Diminutas estructuras minerales y fibras de colágeno se unen para crear un material resistente y flexible
Los tiburones han evolucionado durante más de 450 millones de años, desarrollando esqueletos no a partir de hueso, sino de un resistente y mineralizado cartílago. Estas criaturas son más que simples rápidos nadadores: están diseñadas para la eficiencia.
Sus espinas actúan como resortes naturales, almacenando y liberando energía con cada movimiento de cola, lo que les permite moverse a través del agua con una suave y poderosa gracia.
Ahora, los científicos están observando el interior de los esqueletos de tiburones a escala nanométrica, revelando una "sharkitectura (tiburonotectura)" microscópica que ayuda a estos antiguos depredadores ápice a soportar exigencias físicas extremas del movimiento constante.
Utilizando nanotomografía de rayos X de sincrotrón con detalladas imágenes 3D y pruebas mecánicas in situ, investigadores de la Facultad de Ciencias Charles E. Schmidt y la Facultad de Ingeniería y Ciencias de la Computación de la Universidad Atlántica de Florida, en colaboración con el Sincrotrón de Electrones Alemán (DESY) en Alemania y NOAA Fisheries, han mapeado la estructura interna de tiburones de puntas negras (Carcharhinus limbatus) con un detalle sin precedentes.
Los resultados del estudio revelan dos distintivas regiones dentro del cartílago mineralizado del tiburón de puntas negras: el cuerpo calcáreo y el intermedio. Si bien ambos están compuestos de colágeno y bioapatita densamente agrupados, sus estructuras internas difieren significativamente.
En ambas regiones, las placas mineralizadas están dispuestas en estructuras porosas, reforzadas por gruesos puntales que ayudan al esqueleto a soportar tensiones desde múltiples direcciones, una adaptación fundamental para los tiburones, cuya natación constante coloca una tensión repetida en la columna vertebral.
Vídeo: Los tiburones de puntas negras, presentes en aguas costeras cálidas y poco profundas de todo el mundo, son ágiles y veloces depredadores, conocidos por su increíble agilidad y velocidad, alcanzando velocidades de hasta 32 kilómetros por hora. Crédito: Stephen Kajiura, Universidad Atlántica de Florida.
A escala nanométrica, los investigadores observaron diminutos cristales aciculares de bioapatita (un mineral que también se encuentra en los huesos humanos) alineados con filamentos de colágeno. Esta intrincada estructura confiere al cartílago una resistencia sorprendente, a la vez que le permite flexibilidad.
Aún más intrigante, el equipo descubrió estructuras fibrosas helicoidales basadas principalmente en colágeno, lo que sugiere un sofisticado y estratificado diseño, optimizado para evitar la propagación de grietas. Bajo tensión, las redes de fibra y minerales trabajan juntas para absorber y distribuir la fuerza, contribuyendo a la resiliencia y flexibilidad del tiburón.
"La naturaleza crea materiales extraordinariamente fuertes combinando minerales con polímeros biológicos, como el colágeno, un proceso conocido como biomineralización. Esta estrategia permite que criaturas como los camarones, los crustáceos e incluso los humanos desarrollen fuertes y resistentes esqueletos", dijo Vivian Merk, Ph.D., autora principal y profesora adjunta en el Departamento de Química y Bioquímica de la FAU, el Departamento de Ingeniería Oceánica y Mecánica de la FAU y el Departamento de Ingeniería Biomédica de la FAU.
"Los tiburones son un ejemplo notable. Sus espinas reforzadas con minerales funcionan como resortes, flexionándose y almacenando energía mientras nadan. Al aprender cómo construyen esqueletos tan resistentes y a la vez adaptables, esperamos inspirar el diseño de materiales de próxima generación".
Imagen: Reconstrucción por nanotomografía de rayos X del cartílago intermedio de un tiburón de puntas negras. Los colores indican el grosor de los puntales: el rojo representa las zonas más gruesas y el azul las más delgadas. Crédito: Universidad Atlántica de Florida
En experimentos en los que se aplicaron tensiones mecánicas a muestras microscópicas de vértebras de tiburón, los investigadores observaron pequeñas deformaciones (menos de un micrómetro) después de un único ciclo de presión aplicada. Curiosamente, las fracturas sólo se produjeron después de una segunda ronda de carga y quedaron contenidas dentro de un único plano mineralizado, lo que da una idea de la resistencia incorporada del material a fallas catastróficas.
"Después de cientos de millones de años de evolución, ahora finalmente podemos ver cómo funciona el cartílago de tiburón a escala nanométrica y aprender de él", afirmó la Dra. Marianne Porter, coautora y profesora asociada del Departamento de Ciencias Biológicas de la FAU.
"Estamos descubriendo cómo las diminutas estructuras minerales y las fibras de colágeno se unen para crear un material resistente y flexible, perfectamente adaptado a la potente natación del tiburón. Estos conocimientos podrían ayudarnos a diseñar mejores materiales siguiendo el modelo de la naturaleza".
Los tiburones de puntas negras, presentes en aguas costeras cálidas y poco profundas de todo el mundo, son elegantes depredadores que nadan rápido y son conocidos por su increíble agilidad y velocidad, que alcanzan hasta 32 kilómetros por hora. Uno de los comportamientos más llamativos que muestran es saltar y girar fuera del agua, a menudo mientras comen, un movimiento acrobático que aumenta su misticismo.
Imagen: El cartílago intermedio de un tiburón de puntas negras, con flechas que resaltan la red mineralizada interna que sostiene y refuerza la estructura. Crédito: Universidad Atlántica de Florida.
Esta investigación no solo mejora la comprensión biomecánica de los esqueletos de tiburones, sino que también ofrece valiosa información para ingenieros y científicos de materiales.
"Esta investigación resalta el poder de la colaboración interdisciplinaria", afirmó Stella Batalama, decana de la Facultad de Ingeniería y Ciencias de la Computación.
"Al reunir a ingenieros, biólogos y científicos de materiales, hemos descubierto cómo la naturaleza crea materiales resistentes y flexibles. La estructura en capas del cartílago de tiburón, reforzada con fibra, ofrece un modelo convincente para un diseño resistente y de alto rendimiento, prometedor para el desarrollo de materiales avanzados, desde implantes médicos hasta equipos resistentes a impactos".
El estudio ha sido publicado en la revista ACS Nano: A Nanoscale View of the Structure and Deformation Mechanism of Mineralized Shark Vertebral Cartilage
