Nutrition and bone metabolism : In vivo effects of inorganic phosphate on rats and in vitro effects of bioactive tripeptides on human osteoblasts

Nutrition affects bone health throughout life. To optimize peak bone mass development and maintenance, it is important to pay attention to the dietary factors that enhance and impair bone metabolism. In this study, the in vivo effects of inorganic dietary phosphate and the in vitro effects of bioactive tripeptides, IPP, VPP and LKP were investigated. Dietary phosphate intake is increased through the use of convenience foods and soft drinks rich in phosphate-containing food additives. Our results show that increased dietary phosphate intake hinders mineral deposition in cortical bone and diminishes bone mineral density (BMD) in the aged skeleton in a rodent model (Study I). In the growing skeleton (Study II), increased phosphate intake was observed to reduce bone material and structural properties, leading to diminished bone strength. Studies I and II revealed that a low Ca:P ratio has negative effects on the mature and growing rat skeleton even when calcium intake is sufficient. High dietary protein intake is beneficial for bone health. Protein is essential for bone turnover and matrix formation. In addition, hydrolysis of proteins in the gastrointestinal tract produces short peptides that possess a biological function beyond that of being tissue building blocks. The effects of three bioactive tripeptides, IPP, VPP and LKP, were assessed in short- and long-term in vitro experiments. Short-term treatment (24 h) with tripeptide IPP, VPP or LKP influenced osteoblast gene expression (Study III). IPP in particular, regulates genes associated with cell differentiation, cell growth and cell signal transduction. The upregulation of these genes indicates that IPP enhances osteoblast proliferation and differentiation. Long-term treatment with IPP enhanced osteoblast gene expression in favour of bone formation and increased mineralization (Study IV). The in vivo effects of IPP on osteoblast differentiation might differ since eating frequency drives food consumption, and protein degradation products, such as bioactive peptides, are available periodically, not continuously as in this study. To sum up, Studies I and II raise concern about the appropriate amount of dietary phosphate to support bone health as excess is harmful. Studies III and IV in turn, support findings of the beneficial effects of dietary protein on bone and provide a mechanistic explanation since cell proliferation and osteoblast function were improved by treatment with bioactive tripeptide IPP.

Mannans as film formers and emulsion stabilizers

Mannans are abundant plant polysaccharides found in the endosperm of certain leguminous seeds (guar gum galactomannan, GG; locust bean gum galactomannan, LBG), in the tuber of the konjac plant (konjac glucomannan, KGM), and in softwoods (galactoglucomannan, GGM). This study focused on the effects of the chemical structure of mannans on their film-forming and emulsion-stabilizing properties. Special focus was on spruce GGM, which is an interesting new product from forest biorefineries. A plasticizer was needed for the formation of films from mannans other than KGM and the optimal proportion was 40% (w/w of polymers) glycerol or sorbitol. Galactomannans with lower galactose content (LBG, modified GG) produced films with higher elongation at break and tensile strength. The mechanical properties of GG-based films were improved by decreasing the degree of polymerization of the polysaccharide with moderate mannanase treatments. The improvement of mechanical properties of GGM-based films was sought by blending GGM with each of poly(vinyl alcohol) (PVOH), corn arabinoxylan (cAX), and KGM. Adding other polymers increased the elongation at break of GGM blend films. The tensile strength of films increased with increasing amounts of PVOH and KGM, but the effect of cAX was the opposite. Dynamic mechanical analysis showed two separate loss modulus peaks for blends of GGM and PVOH, but a single peak for all other films. Optical and scanning electron microscopy confirmed good miscibility of GGM with cAX and KGM. In contrast, films blended from GGM and PVOH showed phase separation. GGM and KGM were mixed with cellulose nanowhiskers (CNW) to form composite films. Addition of CNW to KGM-based films induced the formation of fiberlike structures with lengths of several millimeters. In GGM-based films, rodlike structures with lengths of tens of micrometers were formed. Interestingly, the notable differences in the film structure did not appear to be related to the mechanical and thermal properties of the films. Permeability properties of GGM-based films were compared to those of films from commercial mannans KGM, GG, and LBG. GGM-based films had the lowest water vapor permeability when compared to films from other mannans. The oxygen permeability of GGM films was of the same magnitude as that of commercial polyethylene / ethylene vinyl alcohol / polyethylene laminate film. The aroma permeability of GGM films was low. All films were transparent in the visible region, but GGM films blocked the light transmission in the ultraviolet region of the spectra. The stabilizing effect of GGM on a model beverage emulsion system was studied and compared to that of GG, LBG, KGM, and cAX. In addition, GG was enzymatically modified in order to examine the effect of the degree of polymerization and the degree of substitution of galactomannans on emulsion stability. Use of GGM increased the turbidity of emulsions both immediately after preparation and after storage of up to 14 days at room temperature. GGM emulsions had higher turbidity than the emulsions containing other mannans. Increasing the storage temperature to +45 ºC led to rapid emulsion breakdown, but a decrease in storage temperature increased emulsion stability after 14 days. A low degree of polymerization and a high degree of substitution of the modified galactomannans were associated with a decrease in emulsion turbidity.

