Ingeniero Civil en Biotecnología / Actualmente, los adelantos de la biotecnología se encuentran impulsados por las nuevas herramientas que provee la biología sintética para simplificar y acelerar el diseño, creación y control de organismos genéticamente modificados. En Chile existen algunos avances, pero pocos en el área productiva; sólo cerca de un 0,02% de las empresas del país son de biotecnología, reflejando la baja masa crítica existente en el país. No obstante, Chile se encuentra en una transición de cambio cultural y social para promover la innovación y emprendimiento, oportunidad que puede ser aprovechada por estudiantes para impulsar el desarrollo de nuevas organizaciones biotecnológicas. De esta manera, el objetivo principal de este trabajo es generar las bases de una metodología (guía) que permita orientar el desarrollo de emprendimientos estudiantiles en biotecnología, basados en la aplicación de la biología sintética como herramienta de diseño y experimentación. Este proceso se lleva a cabo en dos etapas, primero se diseña una propuesta preliminar de la guía y luego se realizan entrevistas a personas que actualmente se encuentran emprendiendo en biotecnología para mejorar la propuesta. En paralelo, se realiza una primera caracterización del Departamento de Ingeniería Química y Biotecnología (DIQBT) de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas (FCFM) de la Universidad de Chile en torno a la participación estudiantil extra-académica, desde el punto de vista de académicos y de estudiantes. Principalmente se obtiene que el Departamento no influye directamente en el proceso de participación de los estudiantes, que la falta de tiempo es la mayor limitante para los alumnos y que existiría la posibilidad de integrar la innovación y emprendimiento como un camino formativo alternativo para los estudiantes del DIQBT; sobre todo para aquellos de la carrera de Ing. civil en Biotecnología. La metodología elaborada consta de 9 etapas: 1) Comenzar el viaje, 2) Formar un equipo de trabajo, 3) Identificar una problemática, 4) Validar una propuesta de solución, 5) Establecer el modelo de negocios, 6) Diseñar el proyecto, 7) Buscar recursos, 8) Prototipar y 9) Continuar el viaje. Para cada etapa se realiza una descripción general del proceso, se define un hito de éxito y se incluyen lecturas sugeridas. Junto con la guía se entregan dos diagramas visuales para facilitar el entendimiento del proceso; uno de ellos detalla la ruta de cada etapa aproximándose a un algoritmo de decisión. Cabe destacar que la etapa N°6 presenta los pasos básicos que permiten iniciar el diseño de un sistema biológico: determinación de estímulos, respuestas y organismos, definición del circuito de regulación genética y uso del modelamiento matemático. Si bien la metodología puede ser mejorada, en un contexto universitario podría ser aplicada hasta la etapa N°6, mientras que las etapas N°7, 8 y 9 requieren de otras herramientas que no son tan fáciles de acceder para un alumno. Además, aunque la propuesta se plantea para estudiantes de la FCFM, tiene el potencial de ser aplicada en otros contextos como también por otras personas que no necesariamente sean estudiantes.

In nature, vibrissae are tactile hairs of mammals used as sensor elements for the exploring the surrounding area. These hairs, also known as whiskers, can be found in different locations on an animals body. Mystacial vibrissae are distributed over a whiskerpad on a muzzle. Carpal vibrissae are located on the downside aspect of the forelimbs of mammals. The vibrissal hair has a conical shape and grows from a special heavily innervated hair follicle incorporating a capsule of blood. As the hair itself has no receptors along its length, the vibrissa may be considered as a system for transmitting forces and torques that arise from the contact between the hair and an object to sensory receptors inside the follicle. The present thesis deals with the vibrational motion of vibrissae dur- ing natural exploratory behaviour from the mechanical point of view. The phenomenon of the parametric resonance of the vibrissa is investigated the- oretically and numerically. In the first part of this thesis, two mechanical models of an elastic beam are presented based on findings in the literature. The first model considers a straight beam with the linearly decreasing radius of the circular cross-section. The second model takes into account the circu- lar natural configuration of the cylindrical beam. Within these models, the small transverse vibration of the beam under a periodic following force at the tip are analysed using the Euler-Bernoulli beam theory and asymptotic methods of mechanics. In the second part of the thesis, the numerical analysis of the problems is performed based on the finite element method using ANSYS 16.2 software. For each model, the dynamical response of the system on the parametric excitation is simulated for different frequency values. It is shown theoretically and numerically that at specific ranges of the excitation frequency the phenomenon of the parametric resonance of the beam takes place. That means that the amplitude of vibrations of the beam increases exponentially with time, when it is stimulated within one of the frequency ranges of the parametric resonance. These ranges depend on the geometrical and material parameters of the beam model, as well as the am- plitude of the periodic excitation. / Tesis

Los agitadores electro-mecánicos son equipos empleados en laboratorios, centros de salud e instituciones educativas. Estos son importados, pues no se producen en el país. El Grupo de Desarrollo de Equipos para Laboratorios Biológicos (EquiLaB) desarrolló, años atrás, un prototipo de agitador, el cual no se encontraba operativo. Por ello, la presente tesis se enfoca en la implementación de un agitador electromecánico que tenga las siguientes funciones: control de temperatura, entre el rango de [20 a 65] °C, con un error de +/-2°C, tiempo de operación exacto entre 1 y 99 minutos y velocidad del plato de giro, entre el rango de [100 a 255] RPM, con un error de +/-5RPM. Debido a ello, se buscó en el mercado modelos similares para compararlos con el prototipo que se encuentra en la universidad, pues se desea obtener un equipo que satisfaga las necesidades del consumidor. Se estudió cada etapa del prototipo para determinar cuáles de ellas podrían ser reutilizadas o reparadas para economizar: en materiales, tiempo de fabricación y diseño de nuevas tarjetas electrónicas. Posteriormente, se pasó a evaluar si se mantiene el programa del prototipo o se opta por crear uno nuevo en otro micro-controlador. Finalmente, se realizaron las pruebas con equipos de medición, en el laboratorio de la universidad, y se recopiló los resultados obtenidos. Se concluye que las mejoras implementadas en el equipo cumplen con los objetivos planteados, y se logra así un equipo operativo. / Tesis

In nature, vibrissae are tactile hairs of mammals used as sensor elements for the exploring the surrounding area. These hairs, also known as whiskers, can be found in different locations on an animals body. Mystacial vibrissae are distributed over a whiskerpad on a muzzle. Carpal vibrissae are located on the downside aspect of the forelimbs of mammals. The vibrissal hair has a conical shape and grows from a special heavily innervated hair follicle incorporating a capsule of blood. As the hair itself has no receptors along its length, the vibrissa may be considered as a system for transmitting forces and torques that arise from the contact between the hair and an object to sensory receptors inside the follicle. The present thesis deals with the vibrational motion of vibrissae dur- ing natural exploratory behaviour from the mechanical point of view. The phenomenon of the parametric resonance of the vibrissa is investigated the- oretically and numerically. In the first part of this thesis, two mechanical models of an elastic beam are presented based on findings in the literature. The first model considers a straight beam with the linearly decreasing radius of the circular cross-section. The second model takes into account the circu- lar natural configuration of the cylindrical beam. Within these models, the small transverse vibration of the beam under a periodic following force at the tip are analysed using the Euler-Bernoulli beam theory and asymptotic methods of mechanics. In the second part of the thesis, the numerical analysis of the problems is performed based on the finite element method using ANSYS 16.2 software. For each model, the dynamical response of the system on the parametric excitation is simulated for different frequency values. It is shown theoretically and numerically that at specific ranges of the excitation frequency the phenomenon of the parametric resonance of the beam takes place. That means that the amplitude of vibrations of the beam increases exponentially with time, when it is stimulated within one of the frequency ranges of the parametric resonance. These ranges depend on the geometrical and material parameters of the beam model, as well as the am- plitude of the periodic excitation. / Tesis

La apnea central del sueño es un trastorno respiratorio que ocurre durante el sueño. En este sentido, la persona afectada experimenta la detención completa o parcial del flujo de aire hacia los pulmones debido a la falta de estímulo respiratorio del cerebro durante cortos periodos de tiempo. Esta falta de señal respiratoria genera la ausencia de esfuerzo respiratorio (es decir, no se producen movimientos toraxoabdominales), ya que el músculo diafragmático no es estimulado. Es así que quienes sufren de este mal aumentan el riesgo de padecer fatiga crónica, trastornos psicológicos e intelectuales, trastornos cardiovasculares, debilidad física, dificultad para deglutir, entre otros. Por otro lado, los métodos y dispositivos médicos utilizados para el tratamiento de esta afección son poco ergonómicos, en el Perú. Es por este motivo, que la presente tesis propone una alternativa para la mejora de la calidad de vida de quienes padecen esta afección. Para esto se tiene como objetivo general diseñar e implementar un sistema de estimulación eléctrica no invasivo para la apnea central del sueño basado en el estudio de la electrofisiología del diafragma. Es así que se busca desarrollar un dispositivo no invasivo para la estimulación eléctrica muscular, determinar las señales que serán utilizadas para la excitación del músculo diafragmático, estudiar el grado de excitación del músculo diafragmático y ajustar el dispositivo según cada paciente. El dispositivo a desarrollarse es un estimulador eléctrico muscular diafragmático no invasivo de larga duración (entre 10 a 12 horas de funcionamiento). Asimismo, será eficiente, liviano, pequeño, ergonómico, silencioso, seguro y fácil de usar. En cuanto a sus características técnicas será un aparato con bajo consumo de potencia, adecuado aislamiento eléctrico y resistente a interferencias y caídas. En el primer capítulo de la presente se desarrolla la problemática de este trastorno, con el fin de determinar los objetivos de la tesis y justificación de la misma. En el segundo capítulo se estudian y analizan los fundamentos teóricos para el desarrollo del dispositivo. En el tercer capítulo se realiza el diseño del estimulador eléctrico muscular diafragmático no invasivo. Finalmente, en el último capítulo se muestran los resultados de la implementación. / Tesis

Ingeniera Civil en Biotecnología / La Biología Sintética es un campo emergente a nivel internacional que integra la ingeniería a la biología, permitiendo el uso de organismos como máquinas o herramientas para solucionar problemas tanto ambientales como energéticos y de salud. Sin embargo, en Chile está poco desarrollada, a pesar de algunos esfuerzos recientes desde el 2012. Por los principios ingenieriles transversales que trae (estandarización, modularidad, abstracción), su interdisciplinaridad y la visión colaborativa que la caracteriza, la Biología Sintética se vuelve una disciplina de alto interés para la formación educativa de los profesionales de mañana. Se propone en esta memoria la construcción de un oscilador biológico llamado represilador y del circuito electrónico equivalente, ambos simulados mediante un modelo matemático. El objetivo es utilizar estos sistemas para transparentar la analogía de comportamientos existentes entre Biología, Electrónica e Informática, basada en los principios de estandarización, modularidad y abstracción y utilizarlos como medio pedagógico. Por una parte, se construyó el represilador con técnicas estandarizadas de ensamblaje de ADN como el Gibson Assembly, basándose en el trabajo de Elowitz [1]. Por otra parte, el oscilador electrónico se construyó en base a la información encontrada en la literatura, proponiendo la integración de LEDs en el circuito como reporteros del comportamiento de las tensiones de salida de cada unidad electrónica, estas últimas representando las concentraciones de los distintos represores en el sistema biológico. Finalmente, la simulación de ambos osciladores se realiza mediante modelos matemáticos implementados en Matlab, permitiendo el análisis de la sensibilidad de los parámetros asociados a cada set de ecuaciones. La construcción del represilador se completó parcialmente con el ensamblaje exitoso del plásmido conteniendo el módulo PLacI-TetR-RFP. Una discusión importante que se desprende es la crítica acerca del uso de partidores flanqueando zonas estándares diseñadas para el ensamblaje de ADN mediante enzimas de restricción, que perjudica la especificidad de las reacciones de PCR y por lo tanto dificulta la purificación y la reamplificación de fragmentos ensamblados de interés. El oscilador electrónico se implementó exitosamente en el laboratorio de electrónica de la Facultad y la simulación con el programa LTSpiceIV mostró que los LEDs rompen la dinámica oscilante. La simulación informática de los sistemas biológico y electrónico mostró que ambos tienen efectivamente un comportamiento oscilatorio. El análisis de sensibilidad identificó la expresión basal de los promotores como parámetro crítico para la generación de oscilaciones en el sistema genético y la alimentación del polo negativo de los amplificadores operacionales como parámetro determinante en la persistencia de éstas en el sistema electrónico. En paralelo, se diseñó una actividad pedagógica para el curso de Biología para Ingenieros y Científicos de la Facultad para llevar este trabajo a una aplicación. En base a los resultados obtenidos, se concluye que se cumplió parcialmente los objetivos planteados y se propone un plan de acción a futuro para terminar el trabajo, el cual podría eventualmente ser aprovechado en el proyecto piloto de Educación y Cultura CTI del gobierno. Primero, se tiene que realizar los últimos ensamblajes genéticos para completar la construcción del represilador y luego monitorear la fluorescencia de las bacterias transformadas con el represilador. En el caso del sistema electrónico, se volverá al laboratorio para determinar el efecto de la inserción de los LEDs sobre la dinámica oscilatoria y probar varios sets de resistencias y condensadores para modificar la frecuencia de las oscilaciones. En cuanto a la simulación informática, se ajustará en el futuro a los parámetros experimentales de ambos sistemas biológico y electrónico.

