Vertebroplasty (VP) is a surgical procedure used to treat osteoporosis induced vertebral compresion fractures. This procedure involves the injection of bone cement into the porous vertebral body through a cannula. The present thesis has been focused on: a) how to improve the injection and infiltration procedure by numerical simulations and in vitro assays in order to reduce the extravertebral pressure of the injection; and b) to study the influence of trabecular bone microstructure in the intervertebral pressure and characterize the biomechanics of bone tissue infiltrates. In this sense, injectability studies have been performed both analytically and numerically. The simulations and the experimental tests demonstrate that conic cannula requires lower injection pressure than standard cannulas, with constant section. Furthermore, the velocity profiles obtained are optimum to reduce filter-pressing problems of ceramic cements. The results are important because the extravertebral pressure represents more than 95% of the total pressure required in the VP procedure. The study concludes with the realization of four biomedical patented devices that includes a new conic cannula for vertebroplasty and three new mixing/dosing-injection devices. On the other hand, in this thesis, synthetic foams and real trabecular vertebral bone have been characterized and reconstructed in 3D. The histomorphological parameters obtained show that the synthetic foams have different macroporosity as compared to the real bone; in fact, foams are similar to osteoporotic bone. In this sense, 2D and 3D models, obtained from micro tomography images, have been used to characterize the infiltration process of cement-like materials. The evaluation by computational fluid dynamics of the permeability and other fluidic parameters showed that the histomorphometric parameters were highly correlated with the fluidic parameters. This correlation explained the structural differences between the synthetic foams and the real vertebral bone models. A first conclusion is that synthetic foams have similar behavior than osteoporotic vertebrae but are unable to reproduce the anisotropic properties of trabecular bone. In this thesis the method of Voronoi has been used to design novel 3D porous scaffolds to study also the infiltration problems along the new developed structures. The methodology allows the reproduction of the anisotropy of the real trabecular tissue. In this sense, the porosity and the level of trabecular interconnection, as well as the width and trabecular separation, have been studied in relation to both the mechanical and the fluid behavior of the new models. The numerical results confirm the suitability of the new Voronoi scaffolds for both mass transport and mechanical support. In fact, the characteristic high surface area of the new scaffolds should facilitate the adhesion and cell growth; these, to be confirm in future investigations. On the meantime, the results show that the new scaffolds can be used to replace bone defects if fabricated with optimum biomaterials by rapid prototyping techniques. The thesis also presents a study where models with identical porosity have been obtained by two different routes: a) by modifying the trabecular thickness; and b) by eliminating trabeculae units. The results clearly show that the elastic modulus of the porous scaffolds decrease more severely when the "mass bone" loss was related to the loss of trabeculae units as compared to a uniform thinning of the trabeculae units. The thesis highlights the importance of the form adopted by the cement infiltrated inside the porous vertebra in relation to its own mechanical stability. In this sense, the numerical simulations showed that cement vertical infiltration recovers the strength of the vertebra better than cement horizontal infiltration. For this reason, it has been put forward that the use of cannulas with lateral opening and closed distal end is the best option. / La vertebroplastia (VP) es una técnica quirúrgica que se utiliza para tratar fracturas vertebrales. El procedimiento consiste en inyectar con una cánula un cemento óseo en la vértebra dañada para estabilizar sus propiedades. Los estudios desarrollados se han centrado en: a) buscar soluciones para mejorar el procedimiento de inyección e infiltración en vértebra, mediante simulaciones numéricas y ensayos in vitro con el objetivo de reducir la presión de inyección extravertebral (EV); y b) estudiar cómo afecta la microestructura ósea en la presión intravertebral (IV) y caracterizar la biomecánica del tejido óseo infiltrado. Los estudios de inyectabilidad realizados a partir de estudios analíticos, simulaciones numéricas y ensayos experimentales demuestran que las cánulas diseñadas con perfil cónico requieren menor presión de inyección que las cánulas estándar de sección constante ya que presentan un perfil de velocidades que minimiza el filtrado por presión. Los resultados son importantes porque la presión EV supone más del 95% de la presión total requerida en el procedimiento de VP. El estudio finaliza con la realización de 4 patentes de dispositivos biomédicos que incluyen una cánula cónica para VP y 3 sistemas de inyección de cemento que aseguran una mezcla homogénea y minimizan el filtrado por presión. Para estudiar el comportamiento del cemento infiltrado se caracterizaron y reconstruyeron en 3D, en primer lugar, diferentes volúmenes de tejido vertebral y de espumas sintéticas empleadas como sustitutos de hueso osteoporótico. Los parámetros histomorfológicos obtenidos demostraron que las espumas evaluadas presentan características distintas en comparación con el hueso sano pero pueden simular correctamente estructuras de hueso osteoporótico. En este sentido, la obtención de modelos 2D y 3D, a partir de imágenes de tomografía, ha permitido caracterizar mediante dinámica computacional el proceso de infiltración a partir de la evaluación de la permeabilidad y de otros parámetros fluídicos. Los resultados obtenidos mostraron que los parámetros histomorfométricos mantienen elevada correlación con dichos parámetros fluídicos, pudiendo explicar las diferencias estructurales existentes entre las espumas sintéticas y el hueso vertebral. En este sentido, las espumas sintéticas se asemejan a hueso osteoporótico y son incapaces de reproducir la anisotropía característica del hueso trabecular real. En base a los resultados anteriores, se ha desarrollado una metodología de diseño 3D de andamios basada en el método de Voronoi. La metodología reproduce la anisotropía del tejido trabecular real. Los modelos porosos diseñados se han utilizado para evaluar su comportamiento mecánico y de infiltración mediante métodos numéricos. Los resultados confirman la idoneidad de dichos modelos tanto para transporte de masa como de soporte mecánico. De hecho, la gran superficie específica de los nuevos modelos porosos debería facilitar la adhesión y el crecimiento celular. En este sentido, los nuevos modelos podrían ser utilizados como andamios en ingeniería de tejidos. Los nuevos andamios se han diseñado con distinto grado de porosidad modificando el espesor y el ancho trabecular, así como el número de trabéculas. Los resultados computacionales ponen de manifiesto que el módulo elástico y la resistencia de los modelos óseos disminuye de forma más severa cuando la pérdida de "masa ósea" se produce debido a una pérdida en el número de trabéculas activas, en comparación con una situación de adelgazamiento trabecular. Adicionalmente, los estudios demuestran que la forma adoptada por el cemento infiltrado en vértebra influye en la recuperación de su comportamiento mecánico. Las simulaciones indican que una infiltración vertical permite recuperar mejor la resistencia mecánica perdida en comparación con una infiltración horizontal. Todos los resultados obtenidos justifican el empleo de cánulas con aberturas laterales y extremo distal cerrado.

