MATERIALES BIOLOGICOS Y BIOMATERIALES

1. Introducción 17

BLOQUE I: Fundamentos del estudio de los materiales biológicos y biomateriales. Aplicación al estudio de las sedas 23
2. Procedimientos experimentales aplicados al estudio de la seda: obtención y caracterización de sus propiedades mecánicas 25
2.1. Tipos de seda 25
2.2. Obtención de los hilos de seda 29
2.3. Caracterización mecánica de los hilos de seda 33
2.4. Propiedades mecánicas de la seda del gusano de seda 36
2.5. Propiedades mecánicas de la seda de araña: hilos MAS y víscido 45
3. Principios generales de aminoácidos y proteínas. Composición de la seda 49
3.1. Composición de la seda del gusano de seda 49
3.2. Composición de la seda de araña 55
4. Conformación tridimensional de las proteínas I: regiones microcristalinas de la seda 61
4.1. Caracterización de los microcristales en la seda del gusano de seda 61
4.2. Caracterización de los microcristales en la seda de araña 73
5. Conformación tridimensional de las proteínas II: regiones amorfas de la seda 77
5.1. Caracterización de las regiones amorfas de la seda 77
5.2. Gusano de seda 85
5.3. Seda de araña 88
6. Análisis de la variabilidad en los materiales biológicos 89
6.1. Importancia de la variabilidad en los materiales biológicos 89
6.2. Variabilidad en las propiedades mecánicas de la seda araña 91
6.3. Análisis estadístico de la variabilidad en las propiedades mecánicas del hilo de araña 92
7. Modelización de las propiedades mecánicas de la seda 99
7.1. Influencia de los puentes de hidrógeno en el módulo de elasticidad de la seda del gusano de seda 99
7.2. Modelización del comportamiento mecánico del hilo de araña supercontraído 102
7.3. Modelo molecular de la seda de araña (modelo de Termonia) 105
7.3.1. Geometría del modelo 105
7.3.2. Curva tensión-deformación obtenida con el modelo molecular 106
7.3.3. Influencia de la geometría en el modelo molecular 109
7.4. Modificación de las propiedades de la seda de araña mediante supercontracción controlada 111

BLOQUE II: Microestructura y propiedades de materiales biológicos 117
8. Colágeno y elastina 121
8.1. Colágeno 121
8.1.1. Localización y composición del colágeno 121
8.1.2. Características geométricas 121
8.1.3. Propiedades mecánicas 123
8.2. Elastina 124
8.2.1. Localización, composición y propiedades mecánicas de la elastina 124
8.2.2. Geometría del giro b 126
9. Fibras de polisacáridos 127
9.1. Monosacáridos 127
9.2. Formación de polisacáridos: el enlace O-glicosídico 132
9.3. Comparación entre polisacáridos y proteínas. Tipos de polisacáridos 135
9.4. Fibras de polisacáridos 135
10. Fibras celulares y musculares 143
10.1. Microtúbulos 143
10.2. Fibras de actina 145
10.3. Fibras musculares 146
11.1. Adaptación de la langosta a su hábitat 153
11. La membrana de la langosta 153
11.2. Propiedades mecánicas de la membrana intersegmental 155
11.3. Consecuencias del comportamiento viscoelástico 160
12. Geles. Mesoglea de la anémona 163
12.1. Definición de gel 163
12.2. Componentes de los geles: glucosaminoglucanos 164
12.3. La mesoglea de la anémona 167
12.3.1. Modo de vida de la anémona 167
12.3.2. Estructura y composición de la mesoglea 167
12.3.3. Propiedades mecánicas de la mesoglea 168
12.4. Mucus 173
13. Tejidos epitelial y conjuntivo. La piel 177
13.1. El tejido epitelial 177
12 Materiales bilógicos y biomateriales
13.2. Tejidos con función estructural: el tejido conjuntivo 178
13.3. Piel 183
14. Madera 187
14.1. Estructura de la madera 188
14.1.1. Estructura macroscópica 188
14.1.2. Estructura mesoscópica 189
14.1.3. Estructura microscópica y composición 190
14.2. Propiedades mecánicas de la madera: módulo
de elasticidad y resistencia mecánica 191
14.3. Comportamiento frente a fractura 194
15. Cuernos de bóvidos 197
15.1. a-Queratinas: Estructura y propiedades mecánicas 198
15.2. Modelización del cuerno 202
15.3. Comportamiento frente a fractura 204
16. Hueso 207
16.1. Organización del hueso 207
16.1.1. Constituyentes del hueso 207
16.1.2. Organización jerárquica del hueso 208
16.1.3. Creación y remodelación del hueso 208
16.2. Propiedades mecánicas del hueso 211
16.3. El hueso como material compuesto 214

