Tesi realitzada en co-tutela (Universidade Federal do Rio Grande do Sul -Brasil- i Universtitat Politécnica de Catalunya) / The aluminum alloy AA2024-T3, u sed extensively in the aerospace industry, dueto the heterogeneous microstructures intentionally designed to optím ize the m echanical properties, is very susceptible to localízed corros ion. In order to preven! the corros ion several surface treatments have been investigated to replace the chromate treatment and, in thís way, sílica based films can be regarded as a promising alternatíve. The aim ofthis work ís the obtaíníng, development and characterízation offilms vinyltrímethoxysilane (VfMS) combíned wíth tetraethylorthosílícate (TEOS) or y-glycídoxypropyltrímethoxysílane in the presence and absence of ethylenedíamíne tetrametílene phosphoníc a cid (EDTPO) as pretreatments agaínst corros ion of alumínum alloy AA2024-T3 in NaCI 0.05 mol L-1. Furthermore, ít was investígated the effect of addíng clayto sol-gel hybríd matríx and sílica nanoparticles to the matrix of VfMS/GPTMS films containing EDTPO. Different ratios of precursor and silica concentrations of phosphonic acid andel ay were evaluated. The anticorrosíve properties ofthe alloycoated with the modífied sílíca films were studied using electrochemical impedance spectroscopy (El S) after different immersion times. The chemical structure ofthe films and the starting solutíons were characterízed by ínfrared spectroscopy (FT-IR), whíle the morphology and com posítion of the film s were examíned on usíng Scanníng Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive Spectroscopy X-Ray (E O X) and 1 or Photoelectron Spectroscopy X-Ray (XPS). The results obtained were posítive for the corros ion protectíon of AA2024 using the coatings obtaíned by the sol-gel method and modífied with phosphonic a cid. Mer optimization ofthe coatings of silica and silica/phosphonic acid we applied !he bes! systems as anticorrosíve pretreatments and adhesion promoters for one epoxy primer paínt. Accelerated corros ion tests allowed check the beneficia! action ofthe silica layer as anchoring system for the epoxy paint. lt was found that the systems composed by: silica/epoxy paint and silica + phosphonic acid/epoxy paint and silica/ epoxy paint modified with conducting polymer provide effective corros ion protection for the alloy AA2024-T3. The results deríved from the present thesis have been accepted or have been sent for publicatíon in ínternational journals and also reported in sorne international congresses, as we point below: [1] V. Dalmoro, J . H. Z. dos Santos, E. Armelin, C. Alemán, O. S. Azambuja, Phosphonic acid/silica-based films: A potential treatm en! for corros ion protection, Corros. Sci. 60 (2012) 173-180. [2] V. Dalmoro, J. H. Z. dos Santos, E. Armelín, C. Alemán, D. S. Azambuja, A synergistic combination oftetraethylorthosilicate and multiphosphonic acid offers excellent corros ion protectíon to AA1100 aluminum alloy, Appl. Surf. Sci . 273 (2013) 758-768. [3] V. Dalmoro, J . H. Z. dos Santos, l. M. I.M. Baibich, E. Armelin, C. Alemán, O. S. Azambuja Cooperatíve effect between VfMS/TEOS and phosphonic acid for corros ion protection of AA2024, Submitted, 2013. [4] V. Dalmoro, J. H. Z. dos Santos, E. Armelín, C. Alemán, D. S. Azambuja, Organosílane and Montmorílloníte-based hybríd films produced by sol-gel: A potencial treatrnent for corros ion of AA2024, Manuscript on preparation, 2013. [5] V. Dalmoro, J. H. Z. dos Santos, E. Armelin, C. Alemán, D. S. Azambuja, Characterization ofTEOS/phosphoníc acíd films, 63rd Annual Meeting of lnternatíonal Socíety of Electrochem ís try 19-24 August 2012, Prague, Chech Republíc / A liga de alumínio AA2024-T3, extensivamente empregada na indústria aeronáutica, devido as microestruturas heterogêneas intencionalmente desenvolvidas para otimizar as propriedades mecânicas é susceptível a corrosão localizada. Com o intuito de prevenir a corrosão vários tratamentos de superfície têm sido investigados para substituir o tratamento de cromatização, e os filmes a base de sílica podem ser considerados como uma alternativa promissora. O objetivo deste trabalho é a obtenção, desenvolvimento e caracterização de filmes de viniltrimetoxisilano (VTMS) combinado com tetraetilortosilicato (TEOS) ou γ-glicidiloxipropiltrimetoxisilano (GPTMS) na presença e na ausência de ácido 1,2-diaminoetanotetrametileno fosfônico (EDTPO) como pré-tratamentos contra a corrosão da liga de alumínio AA2024-T3 em NaCl 0,05 mol L-1. Além disso, foi investigado o efeito da adição de argila na matriz híbrida sol-gel e de nanopartículas de sílica na matriz VTMS/GPTMS contendo EDTPO. Diferentes razões de precursores de sílica e concentrações de ácido fosfônico e de argila foram avaliadas. As propriedades anticorrosivas da liga com os filmes foram estudadas usando espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) após diferentes tempos de imersão. A estrutura química dos filmes e das soluções de partida foi determinada por espectroscopia de infravermelho (FT-IR), enquanto que a morfologia e composição dos filmes foram examindas através de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Espectroscopia de Energia Dispersiva de Raios-X (EDX) e/ou Espectroscopia Fotoeletrônica de Raios-X (XPS). Os resultados alcançados foram satisfatórios para a proteção contra a corrosão da AA2024 utilizando os revestimentos obtidos a partir do processo sol-gel e modificados com ácido fosfônico. Após a otimização dos revestimentos de sílica e de sílica/ácido fosfônicos estes sistemas foram avaliados como pré-tratamentos anticorrosivos e promotores de adesão de pintura epóxi comercial. Ensaios acelerados de corrosão permitiram comprovar a ação benéfica da camada de sílica como sistema de ancoragem da pintura epóxi. Foi verificado que os sistemas constituídos por sílica/pintura epóxi, sílica + ácido fosfônico/pintura epóxi e sílica/pintura epóxi modificada com polímero condutor propiciam uma efetiva proteção contra a corrosão da AA2024-T3. / La aleación de aluminio AA2024-T3, que se utiliza ampliamente en la industria aeronáutica, debido a las microestructuras heterogéneas intencionadamente diseñadas para optimizar las propiedades mecánicas, es muy susceptible a la corrosión localizada. Para