This thesis is a interdisciplinary research in the field of sustainable energy systems with the falsifiable hypothesis "a necessary transition from a society highly dependent on oil to one based on the use of local resources and energies" and its social, economic and technological consequences. Based on the analysis of the social and cultural context of the exploitation of fossil fuels is highlighted as the increased availability of energy, but above all power, allowing socioeconomic growth cycle so that is associated to the idea that "increased energy consumption implies a higher level of social progress". And vice-versa. It generates, thus, a social framework against any proposal of sustainability in the energy field. Thus, the technical possibility of getting more in less time has governed the development of a society to a high level of expertise (e.g. electrical system), and has shaped a specific vision of the world and the relationship between our society and the nature. However, the appearance of limits, both the availability of the resource, such as the sink capacity of ecosystems to absorb wastes, and other externalities such geostrategic conflicts has challenged contemporary society: a transition from energy, but above all power, to non-fossil resources. The complexity and implications of accepting this working hypothesis exceeds the current analysis framework and requires new epistemological approach that fuses sciences and humanities. The thesis analyses in depth the conceptual framework for the energy transition and condensed it in the "Principles of Biological Resources Management" from a biomimetic inspiration, that is, how nature manages the flow of energy, matter and information. A nuclear and significant contribution is the reinterpretation of "Sustainability" based on the confluence of energy flows (energy and power) between ecosystems that sustain the complex life on the Earth, and those flows that we use for our social, cultural and economic activities. The thesis goes from this conceptual point to reality in a technology, social, economic and ecological point of view. The analysis is global and focus in its implications in Catalonia, that supports an impact on about 5% of its GDP to pay fossil fuels imports and its financial consequences. Finally, the results achieved are summarized. "My laboratory, the world", collects the energy field research did in recent years by interacting with different social, political and economic players in energy arena and a prolific communicator activity that allowed to validate the complexity of the energy transition. On the one hand, the development of specific aspects of advanced machinery (from idea to market) inspired by nature for photovoltaic applications and the principles of a micro grid or Biogrid, which provides an innovative vision of the electrical system different to the current vision of smart grids. On the other hand, the dissertation analyses the non-technological barriers (cultural, economic, and especially regulatory) and their impact on energy transition, for example, the access to energy consumption data by citizens. Therefore this thesis sum up the objectives of the doctorate Sustainability, Technology and Humanism, provides a cross-balanced vision of the energy issue and opens new lines of research. Last, but not least, the thesis concludes with a summary of the scientific production based on international patents obtained, articles, proceedings, dissemination and research projects financed by European, state and national programs. / La presente tesis es una investigación transdisciplinar en el campo de los sistemas energéticos sostenibles con la hipótesis, falsable, de una "necesaria transición desde una sociedad altamente dependiente del petróleo a una basada en el aprovechamiento de recursos autóctonos y renovables" y las sus consecuencias sociales, económicas y tecnológicas. Partiendo del análisis del contexto cultural y social de la explotación de los combustibles fósiles se pone de relieve como el incremento de la disponibilidad de energía, pero sobre todo de potencia, permite un ciclo socioeconómico expansivo de modo que se asocia, hasta en nuestros días, la idea de que un mayor consumo de energía implica un mayor nivel de progreso social. Y a la inversa. Generando de esta manera unos marcos de referencia que cuestionan una propuesta sostenibilista en el campo energético. Así, la posibilidad técnica de hacer más cosas cada vez en menos tiempo ha regido el desarrollo de una sociedad hasta un alto nivel de especialización (por ejemplo el sistema eléctrico), y ha forjado la visión específica del mundo y de la relación de nuestra sociedad con la naturaleza. Sin embargo, la aparición de los límites en la disponibilidad del recurso y en la capacidad sumidero de los ecosistemas para absorber los residuos, además de otras externalidades (conflictos geoestratégicos…), ha planteado el reto contemporáneo de mayor envergadura: una transición de energía, pero sobre todo de potencia, hacia recursos no fósiles. La complejidad e implicaciones de aceptar esta hipótesis de trabajo sobrepasa el marco de análisis actual y hace necesaria una incursión en un nuevo campo epistemológico forjado en el pensamiento contemporáneo que fusiona las ciencias y las humanidades. La tesis lo analiza en profundidad y lo concreta en los "Principios Biológicos de Gestión de los Recursos", de inspiración biomimética, es decir, a partir de cómo la naturaleza gestiona los flujos de energía, materia y información. Una aportación significativa y central es reinterpretar la Sostenibilidad a partir de la confluencia de los flujos energéticos (energía y potencia) de los ecosistemas que sostienen la vida compleja en la Tierra y los que empleamos para nuestras actividades sociales, culturales y económicas. Este punto de partida conceptual y sólido se objetiva a nivel tecnológico, social, económico y ecológico. De forma global, pero concretando en sus implicaciones en Catalunya, que dedica ya cerca del 5% de su PIB para importar recursos fósiles, lo que genera tensiones económicas. Y, finalmente "Mi laboratorio, el mundo" recoge la investigación realizada el campo energético en los últimos años interaccionando con diferentes agentes sociales, políticos y económicos del sector y con una prolífica actividad divulgadora que han permitido contrastar la complejidad de la transición energética. Por un lado, aspectos concretos como el desarrollo de maquinaria avanzada (desde la idea al mercado) inspirado en criterios biomiméticos para aplicaciones solares fotovoltaicas y también los principios de diseño de una microrred o biogrid, que aporta una innovadora visión del sistema eléctrico diferenciado a la actual visión de las smart grids a partir de casos prácticos. Por otro, la tesis analiza las barreras no tecnológicas (culturales, económicas y, sobre todo regulatorias) y su impacto en la transición energética, como por ejemplo el acceso de los datos de consumo eléctrico por parte de los ciudadanos. Por todo ello la presente tesis hace suyos los objetivos del programa de doctorado Sostenibilidad, Tecnología y Humanismo, aportando una visión transversal y equilibrada de la cuestión energética y abriendo nuevas líneas de investigación. El trabajo concluye con una recopilación de la producción científica basada en las patentes internacionales obtenidas, artículos, proceedings, acciones de divulgación y proyectos de investigación y desarrollo financiados con proyectos europeos, estatales y nacionales. / La present tesi és una investigació transdisciplinar en el camp dels sistemes energètics sostenibles amb la hipòtesi, falsable, d'una "necessària transició des d'una societat altament