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Los bionanocomposites (Segunda parte)

marzo 13, 2016

El primer nanocomposito polimérico se sintetiza en 1990, cuando Toyota usó por primera vez nanocompositos de arcilla/nylon 6 para producir las cubiertas de cinturones con cronómetro de sus vehículos. Para lograr la compatibilidad polímero-arcilla, el paso de dispersar las capas de arcilla en la matriz polimérica es sumamente importante y requiere un pretratamiento de la arcilla para volverla organofílica, ya que generalmente las arcillas son hidrofílicas, esto se logra tratando previamente la arcilla con soluciones de aminoácidos, sales de amonio orgánicas o sales de fosfonio tetraorgánico.

La mayor parte de los tejidos vivos tales como hueso, tendón, disco interbertebral, intestino, dentina, cartílago y piel son esencialmente compositos con un cierto número de niveles de jerarquía. El tendón, disco intervertebral y el intestino son ejemplos de sistemas de compositos de colágena.  En el tendón las fibrillas de colágena están organizadas en grandes fibras, esas fibrillas están arregladas en forma paralela una con otra y orientadas longitudinalmente entre el músculo y el hueso, ya que son los tendones los que conectan el músculo estriado al hueso alrededor de una articulación, convirtiendo la contracción muscular en el movimiento de la articulación.

Como tal, el tendón está sometido casi exclusivamente a un esfuerzo tensil uniaxial orientado a lo largo de su longitud. Los discos intervertebrales están interpuestos entre los cuerpos vertebrales de la columna vertebral. Por esta localización el disco está sujeto a cargas de compresión generadas sobre la columna por el peso del cuerpo, así como por cargas de torsión y encorvamiento durante el movimiento. Otra consideración para el diseño es la carga al impacto superimpuesta sobre el peso corporal durante actividades tales como la deambulación o el salto.

El disco está compuesto de dos partes: un núcleo gelatinoso pulposo conteniendo una matriz de fibras finas de colágena, moléculas de proteoglicano hidrofílicas y hasta un 88 porciento de agua, y el anillo fibroso, teniendo capas cilíndricas concéntricas de colágena fibrosa arreglada alrededor del núcleo gelatinoso semejante a las capas finas de una cebolla. Las fibras de colágena que forman el anillo están inclinadas con respecto al eje de la columna vertebral por el ángulo interlaminar. En láminas sucesivas, este ángulo alterna como lo harían una serie de capas guardadas de materiales compositos hechos por el hombre.

Este ángulo varía con la distancia radial a través del anillo fibroso de un ángulo de  62° en la periferia a uno de 45° cerca del núcleo gelatinoso impartiendo de este modo al disco una arquitectura estrcturalmente graduada. Las fibras de colágena que forman esas capas tienen la misma morfología planar rizada vista en el tendón. El intestino, mecánicamente hablando, es un tubo flexible semipermeable en el cual ocurre el desquebrajamiento mecánico y químico del alimento y a través del cual los productos de la digestión se difunden hacia la circulación. Mientras ocurre este proceso, las paredes del intestino son estiradas tanto longitudinal como radialmente o, lo que es lo mismo, a lo largo de la trayectoria de un aro.

Mientras que esto requiere un diseño con fuerza tensil adecuada en esas dos direcciones, el movimiento de nutrientes a través de la pared del intestino demanda que existan rutas eficientes para que la difusión ocurra después de la lisis química. El intestino satisface ambos de estos requerimientos a través de una estructura jerárquica notable. La pared intestinal es una estructura en capas con cuatro capas distintas. Dos capas contienen células de músculo liso orientadas en las direcciones longitudinal y circunferencial para macerar las partículas de alimento; otra es una cubierta que en la mayor parte del tracto intestinal, la serosa o peritoneo visceral, aisla el intestino de los otros órganos en la cavidad abdominal, la cuarta capa está formada por la mucosa que está en contacto con el contenido intestinal y por debajo de ella la submucosa siendo esta la que contiene la mayor parte de las fibrillas de colágena.

Las fibrillas están arregladas en capas orientadas biaxialmente alrededor del lumen. En capas sucesivas las fibrillas están orientadas a mas o menos 60° una con otra, formando hélices de sentido opuesto orientadas a 30° del eje longitudinal girando alrededor del intestino. Los compositos sintéticos abarcan los materiales compositos de fibras y partículas de interés primario como biomateriales. Tales compositos consisten de una o más fases discontinuas encajadas o empotradas dentro de una fase continua. La fase discontinua usualmente es más dura y mas fuerte que la fase continua y se le llama material de reforzamiento o de refuerzo , mientras que a la fase continua se le llama la matriz. 

Los autores de este artículo son el Dr. Carlos García Valdés y Victor M. Castaño.  Cualquier comentario sobre esta columna, favor de dirigirlo a Víctor Castaño
([email protected])

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