La ciencia de los biomateriales ha tenido un ascendente desarrollo, esto es factible gracias a la disponibilidad de materiales metálicos, cerámicos, composites y poliméricos, que van a permitir la fabricación de biomateriales avanzados para tejidos duros como blandos, bioestables o biodegradables con una relación cada día mas extensa y especifica de dispositivos biomédicos que van desde marcapasos hasta prótesis de rodillas, toda una serie de soportes para regeneración de tejidos, incluyendo sistemas biodegradables utilizados como suturas temporales con reabsorción espontánea en un intervalo de tiempo apropiado, o los sistemas de liberación controladas de medicamentos y compuestos bioactivos que ofrecen enormes posibilidades de desarrollo en un futuro próximo.

The thesis at hand is part of a research project that attempts to study and develop vibrissa inspired tactile sensors for object and fluid flow detection. The main focus of the thesis is on the development of a model for a vibrissa-like sensor for obstacle contour recognition under fluid loads. To this end, a mechanical model – based on the non-linear Euler-Bernoulli beam theory – is established. The model includes the main characteristics found in a natural vibrissa, such as elasticity of the base, that acts as the vibrissa follicle; the intrinsic curvature; and conicity. The characteristics are represented as parameters of the model. The model is subjected to a contact load and a fluid flow load, represented by a concentrated load and a distributed load, respectively. Then, the model is transformed into a dimensionless representation for further studies to achieve more general assertions. A variation of the magnitude of these loads, as well as the vibrissa parameters is also analyzed. A direct numerical approximation using the finite difference method, along with the shooting method, is used to obtain a solution of the model. Subsequently, the model is used to simulate an ideal contact between an obstacle and the vibrissa. This simulation considers a quasi-static sweep of the artificial vibrissa with the contour of a profile, while measuring and recording the forces and moment at the base. This procedure is then repeated in combination of a distributed force acting on the vibrissa, simulating the effect of a fluid flow. Two types of contact phases are identified and the conditions for each one are set. Finally, the measured quantities, which represent the observables an animal solely relies on, are used to obtain the magnitude of the fluid load and to reconstruct the profile contour of the obstacle. The developed model is used again for the reconstruction, an analysis of the observables is performed to identify and predict which contact phase the vibrissa is in. The results successfully show identification of the fluid flow load as well as reconstruction of the profile, the difference between the reconstructed profile and the original profile is then calculated as a measure of reconstruction quality. / Tesis

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El presente trabajo es una investigación básica donde se busca determinar el comportamiento de la estructura jerárquica de escamas de Paiche (Arapaima Gigas) y exoesqueleto de Carachama (Pterigoplichthys pardalis). En primer lugar se desarrolla el marco inicial para la investigación; se incluye la elaboración de una metodología para el desarrollo del proyecto y el estudio necesario para la investigación. Además, se muestra la información concerniente a la estructura y composición de las escamas de Paiche: material compuesto de matriz de Colágeno reforzada con fibras de Colágeno y cristales de Hidroxiapatita (HAP), así como de las propiedades de los últimos. En segundo lugar se da a conocer el procedimiento experimental utilizado para los diversos ensayos realizados. En el caso de la escama de Carachama se realizaron ensayos de Termogravimetria (TGA), Difracción de Rayos X (XRD) y Microscopia Electrónica de Barrido (SEM) para determinar los componentes que lo conforman y estructura. Para el estudio del comportamiento de la estructura de las escamas se realizaron ensayos dinámico-mecánicos (DMA) con escaneo en temperatura y usando una configuración de deflexión en 3 puntos, obteniéndose curvas de modulo elástico (E´) y factor de pérdida (Tan(δ)) en un rango de temperaturas entre -50 a 250°C. En tercer lugar se exponen y analizan los resultados de los ensayos DMA. Se observó que en las escamas de Paiche existe un fenómeno similar a una transición vítrea a los 0°C, además, los valores de amortiguamiento (Tan(δ)) indican una gran capacidad de disipar energía en el punto de amortiguamiento máximo. En el caso del exoesqueleto de Carachama se encontró que posee una estructura porosa de Hidroxiapatita y Colágeno, similar a un material compuesto tipo emparedado o “sandwich”. En cuanto al comportamiento dinámico-mecánico se encontró que el exoesqueleto de Carachama tiene una mayor estabilidad térmica en comparación con las escamas de Paiche ya que sus propiedades no variaron de forma significativa durante los cambios térmicos. Finalmente se hacen proposiciones de las posibles aplicaciones que tengan las características de los materiales estudiados en la industria. En el caso de las escamas de Paiche se propone el desarrollo de materiales que puedan funcionar como aisladores de vibraciones o absorsores de impactos gracias a su alto valor de Tan(δ). En el caso del exoesqueleto de Carachama se puede dar la posibilidad de usar su estructura tipo sándwich para elaborar elementos estructurales ligeros. / Tesis

El interés por el desarrollo de nuevos materiales más livianos y con mayor resistencia mecánica ha ido aumentando considerablemente. Esto fomenta la investigación en materiales biológicos y naturales, dado que estos han existido por cientos de años y han ido evolucionando de acuerdo a sus requerimientos y necesidades. Por lo tanto, el enfoque de las investigaciones se centra en el estudio de la estructura interna de diversos materiales y la relación con las propiedades mecánicas que posee. El objetivo del presente trabajo es investigar la estructura y las propiedades mecánicas de las púas del erizo de mar. Se realizó un análisis de falla frente al colapso de las púas sometidas a compresión para diferentes condiciones, conociendo la relación que existe entre la estructura interna de estas y las propiedades mecánicas que presentan. Asimismo, se analizó el efecto que tiene la degradación natural y la degradación por rayos ultravioleta en las púas en las propiedades mecánicas y estructura interna. Las muestras utilizadas para este trabajo fueron obtenidas del erizo Loxechinus albus, retirando cuidadosamente las púas. Estas fueron medidas y limpiadas de cualquier impuridad. Más aún, se realizó una microscopía de barrido y un análisis de difracción de rayos X para observar la microestructura de la púa y su composición química. Las púas fueron sometidas a distintas condiciones de degradación. Por lo tanto, se tenía un grupo de púas frescas, púas con degradación natural de 5, 10 y 15 días, que estaban en contacto con el medio ambiente, y púas con degradación ultravioleta por 1, 3 y 6 horas, que estaban expuestas a la luz UV directa de una lámpara. Los ensayos de compresión se realizaron para 5 púas de cada condición de degradación, obteniendo su curva de esfuerzo-deformación junto con la resistencia a la compresión máxima. Asimismo, se realizó una microscopía de barrido a las púas, observando la falla a nivel microestructural. Las púas del erizo Loxechinus albus tienen una resistencia a la compresión de 139,57 MPa +/- 44,34 MPa en su estado fresco. Esta resistencia se debe a la estructura interna, que presenta una organización radial y concéntrica con diferentes concentraciones de porosidades. La resistencia de la púa se reduce hasta 97,84 MPa +/- 20,14 MPa debido a la degradación natural de 15 días y hasta 78,16 MPa +/- 34,10 MPa debido a la degradación ultravioleta por 6 horas de exposición. / Tesis

Se desarrolló un nuevo proceso para la fabricación de armazones ("scaffolds") porosos para su aplicación en Ingeniería de Tejidos mediante una técnica de calentamiento por microondas. El objetivo del trabajo es producir estos armazones usando polímeros naturales biodegradables y caracterizarlos según sus propiedades físicas y mecánicas para así explorar su potencial uso en ingeniería de tejidos. / Tesis

La utilización de biopolímeros en reemplazo de los polímeros tradicionales sintéticos es una necesidad creciente en todos los campos de la industria. La carragenina es un polisacárido que se extrae de las algas, por lo que se considera una alternativa a tomar en cuenta ya que es un material abundante, económico y biodegradable. El objetivo principal de esta tesis es desarrollar y caracterizar nanocompuestos a partir de una matriz de carragenina con diversos nanorefuerzos tales como óxido de grafeno y nanotubos de carbono de pared simple y múltiple. Las películas obtenidas se caracterizarán estructural, térmica, morfológica y mecánicamente. Para cumplir con lo trazado en el objetivo principal, en primer lugar se procedió a hacer una revisión del estado del arte, presentando los fundamentos básicos para el desarrollo de nanocompuestos, describiendo las generalidades de la carragenina, el óxido de grafeno y los nanotubos de carbono, así como también los procesos más conocidos de síntesis de nanocompuestos. Se procedió a extraer el biopolímero de las algas y luego se elaboraron los nanocompuestos de tres tipos diferentes: los reforzados con óxido de grafeno, nanotubos de carbono de pared múltiple y nanotubos de carbono de pared simple. Cada tipo de nanocompuesto fue preparado con tres porcentajes de peso de refuerzo: 1%, 3% y 5%. Todas las películas fueron sometidas a difractómetría de rayos X, espectroscopía de infrarrojo con transformada de Fourier, termogravimetría, calorimetría de barrido diferencial, microscopía electrónica de barrido y de fuerza atómica, y a ensayos de tracción. Los resultados obtenidos demuestran una buena interacción entre la matriz y los refuerzos, ya que las propiedades estructurales de la matriz no se ven afectadas por la presencia de nanopartículas. Las propiedades térmicas se mantienen estables ya que no existen cambios considerables en la temperatura de degradación térmica ni en la de transición vítrea, sin embargo se observa una mayor cantidad de masa remanente luego de la pirolisis de la matriz cuando esta se encuentra reforzada con los refuerzos estudiados. Las pruebas de microscopía muestran una correcta dispersión de los refuerzos a lo largo de todas las muestras por lo que se puede asegurar que el proceso de obtención de los films ha sido efectivo. Las pruebas mecánicas ofrecen notables resultados, ya que se observan mejorías considerables en todos los casos analizados. La resistencia a la tracción aumentó hasta en un 93.29% para los nanocompuestos reforzados con óxido de grafeno, y el módulo de elasticidad se elevó en un 573.11% en el caso de los nanocompuestos de nanotubos de carbono de pared simple. Las mejores propiedades mecánicas se encontraron al 5% de refuerzo en todos los casos. / Tesis

