Ingeniero Civil Mecánico / Los materiales piezoeléctricos entregan la posibilidad de generar electricidad gracias a diferencias de voltaje que se generan al deformarlos. El principio anterior, mezclado con un agente externo que logre deformarlos periódicamente, o hacerlos vibrar, puede convertirse en una fuente de energía para múltiples dispositivos electrónicos, tomando significativa importancia en dispositivos de control que se encuentren en zonas remotas o de difícil acceso, en donde la mantención y cambio de batería se vuelva una opción inviable, o demasiado costosa. El objetivo de este trabajo es reproducir y comparar tres modelos existentes para vigas piezoeléctricas, el primero es un modelo de un grado de libertad y los siguientes dos, modelos continuos, uno de estos considera el acoplamiento electromecánico y el otro no. Los modelos predicen el voltaje, corriente y potencia producidos en función de la frecuencia que excita el sistema, y se busca determinar cuál de ellos representa más fidedignamente la realidad y bajo qué condiciones es adecuado utilizarlos. En los modelos continuos existen múltiples frecuencias naturales que se corresponden con los modos de vibración. Para un mismo nivel de aceleración en la base, el modo que genera mayor voltaje, corriente y potencia, es el primero, por ende si se busca energizar un dispositivo electrónico se debe buscar que el agente excitador de la viga la haga resonar al primer modo de vibración. Debido a esto es que en trabajo de estudia la energía generada gracias al primer modo. Como resultado del análisis de cada modelo se demuestra que, cada modelo tiene una resistencia óptima para la cual produce la mayor potencia posible. El objetivo final si se quiere implementar esta tecnología es determinar cuál es esa resistencia, de manera que el dispositivo que es objeto de la energía, tenga la mayor cantidad de esta disponible. Los tres modelos teóricos son comparados entre ellos y con datos experimentales, estos últimos obtenidos luego de testear una viga piezoeléctrica real. Para realizar la comparación se definen tres indicadores de error llamados "error de peak", "error de frecuencia" y "error de disipación". Estos miden las diferencias que existen entre las curvas teóricas de voltaje y la curva experimental, en particular comparan el voltaje máximo, frecuencia natural y ancho de las curvas. El modelo continuo acoplado es un modelo de física muy compleja que requiere una gran experticia para poder ser implementado, no obstante y considerando los tres tipos de errores, es el modelo que mejor se ajusta a la realidad.

Ingeniero Civil Mecánico / Los colectores de energía piezoeléctricos (CEP) son dispositivos que generan energía eléctrica cuando son deformados mecánicamente. Existen diversos modelos matemáticos deterministas que permiten estimar la respuesta dinámica. Sin embargo, las predicciones realizadas por esos modelos usualmente presentan discrepancias al ser comparada con datos experimentales. Lo cual se explica por la presencia de incertidumbres asociadas típicamente a variabilidades en: la excitación; el modelo matemático y los parámetros inherentes utilizados por los modelos matemáticos. Por lo tanto, introducir una metodología para cuantificar las incertidumbres presentes y a la vez caracterizar experimentalmente los dispositivos permitiría generar predicciones robustas y más plausibles. El objetivo de este trabajo es cuantificar por medio de mediciones experimentales las incertidumbres de la respuesta y los parámetros que gobiernan la dinámica de los colectores de energía piezoeléctricos e implementar una metodología para su propagación. Se diseño un banco de pruebas el cual permite someter a los CEPs a distintos tipos de excitaciones, montar de forma fácil y reproducir de buena manera la condición de empotramiento. Mediante un protocolo de pruebas, se ensayaron dos modelos de CEPs con diferentes características nominales. Donde se identificaron las variabilidades de su respuesta y sus fuentes de dispersión. Colectores teóricamente idénticos alcanzaron dispersiones de hasta el 65 \% con respecto a su valor medio. Se implemento un marco de propagación de incertidumbres con la finalidad de compararlo con las mediciones experimentales y validar su utilidad. Las mediciones coincidieron con el área de probabilidad predicho, lo cual justifica el uso y la adecuación del modelo numérico. Al disponer de datos experimentales, se adaptaron las técnicas bayesianas con la finalidad de actualizar los parámetros inciertos y estimar futuras respuestas. Como resultado, se logro estimar una franja de probabilidad que se ajusta de mejor manera a las mediciones y que permite estimar de forma mas certera futuras respuestas.

