Biomimetic strategies to engineer mineralised human tissues

In the last few years, many reports have been describing promising biocompatible and biodegradable materials that can mimic in a certain extent the multidimensional hierarchical structure of bone, while are also capable of releasing bioactive agents or drugs in a controlled manner. Despite these great advances, new developments in the design and fabrication technologies are required to address the need to engineer suitable biomimetic materials in order tune cells functions, i.e. enhance cell-biomaterial interactions, and promote cell adhesion, proliferation, and differentiation ability. Scaffolds, hydrogels, fibres and composite materials are the most commonly used as biomimetics for bone tissue engineering. Dynamic systems such as bioreactors have also been attracting great deal of attention as it allows developing a wide range of novel in vitro strategies for the homogeneous coating of scaffolds and prosthesis with ceramics, and production of biomimetic constructs, prior its implantation in the body. Herein, it is overviewed the biomimetic strategies for bone tissue engineering, recent developments and future trends. Conventional and more recent processing methodologies are also described.

Bateria de lítio em filme fino: fabrico e caracterização do cátodo em substrato flexível

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores

Optimization of magnetoelectric composites based on electroactive polymers for energy harvesting and sensor application

Tese de Doutoramento em Engenharia de Materiais.

High-aspect-ratio tridimensional electrode arrays for neural applications

Tese de Doutoramento em Engenharia Biomédica.

Biomaterials for cartilage tissue engineering under mechanical stimulus

Tese de Doutoramento em Ciências (Especialidade de Física)

PDMS encasing system for integrated lab-on-chip Ag/AgCl reference electrodes

Poly(dimethylsiloxane) (PDMS) is an organosilicon polymer widely used in the fabrication of microfluidic systems to integrate biochips. In this study, we propose the use of an adapted PDMS mould for the creation of a miniaturized, reusable, reference electrode for in-chip electrochemical measurements. Through its integrated microfluidic system it is possible to replenish internal buffer solutions, unclog critical junctions and treat the electrode’s surface, assuring a long term reuse of the same device. Planar Ag/AgCl reference electrodes were microfabricated over a passivated p-type Silicon Wafer. The PDMS mould, containing an integrated microfluidic system, was fabricated based on patterned SU-8 mould, which includes a lateral horizontal inlet access point. Surface oxidation was used for irreversible permanent bondage between flat surfaces. The final result was planar Ag/AgCl reference electrode with integrated microfluidic that allows for electrochemical analysis in biochips

Patterned CNT-PDMS nanocomposites for flexible pressure sensors

This paper reports the fabrication process and characterization of a flexible pressure sensor based on polydimethylsiloxane (PDMS) and multi-walled carbon nanotubes (CNT-PDMS). The proposed approach relies on patterned CNT-PDMS nanocomposite strain gauges fabricated with SU-8 microstructures (with the micropatterns) in a low‑cost and simple fabrication process. This nanocomposite polymer is mounted over a PDMS membrane, which, in turn, lies on top of a PDMS diaphragm like structure. This configuration enables the PDMS membrane to bend when pressure is applied, thereby affecting the nanocomposite strain gauges, effectively changing their electrical resistance. Carbon nanotubes have several advantages such as excellent mechanical properties, high electrical conductivity and thermal stability. Furthermore, the measurement range of the proposed sensor can be adapted according to the application by varying the CNTs content and geometry of microstructure. In addition, the sensor’s biocompatibility, low cost and simple fabrication makes it very appealing for biomechanical strain sensing. The sensor’s sensitivity was about 0.073%ΔR/mmHg.

Flexible gastrointestinal motility pressure sensors based on aluminum thin-film strain-gauge arrays

This paper reports on an innovative approach to measuring intraluminal pressure in the upper gastrointestinal (GI) tract, especially monitoring GI motility and peristaltic movements. The proposed approach relies on thin-film aluminum strain gauges deposited on top of a Kapton membrane, which in turn lies on top of an SU-8 diaphragm-like structure. This structure enables the Kapton membrane to bend when pressure is applied, thereby affecting the strain gauges and effectively changing their electrical resistance. The sensor, with an area of 3.4 mm2, is fabricated using photolithography and standard microfabrication techniques (wet etching). It features a linear response (R2 = 0.9987) and an overall sensitivity of 2.6 mV mmHg−1. Additionally, its topology allows a high integration capability. The strain gauges’ responses to pressure were studied and the fabrication process optimized to achieve high sensitivity, linearity, and reproducibility. The sequential acquisition of the different signals is carried out by a microcontroller, with a 10-bit ADC and a sample rate of 250 Hz. The pressure signals are then presented in a user-friendly interface, developed using the Integrated Development Environment software, QtCreator IDE, for better visualization by physicians.

