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Surface nano-structured materials to control bacterial contamination

  • Petkova, Petya Stoyanova
The spread of bacteria and infections, initially associated with an increased number of hospital-acquired infections, has now extended into the community causing severe and difficult to treat diseases. Additionally, many of those diseases are evoked by bacteria that have become resistant to antibiotics. Overcoming the ability of bacteria to develop resistance will potentially reduce the burden of these infections on the healthcare systems worldwide and prevent thousands of deaths each year. The nano-scale particles are promising candidates to fight bacteria, since developing of resistance to their action is less likely to occur. Nanoparticles (NPs) can be incorporated into polymeric matrices to design a wide variety of nanocomposites. Such nano-structures consisting of inorganic and inorganic/organic NPs represent a novel class of materials with a broad range of applications. This thesis is about the development of antibacterial nano-structured materials aimed at preventing the spread of bacteria. To achieve this, two versatile physicochemical and biotechnological tools, namely sonochemistry and biocatalysis were innovatively combined. Ultrasound irradiation used for the generation of various nano-structures and its combination with biocatalysts (enzymes) opens new perspectives in materials processing, here illustrated by the production of NPs coated medical textiles, water treatment membranes and chronic wound dressings. The first part of the thesis aims at the development of antibacterial medical textiles to prevent the bacteria transmission and proliferation using two single step approaches for antibacterial NPs coating of textiles. In the first approach antibacterial zinc oxide NPs (ZnO NPs) and chitosan (CS) were deposited simultaneously on cotton fabric by ultrasound irradiation. The obtained hybrid NPs coatings demonstrated durable antibacterial properties after multiple washing cycles. Moreover, the presence of biopolymer in the NP hybrids improved the biocompatibility of the material in comparison with ZnO NPs coating alone. In the second approach, a simultaneous sonochemical/enzymatic process for durable antibacterial coating of cotton with ZnO NPs was carried out. The enzymatic treatment provides better adhesion of the ZnO NPs and, as a consequence, enhanced coating stability during exploitation. Likewise to the antibacterial coatings obtained in the first approach, the antibacterial efficiency of these textiles was maintained after multiple intensive laundry regimes used in hospitals. The NPs-coated cotton fabrics inhibited the growth of the most medically relevant bacteria species. In the second part of the thesis, hybrid antibacterial biopolymer/silver NPs and cork matrices, were enzymatically assembled into an antimicrobial material with potential for water remediation. Intrinsically antibacterial amino-functional biopolymers, namely CS and aminocellulose were used as doping agents to stabilize colloidal dispersions of silver NPs (AgNPs), additionally providing the particles with functionalities for covalent immobilization on cork to impart durable antibacterial effect. The biopolymers promoted the antibacterial efficacy of the obtained nanocomposites in conditions simulating a real situation in constructed wetlands. In the last, third part of the thesis, a bioactive nanocomposite hydrogel for wound treatment was developed. Sonochemically synthesized epigallocatechin gallate nanospheres (EGCG NSs) were incorporated and simultaneously crosslinked enzymatically into a thiolated chitosan hydrogel. The potential of the generated material for chronic wound treatment was evaluated by assessing its antibacterial properties and inhibitory effect on myeloperoxidase and collagenase biomarkers of chronic wound infection. Sustained release of the EGCG NSs from the biopolymer matrix was achieved. The latter, coupled with the good biocompatibility of the hydrogel, suggested its potential for chronic wound management., La propagación de bacterias e infecciones, inicialmente limitada a infecciones adquiridas en el hospital, se ha extendido al resto de la sociedad causando enfermedades muy graves y más difíciles de tratar. Además, muchas de estas enfermedades son provocadas por bacterias que se han hecho resistentes a los antibióticos convencionales. Por lo tanto, limitar la capacidad de estas bacterias para desarrollar resistencia puede potencialmente reducir la alta incidencia de estas infecciones y evitar miles de muertes cada año. Las partículas de escala nanométrica son unas candidatas prometedoras para combatir las bacterias, ya que su mecanismo de acción las hace disminuir las probabilidades en el desarrollo de resistencia. Las nanopartículas (NPs) se pueden incorporar en matrices poliméricas para diseñar una amplia variedad de materiales nanocompuestos. Estas nanoestructuras consisten en NPs orgánicas/inorgánicas e inorgánicas representando una nueva clase de materiales con una amplia gama de aplicaciones. Esta tesis trata sobre el desarrollo de materiales antibacterianos con estructura nanométrica dirigidos a prevenir la propagación de bacterias. Para lograr esto, dos herramientas fisicoquímicas y biotecnológicas versátiles tales como sonoquímica y biocatálisis, se combinaron de manera innovadora. La irradiación por ultrasonido se ha utilizado para la generación de nanoestructuras diversas y su combinación con biocatalizadores (enzimas) abre nuevas perspectivas en el tratamiento de materiales, aquí ilustrados por la producción de textiles médicos recubiertos con NPs, membranas de tratamiento de agua y apósitos para heridas crónicas. La primera parte de la tesis tiene como objetivo el desarrollo de textiles médicos antibacterianos para prevenir la transmisión y proliferación de bacterias utilizando dos estrategias "de un solo paso" para el recubrimiento antibacteriano de estos textiles con NPs. En el primer enfoque NPs antibacterianas de óxido de zinc (ZnO NPs) y quitosano (CS) fueron depositadas simultáneamente sobre tejido de algodón por irradiación de ultrasonido. Los recubrimientos híbridos de NPs obtenidos demostraron propiedades antibacterianas duraderas después de varios lavados exhaustivos. Por otra parte, la presencia de biopolímeros en las NPs híbridas mejoraba la biocompatibilidad del material en comparación con el recubrimiento de solamente de ZnO NPs. En la segunda parte de la tesis, híbridos antibacterianos hechos de biopolímeros y NPs de plata y matrices de corcho, fueron ensamblados enzimáticamente en un material antimicrobiano para su utilización en la remediación de aguas. Biopolímeros antibacterianos aminofuncionalizados (CS y aminocelulosa) se utilizaron como agentes dopantes para estabilizar las dispersiones coloidales de plata (Ag NPs). Además, estas partículas presentan todas las funciones necesarias para su inmovilización covalente en el corcho proporcionando un efecto antibacteriano duradero. Estos biopolímeros aumentaron la eficacia antibacteriana de estos nanocompuestos en condiciones que simulan una situación real en humedales construidos. En la tercera parte de la tesis, se desarrolló un hidrogel nanocompuesto bioactivo para el tratamiento de heridas crónicas. Nanoesferas de galato de epigalocatequina (EGCG NSs) fueron sintetizadas a través de sonoquimica y se incorporaron y simultáneamente reticularon enzimáticamente en un hidrogel de quitosano tiolado. El potencial del material generado para el tratamiento de heridas crónicas fue evaluado por sus propiedades antibacterianas y su efecto inhibidor sobre biomarcadores producidos en heridas crónicas infectadas (mieloperoxidasa y colagenasa). También se consiguió la liberación sostenida de EGCG NSs por parte de la matriz generada, que junto con su buena biocompatibilidad, demostraba su potencial para el tratamiento de heridas crónicas.
Proyecto:


Foaming of Ethyl Hydroxyethyl Cellulose

  • Carrillo Agilera, Marc
The current depletion of petroleum resources together with environmental issues have led to new approaches in plastic manufacturing. This trend involves using ecofriendly materials coming from renewable resources. Good candidates for this, due to their properties and availability, are the cellulose derivatives. Some of them, such as hydroxypropyl methylcellulose (HPMC), showed in previous studies a promising behavior when making polymeric foams. Unfortunately, the corresponding results with methyl ethyl hydroxyethylcellulose (MEHEC) were not as promising and the rather high molecular weight of the used MEHEC grade was here believed to be one of the important factors, affecting the foaming ability. Therefore, in this report, the effect of chain scission and thus the chain length on the foaming behavior of MEHEC was studied. The reduction in molecular weight was achieved through an addition of a degrading agent and salt to aqueous solutions of the original cellulose derivative (MEHEC). After drying, the resulting polymers were characterized, both in the solid state e.g. in the form of films, and as aqueous solutions. This characterization was focused on the rheological behavior. Techniques such as rotational rheometry and dynamic mechanical thermal analysis (DMTA) were used for this purpose. The results pointed to a decrease in molecular weight when adding encreasing amounts of the degrading agent. However, the addition of salt seemed to have an opposite effect, and an increase in viscosity was observed for increasing amounts of salt. A hot-mold process and density measurements were used for assessing the foaming ability. The reduction in molecular weight allowed aqueous solutions with up to 20 and 25 % polymer content to be used in the foaming process (the optimal concentration for the original MEHEC was 5 %). A higher polymer content would be beneficial with regard to large scale processing, like extrusion, one of the most common polymer processing techniques. Additionally, shrinkage was observed in some of the foams and was believed to be associated with the salt content, affecting the foaming ability negatively. Finally, the molecular weight was determined by size-exclusion chromatography (SEC). These SEC-results confirmed the reduction in molecular weight of the MEHEC-grade used.
Proyecto:


Diseño de un sensor de datos mediante Bluetooth

  • Marin Fabregas, Eduard
Este proyecto consiste en la realización de un sistema de sensorización de datos como temperatura, luz, etc. mediante un sistemas de comunicaciones basado en la tecnología Bluetooth. La inteligencia del sistema de adquisición de datos se realizará mediante una placa con microprocesador.
Proyecto:


Integration of FreeFOAM in Salome

  • Farré Vicente, Ivan
The aim of this study is to extend and adapt the CFD (Computational Fluid Dynamics) software used in advanced studies on hemodynamics at the RMEE team at UPC/EPSEM. The FOSS (Free and Open Source Software) CFD software FreeFOAM (Open Field Operation and Manipulation) is used for this purpose. FreeFOAM is a fork of the widely used OpenFOAM CFD software. It is geared towards freeing OpenFOAM from its system dependency (using Cmake), enabling it to run natively on as many operating systems as possible and improved documentation. The software concerns a a C++ toolbox for the development of customized numerical solvers, and pre-/post-processing utilities for the solution of continuum mechanics problems, including computational fluid dynamics (CFD). For CFD studies, a Graphic User Interface (GUI) program is often desired to create complex geometries. For example geometries of arteries used for hemodynamics (blood flows) studies, done at UPC/EPSEM. Though OpenFOAM/FreeFOAM is one of the most advanced CFD tools under a the FOSS GPL licence, its main drawback is the lack of a Graphic User Interface for integrated displaying pre-processing and post-processing results. In order to get the functionality of the OpenFOAM / FreeFOAM CFD software in some GUI programs, the CFD libraries will need their functionality in Python scripts. This is obtained by the creation of modules that are derived from the libraries and can be loaded in Python scripts or programs. In this study we will focus to obtain python modules from the FreeFOAM libraries. The SALOME GUI desktop, embeds a Python console allowing the user to access different SALOME functionalities via Python interfaces. PyFreeFOAM intends to define a new level of flexibility and user interaction scenario for numerical simulation software. Our aim is to use this project for the creation of a python front-end for the FreeFOAM CFD software to get its functionality in Salome.
Proyecto:


Pattern modelling and pattern processing in image and speech signals, Modelización y procesamiento de patrones en señales de imagen y voz, Modelització i processament de patrons en senyals d'imatge i veu

