Bioingeniería
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Ítem Diseño de un sistema de columna de Winogradsky con control de iluminación y monitoreo de temperatura para cultivos sólidos(Pontificia Universidad Javeriana) Quiroga Medina, Maria; Virguez Sanchez, Laura; Chaparro Guzman, Andrea; Rodríguez Dueñas, William Ricardo; Posada Uribe, Luisa Fernanda; González Hidalgo, Clara Tatiana; Acosta Mejía, Juan CamiloEste proyecto aborda el desarrollo de una Columna de Winogradsky (CdW) mejorada, equipada con sistemas de control de iluminación y monitoreo de temperatura, diseñada para optimizar el cultivo y estudio de microorganismos bajo condiciones controladas. La CdW tradicional, utilizada para observar comunidades microbianas en diversos ambientes, presenta limitaciones para el monitoreo continuo de variables clave como la temperatura y la luz, lo que afecta la recolección de datos en tiempo real y el análisis del desarrollo de la actividad microbiana. El objetivo de este proyecto fue superar estas limitaciones mediante el diseño de un prototipo final que incorpora la recolección de muestras mediante tubos Eppendorf y el monitoreo de temperatura en cuatro puntos, junto con el control de iluminación, para evaluar el impacto de estos factores en el crecimiento microbiano bajo condiciones de luz. En el primer prototipo, las pruebas de desempeño revelaron que la CdW bajo condiciones de luz mostró un aumento en la actividad microbiana, evidenciado por mayores cambios en variables como la conductancia, el pH y la temperatura, en comparación con la CdW sin luz. La conductancia y el pH indicaron una actividad metabólica más intensa en presencia de luz, mientras que la temperatura mostró diferencias asociadas al calor emitido por las luces LED y la actividad metabólica. Estas observaciones sugieren que la luz es un factor determinante en la promoción de procesos bioquímicos específicos y en el desarrollo de poblaciones microbiológicas. El diseño de la CdW se basó en principios de procesos de ingeniería utilizando las metodologías Lean Startup y Biodesign, implementando iteraciones que permitieron ajustes y mejoras constantes al primer prototipo. Para el desarrollo del sistema de iluminación final, se utilizó una estructura cilíndrica con luces LED RGB regulables, garantizando una distribución homogénea y controlada de la luz en la CdW. Este sistema incluyó una funda de papel blanco rígido para evitar fugas de luz y maximizar su impacto en los cultivos. El sistema de monitoreo de temperatura empleó termistores NTC de 10 kΩ, calibrados para lecturas precisas a diferentes alturas dentro de la columna. Estos sensores se dispusieron dentro de un tubo de acero inoxidable para optimizar el espacio y la precisión de las mediciones. El diseño final cumplió con los estándares de Biodesign y permitió un monitoreo completo de las condiciones de cultivo, respetando las restricciones de costos y materiales. Este prototipo es una herramienta viable para el estudio controlado de micro-ecosistemas en entornos de laboratorio, facilitando el análisis de interacciones microbianas bajo diferentes gradientes de luz y temperatura. Para analizar los factores que influyen en la temperatura, se aplicaron métodos no paramétricos en una serie de pruebas experimentales. En la prueba experimental 1, el test de Kruskal-Wallis identificó la “Altura” como un factor significativo (p = 6.307×10⁻⁹), indicando que la temperatura varió notablemente según la altura de medición. Se observó que el Sensor 3 presentó la temperatura más alta. En la prueba experimental 2, el test de Kruskal-Wallis reveló que la “Columna” (iluminación y prototipo) fue un factor significativo (p = 2.882×10⁻⁶), siendo la Columna 3 (el prototipo final bajo iluminación) la que mostró la mayor distribución de temperatura. En el análisis de las morfologías de colonias bajo diferentes condiciones (luz, oscuridad y luz constante), se identificaron 21 morfologías bajo luz, 19 en oscuridad, tanto en el prototipo de aprendizaje como 28 bajo luz constante en el prototipo final, lo que sugiere que la iluminación promueve una mayor diversidad microbiana, especialmente bajo exposición continua. Además, el análisis de la abundancia microbiana, representado en un mapa de calor de unidades formadoras de colonias (UFC/mL), mostró un promedio de 4.67×10⁶ UFC/mL bajo luz en el prototipo de aprendizaje, 1.24×10⁶ en oscuridad, y 1.00×10⁶ UFC/mL bajo luz constante en el prototipo final.