Flexible thin-film lithium battery

Tese de Doutoramento Programa Doutoral em Engenharia Electrónica e Computadores.

Introducing biomimetic approaches to materials development and product design for engineering students

In this paper, we present a new course entitled “Biomimicry: from life to nanotechnological innovations” at the Mines Nancy Engineering School, Nancy, France, and explain how we developed a specific curriculum covering biomimicry. We discuss strategies that can be followed by teachers to explain selected contents in the multi-disciplinary field of biomimicry and/or bioinspiration to undergraduate students and how practical classroom activities can be conducted as individual or team work. We hope that sharing our experience will help teachers and senior researchers disseminate useful concepts and real examples of biomimetic principles and tools for the development of new materials, new/improved design and fabrication strategies, and innovation methodologies.

Fabricació de Lents Zonals de Fresnel per aplicació als raigs X tous

Estudi elaborat a partir d’una estada al Paul Scherrer Institut del Maig a l’Octubre del 2006 amb l’ajuda i supervisió dels Dr. Konstantins Jefimovs i Dr. Christian David. Focalitzar raigs X tous és una necessitat essencial per al microanàlisis, la microscopia, i fer imatges en moltes Instal·lacions de Radiació Sincrotró. Les Lents Zonals de Fresnel (FZP, de la denominació anglesa “Fresnel Zone Plates”) han demostrat donar uns punts focals amb una resolució espacial destacada i una baixa il·luminació de fons. Tanmateix, la fabricació de FZP és complexa i no totalment reproduïble. A més a més, el temps de vida de les FZP és força curt, ja que estant situades sobre membranes de nitrur de silici molt fines i altament absorbents. Per tant, hem fet esforços per implementar FZP de silici, que s’espera que siguin més resistents. L’element està fet d’una oblia de cristall de silici poc absorbent, i no presenta cap interfase entre materials. Així doncs, aquestes lents són especialment adequades per a aguantar les extremes càrregues de radiació de les fonts de raigs X més brillants. Particularment, això és molt important per a les aplicacions a les pròximes generacions de fonts de raigs X, com els Làsers d’Electrons Lliures (FEL, de la denominació anglesa “Free Electron Laser”). El silici també garanteix que no hi hagi cap banda d’absorció en el rang d’energies de la finestra de l’aigua (200-520 eV), fent aquestes lents ideals per a fer imatges de mostres biològiques. En aquest informe, hi ha una descripció detallada de tots els passos involucrats en la fabricació de les Lents Zonals de Fresnel de silici. En resum, les estructures de FZP es modelen sobre una resina utilitzant litografia per feix d’electrons i llavors el patró es transmet al silici mitjançant un gravat d’ions reactius (RIE, de la denominació anglesa ‘Reactive Ion Etching’) utilitzant una fina (20 nm) màscara de Crintermitja. Les membranes de silici es poden aprimar després de la fabricació de les estructures per a garantir una transmissió suficient fins i tot a baixes energies. Aquest informe també inclou l’anàlisi i la discussió d’alguns experiments preliminars per avaluar el rendiment de les Si FZPs fets a la línia de llum PolLux del Swiss Ligth Source amb l’ajuda dels Dr. Jörg Raabe i Dr. George Tzvetkov.

Diseño e implantación de un sistema SCADA para una planta de producción y envasado de líquidos

Este proyecto consiste en la implantación de un sistema SCADA en una planta piloto de fabricación y envasado de líquidos. En este documento se muestra toda la información que ha sido necesaria para realizar el sistema de automatización en los tres niveles propios de un SCADA: nivel de campo, nivel de control y nivel de supervisión. El trabajo de campo ha sido, típicamente de revisión, puesto que el Departament de Telecomunicació i d’Enginyeria de Sistemes ya poseía la planta totalmente equipada, mientras que el sistema de control y el sistema de supervisión se han implantado totalmente.

