1. Introducción 21
1.1. Definiciones básicas 21
BLOQUE I: Fundamentos del estudio de los materiales biológicos
y biomateriales. Aplicación al estudio de las sedas 27
2. Procedimientos experimentales aplicados al estudio de la seda:
obtención y caracterización de sus propiedades mecánicas 29
2.1. Tipos de seda 29
2.2. Obtención de los hilos de seda 33
2.3. Caracterización mecánica de los hilos de seda 37
2.4. Propiedades mecánicas de la seda del gusano de seda 40
2.5. Propiedades mecánicas de la seda de araña: hilos MAS y víscido 48
3. Principios generales de aminoácidos y proteínas.
Composición de la seda 53
3.1. Composición de la seda del gusano de seda 53
3.2. Composición de la seda de araña 59
4. Conformación tridimensional de las proteínas I:
regiones microcristalinas de la seda 65
4.1. Caracterización de los microcristales en la seda del gusano
de seda 65
4.2. Caracterización de los microcristales en la seda de araña 77
5. Conformación tridimensional de las proteínas II:
regiones amorfas de la seda 81
5.1. Caracterización de las regiones amorfas de la seda 81
5.2. Gusano de seda 89
5.3. Seda de araña 92
6. Análisis de la variabilidad en los materiales biológicos 93
6.1. Importancia de la variabilidad en los materiales biológicos 93
6.2. Variabilidad en las propiedades mecánicas de la seda de araña 95
6.3. Análisis estadístico de la variabilidad en las propiedades
mecánicas del hilo de araña 96
7. Modelización de las propiedades mecánicas de la seda 103
7.1. Influencia de los puentes de hidrógeno en el módulo
de elasticidad de la seda del gusano de seda 103
7.2. Modelización del comportamiento mecánico del hilo
de araña supercontraído 106
7.3. Modelo molecular de la seda de araña (modelo de Termonia) 109
7.3.1. Geometría del modelo 109
7.3.2. Curva tensión-deformación obtenida con el modelo
molecular 110
7.3.3. Influencia de la geometría en el modelo molecular 113
7.4. Modificación de las propiedades de la seda de araña
mediante supercontracción controlada 115
BLOQUE II: Microestructura y propiedades de materiales
biológicos 121
8. Colágeno y elastina 125
8.1. Colágeno 125
8.1.1. Localización y composición del colágeno 125
8.1.2. Características geométricas 125
8.1.3. Propiedades mecánicas 127
8.2. Elastina 128
8.2.1. Localización, composición y propiedades mecánicas
de la elastina 128
8.2.2. Geometría del giro b 130
9. Fibras de polisacáridos 131
9.1. Monosacáridos 131
9.2. Formación de polisacáridos: el enlace O-glicosídico 136
9.3. Comparación entre polisacáridos y proteínas.
Tipos de polisacáridos 139
9.4. Fibras de polisacáridos 139
10. Fibras celulares y musculares 147
10.1. Microtúbulos 147
10.2. Fibras de actina 149
10.3. Fibras musculares 150
11. La membrana de la langosta 157
11.1. Adaptación de la langosta a su hábitat 157
11.2. Propiedades mecánicas de la membrana intersegmental 159
11.3. Consecuencias del comportamiento viscoelástico 164
12. Geles. Mesoglea de la anémona 167
12.1. Definición de gel 167
12.2. Componentes de los geles: glucosaminoglucanos 168
12.3. La mesoglea de la anémona 171
12.3.1. Modo de vida de la anémona 171
12.3.2. Estructura y composición de la mesoglea 171
12.3.3. Propiedades mecánicas de la mesoglea 172
12.4. Mucus 177
13. Lípidos y membranas biológicas 181
13.1. Definición de membrana 181
13.2. Definición y clasificación de los lípidos 182
13.3. Lípidos derivados de los ácidos grasos 182
13.3. Lípidos derivados del isopreno 188
14. Membranas, micelas y vesículas 193
14.1. Modelo fenomenológico del autoensamblaje de lípidos 193
14.2. Condiciones para la formación de micelas y vesículas 195
14.3. Membranas 198
15. Tejidos epitelial y conjuntivo. La piel 203
15.1. El tejido epitelial 203
15.2. Tejidos con función estructural: el tejido conjuntivo 204
15.3. Piel 208
16. Madera 213
16.1. Estructura de la madera 213
16.1.1. Estructura macroscópica 214
16.1.2. Estructura mesoscópica 215
16.1.3. Estructura microscópica y composición 216
16.2. Propiedades mecánicas de la madera: módulo
de elasticidad y resistencia mecánica 217
16.3. Comportamiento frente a fractura 220
17. Cuernos de bóvidos 223
17.1. a-Queratinas: Estructura y propiedades mecánicas 224
17.2. Modelización del cuerno 228
17.3. Comportamiento frente a fractura 230
18. Hueso 233
18.1. Organización del hueso 233
18.1.1. Constituyentes del hueso 233
18.1.2. Organización jerárquica del hueso 234
18.1.3. Creación y remodelación del hueso 234
18.2. Propiedades mecánicas del hueso 237
18.3. El hueso como material compuesto 240
BLOQUE III: Biocompatibilidad y Biomateriales médicos 245
19. Interacciones entre sistemas biológicos y materiales:
biocompatibilidad 247
19.1. Reacción del organismo a materiales exógenos:
biocompatibilidad 247
19.2. Reacciones del organismo a los implantes 248
19.3. Mecanismos de respuesta de las células frente
a factores externos 249
19.3.1. Principios generales de la comunicación celular 249
19.3.2. Influencia de la insulina en el metabolismo
de la glucosa en células musculares 251
19.3.3. Interacciones entre células y superficies 252
19.4. Modulación del comportamiento de los macrófagos
por los biomateriales 253