Ítem Diseño de un sistema de transporte funcionalizado de nanopartículas de oro y Hexosaminidasas recombinantes para tratamiento del Tay-Sachs(Pontificia Universidad Javeriana) Hernandez Torres, Juan Camilo; Espejo Mojica, Angela Johana; POSADA URIBE, LUISA FERNANDA; NAVARRO RUEDA, JAVIERLa enfermedad de Tay-Sachs es un trastorno neurodegenerativo causado por una deficiencia en la enzima β-Hexosaminidasa A (Hex A), lo que lleva a la acumulación de gangliósido GM2 en los lisosomas de las células nerviosas. La terapia de reemplazo enzimático (ERT) es un tratamiento prometedor que reduce la acumulación de GM2 en fibroblastos de pacientes con Tay-Sachs al restaurar la actividad enzimática. Sin embargo, la ERT no puede atravesar la barrera hematoencefálica (BHE), lo que limita su aplicación en pacientes. Este proyecto tiene como objetivo desarrollar un sistema de administración utilizando hexosaminidasas recombinantes A y S (hetero- y homodímero, respectivamente) y nanopartículas de oro (Au NPs) para aumentar la estabilidad enzimática en condiciones fisiológicas y facilitar el transporte a través de la BHE. Se están desarrollando modelos computacionales de enzimas y nanopartículas para evaluar cómo la presencia de nanopartículas afecta la afinidad enzima-sustrato, proporcionando información sobre el impacto de esta interacción en el rendimiento enzimático. Se están evaluando dos métodos de funcionalización: uno que utiliza cisteína como enlace y otro basado únicamente en la interacción proteína-nanopartícula. Hasta ahora, la rhHex S ha retenido un 45% de actividad con el enlace y un 57% sin él, mientras que la rhHex A ha retenido un 78% de actividad con el enlace y un 34% sin él. El objetivo es seleccionar el mejor enfoque metodológico, determinando qué método proporciona la mayor afinidad y facilidad de producción, seguido de la adición de un aptámero que será probado en células y, en el futuro, aplicado en modelos de barrera hematoencefálica. El sistema fue probado en líneas celulares para evaluar su efectividad en mejorar la internalización, donde surgieron ciertos problemas durante el desarrollo. Este enfoque podría representar una nueva alternativa para mejorar la administración, seguridad y eficacia de la ERT en la enfermedad de Tay-Sachs (TSD) y otros trastornos de almacenamiento lisosomal (LSDs). En conclusión, este estudio representa un paso crucial hacia la creación de una plataforma de administración enzimática más efectiva y segura para el tratamiento de enfermedades neurodegenerativas como la TSD.Ítem Desarrollo y validación de un sistema de biorreactor para la evaluación del comportamiento de fluencia a largo plazo del conducto biliar común porcino(Pontificia Universidad Javeriana) Jimenez Giraldo, Daniel Alejandro; Morales Perez, Abinadab Angelica; Araque Pinzon, David Camilo; Navarro Rueda, Javier; Posada Uribe, Luisa Fernada; Bayona Roa, Camilo AndrésEl proyecto se centra en abordar la brecha crítica en la comprensión de las propiedades mecánicas a largo plazo del tejido del conducto biliar común (CBC), en particular su comportamiento de fluencia bajo cargas de tracción sostenidas. La estenosis biliar benigna (EBB), una complicación común después del trasplante de hígado, a menudo conduce a un estrechamiento significativo del CBC, afectando el flujo de bilis y causando complicaciones graves como ictericia, colangitis e incluso cirrosis biliar. Las estrategias terapéuticas actuales, incluidas la