Huesos para vida sintética

Suponiendo que podamos crear todo un ser sintético , de qué material sería mejor hacer sus huesos de atender a:

  • Peso
  • Fuerza
  • Durabilidad
  • reparabilidad

Establezcamos algunos escenarios:

Caso 1:

El ser sintético es un animal que debería poder reproducirse y crecer, por lo que debe poder procesar los alimentos en material de "hueso".

El alimento podría ser parte de otro animal o planta sintética... (en ese caso el segundo debe ser capaz de producirlo a partir del ecosistema actual de la Tierra)

Me interesa especialmente la relación peso/fuerza para poder hacer el animal volador más grande posible.

Caso 2:

Reemplazo del cuerpo humano, esto se hace cuando el cuerpo original no es funcional (la conciencia se "mueve" al nuevo cuerpo) cualquier nutriente necesario para reparar los tejidos se proporciona en su forma refinada, pero el organismo debe poder utilizarlo en un razonable manera (calentar un metal a 800 grados no es razonable)

Es importante recordar que el hueso no está hecho de un solo material, es un compuesto hecho de varios, cada uno con sus propias propiedades. La composición de los compuestos también varía de un hueso a otro para cambiar las propiedades y lograr diferentes propósitos. Cuernos elásticos frente a huesos del oído súper duros, por ejemplo. Entonces la pregunta es qué materiales en plural se pueden usar.
El hueso libra por libra tiene una mejor relación resistencia/peso que el acero dulce. y es más elástico para arrancar. Lea más sobre las propiedades de los huesos aquí. springer.com/cda/content/document/cda_downloaddocument/…
¿Cómo juzgas si un organismo vivo puede o no cultivar estos materiales? Con la ingeniería genética, los científicos ya han producido una cabra que produce seda de araña en su leche . Eso me sugiere que si los científicos establecen una meta para las capacidades de las células, eventualmente encontrarán una manera de hacerlas crecer casi cualquier tipo de material que quieran, dependiendo de qué tan lejos en el futuro llegue. ¿Solo desea escuchar ideas basadas en tecnología/ingeniería genética existente, o podemos sugerir materiales que aún no han sido producidos por las células?
@ThomBlairIII, cualquier cosa plausible está bien, como en mi segundo ejemplo, cosas como derretir un metal no parecen demasiado amigables con la vida, pero cualquier otro proceso que un organismo pueda hacer sin necesitar una cantidad absurda de energía, explotarse a sí mismo, etc. es bien, y no, no es necesario que esté basado en la tecnología actual.
@WestsideTony, sin embargo, los organismos pueden disolver y depositar metal bastante bien. Los castores incluso tienen dientes reforzados con hierro.
Cuando los MythBusters reconstruyeron su maniquí de prueba de choque "Buster", hicieron sus huesos de álamo.

Respuestas (4)

Hay una serie de materiales ultraligeros y ultraresistentes que serían excelentes para los huesos, si se pueden diseñar células para que crezcan:

  • Metamaterial sólido cerámico ultraligero : Los nuevos materiales desarrollados por un equipo de MIT/LLNL son tan livianos como el aerogel , pero 10 000 veces más fuertes. Sin embargo, no son aerogeles, sino metamateriales. Es decir, materiales artificiales con propiedades que no se encuentran en la naturaleza. La idea es estructurarlo para que tenga la ligereza del aerogel, pero sea mucho más fuerte:

    "Estos materiales livianos pueden soportar una carga de al menos 160 000 veces su propio peso", dijo el ingeniero de LLNL Xiaoyu "Rayne" Zheng. "La clave de esta rigidez ultraalta es que todos los elementos microestructurales de este material están diseñados para estar sobrerestringidos y no doblarse bajo la carga aplicada".

    El equipo considera que algún día los materiales se utilizarán para desarrollar piezas y componentes para aeronaves, automóviles y vehículos espaciales, y que en la práctica, el material podría llegar a ser 100 veces más resistente que las versiones experimentales.

  • Nanocompuesto de magnesio : Investigadores de UCLA han creado un nuevo tipo de compuesto de metal hecho de magnesio infundido con nanopartículas de carburo de silicio, y es liviano y súper resistente. En una serie de pruebas, los investigadores han demostrado que, en comparación con materiales con una densidad similar, demuestra "niveles récord" de relación rigidez-peso y relación resistencia-peso. El equipo detrás del nuevo material considera que podría usarse en aplicaciones aeroespaciales, donde la alta resistencia y el peso ligero son cualidades preferidas. No se sugiere qué tan caro resultará el nanocompuesto, pero el equipo afirma que la técnica de fabricación es 'escalable'.

Los aerogeles, que yo sepa, se fabrican utilizando supercriticalCO2 para extraer los líquidos de los que están hechos porque su tensión superficial los destruye al tratar de eliminarlos para obtener su peso ligero característico. Eso podría limitar la posibilidad de producirlo en un cuerpo.
@Christoph, leí que también debería ser posible con un reemplazo lento de solvente (es decir, pasar de un solvente con alta tensión superficial a uno con una tensión ligeramente más baja, luego a uno con aún más baja, etc.), pero el aerografeno en el ejemplo por Thom no es un aerogel real. Por lo tanto, en teoría, se podría hacer que se autoensamblara o se podría encontrar una forma enzimática de producirlo en las células.