El trabajo presentado en esta tesis doctoral profundiza sobre el fenóme-no rugoso superficial y su contribución a la respuesta acústica del cristal resonador de cuarzo en medios líquidos. Su principal aportación se centra en el estudio de los parámetros geométricos que pueden representar de forma óptima la contribución rugosa sobre la impedancia acústica del sen-sor. Se propone un modelo empírico del efecto rugoso basado en los resul-tados de este estudio. Otra de las aportaciones de la presente tesis se centra en el estudio detallado de uno de los modelos de rugosidad propuestos más recientemente: el modelo de Arnau. Este modelo plantea la posibilidad de modelar la rugosidad mediante una distribución de casquetes semi-esféricos. En esta tesis se propone una corrección semi-empírica de dicho modelo que permita incluir el efecto de interferencia entre casquetes. Esta corrección se emplea en el estudio del comportamiento del efecto rugoso en superficies aleatorias. Se ha demostrado que el efecto de la rugosidad de una superficie aleatoria en la impedancia acústica puede ser modelado por la respuesta de una superficie equivalente formada por una distribución re-gular de casquetes semi-esféricos sobre una superficie plana. Asimismo, se ha demostrado que los parámetros geométricos de esta superficie equiva-lente están linealmente correlacionados con la proyección de la superficie aleatoria real en la dirección del movimiento. Esta afirmación se ha com-probado mediante medidas experimentales con microscopio de fuerza atómica (AFM). Palabras Clave: Piezoelectricidad, sensores de cuarzo, rugosidad, modo de cizalla en espesor. / Fernández Díaz, R. (2009). Estudio y análisis del efecto rugoso sobre la respuesta del sensor de cuarzo AT en medios fluidos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/6141

In recent decades, acoustic techniques have become the most appropriate tools for biomass estimation in the fishing industry. This is because acoustic waves are the only waves that can be used for remote sensing in the aquatic environment due to their low attenuation compared to electromagnetic waves, which are usually used in long-distance communications in the atmosphere. Ultrasonic echo sounders allow sampling of water columns and cover large areas of ocean by means of sampling campaigns conducted by oceanographic vessels, providing information on fish stocks of commercial interest. Furthermore, as a result of the overexploitation of fishery resources and to cover increasing demand, fish production has been developed as an alternative to capture. Although several species are bred in captivity, in Spain we can highlight three in particular, due to the high economic impact and degree of implantation: Gilt-head bream (Sparus aurata), sea bass (Dicentrarchus labrax) and Bluefin tuna (Thunnus thynnus). There is demand in the aquaculture industry for techniques developed in the field of fishery acoustics to control and estimate biomass. However, various problems related to the geometry of the application and high fish densities in intensive aquaculture have made these techniques difficult to apply directly. The study of biomass and species classification has progressed in parallel with the development of sonar and echo sounder systems used for this type of applications, and particularly with the evolution of ultrasonic transducers. Operation frequency, transmission power, bandwidth and directivity are key factors in the acoustic methods applied to fishing. In addition, other aspects of research are becoming more relevant in this sector, such as the study of nonlinear parametric sound generation. This generation or parametric effect, produced in the medium, has focused so far especially on bathymetry or classification of the oceanic subsoil, by offering much lower operation frequencies with the same directivity as the beam generated at high frequency. Nowadays, their feasibility is studied for application to fisheries or aquaculture, due to the possibility of working at several frequencies with the same transducer, given the same radiation characteristics, which is not possible in the linear regime. This thesis presents the design of an ultrasound transducer for biomass estimation with specific characteristics and demonstrates its capacity to work in a non-linear regime with optimum apertures for use in shallow water or in aquaculture cages. Chapter 2 presents general information on ultrasound waves, the medium through which they are propagated and an introduction to non-linear generation. General concepts in ultrasound generation and design are presented in Chapter 3. Chapter 4 shows the numerical models used to reinforce the experimental results presented during this thesis. Chapter 5 covers the design of the transducer, encompassing all the processes, from characterization of the materials, to assembly, operation and simulation of designed prototypes. To conclude, Chapter 6 presents the behavior of prototypes in a nonlinear regime and their feasibility for estimating biomass of different species in shallow water. / Las técnicas acústicas se han convertido en las últimas décadas en las herramientas más apropiadas para la estimación de biomasa en el sector pesquero. Esto es debido a que las ondas acústicas son las únicas que pueden utilizarse para teledetección en el medio acuático, por su baja atenuación, comparadas con las ondas electromagnéticas, que son las usadas habitualmente en comunicaciones a larga distancia en la atmósfera. Las ecosondas ultrasónicas permiten muestrear la columna de agua y cubrir grandes extensiones de océano mediante campañas de muestreo realizadas por buques oceanográficos, ofreciendo información de las poblaciones de peces de interés comercial. Por otro lado, como consecuencia de la sobreexplotación de los recursos pesqueros y para cubrir la demanda creciente para su consumo, se ha desarrollado como alternativa a la captura, la producción piscícola. Aunque hay diversas especies que se crían en cautividad, en España podemos destacar tres en particular, por el alto impacto económico y grado de implantación: Dorada (Sparus aurata), lubina (Dicentrarchus labrax) y atún rojo (Thunnus thynnus). La aplicación de las técnicas desarrolladas en el campo de la acústica de pesquerías para el control y estimación de la biomasa en jaulas flotantes, es una demanda del sector acuicultor. Sin embargo, diferentes problemas relacionados con la geometría de la aplicación y las altas densidades de peces con las que se trabaja en acuicultura intensiva, han dificultado la aplicación directa de las mismas. Los avances en el estudio de la biomasa o en la clasificación de especies han ido en paralelo con el desarrollo de los sistemas sonar y ecosondas usados para este tipo de aplicaciones, y particularmente con la evolución de los transductores ultrasónicos empleados. La frecuencia de trabajo, la potencia de emisión, el ancho de banda, así como la directividad son factores clave en los métodos acústicos aplicados a la pesca. Además, otras vertientes de investigación están adquiriendo mayor relevancia en este sector, como por ejemplo, el estudio de la generación no lineal paramétrica de sonido. Esta generación o efecto paramétrico, producido en el medio, se ha enfocado hasta ahora especialmente en batimetrías o en la clasificación del subsuelo oceánico, por ofrecer frecuencias de trabajo mucho más bajas con la misma directividad que el haz generado a alta frecuencia. Actualmente, se estudia su viabilidad para ser aplicado a pesquerías o a acuicultura, debido a la posibilidad de trabajar a varias frecuencias con un mismo transductor, presentado éstas las mismas características de radiación, lo que no es posible en el régimen lineal. Esta tesis presenta el diseño de un transductor de ultrasonidos para la estimación de biomasa con unas características específicas. Demostrando, además, la capacidad de éste para poder trabajar en régimen no lineal con aperturas adecuadas para su uso en aguas poco profundas o en jaulas de acuicultura. En el capítulo 2 se presenta información general sobre las ondas de ultrasonidos y el medio por donde se propagan, así como una introducción a la generación no-lineal. Conceptos generales sobre la generación de los ultrasonidos y el diseño se presentan en el capítulo 3. En el capítulo 4, se muestran los modelos numéricos utilizados para afianzar los resultados experimentales presentados durante la tesis. El capítulo 5 recoge el diseño del transductor, que englobará todos los procesos, desde la caracterización de los materiales, hasta el montaje, puesta en marcha y simulación de los prototipos creados. Para finalizar el capítulo 6 presenta el comportamiento de los prototipos en régimen no lineal y su viabilidad para estimar biomasa de diferentes especies en aguas poco profundas / Les tècniques acústiques s'han convertit en les últimes dècades en les ferramentes més apropiades per a l'estimació de biomassa en el sector pesquer. Això és degut a que les ones acústiques són les úniques que poden utilitzar-se per teledetecció en el medi aquàtic, per la seva baixa atenuació, comparades amb les ones electromagnètiques, que són les usades habitualment en comunicacions a llarga distància en l'atmosfera. Les ecosondes ultrasòniques permeten mostrejar la columna d'aigua i cobrir grans extensions d'oceà mitjançant campanyes de mostreig realitzades per vaixells oceanogràfics, oferint informació de les poblacions de peixos d'interès comercial. Per altre costat, com a conseqüència de la sobreexplotació dels recursos pesquers i per cobrir la demanda creixent per al seu consum, s'ha desenvolupat com a alternativa a la captura, la producció piscícola. Encara que hi ha diverses espècies que es crien en captivitat, a Espanya podem destacar tres en particular, per l'alt impacte econòmic i grau d'implantació: Daurada (Sparus aurata), llobarro (Dicentrarchus labrax) i tonyina vermella (Thunnus thynnus). L'aplicació de les tècniques desenvolupades en el camp de l'acústica de pesqueres pel control i estimació de la biomassa en gàbies flotants, és una demanda del sector aqüicultor. No obstant això, diferents problemes relacionats amb la geometria de l'aplicació i les altes densitats de peixos amb les que es treballa en aqüicultura intensiva, han dificultat l'aplicació directa de les mateixes. Els avanços en l'estudi de la biomassa o en la classificació d'espècies han anat en paral·lel amb el desenvolupament dels sistemes sonar i ecosondes usats per a aquest tipus d'aplicacions, i particularment amb l'evolució dels transductors ultrasònics empleats. La