colocación de stents y la dilatación con balón, brindan un alivio temporal pero presentan altas tasas de recurrencia debido a la falta de conocimiento detallado sobre el comportamiento mecánico y los procesos de deformación del tejido a lo largo del tiempo. Para enfrentar estos desafíos, este proyecto tuvo como objetivo diseñar, desarrollar y validar un biorreactor especializado capaz de mantener la viabilidad del tejido mientras permite una caracterización mecánica confiable durante períodos prolongados. El objetivo principal del proyecto fue determinar las propiedades de fluencia del tejido porcino del CBC durante un período de 15 días bajo diversas cargas de tracción en un entorno in vitro. Esto requirió la creación de un sistema de biorreactor que pudiera mantener la integridad y función del tejido. El biorreactor fue conceptualizado para simular condiciones fisiológicas, combinando carga mecánica, preservación estructural y dinámica de fluidos, proporcionando un entorno controlado para las pruebas del tejido. Al lograr esto, el proyecto buscó sentar las bases para comprender cómo los tejidos se deforman bajo estrés sostenido, ofreciendo información que podría guiar futuros tratamientos médicos para la EBB. El biorreactor se diseñó con tres componentes interconectados: estructuras en forma de "T" para aplicar cargas de tracción, cámaras independientes para alojar los tejidos y un sistema de flujo de fluidos que garantizara una perfusión constante. Estos componentes se desarrollaron de manera iterativa, con cada paso informado por simulaciones computacionales y pruebas experimentales. El proyecto también incorporó el desarrollo de un medio de cultivo personalizado. Este medio fue diseñado para mantener la viabilidad del tejido y reducir la degradación celular durante el período prolongado de pruebas. El medio desempeñó un papel fundamental en la preservación de la estructura y función del tejido, permitiendo evaluaciones mecánicas e histológicas significativas. Los resultados demostraron la efectividad del biorreactor y del medio en mantener la viabilidad estructural y celular de los tejidos del CBC durante el período de prueba. Las propiedades mecánicas de los tejidos se evaluaron mediante pruebas de fluencia, donde los tejidos fueron sometidos a cargas de tracción constantes de 3 g y 3,6 g durante 5, 10 y 15 días. El comportamiento de fluencia reveló fases distintas de deformación, incluyendo una deformación inicial rápida seguida de una deformación en estado estacionario más lenta. Las muestras sometidas a cargas más altas exhibieron una mayor deformación acumulada en comparación con aquellas bajo cargas más bajas o sin carga, demostrando el impacto del estrés mecánico en el comportamiento del tejido. El análisis histológico confirmó además que el biorreactor preservó efectivamente la estructura del tejido, mostrando los grupos experimentales mayor densidad de colágeno y menor variabilidad en el ángulo de las fibras en comparación con los grupos de control negativo, lo que indica una menor degradación. Pruebas adicionales evaluaron las propiedades mecánicas circunferenciales de los tejidos. Se observó que los tejidos expuestos a cargas sostenidas mostraron una mayor rigidez en comparación con los tejidos frescos o aquellos no sometidos a carga. Estos tejidos se estiraron significativamente menos bajo estrés y requirieron más energía para romperse. Este hallazgo resalta cómo la carga mecánica induce cambios en las propiedades materiales de los tejidos del CBC, posiblemente imitando aspectos de los procesos de remodelación in vivo. En conclusión, el proyecto desarrolló y validó con éxito un sistema de biorreactor para pruebas a largo plazo de tejidos porcinos del CBC. Al integrar metodologías mecánicas, computacionales y biológicas, el biorreactor proporcionó una plataforma robusta para estudiar el comportamiento del tejido bajo cargas sostenidas. La incorporación de un medio de cultivo adaptado fue un componente fundamental, asegurando la preservación de la viabilidad del tejido y permitiendo evaluaciones mecánicas exhaustivas. Si bien los hallazgos destacan el potencial de este sistema, se recomienda una mayor validación y una ampliación del alcance experimental para mejorar la fiabilidad y aplicabilidad de los resultados.