  • Sayols Baixeras, Narcís
Aplicar teoria de patrons a senyals de veu i imatge., [ANGLÈS] In the context of signal processing, the aim of this memoir is to explore the pattern theory (PT) of Grenander and Mumford by focussing on two proof-of-concept applications, one dealing with images and the other with voice. The image application not only classifies the symmetry type of mosaics given a digital picture, but also can generate mosaic images with virtually any pattern decoration. The voice application classifies the phonemes in a digital voice recording and also can generate virtually unlimited variations on its pronunciation. These applications illustrate, in ways that are described in detail in the memoir, some of the key advantages of PT over and beyond the more familiar approaches known as pattern recognition and pattern classification. One important advantage is a sort of "division of labor": the construction of pattern models, which takes into account the data and is eminently theoretical, is separate from the pattern processing work (implementation, algorithms, programs). A second advantage is that pattern analysis (recognition, classification) and pattern synthesis (generating random instances that "look and feel" just as the world signals being modeled) become two sides of the same coin, in the sense that the same approach provides both. Actually, analysis is done via synthesis, because the inspiration for the proposed models comes from the data and recognition is resolved by using suitable plausibility rules in order to find the best pattern parameters fitting the data. Another advantage of the approach is its resilience in front of noisy and ambiguous samples. Finally, it is important to remark that pattern models can often be reused on data that are totally unrelated to the data that led to those models., [CASTELLÀ] En el contexto del procesamiento de la señal, el objetivo de esta memoria es la de explorar la teoría de patrones (PT) de Grenander y Mumford, centrándose en dos aplicaciones, uno relativa a las imágenes y la otra a la voz. La aplicación de imagen no sólo clasifica el tipo de simetría de los mosaicos dada una imagen digital, sino también puede generar imágenes de mosaico con prácticamente cualquier decoración. La aplicación clasifica los fonemas de voz de una grabación digital de voz y también puede generar variaciones prácticamente ilimitadas en su pronunciación. Estas aplicaciones ilustran, de manera que se describen en detalle en la memoria, algunas de las principales ventajas de más de PT sobre enfoques más conocidos conocidos como reconocimiento de patrones y clasificación de patrones. Una ventaja importante es una especie de "división del trabajo": la construcción de modelos de patrones, que tenga en cuenta los datos y es de carácter eminentemente teórico, es independiente de la labor de procesamiento de patrones (de aplicación, algoritmos, programas). Una segunda ventaja es que la síntesis de patrones (reconocimiento, clasificación) y el análisis (la generación de instancias aleatorias que parecen al igual que las señales del mundo que se está modelando) se vuelven dos caras de una misma moneda, en el sentido de que el mismo enfoque se utiliza en las dos. En realidad, el análisis se realiza a través de la síntesis, porque la inspiración de los modelos propuestos proviene de los datos y el reconocimiento se resuelve mediante el uso de normas adecuadas de verosimilitud con el fin de encontrar los mejores parámetros de patrón de ajuste de los datos. Otra ventaja del método es su resistencia frente a las muestras ruidosas y ambiguas. Por último, es importante destacar que los modelos de patrones a menudo pueden ser reutilizados en los datos que son totalmente ajenos a los datos que condujeron a esos modelos., [CATALÀ] Dins del context del processament de senyal, l'objectiu d'aquesta memòria és explorar la teoria de patrons (PT) de Grenander i Mumford centrant-nos en aplicar-la a dos aplicacions, una de veu i una d'imatge. L'aplicació d'imatge no només classifica els tipus de simetries d'un mosaic donat en una imatge digital, sinó també pot generar mosaics amb virtualment qualsevol tipus de patró de decoració. L'aplicació de veu classifica els fonemes d'una veu registrada i també les genera. Aquestes aplicacions il·lustren, d'una forma que està descrita en detall a la memòria, alguns dels avantatges de la PT sobre alguns termes més usuals com reconeixement de patrons i classificació de patrons. Un important avantatge és una espècie de "divisió del treball": la construcció de models de patrons, que tingui en compte les dades i és de caràcter eminentment teòric, és independent de la tasca de processament de patrons (d'aplicació, algorismes, programes). Un segon avantatge és que la síntesi d'anàlisi de patrons (reconeixement, classificació) i l'anàlisi (la generació d'instàncies aleatòries que es comportin i semblin igual que els senyals del món que s'està modelant) es tornen les dues cares d'una mateixa moneda, en el sentit que el mateix enfocament es pot aplicar als dos. En realitat, l'anàlisi es realitza a través de la síntesi, perquè la inspiració dels models proposats prové de les dades i el reconeixement es resol mitjançant l'ús de normes adequades de versemblança per tal de trobar els millors paràmetres de patró d'ajust de les dades. Un altre avantatge del mètode és la seva resistència enfront de les mostres sorolloses i ambigües. Finalment, és important fer notar que els models de patrons sovint poden ser reutilitzats en les dades que són totalment sense relació amb les dades que va portar a aquests models.
Proyecto:


Solar thermal energy installation for student tutorial: Implementation of hot water load, acquisition and measurements, software interface for supervision.

