http://hdl.handle.net/10256/4389 2025-05-12T13:03:59Z http://hdl.handle.net/10256/26543 Integrated strategies for improved bioresorbable stents with silk: characterization, fabrication, and composite integration Casanova Batlle, Enric ENG- This doctoral thesis explores the creation of next-generation bioresorbable stents (BRS) using an advanced manufacturing technology known as Direct Ink Writing (DIW). This technique enables the printing of a wide variety of biomaterials in the form of pastes or inks, offering high versatility and significant potential for developing medical devices for healthcare and tissue engineering. The research begins with an analysis of current trends in additive manufacturing and a review of DIW technologies, highlighting the challenges that traditional BRS still face. In this context, the study investigates the use of innovative materials like silk fibroin (SF), a protein derived from the silk of the Bombyx mori silkworm. SF offers high mechanical properties and biocompatibility, being a natural polymer. The thesis delves into creating SF inks suitable for DIW, showing a way for manufacturing stents with natural materials that improve biocompatibility and can be absorbed by the body over time. The study also examines the use of other materials, such as polyvinyl alcohol (PVA)-based inks, a polymer known for its flexibility and suitability for hydrogel manufacturing. Some of these hydrogels have already been successfully used in other medical devices, reinforcing the interest in developing a suitable environment for BRS using this material. Therefore, the thesis proposes the fabrication of multi-material stents combining PVA and SF to enhance the mechanical properties and biocompatibility of the device. These polymers work in a complementary manner: PVA provides flexibility and stability, while SF offers mechanical strength and biocompatibility. Finally, the technique of electrospinning (ES) is incorporated, a method that creates micrometric-diameter polymer fibers. This approach enables the application of a coating to the stent with a drug-releasing layer. This coating facilitates a controlled release of medications, helping reduce the risk of complications after stent implantation. Additionally, the large number of fibers increases the drug's contact surface, improving efficiency compared to traditional methods, where the drug is encapsulated in the stent's core and released gradually as it degrades. This thesis provides a relevant contribution to the field of medical devices by offering new alternatives for BRS fabrication with innovative and promising techniques, opening new possibilities for treating cardiovascular diseases; CAT- Aquesta tesi doctoral explora la creació de stents bioresorbibles de nova generació (BRS) mitjançant una tecnologia de fabricació avançada coneguda com a escriptura directa de tinta (DIW). Aquesta tècnica permet imprimir amb una amplia varietat de biomaterials en forma de pastes o tintes, destacant per la seva gran versatilitat i potencial en la creació de dispositius mèdics per a la cura de la salut i la enginyeria de teixits. La recerca s'inicia amb una anàlisi de les tendències actuals en fabricació additiva i una revisió de les tecnologies DIW, ressaltant els reptes que encara presenten els BRS tradicionals. En aquest context, s'ha investigat l'ús de materials innovadors com la fibroïna de seda (FS), una proteïna derivada del cuc de seda (Bombyx mori), que ofereix elevades propietats mecàniques i una biocompatibilitat destacable, essent un polímer natural. La tesi aprofundeix en la creació de tintes de FS adequades per a DIW, fet que obre noves vies per fabricar stents amb materials naturals que millorin la biocompatibilitat i que es puguin reabsorbir amb el temps. També s’analitza l'ús d'altres materials, com les tintes basades en alcohol polivinílic (PVA), un polímer que aporta flexibilitat i és adequat per a la fabricació d'hidrogels. Alguns d'aquests hidrogels ja han estat utilitzats amb èxit en altres dispositius mèdics, fet que reforça l’interès en crear un entorn adequat per a BRS amb aquest material. Així, es proposa la fabricació de stents multimaterials que combinen PVA i FS, amb l'objectiu de millorar les propietats mecàniques i la biocompatibilitat del dispositiu. Aquests polímers es complementen de manera òptima: el PVA ofereix flexibilitat i estabilitat, mentre que la FS proporciona resistència mecànica i biocompatibilitat. Finalment, s'incorpora la tècnica de l’electrospinning (ES), un mètode que permet crear fibres de polímer de diàmetre micromètric. Aquesta tècnica possibilita l’aplicació d'un recobriment a l'stent amb una capa alliberadora de fàrmacs. Aquest recobriment facilita una alliberació controlada de medicaments, ajudant a reduir el risc de complicacions després de la implantació del stent. A més, la presència d’un gran nombre de fibres augmenta la superfície de contacte del fàrmac, millorant l'eficàcia respecte als mètodes tradicionals, on el fàrmac es troba encapsulat en el nucli del stent i depèn de la seva degradació per ser alliberat. Aquesta tesi suposa una contribució rellevant al camp dels dispositius mèdics en oferir noves alternatives per a la fabricació de BRS amb tècniques innovadores i prometedores, obrint noves possibilitats en el tractament de les malalties cardiovasculars 2025-01-27T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10256/25945 