Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria biomèdica

The present work addresses two different applications enabled by a specific and useful property of calcium phosphate cements (CPCs): injectability. On the one hand minimally invasive procedures involving the use of CPCs are based on the injectability of such biomaterials, and on the other hand extrusion-based additive manufacturing processes such as robocasting rely on this property to correctly manufacture personalized 3D-printed scaffolds for the treatment of large bone defects. The present thesis is divided in three different sections. The first one consists in a study of the differences of injectability of aqueous pastes of the two allotropic forms of tricalcium phosphate, namely a- and ß-TCP. The reactivity of the powder was shown to play a significant role in the injectability of TCP pastes. Significant differences were observed between the injection behaviour of non-hardening ß-TCP pastes and that of selfhardening a-TCP pastes. The differences were more marked at low liquid-to-powder ratios, using fine powders and injecting through thin needles. Although, as a general trend, faster-setting pastes were less injectable, some exceptions to this rule were found. For example, whereas in the absence of setting accelerants fine TCP powders were more injectable than the coarse ones, in spite of their shorter setting times, this trend was inverted when setting accelerants were added, and coarse powders were more injectable than the fine ones. In the second section thermoresponsive pastes are developed through the combination of CPCs with an inversethermoresponsive hydrogel. Although calcium phosphate cements (CPCs) are used for bone regeneration in a wide range of clinical applications, various physicochemical phenomena are known to hinder their potential use in minimally invasive surgery or in highly vascularized surgical sites, mainly because of their lack of injectability or their low washout resistance. The proposed strategy allowed to finely tune the cohesive and rheological properties of CPCs to achieve clinical acceptable injectability. It avoided phase separation during implantation and improved cohesion, avoiding washout of the paste. Using the knowledge acquired about the injectability behaviour of TCP pastes, the additive manufacturing of 3D printed scaffolds is studied in the last section. More precisely, this study dealt with the robocasting of alpha-tricalcium phosphate/gelatine reactive slurries as a bioinspired self-setting ink for the production of biomimetic hydroxyapatite/gelatine scaffolds. A controlled and totally interconnected pore network of approximately 300 µm was obtained after ink printing and setting, with the struts consisting of a micro/nanoporous matrix of needle-shaped calcium deficient hydroxyapatite crystals, with a high specific surface area. Gelatine was effectively retained by chemical crosslinking. The setting reaction of the ink resulted in a significant increase of both the elastic modulus and the compressive strength of the scaffolds, which were within the range of the human trabecular bone. In addition to delaying the onset of the setting reaction, thus providing enough time for printing, gelatine provided the viscoelastic properties to the strands to support their own weight, and additionally enhanced mesenchymal stem cell adhesion and proliferation on the surface of the scaffold. Altogether this new processing approach opens good perspectives for the design of hydroxyapatite scaffolds for bone tissue engineering with enhanced reactivity and resorption rate.

Microbial fuel cells, MEMS technology, Rapid - prototyping, and Ciències Experimentals

El objetivo de esta tesis es el de la mejora del rendimiento de dispositivos electroquímcos miniaturizados, con énfasis en pilas de combustible microbianas y sensores electroquímicos. Para conseguir este objetivo, está tesis está centrada en el desarrollo de nuevos materiales para electrodos, nuevas geometrías para microelectrodos y mejor fabricación y procesos de encapsulado. Un inconveniente muy importante en la miniaturización de dispositivos electroquímicos está en la reducción de al superficie activa de los electrodos resultado en señales más pequeñas. Sin embargo, la introducción de técnicas de micromecanizado de silicio como pueden ser fotolitografía grabados seco y húmedo, deposición de metales o dieléctricos por métodos físicos o químicos o procesos térmicos rápidos se han convertido en una vía real para solventar todos los problemas relacionados la manufacturación de dispositivos electroquímicos miniaturizados. Además el uso de herramientas computacionales basadas en métodos de elementos finitos ha ayudado extraordinariamente al diseño de estos dispositivos porque la quinética del electrodo y el transporte de masa pueden ser simulados y estudiados antes de su fabricación. El primer capítulo es una introducción a los fundamentos de la electroquímica, al diseño, a la fabricación y a las aplicaciones desarrolladas en esta tesis. La primera sección se centra en explicar los aspectos fundamentales de la electroquímica. La segunda sección introduce las pilas de combustible, porque estos son los dispositivos electroquímicos desarrollados en el capítulo 4. Finalmente la última sección cubre los materiales y métodos utilizados, incluyendo la microfabricación de los electrodos y las técnicas de prototipaje utilizadas para fabricar las pilas de combustible microbianas. El segundo capítulo comienza con la teoría del transporte de masa en micropilares totalmente conductores. A continuación, el modelo computacional de un único dominio de un micropilar es desarrollado utilizando COMSOL. La fabricación de electrodos con arrays de micropilares totalmente conductores fue conseguida por electrodeposición de oro y también por la combinación de grabado seco y metalización por deposición de oro mediante sputtering. El capítulo cierra con la caracterización electroquímica de los dos arrays, lo que permitió comparar su respuesta y averiguar que ruta era la mejor. El capítulo tres se dirige a la síntesis y fabricación de discos de electrodos de carbón para detectar mercurio en muestras acuosas. Estos electrodos de carbón están basados en la pirólisis de fotoresina. Esta técnica combina fotolitografía y procesos térmicos rápidos. Además las ventanas activas de esos electrodos fueron definidas por deposición química de dieléctricos, también los electrodos fueron físicamente y electroquímicamente caracterizados. Una vez estos electrodos fueron completamente estudiados se utilizaron para detectar mercurio en soluciones. El último capítulo se centra en encontrar una aplicación a los electrodos de arrays de micropilares totalmente conductores. La aplicación escogida fue una pila de combustible microbiana miniaturizada fabricada mediante técnicas de prototipaje rápido, donde en cada caso una geometría diferente con el objeto de averiguar si los arrays de micropilares ayudan a mejorar el rendimiento eléctrico de las pilas de combustible microbianas.