El problema con la mayoría de las sugerencias de materiales avanzados es si un sistema biológico podría cultivarlos y repararlos. Muchos no son del todo biológicamente compatibles: incrustados en un cuerpo se corroen o causan inflamación u otras respuestas inmunitarias adversas. Podemos hacer implantes de reemplazo óseo de titanio y ciertas cerámicas. Nuestra biología los tolera pero no puede mantenerlos, y se necesita más cirugía cuando se desgastan. Gran parte de la investigación médica está dirigida a cómo crear una estructura temporal que pueda ser sembrada con células óseas e implantada, para crecer hasta convertirse en hueso natural con el metabolismo final y la eliminación de la estructura.

El hueso, como ya lo mencionaron otros, es comparable al acero dulce por su relación resistencia/peso. También es un tejido vivo, que se repara continuamente a sí mismo para que las microfisuras no se propaguen a las fracturas (¡compárese con la fatiga del metal!). Puede crecer, repararse después de un daño severo, fortalecerse en respuesta a fuertes esfuerzos repetidos. Cientos de millones de años de evolución pueden haber producido el esqueleto óptimo.

¿Qué pasa con las plantas? Requisito diferente, solución diferente. Madera. Fibras de celulosa unidas con lignina. Una vez más, puede ser extremadamente fuerte. Ahora que tenemos pegamentos artificiales para igualar la lignina, podemos reformar la madera en vigas de "glulam", que son prácticamente iguales al acero estructural. Curiosamente, el duramen no es tejido vivo. Un árbol lo protege del ataque externo con una piel de tejido vivo, pero en la mayoría de los árboles maduros se está pudriendo en el centro. Que no le importa al árbol, o que incluso puede ser de beneficio. Un cilindro es tan fuerte como un tronco macizo. A medida que el núcleo del tronco se pudre, los nutrientes que estaban encerrados en el duramen se liberan de vuelta a las raíces del árbol. Los excrementos de las criaturas que se instalan en el tronco proporcionan más nutrición. Eventualmente, por supuesto, la podredumbre toma ventaja y el árbol muere si no puede volver a crecer desde sus raíces. La muerte es parte del plan de la naturaleza.

Los exoesqueletos de insectos y hongos usan quitina, otro material biológico notable, aunque más adecuado para estructuras elásticas pequeñas que para estructuras grandes.

En resumen, creo que es probable que los materiales desarrollados para los esqueletos no puedan mejorarse mediante procesos puramente biocompatibles.

Creo que el material importa menos que el proceso por el cual se ensambla. El concepto de una criatura en crecimiento implica que esta cosa puede absorber "combustible" de algún tipo y agregarlo lentamente a varias regiones de sí mismo, en una determinada configuración y formato.

Yo diría que nada menos que la nanotecnología puede lograr esto. Y si estamos tratando con nanotecnología, entonces podría decirse que podrían desgarrar el "combustible" a nivel molecular y pegar el material necesario a sus huesos átomo por átomo.

En ese momento, los huesos podrían estar hechos de prácticamente cualquier cosa.

Creo que por biología sintética, Westside Tony quiere decir que quiere una criatura orgánica, compuesta de células con ADN, proteínas, etc. pero de origen sintético, por lo tanto, hecho por el hombre.
@mikenichols, pero en ese momento los huesos de la criatura podrían estar hechos de huesos normales.
Sí, pero Tony quiere un "mejor material" que el hueso.
@mikenichols: momento en el que te metes en materiales más locos, de ahí mi interpretación de que esta criatura "sintética" es una combinación de tecnología y biología muy avanzadas :)
No creo que necesites nanotecnología para producir huesos exóticos. Supongo que depende de su definición de nanotecnología, pero creo que podría crear huesos exóticos solo con procesos biológicos sintéticos. Pero sí, estoy de acuerdo con tu conclusión de que el hueso podría estar hecho de cualquier cosa. Sin embargo, no creo que eso invalide la pregunta.
Si marca cualquiera de las Series anatómicamente correctas cuando se refieren a una cosa arrojadiza, siempre surge el mismo problema "con un esqueleto tan pesado que no puede volar" o "los huesos delgados se romperán", por lo que debe haber un mejor material/compuesto para hacer un esqueleto y en este caso: cual? Y por sintético en el primer caso me refiero a lo que dijo Mike @MikeNichols

Nanotubos de carbon.

Satisface el Caso 1 por la naturaleza de ser un planeta basado en carbono. Como resultado, habría algún nivel de carbono disponible para ser sintetizado en material 'óseo' de reemplazo (dado que los cuerpos de las especies están adaptados para someterse a tal síntesis).

Satisface un poco el Caso 2 porque (si lo entiendo correctamente) los 'huesos' de nanotubos de carbono podrían replicarse caso por caso, a la medida del individuo.

Huesos para vida sintética
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