freqüència de treball, la potència d'emissió, l'ample de banda, així com la directivitat són factors clau en els mètodes acústics aplicats a la pesca. A més, altres vessants d'investigació estan adquirint major rellevància en aquest sector, com per exemple, l'estudi de la generació no lineal paramètrica de so. Aquesta generació o efecte paramètric, produït en el medi, s'ha enfocat fins ara especialment en batimetries o en la classificació del subsòl oceànic, per oferir freqüències de treball molt més baixes amb la mateixa directivitat que el feix generat a alta freqüència. Actualment, s'estudia la seva viabilitat per a ser aplicat a pesqueries o a aqüicultura, a causa de la possibilitat de treballar a diverses freqüències amb un mateix transductor, presentat aquestes les mateixes característiques de radiació, el que no és possible en el règim lineal. Esta tesi presenta el disseny d'un transductor d'ultrasons per a l'estimació de biomassa amb unes característiques específiques. Demostrant, a més, la capacitat d'aquest per poder treballar en règim no lineal amb obertures adequades per al seu ús en aigües poc profundes o en gàbies d'aqüicultura. En el capítol 2 es presenta informació general sobre els ultrasons i el mitjà pel qual es propaguen, així com una introducció a la generació no-lineal. Conceptes generals sobre la generació dels ultrasons i el disseny es presenten en el capítol 3. En el capítol 4, es mostren també els models numèrics utilitzats per a refermar els resultats experimentals presentats durant la tesi. El capítol 5 recull el disseny del transductor, que englobarà tots els processos, des de la caracterització dels materials fins al muntatge, posada en marxa i simulació dels prototips creats. Finalment, el capítol 6 presenta el comportament dels prototips en règim no lineal i la seua viabilitat per a estimar biomassa de diferents espècies en aigües poc profundes. / Ordoñez Cebrián, P. (2017). Ultrasonic transducer design: Feasibility as parametric echosounder in shallow water [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86192

Tesis por compendio / [ES] El aumento de la esperanza de vida conlleva la aparición de problemas muscoloesqueléticos afectando a la calidad de vida de los pacientes. Las nuevas terapias regenerativas óseas se centran en el uso de las células madre mesenquimales, MSCs, encargadas de la regeneración del tejido in vivo. La inducción de un fenotipo osteogénico prediferenciado in vitro, previo a la implantación de las MSCs, resulta en una mejor capacidad de regeneración del tejido óseo. Habitualmente se han empleado medios de diferenciación osteogénica que contienen dexametasona. Estos métodos son poco eficientes, por lo que el uso de métodos físicos está adquiriendo relevancia. El hueso es un tejido con propiedades piezoeléctricas debido a las fibras de colágeno que forman parte de su matriz extracelular. Este estímulo ha sido relacionado con su capacidad de responder al estrés mecánico y autoregenerarse, donde juegan un papel importante las MSCs. Éstas se encuentran en un entorno electroactivo, y son precisamente estas señales físicas las que pueden influir en su proceso de diferenciación osteogénica pudiendo ser empleadas para su prediferenciación in vitro de forma efectiva. Para comprobar esta hipótesis, en la presente Tesis Doctoral se han diseñado soportes de cultivo piezoeléctricos en 2 y 3 dimensiones basados en el uso del polímero piezoeléctrico polifluoruro de vinilideno (PVDF) combinados con partículas magnetostrictivas de ferrita de cobalto (CFO). Esta combinación permite la estimulación de los soportes de cultivo aplicando un campo magnético con un biorreactor. Este campo magnético genera la deformación del componente magnetostrictivo, que es transmitida a la matriz polimérica, deformándola y generando un campo eléctrico. Ésta última es transmitida a las células cultivadas en estos soportes para estudiar su efecto sobre la diferenciación osteogénica. En el primer capítulo se desarrollaron y caracterizaron membranas electroactivas de PVDF fabricadas por el método de separación de fases inducida por no-solventes. Se empleó etanol como no-solvente, dando lugar a membranas homogéneas altamente porosas. Estas cristalizan en fase g. Se optimizó un recubrimiento basado en la técnica capa a capa (LbL), empleando recombinámeros similares a la elastina (ELRs) que contenían secuencias de adhesión celular RGD. Se estudió la respuesta celular inicial de las MSCs y se comparó con los mismos soportes recubiertos únicamente con fibronectina adsorbida. La presencia de los ELRs es necesaria para promover la adhesión inicial de las MSCs en este tipo de soportes. En el segundo capítulo se combinó el PVDF con CFO, usando agua como no-solvente. Las membranas eran no simétricas, con una superficie lisa, que fue empleada para cultivo celular, con una mayoría en fase b, la más electroactiva. Se recubrieron y caracterizaron las membranas mediante LbL con colágeno tipo I y heparina. Se estudió el comportamiento de las MSCs sobre el LbL, resultando esencial para la proliferación celular en el caso de las membranas PVDF-CFO. En el capítulo tres se desarrollaron films de PVDF y PVDF-CFO cristalizados en presencia del líquido iónico [Bmim][Cl]. La presencia de éste indujo la nucleación del PVDF en fase b. Las