Studies on diamond-like carbon and novel diamond-like carbon polymer hybrid coatings deposited with filtered pulsed arc discharge method

The main obstacle for the application of high quality diamond-like carbon (DLC) coatings has been the lack of adhesion to the substrate as the coating thickness is increased. The aim of this study was to improve the filtered pulsed arc discharge (FPAD) method. With this method it is possible to achieve high DLC coating thicknesses necessary for practical applications. The energy of the carbon ions was measured with an optoelectronic time-of-flight method. An in situ cathode polishing system used for stabilizing the process yield and the carbon ion energies is presented. Simultaneously the quality of the coatings can be controlled. To optimise the quality of the deposition process a simple, fast and inexpensive method using silicon wafers as test substrates was developed. This method was used for evaluating the suitability of a simplified arc-discharge set-up for the deposition of the adhesion layer of DLC coatings. A whole new group of materials discovered by our research group, the diamond-like carbon polymer hybrid (DLC-p-h) coatings, is also presented. The parent polymers used in these novel coatings were polydimethylsiloxane (PDMS) and polytetrafluoroethylene (PTFE). The energy of the plasma ions was found to increase when the anode-cathode distance and the arc voltage were increased. A constant deposition rate for continuous coating runs was obtained with an in situ cathode polishing system. The novel DLC-p-h coatings were found to be water and oil repellent and harder than any polymers. The lowest sliding angle ever measured from a solid surface, 0.15 ± 0.03°, was measured on a DLC-PDMS-h coating. In the FPAD system carbon ions can be accelerated to high energies (≈ 1 keV) necessary for the optimal adhesion (the substrate is broken in the adhesion and quality test) of ultra thick (up to 200 µm) DLC coatings by increasing the anode-cathode distance and using high voltages (up to 4 kV). An excellent adhesion can also be obtained with the simplified arc-discharge device. To maintain high process yield (5µm/h over a surface area of 150 cm2) and to stabilize the carbon ion energies and the high quality (sp3 fraction up to 85%) of the resulting coating, an in situ cathode polishing system must be used. DLC-PDMS-h coating is the superior candidate coating material for anti-soiling applications where also hardness is required.

Konjac- ja galaktoglukomannaanipohjaiset emulsiokalvot

Emulsiokalvolla tarkoitetaan kalvoa, joka on valmistettu haihduttamalla ylimääräinen vesi pois emulsiosta. Polysakkaridipohjainen emulsiokalvo koostuu kalvonmuodostuspolysakkaridista, rasvasta, emulgointiaineesta ja pehmittimestä. Kirjallisuusosassa selvitettiin, mitä raaka-aineita polysakkaridipohjaisissa emulsiokalvoissa käytetään ja mitkä tekijät vaikuttavat emulsiokalvojen vesihöyrynläpäisevyyteen ja mekaanisiin ominaisuuksiin. Tutkimuksen kokeellisen osan tavoitteena oli selvittää, miten konjac-glukomannaani (KGM) ja kuusen galaktoglukomannaani (GGM) soveltuvat emulsiokalvon raaka-aineiksi. Lisäksi selvitettiin, miten rasvan tyyppi ja rasvapitoisuus vaikuttavat GGM-KGM-pohjaisten emulsiokalvojen mekaanisiin ominaisuuksiin ja vesihöyrynläpäisevyyteen. Mehiläisvahasta, mäntyöljystä ja rypsiöljystä valmistettiin emulsiokalvot, joissa oli 30 %:n (paino-% GGM:sta) rasvapitoisuudet. Lisäksi mehiläisvahasta valmistettiin emulsiokalvot, joissa oli 10 ja 50 % mehiläisvahaa. Emulsiokalvoja verrattiin vertailukalvoon, jossa ei ollut rasvaa. Kalvoissa käytetty KGM:n ja GGM:n suhde oli 1:1. Kalvoista mitattiin vesihöyrynläpäisevyys ja -läpäisynopeus, vetolujuus, Youngin moduuli ja murtovenymä. Näiden lisäksi kalvojen poikkileikkaus kuvattiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla. GGM ja KGM soveltuvat emulsiokalvon raaka-aineiksi. Huoneenlämpötilassa kuivatuista kalvoista saatiin tasaisemman näköisiä kuin lämpökaapissa kuivatuista. Pyyhkäisyelektronimikroskooppikuvissa vahapisarat olivat öljypisaroita pienempiä, mikä mahdollisesti vaikutti siihen, että vahapisarat pysyivät paremmin kiinnittyneenä kalvomatriisissa. Öljypisaroiden koko oli kalvoissa noin 10 ?m ja vahapisaroiden 2–6 ?m. Vesihöyrynläpäisynopeus oli pienin 50 %:n mehiläisvahakalvolla (p < 0,05). Vesihöyrynläpäisevyys laski lineaarisesti mehiläisvahapitoisuuden suurentuessa. Öljykalvot ja 10 %:n mehiläisvahakalvo eivät eronneet tilastollisesti merkitsevästi vesihöyrynläpäisevyyden suhteen vertailukalvosta. Pienin vetolujuus ja Youngin moduuli oli 50 %:n mehiläisvahakalvolla. Vertailukalvo oli kestävin ja jäykin. Murtovenymän suhteen kalvot eivät eronneet toisistaan tilastollisesti merkitsevästi. Tutkimuksessa onnistuttiin valmistamaan GGM-KGM-pohjaisia emulsiokalvoja, jotka pidättivät vesihöyryä vertailukalvoa paremmin ja silti säilyttivät mekaaniset ominaisuutensa kohtuullisen hyvin.

CAD-CAM –tekniikalla valmistetut kokokeraamiset kruunut hammasimplanttihoidossa

Tämän kirjallisuuskatsauksen aiheena on CAD-CAM –tekniikalla valmistetut kokokeraamiset kruunut hammasimplanttihoidossa. Tarkoituksena on perehtyä implanttihoidossa käytettyjen kokokeraamisten kruunumateriaalien mekaanisiin ominaisuuksiin implanttien päällä, tarkastella niiden soveltuvuutta suun olosuhteisiin sekä kiinnittää huomiota myös ulkonäöllisiin seikkoihin. Toinen kirjallisuuskatsauksen tarkoitus on vertailla kokokeraamisia rakenteita aiemmin ja yhä yleisesti käytössä oleviin metallokeraamisiin kruunuihin. Kokokeraamiset kiinnikejatkeet sekä niiden päälle rakennetut kruunut ovat yleisesti kliinisessä käytössä, vaikka niiden käytöstä on pitkältä ajalta vain vähän tutkittua tietoa. Kirjallisuuskatsaukseen valitut tutkimukset käsittelevät kliinisesti yleisimmin käytettyjä materiaaleja. Kirjallisuuden lähteinä on käytetty Pubmed-tietokantaa. Tarkastelun kohteina ovat kokokeraamiset materiaalit: zirkonia, alumiinioksidi sekä vahvistetut lasikeraamiset materiaalit. Vertailu-materiaaleina ovat siltojen ja kruunujen runkorakenteena usein käytetyt metallit, kuten kromi-koboltti-, titaani- ja kultaseokset, ja tarkasteltavana on etenkin runkomateriaalin vaikutus kruunu-rakenteiden kestävyyksiin. Kirjallisuuskatsauksessa lähteinä käytetyissä tutkimuksissa on tarkasteltu materiaalien murtumislujuusarvoja, analysoitu murtumisten luonnetta sekä mitattu proteettisten rakenteiden istuvuuksia implanttien päällä. Kokokeraamiset kiinnikejatkeet eli ns. abutmentit ovat ulkonäöllisesti luonnollisen näköinen ratkaisu etualueilla. Zirkonian mekaaniset ominaisuudet ovat riittävät suurienkin purentavoimien alueilla, kuten molaarialueille asennettujen implanttien päällä. Zirkonian huokoisuus on alhainen ja sen bioyhteensopivuus erinomainen. Litiumdisilikaattilla vahvistettujen lasikeraamisten kruunujen murtumislujuusarvot ovat merkittävästi suuremmat titaanisten kiinnikejatkeiden päällä kuin zirkonia-kiinnikejatkeiden päällä, mutta materiaalin läpikuultavuus voi olla esteenä sen käytölle metallirakenteiden kanssa. Metallokeraamisten kruunujen ja siltojen murtumislujuusarvot implanttien päällä ovat suuremmat kuin kokokeraamisten rakenteiden. Kokokeraamisten kruunujen istuvuudet vaihtelivat tutkimuksesta ja mittaustavasta riippuen, mutta usein arvot vastasivat valumenetelmällä tehtyjen metallokeraamisten rakenteiden arvoja, ja olivat kliinisesti hyväksyttäviä.

Valittujen makrolidien ominaisuudet ja niiden vaikutukset fermentoinnin jälkeiseen jatkokäsittelyyn

Työn kirjallisessa osuudessa tarkasteltiin makrolideja yleisellä tasolla keskittyen kahden makrolidin ominaisuuksiin molekyylitasolla. Näiden tautomerisoitumista käsitellään tuoden esiin sekä yhdisteiden rakenteelliset yhteneväisyydet ja eroavaisuudet että niiden vaikutukset yhdisteiden vaikutusmekanismiin ja metaboliaan. Kirjallisessa osuudessa perehdyttiin myös makrolidien biosynteesiin ja tuotantoprosessiin keskittyen downstream-prosessointiin ja erityisesti biosynteesistä peräisin oleviin epäpuhtauksiin. Lisäksi kirjallisessa osuudessa käsiteltiin argentaatiokromatografian perusteita. Kokeellisessa osuudessa yhdelle makrolidille kehitettiin argentaatiokromatografiaan perustuva puhdistusmenetelmä. Perinteisillä kromatografisilla menetelmillä yhdistettä ei voida puhdistaa kaikista sen epäpuhtauksista. Makrolidin puhtaus argentaatiokromatografian jälkeen oli 98,6 %. Lisäksi kehitettiin uusi kiteytysmenetlmä, jossa yhdiste kiteytettiin anhydridina tavanomaisen monohydraattimuodon sijasta. Makrolidin analysointiin kehitettiin HPLC-menetelmä, joka validoitiin ICH:n ohjeiden mukaisesti. Yhditeen tautomeerimuodot ja siinä esiintyvät epäpuhtaudet tutkittiin käyttäen LC/MS-analyysia. Yhden epäpuhtauden rakenne varmistettiin eristämisen jälkeen NMR:n avulla. Saatavilla olevien tietojen mukaan yhdisteen tulkittuja NMRspektrejä ei ole julkaistu. Lisäksi aiemmin tuntematon epäpuhtaus identifioitiin perustuen retentioaikaan ja MS-analyysiin.

Turvemaan männyn (Pinus sylvestris L.) ja kuusen (Picea abies [L.] Karst.) kanto- ja juuripuun ominaisuudet ja asetoniliukoisten uuteaineiden määrä

Tutkimus on osa Metsäklusteri Oy:n Future Biorefinery –tutkimusohjelmaa, jossa kartoitetaan mahdollisuuksia hyödyntää metsäteollisuuden raaka-aineita aiempaa tarkemmin ja uusissa tuotteissa. Tutkimuksen tavoitteena on selvittää männyn (Pinus sylvestris L.) ja kuusen (Picea abies [L.] Karst.) juurten ja kantopuun rakenne ja ominaisuudet. Tutkimuksessa selvitetään löytyykö männyn ja kuusen juurista reaktiopuuta ja määritetään asetoniliukoisten uuteaineiden osuus kantoja juuripuussa. Tutkimusaineistona oli viisi eri-ikäistä mäntyä ja viisi eri-ikäistä kuusta. Juuri- ja kantoaineisto kerättiin Metsäntutkimuslaitoksen toimesta Parkanon seudulta (62.017°N, 23.017°E) hakkuun jälkeen. Maanalaisista juurista otettiin näytteet kolmelta eri etäisyydeltä juurenniskaan nähden. Kummankaan lajin juurista ei löytynyt varsinaista reaktiopuuta, mutta joissakin näytteissä havaittiin lievää reaktiopuuta. Lievää reaktiopuuta löytyi enemmän männyn kuin kuusen juurista, eikä sitä löytynyt lainkaan kaikkein ohuimmista, noin 2 cm paksuisista juurenosista. Männyn kannoissa uuteaineprosentti oli korkeampi kuin kuusen. Männyn juurissa uuteaineprosentti kasvoi edettäessä kohti juuren kärkeä. Kuusella uuteaineprosentti laski aluksi, mutta lähellä juuren kärkeä taas kasvoi. Kuoren uuteainepitoisuus oli molemmilla puulajeilla korkeampi kuin puuaineen. Tutkimusaineisto oli suppea, eikä tutkimuksessa pyritty tilastolliseen yleistettävyyteen. Laajemmasta aineistosta tehdylle tutkimukselle on tarvetta, sillä turvekankailta saatavan puun tarjonta on Suomessa kasvussa, mutta juurten uuteaine- ja reaktiopuututkimuksia on tehty vain kivennäismailta kerätyistä aineistoista.

Venäjän erikoisjoukkojen tarkkuuskiväärit ja raskaat tarkkuuskiväärit sekä niiden ominaisuudet

Erikoisjoukkojen sotilaat ovat aina olleet taistelukentällä pelätty vastustaja, johtuen niiden henkisistä ja fyysisistä ominaisuuksista sekä huippuluokan varustuksesta. Nykypäivänä taistelutilan jatkuva muuttuminen on vaikuttanut erikoisjoukkojen kalustoon ja käyttöön. Soluttautuminen vastustajan kohdealueelle on vaikeutunut nykyisten valvontasensoreiden kehittymisen myötä ja näin ollen erikoisjoukot joutuvat usein suorittamaan konventionaalisin asein toteutettavat tehtävät varsin pitkille etäisyyksille. Tällaisten tehtävien suorittamiseen tarkkuuskiväärit ovat yksi varteenotettavimmista vaikuttamisen välineistä. Tutkimuksen tavoitteena on selvittää millaisia tarkkuuskiväärejä ja raskaita tarkkuuskiväärejä Venäjän erikoisjoukoilla on käytössään ja millaisia ominaisuuksia niissä itse aseen ja patruunan osalta on käytettävissä. Aseita käsittelevät tiedot on kerätty kirjallisia lähteitä sekä internetlähteitä hyväksikäyttäen. Patruunoiden tarkastelussa tutkija on käyttänyt edellä mainittujen lähteiden lisäksi myös internetistä ladattua ballistiikkaohjelmaa, jolla on luotu taulukoita erilaisten luotien ominaisuuksista optimiolosuhteissa. Tutkimuksen perusteella Spetsnaz -joukkojen tarkkuuskiväärit ja raskaat tarkkuuskiväärit perustuvat pääosin varsin vanhoista asemalleista muokattuihin ja paranneltuihin versioihin. Asesuunnittelussa on kuitenkin havaittavissa muutosta aseiden toimintaperiaatteessa ja varusteissa, vaikka uusia asemalleja ei 2000 -luvun puolelta tässä tutkimuksessa löytynyt. Myös kivääreiden kaliiperit ovat pysyneet varsin samoina jo vuosikymmeniä, vaikka tutkimuksessa paljastui Venäjällä käytettävän nykyisin myös siellä harvoin esiintyneitä kaliipereja.