prevenir la corrosión diversos tratamientos de superficie han sido investigados para reemplazar el tratamiento con cromato, en este sentido las películas a base de sílice constituyen una alternativa prometedora. El objetivo de este trabajo es la obtención, desarrollo y caracterización de películas de viniltrimetoxisilano (VTMS) combinado con tetraetilortosilicato (TEOS) o γ-glicidiloxipropiltrimetoxisilano (GPTMS) en presencia y ausencia de ácido etilendiamina tetrametilenofosfônico (EDTPO) como tratamientos previos contra la corrosión de la aleación de aluminio AA2024-T3 en NaCl 0,05 mol L- 1. Por otro lado, se investigó el efecto de la adición de arcilla en la matriz híbrida y la presencia de nanopartículas de sílice a la matriz sol-gel VTMS/GPTMS que contienen EDTPO. Se evaluaron diferentes proporciones de concentraciones de sílice y precursores de ácido fosfónico y arcilla. Las propiedades anticorrosivas de la aleación recubierta con los filmes de sílice modificados se estudiaron mediante espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) después de diferentes tiempos de inmersión. La estructura química de los filmes y de las soluciones de partida se caracterizaron por espectroscopia de infrarrojo (FT-IR), mientras que la morfología y la composición se examinaron por microscopía electrónica de barrido (SEM), espectroscopia de energía dispersiva de rayos-X (EDX) y/o espectroscopia de fotoelectrones de rayos-X (XPS). Los resultados obtenidos son positivos para la protección contra la corrosión del AA2024-T3 con el uso de los recubrimientos preparados con el método sol-gel y modificado con ácido fosfónico. Después de la optimización de los recubrimientos de sílice y sílice/ácido fosfónico, se aplicó los mejores sistemas como tratamientos anticorrosivos y promotores de la adherencia de una pintura epoxi de imprimación. Los ensayos de corrosión acelerados permitieron comprobar la acción beneficiosa de la capa de sílice como sistema de anclaje de la pintura epoxi. Se encontró que los sistemas compuestos por: la sílica/pintura epoxi, sílica + ácido fosfónico/pintura epoxi y sílica/pintura epoxi modificada con polímero conductor proporcionan una protección eficaz contra la corrosión de la aleación AA2024-T3.

Aquesta tesi és una contribució a generar una economia eficient en recursos i energia per mitjà de reccions químiques. En concret, la memòria presenta d’una banda, un procés ràpid i eficaç per a la recuperació de les sals de crom(III) i l'obtenció de biopolimers d'alt valor afegit dels residus cromats procedents de la indústria d’adoberia. El procés de descromació està basat en l'oxidació del crom(III) a crom(VI) utilitzant peròxid d’hidrogen en mitjà bàsic. A més, la mateixa reacció d'oxidació es va utilitzar per recuperar les sals de crom(IIII) dels efluents cromats. D’altra banda, les reaccions termoquímiques (processos d’adsorció química i les reaccions químiques sòlid-gas) obren una nova possibilitat per l’emmagatzematge tèrmic d’energia solar durant períodes llargs de temps en zones residencials. Aquest treball aporta una revisió sobre la investigació experimental de sistemes d’emmagatzematge tèrmic mitjançant materials termoquímics (TCM). A més, la memòria aporta el treball realitzat per a la caracterització experimental del MgSO4•7H2O, Al2(SO4)3•18H2O, CaCl2•2H2O and MgCl2•6H2O per la determinació de la seva aplicació com a TCM en un sistema estacional d’emmagatzematge tèrmic solar. Els resultats experimentals van indicar que els clorurs poden alliberar calor al sistema de calefacció residencial a temperatures més altes que els sulfats. / Esta tesis es una contribución a generar una economía eficiente en recursos y energía por medio de reacciones químicas. En particular esta memoria presenta por una parte, un proceso rápido y eficaz para la recuperación de las sales de cromo(III) y la obtención de biopolímeros de alto valor añadido de los residuos cromados provenientes de la industria del curtido. El proceso de descromación está basado en la oxidación del cromo(III) a cromo(VI) usando peróxido de hidrógeno en medio básico. Además, la misma reacción de oxidación se ha utilizado para la recuperación de las sales de cromo(III) de los efluentes cromados. Por otra parte, las reacciones termoquímicas (procesos de adsorción química y las reacciones químicas sólido-gas) abren una nueva posibilidad para el almacenamiento térmico de energía solar por periodos largos de tiempo en zonas residenciales. Este trabajo aporta una revisión sobre la investigación experimental de sistemas de almacenamiento térmico con materiales termoquímicos (TCM). Además, la memoria presenta el trabajo realizado en la caracterización experimental de MgSO4•7H2O, Al2(SO4)3•18H2O, CaCl2•2H2O and MgCl2•6H2O para la determinación de su aplicación como TCM en un sistema estacional de almacenamiento térmico de energía solar. Los resultados experimentales indicaron que los cloruros pueden liberar calor al sistema de calefacción residencial a temperaturas más altas que los sulfatos. / The current thesis is a contribution to create energy and resource efficient economy by means of chemical reactions. In particular, the thesis presents, on one hand, a quick and effective procedure for recovery of chromium (III) salts and isolation of high added value collagenic biopolymners from chromium(III) tanned solid wastes. The dechroming process is based on the oxidation of chromium(III) to chromium using hydrogen peroxide in alkaline medium. Additionally, the same oxidation reaction was used for recovery of chromium(III) salts from tannery effluents. On the other hand, thermochemical reactions (chemical adsorption processes and solid-gas chemicals reactions) open a new way for long-term solar heat storage in residential areas. The present work gives a review of the experimental research on thermal energy storage systems with thermochemical materials (TCM). Moreover, this work describes the experimental characterisation of MgSO4•7H2O, Al2(SO4)3•18H2O, CaCl2•2H2O and MgCl2•6H2O to determine is suitability for application in a seasonal solar heat storage system. Experimental results showed that the chlorides can deliver heat to the residential heating system at a higher temperature than the sulphates.

