaciales Lewis, R. Chem. Rev. 2006, 106, 3762-3774. Vollrath, F.; Knight, D.P. Nature 2001, 410, 541-548.Tanner, D.; Fitzgerald, J.A.; Phillips, B.R. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. Adv. Mater. 1989, 5, 649-654.Kubik, S. Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 2721-2723.Comportamiento Esfuerzo - Deformacion

I. Supercontraccin de la seda dragline Las propiedades de traccin de fibras de seda de Peucetia rubrolineata, obtenidas por Forced Silking (FS) y despus de supercontraccion maxima(MS). Para comparacin, curvas a partir de fibras de Argiope trifasciata e inaurata Nephila tambin se muestran.

J. Prez-Rigueiro, G.R. Plaza, F.G. Torres, A. Hijar, C. Hayashi, G.B. Perea,M. Elices, G.V. Guinea, International Journal of Biological Macromolecules 46 (2010) 555557Bioadhesivo de la araa Argiope Argentata

Imgenes por medio de Microscopia Electrnica de Barrido, se midieron las dimensiones de las gotas FG Torres, E. Le Bourhis, OP Troncoso, J. Llamoza, Nanomecanica de materiales Biologicos, VII CONGRESO BOLIVARIANO DE INGENIERIA MECANICAMedicindel Moduloelsticodelasgotasadhesivas

Frecuencia (%) de los valores de los mdulos elsticos calculados a partir de los ensayos de nanoindentacin en AFM de las gotas de bioadhesivo de Argiope ArgentataFG Torres, E. Le Bourhis, OP Troncoso, J. Llamoza, Nanomecanica de materiales Biologicos, VII CONGRESO BOLIVARIANO DE INGENIERIA MECANICABiso de Aulacomya ater

El biso es la fibra utilizada por diferentes moluscos para sujetarse a rocas y otros elementos similares.Los bisos deben mantener a los choros en su posicin, soportando el movimiento causado por las olas.Aulacomya ater

Un mejilln marino de relativamente gran tamao (cm de longitud 5-7) de la costa de Amrica del SurLas velocidades del agua de ms de 10 m/s y la aceleracin del agua es de 400 m/s2Se dividen en tres regiones: Tronco, Fibra y la placaEl tronco est formado por diferentes formas de colgeno (Precol-P, Precol-D, precollagen-NG, Precol-NG)

Troncoso, Torres, Grande; Acta Biomaterialia 4, 1114 (2008)Morphology

Troncoso, Torres, Grande; Acta Biomaterialia 4, 1114 (2008)Espectro IRAbsorciones tpicas para peptidos y proteinasAmida I corresponde a C=O (absorcin a 1655 cm-1)Amida II (1555 cm-1)Amida III (1235 cm-1)The pico ancho a 3300 cm-1 se debe a enlaces N-H La seal alrededor de 2900 cm-1 corresponde vibrationes de extensin de C-H Vibraciones de deformacin en C-H aparecen alrededor de 1450 cm-1.

Troncoso, Torres, Grande; Acta Biomaterialia 4, 1114 (2008)Ensayos de tensin

Representacin de curvas estrs-tensin muestras secas bisos que muestran (a) Esfuerzo real y (b) el estrs IngenieraRepresentacin de curvas estrs-tensin(a) Esfuerzo real y (b) estrs Ingeniera Fibra hidratada de biso inmerso en agua marina, and (c) Esfuerzo real y (d) estrs Ingeniera of fibras hidratadas de biso en agua destiladaTroncoso, Torres, Grande; Acta Biomaterialia 4, 1114 (2008)MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIN