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Bioadhesion refers to a phenomenom in which different materials adhere to biological surfaces. For example, mussels use threads with adhesive proteins to attach to rocks, spiders secrete a bioadhesive that allow them to capture their prey, the abalone shell is a bionanocomposite formed by calcium carbonate plates sandwiched between adhesive biopolymers. We will focus on two model systems: i) the adhesive secreted by the Argiope argentata spider and ii) the fishscales of Arapaima gigas. The Argiope argentata spider produce a thread known as viscid thread surrounded by an aqueous adhesive while Arapaima gigas is an Amazonian fish that have large scales (5-10 cm in length) formed by layers of mineralized collagen reinforced by nano-plates of hydroxyapatite. We plan to use Atomic Force Microscopy based nanoindentation techniques to assess the localized physical properties. The recorded data will be use to estimate the adhesive force and the elastic constant of the bioadhesives. The results will be used to model the mechanical behaviour of the bioadhesives and to determine the relevance of physical adhesion with regard to biochemical adhesion. We hope that these results will help identifying the best strategies for developing high strength adhesives and nanocomposites that perform well under wet conditions.
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El proyecto estudió los mecanismos de adhesión que ocurren en sistemas biológicos, como la adhesión de la seda de araña y la adhesión de proteínas animales como el colágeno. Los resultados del proyecto permitieron caracterizar ciertas propiedades de los adhesivos y de los sistemas en los que estos adhesivos están presentes. Se usó microscopía de fuerza atómica para hallar el módulo de elasticidad del adhesivo de la seda y se verificó que cumple con el criterio de Dalhquist. Además, se midieron las propiedades térmicas de bioadhesivos de colágeno que fueron comparados con las propiedades de adhesivos sintéticos. Este estudio contribuyó a comprender los principios de las propiedades de materiales nanoestructurados presentes en la naturaleza, como el nácar que está formado por nanoplacas de aragonita unidas por bioadhesivos. Además, también se contribuyó con el desarrollo de nuevos adhesivos de origen natural, no tóxicos, para aplicaciones en biomedicina como adhesivo de tejidos, sensores para el reconocimiento molecular, transporte de fármacos en lugares específicos, entre otros.
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El Perú es un país de extraordinaria variedad de recursos vivos y ecosistemas. Sin embargo, esta biodiversidad es afectada por la presión de las actividades realizadas por el hombre y los efectos del cambio climático. Debido a ello se han planteado diferentes estrategias para la conservación de la biodiversidad y al manejo sostenible de los recursos naturales. Una de las estrategias planteadas es conocida como bioprospección y consiste en el estudio de los productos que forman parte de la biodiversidad con el fin de encontrar aplicaciones que den un valor comercial a dichos recursos. Este enfoque ha sido tomado por las industrias de agroquímicos, alimentos, cosméticos y farmacéutica las cuales valoran los potenciales productos que es posible desarrollar con estos recursos como nuevas medicinas, insecticidas, enzimas, fragancias, etc. La ciencia de materiales también ha efectuado el estudio de sistemas biológicos para el desarrollo de productos comerciales. Entre los ejemplos más conocidos están el velcro que imita como se sujetan las semillas de abrojo al cabello y el diseño de trajes de baño que replican el funcionamiento de las escamas de los tiburones. Con el presente proyecto se busca estudiar desde el punto de vista de la ciencia de materiales diferentes productos que son parte de la biodiversidad peruana para encontrar aplicaciones potenciales que pongan en valor dichos recursos. De esa manera se contribuirá con la conservación de la biodiversidad peruana al establecer un valor económico a los recursos que forma parte de la misma. Entre los sistemas a estudiar se encuentran los biopolímeros que puedan ser usados para fabricar nuevos materiales como las fibras celulósicas encontradas en diferentes especies de plantas o las proteínas estructurales encontradas en diferentes productos de origen animal que se encuentren dentro de la biodiversidad peruana en zonas como la sierra del departamento de Piura. Con estos recursos se producirán plásticos compuest
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El estudio de biopolímeros obtenidos a partir de productos naturales ha identificado diversas ventajas en el uso de estos materiales como su biodegradabilidad, bioabsorción y compostabilidad. Entre las aplicaciones encontradas para estos biopolímeros se destacan la producción de embalajes biodegradables y las aplicaciones en biomedicina (ingeniería de tejidos, liberación controlada de fármacos, parches para heridas y quemaduras, etc.). Estudios realizados en este laboratorio han presentado las propiedades y aplicaciones potenciales de diferentes biopolímeros nanoestructurados como la celulosa bacteriana (1-5), almidón (6-13), seda de araña (14-16) y sistemas de proteínas estructurales como el biso de choro, escamas de pescado y membrana de huevo (17-19). Dichos sistemas biológicos también