Si observamos los materiales básicos o más empleados por los organismos naturales para conseguir las propiedades necesarias para sus varias funciones mecánicas, nos daremos cuenta que comparándolos con la cantidad de materiales que se encuentran a disposición de los ingenieros son francamente muy pocos. Estos no tienen ninguna característica realmente muy destacable y, en relación con muchos materiales de ingeniería, no poseen ninguno de ellos una dureza o fuerza de tensión fuera de lo común. En otras palabras no pueden ser clasificados como materiales de altas prestaciones, sin embargo, y apuntando ya una de sus peculiaridades diremos que estos compuestos poseen una densidad mucho más baja que los demás. Su éxito, el que analizaremos muy detenidamente, no se debe a su composición, sino como estos se “interrelacionan”. De aquí extraemos una de las más importantes “leyes” o lecciones que nos aporta la biomimética: una extremadamente exitosa solución dada por la ingeniería no requiere raros y caros materiales. El bombardero De Havilland Mosquito, de la segunda guerra mundial, es un buen ejemplo de cómo de lejos puede llegarse con unos materiales tan primitivos, tales como madera, pero con un gran diseño, inventiva y creatividad.
El profesor Jim Gordon menciona en su obra “la nueva ciencia de los fuertes materiales” (“The New Science of Strong Materials”), que cuando tratamos con fibras reforzadas muy heterogéneas (el caso de la mayoría de los biomateriales), es de una importancia vital diferenciar entre materiales y estructuras. En la biología dicha distinción es aún si cabe más importante, ya que entre las cadenas macromoleculares poliméricas (con dimensiones medidas en nanómetros) y los órganos (medido en mm o incluso metros), existen una multitud de estructuras las cuales representan diferentes niveles a los cuales se le van añadiendo diferentes materiales. Estas jerarquías y este tipo de organización se da en todos los compuestos biológicos.
El análisis de estas estructuras es muy difícil debido sobre todo a la complejidad de estas, sin embargo, el grado de interacción entre los sub-elementos dentro del nivel jerárquico y la relación misma entre estos mismos niveles son los responsables de la variación de propiedades tales como dureza, fragilidad, elasticidad, etc. Y a su vez todo esta integración, optimización o podríamos definirlo como “trabajo de sastrería” se lleva a cabo por unos determinados requerimientos o fines. Si comparamos el grado de interrelación entre los niveles y el número de los mismos en la naturaleza, con los creados por el hombre nos daremos cuenta que estas estructuras llegan mucho más lejos en perfeccionamiento que las nuestras.
Tanto el erizo como el puercoespín poseen púas o espinas que les cubren. A simple vista diríamos que son iguales, ya que tanto su “estructura” (forma de tubo), como los materiales que la componen (queratina y proteínas varias) son las mismas. Sin embargo, ya a simple vista podemos ver que las púas del puercoespín son un poco más largas y gruesas que las del erizo, mientras las del erizo están más fuertemente adheridas al cuero del puercoespín (incluso podemos sostener a un erizo por una de sus púas) y además están ligeramente curvadas. Todo esto lo traducimos diciendo que la función de las púas del puercoespín tienen una mayor función defensiva, mientras las del erizo son empleadas para la absorción de golpes. Ahora podemos aplicar lo explicado en el párrafo anterior. A pesar que los materiales son los mismos en los dos casos, cada clase de púa tiene unas propiedades diferentes debido a que su función es diferente , y esta “especialización” de la púa se debe que aunque poseen los mismos materiales, estos en cada caso están relacionados entre si de diferente forma adquiriendo ciertas propiedades.
Muchas son las ventajas que poseen la manera en que los organismos sintetizan los materiales, pero debemos destacar a la baja temperatura (ambiente) en la que esto sucede, en la cual materiales con excelentes propiedades pueden ser realizados, mientras el hombre necesita de unas muy altas temperaturas para la creación de sus materiales. El único inconveniente de este proceso es la velocidad con que se sintetiza la materia. El hueso más rápido crece alrededor de 1um al día.
Sin embargo cuando hablamos de biomateriales, no sólo tenemos que centrarnos en su síntesis. Hoy más que nunca, tenemos que aprender de cómo la naturaleza repara y recicla toda la materia. Cuando en un organismo es necesario “reparar algo”, podría surgir la siguiente pregunta: ¿es energéticamente más barato producir suficiente materia para sustituir a la dañada (con los posibles problemas en la producción, el peligro que conlleva el transporte hasta la zona afectada y la posibilidad final de algún que otro fallo) o es mejor reparar el material dañado, aportando la energía necesaria mientras el proceso de reparación se lleve a cabo, teniendo que llevar una cantidad menor de material a la zona afectada? La respuesta del hombre a esta pregunta suele ser la primera opción, sin embargo para cualquier organismo la opción acertada es la segunda. Esto se debe a que, tecnológicamente hablando, la materia en la naturaleza es muy cara es muy cara. Además, no se trata de poder reparar los materiales dañados, sino aprovechar al máximo el material que se ha sintetizado. El exoesqueleto de insectos o por ejemplo cangrejos, tiene que ser renovada para permitir al individuo crecer. Al principio, esta nueva envoltura es muy débil, sin embargo rápidamente va tomando consistencia, esto se debe a que el nuevo exoesqueleto crece y se endurece de forma rápida y barata usando recursos de la anterior envoltura. Otro ejemplo de aprovechamiento al máximo de los materiales lo encontramos en los árboles. Las capas más externas de las plantas, tales como tejido suberoso, o un poco más interiores como el xilema, está compuesto por materia muerta. Las funciones que pueden llevar a cabo, ya sea de protección (súber) o como tejido conductor (xilema) sólo requieren la energía de sintetizar esa materia, después, al ser materia muerta no requiere ningún otro “cuidado” especial por el cual el individuo se vea obligado a gastar energía. Viéndose a si el individuo con ciertas necesidades resueltas, mayor cantidad de masa, pero sin un gasto extra de energía.
Actualmente los biomateriales están tomando gran importancia dentro de la ingeniería. Celulosa, quitina, colágeno,..., etc. están siendo investigados a fondo dentro de los diferentes tejidos que componen, con el objetivo de poder utilizarlos. Los cristales líquidos, los materiales de implantes dentales o nuevos materiales cerámicos basados en la estructura de las conchas de crustáceos, son el fruto del trabajo de los nuevos centros y departamentos de investigación de materiales que están proliferando por todo el mundo.