19.4.1. Adhesión de los macrófagos al biomaterial 253
19.4.2. Regeneración de tejidos: adhesión de osteoblastos
a una superficie 256
20. Biomateriales médicos 261
20.1. Propiedades básicas de los biomateriales 261
20.2. Metales 262
20.3. Polímeros 263
20.4. Cerámicos 264
20.4.1. Cerámicos estructurales 264
20.4.2. Hidroxiapatita 264
20.4.3. Vidrios bioactivos 266
21. Biofuncionalización 269
21.1. Procedimientos físicos de biofuncionalización 270
21.2. Procedimientos químicos de biofuncionalización 271
21.3. Deposición de láminas delgadas biofuncionalizadas 273
21.3.1. Deposición de capas delgadas funcionalizadas
por el procedimiento de sol-gel 273
21.3.2. Deposición de capas biofuncionales mediante
silanización por vapor activado (Activated Vapour
Silanization, AVS) 274
21.4. Fundamentos de química de biomoléculas 275
21.4.1. Reacciones en las que intervienen aminas 275
21.4.2. Reacciones en las que intervienen tioles 276
21.4.3. Reacciones en las que intervienen grupos carboxilo 277
21.4.4. Agentes entrecruzantes 278
21.5. Biomateriales médicos de microestructura jerarquizada 278
22. Ingeniería de Tejidos 281
22.1. Conceptos básicos de la Ingeniería de Tejidos 281
22.2. Materiales en Ingeniería de Tejidos 282
22.3. Ejemplos de procesado de andamios tisulares 285
22.4. Células en Ingeniería de Tejidos 288
22.5. Biomoléculas en Ingeniería de Tejidos 289
BLOQUE IV: Principios de Biomimética 291
23. Introducción a la Física Estadística: determinación
de la ecuación constitutiva de un material 295
23.1. Descripción termodinámica de los materiales 296
23.2. Cálculo de la energía libre de Helmholtz.
Función de partición canónica 298
23.3. Sistemas con grados de libertad independientes 299
23.4. Física Estadística Clásica 302
24. Propiedades mecánicas de una cadena polimérica 307
24.1. Descripción físico-estadística de una cadena polimérica lineal 307
24.2. Cadena libremente enlazada 310
24.3. Cadena polimérica formada por osciladores armónicos
simples unidimensionales 313
24.4. Origen elastomérico del comportamiento mecánico
de la seda de araña supercontraída 313
25. Introducción al autoensamblaje: principios
del ensamblaje molecular 317
25.1. Un ejemplo de estructuras autoensambladas:
la anemia falciforme 317
25.2. Principios del ensamblaje molecular 320
26. Descripción físico-estadística de las macromoléculas 323
26.1. Definición de macromolécula. Aproximación
de Born-Oppenheimer 323
26.2. Función de partición de una molécula poliatómica 324
26.3. Funciones de partición de una molécula poliatómica 327
26.4. Revisión de la cadena libremente enlazada 328
27. Termodinámica del autoensamblaje y jerarquización
microestructural 331
27.1. Termodinámica del autoensamblaje 331
27.2. Jerarquización microestructural 336
28. Termodinámica de sistemas fuera del equilibrio y potencial
de membrana 337
28.1. Termodinámica de sistemas fuera del equilibrio:
hipótesis del equilibrio local 338
28.2. Potencial de membrana en equilibrio 341
28.3. Potencial de membrana en sistemas no en equilibrio 343
29. Física estadística de sistemas fuera del equilibrio: viscoelasticidad 347
29.1. La función de distribución 347
29.2. Respuesta lineal de un sistema 349
29.3. Modelo simplificado de la viscoelasticidad 352
30. Introducción a la genética molecular y a la ingeniería genética 357
30.1. Transmisión de la herencia: genes 357
30.2. Composición de los ácidos nucleicos 358
30.3. Estructura del ADN: la doble hélice 360
30.4. Tipos y funciones de ácidos ribonucleicos 364
30.5. Ingeniería Genética 367
31. Biomimetismo del efecto loto 371
31.1. Descripción del efecto loto 371
31.2. Origen microscópico de la interacción hidrofóbica 373
31.3. Origen microscópico del efecto loto 376
32. Biomimetismo de la adhesión del gecko 379
32.1. Microestructura de la pata del gecko y medida de las fuerzas
de adhesión 379
32.2. El origen de la adhesión del gecko 383
33. Biomimetismo de la seda 389
33.1. Fundamentos biomiméticos de la producción de seda 389
33.2. Sistemas biomiméticos inspirados en la seda 396
EJERCICIOS 403
Ejercicio I: Representación de la estructura tridimensional
de macromoléculas 405
I.1. Introducción 405
I.2. Conformación de referencia 405
I.3. Construcción de la estructura tridimensional 406
I.4. Ejercicio de aplicación 408
Ejercicio II: Modelo microscópico del modulo de elasticidad
de origen entálpico de una cadena polimérica 411
II.1. Introducción 411
II.2. Definición de la conformación 411
II.3. Formulación del problema mecánico 412
II.4. Resolución del problema mecánico mediante
el establecimiento del equilibrio de fuerzas 413
II.5. Resolución del problema mecánico directamente
utilizando la función del potencial 413
II.6. Determinación del módulo de elasticidad 413
Ejercicio III: Ecuación constitutiva de un material controlado
por elasticidad de tipo entrópico 415
III.1. Introducción 415
III.2. Hipótesis del problema 415
III.3. Trabajo realizado por una cadena 416
III.4. Ecuación constitutiva obtenida en un ensayo de tracción 417
Indice alfabético 419
Bibliografía 427

*La edición digital no incluye códigos de acceso a material adicional o programas mencionados en el libro.