A la izquierda, el diente natural; en el centro, el artificial, a falta de llenar sus poros con el monómero; y a la derecha, el producto terminado. Imagen: Tobias Niebel. Fuente: ETH Zurich.
Hay pocas estructuras en la naturaleza más duras y duraderas que los dientes o conchas marinas. El secreto de estos materiales radica en una estructura fina única: se componen de diferentes capas en las que se unen entre sí numerosas micro-plaquetas, alineadas en orientación idéntica en cada capa.
Aunque existen métodos que permiten a los científicos de materiales imitar el nácar, era un reto crear un material que imitara a toda la concha, con propiedades y complejidad estructural comparables.
Ahora un grupo de investigadores de la Escuela Politécnica Federal (ETH) de Zúrich (Suiza), dirigidos por André Studart, profesor de Materiales Complejos, ha desarrollado un nuevo procedimiento que imita el modelo natural casi a la perfección. Los científicos fueron capaces de producir un material resistente, de múltiples capas, basado en el principio de la construcción de los dientes o las conchas marinas.
Los investigadores de ETH consiguieron, por primera vez, recrear en una sola pieza compleja las múltiples capas de micro-plaquetas con orientación idéntica en cada capa.
Es un procedimiento que los investigadores de ETH llaman colaje de suspensiones asistido magnéticamente (MASC, por sus siglas en inglés). "Lo maravilloso de nuestro nuevo procedimiento es que se basa en una técnica que tiene 100 años, y la combina con la investigación de materiales moderna", dice el estudiante de doctorado Tobias Niebel, co-autor de un estudio recién publicado en la revista especializada Nature Materials, en la información de ETH.
'Revival'
Así es como funciona MASC: los investigadores crean primero un molde de yeso, en el que vierten una suspensión que contiene plaquetas cerámicas magnetizadas, como plaquetas de óxido de aluminio. Los poros del molde de yeso absorben lentamente el líquido de la suspensión, lo que hace que el material se solidifique y se endurezca desde el exterior, hacia adentro.
Los científicos crean una estructura en forma de capa, mediante la aplicación de un campo magnético durante el proceso de fundición, cambiando su orientación a intervalos regulares. Mientras el material permanece en estado líquido, las plaquetas cerámicas se alinean con el campo magnético. En el material solidificado, las plaquetas conservan su orientación.
A través de la composición de la suspensión y la dirección de las plaquetas, el proceso puede ser utilizado para producir múltiples capas con diferentes propiedades de materiales. Esto crea materiales complejos que son casi perfectas imitaciones de sus modelos naturales, tales como el nácar o el esmalte de los dientes. "Nuestra técnica es similar a la impresión en 3D, pero 10 veces más rápida y mucho más rentable", dice Florian Bouville, post-doc con Studart y co-autor principal del estudio.
Aunque existen métodos que permiten a los científicos de materiales imitar el nácar, era un reto crear un material que imitara a toda la concha, con propiedades y complejidad estructural comparables.
Ahora un grupo de investigadores de la Escuela Politécnica Federal (ETH) de Zúrich (Suiza), dirigidos por André Studart, profesor de Materiales Complejos, ha desarrollado un nuevo procedimiento que imita el modelo natural casi a la perfección. Los científicos fueron capaces de producir un material resistente, de múltiples capas, basado en el principio de la construcción de los dientes o las conchas marinas.
Los investigadores de ETH consiguieron, por primera vez, recrear en una sola pieza compleja las múltiples capas de micro-plaquetas con orientación idéntica en cada capa.
Es un procedimiento que los investigadores de ETH llaman colaje de suspensiones asistido magnéticamente (MASC, por sus siglas en inglés). "Lo maravilloso de nuestro nuevo procedimiento es que se basa en una técnica que tiene 100 años, y la combina con la investigación de materiales moderna", dice el estudiante de doctorado Tobias Niebel, co-autor de un estudio recién publicado en la revista especializada Nature Materials, en la información de ETH.
'Revival'
Así es como funciona MASC: los investigadores crean primero un molde de yeso, en el que vierten una suspensión que contiene plaquetas cerámicas magnetizadas, como plaquetas de óxido de aluminio. Los poros del molde de yeso absorben lentamente el líquido de la suspensión, lo que hace que el material se solidifique y se endurezca desde el exterior, hacia adentro.
Los científicos crean una estructura en forma de capa, mediante la aplicación de un campo magnético durante el proceso de fundición, cambiando su orientación a intervalos regulares. Mientras el material permanece en estado líquido, las plaquetas cerámicas se alinean con el campo magnético. En el material solidificado, las plaquetas conservan su orientación.
A través de la composición de la suspensión y la dirección de las plaquetas, el proceso puede ser utilizado para producir múltiples capas con diferentes propiedades de materiales. Esto crea materiales complejos que son casi perfectas imitaciones de sus modelos naturales, tales como el nácar o el esmalte de los dientes. "Nuestra técnica es similar a la impresión en 3D, pero 10 veces más rápida y mucho más rentable", dice Florian Bouville, post-doc con Studart y co-autor principal del estudio.