Ítem Diseño de sistema BCI basado en EEG para la medición de carga cognitiva(Pontificia Universidad Javeriana) Medina Castelo Branco, Naryi; Caicedo Dorado, Alexander; Riveros Rivera, Alain Norberto; Alvarado Rojas, Catalina; Caro Gutiérrez, Martha PatriciaEste trabajo aborda la evaluación de la carga cognitiva mediante un sistema de interfaz cerebro-computadora (BCI, por sus siglas en inglés) basado en señales de electroencefalograma (EEG). Su objetivo principal es medir de forma objetiva las variaciones en la carga mental antes y después de una oportunidad de descanso, superando las limitaciones de los métodos subjetivos tradicionales, que a menudo conducen a resultados imprecisos. La carga cognitiva, un factor crítico que afecta el desempeño y la eficiencia en contextos laborales y académicos, ha sido evaluada en este proyecto utilizando un enfoque que combina un sistema BCI con algoritmos de aprendizaje automático. Los resultados confirmaron que el descanso tiene un impacto medible en la carga cognitiva, demostrando la viabilidad de esta metodología bajo condiciones controladas. Sin embargo, el estudio también resalta la necesidad de ampliar los conjuntos de datos y optimizar los modelos de análisis para identificar con mayor precisión las variaciones sutiles en la carga cognitiva. Este enfoque tiene un amplio potencial de aplicación en sectores como la educación, el ámbito laboral y la investigación cognitiva avanzada, abriendo nuevas posibilidades para comprender y gestionar la carga mental de manera más efectiva.Ítem Procesamiento de señales e imágenes cerebrales para la detección de traumas craneoencefálicos(Pontificia Universidad Javeriana) Gonzalez Cortes, Manuel; Cortes Sanabria, Daniel; Alonso Ospina, Santiago; Rojas, Catalina Alvarado; Suarez, Daniel RicardoLos traumatismos craneoencefálicos (TEC) son lesiones que afectan al cerebro y su funcionamiento, ocasionadas con mayor frecuencia por fuerzas externas u objetos que penetran el cráneo. Los síntomas y consecuencias pueden durar desde unas horas hasta varios meses. Por ello, la correcta clasificación y diagnóstico de estos traumatismos por parte del personal médico debe ser preciso y rápido. De lo contrario, el paciente puede sufrir consecuencias permanentes que afecten su conducta, habilidades cognitivas y motoras e incluso causar su muerte en los casos más graves. Por ello, se desarrolló una herramienta computacional que utiliza señales digitales, procesamiento de imágenes y modelos de inteligencia artificial para la clasificación de los TCE. El modelo fue entrenado para clasificar los datos del paciente en dos posibilidades: con o sin TCE. Para ello, se buscaron bases de datos públicas, compuestas por imágenes anatómicas y funcionales cerebrales, las cuales pasaron por etapas de condicionamiento y preprocesamiento con el fin de extraer sus principales características y así entrenar Modelos de Machine Learning y Deep Learning. Una vez obtenidos los mejores modelos de Machine Learning, se realizó una etapa de regularización y optimización de hiperparámetros de los modelos, los cuales fueron posteriormente probados en 50 iteraciones y se reportaron métricas de desempeño del modelo como Accuracy, F1 score y AUC (area under curve). Se encontró que los mejores modelos de clasificación optimizados de Machine Learning fueron Fine KNN, RUSBoosted, Bagged Trees con resultados de precision de 80.96%, 78% y 81.84%, F1 score de 81.07%, 78.8% y 80.6%, respectivamente y AUC de 80.07%, 77.5% y 82.4% respectivamente. No obstante, los modelos de Deep Learning no tuvieron un buen desempeño en este caso de estudio. Es importante mencionar que el diseño de este sistema depende del flujo de trabajo especificado en la metodología, la calidad de las imágenes anatómicas que permiten que haya una correcta segmentación, el desbalance entre las clases dentro de la base de datos utilizada, la cantidad de datos para entrenamiento y prueba de los modelos tiene un gran impacto en el desempeño del sistema de detección.