dependent de petroli a una basada en l'aprofitament de recursos autòctons i renovables" i les seves conseqüències socials, econòmiques i tecnològiques. Partint de l'anàlisi del context cultural i social de l'explotació dels combustibles fòssils es posa de relleu com l'increment de la disponibilitat d'energia, però sobretot de potència, permet un cicle socioeconòmic expansiu de manera que s'associa, fins als nostres dies, la idea que un major consum d'energia implica un major nivell de progrés social. I a la inversa. Generant, d'aquesta manera uns marcs de referència que qüestionen una proposta sostenibilista en el camp energètic. Així, la possibilitat tècnica de fer més coses cada vegada en menys temps ha regit el desenvolupament d'una societat fins a un alt nivell d'especialització (per exemple el sistema elèctric), i ha forjat la visió específica del món i de la relació de la nostra societat amb la natura. Tanmateix, l'aparició dels límits tant en la disponibilitat del recurs, com de la capacitat embornal dels ecosistemes per absorbir els residus, així com altres externalitats com ara són els conflictes geoestratègics, ha plantejat el repte contemporani de major envergadura: una transició d'energia, però sobretot de potència, cap a recursos no fòssils. La complexitat i implicacions d'acceptar aquesta hipòtesi de treball sobrepassa el marc d'anàlisi actual i fa necessària una incursió en un nou camp epistemològic forjat en el pensament contemporani que fusiona les ciències i les humanitats. La tesi analitza en profunditat aquest marc conceptual per la transició energètica i que condensa en els "Principis Biològics de Gestió dels Recursos", d'inspiració biomimètica, és a dir, a partir de com la natura gestiona els fluxos d'energia, matèria i informació. Una aportació significativa i central és com es reinterpreta la Sostenibilitat a partir de la confluència dels fluxos energètics (energia i potència) dels ecosistemes que sostenen la vida complexa a la Terra i els que emprem per les nostres activitats socials, culturals i econòmiques. Aquest punt de partida conceptual i sòlid s'objectiva a nivell tecnològic, social, econòmic i ecològic. De manera global, però concretant en les seves implicacions a Catalunya que, amb un impacte a prop del 5% del seu PIB per pagar les importacions de recursos fòssils, es troba en dificultats econòmiques i de finançament. I, finalment, es mostren els resultats assolits. "El meu laboratori, el món", recull la recerca feta el camp energètic en els darrers anys interaccionant amb diferents agents socials, polítics i econòmics del sector i amb una prolífica activitat divulgadora que han permès contrastar la complexitat de la transició energètica. D'una banda, aspectes concrets com el desenvolupament de maquinària avançada (des de la idea al mercat) inspirat en criteris biomimètics per aplicacions solars fotovoltaiques i també els principis de disseny d'una microxarxa o biogrid, que aporta una innovadora visió del sistema elèctric diferenciat a l'actual visió de les smart grids a partir de casos pràctics. D'altra, la tesi analitza les barreres no tecnològiques (culturals, econòmiques i, sobretot regulatòries) i el seu impacte en la transició energètica, com per exemple l'accés de les dades de consum elèctric per part dels ciutadans. Per tot això la present tesi fa seus els objectius del programa de doctorat Sostenibilitat, Tecnologia i Humanisme, aportant una visió transversal i equilibrada de la qüestió energètica i obrint noves línies d'investigació. El treball conclou amb un recull de la producció científica basada en les patents internacionals obtingudes, articles, proceedings, accions de divulgació i projectes de recerca i desenvolupament finançats amb projectes europeus, estatals i nacionals.

Hoy día está ampliamente reconocido que la estructura de la matriz de cemento en las proximidades de los áridos, es distinta a la del resto de la pasta, aunque dicha microestructura de la zona interfacial es variable en función de la naturaleza del cemento, del tipo de áridos, de las condiciones de curado, etc. Los estudios de diferentes investigaciones muestran que la formación de la ITZ depende no solo de las propiedades de la pasta sino también de la naturaleza, propiedades físicas y químicas de los áridos empleados. El uso de los áridos reciclados y los estudios de las propiedades de hormigones con áridos reciclados tienen alto interés en todo el mundo y es el tema de muchas investigaciones de los últimos años. Las características y propiedades de la zona de transición tienen gran influencia en una parte de las propiedades del hormigón, especialmente la resistencia, la rigidez y la durabilidad. Explicando los conocimientos existentes sobre la microestructura de hormigón, sobre sus fases, tales como la matriz de pasta de cemento, los áridos y la ITZ, aplicando diferentes métodos de ensayos, como microdureza Vickers, SEM, nanoindentación, se plantea este tesis con el objetivo principal de proporcionar nuevos conocimientos de la microestructura formada y en particular de la ITZ de los hormigones de áridos reciclados, para comprender mejor el comportamiento de este material. Se han realizado una amplia campaña experimental donde se ha estudiado las propiedades de pastas de cemento y morteros con y sin aditivos (superplastificante e inclusor de aire); se ha estudiado y ha comparado la ITZ formada en las pastas de cemento con áridos reciclados de hormigón y reciclados de cerámica y también, la influencia de la humedad del árido reciclado de hormigón. Como referencia se ha estudiado la pasta de cemento con inclusión de árido natural calizo. Finalmente, se ha realizado el análisis y comparación de los resultados obtenidos de los diferentes ensayos realizados durante el estudio. / Today it is highly recognized that the structure of the matrix of the cement paste near of the aggregates is different from the rest of the cement paste, although this microstructure of the interfacial zone (ITZ) is variable according to the nature of the cement, of the type of aggregate, of the conditions of curing, etc. The studies of different investigations show that the formation of the ITZ depends not only on the properties of the cement bulk but also of the nature, physical and chemical properties of the aggregates. The use of the recycled aggregates and the studies of the properties of the recycled concretes have high interest in the whole world and it is the subject of many investigations of last years. The characteristics and properties of the interfacial transition zone have big influence in a part of the properties of the concrete, especially the resistance, the tiffness and the durability. Explaining the existing knowledge on the microstructure of concrete, on its phases, such as matrix of cement paste, the aggregates and the ITZ, applying differences experiments, like micro hardness Vickers, SEM, nanoindentation, this thesis have the main objective to provide new knowledge of the formation of microstructure and in particular of the ITZ en concretes with recycled aggregate, to better understanding of the behavior of this material. During the experimental program were studied the properties of cement paste and mortars with and without additives (superplasticizer and air-entrainment); were compared the formed ITZ in the cement paste with recycled aggregate of concrete and recycled aggregates of ceramics and also was studied the influence of the humidity of the recycled aggregate of concrete. The cement bulk with inclusion of natural lime aggregate was produced, as reference. Finally, have been realized the analysis and comparison of the obtained results of the different experiments realized during the study.