MSCs eran capaces de adherirse y proliferar. Se realizaron ensayos de estimulación piezoeléctrica empleando un biorreactor magnético. Las MSCs respondieron a la estimulación incrementado la longitud de sus adhesiones focales, así como reduciendo la vimentina en el citoplasma. Finalmente, se diseñaron soportes de cultivo piezoeléctricos en 3D. Para ello se desarrollaron microesferas de PVDF y PVDF-CFO mediante la técnica de electropulverizado. Las microesferas se encapsularon en hidrogeles de gelatina junto con las MSCs. Se estimularon y tras 7 días, se observó un incremento en la expresión del factor de transcripción RUNX2 en las muestras estimuladas demostrando que la estimulación piezoeléctrica es capaz de activar en mayor medida la diferenciación de las MSCs. / [CA] L'augment de l'esperança de vida comporta l'aparició de problemes muscoloesquelètics afectant la qualitat de vida dels pacients. Les noves teràpies regeneratives òssies es centren en l'ús de les cèl·lules mare mesenquimals, MSCs, encarregades de la regeneració del teixit in vivo. La inducció d'un fenotip osteogènic prediferenciat in vitro, previ a la implantació de les MSCs, resulta en una millor capacitat de regeneració del teixit ossi. Habitualment s'han fet servir mitjans de diferenciació osteogènica que contenen dexametasona. Aquests mètodes són poc eficients, per la qual cosa l'ús de mètodes físics està adquirint rellevància. L'os és un teixit amb propietats piezoelèctriques a causa de les fibres de col·lagen que formen part de la seva matriu extracel·lular. Aquest estímul ha estat relacionat amb la capacitat de respondre a l'estrès mecànic i autoregenerar-se, on juguen un paper important les MSCs. Aquestes es troben en un entorn electroactiu, i són precisament aquests senyals físics els que poden influir en el seu procés de diferenciació osteogènica podent ser emprats per a la seva prediferenciació in vitro de manera efectiva. Per comprovar aquesta hipòtesi, a la present tesi doctoral s'han dissenyat suports de cultiu piezoelèctrics en 2 i 3 dimensions basats en l'ús del polímer piezoelèctric polifluorur de vinilidè (PVDF) combinats amb partícules magnetostrictives de ferrita de cobalt (CFO). Aquesta combinació permet l'estimulació dels suports de cultiu aplicant un camp magnètic amb un bioreactor. Aquest camp magnètic genera la deformació del component magnetostrictiu, que és transmesa a la matriu polimèrica, deformant-la i generant un camp elèctric. Aquesta última és transmesa a les cèl·lules cultivades en aquests suports per estudiar-ne l'efecte sobre la diferenciació osteogènica. En el primer capítol es van desenvolupar i caracteritzar membranes electroactives de PVDF fabricades pel mètode de separació de fases induïda per no solvents. Es va emprar etanol com a no-solvent, donant lloc a membranes homogènies altament poroses. Aquestes cristal·litzen en fase g. S'optimitzà un recobriment basat en la tècnica capa a capa (LbL), emprant recombinàmers similars a l'elastina (ELRs) que contenien seqüències d'adhesió cel·lular RGD. Es va estudiar la resposta cel·lular inicial de les MSCs i es va comparar amb els mateixos suports recoberts únicament amb fibronectina adsorbida. La presència dels ELR és necessària per promoure l'adhesió inicial de les MSCs en aquest tipus de suports. En el segon capítol es va combinar el PVDF amb CFO, usant aigua com a no-solvent. Les membranes eren no simètriques, amb una superfície llisa, que va ser emprada per a cultiu cel·lular, amb una majoria en fase b, la més electroactiva. Es van recobrir i caracteritzar les membranes mitjançant LbL amb col·lagen tipus I i heparina. Es va estudiar el comportament de les MSCs sobre el LbL, resultant essencial per a la proliferació cel·lular en el cas de les membranes PVDF-CFO. Al capítol tres es van desenvolupar films de PVDF i PVDF-CFO cristal·litzats en presència del líquid iònic [Bmim][Cl]. La seva presència va induir la nucleació del PVDF en fase b. Les MSCs eren capaces d'adherir-se i proliferar. Es van realitzar assajos d'estimulació piezoelèctrica emprant un bioreactor magnètic. Les MSCs van respondre a l'estimulació incrementant la longitud de les seves adhesions focals, així com reduint la vimentina al citoplasma. Finalment, es van dissenyar suports de cultiu piezoelèctrics en 3D. Per això es van desenvolupar microesferes de PVDF i PVDF-CFO mitjançant la tècnica d'electropolveritzat. Les microesferes es van encapsular en hidrogels de gelatina juntament amb les MSCs. Es van estimular i després de 7 dies, es va observar un increment en l'expressió del factor de transcripció RUNX2 a les mostres estimulades demostrant que l'estimulació piezoelèctrica és capaç d'activar més la diferenciació de les MSCs. / [EN] Life expectancy increase entails the presence of musculoskeletal disorders producing a substantial impact on patient's quality of life. New bone regenerative therapies are focused on the use of mesenchymal stem cells (MSCs), the main effectors of bone regeneration in vivo. Over the years, it has been demonstrated that the induction of a pre-differentiated phenotype in vitro, before MSCs implantation, results in a better capacity for bone tissue regeneration. For this purpose, biochemical approaches based on the use of osteogenic differentiation medium containing dexamethasone