Les traces de pneumatiques en sciences forensiques : de l'analyse chimique à l'évaluation de la force probante

This work is focused on the development of a methodology for the use of chemical characteristic of tire traces to help answer the following question: "Is the offending tire at the origin of the trace found on the crime scene?". This methodology goes from the trace sampling on the road to statistical analysis of its chemical characteristics. Knowledge about the composition and manufacture of tread tires as well as a review of instrumental techniques used for the analysis of polymeric materials were studied to select, as an ansi vi cal technique for this research, pyrolysis coupled to a gas Chromatograph with a mass spectrometry detector (Py-GC/MS). An analytical method was developed and optimized to obtain the lowest variability between replicates of the same sample. Within-variability of the tread was evaluated regarding width and circumference with several samples taken from twelve tires of different brands and/or models. The variability within each of the treads (within-variability) and between the treads (between-variability) could be quantified. Different statistical methods have shown that within-variability is lower than between-variability, which helped differentiate these tires. Ten tire traces were produced with tires of different brands and/or models by braking tests. These traces have been adequately sampled using sheets of gelatine. Particles of each trace were analysed using the same methodology as for the tires at their origin. The general chemical profile of a trace or of a tire has been characterized by eighty-six compounds. Based on a statistical comparison of the chemical profiles obtained, it has been shown that a tire trace is not differentiable from the tire at its origin but is generally differentiable from tires that are not at its origin. Thereafter, a sample containing sixty tires was analysed to assess the discrimination potential of the developed methodology. The statistical results showed that most of the tires of different brands and models are differentiable. However, tires of the same brand and model with identical characteristics, such as country of manufacture, size and DOT number, are not differentiable. A model, based on a likelihood ratio approach, was chosen to evaluate the results of the comparisons between the chemical profiles of the traces and tires. The methodology developed was finally blindly tested using three simulated scenarios. Each scenario involved a trace of an unknown tire as well as two tires possibly at its origin. The correct results for the three scenarios were used to validate the developed methodology. The different steps of this work were useful to collect the required information to test and validate the underlying assumption that it is possible to help determine if an offending tire » or is not at the origin of a trace, by means of a statistical comparison of their chemical profile. This aid was formalized by a measure of the probative value of the evidence, which is represented by the chemical profile of the trace of the tire. - Ce travail s'est proposé de développer une méthodologie pour l'exploitation des caractéristiques chimiques des traces de pneumatiques dans le but d'aider à répondre à la question suivante : «Est-ce que le pneumatique incriminé est ou n'est pas à l'origine de la trace relevée sur les lieux ? ». Cette méthodologie s'est intéressée du prélèvement de la trace de pneumatique sur la chaussée à l'exploitation statistique de ses caractéristiques chimiques. L'acquisition de connaissances sur la composition et la fabrication de la bande de roulement des pneumatiques ainsi que la revue de techniques instrumentales utilisées pour l'analyse de matériaux polymériques ont permis de choisir, comme technique analytique pour la présente recherche, la pyrolyse couplée à un chromatographe en phase gazeuse avec un détecteur de spectrométrie de masse (Py-GC/MS). Une méthode analytique a été développée et optimisée afin d'obtenir la plus faible variabilité entre les réplicas d'un même échantillon. L'évaluation de l'intravariabilité de la bande de roulement a été entreprise dans sa largeur et sa circonférence à l'aide de plusieurs prélèvements effectués sur douze pneumatiques de marques et/ou modèles différents. La variabilité au sein de chacune des bandes de roulement (intravariabilité) ainsi qu'entre les bandes de roulement considérées (intervariabilité) a pu être quantifiée. Les différentes méthodes statistiques appliquées ont montré que l'intravariabilité est plus faible que l'intervariabilité, ce qui a permis de différencier ces pneumatiques. Dix traces de pneumatiques ont été produites à l'aide de pneumatiques de marques et/ou modèles différents en effectuant des tests de freinage. Ces traces ont pu être adéquatement prélevées à l'aide de feuilles de gélatine. Des particules de chaque trace ont été analysées selon la même méthodologie que pour les pneumatiques à leur origine. Le profil chimique général d'une trace de pneumatique ou d'un pneumatique a été caractérisé à l'aide de huitante-six composés. Sur la base de la comparaison statistique des profils chimiques obtenus, il a pu être montré qu'une trace de pneumatique n'est pas différenciable du pneumatique à son origine mais est, généralement, différenciable des pneumatiques qui ne sont pas à son origine. Par la suite, un échantillonnage comprenant soixante pneumatiques a été analysé afin d'évaluer le potentiel de discrimination de la méthodologie développée. Les méthodes statistiques appliquées ont mis en évidence que des pneumatiques de marques et modèles différents sont, majoritairement, différenciables entre eux. La méthodologie développée présente ainsi un bon potentiel de discrimination. Toutefois, des pneumatiques de la même marque et du même modèle qui présentent des caractéristiques PTD (i.e. pays de fabrication, taille et numéro DOT) identiques ne sont pas différenciables. Un modèle d'évaluation, basé sur une approche dite du likelihood ratio, a été adopté pour apporter une signification au résultat des comparaisons entre les profils chimiques des traces et des pneumatiques. La méthodologie mise en place a finalement été testée à l'aveugle à l'aide de la simulation de trois scénarios. Chaque scénario impliquait une trace de pneumatique inconnue et deux pneumatiques suspectés d'être à l'origine de cette trace. Les résultats corrects obtenus pour les trois scénarios ont permis de valider la méthodologie développée. Les différentes étapes de ce travail ont permis d'acquérir les informations nécessaires au test et à la validation de l'hypothèse fondamentale selon laquelle il est possible d'aider à déterminer si un pneumatique incriminé est ou n'est pas à l'origine d'une trace, par le biais d'une comparaison statistique de leur profil chimique. Cette aide a été formalisée par une mesure de la force probante de l'indice, qui est représenté par le profil chimique de la trace de pneumatique.

