Maestría en Ingeniería Física
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Ítem Desarrollo y evaluación de un prototipo para el monitoreo en tiempo real del crecimiento de cultivos biológicos en biorreactores industriales(Universidad Nacional de Colombia, 2024) Bejar Caceres, Brayan Daniel; Rincón Fulla, Marlon; Palacio Bedoya, Juan Luis; Bejar Caceres, Brayan Daniel [0000-0002-8828-0208]En el ámbito de la biotecnología, el monitoreo continuo y preciso de la concentración celular es esencial para optimizar el crecimiento de biomasa en cultivos biológicos. Los biorreactores y fermentadores (dispositivos diseñados específicamente para el cultivo de diversas células, entre ellas bacterias y levaduras) dependen de la medición de parámetros como temperatura, presión, pH y oxígeno disuelto, en donde la estimación de la concentración celular es igualmente crítica para implementar sistemas de control de lazo cerrado que permita automatizar al máximo el proceso. Las técnicas ópticas, y en particular, la medida de la densidad óptica, se implementa comercialmente y permite caracterizar el crecimiento y evolución de células en suspensiones acuosas en el biorreactor, aprovechando los fenómenos fundamentales de interacción de la luz con la materia como la absorción y dispersión, sin alterar las propiedades biológicas del sistema. No obstante, para las Pymes en Colombia, los sensores de densidad óptica comerciales suelen tener un alto costo, lo que dificulta su adopción en industrias con recursos limitados, como las dedicadas a la producción de cervezas artesanales, inoculantes biológicos y biosimilares, entre otros. En este trabajo se presenta el desarrollo de un instrumento óptico de bajo costo que permite monitorear en tiempo real el crecimiento de biomasa en biorreactores y fermentadores, siendo compatible con los estándares industriales de conexión y comunicación en este tipo de sistemas. El dispositivo aprovecha el fenómeno de la dispersión de la luz generada por las células en suspensión para estimar la concentración celular. En particular, el elemento sensor que se introduce en el biorreactor se encapsula en un material polimérico compatible con los procesos de esterilización in situ, que sustituye el clásico acero inoxidable de los dispositivos comerciales, y se desarrolló un sistema de acondicionamiento de señales que permite controlar la emisión de luz para generar una intensidad lumínica constante en el tiempo, ante el ruido electromagnético y a las variaciones de temperatura, obteniendo una resolución en las medidas de 0.002 e inferior al 1% en la escala de medida en unidades arbitrarias. Esta solución no solo busca hacer más accesible la automatización de procesos productivos en la industria biotecnológica colombiana, sino también, mejorar la calidad del producto final y optimizar el tiempo de producción para incrementar el margen de beneficio. (Tomado de la fuente)Ítem Obtención de un scaffold cerámico de fosfato de calcio a partir de estereolitografía cerámica con potencial aplicación en regeneración de tejido óseo(Universidad Nacional de Colombia, 2024) Duque Uribe, Carolina; García García, Claudia Patricia; Materiales Cerámicos y VítreosLos scaffolds basados en las superficies minimales triplemente periódicas (TPMS) cumplen las condiciones necesarias para ser utilizados en ingeniería tisular. En esta tesis se desarrollaron scaffolds de alúmina (Al) y fosfatos de calcio (CaP) a través de la técnica de estereolitografía cerámica, utilizando geometrías TPMS Giroide y Schwartz P. para ser aplicados en la regeneración de tejidos óseos. Se realizaron suspensiones con cargas cerámicas de 35, 40 y 50 vol% con los dos materiales, las cuales se caracterizaron reológicamente y para ambos casos se encontró que las más viscosas eran las de 50 vol% con valores de 1.1 Pa·s para CaP y de 0.78 Pa·s para Al. A las muestras impresas de ambos materiales se les hizo un tratamiento térmico para eliminar la resina y sinterizar los cuerpos cerámicos. A los andamios híbridos y cerámicos se les tomaron imágenes digitales, SEM y FESEM. Las contracciones volumétricas más altas fueron las de las muestras con menor porcentaje de carga (35 vol%) de geometría giroide, con valores de 58.4% para las de Al y de 79.4% para los de CaP. Las muestras que más cantidad de grietas presentaron fueron las de Al con geometría Schwartz P. Los scaffolds que presentaron mayor resistencia a la compresión fueron los híbridos para ambos materiales. La geometría giroide de Al sinterizada presentó resistencias más altas que la Schwartz P, siendo la de 50Al la mejor con un valor