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The development of the present Ph.D. thesis implied the preparation of PLA and nanoclay reinforced PLA films as well as the application of different thermo-mechanical treatments. Two commercial grade PLA matrices were used, and a commercial grade of organomodified montmorillonite clay (o-MMT) was chosen. The mixing of the o-MMT and the PLA was performed using a twin-screw extruder. Films were obtained using two different processing methods: single-screw extrusion and twin-screw extrusion followed by a calendaring process. In the films, different PLA matrices were used as well as several o-MMT concentrations. In some cases a nucleating agent was added. A de-aging thermal treatment was applied to the films, allowing its study in two different states: de-aged and aged. The film¿s behavior was studied during and after thermoforming process using: (i) tensile tests at high temperatures and different deformation speeds, and (ii) sample uniaxial orientation of the material and its later characterization. Film characterization included: (i) nanocomposites¿ morphological analysis (ii) image analysis (iii) molecular size determination of the matrix (iv) thermal behavior analysis (v) mechanical properties determination in tensile mode, and (vi) fracture parameters determination using the EWF technique. Morphological analysis revealed that the nanocomposites presented intercalated structures, although exfoliated laminates and agglomerated particles were observed. FIB-SEM showed that the extrusion-calendaring process generated an anisotropic morphology, which became evident in the PLA/o-MMT films¿ mechanical and fracture behavior. The processing reduced the average molecular weight in the matrices of all the prepared films. Nevertheless, this reduction was more significant in the nanocomposite films than in neat PLA films, and increased with the clay content increase. On the other hand, the de-aging treatment promoted a fragile-ductile transition, which allowed the application of the EWF technique, enabling to correlate the parameters obtained with the thermal, mechanical and morphological characterization. Mechanical parameters in tensile mode were affected with 2.5 wt % clay content. Nevertheless, the presence of clay produced changes in the deformation mechanism, evidenced by a stresswhitening phenomenon due to the formation of micro defects as a product of o-MMT decohesion. The PLA fracture toughness increased with the thermal de-aging treatment. The addition of o- MMT increased the toughness of the aged films, due to the development of energy dissipation mechanisms such as de-cohesion and micro-void growth. This fracture toughness increase is ¿masked¿ in the de-aged films due to the elevated fracture toughness of the matrix. Finally, uniaxial tensile tests performed at high temperatures and different crosshead speeds produced a mesomorphic phase in the PLA matrix, identified with WAXS and FT-IR. The characterization of previously oriented samples revealed the influence of the thermoforming process on the mechanical and thermo-mechanical behavior, relating these variations with the induced morphology by stretching. These results allowed establishing the optimal matrixadditive- processing conditions for the fabrication of thermo-mechanical resistant PLA products through thermoforming. / El desarrollo de la presente tesis doctoral implicó la preparación de films de PLA y PLA reforzado con arcilla, así como la aplicación de diferentes tratamientos termomecánicos a los mismos. Las matrices utilizadas fueron dos grados comerciales de PLA, mientras que la arcilla elegida fue una montmorillonita comercial organomodificada (o-MMT). El mezclado de la o-MMT con el PLA se realizó mediante extrusión doble husillo. Los films se obtuvieron utilizando dos vías de procesamiento diferente: extrusión monohusillo y extrusión doble husillo, ambas seguidas de un calandrado. En los films se varió la matriz, la concentración de o-MMT y, en algunos casos, se adicionó un agente nucleante. A los films se les aplicó un tratamiento térmico de rejuvenecimiento, lo que permitió su estudio en dos estados diferentes: rejuvenecido y envejecido. El comportamiento de los films durante y después de un proceso de termoconformado se estudió mediante: (i) ensayos de tracción a elevada temperatura y diferentes velocidades de deformación y (ii) orientación uniaxial de muestras de los materiales y su posterior caracterización. La caracterización de los films incluyó: (i) análisis de la morfología de los nanocompuestos (ii) análisis de imágenes (iii) determinación del tamaño molecular de la matriz de PLA, (iv) análisis del comportamiento térmico (v) determinación de las propiedades mecánicas a tracción y (vi) determinación de los parámetros a fractura mediante la aplicación de la técnica de EWF. El análisis morfológico reveló que los nanocompuestos presentaron estructuras intercaladas, aunque también se observaron laminillas exfoliadas y partículas aglomeradas. La observación por microscopia FIB-SEM demostró que durante el proceso de extrusión-calandrado se generó una morfología anisotrópica, lo que se evidenció en el comportamiento mecánico y a fractura de los films de PLA/o-MMT.

