Influencia de la radiación ultravioleta en el comportamiento mecánico y en la microestructura de las fibras de seda de araña

• Autores: Gracia Belen Perea Abarca
• Directores de la Tesis: José Pérez Rigueiro (dir. tes.), Gustavo Víctor Guinea Tortuero (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2010
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Manuel Elices Calafat (presid.), Gustavo Ramón Plaza Baonza (secret.), Fernando Agulló de Rueda (voc.), Alfonso Miguel Gañán Calvo (voc.), José Francisco Rodríguez Aguirre (voc.)
• Materias:
  • Física
    • Óptica
      • Radiación ultravioleta
  • Química
    • Química macromolecular
      • Fibras naturales
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
• Resumen

  • Resumen Las fibras de seda de araña constituyen un material enormemente atractivo. Su elevada resistencia y deformabilidad lo convierten en el material con mayor trabajo de fractura de todos los conocidos. Esta singular propiedad ha justificado que se hayan dedicado importantes esfuerzos a intentar producir fibras inspiradas en la seda de araña, ya que las particularidades de las arañas hacen inviable la recolección del material natural en cantidad industrial, tal y como se realiza con el gusano de seda. La estrategia para la producción de las fibras de seda artificiales se ha basado en la síntesis de proteínas inspiradas en las de la seda natural mediante Ingeniería Genética, y en su posterior hilado. Ambas partes del proceso presentan unas dificultades técnicas considerables por lo que, pese a los esfuerzos realizados, las fibras bioinspiradas no han llegado aún a igualar las propiedades de la seda producida por las arañas. Una de las causas a las que se atribuye la dificultad de reproducir en las fibras artificiales bioinspiradas las propiedades del material natural es la diferencia de tamaño entre las proteínas naturales y los fragmentos clonados. En efecto, las técnicas de Ingeniería Genética actualmente sólo pueden producir de manera eficiente proteínas con pesos moleculares que son del orden de cinco veces menores que los de las proteínas naturales. Sin embargo, debido a que actualmente no se conoce en detalle el proceso de hilado de estas proteínas tampoco puede descartarse que las pobres propiedades de las fibras bioinspiradas no sean también el resultado de un procesamiento menos optimizado que el natural. Basándonos en los estudios previos realizados sobre polímeros semicristalinos, dentro de los cuales se encuentra la seda de araña, se sabe que la radiación ultravioleta (UV) modifica la estructura de los enlaces de los materiales. Dicha modificación podría estar asociada a una disminución del peso molecular de las cadenas, si el único evento generado por la radiación UV es la rotura de enlaces o, alternativamente, a su aumento por la aparición de radicales libres muy reactivos, que puedan llevar a la formación de entrecruzamientos. En cualquiera de los dos casos, el estudio de la influencia de la radiación UV sobre la seda de araña natural debe permitir profundizar en la influencia del peso molecular de las cadenas en las propiedades mecánicas de la seda de araña. Por este motivo, el propósito general de este trabajo ha sido establecer una relación entre la variación tanto de las propiedades mecánicas como de la microestructura de la seda de araña y el tamaño de las proteínas que la constituyen cuando el material se somete a la radiación UV. Para la ejecución del trabajo se ha empleado seda de la glándula ampollácea mayor (MAS) de la especie Argiope trifasciata, habiéndose estudiado el comportamiento en tracción simple de fibras de seda sometidas a diferentes tiempos de irradiación con luz UV de longitudes de onda de 254, 312 y 365 nm, situadas en el entorno de la energía de enlace de las cadenas poliméricas. Se ha analizado en detalle la variación del peso molecular de las proteínas de la seda de araña cuando se somete el material a la radiación UV. Para ello ha sido necesario poner a punto una serie de técnicas de Biología Molecular, adaptándolas a las particularidades de la seda de araña. La caracterización se ha completado con un análisis fractográfico de fibras sometidas a diferentes tiempos de irradiación. Las variaciones de la microestructura de la seda de araña generadas por la radiación UV se han analizado mediante técnicas de difracción de rayos X y espectroscopía Raman. La combinación de ambas técnicas ha permitido caracterizar de una forma completa la influencia de la radiación UV en la microestructura de la seda, tanto en las regiones amorfas como en las cristalinas. La combinación de la caracterización mecánica, microestructural y bioquímica ha permitido concluir que la radiación UV produce la rotura de enlaces covalentes