Fibrillas

Las fibrillas (del latín fibra) son materiales biológicos estructurales que se encuentran en casi todos los organismos vivos. No debe confundirse con fibras o filamentos, las fibrillas tienden a tener diámetros que oscilan entre 10 y 100 nanómetros (mientras que las fibras son estructuras de escala micro a milimétrica y los filamentos tienen diámetros de aproximadamente 10 a 50 nanómetros). Las fibrillas generalmente no se encuentran solas, sino que son parte de estructuras jerárquicas más grandes que se encuentran comúnmente en los sistemas biológicos. Debido a la prevalencia de las fibrillas en los sistemas biológicos, su estudio es de gran importancia en los campos de la microbiología, la biomecánica y la ciencia de los materiales.

Estructura y mecánica

Las fibrillas están compuestas de biopolímeros lineales y se caracterizan por estructuras en forma de varilla con una alta relación de longitud a diámetro. A menudo se organizan espontáneamente en estructuras helicoidales. En problemas de biomecánica, las fibrillas se pueden caracterizar como haces clásicos con un área de sección transversal aproximadamente circular en la escala nanométrica. Como tal, se pueden aplicar ecuaciones simples de flexión del haz para calcular la resistencia a la flexión de las fibrillas en condiciones de carga ultrabaja. Como la mayoría de los biopolímeros, las relaciones tensión-deformación de las fibrillas tienden a mostrar una región puntera-talón característica antes que una región elástica lineal. A diferencia de los biopolímeros, las fibrillas no se comportan como materiales homogéneos, ya que se ha demostrado que el límite elástico varía con el volumen, lo que indica dependencias estructurales.Se ha demostrado que la hidratación produce un efecto notable en las propiedades mecánicas de los materiales fibrilares. Se ha demostrado que la presencia de agua disminuye la rigidez de las fibrillas de colágeno, así como también aumenta su tasa de relajación del estrés y su fuerza. Desde un punto de vista biológico, el contenido de agua actúa como un mecanismo de endurecimiento de las estructuras de fibrillas, lo que permite una mayor absorción de energía y una mayor capacidad de tensión.

Las propiedades de fortalecimiento mecánico de las fibrillas se originan a nivel molecular. Las fuerzas distribuidas en la fibra son cargas de tracción transportadas por la fibrilla y fuerzas de cizallamiento que se sienten debido a la interacción con otras moléculas de fibrilla. Como resultado, la resistencia a la fractura de las moléculas de colágeno individuales está controlada por la química covalente entre las moléculas. La resistencia al cizallamiento entre dos moléculas de colágeno está controlada por interacciones débiles dispersivas y de enlaces de hidrógeno y por algunos enlaces cruzados covalentes moleculares. El deslizamiento en el sistema ocurre cuando estos enlaces intermoleculares enfrentan un estrés aplicado mayor que su fuerza de interacción.La ruptura de los enlaces intermoleculares no conduce inmediatamente a la falla, por el contrario, juegan un papel esencial en la disipación de energía que reduce la tensión que siente el material en general y le permite resistir la fractura. Estos enlaces, a menudo enlaces de hidrógeno e interacciones dispersivas de Van der Waals, actúan como enlaces de "sacrificio", que existen con el fin de reducir la tensión en la red. Los enlaces cruzados covalentes moleculares también juegan un papel clave en la formación de redes de fibrillas. Si bien las moléculas entrecruzadas pueden dar lugar a estructuras fuertes, es más probable que se rompan demasiados entrecruzamientos en las redes de biopolímeros, ya que la red no puede disipar la energía, lo que da lugar a un material que es fuerte pero no resistente. Esto se observa en el colágeno deshidratado o envejecido, lo que explica por qué con la edad los tejidos humanos se vuelven más frágiles.

Las diferencias en la estructura entre las fibrillas de diferente origen se determinan típicamente por difracción de rayos X. Se puede usar un microscopio electrónico de barrido (SEM) para observar detalles específicos en especies de fibrillas más grandes, como las bandas características de 67 nm en el colágeno, pero a menudo no es lo suficientemente fino para determinar la estructura completa.

Contribuciones a las propiedades mecánicas de los biomateriales

Los materiales naturales muestran una combinación de propiedades mecánicas normalmente contradictorias (suavidad y dureza), debido a sus estructuras jerárquicas de fibrillas en múltiples escalas de longitud. Estas fibrillas a menudo están orientadas en una sola dirección, lo que genera una respuesta mecánica anisotrópica en el material biocompuesto resultante. Esta es una ventaja principal ya que la mayoría de estos materiales soportan tensiones en una sola dirección, por lo que una mayor tensión de fluencia y fractura en la dirección de la tensión aplicada garantiza la integridad estructural del material. Las fibrillas macro, micro y nano permiten que el material resista la fractura a través de una serie de mecanismos de resistencia a la fractura:

1. Deslizamiento fibrilar, o el proceso de cizallamiento cuando se aplica la carga, lo que permite la plasticidad
2. Puente de fibrillas a través de la región de una fisura
3. Desviación de grietas en la punta de la grieta, donde la concentración de tensión puede llevar a una mayor propagación y eventual falla.