have traditionally been used. These methods are not efficient, which has favoured the use of physical methods as an alternative. Bone is a piezoelectric tissue due to the collagen fibres that conform its extracellular matrix. This stimulus has been related to its ability to respond to mechanical stress and self-regenerate, a process in which MSCs play a key role. MSCs are subjected to an electroactive environment. It is hypothesised that these physical signals may influence their osteogenic differentiation process and be used to effectively pre-differentiate them in vitro. To test this hypothesis, along this Doctoral Thesis, piezoelectric cell culture supports have been designed in 2 and 3 dimensions based on the use of the piezoelectric polymer poly(vinylidene) fluoride (PVDF) combined with magnetostrictive cobalt ferrite oxide (CFO) nanoparticles. This combination allows the stimulation of culture supports by applying a magnetic field with a bioreactor. This magnetic field induces the deformation of the magnetostrictive component, which is transmitted to the polymeric matrix, generating a deformation and producing an electric field, which is transmitted to the MSCs to study its effect on their osteogenic differentiation. In the first chapter, electroactive PVDF membranes manufactured by the non-solvent induced phase separation technique were developed and characterised. Ethanol was used as a non-solvent, which gave rise to highly porous homogeneous membranes crystallised in the g phase. A coating protocol based on the layer-by-layer (LbL) technique, using elastin-like recombinamers (ELRs) containing RGD cell adhesion sequences, was optimised. MSCs' initial cellular response was studied and compared with the membranes coated with adsorbed fibronectin. The presence of the ELRs was necessary to promote MSCs' initial adhesion in this type of support. In the second chapter, PVDF was combined with CFO, using water as a non-solvent. The membranes were not symmetrical, with a smooth surface used for cell culture, with a majority in phase b, the most electroactive. Membranes were coated and characterised by LbL with type I collagen and heparin. The behaviour of MSCs on LbL was studied, essential for cell proliferation in the case of PVDF-CFO membranes. In chapter three, PVDF and PVDF-CFO films crystallised in the presence of the ionic liquid [Bmim][Cl] were developed. The presence of ionic liquid induced PVDF nucleation in the b phase. MSCs were able to adhere and proliferate. Piezoelectric stimulation tests were performed using a magnetic bioreactor. MSCs responded to stimulation by increasing the length of their focal adhesions and reducing vimentin in the cytoplasm. Finally, 3D piezoelectric culture supports were designed. For this, PVDF and PVDF-CFO microspheres were developed using the electrospray technique. The microspheres were encapsulated in gelatin hydrogels together with the MSCs. They were stimulated, and after 7 days, an increase in the expression of the transcription factor RUNX2 was observed in the stimulated samples, demonstrating that piezoelectric stimulation is capable of activating the differentiation of MSCs to a greater extent. / La presente tesis doctoral no podría haberse realizado sin la financiación del Ministerio de Economía y Competitividad a través de la beca para formación de personal investigador BES-2017-080398 y a la Agencia Estatal de Investigación a través de los proyectos PID2019-106000RB-C21 / AEI / 10.13039/501100011033, PID2019-106099RB- C41 y –C43 / AEI / 10.13039/501100011033. / Guillot Ferriols, MT. (2022). Electroactive Environments for Mesenchymal Stem Cells Osteogenic Differentiation [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/191003 / Compendio

[ES] En esta tesis, se ha desarrollado un método para la producción microfluídica de microesferas de poli(fluoruro de vinilo) y poli(fluoruro de vinilo)/ferrita de cobalto. Este produce microesferas piezoeléctricas y magnetoeléctricas con alto porcentaje de estructuras electroactivas, sin pos-procesamiento y un mayor control dimensional y eficiencia temporal y material. El método es muy simple y no requiere equipos específicos, haciéndolo viable para la mayoría de laboratorios. Las microesferas se utilizaron para producir un sistema de precondicionamiento osteogénico de células madre mesenquimales humanas. Su aplicación directa ha demostrado éxito terapeutico en la regeneración ósea, pero puede mejorarse mediante el precondicionamiento por cultivo en condiciones biomiméticas osteoinductoras. El sistema consiste en microesferas de poli(fluoruro de vinilo)/ferrita de cobalto empaquetadas formando un soporte 3D ensamblable. Las microesferas se funcionalizaron con proteínas de la matriz extracelular ósea y se utilizó medio de cultivo osteogénico, replicando señales biofísicas, bioquímicas y geométricas. Las microesferas empaquetadas pueden adaptarse al crecimiento celular y desmontarse fácilmente para el aislamiento y recuperación celular. Las células precondicionadas revelaron un ligero aumento en CD105 y CD90 después de 5 días de cultivo y expresión de RUNX2 aumentada. Se produjo una plataforma 2D similar basada en membranas de separación de fases inducida por no disolventes de poli(fluoruro de vinilo) y compuestos con ferritas de hierro o