En este trabajo se estudia el uso controlado de las escorias de incineración deresiduos sólidos urbanos (EIRSU) en construcción, en particular en lo que se refiere a lasustitución parcial de áridos naturales para la fabricación de hormigón compactado ygrava-cemento, y la aplicación en un tramo experimental de carretera. Para ello, se hanconsiderado las prestaciones mecánicas, de durabilidad y el impacto ambiental quederivados del empleo de las EIRSU.Para determinar el uso controlado de las EIRSU, primero se realizó un análisiscomparativo entre las EIRSU y los áridos naturales, en lo que respecta a sucaracterización como áridos para hormigón compactado y grava-cemento; esto permitiópredecir los potenciales problemas que presentan las EIRSU en estas matrices.Posteriormente, se determinó la dosificación más apropiada en términos de resistencia ydurabilidad del hormigón compactado y la grava-cemento, fabricados con mezclas deáridos finos de origen natural y EIRSU de la fracción 5-12 mm. Asimismo, dentro de lapresente tesis se realizó el estudio y puesta en obra de un tramo experimental decarretera, en el que se utilizaron las dosificaciones previamente determinadas en ellaboratorio, para reparación de baches, y capas de firmes. El tramo experimental decarretera sirvió para realizar un seguimiento a corto plazo del comportamiento de estosmateriales, con el objetivo de obtener resultados reales del uso de las EIRSU en estetipo de obras. Finalmente, se realizó el estudio del impacto medioambiental que producela utilización del EIRSU en matrices tratadas con cemento (utilizando cemento Pórtlandy áridos finos de origen natural), mediante el análisis de lixiviados.Los estudios citados ponen de manifiesto que las EIRSU de la fracción 5-20mm, son una buena alternativa de reemplazo parcial de áridos naturales para capas defirme de hormigón compactado y grava-cemento, con resistencias mecánicas similares alas exigidas por el Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para el tipo de obrasestudiadas, así como presentan un buen comportamiento ambiental dentro del periodoanalizado en la presente tesis. / This study is focused on the controlled use of municipal solid waste incineration(MSWI bottom ash) for construction, particularly, on the partial substitution of naturalaggregates used for roller-compacted concrete and cement-treated bases manufacture.An experimental track has been constructed. Mechanical and durability behavior havebeen considered, as well as the environmental impact of using MSWI.To determine the controlled use of MSWI, first of all it was carried out acomparative analysis between MSWI and natural aggregates, considering itscharacterization as aggregates for roller-compacted concrete and cement-treated bases;this study allowed to predict the potential problems that MSWI can produce on thesematrices. Afterwards, it was determined the most appropriate design taking into accountthe resistance and durability of both roller-compacted concrete and cement-treated basesmanufactured using a fine natural aggregate and MSWI (the 5-12 fraction) mixture. Inthe present thesis it has also been studied and constructed a road experimental track,using the designs made at laboratory for pothole reparation and pavement layers. Theexperimental track was used to study the short-term behavior of these materials with theobjective to obtain real results of the use of MSWI in this kind of works. Finally it wasmade the environmental impact study caused by the addition of MSWI to cementmatrices (using Portland cement and natural fine aggregates). This study was made bymeans of a lixiviation analysis.The studies before mentioned reveal that 5-20 mm MSWI fraction is a goodalternative to replace partially natural aggregates for rolled-compacted concrete andcement-treated bases pavement layers, provided that they give similar resistances to theones demanded on the Spanish Technical Specifications for the type of works studied.Likewise, they have had a good environmental performance during the period analyzedin this thesis.

This Thesis reports the fabrication and characterization of interfaces based on conducting polymers (CPs), which are designed with at least one dimension in the nanometric scale, for bioapplications such as scaffolds for promoting electro-active tissue regeneration, drug delivery systems or passive ion transport membranes. In particular, the development of such platforms is addressed to overcome CPs limitations without compromising their electrochemical and electrical properties. Special attention is placed on evaluating those properties that are known to determine cell-biointerface interactions (i.e. surface chemistry, topology and mechanical features) in addition to biocompatibility and biodegradability. Concretely, CP-based biointerfaces are designed as ultra-thin free-standing nanomembranes (FsNM), fibrous substrates or electropolymerized interfaces. In the first approach, spin-coating is used to prepare robust and flexible nanofilms by blending a chemically synthesized PTh derivative (P3TMA), which is soluble in THF, CHCl3 and DMSO, with an insulating polymer (i.e. polyester (PE44) or thermoplastic polyurethane (TPU)), which is crucial to provide mechanical integrity to P3TMA. Fully characterization of the resulting FsNM reveals that both systems, P3TMA:PE44 and TPU:P3TMA interfaces, retain features coming from each of the homopolymers: electrochemical activity and electrical response on the one hand, and biodegradability on the other. Moreover, they behave as potent cellular biointerfaces because they are biocompatible, electrobioactive and adequate substrates for type I collagen adsorption. Secondly, P3TMA is further used to obtain hybrid fibrous scaffolds. In this case, polylactic acid (PLA) and a poly-urea derivative (PEU-co-PEA) are chosen as biodegradable polymers. After the optimization of the electrospinning process, a study is carried out to investigate the electrochemical properties (electroactivity and electrostability) of both PLA:P3TMAand PEU-co-PEA:P3TMA hybrid samples, and their bioapplication. P3TMA displays a good doping level, and retains its electrochemical features in the hybrid fibrous samples, which are electroactive and electrostable. Again, P3TMA improves the cellular proliferation of cells cultured on the hybrid fibrous interfaces, thus enabling their use as suitable scaffolds for cell regeneration. Furthermore, PLA:P3TMA 2:1 fibrous interface can perform as a drug-delivery platform since it combines suitable wetting behaviour, biocompatibility and good electrical features. Drug-loaded matrices with TCS, CHX or CIP are antibacterial active, and thus the drug is feasible to be released from the fibrous biointerface by electrical stimulation. Finally, CP-based biointerfaces are prepared by electrochemical polymerization adopting specific strategies. Hence, Omp2a, an outer membrane protein which forms trimeric pores, is entrapped in a poly(N-methylpyrrole) (PNMPy) matrix, preserving its native structure, which ensures its operative and functional state as passive ion channel. Similarly, a bioactive platform is prepared based on the co-electropolymerization of a specially synthesized bis-thienyl monomer, AzbT, which contains carboxyl and Schiff base functionalities, and 2,2':5',2''-therthiophene (Th3). Such interfaces display good optical and electrochemical properties depending on the AzbT:Th3 molar ratio in the electrpolymerization medium. Furthermore, the copolymer with the highest AzbT content shows enhanced cell adhesion and proliferation results, with cells cultured on their surface homogeneously spread. Such behaviour has been interpreted as the combination effect of the minor release of harmful Th3 monomer entrapped into the polymeric matrix and the presence of the AzbT's distinctive groups. / Esta Tesis reporta la fabricación y caracterización de nanointerfaces compuestas por polímeros conductores (CPs) diseñadas para bioaplicaciones. En particular, el desarrollo de dichas plataformas pretende superar las limitaciones de los CPs sin comprometer sus propiedades electroquímicas y eléctricas. Se ha prestado especial atención en evaluar aquellas características que influyen en las interacciones establecidas entre la biointerfaz y sistemas celulares (i.e. propiedades superficiales, morfológicas y mecánicas), además de determinar su biocompatiblidad y biodegradabilidad. Concretamente, las biointerfaces se han diseñado como nanomembranas, sustratos fibrilares o interfaces obtenidas medicante electropolimerización.La primera estrategia emplea la técnica del spin-coating para preparar nanomembranes free-standing (FsNM) flexibles y robustas combinando un derivado de politiofeno sintetizado químicamente (P3TMA), soluble en THF, CHCl3 y DMSO, con un biopolímero convencional (i.e. polyester (PE44) o poliuretano (TPU)). La presencia del polímero aislante es crucial para dotar al CP de integridad mecánica. La caracterización de las FsNM revela que