Estos mecanismos trabajan en conjunto para resistir la fractura, lo que permite que estos materiales soporten millones de ciclos de carga sin fallar, algo esencial para los seres vivos móviles. Otra ventaja mecánica de los biopolímeros es su capacidad para deformarse, como resultado de la existencia de fuertes estructuras fibrilares en un material de matriz más flexible. La buena deformabilidad de las matrices interfaciales juega un papel clave al permitir la reorientación de los constituyentes durante la deformación.

La fibrilogénesis es la expansión de fibrillas finas que es común en las fibras de colágeno del tejido conectivo. Los mecanismos definitivos de la fibrilogénesis aún se desconocen, aunque muchas hipótesis resultantes de la investigación básica ayudan a descubrir muchos mecanismos posibles. En los primeros experimentos, el colágeno I podía destilarse de los tejidos y recombinarse en fibrillas controlando las soluciones. Estudios posteriores ayudan a comprender la composición y la estructura de los sitios de unión en los monómeros de colágeno. El colágeno se sintetiza como un precursor soluble, el procolágeno, que favorece el autoensamblaje del colágeno. Dado que las fibrillas de colágeno tienen casi 50 componentes de unión in vivo, el requisito definitivo para generar fibrilogénesis in vivo sigue siendo críptico.

Con una solución ácida o salina, el colágeno se puede extraer de los tejidos y reorganizarse en fibrillas cambiando la temperatura o el valor del pH. Los experimentos descubrieron una fuerza de atracción entre los monómeros de colágeno que ayuda a la reorganización. El colágeno sirve como precursor, procolágeno, en la reacción de síntesis, que identifica la autopolimerización del colágeno.

Procesos naturales

Hay más de 30 colágenos en la naturaleza que son similares en composición química pero difieren en términos de estructura cristalina. Con mucho, el colágeno I y II son los más abundantes. Ellos forman fibrillas in vitro por iniciativa propia, mientras que la fibronectina, las integrinas que se unen a la fibronectina, las que se unen al colágeno y el colágeno V son esenciales para la formación del colágeno I y el colágeno XI para la formación del colágeno II. Por lo tanto, los mecanismos celulares juegan un papel clave en el proceso de autoensamblaje de proteínas.

En animales

Colágeno

El colágeno es la principal proteína estructural fuera de las células en muchos tejidos conectivos de los animales. Como componente principal del tejido conectivo, tiene la mayor cantidad de proteínas en los mamíferos, ocupando del 25% al ​​35% de todo el contenido de proteínas en el cuerpo.

Las fibrillas de colágeno están empaquetadas en una estructura engarzada. La curva de tensión/deformación del colágeno, como el tendón, se puede subdividir en varias regiones. La región de pequeñas deformaciones, región "toe", corresponde a la eliminación de un rizado macroscópico, desrizado, en las fibrillas de colágeno, visible al microscopio óptico. En deformaciones más grandes, "talón" y región "lineal", no hay más cambios estructurales visibles.

El tropocolágeno es el componente molecular de la fibra, que consta de tres cadenas polipeptídicas levógiras (roja, verde, azul) enrolladas una alrededor de la otra, formando una triple hélice dextrógira.

Actina y miosina

Los músculos se contraen y estiran a través del deslizamiento/agarre orientable de la miosina que interactúa con las fibras de actina. La actina consta de dos polipéptidos en una hélice y la miosina tiene una pequeña estructura en forma de corazón, de puente cruzado. Los procesos de unión y desunión de la unión de puentes cruzados en el filamento de actina ayudan al movimiento relativo de estos colágenos y, por lo tanto, de todo el músculo.

Elastina y queratina

La elastina es una proteína fibrosa común en varios tejidos blandos, como la piel, los vasos sanguíneos y el tejido pulmonar. Cada monómero se conecta entre sí, formando una red 3D, con capacidad para soportar más del 200 % de tensión antes de la deformación.

La queratina es una proteína estructural que se encuentra principalmente en el cabello, las uñas, las pezuñas, los cuernos y las púas. Básicamente, la queratina está formada por cadenas polipeptídicas, que se enrollan en hélices α con enlaces cruzados de azufre o se unen en láminas β unidas por enlaces de hidrógeno. La queratina β, que es más resistente que la conformación α, es más común en aves y reptiles.

Resilina y seda de araña

La resilina es una proteína de insecto elastomérica, que consta de una estructura de hélices α y láminas β. Es una de las proteínas más resistentes de la naturaleza. Tiene una rigidez baja ~0.6MPa pero un alto porcentaje de restauración de energía ~98%, y ayuda de manera eficiente a los insectos voladores a aletear o a las pulgas a saltar.