presentan biopolímeros que funcionan como adhesivos. Así, se tiene las proteínas adhesivas del biso que permiten que los choros se peguen a las rocas, las proteínas adhesivas de la seda de araña, la sericina del gusano de seda y el colágeno presente en diversos sistemas biológicos. El presente proyecto pretende estudiar los mecanismos de bioadhesión que poseen diversos materiales poliméricos. Estos bioadhesivos serán caracterizados para comprender los principios que permiten su uso en la construcción de materiales nanoestructurados como el nácar que está formado por nano-placas de aragonitas unidas por bioadhesivos. Además, se caracterizarán para evaluar sus potenciales aplicaciones como adhesivos de origen natural no tóxicos y sus aplicaciones en biomedicina como adhesivos en células y tejidos, sensores para el reconocimiento molecular, transporte de fármacos en lugares específicos, etc. Los biopolímeros adhesivos a estudiar serán los presentes en: los bisos del choro, la seda de araña, la seda del gusano de seda y el colágeno de animales. Los resultados del proyecto permitirán evaluar el desempeño de los diversos bioadhesivos y compararlos con los adhesivos sintéticos. Además
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La búsqueda por usar fuentes de energías más limpias que los combustibles derivados del petróleo ha llevado a utilizar biocombustibles producidos a partir de productos agrícolas como la caña de azúcar, maíz, etc. Sin embargo, la influencia que ha tenido el destinar parte de estos productos agrícolas para la generación de combustibles en la subida de sus precios ha hecho que se busquen fuentes alternativas para la producción de biocombustibles. En la naturaleza se encuentran formas en las que se da la conversión de biomasa en energía. Un ejemplo típico es el proceso que se produce dentro de las termitas que son bioreactores muy eficientes donde los microbios presentes catalizan la conversión de celulosa en productos que proveen de energía al organismo hospedador. El presente proyecto pretende evaluar el desempeño de los biocombustibles que pueden ser sintetizados por bacterias presentes como las presentes en la digestión de celulosa en termitas y rumiantes (Zymomonas, Pichia, Clostridium, Cyanobacteria, etc.). Estas bacterias utilizarán productos celulósicos (restos agrícolas, madera, papel, etc) para sintetizar pequeñas cantidades de biocombustibles (bioetanol, biobutanol, lipídicos y otros alcoholes) cuyo desempeño será evaluado mediante el uso de pequeños motores a escala. Con el presente proyecto se planea evaluar las potenciales aplicaciones tanto de bacterias como de fuentes de celulosa (papel, madera, desechos de la industria agrícola) para su uso en la producción de biocombustibles. De esa forma se pretende contribuir a la disminución de emisión de gases de efecto invernadero, además de contribuir con la utilización de productos agrícolas en la industria de producción de biocombustible.
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Producción de envases y embalajes biodegradables a partir de almidon para mejorar la competitividad de la agorindustria peruana
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Produccion de plasticos con caracteristicas biodegradables a partir de biopolímeros presentes en cultivos peruanos
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Ciertos productos biológicos presentan propiedades importantes desde el punto de vista de la Ciencia de Materiales. Por ejemplo, la fibra más tenaz que se conoce no es fabricada por el hombre sino que se encuentra en la naturaleza y es producida por las arañas. Esto es sorprendente si se tiene en cuenta que la seda de araña es producida a temperatura ambiente y a presión atmosférica, a diferencia de los materiales fabricados por el hombre, a altas temperaturas y presiones. Los productos biológicos presentan una estructura jerarquizada en la que cada componente está formado a su vez por estructuras cada vez más pequeñas ensambladas de una determinada manera. Uno de los materiales que se auto-ensamblan (self-assembly) en la naturaleza es el colágeno. El autoensablaje de este tipo de materiales sigue la secuencia de un proceso de abajo hacia arriba (bottom - up) en vez de arriba hacia abajo (top-down), como es la secuencia que siguen los procesos de manufactura de materiales convencionales. Mientras que su importancia se revela por su presencia como componente en muchos tejidos del cuerpo, su versatilidad se demuestra al formar tanto estructuras blandas (piel y cartílago) como estructuras duras (hueso). El uso de la Ciencia de Materiales para estudiar tales estructuras al nivel morfológico, físico y químico puede aplicarse al desarrollo nuevos productos. Así, al caracterizar estructuras de colágeno como las presentes en las membranas interiores de la cáscara de los huevos se puede revelar la forma cómo se auto-ensambla el colágeno desde estructuras nanométricas en el proceso de Bottom-up. Por otro lado, al estudiar el proceso inverso que ocurre en ciertos huevos mediante el cual el colágeno mineralizado es bioerosionado se puede comprender cómo está formado este material nano-estructurado. El presente proyecto, toma como inspiración tres estructuras formadas por fibras poliméricas naturales: la seda producida por las arañas, las estructuras de fibras de colágeno que
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