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<p>Hydrated portland cement provides the solid adhesive matrix necessary to bind aggregate (sand and gravel) into concrete. The hydration reaction requires water, however the products of the reaction limit further diffusion of water to unreacted cement. Superabsorbent polymer (SAP) hydrogel particles absorb mixing water, then subsequently desorb when the relative humidity drops, serving as internal water reservoirs within the cement matrix to shorten diffusion distances and promote the hydration reaction in a process called internal curing. Internally cured cementitious mixtures exhibit an increased degree of hydration and reduced shrinkage and cracking, which can increase concrete service life. Increased service life can, in turn, reduce overall demand for portland cement production, thereby lowering CO2 emissions.</p> <p>This dissertation addresses practical implementation questions key to the translation of SAP hydrogel internal curing technology to from the benchtop to the field in transportation applications, including: (1) What effects do mix design adjustments made to increase mixture flow when using SAP have on cementitious mixture properties? and (2) What effect do cementitious binder characteristics have on SAP performance?</p> <p>The addition of SAP to a cementitious mixture changes the mixture’s flow behavior. Flow behavior is an important aspect of concrete workability and sufficient flow is necessary to place well consolidated and molded samples. Often, additional water is added to mixtures using SAP to account for the absorbed water, however cementitious mixture workability is often tuned using high range water reducing admixtures (e.g., polycarboxylate ester-based dispersants). Fresh and hardened properties of mortars were characterized with respect to flow modification method (using the mortar flow table test; compressive strength at 3, 7, and 28 days; flexural strength at 7 and 28 days; and microstructural characterization of 28-day mortars). At typical doses, it was found that the addition of extra water lowers the resulting compressive and flexural strength, while high range water reducing admixtures administered at doses to achieve sufficient mortar flow did not compromise compressive or flexural strength.</p> <p>The SAPs used in cement are generally poly(acrylamide-acrylic acid) hydrogels and are not chemically inert in high ionic-load environments, such as cement mixtures. The behavior of an industrial SAP formulation with characterized across five different cement binder compositions with respect the cement hydration reaction (using isothermal calorimetry, thermogravimetric analysis of hydration product fraction, and scanning electron microscopy (SEM)/energy dispersive x-ray spectroscopy (EDS) microstructural analysis), the absorption behavior of the SAP, and the fresh and hardened properties of SAP-cement composites (mortar flow and compressive and flexural strength). The change in properties induced by the addition of SAP was similar across ASTM Type I cements from three manufacturing sources, suggesting that SAP internal curing can be implemented predictably over time and geography. Excitingly, in analysis of cement systems meeting different ASTM standards (Type III and Type I with 30% replacement by mass with ground blast furnace slag), synergistic and mitigating reaction behaviors were observed, respectively, in Type III and slag cement, suggesting that further study of SAP with these cement systems could be of particular interest.</p>

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La gélification est un phénomène courant dans lequel une grande quantité de solvant est immobilisée dans un réseau constitué de relativement petites quantités de substrat. Avec des propriétés à la fois solides et liquides, un gel est un état unique. L'étude des propriétés et du mécanisme de la gélification attire l'attention des chercheurs du monde entier. Cependant, de nombreuses questions restent en suspens, telles que le processus d'auto-assemblage et les interactions moléculaires dans le système de gel, la relation entre les solutions, les gels et les cristaux et l'organisation moléculaire dans le réseau de gel. L'exploration de ces questions fournira des connaissances sur le mécanisme de gélification et contribuera à la conception et à la fabrication de nouveaux gels aux applications diverses. Cette thèse décrit notre étude des gels et de leur relation avec les solutions et les cristaux à l'aide de sels biliaires, qui sont des molécules amphiphiles naturelles abondantes. La rigidité de la partie stéroïde et l'hydrophobie variable des sels biliaires facilitent l'étude du processus d'autoassemblage. La recherche est présentée à travers trois articles publiés ou soumis au cours de mon programme de doctorat. Le premier article explore les interactions moléculaires qui se produisent dans la formation d'hydrogels moléculaires fabriqués à partir de mélanges de désoxycholate de sodium et d'acide formique. La spectroscopie de résonance magnétique nucléaire fournit de nouvelles informations sur la transition gel-sol au niveau moléculaire, l'interaction entre les espèces libres/gélifiées et l'interaction des régions hydrophobes des sels biliaires avec le réseau de gel. Le deuxième article résume notre exploration de la relation entre les gels et les cristaux, en particulier la façon dont les composants moléculaires sont organisés. Les sels d'ammonium d'acide lithocholique produisent différents modèles d'auto-assemblage, tels que des gels, des fibres et des cristaux, avec divers anions d'ammonium. L'organisation moléculaire de l’acide lithocholique dans différentes conditions est remarquablement cohérente, indiquant qu'il existe une relation intime entre la gélification et la cristallisation dans ce système. Les résultats ont également mis en lumière la question de longue date de l'agencement des molécules dans les fibres de gel. Le troisième article décrit notre étude systématique de la gélification et de la cristallisation en utilisant une gamme plus large de sels biliaires. Généralement, avec l'augmentation de iii l'hydrophobie des sels biliaires, la préférence pour la formation de solutions est progressivement remplacée par une tendance à produire des gels et finalement des cristaux. Une association bord à bord d'anions biliaires est également observée dans différents types de sels biliaires. Les résultats renforcent notre conclusion selon laquelle les structures moléculaires internes des fibres dans les gels et dans les cristaux sont étroitement liées. / Gelation is a common phenomenon in which a large amount of solvent is immobilized in a network made up of relatively small amounts of substrate. With properties of both solid and liquid, a gel is a unique state. Gelation draws attention from researchers worldwide to study its properties and mechanism. However, many questions are still unraveled, such as the self-assembly process and molecular interactions in the gel system, the relationship between solutions, gels, and crystals, and the molecular organization in the gel network. Exploring these questions will provide knowledge about the mechanism of gelation and contribute to the design and fabrication of new gels for different applications. This thesis describes our study of gels and their relationship with solutions and crystals using bile salts, which are abundant natural amphiphiles. The rigid steroid moiety and the variable hydrophobicity of the bile salts facilitate the study of the self-assembly process. The research is presented through three articles published or submitted during my Ph.D. program. The first paper probes the molecular interactions that occur in the formation of molecular hydrogels made from mixtures of sodium deoxycholate and formic acid. Nuclear magnetic resonance spectroscopy provides new information about the gel-sol transition on the molecular level, the interaction between free/gelated species, and the interaction of hydrophobic regions of bile salts with the gel network. The second paper summarizes our exploration of the relationship between gels and crystals, especially how the molecular components are organized. Ammonium salts of lithocholic acid produce different patterns of self-assembly, such as gels, fibers, and crystals, with various ammonium anions. The molecular organization of lithocholates under different conditions is remarkably consistent, indicating that there is an intimate relationship between gelation and crystallization in this system. The results also shed light on the long-existing question of how molecules are arranged in gel fibers. The third paper describes our systematic study of gelation and crystallization using a broader range of bile salts. Generally, with increasing hydrophobicity of the bile salts, the preference to form solutions is gradually superseded by a trend to produce gels and finally crystals. An edge-to-edge association of bile anions is also observed in different kinds of bile salts. The results strengthen our conclusion that the internal molecular structures of fibers in gels and in crystals are closely related.

Das Verständnis natürlicher biologischen Materialien für die Entwicklung neuer biomimetischer Materialien ist von großem Interesse in der Chemie und den Materialwissenschaften. In vielen komplexen biomolekularen Materialien ist die Etablierung der Struktur-Funktionsbeziehungen von Proteinbausteine notwendig, um die Eigenschaften der daraus aufgebauten weichen, biologischen Materialien zu verstehen, wie z. B. die extrazelluläre Matrix. Inspiriert durch bekannte Faltungsmotive von ECM-Proteinen, wurden vereinfachte Modellpeptide entwickelt, um deren Funktion zu untersuchen oder diese als biomimetische Bausteine für synthetische Biomaterialien zu verwenden. Ziel dieser Arbeit war die Synthese von hybriden Hydrogelen, die aus einem synthetischen Polymer und ECM-inspirierten Modellpeptiden zusammengesetzt sind. Insbesondere Kollagen-mimetische Peptide und Coiled-Coil-formende Peptide wurden benutzt, um das biokompatible und hydrophile Polymer Polyethyleneglykol zu vernetzen. Dabei wurde von der Fähigkeit dieser Peptide zur dynamischen Selbstassemblierung Gebrauch gemacht. Unter Verwendung von Kollagen-mimetischen Peptiden mit langsamer Dissoziationskinetik wurden Hydrogele synthetisiert, die weichen, glasartigen Materialien mit einem gestauchten exponentiellen Relaxationsverhalten entsprechen und auch einen Alterungsprozess zeigen. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass Netzwerkkonnektivität ein bis dato selten gebrauchter Designparameter ist, um die rheologischen Eigenschaften von Hydrogelen nach Wunsch zu kontrollieren. Die Kombination molekular einstellbarer Vernetzer mit einem Fluoreszenz-Reportersystem, welches deren Zustand auslesen kann, kann detaillierte Einblicke in das Reaktionsvermögen solcher Netzwerke auf mechanische Stimuli ermöglichen. Das Verständnis molekularer Prozesse erlaubt langfristig die Synthese von ECM-inspirierten Biomaterialien, deren Eigenschaften nach Wunsch einstellbar sind und die selbst ihren mikroskopischen und mesoskopischen Zustand anzeigen. / Understanding natural biological materials for the development of novel biomimetic materials has drawn enormous attention from the areas of chemistry and material science. In many complex biomolecular materials, establishing molecular structure-function relationships of proteins forms the basis for understanding the emerging properties of various biological soft materials, such as the extracellular matrix (ECM). Inspired by common association motifs of ECM proteins, simplified model peptides have been developed for functional studies and as biomimetic building blocks for synthetic biomaterials. The aim of this thesis was to utilize ECM-inspired and molecularly controlled model peptides for the synthesis of peptide-polymer hybrid hydrogels. Specifically, collagen-mimetic peptides (CMPs) and coiled coil (CC)-forming peptides were utilized to crosslink the biocompatible and hydrophilic polymer poly(ethylene glycol) (PEG), making use of the ability of these peptides to dynamically self-assemble. Employing CMPs with slow dissociation kinetics, hydrogels have been synthesized that resemble soft glassy materials with compressed exponential relaxation and aging. Furthermore, network connectivity has been shown to be an underutilized design parameter for tuning the rheological properties of hydrogels. Combining molecularly controlled crosslinks with a fluorescence reporter system that allows to read out crosslink status will ultimately allow for more detailed insights into the response of such networks to mechanical perturbation and thus aid the synthesis of ECM-inspired biomaterials with tunable and self-reporting properties.

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[ES] La constante evolución de la tecnología y la búsqueda de nuevas aplicaciones que mejoren la vida de las personas ha llevado a la incorporación de estas tecnologías en el organismo. Las redes inalámbricas de área corporal (WBAN) son un buen ejemplo de esto, que consisten en redes de comunicaciones ubicadas en el propio cuerpo, tanto en la superficie como implantadas en su interior mediante el uso de dispositivos inalámbricos. Estas redes utilizan el cuerpo humano como medio de transmisión, por lo que debe evaluarse la influencia del mismo sobre la propagación. Además, las nuevas generaciones de comunicaciones móviles se están moviendo hacia el uso de frecuencias cada vez más altas, como las ondas milimétricas, que son más sensibles a la presencia de cualquier objeto en el entorno, incluidos los humanos. La investigación y el diseño de antenas y dispositivos que tengan en cuenta el cuerpo humano requiere pruebas en el entorno donde se supone que deben usarse. Los fantomas se convierten en una herramienta para evaluar la transmisión de señales electromagnéticas en un medio equivalente al cuerpo para evitar la experimentación en humanos o animales. Además de eso, se puede estudiar la influencia de estas ondas electromagnéticas sobre los propios tejidos en cuanto a la tasa de absorción específica (SAR). / [CA] L'evolució constant de la tecnologia i la recerca de noves aplicacions que milloren la vida de les persones ha portat a la incorporació d'aquestes tecnologies en l'organisme. Les xarxes sense fils d'àrea corporal (WBAN) són un bon exemple d'açò, que consisteixen en xarxes de comunicacions ubicades al propi cos, tant en la superfície com implantades en el seu interior mitjançant l'ús de dispositius sense fils. Aquestes xarxes empren el cos humà com a medi de transmissió, per la qual cosa se n'ha d'avaluar la influència sobre la propagació. A més, les noves generacions de comunicacions mòbils s'estan movent cap a l'ús de freqüències cada vegada més altes, com les ones mil·limètriques, que són més sensibles a la presència de qualsevol objecte en l'entorn, incloent-hi els humans. La investigació i el disseny d'antenes i dispositius que tinguen en compte el cos humà requereix proves en l'entorn on se suposa que han d'usar-se. Els fantomes esdevenen una eina per a avaluar la transmissió de senyals electromagnètics en un medi equivalent al cos per tal d'evitar l'experimentació en humans o animals. A més d'això, es pot estudiar la influència d'aquestes ones electromagnètiques sobre els teixits mateixos en relació amb la taxa d'absorció específica (SAR). / [EN] The constant evolution of technology and the search for new applications that improve people's lives has led to the arrival of the incorporation of these technologies in the organism. Wireless body area networks (WBANs) are a good example of this, consisting of communications networks located in the body itself, both on the surface and implanted inside it through the use of wireless devices. These networks use the human body as the transmitting medium, so its influence over the propagation has to be assessed. Besides, new generations of mobile communications are moving towards the use of higher frequencies, as the millimetre waves, which are more sensitive to the presence of any object in the environment, including humans. The research and design of antennas and devices that take into account the human body requires testing in the environment where these are supposed to be used. Phantoms become a tool for evaluating the transmission of electromagnetic signals in a body-equivalent medium in order to avoid experimentation on humans or animals. In addition to that, the influence of these electromagnetic waves over the tissues themselves can be studied with regard to the specific absorption rate (SAR). / This thesis has been possible thanks to the funding contribution of the Universitat Polit`ecnica de Val`encia through the PAID-01-16 programme. This work was also supported by the UPV-IIS La Fe programme (STUDER, 2016 and EMOTE, 2017). The research stay was supported by the European Union’s Erasmus+ funding programme under a traineeship grant. / Castelló Palacios, S. (2019). Wideband Electromagnetic Body Phantoms for the Evaluation of Wireless Communications in the Microwave Spectrum [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/132182

Les hydrogels de polysaccharide sont des biomatériaux utilisés comme matrices à libération contrôlée de médicaments et comme structures modèles pour l’étude de nombreux systèmes biologiques dont les biofilms bactériens et les mucus. Dans tous les cas, le transport de médicaments ou de nutriments à l’intérieur d’une matrice d’hydrogel joue un rôle de premier plan. Ainsi, l’étude des propriétés de transport dans les hydrogels s’avère un enjeu très important au niveau de plusieurs applications. Dans cet ouvrage, le curdlan, un polysaccharide neutre d’origine bactérienne et formé d’unités répétitives β-D-(1→3) glucose, est utilisé comme hydrogel modèle. Le curdlan a la propriété de former des thermogels de différentes conformations selon la température à laquelle une suspension aqueuse est incubée. La caractérisation in situ de la formation des hydrogels de curdlan thermoréversibles et thermo-irréversibles a tout d’abord été réalisée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR) en mode réflexion totale atténuée à température variable. Les résultats ont permis d’optimiser les conditions de gélation, menant ainsi à la formation reproductible des hydrogels. Les caractérisations structurales des hydrogels hydratés, réalisées par imagerie FT-IR, par microscopie électronique à balayage en mode environnemental (eSEM) et par microscopie à force atomique (AFM), ont permis de visualiser les différentes morphologies susceptibles d’influencer la diffusion d’analytes dans les gels. Nos résultats montrent que les deux types d’hydrogels de curdlan ont des architectures distinctes à l’échelle microscopique. La combinaison de la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) à gradients pulsés et de l’imagerie RMN a permis d’étudier l’autodiffusion et la diffusion mutuelle sur un même système dans des conditions expérimentales similaires. Nous avons observé que la diffusion des molécules dans les gels est ralentie par rapport à celle mesurée en solution aqueuse. Les mesures d’autodiffusion, effectuées sur une série d’analytes de diverses tailles dans les deux types d’hydrogels de curdlan, montrent que le coefficient d’autodiffusion relatif décroit en fonction de la taille de l’analyte. De plus, nos résultats suggèrent que l’équivalence entre les coefficients d’autodiffusion et de diffusion mutuelle dans les hydrogels de curdlan thermo-irréversibles est principalement due au fait que l’environnement sondé par les analytes durant une expérience d’autodiffusion est représentatif de celui exploré durant une expérience de diffusion mutuelle. Dans de telles conditions, nos résultats montrent que la RMN à gradients pulsés peut s’avérer une approche très avantageuse afin de caractériser des systèmes à libération contrôlée de médicaments. D’autres expériences de diffusion mutuelle, menées sur une macromolécule de dextran, montrent un coefficient de diffusion mutuelle inférieur au coefficient d’autodiffusion sur un même gel de curdlan. L’écart mesuré entre les deux modes de transport est attribué au volume différent de l’environnement sondé durant les deux mesures. Les coefficients d’autodiffusion et de diffusion mutuelle similaires, mesurés dans les deux types de gels de curdlan pour les différents analytes étudiés, suggèrent une influence limitée de l’architecture microscopique de ces gels sur leurs propriétés de transport. Il est conclu que les interactions affectant la diffusion des analytes étudiés dans les hydrogels de curdlan se situent à l’échelle moléculaire. / Polysaccharide hydrogels are biomaterials used as controlled drug delivery matrices and serve as model scaffolds for the study of many biological systems like bacterial biofilms and mucus. In every case, the transport of drugs or nutriments across a hydrogel matrix is of prime importance. Therefore, the study of transport properties in hydrogels is an important issue for many fields of application. In this work, curdlan, a neutral bacterial polysaccharide made of β-D-(1→3) glucose repeating units, is used as a model hydrogel. Aqueous suspensions of curdlan can form thermogels of different conformations depending on the incubation temperature. In situ characterization of the preparation of thermo-reversible (low-set) and thermo-irreversible (high-set) curdlan hydrogels was first carried out using variable temperature attenuated total reflection (ATR) Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR). The results allowed optimization of the gelling conditions leading to reproducible gel samples. Structural characterization of fully hydrated hydrogels, carried out by FT-IR imaging, environmental scanning electron microscopy (eSEM) and atomic force microscopy (AFM), allowed visualization of the different gel morphologies susceptible of influencing the diffusion of analytes in hydrogels. Our results show that both types of curdlan hydrogels have distinct microscopic architectures. The combination of pulsed field gradient (PFG) nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and NMR profiling allowed the study of self-diffusion and mutual diffusion on the same hydrogel system in similar experimental conditions. We showed that the diffusion of analytes in the gels is slower than in the aqueous solution. The diffusion experiments, carried out on a series of analytes of various sizes in both types of curdlan gels, show a decrease of the relative self-diffusion coefficient as a function of the analyte size. In addition, our results suggest that the equivalence between the self-diffusion and mutual-diffusion coefficients measured in the high-set curdlan gels is mainly due to the fact that the environment probed by the analytes during a self-diffusion experiment is representative of the one probed during a mutual-diffusion experiment. In such conditions, our results show that PFG NMR may present a valuable approach for the characterization of controlled drug release systems. Additional experiments show that the mutual-diffusion coefficient of dextran macromolecules is smaller than its self-diffusion coefficient in the same curdlan hydrogel. The difference between both transport rates is attributed to the different environment volumes probed by the analytes during the measurements. The similarities observed between the self-diffusion and mutual-diffusion coefficients, measured in both types of curdlan gels for all investigated analytes, suggest a limited influence of the microscopic gel architecture on its transport properties. It is therefore concluded that the interactions affecting the diffusion of the investigated analytes in the curdlan hydrogels lie at the molecular scale.

S’han dipositat capes primes d’hidrogel per tal de modificar les propietats superficials i millorar el comportament dels biomaterials. Dues de les tècniques de deposició química en fase vapor més comunes s’han estudiat per poder dur a terme aquestes modificacions. La deposició química foto-iniciada en fase vapor (piCVD) és un mètode simple, ràpid i no agressiu que permet depositari films d’hidrogel. És un mètode que s’inicia a la superfície de la mostra i que permet recobrir de manera homogènia superfícies tridimensionals com és el cas de les micro-partícules. El piCVD ofereix un ventall molt ampli d’hidrogels amb capacitat d’absorbir aigua, incorporant co-monòmers amb diferents propietats. Els hidrogels poden ser dissenyats perquè la reactivitat es localitzi a nivell superficial, millorant d’aquesta manera la funcionalització química dels hidrogels. Tanmateix, un nou mètode s’ha utilitzat per micro-estructurar les superfícies durant la deposició via piCVD per obtenir hidrogels amb comportaments especials. Els hidrogels termo-sensibles s’han obtingut via deposició química iniciada en fase vapor (iCVD). S’ha desenvolupat una llibreria d’hidrogels termo-sensibles, els quals exhibeixen una temperatura de transició molt marcada. La microbalança de quars amb dissipació (QCM-D) s’ha fet servir per analitzar la transició d’aquests films. La combinació de les propietats que ofereixen els films termo-sensibles dona la possibilitat de dissenyar una plataforma per prevenir la formació de biofilms. / Se han depositado capas delgadas de hidrogel para lamodificación superficial y mejora del comportamiento de los biomateriales. Dos de las técnicasmás comunes de deposición química en fase vapor se han estudiado para llevar a cabo estas modificaciones. La deposición química foto-iniciada en fase vapor (piCVD) es un método simple, rápido y no agresivo que permite depositar films de hidrogel. Es un método que se inicia en la superficie de la muestra y que permite recubrir de manera homogénea superficies tridimensionales como es el caso de las micro-partículas. El piCVD ofrece un abanico muy amplio de hidrogeles con capacidad de absorber agua, incorporando co-monomeros con diferentes propiedades. Los hidrogeles se pueden diseñar para que la reactividad se localice a nivel superficial, mejorando de esta manera la funcionalización química de los hidrogeles. Así mismo, un nuevo método se ha utilizado para micro-estructurar las superficies durante la deposición vía piCVD para obtener hidrogeles con comportamientos especiales. Los hidrogeles termo-sensibles se han obtenido vía deposición química iniciada en fase vapor (iCVD). Se ha desarrollado una librería de hidrogeles termo-sensibles, los cuales exhiben una temperatura de transición muy marcada. La microbalanza de cuarzo con disipación (QCM-D) se ha utilizado para analizar la transición de este film. La combinación de las propiedades que ofrecen los films termo-sensibles da la posibilidad de diseñar una plataforma para prevenir la formación de biofilms. / Thin hydrogel films have been deposited to modify surface properties and improve biomaterials performance. Two of the most common chemical vapor deposition techniques have been studied to carry out these modifications. Photo-initiated chemical vapor deposition piCVD has been developed as a simple, not aggressive and easy method for the deposition of thin hydrogel films. This method follows a versatile surface-driven reaction process that allows homogeneous coating of both 2D and 3D geometries, such as microspheres. piCVD offers the possibility to fabricate a wide range of swellable thin films, incorporating co-monomers with different properties, such as amine-reactivity, suitable for further modification. The hydrogels can be designed by nano-confining the reactivity to the near surface region, improving the chemical functionality of hydrogels. In addition, a new method to create micro-patterned surfaces can be applied during piCVD deposition to design surfaces having special behavior. Thermo-responsive thin hydrogel films have also been obtained via initiated chemical vapor deposition (iCVD). A library of thermo-sensitive films exhibiting controlled lower critical solution temperatures (LCST) has been generated. Quartz crystal microbalance with dissipation analysis has been used to analyze the phase-transition of these films. The intrinsic properties of thermo-sensitive hydrogels, such as tunable surface hydrophilicity or release of film-entrapped molecules, open the possibility to design systems for controlling biofilm formation.