En esta memoria se proponen nuevas soluciones analíticas basadas en la espectroscopia del infrarrojo cercano (NIR) y la imagen química NIR (NIR-CI) para la resolución de problemas reales de la industria farmacéutica y petroquímica. La rapidez y el carácter no destructivo y no invasivo de estas técnicas son las características determinantes para su aplicación en el control de calidad industrial, mientras que su gran versatilidad es la clave para su adaptación a las características y necesidades de cada empresa. En la industria petroquímica, se desarrollan estrategias capaces de reducir tiempo y costes de los análisis, mejorando tanto la exactitud como la reproducibilidad de los resultados y la representatividad de las muestras analizadas. La espectroscopia NIR constituye una alternativa ventajosa respecto a los distintos métodos analíticos de referencia establecidos para abordar la gran variedad de análisis que requieren los productos petroquímicos para asegurar su calidad final. En el contexto de la industria petroquímica se han realizado dos estudios orientados a la determinación de parámetros de interés de gasóleos y parafinas respectivamente: En la industria farmacéutica, se proponen nuevos métodos analíticos capaces de dar una visión rápida y general del estado real de las muestras a lo largo de un proceso. Para ello, se ha utilizado el NIR-CI que permite extraer, en muy poco tiempo, una gran cantidad de información y presentarla de una forma sencilla y visual. Los modelos desarrollados evidencian los efectos de los tratamientos y las condiciones a los que han sido sometidas las muestras durante el proceso de estudio. Esto permite el ajuste del diseño de nuevos fármacos y su proceso de producción, pero también posibilita el control del futuro proceso de producción, asegurando la calidad del producto. Estos conceptos se incluyen en lo que se conoce como tecnología analítica de procesos (PAT). Las metodologías desarrolladas constituyen alternativas reales a métodos utilizados convencionalmente, mejorando la rapidez y los costes de análisis y confirmando las posibilidades del control de procesos en tiempo real, sin disminuir la calidad de los resultados analíticos. Los resultados obtenidos mediante la aplicación de estas técnicas, son indicativos del potencial del NIR y NIR-CI en el control de calidad industrial. / ABSTRACT In this thesis, new analytical solutions based on near-infrared spectroscopy (NIR) and NIR chemical imaging (NIR-CI) for solving real problems in the pharmaceutical and petrochemical industry are proposed. The expeditiousness and non-destructive and non-invasive character of these techniques are decisive in their application to the quality control of industrial products, while their versatility is crucial to adapt them to the features and needs of each company. In the petrochemical industry field, strategies capable of reducing time and costs of analysis, improving both accuracy and reproducibility of the results and the representativeness of the analysed samples have been developed. NIR spectroscopy is an advantageous alternative regarding the analytical reference methods established to address the wide variety of analysis that petrochemicals require to ensure the final quality. In the context of the petrochemical industry two studies focused in determining parameters of interest in diesel and paraffin have been carried out: In the pharmaceutical industry, new analytical methods able to give a quick overview of the actual state of the samples along the process are proposed. NIR-CI has been used to quickly extract a lot of information of the sample and present it in a simple and visual way. The sample treatments and conditions during the study are reflected in the developed models. It allows adjusting the design of new drugs and their production process and also enables the control of the future production processes ensuring product quality. All these possibilities are comprised in the Process Analytical Technology (PAT) concept. The developed methodologies are demonstrated to be real alternatives to conventionally used methods. They improve the speed and cost of analysis as well as the possibilities for process control in real time, without decreasing quality of analytical results. The results obtained by using these techniques, joined to their advantages are indicative of the potential of NIR and NIR-CI in industrial quality control.