In recent years hard coatings have acquired a significant importance in the microstructural and micromechanical design of forming tools. Among the wide range of surface modification techniques, physical and chemical vapour deposition are the most suitable routes to meet the demanding requirements of surface finish and dimensional tolerances that need some specific tools, such as those for the automotive sector. However, although thin films tend to reduce the impact of tribological service conditions, improved resistance against contact fatigue failure still remains a challenge in the forming tools. The latter has been emphasized in drawing, die cutting and punching processes, where the introduction of advanced high strength steels requires higher impact pressures than those used in conventional metal sheets. In those cases, the load is mainly supported by the substrate. Thus, if any subsurface damage occurs in coated tools, then a premature detachment of the layer could be produced accelerating the wear damage mechanism. However, standardized experimental techniques designed to evaluate the contact fatigue behaviour of coated systems are scarce. Following the above ideas, the aim of the present work was to conduct a systematic study of the contact response and damage mechanisms, under both monotonic and cyclic loading, of conventional thin films deposited onto cold-work tool steels. In doing so, the spherical indentation technique was used to simulate a typical ¿blunt¿ in-service condition and to identify damage evolution associated with increasing load or number of cycles using a small dimension size of samples. Experimental procedure was based on determining critical applied loads and pressures for emergence and evolution of distinct damage modes: circumferential cracking, cohesive spallation and interfacial decohesion. The materials were selected following the criteria of coated systems currently used or potentially applicable as forming tools in industry. The study was divided into two parts: 1) substrate used as a variable to determine the influence of three microstructurally distinct cold work tool steels (1.2379, Universal and HWS); and then 2) coating employed as a variable selecting hard coatings such as TiN and TiC, and a low friction coating such as W-C:H. Experimental results showed that microstructural characteristics of the substrate as well as chemical and mechanical properties of the coating have an important influence in the overall coated system behavior. Concerning substrate influence, differences are clearly evidenced by considering coating detachment under contact fatigue as the critical damage mechanism, specifically for a TiN coating deposited by PVD. On the other hand, conventional scratch tests and even tests under monotonic spherical indentation, were not able to discriminate differences on the mechanical response of the three coated steels studied. In this regard, microstructural effects at the substrate level were rationalized on the basis of crack nucleation resistance of the existing primary carbides as the main reason for the distinct adhesive fatigue response observed. Hence, the optimum intrinsic strength/toughness of primary carbides in HWS and Universal steels as well as their finer and more regular morphology, as compared to the 1.2379 steel, were suggested as key factors for the improved contact fatigue strength exhibited by their corresponding coated systems. This was particularly true for the PM tool steel, where adhesive fatigue failure was completely suppressed as a consequence of their finer and homogeneously distributed primary carbides. Regarding coating properties, droplets were discerned to be detrimental seeds for crack nucleation and cohesive failure at the film surface. Delamination resistance of TiN deposited on a steel substrate Universal under cyclic contact loads increased significantly by using a process of low-pressure chemical vapour deposition. / La incorporación de recubrimientos de alta dureza en el diseño de utillajes de conformado ha adquirido una importancia relevante en los últimos años. Dentro de la amplia gama de técnicas destinadas a la modificación superficial, la deposición de recubrimientos a partir de fase vapor suele ser la más idónea para cubrir con los exigentes requisitos de acabado superficial y tolerancias dimensionales que precisan ciertas herramientas, específicamente aquellas destinadas al sector automotriz. Sin embargo, aún cuando las capas finas reducen el impacto de las elevadas solicitaciones tribológicas, el fallo vinculado a fatiga por contacto sigue representando un problema a combatir en los utillajes de conformado. Este fenómeno se ha enfatizado en procesos convencionales de embutición, corte y troquelado por la introducción de chapas elaboradas de aceros de alta resistencia que requieren de impactos de mayor presión. Desde esta perspectiva, el sustrato juega un papel primordial como soporte de carga y cualquier daño subsuperficial que ocurra en él puede incidir en el desprendimiento prematuro de la capa, acelerando así el proceso de desgaste. Actualmente son escasas las técnicas estandarizadas diseñadas para evaluar el comportamiento de un sistema sustrato-recubrimiento sometido a solicitaciones de carga por contacto cíclico. Es por ello que el objetivo de este trabajo consistió en realizar un estudio sistemático de la respuesta a la fatiga por contacto esférico en sistemas integrados por capas finas cerámicas depositadas sobre aceros de herramienta para trabajo en frío. En este sentido, la simplicidad y reproducibilidad experimental a pequeña escala hacen del ensayo por indentación esférica una técnica fiable para inducir un elevado campo de tensiones con cargas puntuales relativamente bajas. Con ello fue posible comparar la respuesta al contacto esférico bajo solicitaciones monotónicas y cíclicas, donde el nivel de degradación de los sistemas por efecto de la fatiga se evaluó en términos de la aparición tanto de daño de carácter cohesivo como del fallo en la intercara sustrato-recubrimiento. La selección de materiales se realizó a partir de la premisa de sistemas recubiertos utilizados o potencialmente aplicables en el sector de los utillajes de conformado. El estudio se dividió en dos partes: una primera utilizando como variable el “sustrato” para determinar la influencia microestructural de tres calidades de aceros herramienta para trabajo en frío; y por la otra, empleando como variable el “recubrimiento”, utilizando para ello capas finas de alta dureza de TiN y TiC, así como un recubrimiento de bajo coeficiente de fricción de W-C:H. Los resultados demostraron que tanto las características microestructurales del sustrato como las propiedades químicas y mecánicas del recubrimiento son variables trascendentes en el comportamiento global del sistema. Por un lado, la influencia de la configuración microestructural del acero recubierto se hizo evidente al observar diferencias en la aparición del mecanismo de delaminación, específicamente para la capa de TiN depositada por PVD. Dichas diferencias no fueron distinguibles utilizando un ensayo convencional de rayado, ni simples indentaciones bajo solicitaciones de carga monotónica, pero si mediante la aplicación de cargas repetitivas por indentación esférica. Se identificó como parámetro relevante la combinación óptima entre la resistencia y la tenacidad intrínseca de los carburos primarios, específicamente de los aceros Universal y HWS, así como la morfología más redondeada, menor dimensión y distribución más homogénea de dichos carburos, comparados con los existentes en el acero 1.2379. En referencia al recubrimiento, se observó que la presencia de microgotas es un fenómeno crítico que favorece la nucleación de fisuras. La resistencia al desprendimiento del TiN bajo solicitaciones de contacto cíclico, aumentó significativamente al utilizar un proceso LPCVD.