Dientes artificiales
Para demostrar el potencial de la técnica MASC, el grupo de investigación de Studart produjo un diente artificial con una microestructura que imita la de un diente real. La superficie del diente artificial es tan fuerte y estructuralmente compleja como el esmalte de los dientes reales, mientras que la capa de debajo es dura, al igual que la dentina del modelo natural.
Los investigadores comenzaron creando un molde de yeso de una muela del juicio humano. Luego llenaron este molde con una suspensión que contenía plaquetas de óxido de aluminio y nanopartículas de vidrio como mortero. Usando un imán, alinearon las plaquetas perpendicularmente a la superficie del objeto. Una vez que la primera capa se secó, los científicos vertieron una segunda suspensión en el mismo molde. Esta suspensión, sin embargo, no contenía partículas de vidrio. Las plaquetas de óxido de aluminio de la segunda capa fueron alineadas horizontalmente a la superficie del diente usando el imán.
Esta estructura de doble capa fue luego calentada a 1.600 grados para densificar y endurecer el material (sinterización). Por último, los investigadores llenaron los poros que quedaron después con un monómero sintético utilizado en odontología, que posteriormente se polimeriza.
"El perfil de dureza y tenacidad obtenida con el diente artificial se corresponden exactamente con los de un diente natural", dice Studart. El procedimiento y el material resultante se prestan para aplicaciones en odontología.
Sin embargo, como señala Studart, el estudio actual es sólo una prueba de concepto inicial, que demuestra que la estructura fina natural de un diente se puede reproducir en el laboratorio. "El aspecto del material tiene que ser mejorado de manera significativa antes de que pueda ser utilizado para prótesis dentales".
Sin embargo, añade, el diente artificial demuestra claramente que se puede lograr un grado de control sobre la microestructura de un material compuesto, algo que previamente era sólo accesible para los organismos vivos. Una parte del proceso de MASC, la magnetización y la orientación de las plaquetas de cerámica, ya ha sido patentada.
El nuevo proceso de producción de tales materiales biomiméticos complejos también tiene otras aplicaciones potenciales. Por ejemplo, podrían utilizarse plaquetas de cobre en lugar de plaquetas de óxido de aluminio, para su uso en electrónica. "Las sustancias de base y la orientación de las plaquetas se pueden combinar según sea necesario, lo cual hace factible fabricar rápida y fácilmente una amplia gama de diferentes tipos de materiales con diferentes propiedades", dice Studart.
Para demostrar el potencial de la técnica MASC, el grupo de investigación de Studart produjo un diente artificial con una microestructura que imita la de un diente real. La superficie del diente artificial es tan fuerte y estructuralmente compleja como el esmalte de los dientes reales, mientras que la capa de debajo es dura, al igual que la dentina del modelo natural.
Los investigadores comenzaron creando un molde de yeso de una muela del juicio humano. Luego llenaron este molde con una suspensión que contenía plaquetas de óxido de aluminio y nanopartículas de vidrio como mortero. Usando un imán, alinearon las plaquetas perpendicularmente a la superficie del objeto. Una vez que la primera capa se secó, los científicos vertieron una segunda suspensión en el mismo molde. Esta suspensión, sin embargo, no contenía partículas de vidrio. Las plaquetas de óxido de aluminio de la segunda capa fueron alineadas horizontalmente a la superficie del diente usando el imán.
Esta estructura de doble capa fue luego calentada a 1.600 grados para densificar y endurecer el material (sinterización). Por último, los investigadores llenaron los poros que quedaron después con un monómero sintético utilizado en odontología, que posteriormente se polimeriza.
"El perfil de dureza y tenacidad obtenida con el diente artificial se corresponden exactamente con los de un diente natural", dice Studart. El procedimiento y el material resultante se prestan para aplicaciones en odontología.
Sin embargo, como señala Studart, el estudio actual es sólo una prueba de concepto inicial, que demuestra que la estructura fina natural de un diente se puede reproducir en el laboratorio. "El aspecto del material tiene que ser mejorado de manera significativa antes de que pueda ser utilizado para prótesis dentales".
Sin embargo, añade, el diente artificial demuestra claramente que se puede lograr un grado de control sobre la microestructura de un material compuesto, algo que previamente era sólo accesible para los organismos vivos. Una parte del proceso de MASC, la magnetización y la orientación de las plaquetas de cerámica, ya ha sido patentada.
El nuevo proceso de producción de tales materiales biomiméticos complejos también tiene otras aplicaciones potenciales. Por ejemplo, podrían utilizarse plaquetas de cobre en lugar de plaquetas de óxido de aluminio, para su uso en electrónica. "Las sustancias de base y la orientación de las plaquetas se pueden combinar según sea necesario, lo cual hace factible fabricar rápida y fácilmente una amplia gama de diferentes tipos de materiales con diferentes propiedades", dice Studart.
Referencia bibliográfica:
Hortense Le Ferrand, Florian Bouville, Tobias P. Niebel, André R. Studart: Magnetically assisted slip casting of bioinspired heterogeneous composites. Nature Materials (2015). DOI: 10.1038/nmat4419.
Hortense Le Ferrand, Florian Bouville, Tobias P. Niebel, André R. Studart: Magnetically assisted slip casting of bioinspired heterogeneous composites. Nature Materials (2015). DOI: 10.1038/nmat4419.