Biomimética: Imitando a Natureza para Criar Tecnologias

A seda produzida pelas aranhas é considerada um dos supermateriais do século XXI e suas aplicações potenciais incluem produtos de microcirurgia, coletes à prova de balas e linhas de pesca, que requerem alta resistência e alta elasticidade.

Há muito a ciência tenta imitar os organismos vivos. A esse ramo de pesquisa dá-se o nome de Biomimética. O termo biomimética está vinculado à idéia de que os organismos, ao longo da evolução das espécies, foram levados a "resolver" os diversos problemas de adaptação e de eficiência para que conseguissem sobreviver. Uma das invenções nascidas da observação dos vegetais é o velcro, copiado do carrapicho, bolinha rodeada de espinhos curvos que gruda em nossa roupa em passeios no campo.

Mas nenhuma característica do carrapicho se aproxima das habilidades das aranhas que os cientistas pretendem imitar. A começar pela teia, eficientíssimo sistema de captura de moscas e mosquitos que, no pequeno mundo dos insetos. Por conta desse desempenho, definiu-se que as propriedades da seda eram excelentes, e o primeiro passo foi sua caracterização como material de engenharia.

As atenções se fixaram sobre uma aranha bastante grande, a Nephila clavipes, e as medidas experimentais mostraram que um conjunto de fios com seção de 1 milímetro quadrado suportaria uma força de tração de 175 quilos. Isso é próximo da resistência mecânica dos melhores aços, mas, se considerarmos que a densidade da seda é de 1,3 g/cm3 (grama por centímetro cúbico) enquanto a do aço é de 7,8 g/cm3, fica claro que estamos diante de um produto muito mais resistente por unidade de peso. Em outras palavras, em igualdade de massa esse material é quatro vezes mais resistente que o aço. Ainda: antes de se romper, o fio se estica por cerca de 20% de seu comprimento original, o que mostra boa elasticidade.

Outra vantagem é a sua extrema tenacidade, que significa “resistência à propagação de trincas”. Altos valores dessa propriedade implicam segurança de projeto em menor probabilidade de fratura.

Com essa combinação de propriedades, a seda produzida pelas aranhas é considerada um dos supermateriais do século XXI e suas aplicações potenciais incluem produtos de microcirurgia, coletes à prova de balas e linhas de pesca, que requerem alta resistência e alta elasticidade.

Quanto aos coletes à prova de bala, a boa tenacidade dos fios é vantagem fundamental. De fato, não basta evitar a entrada do projétil, mas sua energia deve ser absorvida para evitar lesões internas em decorrência do simples choque. Essa característica é semelhante à de teias reais, que, quando atingidas por um inseto, absorvem a energia cinética deste – transformam 70% dela em calor, e assim protegem sua estrutura. Por fim, a flexibilidade da seda, aliada à sua biocompatibilidade, torna o fio um elemento vital em microssuturas oftálmicas e, principalmente, no reparo de tendões e ligamentos ósseos.

Para que isso se torne realidade é preciso escala – e como alcançar grandes quantidades com as nephila? Cada aranha da espécie só é capaz de produzir 1,5 miligrama de teia por dia. Estabelecer uma fazenda de aranhas como se fazia com bichos-da-seda? Ao contrário das pacíficas lagartas, as nephila são territoriais e agressivas umas com as outras.

A biomimética em bases científicas começa aqui, com a decisão de dispensar as aranhas e copiar sua técnica de produção. A teia é composta de uma proteína e foi possível extrair alguns genes dessa proteína, inseri-los nas células mamárias da cabra, e pronto. No lugar de leite (ou juntamente ao leite, talvez) sai uma seda solúvel. Daí para a frente a tarefa é dos engenheiros químicos, que, a partir de técnicas conhecidas, conseguem retirar, secar e fiar a proteína que constitui o fio. Da empresa que desenvolveu o processo ouve-se que uma só cabra poderá produzir “quilômetros de seda” e está em seus planos lidar com fazendas de criação de cabras com 1,5 mil indivíduos.

Problemas existem, porém. Exemplo: a durabilidade. Aranhas produzem rapidamente um fio com a única finalidade de se pendurar e que é logo abandonado. Sua teia também é objeto de constantes reparos. Como se comportaria sob carga mantida por semanas ou anos? Observou-se também que água e umidade fazem com que os fios se contraiam até metade de seu comprimento, o que aumenta seu diâmetro e leva à perda da capacidade de manter a carga. Uma saída seria revestir as fibras de seda com um material impermeável, mas isso adiciona peso e diminui a flexibilidade – ruim para os coletes à prova de bala.

O problema mais fundamental novamente tem a ver com a habilidade da natureza. Trata-se da peculiar atitude de a aranha modular as propriedades do fio, coisa que a cabra obviamente não consegue fazer com suas glândulas mamárias, projetadas para outra finalidade. Na aranha, o sistema de produção do fio é composto de um reservatório onde se acumula uma solução com a proteína que forma a seda, dissolvida em água. Uma espécie de funil junta o reservatório a um duto tubular que termina em um orifício aberto ao exterior. É nesse duto que ocorre grande parte da transformação da solução de proteína em fio, a retirada da água e, por fim, ao passar pelo orifício de saída, a eliminação de mais água e a conformação do produto em fio de seção circular. Na nephila, todo esse mecanismo tem cerca de 6 milímetros de comprimento e pesa 20 milésimos de grama. Com esse nível de especialização, entende-se que o primeiro produto obtido da cabra, o Biosteel®, não tenha alcançado a resistência do seu modelo.

Em conclusão, a seda das aranhas é um exemplo de fibra multifunctional que exerce um papel importante na ecologia do inseto e serve de modelo para a manufatura de uma nova geração de fibras de alta resistência. Um dos caminhos para isso foi descrito aqui, mas, como diz Frank Ko, da Drexel University (EUA), não estamos conseguindo alcançar as propriedades da seda da clavipes porque ela foi projetada para as necessidades da aranha e não às dos humanos.

“Em vez de brigar para produzir uma cópia da sua seda, seria melhor aprender com a própria aranha a manufaturar um material mais adequado às nossas necessidades”, sugere Ko. É outra linha de pesquisas esta, talvez mais eficiente. 

O Laboratório de Biomineralização do Instituto de Ciências Biomédicas na Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) é um dos poucos centros científicos do país a se dedicar a biomimética. Nele, ocorrem estudos de processos de biomineralização em diferentes sistemas biológicos, como bactérias, algas, esponjas, moluscos e vertebrados, visando compreender tanto mecanismos gerais de biomineralização como aspectos aplicados, como o crescimento ósseo em torno de implantes. Biomineralização cobre todos os fenômenos que envolvem a formação de minerais por organismos vivos. Os produtos da biomineralização têm dimensões que vão da escala nanométricas, como os cristais formados por bactérias e espículas  de larvas de ouriço-do-mar, até metros, como os ossos e dentes de um elefante.

Sobre o artigo "Como copiar a teia de Nephila?" de Maurizio Ferrante, Professor titular do Depto de Engenharia de Materiais da Universidade de São Carlos (artigo publicado na Edição 51 Revista Carta na Escola, novembro de 2010)