Pocas estructuras en la naturaleza son tan resistentes y duraderas como los dientes o las conchas marinas. El secreto de estos materiales reside en su estructura fina única: están compuestos por distintas capas en las que numerosas micro-plaquetas se unen, alineadas con la misma orientación en cada capa.
Aunque existen métodos que permiten a los científicos de materiales imitar el nácar, ha sido un desafío crear un material que imite la concha marina completa, con propiedades comparables y una complejidad estructural similar.
Ahora, un grupo de investigadores dirigido por André Studart, catedrático de Materiales Complejos, ha desarrollado un nuevo procedimiento que imita casi a la perfección el modelo natural. Los científicos lograron producir un material resistente y multicapa basado en el principio constructivo 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 idéntica orientación en cada capa.
Es un procedimiento que los investigadores de ETH denominan colada en barbotina asistida magnéticamente (MASC, por sus siglas en inglés). «Lo maravilloso de nuestro nuevo procedimiento es que se basa en una técnica de hace 100 años y la combina con la investigación de materiales moderna», afirma Tobias Niebel, doctorando de Studart y coautor de un estudio recién publicado en la revista especializada Nature Materials.
Recuperación de una técnica de 100 años de antigüedad
Así funciona MASC: los investigadores primero crean un molde de escayola que sirve como matriz. En este molde vierten una suspensión que contiene plaquetas cerámicas magnetizadas, como plaquetas de óxido de aluminio. Los poros del molde de escayola absorben lentamente el líquido de la suspensión, lo que hace que el material se solidifique y endurezca de fuera hacia dentro.
Los científicos crean una estructura ordenada en forma de capas aplicando un campo magnético durante el proceso de colada, cambiando su orientación a intervalos regulares. Mientras el material permanece líquido, las plaquetas cerámicas se alinean con el campo magnético. En el material solidificado, las plaquetas conservan su orientación.
Mediante la composición de la suspensión y la dirección de las plaquetas, puede utilizarse un proceso continuo para producir múltiples capas con propiedades materiales diferentes en un solo objeto. Así se crean materiales complejos que son imitaciones casi perfectas de sus modelos naturales, como el nácar o el esmalte dental. «Nuestra técnica es similar a la impresión 3D, pero 10 veces más rápida y mucho más rentable», afirma Florian Bouville, posdoctorando de Studart y coautor principal del estudio.
Dientes artificiales a partir de moldes de colada
Para demostrar el potencial de la técnica MASC, el grupo de investigación de Studart fabricó un diente artificial con una microestructura que imita la de un diente real. La superficie del diente artificial es tan dura y estructuralmente compleja como el esmalte dental real, mientras que la capa inferior es resistente, igual que la dentina del modelo natural.
La coautora principal del estudio, la doctoranda Hortense Le Ferrand, y sus colegas comenzaron creando un molde de escayola de una muela del juicio humana. A continuación, llenaron este molde con una suspensión que contenía plaquetas de óxido de aluminio y nanopartículas de vidrio como mortero. Con ayuda de un imán, alinearon las plaquetas perpendicularmente a la superficie del objeto. Una vez seca la primera capa, los científicos vertieron una segunda suspensión en el mismo molde. Sin embargo, esta suspensión no contenía partículas de vidrio. Las plaquetas de óxido de aluminio de la segunda capa se alinearon horizontalmente con respecto a la superficie del diente mediante el imán.
Esta estructura de doble capa se «coció» después a 1.600 grados para densificar y endurecer el material: el término sinterización es el que se usa para este proceso. Finalmente, los investigadores rellenaron los poros que quedaron tras la sinterización con un monómero sintético utilizado en odontología, que posteriormente polimerizó.
Los dientes artificiales se comportan exactamente como los reales
Los investigadores están muy satisfechos con el resultado. «El perfil de dureza y tenacidad obtenido del diente artificial se corresponde exactamente con el de un diente natural», afirma un Studart satisfecho. El procedimiento y el material resultante se prestan a aplicaciones en odontología.
Sin embargo, como señala Studart, el estudio actual es solo una primera prueba de concepto, que demuestra que la estructura fina natural de un diente puede reproducirse en el laboratorio. «El aspecto del material debe mejorarse significativamente antes de que pueda utilizarse para prótesis dentales.» No obstante, como explica Studart, el diente artificial muestra claramente que puede lograrse cierto grado de control sobre la microestructura de un material compuesto, algo que hasta ahora solo estaba al alcance de los organismos vivos. Una parte del proceso MASC, la imantación y orientación de las plaquetas cerámicas, ya ha sido patentada.
No obstante, el nuevo proceso de producción de estos complejos materiales biomiméticos también tiene otras posibles aplicaciones. Por ejemplo, podrían utilizarse plaquetas de cobre en lugar de plaquetas de óxido de aluminio, lo que permitiría emplear estos materiales en electrónica. «Las sustancias base y la orientación de las plaquetas pueden combinarse según se requiera, lo que permite fabricar de forma rápida y sencilla una amplia gama de tipos de material con propiedades diversas», afirma Studart.
Este artículo se publica en colaboración con ETH Zurich. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autor: Peter Rüegg escribe para ETH Zurich.
Imagen: Un modelo expositivo de un implante dental se ve en la planta de fabricación de Nobel Biocare en Yorba Linda, California REUTERS/Mike Blake
