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000135947 1001_ $$aPorta Velilla, Luis
000135947 24500 $$aDevelopment of surface nanomodification processes of 316L austenitic stainless steel to improve its antibacterial behaviour
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000135947 520__ $$aEl uso continuado de antibióticos en las últimas décadas ha provocado un aumento de la resistencia bacteriana. Especialmente en entornos médicos, la aparición de bacterias con resistencias múltiples se ha convertido en una amenaza importante. Entre estos entornos, el quirófano requiere una atención especial, ya que cualquier abertura en el cuerpo humano conlleva un riesgo de infección. En algunos casos, tras una intervención quirúrgica, aparece una infección y es necesaria una segunda cirugía para eliminar cualquier pieza infectada y esterilizar la zona, convirtiéndose en una amenaza para el paciente.<br />Por lo general, la interacción entre los antibióticos y las bacterias es química. En consecuencia, la resistencia está asociada a modificaciones del metabolismo bacteriano. En cambio, las estructuras mecánicas de la célula permanecen inalteradas. Partiendo de esta idea, en los últimos años los investigadores han centrado sus esfuerzos en la modificación de la superficie de los materiales para generar estructuras que impidan físicamente la fijación de las bacterias (antifouling) o que directamente las maten (bactericidas).<br />De las múltiples técnicas disponibles para modificar una superficie, esta tesis se ha centrado en la nanoestructuración de la superficie del acero inoxidable SS316L mediante irradiación con un láser ultravioleta (UV) de pulsos cortos (duración del pulso de 300 ps y una longitud de onda de 355 nm). Esta aleación se utiliza ampliamente en la fabricación de prótesis e instrumentos quirúrgicos. Además, las superficies nanoestructuradas se han recubierto con nanopartículas de oro que se calientan cuando se irradian con un láser de longitud de onda concreta, lo que mejora la capacidad antibacteriana de la superficie.<br />Para la obtención de estas estructuras complejas, el trabajo presentado en esta tesis se ha dividido en dos partes. La primera parte se centra en la formación de nanoestructuras en la superficie del acero mediante la irradiación con un láser pulsado, mientras que la segunda describe la caracterización de las propiedades fototérmicas de diferentes nanopartículas con el fin de controlar y seleccionar las más adecuadas para colocar sobre la superficie nanoestructurada.<br />Esta tesis doctoral se ha organizado en diez capítulos con la siguiente estructura:<br />El primer capítulo sirve de introducción, destacando las propiedades distintivas de los biomateriales y sus requisitos. Uno de los principales objetivos ha sido describir cómo la modificación de la superficie es esencial para alcanzar tales requisitos e incluso obtener propiedades adicionales. El capítulo también incluye una breve descripción de las estructuras bacterianas y los mecanismos que utilizan para interactuar y unirse a las superficies. Además de la descripción de las primeras superficies antibacterianas bioinspiradas creadas en laboratorio, el capítulo también describe el estado del arte en lo referente al uso de nanopartículas de oro, inicialmente como agentes antitumorales y posteriormente en aplicaciones antibacterianas. El capítulo termina con la descripción de algunos estudios pioneros sobre su deposición sobre superficies cerámicas y poliméricas.<br />Como trabajo centrado en la capacidad antibacteriana de las superficies, el segundo capítulo recopila las técnicas de caracterización de superficies desarrolladas en esta tesis. El principal resultado presentado en este capítulo es la definición de un nuevo protocolo para medir la viabilidad de bacterias sobre superficies. Partiendo de un procedimiento inicial basado en los protocolos descritos en la literatura, cada paso del protocolo ha sido revisado y modificado con el objetivo de mejorar la reproducibilidad de los resultados y reducir la dispersión inherente al trabajo con bacterias. Este trabajo también incluye una verificación del protocolo, comparando los resultados con un método habitualmente utilizado en la literatura, el ensayo de vivas/muertas. En cuanto a otras técnicas de caracterización, la influencia de la orientación cristalográfica de los granos presentes en la superficie del acero ha jugado un papel esencial en la definición de los procedimientos láser para generar nanoestructuras antibacterianas. Dado que esta interacción no se ha estudiado en profundidad en la literatura, se ha definido una metodología completamente nueva. El capítulo continúa con la descripción del procedimiento empleado para evaluar la iridiscencia de una superficie nanoestructurada y obtener información de su calidad. Para terminar, el capítulo incluye una explicación detallada del montaje y la metodología utilizados para estimar las propiedades fototérmicas de las nanopartículas, utilizando un calorímetro diferencial de barrido (DSC). El capítulo incluye las modificaciones del montaje y de la preparación de la muestra para mejorar la fiabilidad de los resultados y su medida.<br />Los resultados asociados a la primera parte de la tesis se presentan en los capítulos 3 a 6. El tercer capítulo sirve de introducción al tratamiento láser de superficies, incluyendo las propiedades inherentes a la radiación láser y los parámetros esenciales necesarios para controlar el rendimiento del tratamiento láser. Dado que el objetivo final era tratar superficies (áreas 2D), en este capítulo también se definen los parámetros utilizados para controlar la distribución de la energía sobre la superficie, incluyendo consideraciones para un posible escalado industrial.<br />El cuarto capítulo se centra en la descripción de los sistemas láser que se han utilizado en esta tesis y en la optimización de los parámetros de procesado para generar nanoestructuras sobre la superficie del acero. El proceso de optimización se realizó teniendo en cuenta los requisitos adicionales del acero asociados a su contacto con seres vivos y fluidos biológicos, como, por ejemplo, el mantenimiento de su resistencia a la corrosión. El capítulo finaliza con la definición de un conjunto óptimo de parámetros de procesado, que produce nanoestructuras sin deteriorar el resto de propiedades del material.<br />Los tratamientos láser optimizados han sido capaces de generar nanoestructuras en un determinado porcentaje de granos. El quinto capítulo describe la interacción entre la orientación cristalográfica de los granos de SS316L y las nanoestructuras formadas. En este capítulo, se ha estudiado la influencia de la orientación cristalográfica con tres ángulos de incidencia diferentes (0o, 30o, 45o). Además, también se ha considerado la posición relativa de la muestra con respecto a la dirección de polarización del láser (polarización s o p). La comprensión de esta interacción ha permitido diseñar tratamientos láser que incluyen dos barridos láser en los cuales el segundo paso es capaz de generar nuevas nanoestructuras sin destruir las estructuras formadas durante el primero.<br />El sexto capítulo cierra la primera parte de la tesis con el estudio de las propiedades antibacterianas de las superficies modificadas con los tratamientos descritos en los capítulos anteriores. Se ha comparado la capacidad antibacteriana de los tratamientos de dos barridos con el comportamiento de las muestras procesadas con un solo paso. Además, con el fin de comparar con otros láseres comúnmente utilizados en la literatura, también se han estudiado las propiedades antibacterianas de superficies tratadas con un láser de femtosegundos (fs), incluyendo algunos experimentos que muestran la influencia de la rugosidad superficial. Algunos de estos resultados se han corroborado con un experimento de vivas/muertas.<br />Los resultados finales presentados en el capítulo seis indican que es posible mejorar las propiedades antibacterianas de las superficies de acero inoxidable con un acabado recocido brillante (BA) mediante tratamientos con un láser UV de 300 picosegundos (ps). Con el fin de proponer nuevas estrategias que aumenten la reducción de bacterias viables sobre la superficie, la segunda parte de la tesis (capítulos 7 a 10) se centra en el estudio de las propiedades fototérmicas de las nanopartículas.<br />El capítulo siete muestra una introducción a la hipertermia, incluyendo los conceptos básicos y una descripción de los procesos que controlan la transformación de la energía electromagnética incidente en calor. Debido a sus propiedades especiales, el capítulo se centra especialmente en la descripción de estos procesos en el caso de nanopartículas. El capítulo finaliza con la descripción del coeficiente de absorción específico (SAR) y la eficiencia fototérmica (), los dos principales parámetros utilizados para describir las propiedades fototérmicas de las nanopartículas.<br />Para obtener dichas propiedades en base a las medidas realizadas mediante foto-DSC, en el capítulo ocho se ha desarrollado un modelo matemático especialmente adaptado a dicho tipo de medidas con el objetivo de estimar el SAR y la eficiencia fototérmica a partir de los datos brutos medidos por el DSC. Además, el capítulo también incluye la metodología necesaria para simular las propiedades fototérmicas de nanopartículas utilizando el modelo Discrete Dipole Approximation (DDA), incluyendo consideraciones adicionales para geometrías complejas, suspensiones polidispersas y partículas compuestas por más de un material.<br />En el capítulo nueve se ha empleado la metodología descrita en el capítulo anterior para caracterizar suspensiones de nanopartículas con tres geometrías diferentes. Inicialmente, el estudio se ha centrado en nanoesferas de oro (GNSs) porque tienen la geometría más simple incluyendo además una baja polidispersión. Esta investigación también incluye un estudio computacional sobre la influencia de los recubrimientos en las propiedades fototérmicas de las partículas y su comparación con resultados experimentales. En la segunda parte, se han caracterizado suspensiones de nanovarillas de oro (GNRs). Este estudio se ha centrado principalmente en la influencia de la forma de la partícula y la polidispersión de la suspensión sobre la longitud de onda de resonancia y cómo ésta modifica las propiedades fototérmicas para determinadas longitudes de onda, siendo especialmente interesantes las comprendidas en la ventana biológica. Finalmente, el capítulo termina con el estudio de nanooctaedros de óxido de hierro que, en comparación con el oro, presentan un mecanismo de conversión de luz en calor diferente. Además, producto de una colaboración con otros grupos de investigación, también se ha estimado el SAR y la eficiencia de estas suspensiones de óxido de hierro con el fin de comparar los resultados obtenidos y demostrar la fiabilidad del nuevo método de medida.<br />El capítulo diez describe la sinergia de combinar las nanoestructuras generadas por láser y la adición de nanopartículas. En la primera parte del capítulo se describen los protocolos para depositar y fijar las nanoesferas sobre las superficies texturadas con láser y la evaluación de su capacidad antibacteriana. La nueva metodología propuesta se ha probado inicialmente utilizando nanopartículas de plata debido a sus propiedades antibacterianas inherentes. Los resultados satisfactorios obtenidos en esta prueba de concepto animaron a utilizar la misma metodología para depositar y unir GNSs. Las propiedades fototérmicas de las nanopartículas de oro dependen de su interacción con el entorno. Por este motivo, las superficies tratadas con láser con las nanopartículas depositadas han sido analizadas mediante foto-DSC. Finalmente, se han correlacionado las propiedades fototérmicas medidas con la capacidad antibacteriana de las superficies.<br />La tesis finaliza con la recopilación de las principales conclusiones de este trabajo y una ligera revisión de posibles líneas de investigación futuras.<br />
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000135947 521__ $$97098$$aPrograma de Doctorado en Ingeniería Biomédica
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000135947 692__ $$aGarantizar una vida saludable y promover el bienestar para todos y todas en todas las edades. Desarrollar infraestructuras resilientes, promover la industrialización inclusiva y sostenible, y fomentar la innovación.
000135947 700__ $$aAngurel Lambán, Luis Alberto $$edir.
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