ambos sistemas (P3TMA:PE44 o TPU:P3TMA) retienen las características distintivas de los homopolímeros: actividad electroquímica y eléctrica por un lado, y biodegradabilidad por el otro. Además, muestran elevada biocompatibilidad, electrobioactividad y adecuada respuesta a la adsorción de colágeno tipo I.A continuación, el P3TMA se utiliza para obtener scaffolds fibrilares híbridos combinándolo con poliláctico (PLA) o un derivado de la poliurea. Tras la optimización de los parámetros de síntesis de las fibras (electrospinning), las propiedades electroquímicas (electroactividad y electroestabilidad) de los dos sistemas (PLA:P3TMA y PEU-co-PEA:P3TMA) y su bioaplicación han sido estudiadas. El P3TMA presenta un buen nivel de dopaje, y mantiene una buena respuesta electroquímica (es electroactivo y electroestable) en los sistemas híbridos. De nuevo, la presencia del CP mejora la proliferación celular, lo que permite usar estas biointerfaces como soporte para el crecimiento celular. Asimismo, el sistema PLA:P3TMA puede actuar como plataforma de liberación de medicamentos ya que combina biocompatiblidad, buenas características eléctricas y una apropiada humectabilidad. Las matrices cargadas con medicamentos bactericidas (TCS, CHX o CIP) son activas, y por lo tanto resultarían interfaces adecuadas para la liberación controlada de fármacos mediante estimulación eléctrica. Finalmente, varios sistemas basados en CP han sido diseñados mediante polimerización electroquímica adoptando estrategias concretas para mejorar su aplicación biotecnológica. En primer lugar, Omp2a, una proteína de membrana que forma poros triméricos, se ha inmovilizado en una matriz de poli(N-metilpirrol) (PNMPy). Este método preserva su estructura nativa y asegura su estado operativo y funcional como canal iónico pasivo. De manera similar, una segunda plataforma bioactiva se ha desarrollado mediante la copolimerización de un mónomero que contiene funcionalidades específicas (carboxilos y bases de Schiff) con 2,2’:5’,2’’-therthiophene (Th3). Dichas interfaces presentan buenas propiedades ópticas y electroquímicas en función de la ratio molar de AzbT:Th3 en el medio de polimerización. También, la mejor respuesta de adhesión y proliferación celular se obtiene para el copolímero con el mayor contenido de AzbT, interfaz sobre la cual las células de distribuyen de manera homogénea y completamente estiradas. Dicho comportamiento se ha interpretado como resultado del efecto combinado de (i) una menor liberación del monómero tóxico Th3 de la matriz P(AzbT:Th3) y (ii) una mayor presencia de los grupos distintivos del AzbT.Palabras clave: polímero conductor, compuesto biodegradable, scaffold fibrilar, ingeniería de tejidos, sistemas de liberación de fármacos, biointerfaces funcionales, polimerización electroquímica.

Materials derired from chicken feathers could be used advantageously in composite building material apptications. Such applications could potentially consume the five billion pounds of feathers produced annually as a by-product of the U.E. poultry industry. This study deals with the preparation and characterization of thermoplastic composites using polypropylene (PP), h¡gh density polyethylene (HDPE), ethylene-vinyl acetate (EVA and polylactic acid matrices (PLA) and including whole chicken feathers as reinforcement. The behaviour of the composites was determined in terms of physical and mechanical properties, hare been characterized in order to determinate the optimal manufacturing conditions of temperature, mixing time and mixing speed to acquire the best tensile properties, which were related to the fibre-matrix compatibility analysed by Fourier transfom infrared spectroscopy and scanning electron microscopy. The results harve shown tha the addition of micronized chicken feather (20%) to thermoplastic matrices, increases stiffness and provides a more brittle behavior. Ethylene Vinyl Acetate (EVA) matix also shows the ability of interacting with chicken feather, thus providing better tensile properties (tensile strength and toughness) than PP and HDPE. Optimal manufacturing conditions are obtained with a mixing time around 5 minutes, a mixing speed of 50 rpm and with a temperature values of 160ºC HDPE , 12OºC for EVA and 170ºC for PP. FTIR spectoscopy and SEM micrographs analysis show results that agree with the properties obtained for the tensilee properties of each one of studied composite materials, Furthermore it ¡s observed that the addition of chicken feathers into the thermoplastic matrices results in a slight increase in the stiffness when small amounts of chicken feathers (5-10% vol/vol) were incorporated into the composites. Tensile strength at maximum load, elongation at break and toughness properties decreased when the chicken feather concentation was increased. Results for chicken feaher-polypropylene composites were analogous to chicken feather-high-density polyethylene and chicken feather-polylactic acid composiles. The Fourier transform infrared spectroscopic study and the scanning electron micrographs suggest that the insufficient compatibility of chicken feather and polymer matrices is the main reason for the decrease in tensile properties. We report on the detailed analysis of chemical modifications and strutural changes in the composites, as a result of photodegradation in a Xenon test chamber. / Actualmente, los materiales compuestos de matriz polimérica reforzados con fibras sintéticas han adquirido una importancia significativa en numerosas áreas por sus excelentes propiedades. Sin embargo, el uso de polímeros sintéticos está siendo considerado de una forma más crítica ya que su disposición después de su uso supone un serio problema medioambiental. Debido a la creciente demanda para la utilización de materiales más respetuosos con el medio ambiente y con el objetivo industrial de reducir el coste de las fibras utilizadas tradicionalmente como refuerzo para materiales compuestos, el uso de fibras naturales ha ido ganando importancia durante estos últimos años. En este sentido una de las líneas importantes de investigación es la fabricación de nuevos materiales compuestos biodegradables como una alternativa frente a los polímeros tradicionales. El objetivo del trabajo de mi tesis consiste en obtener y caracterizar nuevos materiales compuestos de menor impacto ambiental cargados con fibras de queratina procedentes de las plumas de pollo. Se pretende la revalorización de este residuo con el objetito de reducir el impacto ambiental del mismo. Para ello, se propone el estudio de la procesabilidad y de las propiedades de los materiales compuestos de matriz termoplástica reforzados con fibras queratínica (F0). Así se utilizarán las matrices termoplásticas de polietileno de alta densidad (HDPE), polipropileno (PP) y Etilo Acetato de vinilo (EVA) como polímeros no biodegradables ya que son las matrices de mayor consumo en la fabricación de materiales compuestos reforzados con fibras naturales. En relación al estudio de las propiedades del material compuesto se propone la realización de una caracterización estructural y mecánica de los materiales compuestos obtenidos. Así mismo, se prepararán y caracterizarán materiales compuestos biodegradables obtenidos utilizando plumas en combinación con una matriz biodegradable de Poli-ácido láctico (PLA). En este sentido, se utilizaron las plumas procedentes de mataderos de pollos, que se lavaron, trituraron y se clasificaron por tamaños de fibras (fibras largas y fibras cortas). Las fibras cortas se clasificaron por tamizado en diferentes categorías de tamaño de partículas de la fibra. Posteriormente, se procedió al mezclado de las fibras con las matrices seleccionadas para diferentes concentraciones de pluma obteniendo el material compuesto. Una vez obtenido el material compuesto se procedió a la determinación de las propiedades físicas, mecánicas, térmicas, morfológicas, de biodegradabilidad y estructurales. Mediante los ensayos físicos se determinaron la densidad, la estabilidad dimensional, mientras que con los ensayos mecánicos de tracción-deformación, se analizaron el Módulo de Young, la resistencia a la tracción, la elongación a rotura y la tenacidad. Con los ensayos termogravimétricos (TGA) se determinaron las temperaturas de degradación de los componentes y se analizó la estabilidad térmica del material compuesto, su morfología y el grado de compatibilidad entre la matriz y el refuerzo mediante observación de la superficie de fractura de las muestras por microscopía electrónica de barrido (SEM). Además, se realizó una caracterización estructural mediante espectroscopia de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR) para estudiar las posibles interacciones químicas entre los componentes del compuesto. Finalmente, se realizó un estudio de envejecimiento de los compuestos en el que se evaluaron sus propiedades después de someter los materiales a un proceso de degradación natural a la intemperie y artificial en cámara de UV (Xenotest).

La difusión de los materiales cerámicos en muchos campos de la industria es amplia y está en fuerte expansión, debido a las excelentes propiedades de estos materiales, ya sean mecánicas, térmicas, tribológicas o biológicas. Sin embargo, su fragilidad intrínseca y falta de fiabilidad limitan una mayor difusión en esas aplicaciones donde se precisa alta resistencia estructural. La producción de composites multilaminares es un camino prometedor para aumentar la fiabilidad de los cerámicos. Los cerámicos multicapa permiten que las propiedades mecánicas sean mejores que las de los componentes, debido a la presencia en la superficie de tensiones residuales de compresión provocadas diferencias de expansión térmica entre las capas.Las aplicaciones óptimas de estos materiales son las que están relacionadas con las propiedades superficiales; por eso la respuesta a las cargas por contacto son especialmente importantes para caracterizar las propiedades mecánicas y para mejorar el diseño de cerámicos composites avanzados.Las técnicas de indentación Hertziana son herramientas muy útiles para estudiar este tipo de carga, que por otro lado es difícil de caracterizar por ensayos mecánico tradicionales. El daño por contacto en materiales frágiles aparece principalmente como grietas anillo en la superficie, que pueden desarrollarse como grietas cono, características de este tipo de carga. Este agrietamiento es perjudicial para la funcionalidad del material, y puede llevar al fallo de la pieza. Las cerámicas tenaces, por otro lado, pueden presentar un daño, cuasi-plástico, que se genera debajo la superficie en forma de microagrietamento, y que es causa de deformación inelástica.En esta tesis, se caracteriza la resistencia al daño por contacto materiales cerámicos en base alúmina, incluyendo todos los aspectos de ese daño, desde la aparición de fisuras superficiales, a la propagación de grietas frágiles en la primera capa y su influencia sobre la resistencia del material, hasta el fallo inducido por carga de contacto. Se comparan medidas experimentales con análisis a los Elementos Finitos de los parámetros involucrados en cada caso, lo que permite formular pautas para una correcta caracterización y diseño de cerámicas multicapas avanzados.Se vio que la presencia de tensiones residuales es efectiva en mejorar la resistencia a la formación de grieta anillo, sea generada por cargas monotónicas, cíclicas o estáticas.La alta resistencia frente a este último tipo de carga revela que existen mecanismos de puenteo intergranular que se oponen a la formación de grietas, lo que era inesperado por el tamaño de grano fino, y que se atribuye a un efecto de grieta corta, comparada con la microestructura. Ensayos cíclicos de larga duración mostraron, por otro lado, que en los materiales multicapas aparece daño superficial más severo que en los monolíticos, lo que sugiere un cambio del daño predominante hacía una degradación superficial producida por cuasi-plasticidad.Las tensiones residuales afectan tanto la longitud como el ángulo de la grieta cono. Se modeló el problema mediante Elementos Finitos y algoritmos de propagación de grieta, lo que permitió predecir el crecimiento de grieta en función tanto de las tensiones residuales, como de otros parámetros microestructurales, y determinar del ángulo de la grieta cono en materiales policristalinos.La respuesta a cargas remotas de materiales indentados, en otras palabras la degradación de la resistencia, se ve afectada por la geometría de la grieta cono, y por otros factores que son consecuencia de la estructura laminar, tales como las tensiones residuales y la redistribución de carga por el desajuste elástico entre capas. Asimismo, la resistencia por contacto, o sea la resistencia a compresión roma localizada, se ve mejorada en materiales laminares, como consecuencia de las tensiones residuales. Sin embargo, se evidenció que existe el riesgo de que se genere tensión elevada en las capas interiores bajo ambos tipos de carga, y se propusieron consideraciones generales sobre el diseño de materiales laminares.En definitiva, se consiguió una caracterización exhaustiva de las propiedades de contacto mecánico de los materiales estudiados, y se amplió y mejoró el conocimiento de la propagación de grieta en materiales frágiles policristalinos. / The use of ceramic materials in many industrial fields is spread and ever-increasing, for their excellent properties, either mechanical, thermal, tribological or biological. However, their intrinsic brittleness and lack of reliability are obstacles to further spreading these materials in applications where structural resistance is required. To build multilayered composite structures is a promising way which aims to increase the reliability of ceramics. As it is common in composite materials, layered materials allow the mechanical properties to be superior to those of the constituent materials, in the studied case due to the presence of compressive residual stress in the surface.The best applications for such materials are those related to the surface properties; for this reason the response to contact loading is especially important to characterize the mechanical properties and to assist in the design of advanced ceramic composites. Hertzian indentation techniques provide a powerful tool to study such type of loading, which is otherwise difficult to characterize with the traditional mechanical testing methodologies. Contact damage in brittle materials appears mainly as surface ring-cracks, which can develop in a characteristic cone crack. Such fissuration is detrimental to the functionality of the material, and can lead to the failure of the component. Tough ceramics often present another type of damage, the so-called quasi-plasticity, generated as subsurface microcracking and which is cause of inelastic deformation.In this thesis, alumina-based ceramic laminates were characterized in their resistance to contact damage in all its aspects, starting from the appearance of surface fissures, to the propagation of brittle cracks in the first layer and its influence on the material strength, to the contact loadinginduced failure. Experimental measurements were coupled with Finite Element analysis of the involved parameters, which assisted in formulating comprehensive guidelines for the correct characterization and the design of advanced multilayered ceramics. The presence of residual stress in ceramic laminates proved to be effective in improving the material resistance to the ring cracking, generated by monotonic, cyclic and longlasting tests.The better resistance to these latter revealed the existence of grain bridging hindering the crack formation, unexpected in fine-grained alumina and which was related to the small crack character of the ring crack. Longer lasting cyclic tests showed that more severe damage appears in the multilayered materials than in the monolithic one, suggesting a modification of the redominant damage mode to quasi-plastic-derived surface degradation.Propagation of long cone cracks is affected by residual stress in both the length and angle. An automatic Finite Element model of crack propagation allowed to predict crack growth as a function of both the extrinsic residual stresses and of microstructural parameters, which helped address the long-open question of the cone crack angle on polycrystalline materials.The response to remote loading of indented materials, in other words the strength degradation, is conditioned by the cone crack geometry, as well as by other factors deriving from the laminated structure, such as the presence of residual stress itself and the load redistribution due to the elastic mismatch between layers. Similarly, the contact strength, i.e. the resistance to local blunt compression, is improved in the composite materials as a consequence of the residual stresses. Nevertheless, the risk of high stress in the lower tensile layers was highlighted for both types of loading and general consideration on the design of laminated materials were proposed.In the overall, a comprehensive characterization of the contact properties of the studied materials was achieved, and the understanding of crack propagation on brittle polycrystalline materials was broadened and improved.

