Structural and Morphological Characterization of Tussar and Bivoltine Silk Fibers

Resumen Técnico: Caracterización Estructural y Morfológica de Fibras de Seda Tussar y Bivoltina

Planteamiento del Problema
Las fibras de seda, compuestas principalmente de fibroína y sericina, son valoradas por su combinación única de resistencia mecánica, flexibilidad y biocompatibilidad. Sin embargo, las diferentes variedades de seda poseen propiedades fisicoquímicas distintas impulsadas por sus perfiles específicos de aminoácidos y organizaciones moleculares. Si bien la seda Tussar (silvestre, de especies Antheraea) y la seda Bivoltina (domesticada, de Bombyx mori) son ambas tecnológicamente significativas, sus diferencias fundamentales en la respuesta a estímulos físicos externos, particularmente la irradiación electromagnética, no se comprenden bien a nivel microestructural. La literatura existente se centra principalmente en tipos de seda individuales o películas procesadas químicamente, lo que deja un vacío de conocimiento respecto a la respuesta comparativa de las fibras naturales de Tussar y Bivoltina bajo condiciones de irradiación idénticas. Este estudio aborda la necesidad de comparar sistemáticamente estas dos variedades para optimizar su selección en la ingeniería textil avanzada, los andamiajes biomédicos y el diseño de compuestos funcionales.

Metodología
El estudio empleó un análisis comparativo de fibras de seda Tussar y Bivoltina obtenidas de instituciones gubernamentales certificadas en la India. El diseño experimental consistió en:

1. Preparación de la Muestra: Las fibras fueron limpiadas, secadas y divididas en grupos de control (no tratados), irradiados durante 5 minutos y de 10 minutos de irradiación.
2. Irradiación: Las muestras fueron sometidas a irradiación de microondas controlada (2.45 GHz, 1000W) durante 5 y 10 minutos.
3. Técnicas de Caracterización:
   • Difracción de Rayos X (XRD): Utilizada para evaluar la cristalinidad, identificar estructuras de lámina-$\beta$ y calcular el tamaño del cristalito, la deformación de la red, la densidad de dislocaciones y el espaciado interplanar mediante la ecuación de Scherrer y el método de Williamson-Hall.
   • Espectroscopía de Transformada de Fourier Infrarroja (FTIR): Utilizada para analizar los enlaces químicos, los grupos funcionales y la preservación de la cadena principal de la proteína (bandas Amida I, II y III).
   • Microscopía Electrónica de Barrido (SEM): Empleada para observar la morfología superficial, la alineación fibrilar y la integridad estructural.
   • Pruebas Mecánicas: Se midieron la carga de rotura, el alargamiento y la tenacidad para evaluar la integridad estructural y la capacidad de carga.

Contribuciones Clave y Resultados
El estudio revela divergencias estructurales y mecánicas distintas entre los dos tipos de seda tras la exposición a microondas:

• Cristalinidad y Análisis de XRD:

  • Seda Tussar: Exhibió una reducción significativa en la cristalinidad y la intensidad de difracción después de 5 minutos de irradiación, lo que indica la escisión de cadenas y la fragmentación estructural. Aunque se observó una recuperación parcial en la intensidad y el tamaño del cristalito a los 10 minutos, la cristalinidad se mantuvo por debajo del nivel de la muestra bruta, lo que sugiere una recristalización limitada y una tendencia hacia un estado amorfo.
  • Seda Bivoltina: Demostró una estabilidad superior. Mientras que 5 minutos de irradiación causaron una ligera disminución en la intensidad, la exposición de 10 minutos resultó en un aumento significativo de la intensidad de difracción y del Índice de Cristalinidad (CI), elevándose del 89% (bruta) al 92%. Esto indica una reorganización molecular inducida por la irradiación y una mejora en la alineación de las láminas-$\beta$ sin una distorsión significativa de la red.

• Espectroscopía FTIR:

  • Seda Tussar: Mostró una reducción en las intensidades de los picos y un ensanchamiento de las bandas después de 5 minutos, lo que sugiere una interrupción parcial de los enlaces de hidrógeno y del orden de las láminas-$\beta$.
  • Seda Bivoltina: Presentó una intensificación y un estrechamiento continuos de las bandas Amida I y II después de 10 minutos, lo que denota una mejor alineación de las cadenas y un fortalecimiento de las interacciones intermoleculares.

• Propiedades Mecánicas:

  • Seda Tussar: El rendimiento mecánico se degradó significativamente después de 5 minutos (reducción de la carga de rotura y la tenacidad), pero mostró una notable recuperación a los 10 minutos, superando ligeramente los valores de la fibra bruta.
  • Seda Bivoltina: Exhibió un aumento monotónico de las propiedades mecánicas con el tiempo de irradiación. La carga de rotura, el alargamiento y la tenacidad mejoraron progresivamente, siendo la muestra de 10 minutos la que presentó el mayor rendimiento (por ejemplo, la tenacidad aumentó de 2.19 a 2.857 g/den).

• Morfología Superficial (SEM):

  • Seda Tussar: Las fibras brutas parecían más rugosas y heterogéneas. La irradiación indujo una degradación superficial visible, incluyendo rugosidad, disrupción de los fibrilos y discontinuidades microestructurales.
  • Seda Bivoltina: Las fibras brutas eran suaves y compactas. Tras la irradiación, las fibras permanecieron estructuralmente intactas con solo irregularidades superficiales menores, manteniendo una morfología uniforme y compacta indicativa de un mejor empaquetamiento molecular.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo concluye que la seda Bivoltina posee una excelente tolerancia a la irradiación y adaptabilidad estructural en comparación con la seda Tussar. Los autores afirman que la irradiación por microondas controlada controla eficazmente la microestructura y el rendimiento de la seda, particularmente para las variedades Bivoltinas, al promover la reorientación de las cadenas de fibroína y la estabilización de los dominios de láminas-$\beta$.

El estudio sostiene que estos hallazgos son cruciales para el diseño racional de los próximos materiales basados en seda. Específicamente, la seda Bivoltina se identifica como un candidato más adecuado para aplicaciones que requieren alta estabilidad estructural y rendimiento mecánico mejorado bajo irradiación, tales como textiles avanzados, materiales biomédicos de carga y compuestos funcionales. Por el contrario, la susceptibilidad de la seda Tussar a la degradación térmica y estructural sugiere que puede ser más adecuada para aplicaciones donde se priorizan la porosidad natural y la textura estética sobre el refuerzo estructural inducido por irradiación. El trabajo enfatiza que comprender estas respuestas diferenciales es esencial para la selección de tipos de seda y estrategias de procesamiento en el diseño de materiales funcionales.