This Thesis aims at the development of two novel families of inorganic phosphate cements with suitable characteristics for clinical applications in hard tissue regeneration or replacement. It is organized in two distinct parts. The first part focuses at the development of silicon-doped a-tricalcium phosphate and the subsequent preparation of a silicon-doped calcium phosphate cement for bone regeneration applications. For this purpose, silicon-doped a-tricalcium phosphate was synthesized by sintering a calcium-deficient hydroxyapatite at 1250ºC with different amounts of silicon oxide. The high temperature polymorph a-tricalcium phosphate was stabilized by the presence of silicon, which inhibited reversion of the b-a transformation, whereas in the Si-free a-tricalcium phosphate completely reverted to the b-polymorph. It was observed that the presence of Si did not alter the b-a transformation temperature. Both the Si-doped a-tricalcium phosphate and its Si-free counterpart were used as reactants in the formulation of calcium phosphate cements. While Si-doped a-tricalcium phosphate showed faster hydrolysis to calcium deficient hydroxyapatite, the composition, morphology and mechanical properties of both cements were similar upon completion of the reaction. When the samples were immersed in simulated body fluid, the Si-doped cement exhibited a faster deposition of an apatite layer on its surface than its Si-free counterpart, suggesting an enhanced bioactivity of the doped-cement. An in vitro cell culture study, in which osteoblast-like cells were exposed to a medium modified by the materials, showed a delay in cell proliferation and a stimulation of cell differentiation, the differentiation being more marked for the Si-containing cement. These results were attributed to the Ca depletion from the medium by both cements and to the continuous Si release detected for the Si-containing cement. The second part of this Thesis is focused on the development of a new family of inorganic phosphate-based cements for biomedical applications, namely magnesium phosphate cements. The magnesium phosphate cements have been extensively used in civil engineering due to their fast setting, early strength acquisition and adhesive properties, properties that can be also of use for biomedical applications. However, there are some aspects that should be improved before they can be used in the human body, namely their high exothermic setting reaction and the release of potentially harmful ammonium ions. Therefore, a new family of magnesium phosphate cements was explored as candidate biomaterials for hard tissue applications. These cements were prepared by mixing magnesium oxide with either sodium dihydrogen phosphate, ammonium dihydrogen phosphate or an equimolar mixture of both. The exothermia and the setting kinetics of the new cement formulations were tailored. The ammonium-containing magnesium phosphate cements resulted in struvite as the major reaction product, whereas the magnesium phosphate cement prepared with sodium dihydrogen phosphate resulted in an amorphous product. The magnesium phosphate cements studied showed an early compressive strength substantially higher than that of conventional apatitic calcium phosphate cements. Moreover, they showed antimicrobial properties against bacteria present in dental infections, which were attributed to the synergistic effect of a high osmolarity and high pH of the cement extracts. These properties make magnesium phosphate cements good candidates for endodontic applications. It is with this latter point in mind that some of the most relevant physico-chemical properties were further optimized and characterized. Particularly, their radiopacity was enhanced by the addition of bismuth oxide. The sealing efficiency of the magnesium phosphate cements and their adhesion to dentin were shown to be comparable or even higher than those presented by other inorganic cements used for endodontic treatments. / Aquesta Tesi té com a objectiu el desenvolupament de dues noves famílies de ciments inorgànics de base fosfat amb propietats adequades per a aplicacions clíniques en regeneració o substitució de teixits durs. La Tesi està organitzada en dues parts. La primera part està centrada en el desenvolupament de fosfat tricàlcic a dopat amb silici i la subseqüent preparació de ciments de fosfat de calci dopats amb silici. Per a aquest objectiu, es va obtenir fosfat tricàlcic a dopat amb silici mitjançant la sinterització d’una hidroxiapatita deficient en calci amb diferents quantitats d’òxid de silici a 1250°C. La presència de silici va estabilitzar el polimorf d’alta temperatura (fosfat tricàlcic a), inhibint-se la reversió de la transformació b-a, mentre que el fosfat tricàlcic a sense silici va revertir completament a polimorf b. La presència de silici no va alterar la temperatura de la transformació b-a. Tant el fosfat tricàlcic a dopat amb silici com el seu homòleg sense silici van ser utilitzats com a reactius en la formulació de ciments de fosfat de calci. Si bé el fosfat tricàlcic a dopat amb silici va mostrar en les fases inicials una hidròlisi més ràpida a hidroxiapatita deficient en calci, un cop completada la reacció, la composició, morfologia i propietats mecàniques d’ambdós ciments van ser similars. L’estudi de bioactivitat mitjançant la immersió de les mostres en fluid corporal simulat va donar com a resultat la formació d’una capa d’apatita a la superfície del ciment dopat amb silici, més ràpida que al seu homòleg sense silici, fet que va suggerir una bioactivitat millorada del ciment dopat. L’estudi in vitro, en el qual cèl·lules osteoblàstiques es van exposar a un medi de cultiu que havia estat prèviament en contacte amb els ciments estudiats, va mostrar un retràs en la proliferació cel·lular i un estímul de la diferenciació cel·lular, aquest últim més marcat pel ciment que contenia silici. Aquests resultats es van atribuir a la reducció de calci en els medis en els quals estaven introduïts els ciments i a l’alliberament continu d’ions silici per part del ciment que en contenia.