En el caso del Perú, donde existen registradas más de 63,000 personas con alguna discapacidad, la determinación del tratamiento de una rehabilitación adecuada y correctiva para una patología locomotora es compleja y dificultosa. El tratamiento tiene por objetivo la restauración de la discapacidad física y funcional para poder reintegrar al afectado a las actividades cotidianas. Para ello, el análisis de la marcha con tecnología de precisión evalúa el movimiento por medio de un análisis cuantitativo. Esta es una mejor alternativa frente al tradicional análisis subjetivo, cualitativo, que presenta dificultades en la descripción del movimiento, debido a los varios grados de libertad existentes. Este trabajo de tesis tiene por objetivo el diseño de una Guía de Análisis de Movimiento Patológico para evaluación del post tratamiento quirúrgico de fractura de fémur, usando el sistema de fotogrametría Vicon 460. La guía consta de dos etapas: la etapa clínica y la etapa del análisis de la marcha patológica. En la primera etapa el especialista en rehabilitación realiza la historia clínica de la patología del paciente, y de ésta se extrae información necesaria (patrones de la marcha humana, patrones biomecánicos, cinemática) para su posterior análisis por un especialista. En la segunda etapa se realiza el análisis del movimiento patológico del paciente basado en el uso del sistema Vicon 460 con el objetivo de medir los requerimientos planteados y brindar un análisis de la marcha patológica respecto a la marcha humana. El sistema de fotogrametría permitirá identificar y capturar las señales analógicas requeridas en tiempo real de los marcadores colocados pues iluminan estroboscópicamente a través del infrarrojo de cada cámara CCD con obturación electrónica. Además, permitirá la digitalización de las trayectorias de la articulación de la rodilla y la cadera en un ciclo de marcha, y los patrones motores de fractura de fémur. El principal aporte de esta tesis es ofrecer al especialista una herramienta de medición cuantitativa de la marcha patológica. Esta guía ha sido probada en un paciente con tratamiento post quirúrgico de fractura de fémur obteniendo resultados de la marcha patológica así como la cinemática de la misma. Además, estos fueron comparados con los estudios de Winter y Miralles obteniendo resultados similares de los patrones de la marcha, patrones biomecánicos, y cinemática de la marcha patológica. / Tesis

Actualmente el ultrasonido es una técnica de rehabilitación muy usada en distintos lugares del mundo para tratar personas que han sufrido algún tipo de lesión tisular. Este tipo de terapia ha ganado prestigio debido a la practicidad de su uso y por sus buenos resultados a causa de los efectos mecánicos (micromasaje) y térmicos que estimulan el metabolismo y la reparación de los tejidos afectados. Sin embargo, estos equipos tienen una desventaja: en algunas ocasiones pierden la calibración sin tener mucho tiempo de uso, esto quiere decir que los equipos pueden emitir una potencia mayor, originando que el paciente tenga algunas molestias o pueda sufrir una leve quemadura; o una potencia menor, lo cual no generaría el calor necesario para que se realice la rehabilitación con éxito. En el presente estudio se analizan equipos de ultrasonido analógicos en vez de equipos digitales, esto se debe a que en esta clase de equipos, las etapas son muy parecidas, con lo cual se puede generalizar el estudio para varios equipos. Primero se analiza el diagrama de bloques del equipo de ultrasonido, se eligen las etapas que van a ser estudiadas teniendo como criterio si éstas tienen relación directa con la señal de salida o no. Luego por cada etapa se elige un elemento crítico el cual es el más importante dentro del circuito y el más susceptible a error. A continuación se prueban los circuitos funcionando correctamente y luego se prueban con variaciones las cuales dependen del elemento crítico elegido. Por último se concluye si la etapa analizada puede influir en la potencia de salida del equipo y por ende llevarlo a perder la calibración. Según el estudio realizado, las etapas de oscilación, digitalización y amplificación pueden llevar a la pérdida de calibración del equipo; la etapa de Modo Pulsado no influye en la pérdida de calibración; sin embargo, una falla en esta etapa puede perjudicar al paciente si se le trata con una intensidad mayor a la recomendada. En el transductor se encontraron fallas principalmente mecánicas y también fallas causadas por mala manipulación del usuario. / Tesis

