Modelación funcional y simulación numérica de sistemas no lineales

Este Proyecto Final de Carrera se desarrolla en el ámbito del análisis de sistemas dinámicos no lineales y particularmente intenta demostrar la validez de la transformación de la clásica ecuación dinámica con las matrices de masa, amortiguación y rigidez, que utiliza coordenadas espaciales, a la ecuación equivalente en coordenadas modales, que se utiliza habitualmente para desacoplar las ecuaciones dinámicas, y su aplicación a la resolución de problemas por elementos finitos. Esta transformación proviene del Análisis Modal de sistemas dinámicos y su ventaja radica en que la matriz modal es constante en cada configuración del sistema y sólo varía cuando cambia la configuración, por lo que es posible obviar las no linealidades del sistema presentes sobre todo en la matriz de rigidez. Si además consideramos que el Análisis Modal es capaz de simplificar la respuesta de un sistema considerando sólo unas pocas variables, los modos propios y sus frecuencias naturales, y que las más influyentes en la dinámica de los sistemas son los primeros modos propios, la conclusión es que la matriz modal se puede reducir enormemente considerando solamente estos primeros modos propios. Aplicando todas estas modificaciones en un modelo desarrollado en Matlab/Simulink, al final de este trabajo se puede comprobar cómo el cálculo es mucho más veloz con respecto al cálculo de un software comercial de elementos finitos como Abaqus/Explicit y que los errores cometidos son despreciables. La primera parte de este Proyecto Final de Carrera se enfoca en conocer en profundidad la técnica de reducción que estamos aplicando mediante la simulación de dos sistemas de masas distribuidas muy sencillos. Estos ejemplos nos han permitido comprobar por un lado que la evolución dinámica de los sistemas antes y después de la transformación es idéntica, lo cual es fundamental para continuar con el desarrollo, y por otro lado nos ha servido para detectar problemas sobre todo cuando el sistema cambia de una configuración a otra. En las simulaciones por elementos finitos es habitual que los sistemas cambien de configuración, por ejemplo, se consideran nuevas condiciones de contorno, se aplican fuerzas diferentes, los sistemas evolucionan dinámicamente ante estos cambios y hemos considerado importante tratar este aspecto en el modelo desarrollado. En un principio hemos considerado únicamente dos configuraciones o niveles, pero en futurostrabajos el método se desarrollará para considerar tantas configuraciones como sea necesario. La segunda parte se basa en la comparación de las simulaciones en Abaqus/Explicit y del modelo desarrollado en Matlab/Simulink de un impacto de una viga libre – articulada con un soporte cuando la viga desciende a causa de la fuerza gravitatoria. Esta comparación nos ha permitido comprobar la gran utilidad de este método dado que la solución es de gran similitud con la calculada por Abaqus. Dado que el modelo desarrollado considera únicamente el Análisis Modal, ha sido necesario superponer el movimiento como sólido rígido de la viga para compaarlo con Abaqus, por lo que el resultado final ha sido una composición de Análisis Modal con Análisis Dinámico de Sistemas Multicuerpo

Capillary-Fiber Based Electrophoretic Delivery Device

Organic electronic ion pumps (OEIPs) are versatile tools for electrophoretic delivery of substances with high spatiotemporal resolution. To date, OEIPs and similar iontronic components have been fabricated using thin-film techniques and often rely on laborious, multistep photolithographic processes. OEIPs have been demonstrated in a variety of in vitro and in vivo settings for controlling biological systems, but the thin-film form factor and limited repertoire of polyelectrolyte materials and device fabrication techniques unnecessarily constrain the possibilities for miniaturization and extremely localized substance delivery, e.g., the greater range of pharmaceutical compounds, on the scale of a single cell. Here, we demonstrate an entirely new OEIP form factor based on capillary fibers that include hyperbranched polyglycerols (dPGs) as the selective electrophoretic membrane. The dPGs enable electrophoretic channels with a high concentration of fixed charges and well-controlled cross-linking and can be realized using a simple one-pot fluidic manufacturing protocol. Selective electrophoretic transport of cations and anions of various sizes is demonstrated, including large substances that are difficult to transport with other OEIP technologies. We present a method for tailoring and characterizing the electrophoretic channels fixed charge concentration in the operational state. Subsequently, we compare the experimental performance of these capillary OEIPs to a computational model and explain unexpected features in the ionic current for the transport and delivery of larger, lower-mobility ionic compounds. From this model, we are able to elucidate several operational and design principles relevant to miniaturized electrophoretic drug delivery technologies in general. Overall, the compactness of the capillary OEIP enables electrophoretic delivery devices with probelike geometries, suitable for a variety of ionic compounds, paving the way for less-invasive implantation into biological systems and for healthcare applications.Funding Agencies|Swedish Foundation for Strategic Research; Swedish Government Strategic Research Area in Materials Science on Advanced Functional Materials at Linkoping University (Faculty Grant SFO-Mat-LiU) [2009-00971]; Onnesjo Foundation; Knut and Alice Wallenberg Foundation</p

All-Polymer Printed Low-Cost Regenerative Nerve Cuff Electrodes

Neural regeneration after lesions is still limited by several factors and new technologies are developed to address this issue. Here, we present and test in animal models a new regenerative nerve cuff electrode (RnCE). It is based on a novel low-cost fabrication strategy, called "Print and Shrink", which combines the inkjet printing of a conducting polymer with a heat-shrinkable polymer substrate for the development of a bioelectronic interface. This method allows to produce miniaturized regenerative cuff electrodes without the use of cleanroom facilities and vacuum based deposition methods, thus highly reducing the production costs. To fully proof the electrodes performance in vivo we assessed functional recovery and adequacy to support axonal regeneration after section of rat sciatic nerves and repair with RnCE. We investigated the possibility to stimulate the nerve to activate different muscles, both in acute and chronic scenarios. Three months after implantation, RnCEs were able to stimulate regenerated motor axons and induce a muscular response. The capability to produce fully-transparent nerve interfaces provided with polymeric microelectrodes through a cost-effective manufacturing process is an unexplored approach in neuroprosthesis field. Our findings pave the way to the development of new and more usable technologies for nerve regeneration and neuromodulation