La monitorització de l’activitat biològica en biofiltres percoladors és complexa ja que implica l’estimació de la concentració de biomassa i el rendiment de creixement. Aquestes dades no són senzilles de calcular quan la biomassa creix de forma immobilitzada. En aquesta tesi es porta a terme la caracterització de biomassa sulfuroxidant extreta de diferents biofiltres percoladors, emprats per a la desulfuració de biogas, a través de tècniques respiromètriques i titrimètriques. Durant l’estudi realitzat amb biomassa SO-NR i tiosulfat com a donador d’electrons, no es va observar competència entre el consum de nitrat i de nitrit. Els productes finals de la reacció depenien de la relació inicial S2O3 2--S/NO3 --N però aquesta relació no tenia efectes sobre les velocitats de consum de tiosulfat ni de desnitrificació. Dels perfils respiromètrics també es va observar que els consums específics de nitrit depenien de les característiques de la biomassa. La respirometria anòxica acoblada a la titrimetria va ser la metodologia emprada per a resoldre l’estequiometria de la desnitrificació en dues etapes (NO3-NO2- N2). El model cinètic proposat per a descriure la desnitrificació es va calibrar i validar estimant els paràmetres cinètics que descrivien els perfils respiromètrics fent servir nitrat i nitrit amb biomassa aclimatada i no aclimatada a nitrit. Finalment, un cop a desnitrificació va ser ben caracteritzada, es va utilitzar sulfur com a donador d’electrons i es va proposar, calibrar i validar un model cinètic que descrivís completament el procés biològic. Un cop caracteritzada la biomassa SO-NR es va utilitzar la respirometria LFS per a estudiar els mecanismes implicats a la oxidació biològica de sulfur i sofre en condicions aeròbies. Fenòmens com l’stripping o oxidació química del suflur també es va caracteritzar ja que podien interferir a la mesura de l’activitat biològica. L’estequiometria del procés així com els mecanismes de degradació i el model cinètic es van proposar. El model es va calibrar i validar amb els perfils respiromètrics sense incloure cap selectivitat cap a la formació de sofre o sulfat en funció de la relació O2/S disponible. Es va observar que els bacteris consumien preferentment el sulfur tot i haver un excés d’oxigen al medi. En aquest cas es va utilitzar un model de consum de partícules per a descriure la oxidació del sofre ja que l’equació de Monod no descrivia un perfil tan sensible com el de l’oxigen dissolt. L’últim estudi inclòs en aquesta tesi és el d’aplicació d’una tècnica novedosa, la respirometria heterogènia, per a avaluar l’activitat biològica de les cèl·lules en estat immobilitzat. Es van estudiar els fenòmens de transferència de matèria, així com l’activitat sulfur-oxidant amb dos tipus de material de rebliment obtinguts de biofiltres percoladors. Es va desenvolupar un model matemàtic per a determinar els coeficients cinètics així com les propietats morfològiques del biofilm. Es va observar que la difusió de l’oxigen és el pas limitant en aquells biofilms amb elevada activitat biològica. / Monitoring the biological activity in biotrickling filters (BTF) is difficult since it implies estimating biomass concentration and its growth yield, which can hardly be measured in immobilized biomass systems. In this study, the characterization of sulfur oxidizing biomass (SOB) obtained from different desulfurizing BTFs was performed through the application of respirometric and titrimetric techniques. The study performed with SO-NR biomass and thiosulfate as electron donor revealed that no competitive inhibition occurred when nitrate and nitrite were present in the medium. Moreover, final bioreaction products depended on the initial S2O3 2--S/NO3 --N ratio although such ratio did not affect thiosulfate oxidation or denitrification rates. Moreover, respirometric profiles showed that the specific nitrite uptake rate depended on the biomass characteristics. Then, the coupling of respirometry and titrimetry was the method used to solve the two-step denitrification (NO3 - NO2 - N2) stoichiometry. Afterwards, a kinetic model describing denitrification associated to thiosulfate oxidation was calibrated and validated through the estimation of several kinetic parameters from the fitting of experimental respirometric profiles using the stoichiometry previously solved. The profiles were obtained using either nitrate or nitrite as electron acceptors for acclimated and non-acclimated biomass to nitrite. Finally, sulfide was used as electron donor and again a kinetic model was proposed, calibrated and validated using the procedure developed in previous chapters. After the characterization of SOB under anoxic conditions, the LFS respirometry was used in order to find out which were the mechanisms involved in biological sulfide oxidation under aerobic conditions. Other physical-chemical phenomena, as H2S stripping or chemical oxidation of H2S(aq), were characterized since they might cause interference over the biological activity measurement. Besides the stoichiometry of the process, a kinetic model describing each of the reactions occurring during sulfide oxidation was calibrated and validated. No product selectivity was found related with the O2/S ratio available in the medium. Moreover, it was found that sulfide was preferentially consumed and oxidized to elemental sulfur even though an excess of oxygen was present in the medium. The shrinking particle equation was included in the kinetic model to describe elemental sulfur oxidation since the oxygen profile could not be described with a simple Monod equation. As an innovative technique, the heterogeneous respirometry was applied to assess the biological activity of immobilized cells (biofilm). Mass transport and the activity of sulfide-oxidizing biofilms attached on two types of packed beds, originated from operative biotrickling filters, were studied under aerobic conditions. A mathematical model for the determination of kinetic-related parameters such as the maximum OUR and morphological properties of biofilm was developed and calibrated. It was found that the oxygen diffusion rate was the limiting step in the case of very active biofilms.