Ítem Desarrollo de una interfaz web basada en Python para el análisis acústico del habla en tiempo real(Pontificia Universidad Javeriana) Molina Giraldo, Maria Alejandra; Oñate Gonzalez, Andres Felipe; Rodríguez Dueñas, William Ricardo; Alvarado, Catalina; Caicedo, AlexanderEl proyecto AudioLab aborda la necesidad de una plataforma web accesible e intuitiva para el análisis de audio en tiempo real y de manera offline, cerrando la brecha que dejan las herramientas existentes, las cuales suelen ser técnicamente complejas y carecen de funciones interactivas. AudioLab ofrece una interfaz web que captura, procesa y visualiza señales de audio en tiempo real desde un micrófono o mediante archivos cargados, con un fuerte enfoque en la seguridad de los datos, la compatibilidad multiplataforma y la accesibilidad. Desarrollado con la biblioteca Parselmouth de Python y un frontend basado en JavaScript, HTML y CSS, la plataforma admite tanto la visualización en tiempo real de formas de onda y espectrogramas como el análisis offline de archivos de audio pregrabados, permitiendo la descarga de los datos y visualizaciones para los usuarios. Siguiendo una metodología de desarrollo en cascada, el proyecto avanzó a través de las etapas de recopilación de requisitos, diseño, implementación y verificación. Los requisitos iniciales se centraron en la usabilidad, la accesibilidad, la seguridad de los datos y la compatibilidad. La interfaz se diseñó mediante wireframes, enfatizando el flujo de interacción del usuario y un procesamiento backend estructurado con Flask y Parselmouth para el análisis de audio. La transferencia de datos en tiempo real se implementó con Flask-SocketIO, mientras que Plotly se utilizó para las representaciones gráficas de los datos. Pruebas rigurosas en múltiples sistemas operativos y navegadores confirmaron la compatibilidad y estabilidad, mientras que la verificación de accesibilidad se realizó utilizando estándares WCAG y pruebas de rendimiento en comparación con Matlab para garantizar resultados analíticos consistentes. El prototipo final cumplió con los objetivos de diseño críticos, ofreciendo análisis en tiempo real receptivo, manejo seguro de datos basado en sesiones y cumplimiento con los estándares WCAG. Se identificaron limitaciones de rendimiento relacionadas con las capacidades de alojamiento en plataformas gratuitas y las demandas computacionales, restringiendo el análisis en tiempo real a grabaciones de un máximo de 1 minuto para mantener la eficiencia. Pruebas exhaustivas validaron la funcionalidad multiplataforma, la alta precisión en métricas acústicas y la satisfacción de los usuarios, obteniendo un puntaje de 89 sobre 100 en la escala de usabilidad del sistema (SUS) basado en los comentarios de voluntarios, lo que confirma el éxito de AudioLab como una herramienta amigable para el usuario en diversas aplicaciones de análisis de audio.Ítem Diseño de un biorreactor de amplio espectro para el cultivo de microalgas(Pontificia Universidad Javeriana) Montiel Isea, Simon; Perez Romero, Juan Pablo; Posada Uribe, Luisa Fernanda; Rodriguez Dueñas, William Ricardo; Gonzalez Hidalgo, Clara Tatiana; Navarro Rueda, JavierEn el contexto académico de la Pontificia Universidad Javeriana, los estudiantes de biotecnología enfrentan una limitación significativa en el acceso a biorreactores asequibles, lo que afecta su aprendizaje práctico y comprensión de los procesos de cultivo en estos sistemas. El manejo y operación de biorreactores a diversas escalas (laboratorio, planta piloto e industrial) es un proceso complejo que requiere