Ultrashot Pulse Laser-Induced Photodynamics and Microprocessing of Elastomers for Biomedical Engineering
[ES] Esta tesis se centra principalmente en la generación, detección, caracterización y aplicación eficientes de pulsos láser ultracortos en el procesamiento de diversos materiales para aplicaciones biológicas y médicas. Para ello, se empleó un oscilador láser de Ti:Zafiro amplificado mediante un si...
| Autor: | |
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| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Fecha de publicación: | 2025 |
| País: | España |
| Institución: | Universidad de Salamanca (USAL) |
| Repositorio: | GREDOS. Repositorio Institucional de la Universidad de Salamanca |
| OAI Identifier: | oai:gredos.usal.es:10366/169591 |
| Acceso en línea: | http://hdl.handle.net/10366/169591 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Tesis y disertaciones académicas Universidad de Salamanca (España) Tesis Doctoral Academic dissertations Pulsos láser Fluorescencia Ablación láser de femtosegundo Membranas porosas de PDMS Laser pulses Fluorescence Femtosecond laser ablation Porous PDMS membranes 2209.10 láseres |
| Sumario: | [ES] Esta tesis se centra principalmente en la generación, detección, caracterización y aplicación eficientes de pulsos láser ultracortos en el procesamiento de diversos materiales para aplicaciones biológicas y médicas. Para ello, se empleó un oscilador láser de Ti:Zafiro amplificado mediante un sistema de amplificación de pulsos, logrando duraciones de pulso cortas en el rango de femtosegundos, con una frecuencia de repetición de 5 kHz y una energía de hasta 1,6 mJ por pulso. Estos pulsos se sintonizan espectralmente mediante un amplificador paramétrico. La longitud de onda del pulso se modula mediante procesos no lineales, lo que permite sintonizarlo en un rango de 240 a 2400 nm. Este mecanismo permite que el láser de Ti:Zafiro sirva como fuente de pulsos ópticos ultracortos. Instrumentos como FROG o SPIDER se utilizan habitualmente para identificar pulsos ultracortos. Estos pulsos se caracterizan por su duración extremadamente corta, lo que permite la monitorización de procesos físicos, químicos y biológicos ultrarrápidos. Además, presentan un amplio ancho de banda espectral, alta intensidad y energía de pico debido a su concentración en un período de tiempo reducido. Se han caracterizado y optimizado numerosos parámetros experimentales, como el tamaño y la potencia del haz láser, la geometría de enfoque, el tiempo de tratamiento, las fibras ópticas utilizadas, entre otros, para lograr los objetivos deseados. Recientemente, las técnicas ópticas se han aplicado ampliamente en el diagnóstico, pronóstico y tratamiento médicos. Diversas técnicas de imagen óptica y espectroscopía han alcanzado un éxito significativo en la investigación médica y biológica. La fluorescencia con resolución temporal es una de estas técnicas y constituye una herramienta poderosa para el estudio de tejidos y células. El primer capítulo de esta tesis describe la fluorescencia con resolución temporal de dos muestras diferentes, BODIPY y DEXTRAN-TR, tras la excitación con un haz láser ultrarrápido. Optimizamos la configuración experimental para las mediciones de fluorescencia de los fluoróforos BODIPY y DEXTRAN-TR y diseñamos un programa MATLAB que permite la reconstrucción de la función de fluorescencia real. Este enfoque busca que esta técnica sea compatible con diversas aplicaciones biomédicas. Este trabajo tiene como objetivo investigar, desarrollar y validar la aplicación de la fluorescencia con resolución temporal en vasos sanguíneos, diagnóstico de tejidos médicos y cirugía oncológica. La configuración experimental se optimizó para maximizar la fluorescencia y determinar la resolución espectral. La fibra óptica fue uno de los componentes más importantes responsables de esto. El núcleo de la fibra actúa como una rendija de entrada y, por lo tanto, su tamaño afecta la precisión del dispositivo. Cuanto más estrecha y pequeña sea la abertura del núcleo, menor será la cantidad de fluorescencia capturada y mayor la resolución espectral. Por el contrario, cuanto más grande sea el núcleo de la fibra, mayor será la cantidad de luz capturada, que es el resultado deseado, obteniendo una señal de fluorescencia de mayor intensidad y logrando una mejor relación señal-detector. Para este propósito, se utilizaron fibras con un tamaño de rendija de 10 micrómetros y una resolución de entre 0,4 y 0,8 nanómetros. También se presentaron métodos de análisis, filtrado y procesamiento de datos para eliminar el ruido significativo y mostrar los tiempos de vida de la fluorescencia de las dos muestras. Las aplicaciones más importantes de esta tecnología se demostraron en la terapia fotodinámica basada en BODIPY, las sondas BODIPY para membranas lipídicas y los sensores de pH fluorescentes basados en BODIPY para membranas lipídicas. También se destacó la importancia del colorante DEXTRAN-TR en la adhesión celular, la diferenciación y el mantenimiento tisular, y el reconocimiento y la clasificación celular, además de medir la permeabilidad vascular y evaluar el equilibrio iónico. Esta técnica revela las propiedades únicas de los fluoróforos estudiados midiendo la intensidad de fluorescencia en función de la longitud de onda de la luz, midiendo así la fluorescencia transitoria resuelta en el tiempo a longitudes de onda específicas, caracterizando posteriormente estos fluoróforos y extrayendo sus propiedades más importantes. El segundo capítulo de esta tesis presenta un método flexible, preciso y reproducible para la fabricación de membranas porosas de PDMS mediante ablación láser de pulsos ultracortos, propuesto como una alternativa a las técnicas convencionales. Se microtaladraron de forma sistemática membranas de PDMS con espesores de 25, 50 y 100 microm para investigar la influencia de los principales parámetros del láser - energía por pulso y tiempo de apertura del obturador - sobre las dimensiones, geometría y calidad de los orificios consecuentes. Los resultados indican que la energía del pulso es el factor dominante que afecta a las dimensiones de los agujeros, mientras que los tiempos de apertura por encima de 1000 ms y el espesor de la membrana cuentan con un rol secundario. Se ha apreciado como una mayor energía total aportada incrementa el ángulo de conicidad de los orificios, y que la extensión de la zona afectada térmicamente está directamente relacionada con el diámetro del haz láser y el espesor de la membrana. Se desarrolló un modelo numérico para simular el proceso de ablación, incorporando el efecto de apantallamiento por plasma, y mostrando que la eliminación de material depende fuertemente de la energía del pulso. A partir de los datos experimentales, se formuló un modelo empírico para estimar la energía por pulso óptima para fabricar membranas con orificios de 10 microm de diámetro y una separacion de 40 microm. Las predicciones del modelo mostraron buena concordancia con las mediciones experimentales en cuanto al diámetro de salida de los orificios, mientras que se observaron mayores desviaciones en el diámetro de entrada. Finalmente, para validar la viabilidad biológica de las membranas producidas, se cultivaron células madre mesenquimales derivadas de tejido adiposo humano sobre las láminas de PDMS procesadas con láser y se integraron en dispositivos órgano-en-chip (Organ-on-chip, OoC). Las células mostraron una fuerte adhesión y una alta actividad metabólica, lo que confirma la idoneidad de este método de fabricación basado en láser para la manufactura de membranas de PDMS en sistemas OoC. |
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