El objetivo de esta tesis es resolver algunos aspectos científicos-técnicos de los LOC relacionados con la integración de sensores de estado sólido. Para conseguirlo se presenta el desarrollo de una tecnología que permite la integración de chips fabricados con tecnología microelectrónica y estructuras microfluídicas en sustratos poliméricos. Este manuscrito se divide en 6 capítulos. En el Capítulo 1 se realiza una introducción general de los principales elementos involucrados en el desarrollo de esta tecnología de integración, que son los sensores fabricados con tecnología microelectrónica, las estructuras microfluídicas, y las tecnologías de integración existentes. Un análisis del estado del arte de las principales aplicaciones de los sistemas LOC en la literatura, nos ha llevado a dirigir la aplicación de los dispositivos fabricados hacia la medida de parámetros químicos para aplicaciones biológicas. En el Capítulo 2 se definen los objetivos y motivaciones que han llevado al trabajo de investigación de esta tesis. En el Capítulo 3 se presenta la fabricación y caracterización de una serie de microsensores para su aplicación en cultivos celulares y en la medida de fluidos biológicos. Estos sensores son transistores de efecto de campo sensibles a iones (ISFET), sensores amperométricos y sensores impedimétricos o electrodos interdigitados (IDE), para la medida de pH, ion potasio, oxígeno disuelto, glucosa y conductividad del medio, respectivamente. En el Capítulo 4 se expone el desarrollo de una tecnología que permite la integración de estos sensores en plataformas comerciales tipo PCB (printed circuit board) con sencillas estructuras microfluídicas fabricadas en PDMS. En el Capítulo 5 se demuestra la flexibilidad de la tecnología desarrollada mediante la fabricación de tres dispositivos de sistemas LOC, para su aplicación en la medida del pH extracelular de cultivos celulares y en el control del pH de la orina en la enfermedad de litiasis. En el Capítulo 6 se resume el trabajo futuro a realizar para optimizar la tecnología de integración desarrollada y seguir avanzando hacia la fabricación de sistemas LOC viables para su aplicación en sectores de interés industrial. / The objective of this thesis is to solve some of the scientific-technical problems related to the integration of solid state sensors in lab on a chip systems (LOCs). To achieve this, the development of a technology that allows the integration of chips fabricated with microelectronics and microfluidic structures on polymer substrates is presented. This manuscript is divided into 6 chapters. In Chapter 1 a general introduction to the main elements involved in the development of this technology is presented. These elements are microelectronic sensors, microfluidic structures and existing integration technologies. An analysis of the state of the art of the main applications of LOC systems in the literature has led us to address the application of the devices fabricated within this thesis to measure chemical parameters for biological applications. In Chapter 2 the objectives and motivations followed in this thesis are defined. The production and characterization of a number of microsensors for use in cell culture and measurement of biological fluids is presented in Chapter 3. These microsensors are ion selective field effect transistors (ISFET), amperometric sensors and impedimetric interdigitated electrodes (IDE) and are applied to monitor pH, potassium ion, dissolved oxygen, glucose and conductivity of the extracellular medium, respectively. In Chapter 4 the development of a technology that allows the integration of these sensors into commercial platforms, such as PCB (printed circuit board) with simple microfluidic structures made of PDMS is exposed. In Chapter 5, the flexibility of the technology developed is presented by the manufacture of three devices of LOC systems, for use in the measurement of the extracellular pH in cell cultures and controlling the pH of the urine in gallstone disease. Future work involves optimizing integration technology developed and further progress towards making LOC systems viable for application in areas of industrial interest is summarized in Chapter 6.

En marzo de 2011, apliqué a una beca del CSC (Consejo de Becas de China), en cooperación con la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB). Después de medio año, conseguí la beca y comencé mi tesis doctoral bajo la supervisión de la Dra. Anna Roig y la Dra. Anna Laromaine. Mi proyecto asignada era en celulosa bacteriana: su síntesis, caracterización y estudios de biocompatibilidad. La celulosa bacteriana es un polisacárido de fuentes renovables, y puede ser producida por algunos tipos de bacterias en la naturaleza. Presenta propiedades químicas y físicas notables, incluyendo una alta pureza química y cristalinidad, una red de nanofibras, porosa, alta capacidad de absorción de agua y resistencia mecánica. La celulosa bacteriana se utiliza para una amplia variedad de aplicaciones comerciales. Por otra parte, la celulosa bacteriana es biocompatible con afinidad biológica y biodegradabilidad, que suscita la atención de investigadores en el área de la biomedicina. El primer objetivo de mi tesis fue aprender a producir películas de celulosa bacteriana y encontrar estrategias para controlar sus propiedades. Un segundo objetivo fue el desarrollo de métodos para la fabricación de nanocompuestos basedos con celulosa bacteriana. El objetivo final estudia la biocompatibilidad de las capas de celulosa bacteriana que hemos producido y su utilidad como soportes tridimensionales para el crecimiento celular. Así se pretende establecer una plataforma para el estudio de la interacción de células y nanopartículas en un entorno 3D más realista. Durante el primer año, se realizó la puesta a punto en el laboratorio del sistema para producir capas de celulosa bacteriana a partir de dos cepas bacterianas y secarlas a partir de tres métodos de secado:a temperatura ambiente, secado por liofilización y secado supercrítico. Por otra parte, se realizó la caracterización completa de las capas de celulosa bacteriana: su porosidad, la transparencia, la capacidad de absorción de agua y las propiedades mecánicas que se podían controlar seleccionando la cepa bacteriana y el método de secado. En el segundo año, se sintetizó la celulosa bacteriana compuesta con nanopartículas por el método asistida por microondas como materiales de celulosa funcionales novedosos. Este método es eficiente y rápido, forma un recubrimiento de las capas de celulosa bacteriana por nanopartículas de forma homogénea y controlable. Secando las capas de celulosa utilizando diferentes rutas, se puede controlar la cantidad final del contenido de las nanopartículas en los materiales compuestos. Así capas con dominios hidrófobos / hidrófilos favorecían el anclaje de nanopartículas de forma selectiva para crear materiales de celulosa más complejos y funcionales. En este último año, se ha llevado a cabo el estudio de la biocompatibilidad de las capas de celulosa bacteriana in vitro. Aunque la celulosa bacteriana se considera generalmente