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Bioespuma

Las bioespumas son espumas biológicas o derivadas biológicamente , compuestas de sólidos celulares ligeros y porosos. Si bien es un término relativamente nuevo, su uso en el ámb...

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Las bioespumas son espumas biológicas o derivadas biológicamente , compuestas de sólidos celulares ligeros y porosos. Si bien es un término relativamente nuevo, su uso en el ámbito académico comenzó en la década de 1980 en relación con la capa que se formaba en las plantas de lodos activados . [ 1 ] [ 2 ]

El término bioespumas engloba una amplia variedad de temas, incluyendo espumas de origen natural y espumas producidas a partir de materiales biológicos como el aceite de soja y la celulosa . Las bioespumas han sido objeto de investigación continua, ya que las bioespumas sintetizadas se consideran alternativas a las espumas tradicionales derivadas del petróleo. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] Debido a la naturaleza variable de las espumas sintetizadas, estas pueden presentar diversas características y propiedades materiales que las hacen adecuadas para embalaje , aislamiento y otras aplicaciones.

Espumas de origen natural

Las espumas pueden formarse de forma natural en diversos organismos vivos. Por ejemplo, la madera, el corcho y la materia vegetal pueden contener componentes o estructuras espumosas. [ 6 ] Los hongos generalmente están compuestos de micelio , que se compone de filamentos huecos de nanofibras de quitina unidas a otros componentes. [ 7 ] Partes de animales como el hueso esponjoso , los caparazones de cangrejo herradura , los picos de tucán , las esponjas , los corales, las plumas y las astas contienen estructuras espumosas que disminuyen el peso total a expensas de otras propiedades del material. [ 6 ] [ 8 ] [ 9 ]

Estructuras como huesos, astas y caparazones tienen materiales resistentes que albergan materiales más débiles pero más ligeros en su interior. Los huesos tienden a tener regiones externas compactas y densas, que protegen el hueso esponjoso interno, similar a la espuma. [ 6 ] [ 8 ] El mismo principio se aplica a los caparazones de cangrejo herradura, los picos de tucán y las astas. [ 6 ] [ 9 ] [ 10 ] Las bárbulas y los raquis de las plumas contienen de manera similar espuma de celda cerrada. [ 6 ] [ 11 ]

Las espumas protectoras pueden formarse externamente por organismos progenitores o por huevos que interactúan con el medio ambiente: los huevos de tunicados se mezclan con agua de mar para crear una espuma líquida; los huevos de ranas arborícolas crecen en espumas proteicas sobre y sobre el agua (véase la Figura 1); ciertos peces de agua dulce depositan sus huevos en la espuma superficial de su mucosidad; los peces de aguas profundas producen huevos en vejigas natatorias de espumas de doble capa; y algunos insectos mantienen sus larvas en espuma. [ 12 ] [ 13 ]

Espumas sintéticas biomiméticas

Panal

Figura 2: Representación de varios patrones de panal [ 14 ]

El término "panal de abeja" se refiere a patrones bioinspirados que proporcionan un diseño ligero para estructuras de absorción de energía. Este diseño se encuentra en diversos componentes biológicos estructurales, como el hueso esponjoso y la vasculatura vegetal . Entre las estructuras de panal de abeja de inspiración biológica se incluyen las de Kelvin , Weaire y Floret (véase la Figura 2), cada una con una estructura ligeramente diferente a la del panal hexagonal natural . Estas variaciones del diseño biológico han dado como resultado una absorción de energía significativamente mejorada en comparación con la espuma biológica de panal hexagonal tradicional. [ 14 ]

Debido a estas mejores propiedades de absorción de energía, se están investigando estructuras inspiradas en el panal de abejas para su uso en las zonas de deformación programada de los vehículos . Al utilizar estructuras de panal de abejas como núcleo interno y rodear la estructura con una carcasa estructural más rígida, estos componentes pueden absorber la energía del impacto durante una colisión y reducir la cantidad de energía que experimenta el conductor. [ 15 ]

Aerogel

Figura 3: Aerogel de tubo de carbono macroscópico bioinspirado (CTA) comparado con el pelaje de un oso polar a gran aumento [ 16 ]

Los aerogeles pueden llenar grandes volúmenes con una cantidad mínima de material, lo que les confiere propiedades especiales como baja densidad y baja conductividad térmica . Estos aerogeles suelen tener estructuras internas clasificadas como estructuras de celdas abiertas o cerradas, [ 17 ] la misma estructura celular que se utiliza para definir muchas bioespumas de panal tridimensionales. También se están diseñando aerogeles para imitar las estructuras internas de espuma del pelo animal (véase la Figura 3). Estos aerogeles biomiméticos se investigan activamente por sus prometedoras propiedades elásticas y aislantes. [ 16 ]