This doctoral thesis explores how ion sensors can provide spatial and temporal control of specific cellular and biomaterial activity related to bone tissue engineering applications. First it was investigated the influence of different osteoblast-like cell models on the ionic extracellular environment (IEE) in vitro. Rat-derived mesenchymal stem cells (rMSCs) and SAOS-2 cells were observed to express high alkaline phosphatase (ALP) activity, and as a consequence they increased the concentration of inorganic phosphorus (Pi) in culture medium containing B-glycerophosphate. On the contrary, MG63 cells showed low ALP activity and did not influence [Pi]. Moreover, cell-induced calcium deposition in the extracellular matrix was observed both in mature SAOS-2 and rMSC layers but not in MG63 layers, and coincided with decreased [Ca2+] of the cell culture medium. Fluctuations in the IEE with respect to Pi and Ca2+ may therefore be indicative of specific osteoblast activity. Second, the ion reactivity of calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA), a scaffold candidate material for bone TE, was systematically investigated in vitro by exposing it during different time periods to culture media of varying chemical composition. Traditional sorption models described experimental data well, revealing both significant sorption of Ca2+ onto CDHA and acidification of all culture media. Interestingly, different chemical composition of culture medium provoked opposite ion reactivity of CDHA with respect to Pi. Consequently, cellular sensitivity to dynamic IEEs may cause different cellular response using different culture media. Third, the effects of the dynamic IEE induced by CDHA on cellular behaviour were evaluated by growing SAOS-2 cells in semi-permeable inserts and in close proximity to CDHA. Cells proliferated well and their ALP-activity was modified mainly in time rather than in absolute levels. While cellular ALP-activity created conditions for Ca2+-deposition in the extracellular matrix in absence of CDHA, presence of CDHA caused competition between cells and material for Ca2+ and Pi which initially impeded cell-induced Ca2+-deposition. However, as sorption of Pi onto CDHA gradually decreased with time, conditions for bone mineralisation were created also in presence of CDHA. Obtained results indicate that sorption of Pi rather than sorption of Ca2+ was the main limiter for bone mineralisation in presence of CDHA. Fluctuations in the IEE of bone TE applications awoke interest in developing a generic setup for potentiometric ion and pH measurements online. Traditional Ca2+-selective electrodes for measurements in small volumes (easily down to 0.1 mL) were fabricated. They exhibited a Nernstian response to Ca2+, and were little influenced by other major extracellular ions. Moreover, the electrodes resisted sterilisation through UV radiation, did not induce any cytotoxic effects in contact with osteoblasts, and the electrode potential was subject only to minor drift during longer measurements in cell culture medium. The electrodes were used to successfully monitor sorption of Ca2+ onto CDHA when immersed in culture medium, as well as osteoblast-induced Ca2+-deposition in mature extracellular matrix during time frames of 24 hours. Also, all-solid-state potentiometric microelectrodes based on iridium oxide were prepared for real-time monitoring of pH in traditionally inaccessible bone TE environments. Specifically, pH was measured inside curing bone cement (a-tri calcium phosphate) as well as at its immediate interface with extracellular fluid. In both cases the developed pH microelectrodes indicated how the material initially provoked an alkaline environment, which gradually acidified with time. Absolute pH variations caused by the material were of such magnitude that they should be considered upon drug loadings and/or implantation. / Esta tesis doctoral pretende explorar cómo los sensores iónicos permiten controlar a nivel espacial y temporal la actividad específica de células y biomateriales dentro del contexto de la bioingeniería del tejido óseo. En primer lugar, se investigó la influencia de diferentes modelos celulares de osteoblastos (osteoblast-like cells) cultivados in vitro en el ambiente iónico extracelular (ionic extracellular environment = IEE). Observamos que las células mesenquimales de rata (rMSCs = Rat-derived mesenchymal stem cells) y las células de tipo SAOS-2 expresan altos niveles de actividad fosfatasa alcalina (ALP = alkaline phosphatase), y en consecuencia, causan un incremento de la concentración de fósforo inorgánico (Pi) por hidrólisis del -glicerofosfato presente en el medio de cultivo. Por el contrario, las células MG63 mostraron baja actividad ALP y no modificaron la [Pi]. Es más, la deposición de calcio en la matriz extracelular inducida por las células se observó tanto en los cultivos maduros de células SAOS-2 y rMSC, pero no en las de tipo MG63, coincidiendo con una menor [Ca2+] en el medio de cultivo. Por lo tanto, las fluctuaciones de los iones Pi y Ca2+ en el IEE pueden ser posibles indicadores de la actividad mineralizadora de los osteoblastos. En segundo lugar, la reactividad iónica de la hidroxiapatita deficiente en calcio (CDHA = calcium-deficient hydroxyapatite) - un material candidato a ser utilizado como matriz en ingeniería del tejido óseo – fue investigada sistemáticamente in vitro exponiéndola durante diferentes periodos de tiempo a medios de cultivo con distinta composición química. Los modelos de sorción clásicos describen correctamente los datos experimentales, revelando procesos paralelos de sorción del ión Ca2+ en la CDHA y acidificación del medio. Cabe destacar que la distinta composición química del medio de cultivo puede provocar una reactividad iónica totalmente opuesta del CDHA respecto al anión Pi. En consecuencia, la sensibilidad celular a un entorno iónico dinámico puede dar lugar a respuestas celulares distintas al usar diferentes medios de cultivo. En tercer lugar, los efectos en el comportamiento celular provocados por la actividad de la CDHA en el entorno iónico dinámico se evaluaron realizando un cultivo de células SAOS-2 en un inserto semi-permeable colocado cercano pero separado de CDHA. Las células proliferaron bien y su actividad ALP sólo se alteró en el tiempo, pero no en términos absolutos. Mientras que, en ausencia de CDHA, la actividad ALP crea las condiciones para la deposición del ión Ca2+ en la matriz extracelular, presencia de CDHA causa competición entre las células y el biomaterial por los iones Ca2+ y Pi , que inicialmente bloquean la deposición celular de Ca2+. Sin embargo, a medida que la sorción del anión Pi disminuye con el tiempo, aparecen condiciones favorables para la mineralización incluso en presencia de CDHA. Los resultados obtenidos indican que la sorción de Pi más que la de Ca2+ es el principal factor limitante para la mineralización del hueso en presencia de CDHA. Las fluctuaciones del IEE en la bioingeniería del hueso han promovido un enorme interés en desarrollar un sistema genérico que permita monitorizar las medidas potenciométricas tanto de iones como del pH online. Fabricamos electrodos Ca2+-selectivos para medidas en volúmenes pequeños (hasta 0.1 mL). Dichos eléctrodos exhiben una respuesta Nernstiana al Ca2+, y son poco afectados por la presencia de los principales iones extracelulares. Asimismo, resisten la esterilización con UV, no presentan efectos citotóxicos en contacto con osteoblastos, y los potenciales presentan un “drift” despreciable en/durante medidas de gran duración en el medio de cultivo. Los electrodos se utilizaron con éxito para monitorizar la sorción de Ca2+ en CDHA dentro del medio de cultivo, así como la deposición de Ca2+ inducida por osteoblastos en la MEC madura, en intervalos de tiempo de hasta 24 horas.

