Nacre ultrastructureAmorphous precursors, aggregation and crystallization

Resumen

Resumen Los biominerales son materiales compuestos sintetizados por organismos. Un material compuesto se define como el resultante de la combinación de dos o más materiales distintos y estructuralmente complementarios. El material compuesto presenta ciertas propiedades estructurales o funcionales que no se encuentran en los componentes individuales, sino que resultan de su interacción. Estos componentes normalmente involucran una matriz orgánica y un material de refuerzo, organizados de una forma jerárquica. El hueso de vertebrados, las espinas de equinodermos y las conchas de moluscos son ejemplos de biomateriales compuestos. Los estudios de biomineralización tienen como objetivo entender la formación, estructura y propiedades de los minerales depositados por sistemas biológicos. Los moluscos son excelentes productores de biominerales. Haciendo uso de un reducido número de elementos (las conchas están compuestas principalmente de carbonato cálcico, en forma de calcita o aragonito, y un 1-5.5 % de materia orgánica), pueden producir más de una docena de microestructuras. Los cristales y la matriz orgánica se organizan en microestructuras, que se caracterizan por presentar relaciones espaciales y cristalográficas recurrentes. Frecuentemente las conchas están por capas con diferentes microestructuras, e incluso diferentes mineralogías. Para que esto ocurra, los organismos ejercen un exquisito control a varios niveles para regular el transporte, la agregación y la deposición del mineral. Los procesos de formación de las diferentes microestructuras son de gran interés, en parte debido a su aplicabilidad en el desarrollo de materiales biomiméticos. Uno de los temas candentes a día de hoy es la formación de materiales cristalinos a través de fases amorfas. Su descubrimiento atrajo gran interés científico, ya que los modelos clásicos de crecimiento cristalino desarrollados en el último siglo se basaban en mecanismos de adición de iones, pero no contemplaban el crecimiento mediante la adición de partículas de mayor tamaño. El presente trabajo aborda el tema de los precursores amorfos en una de las microestructuras de moluscos mejor estudiadas, el nácar. La presencia de carbonato cálcico amorfo (ACC, por sus siglas en inglés) en las tabletas de nácar en formación ha sido demostrada recientemente. Nuestra aproximación ha sido hacer un estudio de alta resolución aunando dos técnicas principales: imagen y análisis elemental. Hemos estudiado tres fases del proceso de formación del nácar usando como sistema modelo una especie de gasterópodo. Los gasterópodos tienen la peculiaridad de presentar una membrana densa (la membrana superficial) que cubre el compartimento de mineralización. Las membranas orgánicas (membranas interlamelares) se disponen en este compartimento y entre ellas crecen las placas minerales. Las placas de nácar de gasterópodos se apilan formando torres. Los tres bloques en los que se divide esta tesis doctoral se enumeran a continuación: - Determinación del mecanismo de transporte del ACC: función de las vesículas y dinámica de la membrana superficial. - Caracterización del ACC en las tabletas en formación (distribución y relación con la fase cristalina). - Estudio de la morfología resultante en las tabletas maduras (nanogranularidad). Para el primer bloque hemos usado microscopía electrónica de transmisión (TEM) y espectroscopía de pérdida de energía de electrones (EELS). Hemos visualizado y analizado las vesículas que segregan las células del manto y la membrana superficial. Los resultados muestran que algunas de estas vesículas transportan material rico en calcio unido a la superficie interna de la vesícula; también hemos encontrado calcio en la doble membrana de las vesículas. La membrana superficial y las membranas interlamelares muestran cierta cantidad de calcio. La membrana superficial sufre un proceso de cambio en su estructura y pasa de un aspecto denso y poco estructurado en el lado del manto, a una estructura porosa bien definida en el lado del compartimento de mineralización. Cuando las membranas interlamelares se separaran de la membrana superficial, dicha estructura porosa es evidente. Para el segundo bloque, sobre el estudio de la trasformación y cristalización del ACC, se han tomado imágenes mediante TEM/STEM. Las tabletas en formación están compuestas por la agregación de partículas globulares (20-50 nm) que presentan un núcleo cristalino (30 nm de tamaño medio) embebido en una matriz amorfa (5-10 nm de espesor). Esta capa amorfa está compuesta de una mezcla de material orgánico y ACC, ambos identificados mediante EELS. Los nanodominios cristalinos presentan formas complejas, pseudo-dendríticas, que podrían conectar en la tercera dimensión. El tercer bloque de esta tesis lo compone el estudio de las lineaciones en la superficie de las tabletas de nácar. Se ha llevado a cabo mediante microscopia electrónica de barrido, difracción de electrones retrodispersados (EBSD) y microscopía de fuerza atómica (AFM). Las imágenes demuestran claramente que las lineaciones son el resultado de la agregación de nanoglóbulos de carbonato cálcico. Los mapas de EBSD muestran que las lineaciones están orientadas según el eje a de las tabletas. Nuestro modelo propone que esta morfología resulta de la absorción diferencial de macromoléculas a lo largo de los ejes cristalográficos del aragonito. Finalmente, cabe decir que los resultados de las dos últimas secciones encajan bien, reforzando nuestra hipótesis de que el patrón nanogranular característico de los biominerales puede no representar los tamaños de las unidades de agregación como han sugerido ciertos autores, sino que, más bien, es resultado del proceso de cristalización posterior.