El presente trabajo de tesis tiene como objetivo implementar un prototipo de Termociclador alimentado con una fuente comercial de 24 voltios DC, con lo cual se podrá analizar y observar el comportamiento de las etapas del proceso de Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR). Para el desarrollo de este trabajo se tiene como base los estudios realizados por Zegarra y Ponce en "Diseño e Implementación de un módulo para procesos de reacción en cadena de la polimerasa (PCR) en la Replicación de ADN"; de igual manera, la investigación "Caracterización de la Celda Peltier para un Prototipo de Termociclador" realizada por Ayllón, G., todo este proceso implica desarrollar etapas previas para posteriormente lograr el buen manejo y optimación en el desarrollo del prototipo de termociclador PUCP. Este trabajo se ha dividido en cuatro capítulos que se detallan a continuación. En el capítulo 1, se mencionan las tecnologías que se utilizan para el proceso de PCR, y la importancia de éstas en el desarrollo de los Termocicladores; además de los avances que se tiene en la actualidad en el desarrollo del Termociclador PUCP. En el capítulo 2, se va encontrar una descripción del ADN, sus generalidades, el proceso de replicación de ADN y que elementos se ven envuelto en todo el proceso; así como también, la tecnología que gobierna actualmente a estos equipos electrónicos. En el capítulo 3, se encuentra el desarrollo de todas las etapas que conllevan al proceso de la PCR y que permiten la implementación del prototipo de Termociclador. En el capítulo 4, se realizan pruebas para las etapas del proceso de PCR, así como una evaluación final de todo el proceso para diferentes números de ciclos. En la parte final del documento se presentan las conclusiones finales obtenidas en la implementación del prototipo de Termociclador, así como las recomendaciones que este trabajo ha suscitado. / Tesis

El sistema de Adquisición de señales es un dispositivo que se encarga de adquirir diferentes señales generadas por el cuerpo humano. Dichas señales representan las diferentes funciones o actividades como la del corazón, musculo o cerebro. En la actualidad diferentes universidades e institutos de investigación utilizan equipos de adquisición, pero estos no ofrecen flexibilidad en su arquitectura. En el presente trabajo se desarrolla el diseño de un Sistema de Adquisición de señales biomédicas sobre FPGA para adquirir señales ECG, EMG y EEG que tiene una amplitud entre 100uV a 10mV y se encuentran en un rango de frecuencias de 0.01Hz a 10KHz. El diseño abarca desde la digitalización, la transmisión y visualización de los datos en el software diseñado. Además se tiene en cuenta la norma de estándar eléctrico IEC 60601 para equipos médicos. A continuación se describe las partes que conforman este documento: Capitulo 1 muestra problemática de los dispositivos en el área de investigación. Así mismo se describe las características y las tendencias que existen en la actualidad. Además se menciona cual es la demanda y los usuarios de dichos equipos. El capítulo 2 presenta el estado de arte de cada etapa del sistema de adquisición, las tecnologías que se desarrollaron dentro de cada etapa y el fundamento teórico que se utiliza en la tesis. En capitulo 3 se muestra el diseño del Sistema de Adquisición. Se establece los objetivos de la tesis y la metodología que se utilizada para el desarrollo. Después se muestra el diagrama de bloques, la selección de cada componente, los diagramas esquemáticos, descripción del hardware del FPGA y la descripción de cada etapa. El capitulo 4 presenta los resultados obtenidos en las pruebas de cada bloque descrito en el FPGA, la prueba de software. Cada resultado obtenido dentro de cada etapa, además el presupuesto para la implementación del sistema. Finalmente se presenta las conclusiones y recomendaciones generadas después de haber realizado el presente trabajo de tesis. / Tesis