BLOQUE III: Biocompatibilidad y Biomateriales médicos 219
17. Interacciones entre sistemas biológicos y materiales: biocompatibilidad 221
17.1. Reacción del organismo a materiales exógenos: biocompatibilidad 221
17.2. Reacciones del organismo a los implantes 222
17.3. Mecanismos de respuesta de las células frente a factores externos 223
17.3.1. Principios generales de la comunicación celular 224
17.3.2. Influencia de la insulina en el metabolismo de la glucosa en células musculares 225
17.3.3. Interacciones entre células y superficies 226
17.4. Modulación del comportamiento de los macrófagos por los biomateriales 226
17.4.1. Adhesión de los macrófagos al biomaterial 227
17.4.2. Regeneración de tejidos: adhesión de osteoblastos a una superficie 230
18. Biomateriales médicos 235
18.1. Propiedades básicas de los biomateriales 235
18.2. Metales 236
18.3. Polímeros 237
18.4. Cerámicos 238
18.4.1. Cerámicos estructurales 238
18.4.2. Hidroxiapatita 238
18.4.3. Vidrios bioactivos 240
19. Biofuncionalización 243
19.1. Procedimientos físicos de biofuncionalización 244
19.2. Procedimientos químicos de biofuncionalización 245
19.3. Deposición de láminas delgadas biofuncionalizadas 247
19.3.1. Deposición de capas delgadas funcionalizadas por el procedimiento de sol-gel 247
19.3.2. Deposición química en fase vapor activada térmicamente (TACVD) de capas biofuncionales 248
19.4. Fundamentos de química de biomoléculas 249
19.4.1. Reacciones en las que intervienen aminas 249
19.4.2. Reacciones en las que intervienen tioles 250
19.4.3. Reacciones en las que intervienen grupos carboxilo 251
19.4.4. Agentes entrecruzantes 252
19.5. Biomateriales médicos de microestructura jerarquizada 252

BLOQUE IV: Principios de Biomimética 255
20. Introducción a la Física Estadística: determinación de la ecuación constitutiva de un material 259
20.1. Descripción termodinámica de los materiales 260
20.2. Cálculo de la energía libre de Helmholtz. Función de partición canónica 262
14 Materiales bilógicos y biomateriales
20.3. Sistemas con grados de libertad independientes 263
20.4. Física Estadística Clásica 266
21. Propiedades mecánicas de una cadena polimérica 271
21.1. Descripción físico-estadística de una cadena polimérica lineal 271
21.2. Cadena libremente enlazada 274
21.3. Cadena polimérica formada por osciladores armónicos simples unidimensionales 277
21.4. Origen elastomérico del comportamiento mecánico de la seda de araña supercontraída 277
22. Introducción al autoensamblaje: principios del ensamblaje molecular 281
22.1. Un ejemplo de estructuras autoensambladas: la anemia falciforme 281
22.2. Principios del ensamblaje molecular 284
23. Descripción físico-estadística de las macromoléculas 287
23.1. Definición de macromolécula. Aproximación de Born-Oppenheimer 287
23.2. Función de partición de una molécula poliatómica 288
23.3. Funciones de partición de una molécula poliatómica 291
23.4. Revisión de la cadena libremente enlazada 292
24. Termodinámica del autoensamblaje y jerarquización microestructural 295
24.1. Termodinámica del autoensamblaje 295
24.2. Jerarquización microestructural 300
25. Introducción a la genética molecular y a la ingeniería genética 301
25.1. Transmisión de la herencia: genes 301
25.2. Composición de los ácidos nucleicos 302
25.3. Estructura del ADN: la doble hélice 304
25.4. Tipos y funciones de ácidos ribonucleicos 308
25.5. Ingeniería Genética 311
Ejercicio I: Representación de la estructura tridimensional de macromoléculas 315
I.1. Introducción 315
I.2. Conformación de referencia 315
I.3. Construcción de la estructura tridimensional 316
I.4. Ejercicio de aplicación 318
Ejercicio II: Modelo microscópico del modulo de elasticidad de origen entálpico de una cadena polimérica 321
II.1. Introducción 321
II.2. Definición de la conformación 321
II.3. Formulación del problema mecánico 322
II.4. Resolución del problema mecánico mediante el establecimiento del equilibrio de fuerzas 323
II.5. Resolución del problema mecánico directamente utilizando la función del potencial 323
II.6. Determinación del módulo de elasticidad 323
Ejercicio III: Ecuación constitutiva de un material controlado por elasticidad de tipo entrópico 325
III.1. Introducción 325
III.2. Hipótesis del problema 325
III.3. Trabajo realizado por una cadena 326
III.4. Ecuación constitutiva obtenida en un ensayo de tracción 327
Bibliografía 329
Indice alfabético 337
Apéndices

El estudio de los Materiales Biológicos y los Biomateriales aúna algunas de las ramas científicas de más rápido crecimiento en el último siglo, tales como la Ciencia de los Materiales y la Biología Molecular. Precisamente este carácter intrínsecamente multidisciplinar es el causante de que a partir de estas materias esté surgiendo una disciplina nueva que promete importantes avances tanto desde el punto de vista de la Ciencia básica, como de sus aplicaciones.
La intención de este libro es la de introducir los aspectos que se consideran esenciales para poder iniciarse en el área de los Materiales Biológicos y Biomateriales, dotando al lector de una información básica completa que le sirva como punto de partida.