de 0.4 ± 0.2 MPa. En el caso de CaP sinterizados la mayor resistencia mecánica fue para 50CaP con un valor de 0.83 ± 0.06 MPa. Dichos valores son comparables con los del hueso esponjoso y cortical. Finalmente, los scaffolds de 50 vol% de Al y CaP se impregnaron con extractos de propóleos de Tame, Arauca, Colombia. Para los de Al se evaluó la actividad antimicrobiana, demostrando que existe una mejor respuesta frente a S. aureus que a E. Coli. Para los de CaP, se evaluó la citotoxicidad y proliferación celular, demostrando que el material con y sin propóleo no presenta efectos tóxicos sobre las células y que existe una mejor respuesta de crecimiento celular en aquellos que están impregnados. (Tomado de la fuente)Ítem Obtención de Scaffolds Compuestos Polímero-Cerámico por Estereolitografía de Mascara (MSLA) con Propiedades Magnéticas y Potencial Aplicación en Regeneración Ósea(Universidad Nacional de Colombia, 2024) Orozco Osorio, Yeison Alejandro; García García, Claudia Patricia; Orozco Osorio, Yeison Alejandro [0000-0002-6317-6172]; Materiales Cerámicos y VítreosEste estudio exploró el diseño, fabricación y evaluación de scaffolds que incorporan propiedades esenciales para la regeneración ósea, incluyendo biocompatibilidad, geometría macroporosa, resistencia mecánica y capacidad de respuesta magnética. Mediante el uso de la geometría de superficies mínimas triplemente periódicas (TPMS), resinas fotopolimerizables acrílicas, óxidos de hierro sintetizados y la impresión por máscara de estereolitografía (MSLA), se diseñaron scaffolds con características geométricas precisas. Las propiedades mecánicas se mejoraron mediante el curado de resina, mientras que las partículas de magnetita, obtenidas de nanopartículas sintetizadas, se integraron para conferir propiedades magnéticas. Estos scaffolds exhibieron un equilibrio óptimo entre rigidez, porosidad y capacidad de respuesta magnética. Se obtuvieron scaffolds de resina con óxidos de hierro sintetizados con una resistencia máxima a la compresión entre 4.8 MPa y 9.2 MPa, módulo de Young entre 58 MPa y 174 MPa. Se midieron propiedades magnéticas para los scaffolds sintéticos, como coercitividad magnética de 293 Oe, remanencia magnética entre 11.3 emu/g y 12.3 emu/g, y saturación magnética entre 29.4 emu/g y 37.1 emu/g. Se midió la viscosidad de las mezclas utilizadas para imprimir los scaffolds entre 350 mPa-s y 380 mPa-s, valores adecuados para una impresión 3D correcta, y se obtuvieron medidas del ángulo de contacto entre 90° y 110°. Las mejores propiedades entre los scaffolds fabricados fueron exhibidas por aquellos con un porcentaje en peso del 1%. La evaluación de la biocompatibilidad de los scaffolds sugirió su potencial para futuros ensayos clínicos, respaldado por su capacidad para mantener la viabilidad celular. (Tomado de la fuente)Ítem Estudio del comportamiento de una celda combustible conformada por un nuevo sistema de conducción protónica de polivinil difluoruro (PVDF) + ácido fosfórico (H3PO4) trabajando hasta 60 °C(Universidad Nacional de Colombia, 2024-05-28) Buendía Tamayo, Melisa; Zapata Sánchez, Victor Hugo; Buendía Tamayo Melisa; Buendía, Melisa [0000000213492046]; Óxidos AvanzadosSe prepararon membranas de intercambio protónico compuestas por fluoruro de polivinilideno (PVDF) y ácido fosfórico (H3PO4) en diversas concentraciones (Ácido/Polímero): 0.08, 0.10, 0.15, 0.20 y 0.60. Los resultados en calorimetría diferencial de barrido (DSC) arrojan tres anomalías térmicas, una alrededor de los 160 °C atribuida a la temperatura de reblandamiento ó Tm de la membrana polimérica pura la cual está conformada con PVDF y disolvente tetrahidrofurano (THF), la segunda alrededor de los 300 °C asociada a la salida de Oxirano y la última asociada a la degradación del sistema polimérico. Se observan cambios no relevantes en las diferentes membranas con ácido para la Tm. No se observaron anomalías térmicas asociadas a la temperatura de transición vítrea (Tg), esto debido posiblemente al rango de medida en temperaturas realizado sobre las muestras que comprende entre los 25 °C y 500 °C. Por otro lado, se realizaron medidas de impedancia compleja en barridos de frecuencia desde 42 Hz a 5 MHz, en un rango de temperaturas entre los 25 °C y 70 °C sobre las diversas muestras arrojando resultados entre los 102 Ω y 104 Ω en la impedancia real y cuyo valor se atribuye posiblemente al contenido de agua en la membrana polimérica ya que, en presencia del ácido fosfórico, este sistema se torna higroscópico. Las muestras sin humedad presentan valores de impedancia real del orden de 106 Ω. Luego de realizar el ajuste y análisis de datos se logró determinar un valor medio en la energía de activación atribuido a los radicales H+, alrededor de 0.54 eV. Los resultados en la parte imaginaria del módulo eléctrico vs. frecuencia (M" vs. ) muestran un solo comportamiento en forma de pico indicando un solo tipo de dinámicas del ion hacia el bulto del material.