y, consiguientemente, una disminución del peso molecular de las proteínas que constituyen la seda de araña. Sin embargo, se ha encontrado que las fibras de seda presentan una significativa tolerancia al daño a nivel molecular, ya que la variación de las propiedades mecánicas se aprecia en etapas relativamente tardías del proceso de degradación. Los resultados obtenidos sugieren que un gran tamaño molecular no es un requisito imprescindible para la obtención de buenas propiedades mecánicas y que, probablemente, el papel del procesado de las fibras durante su hilado sea un elemento de mayor importancia de cara a la fabricación de fibras biomiméticas inspiradas en el hilo de araña. Summary Spider silk fibers are an enormously attractive material. Their high tensile strength and strain to breaking impart them with the highest work to fracture of all known materials. This singular property has justified the significant efforts devoted to producing fibers inspired in spider silk. Taking into account that the peculiarities of spiders make impossible the retrieval of natural material, a procedure well established with silkworm silk, the strategy for the production of artificial silk fibers inspired relies upon the synthesis of genetically engineered proteins inspired in those of natural silk, and its subsequent spinning. Both steps of the process represent considerable technical difficulties so that, despite painstaking efforts, bioinspired fibers have not reached the properties exhibited by the natural silk spun by spiders. One of the reasons assumed to make difficult the reproduction of the properties of the natural material in artificial bioinspired fibers is the difference in the molecular weight between natural and cloned proteins. Genetic Engineering techniques only can produce small proteins efficiently, which are approximately five times shorter than natural ones. Nevertheless, since the spinning process is not known with sufficient detail, it cannot be discarded that the poor properties of bioinspired fibers are also the result of an artificial processing less optimized than the natural one. Based on previous studies performed on semicrystalline polymers, to which spider silk belongs, it has been found that ultraviolet (UV) radiation modifies the bonding organization of these materials. This modification could be associated with a reduction in the molecular weight of the chains, if the only event generated by UV radiation is the breaking of covalent bonds or, alternatively, with an increase of molecular weight associated with the creation of crosslinks by active free radicals. Whatever the case, the study of the influence of UV radiation on natural spider silk must allow gaining a deeper understanding on the influence of molecular weight of the chains in the tensile properties of spider silk. Following this rationale, the general purpose of this work has been to establish a relation between the variation of both the tensile properties and microstructure of spider silk, and the molecular weight of the constitutive proteins, when the fibers are subjected to UV radiation. The material chosen for this work was silk fibers spun from the major ampullate silk gland (MAS) of the species Argiope trifasciata. The tensile properties of silk fibers subjected to different irradiation times with UV light of wavelength 254, 312 and 365 nm close -to bond energies of the polymeric backbone- have been characterized. The variation of the molecular weigth of silk proteins after UV irradiation was analysed in detail. This step has required the implementation of a number or Molecular Biology techniques, and their adaptation to the peculiarities of spider silk. The characterization was completed with a fractographic analysis of fibers subjected to different irradiation times. Microstructural variation generated by UV radiation were analysed with X ray diffraction as well as Raman spectroscopy. The combination of both techniques allowed a complete characterization of the influence of UV light on silk microstructure, both in amorphous as well as crystalline regions. The combination of mechanical, microstructural and biochemical characterization has allowed concluding that UV radiation provokes the breaking of covalent bonds and, consequently, the decrease in the molecular weight of the silk proteins. However, it has been found that silk fibers show a significant tolerance to damage at a molecular level, since the variation in the tensile properties is observed at relatively late steps of the molecular degradation. The above results suggest that the outstanding properties of spider silk are not only based on a large molecular weight, and that silk processing must play a major role on the fiber performance.