Se fija y funciona tan bien bajo el agua como en condiciones secas
Si alguna vez has intentado arrancar un mejillón de un rompeolas o un percebe del fondo de un barco, comprenderás que podemos aprender mucho de la naturaleza sobre cómo fabricar potentes adhesivos. Los ingenieros de la Universidad de Tufts han tomado nota y hoy informan sobre un nuevo tipo de pegamento inspirado en esos obstinadamente adherentes crustáceos.
Comenzando con la proteína de seda fibrosa extraída de los gusanos de seda, pudieron replicar las características clave del pegamento del percebe y el mejillón, incluidos los filamentos de proteínas, la reticulación química y la unión del hierro. El resultado es un poderoso pegamento no tóxico que se fija y funciona tan bien bajo el agua como en condiciones secas y es más fuerte que la mayoría de los productos de pegamento sintético actualmente en el mercado.
"El compuesto que creamos no solo funciona mejor bajo el agua que la mayoría de los adhesivos disponibles en la actualidad, sino que logra esa resistencia con cantidades mucho más pequeñas de material", dijo Fiorenzo Omenetto, Frank C. Doble Profesor de Ingeniería en Tufts School of Engineering, y director del Tufts Silklab donde se creó el material y autor co-autor del estudio.
"Y debido a que el material está hecho de fuentes biológicas extraídas y las químicas son benignas extraídas de la naturaleza y evitando en gran medida los pasos sintéticos o el uso de disolventes volátiles, también podría tener ventajas en la fabricación".
El "equipo de pegamento" de Silklab se centró en varios elementos clave para reproducir en adhesivos acuáticos. Los mejillones segregan largos y pegajosos filamentos llamados biso. Estas secreciones forman polímeros, que se incrustan en las superficies y se reticulan químicamente para fortalecer la unión. Los polímeros de proteínas están formados por largas cadenas de aminoácidos, incluido uno, dihidroxifenilalanina (DOPA), un aminoácido que lleva catecol y que puede reticularse con las otras cadenas. Los mejillones añaden otro ingrediente especial, complejos de hierro, que refuerzan la fuerza cohesiva del biso.
Imagen: a) Representación esquemática de componentes funcionales de la mezcla. Estructura de proteína rica en láminas beta de fibroína de seda de B. mori (izquierda) y polímero rico en catecol de polidopamina (derecha) para imitar la adhesión de los mejillones. b) Procedimiento de preparación de probetas para ensayos de cizallamiento traslapado. c) Modelo de aeronave ensamblado utilizando adhesivo SF – PDA con proceso de curado Fe3 + como prueba de concepto de pegamento SF – PDA.
Los percebes secretan un fuerte cemento hecho de proteínas que se forman en polímeros que se anclan en las superficies. Las proteínas en los polímeros de cemento de percebe doblan sus cadenas de aminoácidos en láminas beta, una disposición en zig-zag que presenta superficies planas y muchas oportunidades para formar fuertes enlaces de hidrógeno con la siguiente proteína del polímero, o con la superficie a la que se une el filamento de polímero.
Inspirado por todos estos trucos de unión molecular utilizados por la naturaleza, el equipo de Omenetto se puso a trabajar para replicarlos y aprovechar su experiencia con la química de la proteína de fibroína de seda extraída del capullo de los gusanos de seda. La fibroína de seda comparte muchas de las características de forma y unión de las proteínas del cemento de percebe, incluida la capacidad de ensamblar grandes superficies de láminas beta.
Los investigadores agregaron polidopamina, un polímero aleatorio de dopamina que presenta catecoles de reticulación a lo largo de su longitud, muy parecido a lo que usan los mejillones para reticular sus filamentos de enlace. Finalmente, la fuerza de adhesión se mejora significativamente curando el adhesivo con cloruro de hierro, que asegura las uniones a través de los catecoles, tal como lo hacen en los adhesivos naturales los mejillones.
"La combinación de fibroína de seda, polidopamina y hierro reúne la misma jerarquía de unión y reticulación que hace que estos adhesivos de percebe y mejillón sean tan fuertes", dijo Marco Lo Presti, becario postdoctoral en el laboratorio de Omenetto y primer autor del estudio. "Terminamos con un adhesivo que incluso bajo el microscopio se parece a su contraparte natural".
Imagen: Modelo de avión ensamblado con pegamento a base de seda. Crédito: Marco Lo Presti, Universidad de Tufts
Obtener la mezcla correcta de fibroína de seda, polidopamina y condiciones ácidas de curado con iones de hierro fue fundamental para permitir que el adhesivo se fijara y trabajara bajo el agua, alcanzando resistencias de 2.4 MPa (megapascales; aproximadamente 350 libras por pulgada cuadrada) al resistir fuerzas de cizallamiento. Eso es mejor que la mayoría de los adhesivos experimentales y comerciales existentes, y solo un poco más bajo que el adhesivo subacuático más fuerte a 2.8 MPa. Sin embargo, este adhesivo tiene la ventaja adicional de no ser tóxico, estar compuesto de materiales totalmente naturales y requiere solo 1-2 mg por pulgada cuadrada para lograr esa unión, eso es solo unas pocas gotas.
"La combinación de seguridad probable, uso conservador del material y resistencia superior sugiere una potencial utilidad para muchas aplicaciones industriales y marinas e incluso podría ser adecuada para usos orientados al consumidor, como la construcción de modelos y el uso doméstico", dijo el profesor Gianluca Farinola, colaborador del estudio de la Universidad de Bari Aldo Moro y profesor adjunto de Ingeniería Biomédica en Tufts.
"El hecho de que ya hayamos utilizado la fibroína de seda como material biocompatible para uso médico nos está llevando también a explorar esas aplicaciones", agregó Omenetto.
Los hallazgos se publican en la revista Advanced Science: Bioinspired Biomaterial Composite for All-Water-Based High-Performance Adhesives