The finite element method is a tool very often employed to deal with the numerical simulation of multiphysics problems.Many times each of these problems can be attached to a subdomain in space which evolves in time. Fixed grid methods appear in order to avoid the drawbacks of remeshing in ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian) methods when the domain undergoes very large deformations. Instead of having one mesh attached to each of the subdomains, one has a single mesh which covers the whole computational domain. Equations arising from the finite element analysis are solved in an Eulerian manner in this background mesh. In this work we present our particular approach to fixed mesh methods, which we call FM-ALE (Fixed-Mesh ALE). Our main concern is to properly account for the advection of information as the domain boundary evolves. To achieve this, we use an arbitrary Lagrangian-Eulerian framework, the distinctive feature being that at each time step results are projected onto a fixed, background mesh, that is where the problem is actually solved.We analyze several possibilities to prescribe boundary conditions in the context of immersed boundary methods. When dealing with certain physical problems, and depending on the finite element space used, the standard Galerkin finite element method fails and leads to unstable solutions. The variational multiscale method is often used to deal with this instability. We introduce a way to approximate the subgrid scales on the boundaries of the elements in a variational twoscale finite element approximation to flow problems. The key idea is that the subscales on the element boundaries must be such that the transmission conditions for the unknown, split as its finite element contribution and the subscale, hold. We then use the subscales on the element boundaries to improve transmition conditions between subdomains by introducing the subgrid scales between the interfaces in homogeneous domain interaction problems and at the interface between the fluid and the solid in fluid-structure interaction problems. The benefits in each case are respectively a stronger enforcement of the stress continuity in homogeneous domain decomposition problems and a considerable improvement of the behaviour of the iterative algorithm to couple the fluid and the solid in fluid-structure interaction problems. We develop FELAP, a linear systems of equations solver package for problems arising from finite element analysis. The main features of the package are its capability to work with symmetric and unsymmetric systems of equations, direct and iterative solvers and various renumbering techniques. Performance is enhanced by considering the finite element mesh graph instead of the matrix graph, which allows to perform highly efficient block computations.

When bone regeneration is needed, natural bone grafts are widely used. They are the best option since they present the same composition to that of bone, contain living cells with osteogenic potential, growth factors that induce cell differentiation into osteoblasts and extracellular matrix proteins that facilitate bone healing. However, this system presents some drawbacks, such as pain, morbidity, possible transmission of diseases in some cases, as well as limited availability. That is why synthetic bone grafts are one of the main objectives of the research in regenerative medicine and tissue engineering. This new discipline is based on the development of new biomaterials and on the comprehension of the interactions between the cells and the material in order to enhance the bone healing response. The present thesis is focused on calcium phosphate cements-based materials. CPC have the ability to transform an injectable paste made of calcium phosphates, into a phase similar to that of bone, hydroxyapatite. The CPC are well known for their osteoconductive properties. Nevertheless, these may be improved from a biological point of view and can be further processed to obtain materials with new morphologies and different applications. Therefore, the incorporation of collagen in these CPC was though as a way to enhance their biological performance. Furthermore, new processing approaches were studied, as well as their applications in new fields. The thesis is divided in three main parts: i) injectable composite cements; ii) composite macroporous scaffolds for tissue engineering and iii) composite microcarriers. In the first part, the fabrication of injectable composite cements is described as well their physico-chemical and morphological features. It is observed that the setting reaction is delayed in the presence of collagen during the initial minutes of reaction. Already after 1 hour the kinetics are similar in the presence and absence of collagen, without affecting the final product of reaction. The presence of collagen increases the injectability of the cements, whereas the mechanical properties decrease as the collagen concentration increases. From a biological point of view, the addition of collagen results in an increase in the initial cell adhesion as well as an increase in the cell proliferation rates. In the second part, macroporous scaffolds made of collagen and CPC are fabricated. These scaffolds are prepared through the freeze-drying of a collagen-CPC slurry. Different amounts of CPC are incorporated in the scaffolds. When mesenchymal stem cells are cultured on these scaffolds, it is observed that as the CPC content increases in the scaffolds, the cell differentiation increases, whereas the proliferation decreases. Further improvement of the scaffolds can be achieved though the incorporation of a BMP-7 gene into the scaffolds, in order to stimulate their osteoinductivity. The results show that as the gene incorporated in the scaffolds increases, there is an increase in the BMP-7 production, although this increase is associated with an increase in cell proliferation. In the third and final part, spherical microcarriers containing either gelatin or collagen are produced through the setting reaction of the CPC in a water in oil emulsion. The emulsion and CPC compositions can be adjusted in order to control the final features of the microcarriers. The in vitro characterization of the microcarriers reveals that under static and dynamic culturing conditions, microcarrieres are able to support cell attachment, proliferation and differentiation. / Cuando la regeneración ósea es necesaria, los injertos de hueso natural son ampliamente utilizados. Son la mejor opción debido a que presentan la misma composición que el hueso, contienen células vivas con potencial osteogénico, factores de crecimiento que inducen la diferenciación de las células a osteoblastos y proteínas de la matriz extracelular que facilitan la regeneración ósea. A pesar de esto, este sistema presenta algunos inconvenientes, tales como el dolor, morbidez, posible transmisión de enfermedades en algunos casos, al igual que una disponibilidad limitada. Por ello, los injertos de hueso sintético son uno de los principales objetivos de la investigación en medicina regenerativa e ingeniería de tejidos. Esta nueva disciplina se basa en el desarrollo de nuevos biomateriales y en la comprensión de las interacciones entre las células y los materiales con el fin de incrementar la regeneración ósea. La presente tesis se centra en materiales basados en los cementos de fosfato de calcio (CPC). Los CPC tienen la habilidad de transformar una pasta inyectable formada por fosfatos de calcio, en una fase similar a la del hueso, que es la hidroxiapatita. Los CPC son bien conocidos por sus propiedades de osteoconductividad. Sin embargo, estos se pueden mejorar des de un punto de vista biológico y pueden ser procesados con el fin de obtener nuevos materiales con nuevas morfologías y aplicaciones. Por ello, la incorporación de colágeno en estos CPC fue pensada como una manera de