Moderaattorigrafiitin termofysikaaliset ominaisuudet ja niiden muuttuminen reaktoriolosuhteissa

Grafiitti, hiilen allotrooppinen muoto, on koko ydintekniikan historian ajan ollut merkittävä ja yleinen moderaattorimateriaali eli nopeiden neutroneiden hidastaja fissioreaktoreissa. Sillä on kokonaisuudessaan erittäin hyvät ominaisuudet toimia moderaattorina, ja tämän vuoksi se on keskeisessä asemassa myös tulevissa, vielä prototyyppiasteella olevissa reaktorityypeissä. Tämä kandidaatintyö on kirjallisuusselvitys, jossa kuvataan ydinvoimatekniikassa moderaattorina käytetyn grafiitin termofysikaalisia ominaisuuksia sekä fissioreaktorissa neutronisäteilylle, korkeille lämpötiloille ja muille ominaisuuksia muuttaville olosuhteille altistumisen vaikutusta niihin. Grafiitin fysikaalisten ominaisuuksien lisäksi työssä kuvataan lyhyesti sen valmistusta ja käyttöä sekä entisiä, nykyisiä ja tulevia grafiittihidasteisia reaktorityyppejä. Maailmassa ydintekniikassa käytettyjä grafiittilaatuja on lukuisia erilaisia ja eri valmistajien tuottamia. Työssä on esitelty kompaktisti niistä joitakin keskeisimpiä, kuvattu niiden eroavaisuuksia ja yksilöllisiä ominaisuuksia.

Kaivinkonekuoppa-aineistot osana ydinjätteen loppusijoituksen pitkäaikaisturvallisuutta, OL-KK25 ja 26 koekuoppien maaperän geokemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet

Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitus Olkiluodon kallioperään edellyttää kattavaa turvallisuusarviointia. Turvallisuusarviointi koostuu monista osista, joista yksi on biosfääriarviointi. Sen tavoitteena on selvittää mahdollisten säteilyannosten määriä ihmisille ja muulle luonnolle. Annosarvioinnin edellytyksenä on tuntea Olkiluodon paikalliset olosuhteet ja mahdolliset kehityskulut. Yksi keskeinen osa biosfääriarviointia on mallintaa radionuklidien kulkeutumista kallioperästä maanpinnalle. Kulkeutumisen kannalta on olennaista tuntea maaperän ominaisuudet, koska maaperä toimii rajapintana kallioperän ja elävän luonnon välillä. Tässä tutkimuksessa selvitettiin Olkiluodon saarelle tehtyjen koekuoppien OL-KK25-26 maaperän geokemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia sekä alkuaineiden in situ jakaantumiskertoimia (Kd). Jakaantumiskertoimilla selvitetään alkuaineiden ja radionuklidien liikkuvuutta erilaisissa ympäristöissä. Tässä tutkimuksessa keskityttiin käytetystä ydinpolttoaineesta löytyviin analogisiin alkuaineisiin (Ag, Cl, Cs, I, Mo, Nb, Ni, Pb, Se, Sn ja Sr), jotka ovat turvallisuusarvioinnin kannalta kaikkein tärkeimpiä. Kd – arvot laskettiin alkuaineiden konsentraatioista, jotka mitattiin maanäytteistä kahdella erilaisella uuttomenetelmällä. Heikkoliukoisten ja kasvien saatavilla olevien alkuaineiden konsentraatiot määritettiin NH4Ac (pH 4,5) uutolla ja kokonaispitoisuudet HNO3-HF uutolla sekä LiBO2- fuusiolla. Lisäksi näytteistä maaritettiin maalajit ja niiden raekokojakaumat, orgaaninen aines (LOI), pH, liuennut orgaaninen ja epäorgaanin hiili, pääanionit, mineraalikoostumus, kationinvaihtokapasiteetti (CEC) sekä emäskylläisyys (BS). Koekuopista määritetyile Kd – arvoille ja muille muuttujille tehtiin lopuksi korrelaatioanalyysit, joilla pyrittiin löytämään alkuaineiden liikkuvuuteen eniten vaikuttavia tekijöitä. Maaperää Olkiluodossa voidaan pitää hyvin heterogeenisenä, koska hyvin lähellä toisiian sijainneissa koekuopissa niin maalajit kuin muut ominaisuudet vaihtelivat runsaasti. Myös ominaisuudet eri maakerroksissa vaihtelivat merkittävästi. Alkuaineiden konsentraatioiden sekä Kd - arvojen muutokset olivat voimakkaasti yhteydessä maalajityyppeihin. Merkittävimmin Kd - arvoihin vaikuttivat mineraalikoostumus, savipitoisuus ja raekoko. Muita konsentraatioihin ja jakaantumiskertoimiin vaikuttavia muuttujia olivat orgaanisen aineksen määrä sekä pH. Lisäksi tietyillä, luonnossa pääasiassa anionisilla, alkuaineilla korrelaatiot olivat heikompia tai päinvastaisia kuin muilla aineilla. Tutkimuksen tulokset lisäävät ymmärrystä maaperän ominaisuuksien ja alkuaineiden liikkuvuuden riippuvuuksista. Tuntemalla maaperän ominaisuudet ja alkuaineiden Kd - arvot sekä niiden väliset riippuvuudet, voidaan radionuklidien kulkeutumista kallioperästä maanpinnalle arvioida entistä luotettavammin. Tutkimuksessa tuotettuja tuloksia ja aineistoja hyödynnetään myös pintaympäristön ekosysteemien ja maaperän mallinnuksissa.

