Materiales Porosos por Impresión 3D a base de Mezclas de PLA/PHB e Híbridos de Hidroxiapatita-Ag-ZnO, Dirigidos hacia su Aplicación en Andamios Óseos

Katia Dafne Daniela Martínez López (2022, [Tesis de maestría])

1. RESUMEN Se reporta el desarrollo de materiales porosos por 3D a base de mezclas de PLA/PHB e híbridos de hidroxiapatita-Ag-ZnO (HAp-Ag-ZnO), dirigidos hacia su aplicación como andamios óseos. Primero, se desarrolló un procedimiento novedoso para síntesis in situ de nanopartículas de Ag (Ag-NPs) y ZnO (ZnO-NPs) sobre HAp; En esta etapa del proyecto se evaluaron diferentes proporciones de los precursores Ag-ZnO/HAp a fin de controlar la morfología, distribución y relación entre las Ag-NPs, ZnO-NPs y la HAp. Las propiedades cristalográficas y morfológicas se caracterizaron por difracción de rayos X (DRX) y microscopía electrónica de transmisión (TEM). Las interacciones químicas entre los componentes de los nanohíbridos de HAp-Ag-ZnO se estudiaron mediante espectroscopía de fotoelectrones emitidos por rayos X (XPS). Se formularon en fundido mezclas de PLA/PHB (75:25 m/m) y nanohíbridos de HAp-Ag-ZnO (1% m/m con respecto a la mezcla PLA/PHB), y se manufacturaron filamentos de 1.75 mm de diámetro, aptos para su uso en impresión 3D. Adicionalmente se obtuvieron filamentos de PLA/PHB y de PLA/PHB e HAp (1 % m/m), para fines comparativos. Se evaluaron las propiedades mecánicas de especímenes obtenidos por impresión 3D, ante cargas de compresión a fin de determinar el efecto de la incorporación de los nanohíbridos de HAp-Ag-ZnO. Finalmente, se manufacturaron prototipos porotos por impresión 3D y se evaluó su capacidad de inhibición bacteriana contra E. coli y S. aureus. Estos prototipos se sometieron a un tratamiento superficial con plasma de argón, a fin de exponer las nanopartículas híbridas. La síntesis in situ desarrollada en marco de esta tesis dio lugar a material híbrido constituido por HAp (tamaño promedio de ~40 nm) con Ag-NPs y ZnO-NPs depositadas aleatoriamente. Las Ag-NPs exhibieron una estructura cúbica centrada en las caras mientras que las ZnO-NPs estuvo presente en su fase Wurtzita. El análisis cristalográfico y por XPS sugiere que existe un dopado con átomos de Zn y Ag en la estructura de la HAp. Las propiedades mecánicas a compresión de la mezcla PLA/PHB no sufrieron disminución con la incorporación de los nanohíbridos de HAp- Ag-ZnO.

El módulo elástico alcanzado en los materiales porosos coincide con el del hueso trabecular/esponjoso, lo cual es deseable para su uso en andamios óseos. Se obtuvo una inhibición antibacteriana del 90% para E. Coli y 30% para S. aureus, la cual incrementó en ambos casos hasta un 100 % después del tratamiento con plasma de argón. Los resultados indican que los materiales desarrollados en este trabajo tienen un gran potencial para la ingeniería de tejidos óseos.

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Modelado y optimización de la conductividad térmica, conductividad eléctrica y propiedades de tensión de compuestos de HDPE-partículas de carbono medianteherramientas de inteligencia artificial

Edgar Miguel García Carrillo (2022, [Otro, Trabajo de grado, doctorado])

