Tejidos mineralizados son biológicos tejidos que los minerales incorporar en matrices suaves. Normalmente, estos tejidos forman un escudo protector o soporte estructural. [1] 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. [1] [2] [3] [4]
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 . [2] La notable organización estructural y las propiedades de ingeniería hacen que estos tejidos sean candidatos deseables para la duplicación por medios artificiales. [1] [2] [4]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. [2]
Los tejidos mineralizados combinan rigidez, poco 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 ). [1] [2] 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. [2] Aunque uno podría pensar que el contenido mineral de estos tejidos puede hacerlos frágiles, los estudios han demostrado que los tejidos mineralizados son entre 1.000 y 10.000 veces más resistentes que los minerales que contienen. [2] [5]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. [2] Dos tipos de tejidos biológicos han sido objeto de una extensa investigación, a saber, el nácar de las conchas de moluscos y los huesos, que son compuestos naturales de alto rendimiento. [2] [6] [7] [8] [9] Muchas técnicas mecánicas y de imágenes, como la nanoindentacióny microscopía de fuerza atómica se utilizan para caracterizar estos tejidos. [10] [11] 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. [1] [2] 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. [3]
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 agnathans . 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 posteriormente 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. [12]