Development of advanced silicon radiation detectors for high energy physics and medical imaging

The 1st chapter of this work presents the different experiments and collaborations in which I am involved during my PhD studies of Physics. Following those descriptions, the 2nd chapter is dedicated to how the radiation affects the silicon sensors, as well as some experimental measurements carried out at CERN (Geneve, Schwitzerland) and IFIC (Valencia, Spain) laboratories. Besides the previous investigation results, this chapter includes the most recent scientific papers appeared in the latest RD50 (Research & Development #50) Status Report, published in January 2007, as well as some others published this year. The 3rd and 4th are dedicated to the simulation of the electrical behavior of solid state detectors. In chapter 3 are reported the results obtained for the illumination of edgeless detectors irradiated at different fluences, in the framework of the TOSTER Collaboration. The 4th chapter reports about simulation design, simulation and fabrication of a novel 3D detector developed at CNM for ions detection in the future ITER fusion reactor. This chapter will be extended with irradiation simulations and experimental measurements in my PhD Thesis.

Estudi dinàmic i manipulació de fluxos en monocapes de Langmuir de molècules fotosensibles

Durant el període de gaudiment de la beca, des del dia 9 de març del 2007 fins el dia 8 de març del 2010, s’han dut a terme diferents tipus d’experiments amb sistemes bidimensionals com són les monocapes de Langmuir. Inicialment es va començar per l’estudi i la caracterització d’aquests sistemes experimentals, tant en repòs com en dinàmic, com és l’estudi de la reposta col•lectiva molecular de dominis d’un azoderivat fotosensible al rotar el pla de polarització mentre es mante sota il•luminació constant i els estudis de sistemes bidimensionals al collapse que es poden relacionar a les propietats viscoplàstiques dels sòlids. Una altra via d’estudi és la reologia d’aquests sistemes bidimensionals quan flueixen a través de canals. Arrel del sistema experimental més simple, una monocapa fluint per un canal, s’ha observat i estudiat l’efecte coll d’ampolla. Un cop assolit i estudiat el sistema més senzill, s’han aplicat tècniques més complexes de fabricació per fotolitografia per fer fluir monocapes de Langmuir per circuits on hi ha un gran contrast de mullat. Un cop aquests circuits es van implementar satisfactòriament en un sistema pel control de fluxos bidimensionals, es posen de manifest les possibles aplicacions futures d’aquests sistemes per l’estudi i el desenvolupament de la microfluídica bidimensional.