La fibrilla de seda de araña está compuesta por una estructura rígida de láminas β cristalizadas, responsable de la resistencia, y una matriz amorfa que la rodea, lo que mejora la dureza y la capacidad de elongación. Tiene una resistencia a la tracción y una ductilidad excepcionalmente altas, con una densidad respectivamente baja, en comparación con otras fibrillas naturales. Su característica varía de diferentes tipos de araña para diferentes utilidades.

En las plantas

Celulosa

La pared celular primaria deriva su notable resistencia a la tracción de las moléculas de celulosa, o cadenas largas de residuos de glucosa estabilizados por enlaces de hidrógeno. Se observa que las cadenas de celulosa se alinean en matrices paralelas superpuestas, con la polaridad similar formando una microfibrilla de celulosa. En las plantas, estas microfibrillas de celulosa se organizan en capas, conocidas formalmente como laminillas, y se estabilizan en la pared celular por moléculas de glicano de entrecruzamiento largo en la superficie. Las moléculas de glicano aumentan la complejidad de las redes potenciales en las que se puede configurar la celulosa de origen vegetal. La pectina, que es un polisacárido que contiene muchas unidades de ácido galacturónico cargadas negativamente, es coextensiva en la pared celular primaria tanto para las microfibrillas de celulosa como para las redes complementarias de glucano. Además, las microfibrillas de celulosa también contribuyen a la forma de la planta a través de la expansión celular controlada. La disposición estereoscópica de las microfibrillas en la pared celular crea sistemas de presión de turgencia que finalmente conducen al crecimiento y expansión celular. Las microfibrillas de celulosa son macromoléculas de matriz únicas, ya que se ensamblan mediante enzimas de celulosa sintasa ubicadas en la superficie extracelular de la membrana plasmática. Se cree que la planta puede "anticipar su morfología futura controlando la orientación de las microfibrillas" mediante un mecanismo en el que las microfibrillas de celulosa se organizan sobre una matriz cortical de microtúbulos.

Amilosa

Se dice que la agitación de una muestra dada de amilosa forma cristales fibrilares que precipitan fuera de las aguas madres. Estas largas fibrillas se pueden visualizar mediante microscopía electrónica que revela estrías transversales que se asemejan a un shish-kebab. Las fibrillas de amilosa se clasifican con una de dos morfologías: unas con pequeñas fibrillas en forma de varilla y otras con cristales en forma de listón.

Madera

Se dice que la estructura fibrilar de la madera juega un papel importante tanto en la estabilidad mecánica como en la capacidad de la madera para poseer canales para transportar minerales y agua. Se informa que la madera de abeto (Picea abies), entre otras, posee fibrillas de celulosa con un diámetro normalizado de 2,5 nm. También existe un vínculo informado entre la edad de la madera y el ángulo espiral de las fibrillas con respecto a la dirección longitudinal. Se dice que la madera temprana tiene un ángulo de reposo constante de 4,6 ± 0,6°, mientras que la madera tardía tiene una región de transición de 4,6° a 19,8 ± 0,7°. En la madera tardía, las dos regiones de ángulo espiral de las fibrillas de celulosa no son continuas, lo que significa que hay dos estructuras traqueidas independientes en árboles "más viejos" que cumplen diferentes requisitos mecánicos. Además, las fibrillas orientadas longitudinalmente mejoran la resistencia a la tracción, mientras que la adición de fibrillas inclinadas a 20°, exclusivas de las traqueidas tardías, proporciona estabilidad frente a la compresión.

Biomimética y fibrillas

Propiedades de autolimpieza

Para imitar la fuerte adhesión, fácil desprendimiento y propiedades de autolimpieza de una almohadilla de geco, se puede crear un adhesivo a base de fibrilar. Estas características de rendimiento se derivan de la estructura jerárquica subyacente que consiste en un millón de microfibrillas llamadas setas que además consisten en miles de millones de ramas de tamaño nanométrico llamadas espátulas.

Imitar este fenómeno implica cuatro pasos de diseño distintos:

1. Fabricación de matrices micro/nanofibrilares alineadas verticalmente
2. Creación de varias formas de punta
3. Incluyendo geometría anisotrópica
4. Construyendo jerarquía.

Una matriz ósea madura

Para imitar una matriz ósea madura, se pueden usar fibrillas autoensambladas para alinear una matriz mineral determinada. Esto se logra utilizando una molécula de autoensamblaje con una cola de alquilo hidrófoba y una cabeza de oligopéptido hidrófilo. Estas moléculas forman estructuras micelares in situ y puentes disulfuro a pH bajo, lo que conduce a la formación y cristalización de nanofibrillas poliméricas de 200 kDa. La matriz mineral finalmente interactúa con la fibrilla sintética a través de un residuo de fosfoserina que da como resultado la nucleación y el crecimiento del mineral.