Helmut Cölfen: Biomateriales óseos y cemento de erizo de mar

Biominerales y Materiales de Base Biológica

Los biominerales son materiales compuestos naturales basados ​​en biomoléculas (como proteínas) y minerales producidos por organismos vivos a través de un proceso conocido como biomineralización [1]. Esencialmente, los biominerales son minerales formados por organismos vivos, y pueden variar desde pequeños microorganismos hasta humanos. Algunos de los ejemplos más comunes en el cuerpo humano incluyen huesos, hechos de fosfato de calcio, un tipo de biomineral de apatita, y dientes, que están hechos de marfil, otro tipo de apatita. Las conchas de ostras, mejillones y caracoles también están compuestas de esta diversa clase de minerales. [2]. Son exactamente estos biominerales los que investiga el Dr. Helmut Cölfen.

Además de ayudar a los organismos a funcionar de muchas maneras, los biominerales contienen información clave sobre el entorno que los rodea. Examinar las estructuras químicas de los biomateriales puede revelar pistas sobre el clima cambiante de la Tierra a lo largo del tiempo: si podemos entender cómo funcionaban los mecanismos de biomineralización en ese entonces, tal vez podamos usarlos como reglas generales al estudiar el futuro. [3].

Fue después de mirar imágenes de estos maravillosos biominerales que el Dr. Helmut Cölfen decidió basar su investigación en biominerales y cómo el proceso de biomineralización podría usarse para construir sistemas sintéticos útiles. En particular, su laboratorio investiga biominerales como nácar, conchas marinas y mejillones, espinas de erizo de mar y, más recientemente, huesos y dientes. Estos se utilizan como base para la fabricación de biomateriales, con amplias aplicaciones en medicina, odontología y construcción. [4].

Helmut Colfen Biomateriales oseos y cemento de erizo de mar

Figura 1: Aplicación de biomateriales como implantes en diferentes zonas del cuerpo humano.

Fuente: Manivasagam et al. (2010).

Biomateriales para huesos y dientes

Injertos óseos e implantes

Como un tejido/órgano importante en el cuerpo humano, el hueso juega un papel vital no solo en la protección de los órganos dentro del cuerpo sino también en la provisión de soporte mecánico. Además, puede coordinarse con el tejido muscular para realizar varios movimientos y responder a los cambios ambientales. Aunque el hueso tiene cierta capacidad de regeneración y autorreparación, los defectos óseos grandes causados ​​por traumatismos graves, cáncer o enfermedades congénitas solo pueden repararse mediante injertos óseos.

Los biomateriales óseos juegan un papel vital en la reparación ósea y ahora enfrentan una demanda creciente. El biomaterial específico y la estructura porosa pueden guiar y controlar el tipo, la estructura y la función del tejido regenerado. [5]. Los implantes óseos utilizados consisten en capas que imitan mejor el hueso natural del cuerpo, lo que hace que las células se conecten a estos implantes mucho más rápido en comparación con los tradicionales hechos de titanio. [4]. Los biomateriales utilizados en huesos y articulaciones, por tanto, reconstruyen o regeneran el sistema musculoesquelético y tienen una amplia aplicación en los campos de la ortopedia, la odontología y la neurocirugía.

Biomateriales de relleno de dientes

Helmut Colfen Biomateriales oseos y cemento de erizo de mar

Figura 2: Aplicación de biomateriales para el empaste dental

La caries dental (o caries) es una de las enfermedades más extendidas en el ser humano y se ha convertido en una pesada carga económica; también es un procedimiento notoriamente doloroso que implica que el dentista taladre agujeros en los dientes. Recientemente, se han desarrollado algunos biomateriales novedosos en la prevención y el tratamiento de caries y muestran amplias perspectivas de aplicación.

El Dr. Helmut Cölfen describe dos ramas de tratamiento: la primera tiene lugar antes de que se desarrolle la caries y, por lo tanto, aún no requiere el procedimiento mencionado anteriormente. Este suele ser el caso de agujeros de tamaño micrométrico en los dientes. En esta primera ruta de tratamiento, el orificio se llena con un precursor líquido que se solidifica en fosfato de calcio, lo que cierra la cavidad y evita que se desarrolle más caries.

En el caso de caries desarrolladas que requieran perforación, los dentistas generalmente usan amalgama dental, debido a su idoneidad como material y bajo costo. Sin embargo, la presencia de mercurio, que es potencialmente tóxico si se produce una fuga, en las amalgamas dentales exige la síntesis de alternativas más seguras y sostenibles. El Dr. Cölfen sugiere utilizar una pasta dental compuesta por biomaterial – compuesto por fosfato de calcio y gelatina, su consistencia puede variar dependiendo de la cantidad de agua añadida por el odontólogo [4].

El curioso caso de los erizos de mar

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Figura 3: Una mirada más cercana a las espinas de los erizos de mar

Si bien pisar las espinas de un erizo de mar es una experiencia poco placentera, las estructuras puntiagudas son en realidad elementos protectores vitales para el organismo y evitan que sea aplastado por nuestro pie. Las espinas de erizo de mar están hechas de calcita dura pero quebradiza, esencialmente tiza, que normalmente se rompe fácilmente. Pero la calcita de los erizos de mar es súper fuerte porque es monocristalina; es decir, se ordena regularmente como filas de ladrillos, mientras que las finas capas amorfas entre ellos funcionan como un mortero que evita que se desarrollen grietas. [6].

Inspirándose en esta propiedad, el Dr. Helmut Cölfen y su equipo desarrollaron una nueva forma de concreto, esencialmente, una modificación del cemento que le permitió ser más elástico y resistente a las grietas al darle una estructura que imita la arquitectura a nanoescala de las espinas de los erizos de mar. . El cemento tradicional, aunque fuerte y resistente a la tensión, tiene tendencia a agrietarse cuando se dobla; estas grietas se ven exacerbadas por el agua. La variante creada por el Dr. Cölfen aborda este problema, creando un material resistente a las fracturas. Sorprendentemente, este nuevo cemento podría crear concreto entre 40 y 100 veces más resistente que las mezclas actuales.

Aprende más

Si desea saber más sobre el fascinante mundo de los biomateriales y sus aplicaciones, visítenos en Spotify para escuchar nuestro podcast ChemTalk con el Dr. Helmut Cölfen, profesor de química física en la Universidad de Konstanz, para obtener más información sobre los beneficios del mar. cemento de erizo, cómo se topó por primera vez con los biomateriales y qué considera esencial para aquellos que siguen una carrera en las ciencias.

Encuentre el podcast ChemTalk aquí.

Trabajos citados

[1] ​​CURRAN, MA MATERIALES DE BASE BIOLÓGICA. Enciclopedia de tecnología química de Kirk-Othmer, ISBN: 9780471238966. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, 1-19, (2010).

[2] “Biominerales”. Youtube, subido por L’ÉCOLE, School of Jewelry Arts, 28 de abril de 2020, https://www.youtube.com/watch?v=W1bNsgIemFQ

[3] Eisenstadt, Abigail. «Cómo los biominerales son peldaños para la investigación del cambio climático». Revista Smithsonian. 22 de abril de 2021.

[4] COLFEN, Helmut. Entrevista personal. Dirigida por Olivia Lambertson. Diciembre 2022.

[5] Gao, C., Peng, S., Feng, P. et al. Biomateriales óseos e interacciones con células madre. Res. ósea 5, 17059 (2017). https://doi.org/10.1038/boneres.2017.59

[6] Urquhart, James. «Las espinas de los erizos de mar inspiran hormigón elástico». Mundo de la Química. 5 de diciembre de 2017.

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