El presente trabajo muestra la caracterización de tintas de biomaterial empleadas en un sistema de impresión 3D por extrusión y la determinación de su viabilidad de uso para la manufactura de estructuras tridimensionales de interés biomédico. El documento aborda la necesidad de contar con metodologías para analizar de manera objetiva la fidelidad de impresión en sistemas basados en extrusión debido a que existen definiciones no consensuadas en la comunidad científica y estándares no publicados en un campo de estudio en constante evolución. Se sigue una metodología propia para el desarrollo de constructos fabricados bajo el marco de tecnologías de bioimpresión, con énfasis en el preprocesamiento y procesamiento de tres tipos de constructos: vascular, orgánico y para ensayos in vitro. Se sintetizaron ocho tintas de biomaterial a partir de reactivos disponibles en un contexto académico, tales como: la sal sódica de carboximetilcelulosa, el alginato y el cloruro de calcio. Se realizaron ensayos de caracterización para evaluar propiedades de la materia prima como hinchamiento y viscosidad, así como propiedades directamente involucradas al proceso de impresión 3D como formación y homogeneidad de filamento, precisión de impresión e integridad de forma. Los resultados indican que la formulación compuesta por sal sódica de carboximetilcelulosa (20%), alginato (10%) y cloruro de calcio (2%) demuestra el mejor desempeño general en los ensayos de caracterización multidimensional, siendo viable para la impresión por extrusión de las estructuras de interés biomédico propuestas en el presente trabajo.

El interés por el desarrollo de nuevos materiales más livianos y con mayor resistencia mecánica ha ido aumentando considerablemente. Esto fomenta la investigación en materiales biológicos y naturales, dado que estos han existido por cientos de años y han ido evolucionando de acuerdo a sus requerimientos y necesidades. Por lo tanto, el enfoque de las investigaciones se centra en el estudio de la estructura interna de diversos materiales y la relación con las propiedades mecánicas que posee. El objetivo del presente trabajo es investigar la estructura y las propiedades mecánicas de las púas del erizo de mar. Se realizó un análisis de falla frente al colapso de las púas sometidas a compresión para diferentes condiciones, conociendo la relación que existe entre la estructura interna de estas y las propiedades mecánicas que presentan. Asimismo, se analizó el efecto que tiene la degradación natural y la degradación por rayos ultravioleta en las púas en las propiedades mecánicas y estructura interna. Las muestras utilizadas para este trabajo fueron obtenidas del erizo Loxechinus albus, retirando cuidadosamente las púas. Estas fueron medidas y limpiadas de cualquier impuridad. Más aún, se realizó una microscopía de barrido y un análisis de difracción de rayos X para observar la microestructura de la púa y su composición química. Las púas fueron sometidas a distintas condiciones de degradación. Por lo tanto, se tenía un grupo de púas frescas, púas con degradación natural de 5, 10 y 15 días, que estaban en contacto con el medio ambiente, y púas con degradación ultravioleta por 1, 3 y 6 horas, que estaban expuestas a la luz UV directa de una lámpara. Los ensayos de compresión se realizaron para 5 púas de cada condición de degradación, obteniendo su curva de esfuerzo-deformación junto con la resistencia a la compresión máxima. Asimismo, se realizó una microscopía de barrido a las púas, observando la falla a nivel microestructural. Las púas del erizo Loxechinus albus tienen una resistencia a la compresión de 139,57 MPa +/- 44,34 MPa en su estado fresco. Esta resistencia se debe a la estructura interna, que presenta una organización radial y concéntrica con diferentes concentraciones de porosidades. La resistencia de la púa se reduce hasta 97,84 MPa +/- 20,14 MPa debido a la degradación natural de 15 días y hasta 78,16 MPa +/- 34,10 MPa debido a la degradación ultravioleta por 6 horas de exposición.

Se desarrolló un nuevo proceso para la fabricación de armazones ("scaffolds") porosos para su aplicación en Ingeniería de Tejidos mediante una técnica de calentamiento por microondas. El objetivo del trabajo es producir estos armazones usando polímeros naturales biodegradables y caracterizarlos según sus propiedades físicas y mecánicas para así explorar su potencial uso en ingeniería de tejidos.