Engenharia com Queratina: Um material funcional e uma fonte de bioinspiração - Ciência e Engenharia de Materiais

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segunda-feira, 17 de abril de 2023

Engenharia com Queratina: Um material funcional e uma fonte de bioinspiração

  

Resumo: Os materiais à base de queratina se tornaram modelos para designs bioinspirados e têm sido aplicados até mesmo como um material funcional para aplicações biomédicas e compósitos reforçados com fibras sustentáveis. O artigo destaca as capacidades notáveis da queratina como componente biológico, fonte de inspiração de design e material de engenharia.


A queratina é um polímero biológico que compreende a maior parte dos apêndices epidérmicos de mamíferos, aves e répteis, incluindo unhas, cabelos, a camada externa da pele, penas, bicos, chifres, cascos, barbatanas de baleia, garras, escamas, lodo de peixe-bruxa e lagartixa almofadas. 


Além disso, a queratina possui propriedades intrínsecas desejáveis (biocompatibilidade, resposta à hidratação, rigidez, força e outros atributos). Como um material prontamente disponível e renovável, tem sido utilizado como matéria-prima em compósitos reforçados com fibras. 


Os materiais à base de queratina são frequentemente utilizados na natureza como componentes estruturais de suporte de carga que fornecem proteção e resistem a altas forças de impacto. Os sistemas queratinosos apresentam um desempenho admirável sob tais demandas mecânicas diversas, mesmo em comparação com alguns dos materiais de engenharia mais avançados.


Em resumo, pesquisas sobre o tecido queratinoso mecânico se concentram em várias características: túbulos (como encontrados no casco, chifre e barbatanas), estruturas lamelares (encontradas em todos os materiais queratinosos) e geometria em macroescala (como curvatura de cascos ou formato do chifre). 


Quando materiais compósitos incorporam túbulos ou lamelas, eles encontram uma resistência à fratura melhorada devido a interações de rachaduras nas interfaces dessas estruturas. Da mesma forma, as geometrias em escala macro são vias de inspiração práticas, mas amplamente inexploradas, para funções específicas, como impulsores ou pára-choques.


Quanto ao isolamento térmico, os sistemas queratinosos podem ser considerados um dos melhores isolantes da natureza em virtude de suas estruturas elaboradas que retêm o ar. Muitas fibras sintéticas produzidas são mais resistentes à transferência de calor, porém, com o sistema de aprisionamento do ar, os sistemas queratinosos naturais ainda são alguns dos isolantes térmicos mais excelentes. 


Como resultado, os pesquisadores tentaram recriar as configurações desses isoladores naturais em materiais de engenharia para aproveitar suas capacidades térmicas desejáveis. No que se refere a estruturas leves, o artigo traz que em aplicações de engenharia, as estruturas sanduíche são usadas por sua capacidade ultraleve de absorção de energia e resistência mecânica comparável em relação aos materiais a granel. 


As estruturas do tipo sanduíche podem ser adaptadas controlando as propriedades da face, do núcleo e sua geometria. Não se limitam apenas aos materiais de engenharia e são encontradas em abundância em sistemas baseados em queratina, incluindo bicos, penas, espinhos, barbatanas e espinhos. 


Além das excelentes propriedades mecânicas, leves e térmicas das penas das aves, esses materiais queratinosos também são conhecidos por exibir uma ampla diversidade de cores. Essa propriedade se deve em parte à coloração estrutural, que surge das interações da luz com uma matriz submicrônica de morfologias variadas que incluem estruturas multicamadas (como visto na mancha iridescente da garganta do beija-flor) ou cristais fotônicos bidimensionais (como visto em penas de pavão e pato selvagem).


A presença de pigmentos contribui para a coloração mais vibrante devido aos seus altos índices de refração e ampla absorção abrangendo a faixa UV-visível. A cor estrutural nas penas das aves pode ocorrer como iridescente ou não iridescente e é fortemente dependente da estrutura e organização. Normalmente, a ordem de longo alcance é responsável por produzir iridescência, enquanto a ordem de curto alcance não é iridescente. Assim, a cor estrutural nas penas das aves é altamente ajustável e, portanto, um candidato desejável para a bioinspiração, segundo os autores.


Até agora, foi visto como as estruturas queratinosas fornecem propriedades benéficas que podem ser usadas para inspirar projetos de engenharia. No entanto, a própria queratina tem sido frequentemente utilizada como material para várias aplicações devido às suas propriedades intrínsecas diferenciais. 


Recentemente, houve um aumento significativo no número de estudos biomédicos relacionados ao uso de biomateriais à base de queratina. Essa variedade de aplicações inclui biomedicina, bioeletrônica, formulações de biolubrificantes e fabricação de estruturas ósseas. A queratina é amplamente utilizada em aplicações biomédicas devido à sua biocompatibilidade, boa interação celular e biodegradabilidade. Os designs bioinspirados apresentados pelo artigo não são apenas usados para entender o sucesso dos materiais biológicos, mas também servem como uma plataforma para pesquisadores ampliarem as ideias de design natural além das limitações da natureza, estabelecendo as bases para a próxima geração de materiais funcionais. 


O artigo aborda muito mais aspectos e linhas de pesquisa, sendo uma leitura produtiva e recomendada para quem se interessar nesse universo de bioinspiração na engenharia. Sendo assim, concluímos que com tantas utilidades diferentes, entender e replicar estruturas semelhantes à queratina tem o potencial de tocar todos os cantos da sociedade, fortalecendo ainda mais a importância direta da engenharia de materiais.



Referência:
LAZARUS, B. S.; CHADHA, C.; VELASCO-HOGAN, A.; BARBOSA, J. D. V.; JASIUK, I.; MEYERS, M. A. “Engineering with keratin: A functional material and a source of bioinspiration”. iScience 24, 102798, August 20, 2021. https://doi.org/10.1016/j.isci.2021.102798



Redação: Rafael Andrade Taveira - UNILA

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