Novel methodology for predicting delamination in 3D composite structures under multiple loading conditions and large process zones Leciñana Arregui, Iñaki ENG- The overall objective of this thesis is to provide a tool for predicting delamination in composite materials under different static and fatigue loading conditions in 3D structures. The methodology is intended to be a practical guide for industry, providing a flexible tool capable of predicting the delamination behaviour of new polymeric materials in an agile manner. A review of the state of the art has shown that there is still some missing link between the physics responsible for delamination and the state of the art models, especially for materials with large delamination process zones. There is also a lack of validation tests that challenge the delamination predictions under different loading conditions in 3D structures. This work contributes to the field of delamination characterisation in composites with large process zones and builds a modelling and simulation strategy capable of predicting delamination in composites with large process zones. A comprehensive validation of the delamination prediction is also presented. For delamination characterization, test procedures and data reduction methods that are suitable for characterizing the delamination properties are summarized and the most suitable techniques for characterizing large process zones are discussed and selected. For the modelling and simulation strategy, the Cohesive Zone Modeling (CZM) approach is selected to predict the delamination behavior. State-of-the-art static and fatigue CZM models are used as the core of the simulation strategy, while novel developments are integrated, aimed at linking the simulation approach with the physics of the delamination observed experimentally. To validate the modelling and simulation strategy, a novel delamination benchmark test concept for composite materials that allows non-straight crack fronts and non-self-similar delamination in characterization specimens under complex loading conditions is presented. As validation of the modelling and simulation strategy, a blind simulation of the benchmark test is proposed to evaluate the predictive capabilities of the methodology. Finally, the proposed methodology is exemplified by a case study illustrating the application of the methodology to a real composite material with a large process zone. The material used in the case study is the AS4D/PEKK-FC thermoplastic composite, exhibiting large delamination process zones; CAT- L'objectiu general d'aquesta tesi és proporcionar una eina per a la predicció de la delaminació en materials compostos sota diferents condicions de càrrega estática i de fatiga en estructures 3D. La metodologia pretén ser una guia pràctica per a la indústria, proporcionant una eina flexible capaç de determinar la forma ágil el comportament de la desminació de nous materials polimèrics. Una revisió de l'estat de l'art ha puesto de manifiesta que encara falta algun eslabó entre la física responsable de la delaminació i els models de l'estat de l'art, especialment per als materials amb grans zones de procés de delaminació. També faltan assaigs de validació que han posat a prova les prediccions de delaminació sota diferents condicions de càrrega en estructures 3D. Aquest treball contribueix al camp de la caracterització de la delaminació en materials compostos amb grans zones de procés i construye una estratègia de modelització i simulació capaç de determinar la delaminació en materials compostos amb grans zones de procés. També es presenta una validació exhaustiva de la predicció de la delaminació. Per a la caracterització de la delaminació, es reprèn els procediments d'assaig i els mètodes de reducció de dades adequats per caracteritzar les propietats de la delaminació i discutir i seleccionar les tècniques més adequades per caracteritzar grans zones del procés. Per a l'estratègia de modelització i simulació, seleccioneu l'enfocament de modelització de zones cohesives (CZM) per determinar el comportament de la delaminació. S'utilitzen models CZM estàtics i de fatiga d'última generació com a nucli de l'estratègia de simulació, al temps que s'integren desenvolupaments nous, destinats a vincular l'enfocament de simulació amb la física de la delaminació observada experimentalment. Per validar l'estratègia de modelització i simulació, es presenta un nou concepte d'assaig de referència de delaminació per a materials compostos que permeten fronts de grieta no rectos i delaminación no autosimilar en probes de caracterització sota condicions de càrrega compleja. Com a validació de l'estratègia de modelització i simulació, es proposa una simulació ciega de l'assaig de referència per avaluar la capacitat predictiva de la metodologia. Per últim, la metodología proposta s'exemplifica amb un cas pràctic que il·lustra l'aplicació de la metodologia a un material compost real amb una àmplia zona de procés. El material utilitzat en el cas d'estudi és el compost termoplástico AS4D/PEKK-FC, que presenta grans zones de procés de deslaminació 2024-11-07T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10256/25593 Study of debonding in CFRP-strengthened beams and contribution of anchorage systems Codina Le Boudal, Alba The rehabilitation of buildings and infrastructure has gained importance in recent decades. Carbon