incrementar el comportamiento biológico. Se estudiaron nuevas rutas de procesado, al igual que sus aplicaciones. La tesis está dividida en tres partes: i) cementos compuesto inyectables; ii) andamios compuestos macroporosos para ingeniera de tejidos y iii) microtransportadores compuestos. En la primera parte, se describe la fabricación del cemento de fosfato de calcio compuesto y la caracterización físico-química y morfológica del material. Se observa que la reacción de fraguado se retrasa en presencia del colágeno durante los minutos iniciales de reacción. Sin embargo, después de solamente una hora, se observa como la presencia de colágeno no afecta a la cinética de reacción ni al producto final de reacción. La presencia del colágeno incrementa la inyectabilidad de los cementos, mientras que las propiedades mecánicas bajan al incrementar la concentración de colágeno. Desde un punto de vista biológico, la incorporación de colágeno resulta en un incremento de la adhesión celular inicial y un incremento de la proliferación celular. En la segunda parte, se fabrican andamios macroporosos de colágeno con CPC. Estos andamios se preparan a través de la liofilización de mezclas de colágeno y CPC. Se incorporan diversas cantidades de CPC en los andamios. Cuando se cultivan células mesenquimales en los andamios, se ve que a medida que se incrementa la cantidad de CPC en el andamio, la diferenciación celular se incrementa, mientras que la proliferación disminuye. Los andamios se pueden mejorar mediante la incorporación de un gen para expresar la proteína BMP-7 con el fin de incrementar la osteoinducción. Los resultados muestran que al aumentar la cantidad de gen incorporado en el andamio, se incrementa la producción de BMP-7, aunque este incremento va asociado con un incremento en la proliferación celular. En la tercera y última parte, se fabrican microtransportadores esféricos que contienen gelatina o colágeno mediante la reacción de fraguado del CPC en una emulsión de agua en aceite. La emulsión y la composición del CPC se pueden ajustar con el fin de controlar las propiedades finales de los microtransportadores. La caracterización in vitro de los microtransportadores revela que bajo condiciones de cultivo estáticas y dinámicas, los microntransportadores son capaces de soportar adhesión celular, proliferación y diferenciación.

The use of zirconia ceramics (ZrO2) as advanced structural materials is based on toughness increasing by tetragonal to monoclinic (tm) phase transformation. Of these, the 3Y-TZP (tetragonal polycrystalline zirconia doped with 3 mol% yttria) has a good combination of mechanical properties, so it has found a wide range of applications. However, the phase transformation can also be induced on material surface by interaction with water. This phenomenon is known as hydrothermal degradation, because it produces progressive microcracking and thus the loss of mechanical properties. In recent years has been developed a renewed interest in this material because of its use in the manufacture of dental restorations (crowns, bridges), mainly due to its mechanical properties and aesthetics can be achieved. However, conformation of those devices requires different types of machining processes in order to achieve, both piece’s shape and an specific surface finish. These processes include: cutting, grinding, polishing, diamond-tipped drilling, sandblasting, CAD/CAM machining, etc. That in turn produces different types of damage that can affect the material structural integrity and reliability. Thus, the aim of this thesis was to study the microstructurals changes produced by grinding in 3Y-TZP and its effect in the resistance to hydrothermal degradation. The work was divided into five sections: I) Introduction, II) experimental techniques and material, III) hydrothermal degradation, IV) grinding and V) conclusions and future work. The results showed that mechanical properties increasing (strength and fracture toughness) is due to the presence of compressive residual stress by phase transformation. The characterization of the subsurface microstructure showed severe changes, some of them none reported to date, such as plastic deformation, recovery and recrystallization. Moreover, microstructural changes were studied under indentation and scratch imprints, which are used to simulate the contact events produced during grinding. The results indicated that the monoclinic phase distribution and deformation in both cases were significantly different. Finding that, the scratch test is more suitable to simulate the grinding, while the indentation test is closer to processes such as sandblasting. Finally, we analyzed the hydrothermal degradation behaviour of ground zirconia. The results showed that this surface treatment completely inhibited the t-m phase transformation induced by water. This resistance was discussed in terms of microstructural changes. / El empleo de cerámicas de circona (ZrO2) como materiales estructurales o avanzados, se basa en el aumento de tenacidad por transformación de fase tetragonal a monoclínica (t-m). De éstas, la 3Y-TZP (circona tetragonal policristalina dopada con 3% molar de itria) posee una buena combinación de propiedades mecánicas, por lo que ha encontrado un gran campo de aplicación. Sin embargo, la transformación de fase también se puede inducir en la superficie del material por la interacción con vapor de agua. Este fenómeno es conocido como degradación hidrotérmica, debido a que produce el microagrietamiento progresivo del material y con ello la pérdida de propiedades mecánicas. En años recientes, se ha despertado un nuevo interés por este material debido a su uso en la fabricación de restauraciones dentales (coronas, puentes y prótesis), principalmente por sus propiedades mecánicas y el aspecto estético que puede lograrse. Sin embargo, la conformación de este tipo de aditamentos requiere de diversos tipos de procesos de mecanizado, tanto para dar forma a la pieza como para lograr un acabado superficial especifico. Entre estos procesos podemos mencionar: corte, desbaste, pulido, fresado con puntas de diamante, granallado (sandblasting), conformado por CAD/CAM, etc. Estos procesos, producen a su vez diferentes tipos de daño que pueden afectar la integridad estructural y la fiabilidad del material. Así, el objetivo de esta tesis fue estudiar los cambios provocados por el proceso de desbaste en 3Y-TZP y su efecto frente a la degradación hidrotérmica. El trabajo fue dividido en cinco grandes apartados: I) introducción, II) técnicas experimentales y material, III) degradación hidrotérmica, IV) desbaste y V) conclusiones y trabajo futuro. Los resultados encontrados demuestran que el incremento de las propiedades mecánicas (resistencia y tenacidad a la fractura) se debe a la presencia de tensiones residuales de compresión por transformación de fase. La caracterización de la microestructura subsuperficial mostró severos cambios, algunos de ellos no reportados hasta el presente, tales como deformación plástica, recuperación y recristalización. Por otro lado, se estudiaron los cambios microestructurales debajo de huellas de indentación y rayado, los cuales son utilizados para simular los eventos de contacto producidos durante el desbaste. Los resultados encontrados indicaron que la distribución de fase monoclínica y de deformación en ambos casos, son significativamente diferentes. Encontrando que el ensayo de rayado es el más conveniente para simular el desbaste, mientras que el ensayo de indentación se asemeja más a procesos como el arenado (sandblasting). Finalmente, se analizó el comportamiento frente a la degradación hidrotérmica del material desbastado. Los resultados pusieron de manifiesto que este tratamiento superficial inhibe completamente la transformación de fase t-m inducida por el vapor de agua. Esta resistencia fue discutida en términos de los cambios microestructurales.