un material no citotóxico, su biocompatibilidad es un requisito importante para su uso en aplicaciones biológicas y médicas y no ha sido evaluado completamente. Además se fabricó una estructura de celulosa bacteriana 3D mejorada. La tesis se estructura en seis capítulos. Capítulo 1 proporciona una introducción a la celulosa bacteriana. Capítulo 2 ofrece una descripción detallada de la fabricación de capas de celulosa bacteriana (BCF). Capítulo 3 se centra en la síntesis de compuestos de celulosa bacteriana funcionales que incorporan nanopartículas. Capítulo 4 presenta estudios de biocompatibilidad de la celulosa bacteriana como estructura 2D y 3D para estudios celulares in vitro. Capítulo 5 se enumeran las principales conclusiones derivadas de la presente tesis y algunas sugerencias para el trabajo futuro.Capítulo 6 recoge información sobre el autor y las publicaciones durante el doctorado. / In March 2011, I started the application of a scholarship from CSC (Chinese Scholarship Council), which cooperated with the Universitat Autònoma de Barcelona (UAB). After about half year, I secured the scholarship and began my doctoral thesis under the supervision of Dr. Anna Roig and Dr. Anna Laromaine. My project assignment was on bacterial cellulose: fabrication, characterization and biocompatibility studies. Bacterial cellulose is a renewable polysaccharide, which is produced by some types of bacteria in nature. It presents remarkable chemical and physical properties, including high chemical purity and crystallinity, nano-scale fibre network, porosity, high water absorption capacity and mechanical strength. Bacterial cellulose is being used for a wide variety of commercial applications, for example textiles, cosmetics, food products and other technical areas. Furthermore, bacterial cellulose is also biocompatible with excellent biological affinity and biodegradability, which is drawing immense attention from the bio and medical area researchers. The objective of my thesis was to learn how to produce bacterial cellulose films and find strategies to control their properties. A second objective was to developed methods to fabricate nanocomposites based on bacterial cellulose. The final objective was related to prove the biocompatibility of the in-house produced bacterial cellulose films and to be able to use them as three-dimensional scaffolds for cell in-growth. In this way setting up a platform that will allow us to study the interaction of cells and nanoparticles in a realistic 3D environment. During the first year, a lab set-up was successfully built to produce bacterial cellulose from two bacterial strains and three methods of drying were accessed to dry the thin films; at room temperature, freeze drying and supercritical drying. Moreover, the full characterization of bacterial cellulose films was accomplished: their porosity, transparency, water absorption capacity and mechanical properties were tuned by selecting the bacterial strain and the drying method. In the second year, bacterial cellulose composited with nanoparticles as novel functional cellulose materials were synthesized by microwave-assisted method. This method is efficient and fast to form a homogenous conformal and controllable coating of nanoparticles on the bacterial cellulose films. By drying the cellulose films using different routes, the final amount of the nanoparticles content in the composites can be controlled. Furthermore, those films were patterned with hydrophobic/hydrophilic domains and selectively anchored nanoparticles to create more complex and functional cellulose composites. During the last year, an investigation of the biocompatibility of the bacterial cellulose films in vitro was performed. Although bacterial cellulose is generally considered non-cytotoxic material, its biocompatibility as a major requirement for the use in biological and medical applications has not been fully evaluated. Furthermore, an improved 3D bacterial cellulose scaffold was fabricated. The thesis is organized into six chapters. Chapter 1 provides an introduction to bacterial cellulose. Chapter 2 describes a detailed description of the fabrication of bacterial cellulose films (BCFs). Chapter 3 focuses on the synthesis of functional bacterial cellulose composites incorporating nanoparticles. Chapter 4 presents the studies of bacterial cellulose biocompatibility as 2D and 3D scaffold for cell studies in vitro. Chapter 5 lists the main conclusions derived from the present thesis and some suggestions for the future work. Chapter 6 gathers information about the author and the publications during the Ph.D. studies.

Durante la ultima decada la creación de movimiento a la escala micro y nano ha evolucionado mucho y se ha convertido en un campo que connecta varias disciplinas de la ciencia. En su breve historia han sido la engeneria y la quimica las disciplinas leaderes, pero hoy en dia muchos impulsos vienen de la ciencia de materiales y la biotecnologia. Esta tesis comienca con un breve resumen de la base fisica, los diferentes tipos de motores y los mecanismos de propulsión y muy en seguida llega al uso de enzimas para generar movimiento. Como material para los motores nos hemos centrado en la silica, debido a sus propriedades unicas como la facilidad de modificarla, introducir funcionalidades y su toxicidad baja que facilita futures aplicaciones en ambitos biologicos. Por ello en el primer paso se sintetizaron diferentes tipos de particulas y se desarollaron hierramientas como la funcionalización de la superficie, la imobilización de materia catalitica (platino o enzimas) y la aplicación de moleculas como el ADN. Todo este conocimiento se combinó en el desarollo de una prueba de concepto de un sensor de ADN, baseado en la detección de movimiento. El motor que formó la base de este sensor se podia guardar durante un tiempo, pero al mismo momento se mostró muy sensible a temperaturas elevadas y un medio oxidante. Por ello optamos por mejorar el tiempo de vida de este tipo de motor baseado en enzimas, tal como su capacidad de ser reutilizado. Esto se conseguió encapsulando la catalasa y la evaluación de su performance demostró que la resistencia al peroxido, a temperaturas elevadas y (....) enzimas proteoliticas mejoraron drasticamente. Otro problema que intentamos solucionar en esta tesis es la direcionalidad de los micro motores y evaluando agentes direcionales se selecionó el magnetismo. En primer instante introducimos particulas de oxido de hierro, pero este metodo falló porque no se conseguió la asimitrización de los mismos. Por ello entramos en colaboración con Dr. Sanchez y aplicamos su metodo de fabricación de particulas Janus por evaporación de una multicapa magnetica. Las propriedades de esta multicapa nos capacitaron de guiar el movimiento de los motores aplicando campos magneticos. Para este tipo de motor direcionable sustituimos las enzimas por planito, un catalisador inorganico para la misma decomposición de peroxido. Esto crea un movimiento más uniforme, un porcentaje de particulas con catalizador más elevado y una incremento en la reproducibilidad de los