Propiedades del material

Estructuras de celdas de espuma

Una espuma se considera de celda abierta si al menos dos de sus caras son agujeros en lugar de paredes. [ 18 ] En este caso, toda la carga sobre la espuma recae sobre las vigas transversales que forman los bordes de la celda. [ 6 ] Si no más de una de las paredes de la celda son agujeros, la espuma se considera de celda cerrada. [ 18 ] Para la mayoría de las espumas sintéticas, se observa una mezcla de celda cerrada y celda abierta debido a la ruptura de las celdas durante el proceso de espumado y la posterior solidificación de la matriz. [ 18 ] [ 5 ]

Las propiedades mecánicas de la espuma dependen entonces del carácter de celda cerrada de la espuma, como lo derivaron Gibson y Ashby: [ 19 ]

(mimis)∝(ρρs)2(1(1+ϕ)2)[1+ρρs(ϕ31+ϕ)]{\displaystyle \left({\frac {E}{E_{s}}}\right)\propto \left({\frac {\rho }{\rho _{s}}}\right)^{2}\left({\frac {1}{(1+\phi )^{2}}}\right)\left[1+{\frac {\rho }{\rho _{s}}}({\frac {\phi ^{3}}{1+\phi }})\right]}

Donde E es el módulo elástico , ρ es la densidad del material, φ es la relación entre el volumen de la cara y el volumen del borde del material, y el subíndice s denota la propiedad volumétrica del material en lugar de la de la muestra de espuma.

Espumas líquidas y sólidas

Para muchas espumas poliméricas, la espuma solidificada se forma mediante la polimerización y espumación de una mezcla de polímeros líquidos, dejando que esta se solidifique. [ 5 ] [ 12 ] [ 18 ] [ 3 ] Por lo tanto, los efectos del envejecimiento de la espuma líquida ocurren antes de la solidificación. En la espuma líquida, las fuerzas gravitacionales y las presiones internas provocan un flujo del líquido hacia el fondo de la espuma. [ 12 ] [ 20 ] Esto hace que algunas de las celdas de la espuma formen poliedros irregulares como drenajes de líquido, que son estructuras menos estables que las estructuras esféricas de una espuma tradicional. [ 12 ] Sin embargo, estas estructuras pueden estabilizarse mediante la presencia de un surfactante . [ 20 ]

La estructura de la espuma antes de la solidificación es inherentemente inestable, ya que los huecos presentes aumentan considerablemente la energía libre superficial de la estructura. [ 12 ] [ 20 ] En algunas bioespumas sintéticas, se puede utilizar un surfactante para reducir la energía libre superficial de la espuma y, por lo tanto, estabilizarla. En algunas bioespumas naturales, las proteínas pueden actuar como surfactantes para que las espumas se formen y se estabilicen. [ 12 ]

Refuerzo de fibra

Durante la solidificación de las bioespumas sintéticas, se pueden agregar fibras como agente de refuerzo para la matriz. [ 18 ] [ 4 ] Esto, además, creará un sitio de nucleación heterogéneo para las burbujas de aire de la propia espuma durante el proceso de espumado. [ 18 ] Sin embargo, a medida que aumenta el contenido de fibra, puede comenzar a inhibir la formación de la estructura celular de la matriz. [ 4 ]

Aplicaciones

Embalaje

Figura 4. PLA producido mediante polimerización por apertura de anillo de lactida. [ 21 ]

En relación con el embalaje, los almidones y los biopoliésteres componen estas bioespumas, ya que son sustitutos adecuados del poliestireno expandido . [ 22 ] Los ácidos polilácticos (PLA) son una forma común de la base de estas bioespumas, ya que ofrecen un sustituto para las espumas a base de poliolefinas que se utilizan comúnmente en piezas de automóviles, productos farmacéuticos e industrias de envases desechables de corta duración debido a sus propiedades de base biológica y biodegradables . [ 23 ] El PLA proviene de la formación de lactida producida a partir de ácido láctico debido a la fermentación bacteriana a través de la polimerización por apertura de anillo, en la cual el proceso se muestra en la Figura 4. [ 21 ]

El PLA no posee las características más deseables para la biodegradabilidad en la industria del embalaje, ya que contiene una baja temperatura de distorsión térmica y presenta características desfavorables de barrera al agua. [ 22 ] Por otro lado, se ha demostrado que el PLA posee propiedades de embalaje deseables, incluyendo altas propiedades de barrera a la luz ultravioleta y bajas temperaturas de fusión y transición vítrea. [ 24 ] Recientemente, el PGA se ha introducido en la industria del embalaje, ya que es un buen disolvente y comparable al PLA. La Tabla 1 muestra las características de ambas bioespumas y su comparación. [ 25 ] Como se muestra, el PGA contiene una fuerte estructura estereoquímica que, a su vez, le confiere altas propiedades de barrera y mecánicas, lo que lo hace deseable para la industria del embalaje. [ 25 ] Se ha explorado el estudio de la mezcla de PGA y PLA mediante la copolimerización para que el PGA ayude a mejorar las propiedades de barrera del PLA cuando se utiliza en el embalaje. [ 25 ]

Tabla 1: Propiedades del PLA en comparación con el PGA. [ 25 ]

Biomédica

Figura 5: PLA impreso en 3D basado en FFF sometido a prueba de compresión y su forma después de calentar la muestra por encima de su temperatura de transición vítrea (Tg). [ 21 ]