Fiber-Reinforced Polymers (CFRP) are effective for strengthening Reinforced Concrete (RC) structures due to their mechanical strength, corrosion resistance, and lightweight properties. The Externally Bonded (EB) method, known for its ease of installation and effectiveness, improves the performance of RC structures. However, flexural reinforcement often leads to premature debonding of the FRP from the concrete, limiting the use of FRP properties. To address Intermediate Crack Debonding (ICD), several predictive approaches have been developed, though they impose strict strain limits on FRP. To mitigate premature debonding in EB-FRP strengthened flexural members, anchorage of the CFRP laminate has been a focus of investigation. Effective techniques such as Externally Bonded Reinforcement on Grooves (EBROG) and Hybrid Bonding (HB)-FRP have shown promise. However, experimental and analytical/numerical studies in this area remain limited, indicating the need for further research. This thesis investigates ICD in EB-FRP strengthened RC beams from theoretical and experimental perspectives. It analyses formulations from the literature and compares theoretical predictions with four-point bending test results on RC beams with varying concrete strengths and steel reinforcement ratios. The study includes an experimental database of 68 RC beams, showing that models predict ICD failure modes accurately. The effectiveness of Externally Bonded Reinforcement on Grooves (EBROG) and Hybrid Bonding (HB)-FRP methods in preventing ICD is examined through bond and flexural tests. Results indicate that both methods enhance the performance of EB-FRP, although existing prediction models underestimate the bending capacity for EBROG. A numerical model is developed to simulate ICD for various bond-slip laws, applicable to different strengthening techniques. This model determines the maximum tensile force the FRP laminate can effectively transfer between two consecutive cracks, addressing the excessive tensile forces between cracks that lead to ICD failure. This maximum force depends on the bond behaviour of the FRP-concrete interface, which varies with the chosen strengthening technique. Therefore, the proposed model allows for the implementation of diverse shapes of bond-slip laws corresponding to different strengthening methods. It is specifically developed to solve the governing equation of the bonded joint using numerical procedure based on the finite difference method. The proposed model is validated by applying the bond-slip laws calibrated from the single-shear tests to the flexural test results, demonstrating accurate prediction of ICD failure for EB, EBROG and HB-CFRP specimens; La rehabilitació d'edificis i infraestructures ha adquirit importància en les últimes dècades. Els polímers reforçats amb fibra de carboni (en anglès, CFRP) són efectius per reforçar les estructures de formigó armat (en anglès, RC) gràcies a la seva resistència mecànica, resistència a la corrosió i lleugeresa. El mètode de reforç adherit externament (en anglès, EB), àmpliament adoptat per la seva facilitat d'instal·lació i efectivitat, millora el rendiment de les estructures d’RC. Tanmateix, el reforç a flexió sovint provoca el despreniment prematur de l’FRP del formigó, limitant l'ús de les propietats del reforç d’FRP. Per abordar el despreniment per fissures intermèdies (en anglès, ICD), s'han desenvolupat diversos models predictius, tot i que imposen límits estrictes de deformació a l’FRP. Per mitigar el despreniment prematur en membres reforçats amb EB-FRP a flexió, s'ha centrat la investigació en l'ancoratge del laminat de CFRP. Tècniques efectives com el reforç adherit externament a les ranures (en anglès, EBROG) i l’adhesió híbrida (en anglès, HB) han demostrat ser prometedores. Tanmateix, els estudis experimentals i numèrics en aquest àmbit encara són limitats, indicant la necessitat de més recerca. Aquesta tesi investiga l’ICD en bigues de formigó armat reforçades amb EB-FRP des de perspectives teòriques i experimentals. Analitza formulacions de la literatura i compara les prediccions teòriques amb els resultats de proves de flexió en quatre punts en bigues de formigó armat amb diferents resistències del formigó i ràtios de reforç d'acer. L'estudi inclou una base de dades experimental de 68 bigues de formigó armat, mostrant que els models prediuen amb precisió els modes de fallada ICD. L'eficàcia dels mètodes EBROG i HB-FRP per prevenir l’ICD s'estudia mitjançant proves d'adhesió i flexió. Els resultats indiquen que ambdós mètodes milloren el rendiment de l’EB-FRP, tot i que els models de predicció existents subestimen la resistencia a flexió per a l’EBROG. S'ha desenvolupat un model numèric per simular l'ICD per a diverses lleis d’adherència, aplicables a les diferents tècniques de reforç. Aquest model determina la màxima força de tracció que el laminat d’FRP pot transferir de manera efectiva entre dues fissures, tenint en compte les forces de tracció a les fissures que condueixen a l'ICD. Aquesta força màxima depèn del comportament d’adherència de la interfície FRP-formigó, que varia amb la tècnica de reforç escollida. Per tant, el model proposat permet la implementació de diverses formes de lleis d’adherència corresponents a diferents mètodes de reforç. Està programat per resoldre l'equació general del reforç per adherència mitjançant un procediment numèric basat