En el diseño de compuestos poliméricos, es de gran interés poder predecir y optimizar sus propiedades térmicas, eléctricas y mecánicas, antes de su fabricación, con el fin de reducir el trabajo experimental y de obtener materiales con mejor desempeño para diversas aplicaciones. Sin embargo, esta tarea es complicada debido al comportamiento complejo y no lineal de las propiedades de los compuestos. En este trabajo se desarrollaron redes neuronales artificiales (RNA) como modelos de predicción con el objetivo de aproximar la conductividad térmica, la conductividad eléctrica y las propiedades de tensión de compuestos de polietileno de alta densidad (HDPE) adicionados con partículas de carbono (PC). En la implementación de estos modelos se utilizaron datos obtenidos experimentalmente. Los compuestos fueron preparados mediante mezclado en fundido, utilizando cuatro tipos de partículas de carbono de distinta geometría a diferentes concentraciones. Las RNA de tipo perceptrón multicapa (MLP), entrenadas mediante el algoritmo Levenberg-Marquardt y con una sola capa oculta mostraron el mejor desempeño predictivo. Los modelos de RNA mostraron una buena correlación entre los datos experimentales y simulados, lo cual está evidenciado por factores de correlaciones superiores a 0.97 en los datos de prueba. Además, los modelos de predicción de la conductividad térmica y del módulo elástico basados en RNA se ajustaron en mayor medida a los datos experimentales en comparación con modelos analíticos reportados en la literatura. También, se determinó el impacto relativo de cada variable de entrada sobre las propiedades de los compuestos, a través del tratamiento de los pesos sinápticos de las RNA mediante el método connection weight. Las ecuaciones derivadas de las RNA se utilizaron como funciones de ajuste de un algoritmo genético multi- objetivo (MOGA) con el fin de optimizar los parámetros de diseño que permiten maximizar la conductividad térmica y el módulo elástico, así como minimizar la conductividad eléctrica de los compuestos. Como resultado de la optimización, se obtuvo un conjunto de soluciones óptimas que pertenecen a la frontera de Pareto. Una prueba de conformidad se llevó a cabo para validar la capacidad de optimización del método de algoritmos genéticos.

Finalmente, este modelo podría ser adaptado para su aplicación en otras propiedades de compuestos, así como en un intervalo de variables extendido.

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Development of Multifunctional Polymeric Catalyst and their Application In Polyester Recycling (Desarrollo de Catalizadores Poliméricos Multifuncionales y su Aplicación en la Depolimerización de Poliésteres)

VICTOR DANIEL LECHUGA ISLAS (2022, [Otro, Trabajo de grado, doctorado])

This thesis was conducted at the Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA, Mexico), and the Laboratory of Organic and Macromolecular Chemistry (IOMC), Friedrich Schiller University Jena (FSUJ, Germany), both institutions are gratefully acknowledged.

This project would not have been possible without the support of many people. I am foremost grateful to my supervisors: Dr. Carlos Guerrero Sánchez for his outstanding ideas, guides, help, and prolific supervision during this project, and Dr. Ramiro Guerrero Santos for his constructive comments and vision to strive toward excellent research. I had a great time during this project. Thank you for all the confidence you entrusted me with.

I also would like to acknowledge the Department of Macromolecular Chemistry and Nanomaterials at CIQA, a special thanks to M.S. Hortensia Maldonado T., and B.S. Judith Cabello R., for their helpful assistance during the beginning of this project. Thanks also to the people who helped me with all the administration work at the Coordinación de Posgrado at CIQA, including Dr. Leticia Larios, M.S. Aída E. García, and Nancy Espinosa.

I thank Prof. Dr. Ulrich S. Schubert and his group for giving me the opportunity to do part of my PhD thesis at the Friedrich Schiller University Jena (FSUJ), Germany. It was a special pleasure for me to work and collaborate in the group.

I am also grateful to my committee: Dr. Dámaso Navarro, Dr. Ramón Díaz, and Dr. Ricardo Acosta for fruitful discussions, valuable suggestions, and expert advice to enrich this work. I hope I have learned and applied several of your teachings here and in future projects.

Moreover, I am also grateful to the always supportive staff at CIQA and FSUJ. Special thanks to Dr. Jesus Lara and Steffi Stumpf for their assistance with SEM analysis, Carolin Kellner for cytotoxicity studies, Renzo Paulus for his assistance with thermal

studies, Sandra Köhn for EA measurements, Katja Gattung and Ulrike Kaiser for all the paperwork in Jena, Dr. Grit Festag for SEC measurements, Dr. Johannes C. Brendel, Dr. Ivo Nischang for AUC measurements and great collaboration, and Dr. Jürgen Vitz for his kind support during my stay in Jena.

For the good times and collaboration, I also wish to thank my colleagues and friends at CIQA and FSUJ. A special thanks to Alicia de San Luis, Carolina Ventura, César Muñoz, Claude St. Thomas, Ilya Anufriev, Jens Ulbrich, Julien Alex, Luana Vieira, Marco De Jesus, Miguel Carrillo, Roberto Yañez, Paulina Lugo, Paul Klemm and to all who directly or indirectly have lent their hand in this venture. Thank you, muchas gracias, danke schön!

I am especially grateful to my family for providing me with unfailing support and continuous help throughout my years of study. This accomplishment would not have been possible without them. I wish to express my deepest gratitude to Melisa Trejo, her love, dedication, and encouragement have sustained and uplifted me to continue with this and our wonderful life project. Thank you!

And of course, I wish to express my gratitude for financial support to the Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) and the Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD) through the research grant: Bi-nationally supervised Doctoral Degrees / Cotutelle.

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Estudio de la incorporación de arcilla de paligorskita, recubierta con poliurea en estructuras núcleo, coraza, y su efecto sobre las propiedades fisicomecánicas y de inflamabilidad en sistema PLA/EVA

Gerardo Pozos Sánchez (2022, [Tesis de maestría])

En el presente trabajo se discute el efecto de la paligorskita (PLG) en conjunto con el polifosfato de amonio (APP) (sistema retardante a la flama (SRF)) ambos recubiertos con poliurea, mediante su morfología y sus propiedades mecánicas, térmicas y antiflama, cuando se incorpora a una matriz polimérica de PLA/EVA. Como primera etapa se realizó el lavado de la paligorskita seguido de la modificación química de su superficie con el agente de acoplamiento 3- (Glicidiloxipropil) trimetoxisilano –GPTMS, esto para que la hidrofobicidad de la PLG no fuera un impedimento para recubrirla con poliurea. Seguido de eso se generó un diseño de experimentos en el cual se bosquejo lo siguiente: 4 formulaciones donde se variaron la concentración de PLG modificada con silano y APP y 4 formulaciones donde se varió la concentración de PLG sin modificar y APP, la variación de la PLG modificada y sin modificar fue de un 6% y 9%, mientras que la variación del APP es de un 3% y 4%. A las 8 formulaciones descritas previamente se les realizó la metodología de microencapsulación.

Se utilizó FTIR para poder comprobar la modificación de la PLG y la formación de la poliurea, seguido de la caracterización mediante SEM donde se observó el recubrimiento de las partículas de la PLG ya sea modificada y sin modificar junto con las de APP, después realizó el mezclado de PLA/EVA con cada una de las formulaciones propuestas, seguido a eso se realizó una inspección visual para notar la variación de color seguido de SEM para observar si hubo dispersión del SRF.

Se realizó la evaluación de las propiedades mecánicas mediante DMA donde se observó que las formulaciones [9plgM&4APP]E y [9plgS&4APP]E presentaron un aumento de su módulo de almacenamiento y en la prueba de tensión elongación, se observó que la rigidez de ambos se modificó a valores mayores comparados con PLA/EVA, culminando con el análisis del comportamiento a la flama donde [9plgM&4APP]E no presentó velocidad de quemado y se comprueba con el pico de velocidad de liberación de calor (pHRR) donde esta misma mostró una disminución de pHRR de un 36.30%.

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SULFONACIÓN Y ENTRECRUZAMIENTO DE COPOLIMEROS ESTIRENO – ACRILATO DE BUTILO PARA SU APLICACIÓN COMO MEMBRANAS ELECTROLÍTICAS

Luana Francisco Vieira (2022, [Tesis de doctorado])

RESUMEN La membrana polimérica de intercambio protónico (PEM) es el componente principal de las celdas de combustible y sus funciones principales son permitir el transporte de los protones y prevenir el paso de los electrones, actuando como un separador entre los electrodos. En este trabajo, se presentan los resultados de la síntesis y caracterización de copolímeros de estireno – acrilato de butilo (StBuA) obtenidos a partir de la polimerización en masa vía radicales libres, con distintas relaciones molares entre comonómeros: 90:10, 80:20 y 70:30, siendo la de mayor concentración el comonómero de St. Los materiales obtenidos fueron modificados mediante sulfonación empleando dos agentes sulfonantes distintos: ácido sulfúrico (S) y sulfato de acetilo (AcS), a diferentes tiempos de reacción entre 2-5 h. La concentración del sulfonante varió entre 50, 100 y 150% mol, en relación con la cantidad molar de St. A partir de los copolímeros se obtuvieron membranas mediante el método doctor blading con espesores entre 150 a 200 μm. Posteriormente, se realizó la modificación de las membranas mediante radiación-γ a 50 kGy. Los copolímeros se caracterizaron mediante análisis de FTIR, RMN 1H, GPC, TGA y DSC, mientras que las propiedades mecánicas y morfología de las membranas se evaluaron por TMA y SEM. Las propiedades como membranas fueron evaluadas en términos de capacidad de intercambio iónico (IEC), retención de agua (WU) y conductividad protónica. La polimerización y sulfonación de los copolímeros fue confirmada a través de la presencia de los grupos funcionales de las unidades repetitivas de ambos comonómeros, además del ensanchamiento de las bandas de absorción características de los grupos sulfónicos en los espectros de FTIR. Adicionalmente, se confirmó la composición real de los copolímeros a partir de RMN 1H, obteniendo los valores de 89:11, 80:20 y 71:29 de St y BuA, respectivamente. Las membranas sulfonadas mostraron excelente estabilidad térmica hasta 150 ºC y Tg que varió entre 72 a 128 ºC. Las propiedades de IEC fueron similares y hasta superiores a la membrana comercial de Nafion®, con valores de IEC de 1.98 a 1.83 meq∙g-1 para el copolímero StBuA 8020 con 100% de sulfonación a un tiempo de 5h, con S y AcS, que corresponden a grados de sulfonación (DS) de 56 y 50%, respectivamente.