cobalto. A pesar de la menor constante magnetoestrictiva, las ferritas de hierro tienen menor citotoxicidad. Estas produjeron esferulitas más pequeñas, mayor cristalinidad y porcentajes de estructuras electroactivas relativamente a las ferritas de cobalto. Los cambios fueron mucho menores entre nanopartículas que entre su presencia/ausencia. Las células madre mesenquimales humanas mostraron una pobre adhesión y la estimulación no ha afectado la actividad de la fosfatasa alcalina. Las nanopartículas no influyeron en la adhesión, proliferación o diferenciación celular. Para mejorar las propiedades electroactivas del poli(fluoruro de vinilo), se sometieron membranas de separación de fases no inducidas por disolventes a compresión mecánica a diferentes condiciones. Se observó un aumento en el porcentaje de estructuras electroactivas en todas las condiciones. La morfología de la membrana pasó de muy porosa a completamente sólida sin esferulitas discernibles. También han mejoraron las propiedades mecánicas y la respuesta piezoeléctrica. El tratamiento también se realizó con rodillos para evidenciar el potencial industrial del procedimiento. Las diferencias se observaron principalmente entre muestras tratadas/no tratadas y no entre condiciones. También se realizó en membranas con ferritas de hierro o cobalto, habiendo un mayor efecto en muestras puras que en estas. Los líquidos iónicos magnéticos pueden producir polarización en respuesta a campos magnéticos como los compuestos magnetoeléctricos. Un compuesto de poli(fluoruro de vinilo)/[Bmim][FeCl4] se procesó en microesferas por microfluidica, aumentando las estructuras electroactivas y reduciendo la cristalinidad. El procesamiento se realizó como anteriormente. Opcionalmente, las microesferas se pueden limpiar con disolventes polares o apolares para mantener o eliminar el líquido iónico. Se proceso poli(fluoruro de vinilo) y el líquido iónico magnético [Emim]2[Co(SCN)4] en films con contenidos de 0, 10, 20 y 40% y se cristalizo a distintas temperaturas. El líquido iónico se segregó parcialmente durante la cristalización. El aumento del contenido aumentó la temperatura de cristalización y mostró un efecto dosis dependiente en la inducción de fases electroactivas. Las temperaturas de cristalización más altas aumentaron las temperaturas de fusión. La naturaleza líquida del [Emim]2[Co(SCN)4] permite una eliminación sencilla se necesario. / [CA] En esta tesis, se ha desarrollado un método para la producción microfluídica de microesferas de poli(fluoruro de vinilo) y poli(fluoruro de vinilo)/ferrita de cobalto. Este produce microesferas piezoeléctricas y magnetoeléctricas con alto porcentaje de estructuras electroactivas, sin pos-procesamiento y un mayor control dimensional y eficiencia temporal y material. El método es muy simple y no requiere equipos específicos, haciéndolo viable para la mayoría de laboratorios. Las microesferas se utilizaron para producir un sistema de precondicionamiento osteogénico de células madre mesenquimales humanas. Su aplicación directa ha demostrado éxito terapeutico en la regeneración ósea, pero puede mejorarse mediante el precondicionamiento por cultivo en condiciones biomiméticas osteoinductoras. El sistema consiste en microesferas de poli(fluoruro de vinilo)/ferrita de cobalto empaquetadas formando un soporte 3D ensamblable. Las microesferas se funcionalizaron con proteínas de la matriz extracelular ósea y se utilizó medio de cultivo osteogénico, replicando señales biofísicas, bioquímicas y geométricas. Las microesferas empaquetadas pueden adaptarse al crecimiento celular y desmontarse fácilmente para el aislamiento y recuperación celular. Las células precondicionadas revelaron un ligero aumento en CD105 y CD90 después de 5 días de cultivo y expresión de RUNX2 aumentada. Se produjo una plataforma 2D similar basada en membranas de separación de fases inducida por no disolventes de poli(fluoruro de vinilo) y compuestos con ferritas de hierro o cobalto. A pesar de la menor constante magnetoestrictiva, las ferritas de hierro tienen menor citotoxicidad. Estas produjeron esferulitas más pequeñas, mayor cristalinidad y porcentajes de estructuras electroactivas relativamente a las ferritas de cobalto. Los cambios fueron mucho menores entre nanopartículas que entre su presencia/ausencia. Las células madre mesenquimales humanas mostraron una pobre adhesión y la estimulación no ha afectado la actividad de la fosfatasa alcalina. Las nanopartículas no influyeron en la adhesión, proliferación o diferenciación celular. Para mejorar las propiedades electroactivas del poli(fluoruro de vinilo), se sometieron membranas de separación de fases no inducidas por disolventes a compresión mecánica a diferentes condiciones. Se observó un aumento en el porcentaje de estructuras electroactivas en todas las condiciones. La morfología de la membrana pasó de muy porosa a completamente sólida sin esferulitas discernibles. También han mejoraron las propiedades mecánicas y la respuesta piezoeléctrica. El tratamiento también se realizó con rodillos para evidenciar el potencial industrial del procedimiento. Las diferencias se observaron principalmente entre muestras tratadas/no tratadas y no entre condiciones. También se realizó en membranas con ferritas de hierro o cobalto, habiendo un mayor