  • Rovira Cladera, Magín
Practical education is a powerful tool that can be used to complete the education of future engineers. The aim of this thesis is to adapt a standard solar water heater in order to make it able to be used for academic uses. As its use won’t be the usual one, and it’s wanted to observe the operation of the system, it will be necessary to monitor the significant variables and to design a load for the system. The load must cool the system in one way or another to close the cycle. Those values that become impossible or difficult to measure could be simulated., Outgoing
Proyecto:


Técnicas de teledetección en el estudio de los cambios medioambientales que se producen en la criosfera

  • Gasca Martinez, Carolina
  • Jiménez Alarcon, Elena
Este proyecto realiza el estudio de la evolución de algunos de los glaciares más representativos del mundo a partir del análisis de imágenes Landsat comprendidas en un periodo de tiempo de aproximadamente dos décadas, descargando así la imagen mas antigua y la mas actual para cada glaciar con el fin de poder calcular el retroceso y perdida de superficie de estos. Los glaciares han sido escogidos en zonas de los Alpes Suizos, los Alpes Franceses, el Parque Nacional de los glaciares en Argentina, el golfo de Alaska y Groenlandia ya que estas zonas se caracterizan por su gran número de glaciares y estudios realizados. La aplicación de diferentes técnicas de Teledetección permite obtener resultados óptimos sobre el deshielo de los glaciares ya que tienen notables incidencias en estudios medioambientales de grandes extensiones. Permiten analizar y procesar las imágenes sin necesidad del trabajo de campo que no siempre es posible por la dificultad de acceso a la mayor parte de los glaciares.
Proyecto:


Centro de tratamiento de residuos urbanos en los Monegros

  • Mir Mir, María
El ejercicio estudia 3 frentes críticos del área en la que se ubica: búsqueda de actividades alternativas a un problema de creciente despoblación de la mayoria de los municipios de la agrupación, solucion al problema del exceso de agua existente en la zona por la implantación abusiva del regadio (y el consecuente cambio de los niveles freáticos de una zona semidesértica) y actuación dentro de un sistema de gestión de residuos insuficiente caracterizado por la ilegalidad. Por ello propone la creación de un centro de tratamiento de residuos sólidos urbanos en los Monegros, que da servicio a la agrupación 2 (comarcas del Bajo Cinca y Monegros) del plan de gestion integral de los residuos de Aragón, un centro de aproximadamente 13.000 metros cuadrados, que combina la parte industrial de los procesos de tratamiento con partes de investigación y actuaciones a pequeña escala.
Proyecto:


Diseño de un sistema de supervisión y control mediante PLC de un robot cartesiano de dos ejes eléctricos, que simula el taladrado y la inserción de pivotes en un proceso productivo de laboratorio

  • Herrera Cambeiro, Abel
El objetivo del proyecto es la realización de la automatización de una estación de trabajo de un proceso productivo simulado. Se plantea la necesidad de poder controlar y supervisar el funcionamiento de una estación de taladrado e insertado de pivotes, de forma que la selección de la posición de taladrado de los mismos sea seleccionable por el usuario. Se trata pues, de la programación de un robot tipo cartesiano de tres ejes, dos de ellos eléctricos (X e Y), y un tercero (Z) neumático.
Proyecto:


Estudi d’estalvi energetic amb la implantació d’una planta de microcogeneració per a un conjunt d’habitatges

  • Hervas Vilchez, Raul
En el present projecte s’estudiarà la viabilitat i l’estalvi energètic que es pot aconseguir amb la instal•lació d’una planta de microcogeneració per a un conjunct d’habitatges. Es compararan les diverses alternatives de planta per tal de obtenir el màxim rendiment en l’àmbit proposat. També es buscaran possibles solucions en el cas de parada de la planta, ja sigui per mal funcionament o per tasques de manteniment que requereixin la seva aturada. Es realitzarà un estudi comparatiu entre la planta de microcogeneració i una instal•lació tradicional de requeriments iguals. S’estudiarà principalment l’estalvi energètic, però també es tindran en compte l’àmbit econòmic i ambiental. El resultat final del present projecte és apropar una mica la cogeneració a l’àmbit domèstic, en el qual es poden estalviar recursos econòmics, energètics i sempre intentant mantenir el impacte ambiental al mínim nivell
Proyecto:


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