Podemos aprender mucho de la naturaleza en cuestión de adhesivos potentes. Un ejemplo claro es el mejillón o el percebe, capaces de anclarse a las superficies con mucha fuerza. Los ingenieros de la Universidad de Tufts han tomado nota de ellos y hoy informan sobre un nuevo tipo de pegamento inspirado en esos crustáceos obstinadamente adherentes en la revista Advanced Science.
Partiendo de la proteína de la seda fibrosa extraída de los gusanos de seda, pudieron replicar las características clave del adhesivo segregado por el 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.
Este nuevo adhesivo tiene la ventaja adicional de no ser tóxico, estar compuesto de materiales totalmente naturales y requiere muy poca cantidad para ser efectivo
«El compuesto que creamos no sólo 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«, comenta Fiorenzo Omenetto, profesor de ingeniería Frank C. Doble en la Tufts School of Engineering, director de Tufts Silklab donde se creó el material y autor correspondiente del estudio. «Y debido a que el material está hecho de fuentes biológicas extraídas y las químicas son benignas, provenientes de la naturaleza y a que hemos evitado en gran medida los pasos sintéticos o el uso de disolventes volátiles, también podría tener ventajas en la fabricación«.
El equipo de Silklab se centró en varios elementos clave para reproducir en adhesivos acuáticos. Los mejillones segregan filamentos largos y pegajosos 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 potencia cohesiva del biso.
Los percebes secretan un cemento fuerte hecho de proteínas que se forman en polímeros que se anclan en las superficies. Las proteínas de los polímeros de cemento de percebe pliegan sus cadenas de aminoácidos en láminas beta, una disposición en zig-zag que presenta superficies planas y muchas oportunidades para formar enlaces de hidrógeno fuertes con la siguiente proteína del polímero o con la superficie a la que se encuentra el filamento del polímero.
«Un adhesivo que incluso se parece a su contraparte natural bajo el microscopio»
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 para 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«, comenta Marco Lo Presti, becario postdoctoral en el laboratorio de Omenetto y primer autor del estudio. «Terminamos con un adhesivo que incluso se parece a su contraparte natural bajo el microscopio«.
Posibles aplicaciones médicas
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) al resistir fuerzas de cizallamiento. Es mejor que la mayoría de los adhesivos experimentales y comerciales existentes, y sólo está un poco por debajo que el adhesivo submarino más fuerte a 2.8 MPa. Sin embargo, este nuevo adhesivo tiene la ventaja adicional de no ser tóxico, estar compuesto de materiales totalmente naturales y requiere sólo 1-2 mg por cada 6,5 centímetros cuadrados para lograr esa unión, unas pocas gotas.
«La combinación de seguridad probable, uso conservador del material y resistencia superior sugiere una utilidad potencial para muchas aplicaciones industriales y marinas e incluso podría ser adecuada para usos orientados al consumidor, como el modelaje y el uso doméstico«, asegura el profesor Gianluca Farinola, colaborador en el 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 a explorar esas aplicaciones también«, agrega Omenetto.
Fuente: Advanced Science.