en el mètode de les diferències finites. El model proposat es valida aplicant als resultats de proves de flexió les lleis d’adherència calibrades a partir dels assajos a tallant simple, demostrant una predicció precisa de la fallada per ICD en les bigues reforçades mitjançant EB, EBROG i HB-CFRP 2024-07-16T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10256/25355 Development of constitutive models for the accurate simulation of advanced polymer-based composites under complex loading states Ruiz Cózar, Ivan In recent decades, several meso-scale computational models have been developed for predicting the failure evolution and strength of composite materials. Nevertheless, the complex failure mechanisms of composites pose a formidable challenge to the development of models capable of consistently reproducing its mechanical response under different loading case scenarios. Furthermore, the lack of standardised multiaxial tests has hindered consensus on failure envelopes and criteria for composites. In this thesis, a new 3D elastoplastic damage model is then proposed to predict the plastic deformation and the progressive failure of unidirectional laminated composite materials at the meso-scale level. A new plastic yield function and a new non-associative flow rule are proposed to properly define the evolution of the plastic strains. The transverse plastic Poisson's ratio and the volumetric plastic strains can be then imposed. The proposed model is developed under the continuum damage mechanics and the thermodynamics of irreversible process framework. The damage evolution laws are defined to account for the failure mechanisms on both longitudinal and transverse directions. The plastic yield function and the failure criteria can be adjusted by setting two and six input model parameters (envelope shape coefficients), respectively, to account for the mechanical behaviour of the material being analysed. Guidelines are provided on how to characterise the input material parameters of the proposed model. In this line, a new methodology to measure the transverse Poisson's ratios in fibre-reinforced polymer composite materials is developed. Transverse tensile and transverse compressive standardised tests are instrumented using digital image correlation equipment to measure the strain field on the through-the-thickness surface of the specimens. A thermoplastic-based composite material is used to describe the proposed methodology. The elastic transverse Poisson's ratio exhibits a different behaviour in tension than in compression, its value being greater in compression than in tension. Assuming no plastic strain in the longitudinal direction, the plastic transverse Poisson's ratio in compression suggests no volumetric plastic strains for small axial plastic strains. However, plastic dilatancy is observed when the amount of compressive plastic axial strain increases; En les darreres dècades, diferents models computacionals a nivell meso s’han desenvolupat per predir l’evolució de la fractura i la resistència dels materials compostos. No obstant, els mecanismes de falla dels compostos són complexos i això fa que sigui un gran repte desenvolupar models capaços de reproduir el seu comportament sota diferents estats de càrrega de manera consistent. A més, la falta d’assajos multiaxials estandarditzats ha dificultat el consens sobre les evolvents i criteris de falla dels material compostos. En aquesta tesi s’ha proposat un nou model elastoplàstic amb dany en tres dimensions per predir la deformació plàstica i el dany progressiu dels laminats unidireccionals de material compost a l’escala meso. Una nova funció de fluència plàstica i una nova regla de fluència no associada es proposen per definir correctament l’evolució de les deformacions plàstiques. Aleshores, es poden imposar el coeficient de Poisson transversal plàstic i les deformacions plàstiques volumètriques. El model proposat es basa en la mecànica del dany continu i la termodinàmica de processos irreversibles. Les lleis d’evolució del dany s’han definit per tenir en compte els mecanismes de falla en la direcció longitudinal i transversal. La funció de fluència plàstica i els criteris de falla es poden ajustar mitjançant dos i sis paràmetres d’entrada del model (coeficients de forma de les evolvents), respectivament, per considerar el comportament mecànic del material que està analitzant. Es proporcionen pautes per caracteritzar els paràmetres d’entrada del model proposat. En aquesta línia, es desenvolupa una nova metodologia per mesurar els coeficients de Poisson transversal en materials compostos polimèrics reforçats amb fibra. S’instrumentalitzen assajos normalitzats de tracció i de compressió transversals mitjançant un equip de correlació digital d’imatges per mesurar el camp de deformacions a través de l’espessor de la superfície de les provetes. S’utilitza un material compost amb base termoplàstica per descriure la metodologia proposada. El coeficient de Poisson transversal mostra un comportament diferent a tracció que a compressió, sent el seu valor més gran a compressió que a tracció. Assumint que no hi ha deformació plàstiques en la direcció longitudinal, no hi ha deformacions plàstiques volumètriques segons el coeficient de Poisson transversal plàstic a compressió. En canvi, s’observa dilatància plàstica quan la deformació axial transversal a compressió augmenta 2024-06-14T00:00:00Z