Sähkötoimisten käsiproteesien nykyteknologian taso

Työssä selvitettiin sähkötoimisten käsiproteesien nykyteknologian taso. Selvitettäviä asioita olivat keskushermoston ja proteesin välisen hermokytkennän toteutustapa, sähkötoimisten käsiproteesien keskeiset tekniset ominaisuudet sekä käsiproteesin mekaaniset toteutustavat. Tutkimus suoritettiin kirjallisuustutkimuksena. Työhön valittiin esimerkkejä kaupallisesti saatavilla olevista käsiproteeseista jotka löytyivät internetistä hakemalla kaikkein edisty-neintä käsiproteesia. Työstä rajattiin pois proteesin suora kytkeminen keskushermostoon. Liikeinformaation välitys aivoilta proteesille onnistuu mittaamalla lihassähkökäyrä erilaisilla ihon ja lihasten päälle, ihon alle lihaksien yhteyteen tai suoraan hermojen yhteyteen asete-tuilla elektrodeilla. Lihassähkökäyrän mittaamisessa ihon pinnalta on ongelmana sähkömag-neettinen säteily, hiki, joka muuttaa ihon impedanssia ja elektrodien meneminen pois paikal-taan. Ihon alle asetettavat elektrodit kapseloituvat, mikä heikentää niiden toimintaa ja nii-den ihon läpi kulkevat johdot voivat altistaa kohdan infektioille tai takertua johonkin. Her-moihin suorassa kosketuksissa olevat elektrodit aiheuttavat lisäksi hermopinteen. Kohden-netulla uudelleenhermotuksella voidaan hermosyyt johtaa lihaksiin, jolloin lihaksista saa-daan biologiset vahvistimet lihassähkökäyrää varten tai korvaavalle ihoalueelle, johon koh-distuva kosketus tuottaa tuntemuksen käteen kohdistuvasta kosketuksesta. Käden menet-tämisen myötä menetettävät hermo-ohjaustiedot voivat osittain korvautua aivojen mukau-tuvuuden ansiosta, mikä mahdollistaa tekokäden käyttämisen oppimisen samalla tavoin kuin polkupyörällä ajon. Hermotakaisinkytkentä mahdollistaa proteesin paremman hallin-nan. On mahdollista valmistaa keinoihoa johon kohdistuva paine saa aikaan muutoksen sen sähköisissä ominaisuuksissa, mitä voidaan sitten käyttää varsinaisen hermoärsytyksen luo-van laitteen, kuten tynkää ärsyttävän täryttimen, ohjaamisessa. On mahdollista valmistaa keinolihaksia joiden avulla nivelten liike voidaan toteuttaa luonnollisen kaltaisilla rakenteilla ja jotka ovat jopa kymmeniä kertoja voimakkaampia kuin aidot lihakset. Nykyteknologian avulla on mahdollista rakentaa käsiproteesi joka liikeradoiltaan, voimal-taan ja hermotakaisinkytkennän osalta vastaa lähes täydellisesti aitoa ihmiskättä. Haasteena on vielä kokeiluasteella oleva teknologian taso sekä korkea hinta.