Ítem Improvement of digital lensless holographic microscopy for the visualization of biosamples(Universidad Nacional de Colombia, 2023) Zapata Valencia, Samuel Ignacio; Garcia Sucerquia, Jorge Iván; https://scholar.google.com/citations?user=om9YndgAAAAJ&hl=en; https://orcid.org/0000-0002-0924-3776; Zapata-Valencia, Samuel I. [:0000-0002-0924-3776]; https://www.researchgate.net/profile/Samuel-Zapata-Valencia; Optica y Procesamiento Opto-DigitalDigital Lensless Holographic Microscopy (DLHM) is an imaging technique that has been used to visualize micrometer-sized samples. The simplicity of the required hardware, the adaptability of digital processing, and its label-free attribute have positioned it as an attractive, portable, and cost-effective alternative for observing microscopic biological samples. Despite the simplicity of its implementation, the hardware used to record the digital holograms has limitations that directly affect the visualization of biological samples. In this master’s thesis in Engineering Physics, the identified limitations of the DLHM hardware and their impact on the visualization of micrometer-sized objects are studied. An improvement of those limitations is proposed by implementing opto-numerical methods, which are tested by visualizing biosamples. Given the importance of the Numerical Aperture (NA) for the performance of DLHM, a method for characterizing and validating the NA of propagating beam illuminations is developed. A method for expanding the field of view of the visualized samples is presented. Finally, a multiview method for correcting DLHM in-line holograms is proposed to eliminate illumination artifacts inherited from the illumination source, and also to recover the information of occluded structured samples visualized in DLHM. The results were reported on two manuscripts already published in indexed journals of international circulations and five proceedings or submitted abstracts of presentations at international conferences.Ítem Desarrollo de un prototipo de microscopio holográfico digital sin lentes certificable open-source(Universidad Nacional de Colombia, 2023) Tobon-Maya, Heberley; García Sucerquia, Jorge Iván; https://scholar.google.com/citations?user=_JdH3vMAAAAJ&hl=es; Tobón-Maya, Heberley [:0000-0002-3258-1861]; https://www.researchgate.net/profile/Heberley-Tobon-Maya; Optica y Procesamiento Opto-DigitalLa microscopia holográfica digital sin lentes (DLHM) es tal vez la tecnología más simple en términos de hardware para la observación de muestras sin tinción; una fuente de iluminación coherente de ondas esféricas, un sistema digital de registro y un cuerpo mecánico para integrarlos, constituyen el hardware necesario para su implementación, lo cual perfila a DLHM como una tecnología con un alto potencial de ser desarrollada de forma abierta, portable y accesible a un bajo costo. A pesar de este potencial las soluciones comerciales de DLHM se encuentran lejos de ser una tecnología accesible a diversos sectores de la educación, investigación y producción debido alto costo y baja portabilidad. En esta tesis de maestría en Ingeniería Física se condensan, refinan y articulan los diseños de DLHM producidos por el grupo de Óptica y Procesamiento Opto-Digital (GODP) relativos a los elementos constituyentes de la tecnología, para desarrollar un prototipo de microscopio DLHM certificable como hardware open-source. Para lograrlo se realizó un levantamiento del estado del arte de las características necesarias para que un prototipo de DLHM sea considerado como hardware open-source, se estudiaron los diferentes desarrollos del GDOP respecto a la fuente de iluminación y sistemas de registros en DLHM y finalmente se desarrolló un prototipo con base en los elementos constituyentes de mejor desempeño y las características necesarias su certificación. Los resultados de esta tesis se encuentran condensados en 2 artículos publicados en revistas indexadas, en la participación en 4 congresos de carácter internacional (LAOP 2022, RIAO 2023, ENO 2021, ETOP 2023) con 7 contribuciones en forma de presentación y un workshop de holografía digital dictado en el marco del 10th International Symposium "Optics & its applications” patrocinado por el ICTP. 8Texto tomado de la fuente)