FTIR, RMN 1H, GPC, TGA y DSC, mientras que las propiedades mecánicas y morfología de las membranas se evaluaron por TMA y SEM. Las propiedades como membranas fueron evaluadas en términos de capacidad de intercambio iónico (IEC), retención de agua (WU) y conductividad protónica. La polimerización y sulfonación de los copolímeros fue confirmada a través de la presencia de los grupos funcionales de las unidades repetitivas de ambos comonómeros, además del ensanchamiento de las bandas de absorción características de los grupos sulfónicos en los espectros de FTIR. Adicionalmente, se confirmó la composición real de los copolímeros a partir de RMN 1H, obteniendo los valores de 89:11, 80:20 y 71:29 de St y BuA, respectivamente. Las membranas sulfonadas mostraron excelente estabilidad térmica hasta 150 ºC y Tg que varió entre 72 a 128 ºC. Las propiedades de IEC fueron similares y hasta superiores a la membrana comercial de Nafion®, con valores de IEC de 1.98 a 1.83 meq∙g-1 para el copolímero StBuA 8020 con 100% de sulfonación a un tiempo de 5h, con S y AcS, que corresponden a grados de sulfonación (DS) de 56 y 50%, respectivamente. Para esta misma composición, la absorción de agua (WU) mostró una variación de 79 a 68% para las sulfonadas con S. La conductividad protónica (σ) de las membranas mostraron valores competitivos con la membrana de Nafion®, presentando una diferencia de solo dos órdenes de magnitud, por ejemplo, σ de 6.18 x10-4 S∙cm-1 para 9010 – 50%AcS y 5.73 x10-4 S∙cm-1 7030 – 100%S, ambos con 2h de sulfonación. El efecto de la sulfonación en las propiedades mecánicas, evaluado mediante TMA, genera membranas más flexibles al parecer por el efecto plastificante de los grupos sulfónicos en la estructura del copolímero. Los estudios mediante SEM mostraron una morfología densa, sin huecos y con pliegues para la membrana sin sulfonar, pero en las sulfonadas, con ambos agentes sulfonantes, se observaron puntos blancos acumulados y dispersos en la superficie de la membrana, los cuales fueron asignados al entrecruzamiento tipo sulfona resultado de las reacciones secundarias ocurridas durante la sulfonación. Las membranas irradiadas mostraron una considerable reducción en los valores de intercambio iónico, con valores de IEC entre 0.42 a 0.07 meq∙g-1, correspondientes a las membranas StBuA 7030 y StBuA 8020, ambas con 100% de sulfon

obteniéndose 1.62 x10-4 a 3.61 x10-4 S∙cm-1 antes y después de la irradiación, para la membrana StBuA 8020-100%AcS. Finalmente, las propiedades mecánicas se vieron afectadas por la irradiación, resultando en membranas más frágiles resultado de la escisión de las cadenas que ocurre durante el procedimiento, destacándose la composición de StBuA 8020 sulfonada con AcS con un incremento de 405 a 1159 MPa a un tiempo de 2h y de 1024 a 1379 MPa a 5h de sulfonación. Las membranas obtenidas mostraron características promisoras para la aplicación en sistemas electrolíticos. La composición del copolímero es importante para las reacciones de sulfonación, ya que a mayor contenido de St en el polímero, se obtienen materiales con alto nivel de sulfonación, las cuales resultan entrecruzadas en algunos casos. Ambos agentes sulfonantes efectivamente sulfonaron los copolímeros, aunque los sulfonados con ácido sulfúrico (S) resultaron en membranas con altos valores de IEC además conductividades muy cercanas a la membrana comercial. Para todos los copolímeros con niveles de sulfonación moderado, 50 y 100% y todos los tiempos, fue posible la formación de membranas con espesores que variaron de 100-200 μm, sin afectar negativamente su integridad mecánica. También mostraron propiedades térmicas estables hasta 150 ºC, útiles para los dispositivos electroquímicos que operan a temperaturas entre 25 a 120 ºC. Finalmente, es factible preparar copolímeros de StBuA, viables económicamente y de metodología fácil para obtener materiales capaces de formar membranas delgadas y de características similares a la comercial (Nafion®) utilizada actualmente.