experimentos. Todo esto nos facilitó el estudio del comportamiento de los motores Janus en diferentes ambitos, entre ello soluciones que contenian surfactantes. Adicionalmente se realizaron mediciones del potencial Zeta en las mismas soluciones y en presencia de surfactantes. Los resultados obtenidos pueden abrir el camino para un entendimiento mejor del mechanismo del movimiento por gradientes. Otro punto que aun es muy escarso en el campo son comparaciones entre diferentes tipos de micro motores. Asi siempre en colaboracion con el grupo de Sanchez comparamos estos resultados con resultados obtenidos por otro tipo de motor, los microjets. Comparando estos dos tipos de motores esperamos crear conecciones entre las varias areas del campo de micro motores para modularizar los conocimientos. Esto facilitará el traspaso del conocimiento de un tipo de motor y la aplicación a otros. La ultima parte de esta tesis surge de un proyecto a parte que nos capacitó de crear motores propulsados por luz. Se optimizó la precipitacion de AgCl particulas en forma de estrella y se caractizaron sus propriedades. Semejante a publicaciones de Sen et al. probamos el potencial de estas particulas como micro motores y vimos que luz ultravioleta es capaz de generar modificaciones en la superficie que liberan iones de cloro y causan movimientos propulsados por gradientes. El uso de estos micromotores nos llevó a la primer aplicación: limpieza de aguas de residuos por degradación de moleculas organicas y evaluamos las propriedades antibacteriales. Concluyendo se puede decir que hay optimismo que este trabajo aumenta el conocimiento sobre movimiento en la escala micro y será la base de futuros trabajos. / In the last decade the generation of movement at the microscale has evolved to a fascinating new field of that connects several fields of modern science. In its short history mainly engineering and chemistry were dominating the research in this area but lately many novel inputs were given by biotechnology or material science. This thesis starts with a short overview on physical basics, several different motor types and propulsion mechanisms and then comes to the use of enzymes to obtain motion. As basic material we focussed mainly on Silica particles due to its unique properties, for example easy shape-ability, modification and functionalization as well as its non-toxicity that enables future use in any kind of bio-applications. So in a first step different kinds of particles were synthesized and several tools are developed, for example surface functionalizations and immobilization of catalytically active material on the surface (enzymes or inorganic catalysts) and grafting of molecules as DNA. All this knowledge acquired here was combined in the development of a proof of concept motion based DNA sensor. The underlying micromotor assembly was storable but very sensitive to external influences as oxidizing media and elevated temperatures. Therefore improvement of the enzyme driven micromotors concerning their lifetime and reusability was achieved by introducing an encapsulation method for catalase. Evaluation of the particle endurance showed that the resistance to oxidation by peroxide, heat and proteolytic enzymes could be improved. Another problem that was tackled in this thesis is directionability of micromotors. After evaluation of different directing agents magnetism was selected as means of choice. First trials to introduce magnetic Fe2O3 particles in the micromotor assay failed because the asymmetrization could not be achieved. So in collaboration with the group of Dr. Sanchez an approach based on the fabrication of Janus particles through multilayer deposition of magnetic material was adopted and particle movement could be guided. To achieve this kind of motor the enzyme was replaced by Pt as an inorganic catalyst for peroxide decomposition. This causes the motion to be more uniform, the percentage of motile particle and the reproducibility of experiments higher and therefore it enabled us to study the behaviour in different fuel containing media. Additionally Zetapotential measurements were used to further characterize the particle behaviour in presence of different kinds of surfactants. Those results might pave the way for novel insights into mechanistic details of gradient driven particle movement. Another point that we found missing in the field of micro motors were comparisons between different kinds of micromotors. Therefore we extended the studies of micromotor motion in different media to microjets and we obtained comparative statements about differences between both motor types. We hope that creating connections between different types of micromotors will contribute to "modularize" the field, so that achievements on one type of motors can be easier applied to other forms of motors. In the last part of the thesis a finding from a side project we used to create light driven micromotors. The delayed precipitation of AgCl led to star-shaped particles - their synthesis was developed further and their properties were characterized. Similar to earlier publications of Sen et al. we tested their potential use as micromotors and found that UV light was able to generate surface modifications that released chlorine ions and led to probably gradient driven motion. Their use as micromotors finally led to a first application: waste water cleaning by means of degradation of organic molecules and antibacterial properties. We hope the concepts developed in this thesis provide a basis for future work and enlarge the knowledge about movement at the microscale.

En esta Tesis de Doctorado se han desarrollado sistemas lab-on-a-chip (LOC) funcionalizados de bajo coste para su uso como herramientas analíticas en aplicaciones medio ambientales y biomédicas. Inicialmente se exploró el potencial de LOCs fotónicos (PhLOC) previamente definidos en nuestro grupo, como sistemas en análisis. Se aplicaron sistemas microfluídicos de Reflexión Interna Múltiple (MIR) fabricados en polímeros de bajo coste, como polydimetilsiloxano (PDMS), siguiendo un procedimiento rápido de fabricación, en la detección de diferentes analitos (células e iones de metales pesados) y su funcionamiento se comparó con el de otras técnicas analíticas más convencionales. Para dotar de selectividad a los PhLOCs se desarrollaron y compararon diferentes protocolos de modificación de superficies para la inmovilización de proteínas en los materiales poliméricos utilizados para la fabricación de estos sistemas. Estos métodos mantienen inalteradas las propiedades ópticas y estructurales del material. Se utilizó la peroxidasa de rábano (HRP) como proteína modelo para estos estudios, y las superficies biofuncionalizadas resultantes se testaron mediante la medición de la actividad enzimática en la reacción de reducción de peróxido de hidrógeno en presencia del mediador redox 2,2’azino-bis (3-ethylbenzthiazoline-6-sulfonic acid) (ABTS), cuyo producto enzimático de color verde pudo ser detectado mediante medidas de absorbancia. Se midió la robustez del proceso de inmovilización mediante la medida de la