La utilización de circona tetragonal policristalina estabilizada con 3 % mol de itria (3Y-TZP) para fabricar coronas e implantes ha sufrido una fuerte expansión recientemente debido a las buenas propiedades mecánicas, estéticas y de biocompatibilidad que posee este material. La microestructura y composición exacta de 3Y-TZP son específicamente diseñadas por los fabricantes para adecuarse a las normativas existentes. Durante su procesamiento, las prótesis cerámicas son tratadas superficialmente por métodos como el arenado para mejorar su adhesión al cemento protésico y a la porcelana que cubre la pieza dental. Ahora bien, no todos los fabricantes dentales recomiendan el arenado de las coronas previamente a su implantación, ya que el arenado puede introducir defectos superficiales que pueden afectar la integridad estructural de la prótesis así como producir cambios cristalográficos en la superficie. A pesar de que el efecto de arenado en circona ya ha sido parcialmente estudiado, no se han considerado exhaustivamente muchos aspectos como la severidad de las condiciones de arenado, el efecto en las propiedades superficiales, el daño subsuperficial y los cambios de fase. Una comprensión detallada de estos aspectos es necesaria para escoger correctamente las condiciones de trabajo del arenado y para mejorar el diseño microestructural de estos materiales. Esto mejoraría la vida a largo plazo de los implantes cerámicos evitando o retrasando posibles fallos de la pieza. En este trabajo, se ha estudiado el efecto del arenado en 3Y-TZP con diferentes tamaños de grano bajo diferentes condiciones de arenado. También se ha estudiado el efecto de la adición de de nanotubos de carbono multicapa (MWCNT, 0.5-2 vol. %) a una matriz de 3Y-TZP. Una parte del trabajo ha consistido en el estudio de las propiedades mecánicas y de resistencia a la degradación hidrotérmica de 3Y-TZP nanométrica y de los nanocompuestos 3YTZPMWCNT con tamaño de grano nanométrico (90-150 nm) producidos por “spark plasma sintering”, los cuales se ha encontrado que poseen una menor tenacidad de fractura por indentación que 3Y-TZP con tamaño de grano de 300 nm. La adición de un 2% en volumen de MWCNT aumenta la tenacidad de fractura por indentación en alrededor de un 15% con respecto a la matriz del mismo tamaño de grano. El módulo de elasticidad apenas cambia mientras que la dureza disminuye ligeramente. / The use of tetragonal zirconia polycrystals (3Y-TZP) in dental restorations such as crowns and implants has recently increased attention due to their very good aesthetic appearance and mechanical properties in addition to biocompatibility. The restorations undergo several surface treatments such as sandblasting for better adhesion to luting cements and veneering porcelain. However, there is some controversy about using sandblasted crowns, as sandblasting introduces surface flaws and defects that can compromise the strength of the crown as well as crystallographic changes at the surface. Though the effect of sandblasting in zirconia has been previously studied to some extent, many issues like severity of the conditions, effect on surface mechanical properties, subsurface damage and phase transformation zone size have not been still fully addressed. Comprehensive understanding of these aspects will help in choosing better sandblasting conditions and also to improve the microstructural design of the materials for long term performance of the restorations so that clinical failures can be avoided or delayed. In this thesis, the effect of sandblasting on 3 mol% yttria stabilized zirconia (3Y-TZP) with different grain sizes has been studied under different sandblasting conditions. Additionally, nanocomposites formed by adding multiwall carbon nanotubes (0.5-2 vol. %) to 3Y-TZP matrix have been also studied. Initially, the study has been focused in the mechanical properties and hydrothermal degradation resistance of nanometric grain size 3Y-TZP and zirconia multiwall carbon nanotubes nanocomposites (3YTZP-MWCNT). Nanometric grain size 3Y-TZP (90-150 nm) produced by spark plasma sintering have slightly lower toughness compared to standard zirconia with grain size 300 nm. Adding multiwall carbon nanotubes improve the indentation fracture toughness nearly 15% compared to monolithic materials. Elastic modulus hardly changes while hardness decreases slightly for 2 vol.% nanotubes. The materials were subjected to sandblasting using two particle sizes, two pressures and two impact angles, After sandblasting the materials were analyzed looking for roughness, phase transformation and damage. In addition the change in mechanical properties and in hydrothermal degradation resistance induced by sandblasting was evaluated. It has been found that increasing particle size and pressure increases surface roughness. The bi-axial strength of zirconia has been studied only in standard 300 nm grain size 3Y-TZP. The main result has been to show that at impact angle of 90º the biaxial strength increases when sandblasted with 110 um particles while it decreases with 250 um particles. On the other hand, the strength slightly increases when sandblasted under an impact angle of 30° irrespective of the particle size. By using nanoindentation it is shown that mild sandblasting conditions (110 um particle size, 2 bars pressure) have no effect on the surface mechanical properties such as, elastic modulus and contact hardness. A model based on the formation of residual compressive stresses is presented in order to explain the indentation the shorter length of the indentation cracks in sandblasted material as well as to rationalize the increase in strength of sandblasted material under mild sandblasted conditions. The microstructural change induced by sandblasting near the surface consists of: i) a thin layer of plastically deformed grains; ii) phase transformation; and iii) occasional microcracking. The fraction of monoclinic volume fraction induced after sandblasting under the studied conditions is of about 10-15%, and with transformation up to a depth of about 10-13 um. Finally it is shown that in sandblasted conventional 3Y-TZP, the kinetics of hydrothermal degradation are slower than in the starting material.