El bioespuma más popular en el uso de dispositivos biomédicos también es el PLA. Las propiedades del PLA también son deseables en aplicaciones biomédicas, especialmente en combinación con otros polímeros. [ 26 ] Específicamente, su biocompatibilidad y biodegradabilidad lo hacen favorable en la ingeniería de tejidos a través del uso de impresión 3D FDM. [ 26 ] El PLA funciona bien en estos entornos de impresión ya que su temperatura de transición vítrea y memoria de forma son pequeñas. [ 21 ] En estudios recientes, el PLA se ha combinado específicamente con hidroxiapatita (HA) para hacer que el módulo de la muestra sea más favorable para su aplicación en la reparación de fallas óseas. [ 26 ] Específicamente en ingeniería de tejidos, también se ha demostrado que la HA genera osteogénesis al activar osteoblastos y células preosteoblásticas. [ 27 ] La HA es un material fuerte, lo que la hace ideal para agregar al PLA debido a que el PLA tiene una tenacidad débil con un 10% de elongación antes de la falla. [ 26 ] Se utilizó la impresión 3D basada en FFF, así como las pruebas de compresión demostradas en la Figura 5. [ 21 ] Los resultados mostraron que la muestra tenía capacidad de autorreparación, lo que podría utilizarse en ciertas prácticas biomédicas. [ 21 ]

Impacto ambiental

Figura 7: Biodegradación de cubos de PU durante 12 semanas. La degradación se analizó mediante A) cambio de apariencia, B) masa del cubo y C) fuerza máxima a una deflexión de fuerza de compresión del 50 % (CFD). Las barras de error indican las desviaciones estándar de las mediciones por triplicado. Para la pérdida de masa del compost y del suelo, p < 0,01, y para la CFD del compost y del suelo, p < 0,01 (Tabla S2). [ 28 ]

Con la reciente atención prestada al cambio climático, el calentamiento global y la sostenibilidad, ha surgido una nueva ola de investigación sobre la creación y sostenibilidad de productos biodegradables. Esta investigación ha evolucionado para incluir la creación de bioespumas biodegradables, con la intención de reemplazar otras espumas que pueden ser perjudiciales para el medio ambiente o cuya producción puede ser insostenible. En esta línea, Gunawan et al. [ 28 ] llevaron a cabo una investigación para desarrollar “ productos de poliuretano comercialmente relevantes que puedan biodegradarse en el medio ambiente natural”. [ 28 ] Uno de estos productos son las chanclas, por lo que, como parte de la investigación, se creó un prototipo de chancla hecha de poliuretano derivado de algas (véase la Figura 7). [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] Esta investigación concluyó que, tanto en un entorno de compost como de suelo (con diferentes microorganismos presentes en cada entorno), se produce una degradación significativa en la espuma de poliuretano formulada a partir de aceite de algas. [ 28 ]

Figura 6: A) Síntesis y estructura de polioles de poliéster y poliuretano (PU) generales. B) Prototipo de chanclas de PU a base de algas Algenesis [ 28 ]

De manera similar, se han realizado investigaciones donde el aceite de algas (AO) y el aceite de palma residual (RPO) se han formulado en espuma de poliuretano en diferentes proporciones para determinar cuál tiene la biodegradabilidad óptima. El RPO se recupera de los residuos de las plantas de procesamiento de aceite de palma y es un subproducto de ese proceso de fabricación. Después de someterse a pruebas para determinar la biodegradabilidad, así como a un análisis termogravimétrico , el equipo determinó que el material podría utilizarse en aplicaciones como aislamiento o retardante de fuego , dependiendo de la proporción AO/RPO. [ 5 ]

Otro enfoque de la investigación sobre bioespumas es el desarrollo de bioespumas que no solo sean biodegradables, sino también rentables y requieran menos energía para su producción. Luo et al. han llevado a cabo investigaciones en esta área de bioespumas y, finalmente, han desarrollado una bioespuma producida a partir de un "mayor contenido de materiales de biorrecursos naturales" y utilizando un "número mínimo de pasos de procesamiento". [ 32 ] Los pasos de procesamiento incluyen el método de preparación de espuma en un solo recipiente publicado por F. Zhang y X. Luo en su artículo sobre el desarrollo de bioespumas de poliuretano como alternativa a las espumas a base de petróleo para aplicaciones específicas. [ 33 ]

Investigación en curso

Se han realizado esfuerzos de investigación para utilizar componentes naturales en la creación de productos de espuma potencialmente biodegradables. El micelio (Figura 8), el quitosano (Figura 9), el gluten de trigo (Figura 10) y la celulosa (Figura 11) se han utilizado para crear bioespumas con diferentes propósitos. [ 7 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 18 ] El ejemplo del gluten de trigo se utilizó en combinación con grafeno para intentar crear una bioespuma conductora. [ 35 ] Los ejemplos de bioespumas a base de micelio, quitosano y celulosa están destinados a convertirse en opciones de materiales rentables y de baja densidad. [ 7 ] [ 34 ] [ 18 ]

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