Los dientes del quitón contienen santabarbaraita y son más de tres veces más duros que los dientes humanos
Investigadores de la Universidad Northwestern han descubierto, por primera vez, un raro mineral escondido dentro de los dientes de un quitón (también conocido en inglés como gumboot chiton o chiton de botas de goma - Cryptochiton stelleri), un gran molusco que se encuentra a lo largo de las costas rocosas. Ante esta extraña sorpresa, el mineral de hierro, llamado santabarbaraita, solo había sido documentado en rocas.
El nuevo hallazgo ayuda a comprender cómo todo el diente del quitón, no solo la ultradura y duradera cúspide, está diseñado para soportar la masticación de rocas para alimentarse. Basándose en los minerales que se encuentran en los dientes del quitón, los investigadores desarrollaron una tinta de inspiración biológica para la impresión 3D de ultraduros, rígidos y duraderos materiales.
"Este mineral solo se ha observado en muestras geológicas en cantidades muy pequeñas y nunca antes se había visto en un contexto biológico", dijo Derk Joester de Northwestern, autor principal del estudio. "Tiene un alto contenido de agua, lo que lo hace fuerte con baja densidad. Creemos que esto podría endurecer los dientes sin agregar mucho peso".
Joester es profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la McCormick School of Engineering de Northwestern y miembro del Chemistry of Life Processes Institute. Linus Stegbauer, ex becario postdoctoral en el laboratorio de Joester, es el primer autor del artículo. En Northwestern, durante la investigación, Stegbauer es ahora investigador principal en el Instituto de Ingeniería de Procesos Interfaciales y Tecnología de Plasma de la Universidad de Stuttgart en Alemania.
Uno de los materiales más duros conocidos en la naturaleza, los dientes de quitón están unidos a una blanda y flexible rádula, similar a una lengua, que raspa las rocas para recolectar algas y otros alimentos. Habiendo estudiado durante mucho tiempo los dientes de quitón, Joester y su equipo se dirigieron recientemente al Cryptochiton stelleri, un quitón gigante de color marrón rojizo que a veces también se conoce cariñosamente en inglés como "wandering meatloaf (pastel de carne andante por su apariencia de color rojizo y forma de comida)".
Para examinar un diente de Cryptochiton stelleri, el equipo de Joester colaboró con Ercan Alp, un científico senior de la Fuente de Fotones Avanzada del Laboratorio Nacional Argonne, para utilizar la instalación de espectroscopia sincrotrón Mössbauer, así como con Paul Smeets para utilizar la microscopía electrónica de transmisión en el Centro de Experimentación y Caracterización Atómica y Nanoescala (NUANCE) de la Universidad Northwestern.
Encontraron santabarbaraita dispersa por todo el estilete superior del quitón, una estructura larga y hueca que conecta la cabeza del diente con la membrana flexible de la rádula.
"El estilete es como la raíz de un diente humano, que conecta la cúspide de nuestro diente con la mandíbula", dijo Joester. "Es un material resistente compuesto de nanopartículas extremadamente pequeñas en una matriz fibrosa hecha de biomacromoléculas, similar a los huesos de nuestro cuerpo".
El grupo de Joester se desafió a sí mismo a recrear este material en una tinta diseñada para impresión 3D. Stegbauer desarrolló una tinta reactiva que comprende iones de hierro y fosfato mezclados en un biopolímero derivado de la quitina. Junto con Shay Wallace, un estudiante graduado de Northwestern en el laboratorio de Mark Hersam, Stegbauer descubrió que la tinta imprimía bien cuando se mezclaba inmediatamente antes de imprimir.
"A medida que las nanopartículas se forman en el biopolímero, se vuelve más fuerte y viscoso. Esta mezcla se puede utilizar fácilmente para imprimir. El secado posterior al aire conduce a un material final duro y rígido", dijo Joester.
Joester cree que podemos seguir aprendiendo y desarrollando materiales inspirados en el estilete del quitón, que conecta dientes ultraduros con una blanda rádula.
"Hemos estado fascinados con el quitón durante mucho tiempo", dijo. "Las estructuras mecánicas son tan buenas como su eslabón más débil, por lo que es interesante aprender cómo el quitón resuelve el problema de ingeniería de cómo conectar su diente ultraduro a una estructura subyacente blanda. Esto sigue siendo un importante desafío en la fabricación moderna, por lo que buscamos organismos como el quitón para comprender cómo se hace esto en la naturaleza, que ha tenido un tiempo de espera de un par de cientos de millones de años para desarrollarse".
El estudio se publicó en Proceedings of the National Academy of Sciences: Persistent polyamorphism in the chiton tooth: From a new biomineral to inks for additive manufacturing