In this research work it has been implemented with the semiconductor characterization, base basically in the thermoelectric structure develop with Skutterudite nanostructures, under different manufacturing process, specially compounds from the type Co-Ni-Sb, by developing and study of its intrinsic characteristics related to thermoelectric properties as the figure of merit, by the use of special design tooling for such purpose, doing analogies of their behavior with classic materials. It is also shown the specific instrumentation. In chapter 1 it is shown the general actual stage of the semiconductor materials use in Thermoelectric and related measurement systems.The chapter 2 has been focus for the introduction of different model series of monomodule and the basic structure of the thermoelectric system with the mainly objective to know the behavior of the pellets and different simulation versions. The continues model base its development in the use of the average parameters taken from different concepts as temperature functions and the semiconductor material. With the utilization of models base in finite elements the software was simplify as a support, as it is much more easier to include parameters in each of the elements that the material is divide.In chapter 3 it has been develop the study of some thermoelectric compounds base in BiTe. It has been develop the characterization of a compound base in (Bi2Te3)1-xy( Sb2Te3)x(Sb2Se3)y that pretends exploit the BiTe characteristics at room temperatures about 300K. Previously it has been develop some theoretical concepts that will explain the different techniques in the development of the thermoelectric materials as the design in 2D quantum well that has multiple advantages regarding the Figure of Merit goals higher than with bulk materials. To finish in chapter 3, it was study a mono-module base in the study materials.In chapter 4 the material Skutterudite has been develop as an experimental base that conform part of this thesis. The Skutterudite system possess basic conditions to obtain a high Figure of Merit Z. The Skutterudite are forming covalent structures with low coordination index between atoms in the big vacuum interact that exist. New compounds can be form from new atoms added in vacuum interact, which implements in the optimization of the thermoelectric characteristics. It has been study Skutterudite solutions base in compounds from type CoSb3-xAsx for temperature ranges up to 700K.In the chapter 5 it was develop few experiments related to the Skutterudite material, prepare with nanotechnology. Is the core of this thesis and has been divide in tree basic experiments. Study of the material Co-Sb with nano-structure. Study of the material Co-Sb were the Co is replace by Ni to study its thermoelectric characteristics and the study of the mono-module constructed with the study materials. It was also study a thermoelectric mono-module according to the thermoelectric study materials. As a main target we have use the type of material CoSb3 (M1), which acts as n material and Zn4Sb3 that works as p material.The obtained results could be the base for the study of the materials also base in CoSb3, but replacing its structure for new elements. The Nb (Niobio), is an element that was study and works as a dope agent type p replacing the Co atoms. The electrical conductivity could be increase in the final compound but some research lines will confirm its well use. Another research task that could lid from this thesis study is the use of thermoelectric structures (thermoelectric devices) base in the material being study.The microprobe tool, has been develop in special way to use as a research tool for the thesis expose. Is a very useful tool that has been use to measure the Seebeck coefficient in the materials, and the electrical conductivity. The microprobe is basically form by heated test point that is positioned over a sample device. The end of the pointer is connected to a thermocouple normally type T, Cu-CuNi ; that measures the temperature call T1. The sample is always place over a good electrical and thermal contact, which is also connected to a thermocouple to measure the temperature T0. By the combination the wires Cu-Cu and CuNi-CuNi, from the thermocouples it is possible to obtain the voltage that will be name U0 and U1 that are well process to obtain the Seebeck coefficient. / En este trabajo de investigación se ha implementado la caracterización del semiconductor en la que se basa la estructura termoeléctrica desarrollada con Skutterudites nanoestructuradas bajo diferentes procesos de fabricación, en concreto compuestos del tipo Co-Ni-Sb, realizando un estudio de sus características intrínsecas relacionadas con las propiedades termoeléctricas como es la figura de mérito mediante herramientas diseñadas para ese propósito haciendo analogías con el comportamiento de materiales clásicos. También se muestra el desarrollo de instrumental específico.El capítulo 2 se ha dedicado a la presentación de una serie de modelos del monomódulo y de la estructura básica del sistema termoeléctrico con el objetivo de conocer el comportamiento del pellet ante diferentes visiones de simulación. El modelo continuo basa su desarrollo en la utilización de los parámetros medios tomados desde diferentes concepciones en función de la temperatura y sobre todo el material semiconductor. Con la utilización de modelos basados en elementos finitos se simplifica la realización de software de soporte ya que es relativamente más fácil introducir parámetros en cada uno de los elementos en que se divide el material.En el capítulo 3 se ha desarrollado el estudio de algunos compuestos termoeléctricos basados en el BiTe. Se ha realizado la caracterización de un compuesto basado en (Bi2Te3)1-x-y(Sb2Te3)x(Sb2Se3)y que intenta explotar las características del BiTe a temperaturas ambientales (sobre 300K). Previamente se ha desarrollado una serie de conceptos teóricos que explican diferentes técnicas en el desarrollo de materiales termoeléctricos como el diseño en 2D quantum well que conlleva multitud de ventajas en cuanto se consiguen figuras de mérito superiores que en bulk. Por último, en el capítulo 3 se ha estudiado un monomódulo en base a los materiales estudiados.En el capítulo 4 se ha desarrollado el material Skutterudite como base en la experimentación que forma la parte esencial de esta tesis. El sistema Skutterudite posee las condiciones básicas para obtener una figura de mérito Z alta. Las Skutterudites forman estructuras covalentes con bajo índice de coordinación entre los átomos que la constituye lo que contribuye a la posible incorporación de nuevos átomos en el gran vacío intersticial que existe. Nuevos compuestos se pueden formar a partir de nuevos átomos incorporados en el vacío intersticial lo que contribuye en la optimización de las características termoeléctricas. Se han estudiado soluciones de Skutterudites basadas en compuestos del tipo CoSb3-xAsx para temperaturas hasta 700K.En el capítulo 5 se han desarrollado varios experimentos en relación con material Skutterudite preparado mediante nanotecnología. Constituye el núcleo de esta tesis y se divide en tres experimentos básicos: -Estudio del material Co-Sb con nanoestructura. - Estudio del material Co-Sb nanoestructurado en donde parte del Co se sustituye por Ni para estudiar sus características termoeléctricas. -Estudio de un monomódulo constituido en base a los materiales estudiados. En concreto el material tipo CoSb3 (M1) que actúa de material tipo n y el Zn4Sb3 que actúa como el material de tipo p.Los resultados que se han obtenido pueden ser la base para el estudio de materiales también basados en el CoSb3 , pero con la sustitución de su estructura por nuevos elementos. El Nb (Niobio), es un elemento investigado y actúa como dopante de tipo p sustituyendo a átomos de Co. La conductividad eléctrica es factible de ser incrementada en el compuesto final, aunque futuras líneas de investigación confirmarán su utilidad. Otra línea de investigación que se podría derivar a partir del estudio realizado en esta tesis es la realización de estructuras termoeléctricas (células termoeléctricas) basadas en el material estudiado.La herramienta microprobe se ha desarrollado de forma especial para la realización de la investigación expuesta en esta tesis. Es una herramienta que ha servido para medir de forma espacial el coeficiente de Seebeck y la conductividad eléctrica esencialmente. Microprobe consiste básicamente en una punta de prueba calentada que es posicionada sobre la superficie de una muestra. La punta es conectada a un termopar (normalmente de tipo T, Cu-CuNi) que mide la temperatura que se llamará T1. La muestra siempre se pone sobre un buen contacto eléctrico y térmico que también se conecta a un termopar midiéndose la temperatura T0. Combinando los cables (Cu-Cu) y (CuNi-CuNi) de los termopares es posible obtener las tensiones que se llamarán U0 y U1 que son procesadas adecuadamente para obtener el coeficiente de Seebeck.

