Tesis Doctorado
Estudio de la dinámica de cristalización de carbonato de calcio mediante el uso de sustratos de biopolímeros y nanotubos de carbono funcionalizados
Study of the dynamics of calcium carbonate crystallization through the use of biopolymers substrates and functionalized carbon nanotubes
Fecha
2018Autor
Neira-Carrillo, Andrónico
UNIVERSIDAD DE CHILE
Institución
Resumen
La biomineralización o cristalización biológica es la capacidad que poseen los seres vivos de producir materiales biogénicos híbridos jerarquizados, los cuales se componen de una matriz orgánica y minerales inorgánicos. Uno de estos materiales biogénicos más abundantes en la naturaleza, y ampliamente utilizado en procesos industriales y aplicaciones biomédicas, corresponde al carbonato de calcio (CaCO3). El CaCO3 ha sido el mineral más empleado como modelo de laboratorio para comprender del control biológico de la mineralización, aspectos nano-moleculares y recientemente describir el origen de la fase amorfa de los minerales inorgánicos obtenidos en los ensayos in vitro de cristalización. En los últimos años, biopolímeros y polímeros sintéticos han sido utilizados para investigar la cristalización clásica de CaCO3. Biopolímeros como el alginato (ALG) entre otros, presentan un gran potencial para modular la mineralización, debido a su biocompatibilidad y bajo costo. Nuestro laboratorio ha obtenido y purificado ALG de Lessonia nigrescens (Les) y ha sido utilizado como una alternativa en implantes de células de la glándula paratiroide. A su vez, nanomateriales basados en carbono, como nanotubos de pared única (SWCNT) y de pared múltiple (MWCNT) prístinos y funcionalizados han mostrado efectos sobre la morfología y la fase cristalina de CaCO3. En esta tesis doctoral se estudió el efecto de ALG de Lessonia nigrescens y MWCNT funcionalizados como también en sus formas combinadas como aditivos en ensayos de cristalización clásica a través de difusión de gases y electrocristalización y no-clásica mediante titulación potenciométrica en sus estadíos tempranos del CaCO3. La evaluación con la técnica de titulación potenciométrica en etapas tempranas de la mineralización de CaCO3, demostró el efecto inhibitorio del ALG Les y MWCNT modificado con grupos carboxílicos (MWCNT-COOH), en comparación al efecto promotor del MWCNT prístino. Nuestros resultados experimentales describen por primera vez, de forma cuali- y cuantitativa en cristalización no-clásica, el efecto promotor e inhibidor de MWCNT y de MWCNT-COOH sobre la mineralización de CaCO3, respectivamente. En resumen, se demuestra que es posible el uso de ambos enfoques de las teorías de cristalización clásica y no-clásica, para entender aspectos moleculares y acercarnos al entendimiento de cómo aditivos funcionalizados actúan como inductores o inhibidores y controlan selectivamente el crecimiento cristalino, tamaño y polimorfismo de los minerales biogénicos que ocurren en la naturaleza. Biomineralization is a process by which organisms produce materials for their own functional requirements, containing an organic matrix and nano-or microscale amorphous or crystalline minerals. Calcium carbonate (CaCO3) is one of the most abundant biogenic minerals found in nature. It has wide industrial use and exhibits three crystalline anhydrous polymorphs: calcite, vaterite, aragonite, and three hydrous polymorphs: amorphous calcium carbonate (ACC), calcium carbonate monohydrate, and calcium carbonate hexahydrate. This biomineral has been widely used to understand biological control over biomineralization, nano-molecular aspects and to describe the origin of the amorphous phase of inorganic minerals on in vitro crystallization assays due to can be easily grown under laboratory conditions. In the last years, biopolymers and synthetic polymers have been used to modulate CaCO3 mineralization. Our group has extracted and purified alginate (ALG) from Chilean algae (Lessonia nigrescens) and this biopolymer has been used as an alternative for parathyroid gland implants. On the other hand, carbon-based materials such as SWCNT and MWCNT have shown an effect on CaCO3 morphology and crystallization. The effect of ALG Lessonia nigrescens and functionalized MWCNT as well as their combined forms were studied in this doctoral thesis as additives in classical crystallization through gas diffusion and electrocrystallization and in non-classical crystallization by potentiometric titration in early stages of CaCO3 crystallization. The evaluation of the early stages of CaCO3 mineralization through potentiometric titration technique showed the inhibitory effect of ALG Les and modified MWCNT with carboxylic groups (MWCNT-COOH), in contrast to the promoter effect of pristine MWCNT. Our experimental results describe for the first time, qualitatively and quantitatively, the promoter and inhibiting effect of MWCNT and MWCNT-COOH on the mineralization of CaCO3, respectively. In summary, the possibility of using both approaches of classical and non-classical crystallization theories, to understand molecular aspects of how functionalized additives act as promoters or inhibitors and selectively control crystalline growth, size and polymorphism of biogenic minerals that occur in nature was demonstrated.