efecto en muestras puras que en estas. Los líquidos iónicos magnéticos pueden producir polarización en respuesta a campos magnéticos como los compuestos magnetoeléctricos. Un compuesto de poli(fluoruro de vinilo)/[Bmim][FeCl4] se procesó en microesferas por microfluidica, aumentando las estructuras electroactivas y reduciendo la cristalinidad. El procesamiento se realizó como anteriormente. Opcionalmente, las microesferas se pueden limpiar con disolventes polares o apolares para mantener o eliminar el líquido iónico. Se proceso poli(fluoruro de vinilo) y el líquido iónico magnético [Emim]2[Co(SCN)4] en films con contenidos de 0, 10, 20 y 40% y se cristalizo a distintas temperaturas. El líquido iónico se segregó parcialmente durante la cristalización. El aumento del contenido aumentó la temperatura de cristalización y mostró un efecto dosis dependiente en la inducción de fases electroactivas. Las temperaturas de cristalización más altas aumentaron las temperaturas de fusión. La naturaleza líquida del [Emim]2[Co(SCN)4] permite una eliminación sencilla se necesario. / [EN] In this thesis, a method for the microfluidic production of poly(vinyl fluoride) and poly(vinyl fluoride)/cobalt ferrite microspheres was developed. It produced piezoelectric and magnetoelectric microspheres with a high percentage of electroactive structures without further processing, and unparallel dimensional control and improved material, and time efficiency. The method is very simple and does not require specific equipment making it viable for most laboratories. The microspheres were used to produce an osteogenic preconditioning system for human mesenchymal stem cells, whose direct application has proven medical success in bone regeneration. Though, it can be improved by preconditioning by culturing in biomimetic osteogenic inducing conditions. The system consists of packed poly(vinyl fluoride)/cobalt ferrite microspheres packed to form an assemblable 3D scaffold. The microspheres were functionalized with bone extracellular matrix proteins, and osteogenic culture medium was used, replicating biophysical, biochemical, and geometrical cues. Packed microspheres can adapt to cell growth and be easily disassembled for cell isolation and recovery. Preconditioned cells revealed a slight increase in CD105 and CD90 after 5 days of culturing and increased RUNX2 expression. A similar 2D platform was produced based on non-solvent induced phase separation membranes of poly(vinyl fluoride), and compounds with iron or cobalt ferrites. Besides the lower magnetostrictive constant, iron ferrites have lower cytotoxicity. Iron ferrites produced smaller spherulites, increased crystallinity and electroactive structure percentages relative to cobalt ferrites. These changes were much smaller between nanoparticles nature than presence. Human mesenchymal stem cells showed poor adhesion and alkaline phosphatase activity was unaffected by stimulation. The nanoparticles did not influence cell adhesion, proliferation, or differentiation. To improve the electroactive properties of poly(vinyl fluoride), non-solvent induced phase separation membranes were subjected to mechanical at different conditions. An increase in the percentage of electroactive structures was observed for all conditions. Membrane morphology went from highly porous to completely solid without discernible spherulites. Consequently, mechanical properties and piezoelectric response were also improved. The treatment was also performed on rollers to evidence the industrial potential of the procedure. Differences were mainly observed between non-treated and treated samples rather than among conditions It was also performed on membranes with iron or cobalt ferrites, where it had a greater effect on pure than on these. Magnetic ionic liquids can produce polarization in response to magnetic fields, like magnetoelectric compounds. A poly(vinyl fluoride)/[Bmim][FeCl4] compound was effectively processed into microspheres through microfluidics, leading to increased electroactive structures and reduced crystallinity. Processing was performed as previously. Microspheres can be optionally cleaned with polar or apolar solvents to maintain or remove the ionic liquid. Poly(vinyl fluoride) and the magnetic ionic liquid [Emim]2[Co(SCN)4] were processed into films with 0, 10, 20 and 40% contents, and crystallized at distinct temperatures. Ionic liquid was partially segregated during crystallization. Increasing filler content increased crystallization temperature and showed a dose-dependent effect on the induction of electroactive phases. Higher crystallization temperatures increased melting temperatures. [Emim]2[Co(SCN)4] inclusion proved suitable for the enhancement of poly(vinyl fluoride)'s electroactive properties, and its liquid nature enables simple removal when required. / Quero agradecer à Fundação Vasca para a Ciência, ao Ministério para a Ciência e o Desenvolvimento, ao Centro Biomédico de Investigação em Rede e à Fundação para a Ciência e a Tecnologia pelo seu contributo para a conclusão desta tese. Especificamente pelo financiamento dos projetos PID2019-106099RB-C41 e C43 / Ribeiro Martins, LA. (2024). Microfluidic processing of Smart polymers for Tissue Engineering [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/213710