El objetivo de esta tesis doctoral es abordar el problema de optimización topológica a una única escala. En base a este propósito, se desarrolla una nueva técnica de optimización capaz de competir con técnicas ya existentes y extendidas entre la comunidad investigadora sobre el tema. Esta técnica presenta características que superan algunas de las dificultades bien conocidas en optimización topológica manteniendo un buen grado de simplicidad.En primer lugar, se presenta la formulación de la técnica de optimización topológica, así como su algoritmia. El método se fundamenta en 4 aspectos básicos: (1) la utilización de una función característica 1-0, así como la definición precisa de las fronteras materiales a partir de una función de discriminación (isonivel 0 de la función level-set), (2) la definición de una derivada topológica coherente con el método ersatz (utilizado en la ecuación de estado), como aproximación a la derivada topológica exacta, (3) la inclusión de una regularización Laplaciana con control de tamaño mínimo de los diferentes componentes, y (4) la definición de una condición de optimalidad analítica para la determinación de la solución óptima de la topología. La metodología se aplica a diferentes problemas de optimización topológica bien detallados en la literatura y utilizados como ensayos numéricos para examinar su respuesta frente a problemas estructurales y térmicos. En estos campos, se incluyen problemas de maximización de la rigidez y de la conductividad, respectivamente. Además, se resuelven diferentes problemas de optimización topológica con gran interés ingenieril en los campos estructurales con el diseño de mecanismos y térmicos con el diseño de dispositivos de camuflaje térmicos. Finalmente, se realiza una comparación de la formulación con otras técnicas ya existentes, por ejemplo: (1) SIMP, (2) ESO/BESO, y (3) Level-set con Hamilton-Jacobi como ecuación de evolución. El análisis de los resultados permite comparar la calidad de la topología de cada método, el coste computacional de las soluciones óptimas, así como la simplicidad de implementación, demostrando el potencial de la metodología desarrollada principalmente en estos términos de comparación. Con la finalidad de acercar el método a otros investigadores y de promover su utilización, se ha publicado una versión educativa del mismo (en MATLAB) en un repositorio online, junto a documentación, permitiendo así la divulgación del mismo y la posible utilización en otras aplicaciones de interés.