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“Desarrollo de un Biosensor Electroquimioluminiscente para la detección de Fosfato proveniente de Sistemas de Fertilizantes de Base Fósforo Microencapsulados en Matrices de Almidón de Maíz y Cera de Candelilla”

Jimena Borja Camacho (2022, [Tesis de maestría])

La contaminación del agua por eutrofización es una problemática global y con mayor frecuencia se encuentran zonas afectadas por este proceso. Los principales causantes de este fenómeno son los nutrientes fósforo (P) y nitrógeno (N) provenientes del uso indiscriminado o inapropiado de fertilizantes. La tecnología de “liberación controlada-lenta de fertilizantes” por medio de encapsulamiento, está emergiendo como una nueva estrategia para hacer más eficiente el uso de fertilizantes, y así disminuir la contaminación de aguas. Igualmente se busca el uso de matrices biodegradables y materia prima proveniente de fuentes renovables y de bajo costo. El grupo de investigación de Materiales Avanzados de CIQA ha generado diversos sistemas microencapsulados a base de biopolímeros, mediante tecnologías de secado por atomización y pulverización por enfriamiento. Los métodos actuales para la detección del ión fosfato son poco selectivos y requieren procedimientos complejos. Por esta razón, se realizó un diseño experimental para el desarrollo de un biosensor electroquimioluminiscente (ECL) como una herramienta selectiva para la determinación y cuantificación del ión fosfato, con el objetivo de monitorear los perfiles de liberación de dos matrices a base de un fertilizante fosfatado bajo distintas condiciones de pH.

Para ello se ha escogido una reacción bioquímica catalizada por la enzima Fosfatasa alcalina (ALP), la cual bajo condiciones específicas puede ser inhibida por el ión fosfato. Se han utilizado electrodos serigrafiados para la aplicación de las técnicas de voltametría cíclica para el sistema ECL con luminol acoplada a un sistema biológico. Adicionalmente, el ácido fítico funge como sustrato de la reacción para generar ácido fosfórico el cual tiene un efecto de decaimiento en la emisión de luz del luminol, de modo que fue posible desarrollar un biosensor para la detección de fosfato mediante un sistema on/off. De acuerdo con los resultados obtenidos el método desarrollado para detección del ión fosfato presenta una respuesta favorable, se observa que los perfiles de liberación a base de cera de candelilla permiten una liberación más lenta de fertilizante comparado con los encapsulados a base de goma de mezquite. El biosensor desarrollado en este trabajo permite cuantificar de manera rápida el contenido de fosfato con una desviación del 28.81 % respecto al valor obtenido con la técnica analítica por absorción atómica. Palabras claves: Biopolímeros, spray-drying, liberación controlada, electroquimioluminiscencia (ECL).

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Polydomus karssenii gen. nov. sp. nov. is a dark septate endophyte with a bifunctional lifestyle parasitising eggs of plant parasitic cyst nematodes (Heterodera spp.)

Samad Ashrafi Abdelfattah DABABAT Maria Finckh Marc Stadler Wolfgang Maier (2023, [Artículo])

Plant Parasitic Nematodes Nematode's Egg Parasites CIENCIAS AGROPECUARIAS Y BIOTECNOLOGÍA ENDOPHYTES NEMATOPHAGOUS FUNGI NEW SPECIES PHYLOGENY PLANT NEMATODES TAXONOMY

Facilitating mechanization for sustainable intensification using service provider models: lessons from the global south

Md Abdul Matin (2023, [Objeto de congreso])

CIENCIAS AGROPECUARIAS Y BIOTECNOLOGÍA SUSTAINABLE INTENSIFICATION MECHANIZATION ENTERPRISES FARMERS

Efficacy of plant breeding using genomic information

Osval Antonio Montesinos-Lopez Alison Bentley Carolina Saint Pierre Leonardo Abdiel Crespo Herrera Morten Lillemo Jose Crossa (2023, [Artículo])

Genomic Selection Genomic Prediction Genomic Best Linear Unbiased Predictor CIENCIAS AGROPECUARIAS Y BIOTECNOLOGÍA PLANT BREEDING GENOMICS MARKER-ASSISTED SELECTION ENVIRONMENT

Partial least squares enhance multi-trait genomic prediction of potato cultivars in new environments

Rodomiro Ortiz Paulino Pérez-Rodríguez Osval Antonio Montesinos-Lopez Jose Crossa (2023, [Artículo])

Potato Traits Cross-Validation Breeding Data CIENCIAS AGROPECUARIAS Y BIOTECNOLOGÍA LEAST SQUARES METHOD POTATOES ENVIRONMENT PLANT BREEDING