conocimientos especializados, capacitación cuidadosa y considerables recursos financieros. Este proyecto tiene como objetivo desarrollar un biorreactor accesible y de bajo costo, diseñado específicamente para entornos educativos, permitiendo a los estudiantes experimentar y aprender de manera segura y efectiva. La meta es incrementar su confianza y competencia en el manejo de estos dispositivos, a la vez que se fomenta su interés en la biotecnología. La pregunta central del proyecto aborda cómo diseñar y configurar un biorreactor de bajo costo, versátil en su capacidad para cultivar microalgas y equipado para controlar parámetros críticos de crecimiento y desarrollo. Este proyecto presenta el diseño de un biorreactor tubular vertical, con un sistema de agitación neumática (columna de burbujas) y equipado con capacidades avanzadas de control y monitoreo. Sus características incluyen control de temperatura, regulación de flujo de materiales de entrada y salida, y un sistema de aireación ajustable que permite modificar las condiciones de cultivo. Este diseño tiene como objetivo facilitar el control de parámetros clave para el crecimiento y desarrollo de los cultivos, promoviendo su aplicabilidad en entornos académicos y de investigación. La etapa de diseño de este proyecto se basó en tres fases fundamentales: primero, se desarrolló una matriz de priorización para seleccionar el tipo de biorreactor a diseñar y construir; segundo, se eligieron materiales apropiados para cumplir con los requisitos técnicos y prácticos; finalmente, se diseñaron las partes necesarias en SolidWorks para su impresión 3D y ensamblaje, construyendo el prototipo presentado en este documento. En cuanto a los requisitos de rendimiento alcanzados, el biorreactor diseñado y construido cumple satisfactoriamente con los estándares establecidos. Este equipo demuestra un funcionamiento preciso en el monitoreo de temperatura y el control de flujo de materiales de entrada y salida, mostrando consistencia y estabilidad en estas operaciones. Además, responde eficazmente a variaciones en los niveles de aireación, adaptándose bien a cambios en la entrada de aire en el sistema. En conjunto, estas características aseguran que el biorreactor ofrezca un rendimiento confiable en línea con las expectativas técnicas para su uso en aplicaciones de laboratorio y aprendizaje. El diseño del biorreactor se desarrolló superando limitaciones financieras mediante el uso de impresión 3D, facilitada por la Pontificia Universidad Javeriana, y con materiales como PETG financiados por el grupo de investigación y el presupuesto del proyecto. Otros componentes necesarios fueron proporcionados por los miembros del equipo. A medida que avanzaba el proyecto, se adquirieron conocimientos técnicos que permitieron mejoras en el diseño y el logro de los objetivos del proyecto. Para garantizar la calidad, se seleccionaron materiales que minimizan los riesgos de contaminación y previenen fugas, y se ajustaron las dimensiones a escala de laboratorio, dando como resultado un biorreactor cerrado adecuado para el cultivo de *Chlorella sp.* Finalmente, el diseño y construcción del biorreactor fueron validados mediante su implementación en el cultivo de *Chlorella sp.*. Después de ocho días de cultivo, se realizó una comparación visual del crecimiento entre el biorreactor diseñado y construido por el grupo de investigación y un biorreactor New Brunswick. Los resultados mostraron un crecimiento significativamente mayor en el biorreactor diseñado por el grupo de investigación. Ambos cultivos se mantuvieron bajo condiciones controladas de temperatura, permitiendo una comparación justa. Sin embargo, se observaron diferencias clave entre los biorreactores, incluyendo el método de agitación, la presencia de iluminación en el sistema diseñado y su ausencia en el biorreactor comercial, así como variaciones en la geometría, que probablemente influyeron en el crecimiento de las microalgas.