Este proyecto se propone caracterizar y optimizar superficies biofuncionalizadas con diferentes secuencias peptídicas, para lograr la regeneración ósea (oseointegración) y por ende la disminución de los problemas de rechazo que ocurren al implantar materiales metálicos dentro del cuerpo humano. En base a lo descrito bibliográficamente, se utilizará una aleación de CoCr aprobada por las normas ASTM, para usos en dispositivos médicos y una aleación de Ti libre de Níquel desarrollada para tal fin por el grupo de biomateriales de la UPC. Para la caracterización y optimización del proceso de biofuncionalización los estudios se dividirán en tres etapas: Limpieza y Activación, Silanización e Inmovilización de biomoléculas. En cuanto a la limpieza y activación se realizará un estudio comparativo entre el plasma y diferentes tratamientos químicos (piraña en el caso de la aleación de Ti y ácido nítrico para la aleación de CoCr), para seleccionar el mejor en términos de introducción de grupos activos en superficie (grupos hidroxilos), grado de limpieza y composición química de la capa de óxidos superficial. La silanización es un proceso intermedio que enlaza un material inorgánico (metal) con un material orgánico (biomoléculas), en este proyecto se usarán 3 silanos: APTES+Maleimido, GPTES, CPTES sobre cada una de las superficies y se procederá a seleccionar aquel que presente el mejor enlace covalente con la superficie metálica y la mayor estabilidad térmica, química y mecánica. Una vez silanizadas las superficies se realizará la inmovilización de diversas secuencias peptídicas (RGD, PHSRN, FHRRIKA, RGD + FHRRIKA Y RGD + PHSRN), que forman parte de las proteínas presentes en el cuerpo humano y por ende podrán ser fácilmente reconocidas por las células; en esta fase se hará uno estudio comparativo de la cantidad de peptidos, así como se evaluará también la estabilidad de los mismos sobre las superficies. Durante el desarrollo de la biofuncionalización se hará énfasis en la optimización de los procedimientos y la caracterización superficial de cada etapa por medio de diversas técnicas, entre ellas: XPS, ángulo de contacto, ToF SIMS, Interferometría, espectrometría de luz UV, y técnicas de fluorescencia. Para finalizar se evaluará el proceso de optimización, estudiando la influencia de las secuencias pépticas cortas en la respuesta celular, en términos de adhesión y proliferación de células madres mesenquimales de ratas. / The aim of this project is to characterise and optimise biofunctionalised surfaces bearing different peptide sequences in order to achieve an improved bone regeneration (osteointegration) and to reduce rejection problems associated with metal implant materials in human body. On the basis of previous studies reported in the literature, a CoCr alloy approved by the American Society for Testing and Materials (ASTM) was chosen. This material has been widely used for biomedical devices. In addition, a nickel free Ti alloy, previously developed in the biomaterials group at the UPC, was also investigated for the same purpose. The biofunctionalised surface were achieved in three fundamental steps and characterised after each modification: 1) Cleaning and activation, 2) Silanization and 3) biomolecule immobilization. As for the cleaning and activation a comparative study between oxygen plasma and acidic treatment (piranha solution for Ti alloy and nitric acid for CrCo alloy) was performed with the aim to select the best method to oxidise the surface, introduce hydroxyl groups and simultaneously remove impurities. Silanization is an intermediary step that allows to bind an inorganic material (metal) to an organic material (biomolecule). The organosilanes employed on each metal surface for this purpose were three: 3-aminopropyltriethoxisilane (APTES) further derivitised with a Maleimide group for activation, 3-glycidoxypropyltriethoxisilane (GPTES), 3-chloropropyltriethoxisilane CPTES. Covalent binding and mechanical, chemical and thermical stability at the surface were the criteria followed to determine the best silanization method. The following step was the surface immobilization of different peptide sequences (RGD, PHSRN, FHRRIKA, RGD + FHRRIKA Y RGD + PHSRN), which are the ¿active part¿ of more complex proteins present in the human body that cells may easily recognise and bind. A comparative studies of amount of bound peptide was carried out along with stability studies at the surface. In order to develop and optimise the whole biofunctionalisation process each modification step was fully characterised by several analitical techniques, such as XPS, contact angle, Tof-SIMS, interferometry, UV ligt spectrometry and fluorescence techniques. Finally, to select the best biofunctionalised material samples were tested for mesenchymal rat stem cells (MRSCs) response in terms of number of cells adhered and proliferation at the surface. In conclusion, this study has proven that: for surface cleaning and activation, either acidic treatments or oxygen plasma demonstrated to be effective for removal of impurities, increase of hydrophilicty and higher surface energy. Moreoever, the optimization process led to the conclusion that for optimal surface activation a high ratio of OH-/O2- is necessary. For CoCr the most effective method for the introduction of hydroxyl groups density at the surface and therefore a higher OH -/O2- ratio was nitric acid, whereas for the Ti alloy was oxygen plasma.