This dissertation is a research about the mechanical behavior of the human esophagus. This work is intended to be applied in the treatment of stenosis and other esophageal diseases that frequently require a procedure of forced dilation, that involves high pressures on the esophagus wall. This study proposes a constitutive model to simulate forced dilatations. This study includes the experimental characterization of the mechanical behavior of human esophagus. In addition, some theoretical questions and experimental issues were addressed and solved. This dissertation summarizes the previous work on esophageal tissues by other authors. Additionally, a short explanation about the microcontinuum theory developed in the last decades is given, as well as a summary of the general theory of nonlinear hyperelastic constitutive models (with large deformation). This study required extensive testing of esophageal tissue in order to characterize the in vitro mechanical behavior. The testing included mainly tensile tests and complementary inflation tests. Optical motion track analysis was used for accurate computation of the strains in the tissue. The results of the tests were used for adjusting the mechanical properties that characterize the mechanical behavior of esophagus in the proposed models of the literature. The statistical analysis of the data revealed, some significant correlations between anthropometric factors, such as the body mass index, and some mechanical properties were found in the analysis of the data. The typical values of the mechanical properties were used to perform some numerical finite element simulations based on the proposed models. In addition, a number of theoretical results were obtained concerning the residual stress and the predictions of statistical mechanics for a system of collagenous fibers inside a soft tissue. The main result is a constitutive non-linear microstretch anisotropic hyperelastic constitutive model with large deformations (and with residual stresses) to characterize the multi-layered tissue of human esophagus. This model is suitable for numerical simulation. / Esta tesis es una investigación sobre el comportamiento mecánico del esófago humano. Este trabajo se pensó para ser aplicado al tratamiento de la estenosis y otras afecciones esofágicas que, con frecuencia, requieren dilatación forzada, lo que supone altas presiones sobre la pared esofágica. Este estudio propone un modelo constitutivo para simular estas dilataciones forzadas. Este estudio incluye la caracterización experimental del comportamiento mecánico del esófago. Además, se han planteado algunas cuestiones teóricas y experimentales que han sido resueltas. Esta tesis resume el trabajo previo sobre tejido esofágico de otros investigadores. Además, se da una pequeña explicación sobre la teoría del medio microntinuo desarrollada en las últimas décadas y un breve resumen de la teoría general de modelos constitutivos hiperelásticos no-lineales (con grandes deformaciones). El estudio requirió experimentación de tejido para caracterizar el comportamiento in vitro. Los test incluyeron test de tracción y test de inflado. Se empleó rastreo óptico para un cálculo adecuado de la deformación. Los resultados de los test permitieron encontrar las propiedades mecánicas según dos modelos de esófago de la literatura. El análisis de los datos rebeló, algunas correlaciones significativas entre factores como el índice de masa corporal y algunas propiedades mecánicas. Los valores típicos de las propiedades fueron usados para algunas simulaciones numéricas basadas en los modelos propuestos. Además se han obtenido algunos resultados teóricos sobre la tensión residual y las predicciones de la mecánica estadística para un sistema de fibras de colágeno del tejido. El principal resultado es un modelo constitutivo de microestiramiento anisótropo no-lineal e hiperelástico para caracterizar el esófago Este modelo es adecuado para la computación numérica.

Cementitious materials such as mortar or concrete are brittle and have an inherent weakness in resisting tensile stresses. The addition of discontinuous fibers to such matrices leads to a dramatic improvement in their toughness and remedies their deficiencies. It is generally agreed that the fibers contribute primarily to the post-cracking response of the composite by bridging the cracks and providing resistance to crack opening. On the other hand, the multifield theory is a mathematical tool able to describe materials which contain a complex substructure. This substructure is endowed with its own properties and it interacts with the macrostructure and influences drastically its behavior. Under this mathematical framework, materials such as cement composites can be seen as a continuum with a microstructure. Therefore, the whole continuum damage mechanics theory, incorporating a new microstructure, is still applicable. A formulation, initially based on the theory of continua with microstructure Capriz, has been developed to model the mechanical behavior of the high perfor-mance fiber cement composites with arbitrarily oriented fibers. This formulation approaches a continuum with microstructure, in which the microstructure takes into account the fiber-matrix interface bond/slip processes, which have been recognized for several authors as the principal mechanism increasing the ductility of the quasi-brittle cement response. In fact, the interfaces between the fiber and the matrix become a limiting factor in improving mechanical properties such as the tensile strength. Particularly, in short fiber composites is desired to have a strong interface to transfer effectively load from the matrix to the fiber. However, a strong interface will make difficult to relieve fiber stress concentration in front of the approaching crack. According to Naaman, in order to develop a better mechanical bond between the fiber and the matrix, the fiber should be modified along its length by roughening its surface or by inducing mechanical defor-mations. Thus, the premise of the model is to take into account this process considering a micro field that represents the slipping fiber-cement displacement. The conjugate generalized stress to the gradient of this micro-field verifies a balance equation and has a physical meaning. This contribution includes the computational modeling aspects of the high fiber rein-forced cement composites (HFRCC) model. To simulate the composite material, a finite element discretization is used to solve the set of equations given by the multifield approach for this particular case. A two field discretization: the standard macroscopic and the micro-scopic displacements, is proposed through a mixed finite element methodology. Furthermore, a splitting procedure for uncoupling both fields is proposed, which provides a more convenient numerical treatment of the discrete equation system. The initiation of failure in HPFRCC at the constitutive level identified as the onset of strain localization depends on the mechanical properties of the all compounds and not only on the matrix ones. As localization criteria is considered the bifurcation analysis in combination with the localized strain injection technique presented by Oliver et al. It consists of injecting a specific localization mode during the localization stage, via mixed finite element formulations, to the path of elements that are going to capture the cracks, and, in this way, the spurious mesh orientation dependence is removed. Model validation was performed using a selected set of experiments that proves the via-bility of this approach. The numerical examples of the proposed formulation illustrated two relevant aspects, namely: 1) the role of the bonding mechanism in the strain hardening be-havior after cracking in the HPFRCC and 2) the role that plays the finite element formulation in capturing the displacement localization in the localization stage.