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Materiales Biológicos Duros

Ejemplo de Material Biológico Duro: Hueso
Propiedades mecánicas del hueso
Estructura del hueso

Ejemplo de Material Biológico Duro: Cubierta diatomeas

Ejemplo de Material Biológico Duro: Exoesqueleto

Ejemplo de Material Biológico Duro: Madera

Funciones de los Materiales Biológicos Duros
Soporte del organismo
Protección
Requisitos: Rigidez y resistencia a la rotura

Estrategias en el diseño de Materiales Biológicos Duros
Empleo de biomoléculas (proteínas o polisacáridos) rígidas
Cuernos, Madera, exoesqueleto artópodos
Empleo de una fase orgánica y un refuerzo cerámico
Hueso, caparazón diatomeas, nácar

Materiales Biológicos Duros: Cuernos de bóvidos
Cornamenta Cuerno

Estructura primaria de la α queratina humana K1H1
MPYNFCLPSL SCRTSCSSRP CVPPSCHSCT LPGACNIPAN VSNCNWFCEG
SFNGSEKETM QFLNDRLASY LEKVRQLERD NAELENLIRE RSQQQEPLLC
PSYQSYFKTI EELQQKILCT KSENARLVVQ IDNAKLAADD FRTKYQTELS
LRHVVESDIN GLRRILDELT LCKSDLEAQV ESLKEELLCL KSNHEQEVNT
LRCQLGDRLN VEVDAAPTVD LNRVLNETRS QYEALVETNR REVEQWFTTQ
TEELNKQVVS SSEQLQSYQA EIIELRRTVN ALEIELQAQH NLRDSLENTL
TESEARYSSQ LSQVQSLITN VESQLAEIRS DLERQNQEYQ VLLDVRARLE
CEINTYRSLL ESEDCNLPSN PCATTNACSK PIGPCLSNPC TSCVPPAPCT
PCAPRPRCGP CNSFVR

Estructura primaria de la α queratina humana K1H1
MPYNFCLPSL SCRTSCSSRP CVPPSCHSCT LPGACNIPAN VSNCNWFCEG
SFNGSEKETM QFLNDRLASY LEKVRQLERD NAELENLIRE RSQQQEPLLC
PSYQSYFKTI EELQQKILCT KSENARLVVQ IDNAKLAADD FRTKYQTELS
LRHVVESDIN GLRRILDELT LCKSDLEAQV ESLKEELLCL KSNHEQEVNT
LRCQLGDRLN VEVDAAPTVD LNRVLNETRS QYEALVETNR REVEQWFTTQ
TEELNKQVVS SSEQLQSYQA EIIELRRTVN ALEIELQAQH NLRDSLENTL
TESEARYSSQ LSQVQSLITN VESQLAEIRS DLERQNQEYQ VLLDVRARLE
CEINTYRSLL ESEDCNLPSN PCATTNACSK PIGPCLSNPC TSCVPPAPCT
PCAPRPRCGP CNSFVR

Hélices α

Hélices α

Hélices α

Hélices α

Estructura jerarquizada del pelo

Materiales Biológicos Duros: Cuernos de bóvidos
E= 4,3 GPa
E= 6,1 GPa
σ= 155 MPa
σ= 122 MPa
Curva fuerza-desplazamiento de un cuerno de antílope

Cuerno: resumen de sus propiedades mecánicas
Contenido en agua(%)
Rigidez media a flexión (GPa)
Ef (GPa)
Em (GPa)
Vf
Vm
Gm (GPa)
Estimaciones de rigidez a flexión
Voigt (fibras infinitas)
Voigt (Longitud de 40nm)
Seco
0
6.1
6.1
6.1
0.61
0.39
2.3
6.1
6.1
Fresco
20
4.3
6.1
3.1
0.56
0.44
1.1
4.8
3.8
Húmedo
40
1.8
6.1
0.9
0.53
0.47
0.9
3.6
1.9

Resistencia mecánica del cuerno

Mecanismo de Gordon-Cook de desviación de grietas

Hidroxiapatita
Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2
Tejido de soporte
Ejemplos de Biominerales

Carbonato cálcico
CaCO 3
Protección
Ejemplos de Biominerales

Diatomeas
SiO 2
Protección
Radiolarios
SrSO 4
Protección
Ejemplos de Biominerales

Magnetita (Fe 3 O 4 )
Sensor Magnético
Ejemplos de Biominerales

Biomineralización frente a síntesis inorgánica
Policristales de alúmina
Biomineralización – Control:
Monocristales de
magnetita (Fe 3 O 4 )
-Composición
-Fase cristalográfica
-Formación de monocristales
-Orientación de los monocristales

Na +
Na +
Cl -
Cl -
Síntesis de sólidos a partir de una disolución
Cl -
Na +
Cl- Cl- Cl- Na +
Na +
Na +
Cl- Cl- Cl- Na +
Na +
Na +
Cl- Cl- Cl- Na +
Na +
Na +
La precipitación de un sólido depende de:
-Concentración
-Temperatura
-pH
-Presión
La formación de los primeros nanocristales
(nucleación) suele ser la etapa limitante

Procesos de biomineralización
-Proceso Biológicamente inducido
-Síntesis realizada en compartimentos (vesículas)
-Control sobre la composición en iones de la disolución
-Proceso Biológicamente controlado
-Síntesis mediada por la presencia de una matriz orgánica
sobre la que se nuclea el biomineral
- Ionotropía
-Epitaxis

Ejemplo: Formación de cristales de aragonito en molúscos
Atracción los iones de calcio a la proteína
Epitaxia entre la proteína y los cristales de aragonito