actividad del HRP durante un periodo superior a un mes. Finalmente, se añadieron nuevos componentes fluídicos y funcionalidades a los PhLOCs previamente aplicados para mejorarsu desempeño. Estructuras microfluídicas tales como mezcladores biofuncionalizados (actuando en consecuencia como reactores) se integraron monolíticamente con el MIR, dando lugar a un PhLOC con mejores prestaciones analíticas. Estos nuevos elementos disminuyeron el tiempo de análisis y el volumen de muestra y reactivo. Con la integración de una celda electroquímica de oro en el substrato, se desarrolló un LOC con lectura de medida dual (DLOC), que permitió la transducción simultánea óptica y electroquímica e hizo el sistema desarrollado autoverificable, mejorando así su fiabilidad. Se mostró el potencial de este DLOC mediante el desarrollo de una herramienta analítica para la medida de glucosa. Se inmovilizaron glucosa oxidasa (GOx) y HRP siguiendo el protocolo desarrollado en esta Tesis y se aplicaron como receptores específicos para la detección de glucosa basada en una reacción enzimática en cascada utilizando el mediador redox ABTS. Como estudio adicional, se testó la aplicabilidad del protocolo de funcionalización en diferentes polímeros y también se llevó a cabo la inmovilización de componentes biológicos diferentes a enzimas. / In this PhD Thesis low-cost functionalized Lab-on-(bio)Chip systems (LOC) for their use as analytical tools for environmental and biomedical applications have been developed. Based on photonic LOC approaches (PhLOC) previously defined in our group, the potential of these devices in analysis was explored first. Multiple Internal Reflection (MIR) optofluidic systems made of cost-effective polymers, such as polydimethylsiloxane (PDMS), using rapid fabrication processes were applied for the detection of different analytes (cells and heavy metal ions) and their performance compared with other more conventional analytical techniques. In order to confer selectivity to the PhLOCs, different surface modification protocols for protein immobilization on the polymeric materials used in this work were developed and compared. These methods keep the optical and structural properties of the material unaltered. Horseradish peroxidase (HRP) was chosen as a model protein in these studies, and the resulting biofunctionalized surfaces tested by measuring the enzymatic activity to hydrogen peroxide in the presence of 2,2’azino-bis (3-ethylbenzthiazoline-6-sulfonic acid) (ABTS) redox mediator, whose green colored enzymatic product could be detected by absorbance measurements. The stability of the immobilized HRP was also tested for periods longer than one month. Finally, other fluidic components and functionalities were added to the previously applied PhLOCs in order to enhance their performance. Microfluidic structures such as biofunctionalized mixers (therefore also playing the role of reactors) were monolithically integrated with a MIR, resulting in a PhLOC with enhanced analytical performance. These new elements decreased the analysis time and sample / reagent volumes. With the integration of a gold electrochemical cell in the substrate, a dual readout LOC (DLOC) was developed, which enabled simultaneous optical and electrochemical transduction and made the developed system self-verifying, thereby improving its reliability. The potential of this DLOC was shown by developing an analytical tool for measuring glucose. Glucose oxidase (GOx) and HRP were immobilized following the protocol developed in this Thesis and applied as the specific receptors for the detection of glucose based on an enzymatic cascade reaction also using ABTS redox mediator. As an additional study, the applicability of the developed functionalization protocol was tested on different polymers and the immobilization of biological components other than enzymes was also carried out.

Köln, Universiẗat, Diss., 2000.

Els extractes d’algunes plantes de la família Stemonaceae (gèneres Stemona i Croomia) han estat àmpliament utilitzats en la medicina popular de la Xina i el Japó. Els constituents principals dels extractes d’aquestes espècies són una sèrie de metabòlits secundaris amb estructures relacionades, els alcaloides d’Stemona, que són els responsables dels seus efectes terapèutics. Actualment, es coneixen més de 150 d’aquests alcaloides d’Stemona que presenten una diversitat estructural considerable. Tots ells són compostos policíclics i la gran majoria es caracteritza per incorporar a la seva estructura un nucli d’1-azabiciclo[5.3.0]decà o, menys freqüentment, un nucli d’1-azabiciclo[5.4.0]undecà, així com un o més anells d’α-metil-γ-butirolactona units al sistema azabicíclic, ja sigui de forma espirànica, fusionada o com a substituent de l’anell de pirrolidina L’estratègia plantejada pel nostre grup de recerca parteix de l’àcid L-màlic com a font de quiralitat i passa per l’intermedi clau 2, potencial precursor comú de tres dels esmentats alcaloides d’Stemona, stenia i sessilifoliamides B i C (Esquema 1). La formació dels sistema bicíclic pirroloazepina s’aconsegueix mitjançant una reacció de Morita-Baylis-Hillman com a etapa clau, la qual s’ha estudiat en detall amb diferents grups protectors per tal d’obtenir l’intermedi 2 amb la màxima estereoselectivitat possible. Al dur a terme la reacció amb una protecció de tert-butildifenilsilil, s’ha obtingut pràcticament només un dels dos possibles isòmers. Així que s’ha utilitzat aquesta protecció per avançar en la síntesi dels alcaloides objectiu. Tanmateix, s’han estudiat diverses metodologies d’introducció dels fragments etil i butenolida que conté l’intermedi avançat 3, però aquest últim no s’ha pogut introduir a hores d’ara de manera reproduïble. / The extracts of several plants of the Stemonaceae family have long been used in Asian countries against different diseases and for their antiparasitic properties. Significant constituents of these extracts are a serie of structurally related secondary metabolites named as Stemona alkaloids. All the Stemona alkaloids are polycyclic and most of them present a central pyrrolo[1,2-a]azepine system as a characteristic structural feature. The majority also incorporates at least one substructure of α-methyl-δ-butyrolactone, which can be linked to the azabicyclic core in a spiro or fused manner or as a substituent. Our research group has followed a strategy which uses L-malic acid as the source of chirality and proceeds through the key intermediate 2, from which would be possible to achieve different Stemona alkaloids as stenine, sessilifoliamide B or C (Scheme 1). The pyrroloazepine system was generated by a Morita-Baylis-Hillman reaction from intermediate 1 as a key step, which has been studied with different protecting groups in order to achieve intermediate 2 estereoselectively. This reaction yields almost only one of the two possible isomers. Thus, this protection has been used to advance in the sequence towards these alkaloids. With this aim, different methodologies of ethyl and butenolide fragments introduction have been studied, but the last one has not reproducibly obtained yet.