From Polymorph Screening to Dissolution Testing - Solid Phase Analysis during Pharmaceutical Development and Manufacturing

Solid materials can exist in different physical structures without a change in chemical composition. This phenomenon, known as polymorphism, has several implications on pharmaceutical development and manufacturing. Various solid forms of a drug can possess different physical and chemical properties, which may affect processing characteristics and stability, as well as the performance of a drug in the human body. Therefore, knowledge and control of the solid forms is fundamental to maintain safety and high quality of pharmaceuticals. During manufacture, harsh conditions can give rise to unexpected solid phase transformations and therefore change the behavior of the drug. Traditionally, pharmaceutical production has relied on time-consuming off-line analysis of production batches and finished products. This has led to poor understanding of processes and drug products. Therefore, new powerful methods that enable real time monitoring of pharmaceuticals during manufacturing processes are greatly needed. The aim of this thesis was to apply spectroscopic techniques to solid phase analysis within different stages of drug development and manufacturing, and thus, provide a molecular level insight into the behavior of active pharmaceutical ingredients (APIs) during processing. Applications to polymorph screening and different unit operations were developed and studied. A new approach to dissolution testing, which involves simultaneous measurement of drug concentration in the dissolution medium and in-situ solid phase analysis of the dissolving sample, was introduced and studied. Solid phase analysis was successfully performed during different stages, enabling a molecular level insight into the occurring phenomena. Near-infrared (NIR) spectroscopy was utilized in screening of polymorphs and processing-induced transformations (PITs). Polymorph screening was also studied with NIR and Raman spectroscopy in tandem. Quantitative solid phase analysis during fluidized bed drying was performed with in-line NIR and Raman spectroscopy and partial least squares (PLS) regression, and different dehydration mechanisms were studied using in-situ spectroscopy and partial least squares discriminant analysis (PLS-DA). In-situ solid phase analysis with Raman spectroscopy during dissolution testing enabled analysis of dissolution as a whole, and provided a scientific explanation for changes in the dissolution rate. It was concluded that the methods applied and studied provide better process understanding and knowledge of the drug products, and therefore, a way to achieve better quality.

Understanding solid-state transformations during dehydration: new insights using vibrational spectroscopy and multivariate modelling

Many active pharmaceutical ingredients (APIs) have both anhydrate and hydrate forms. Due to the different physicochemical properties of solid forms, the changes in solid-state may result in therapeutic, pharmaceutical, legal and commercial problems. In order to obtain good solid dosage form quality and performance, there is a constant need to understand and control these phase transitions during manufacturing and storage. Thus it is important to detect and also quantify the possible transitions between the different forms. In recent years, vibrational spectroscopy has become an increasingly popular tool to characterise the solid-state forms and their phase transitions. It offers several advantages over other characterisation techniques including an ability to obtain molecular level information, minimal sample preparation, and the possibility of monitoring changes non-destructively in-line. Dehydration is the phase transition of hydrates which is frequently encountered during the dosage form production and storage. The aim of the present thesis was to investigate the dehydration behaviour of diverse pharmaceutical hydrates by near infrared (NIR), Raman and terahertz pulsed spectroscopic (TPS) monitoring together with multivariate data analysis. The goal was to reveal new perspectives for investigation of the dehydration at the molecular level. Solid-state transformations were monitored during dehydration of diverse hydrates on hot-stage. The results obtained from qualitative experiments were used to develop a method and perform the quantification of the solid-state forms during process induced dehydration in a fluidised bed dryer. Both in situ and in-line process monitoring and quantification was performed. This thesis demonstrated the utility of vibrational spectroscopy techniques and multivariate modelling to monitor and investigate dehydration behaviour in situ and during fluidised bed drying. All three spectroscopic methods proved complementary in the study of dehydration. NIR spectroscopy models could quantify the solid-state forms in the binary system, but were unable to quantify all the forms in the quaternary system. Raman spectroscopy models on the other hand could quantify all four solid-state forms that appeared upon isothermal dehydration. The speed of spectroscopic methods makes them applicable for monitoring dehydration and the quantification of multiple forms was performed during phase transition. Thus the solid-state structure information at the molecular level was directly obtained. TPS detected the intermolecular phonon modes and Raman spectroscopy detected mostly the changes in intramolecular vibrations. Both techniques revealed information about the crystal structure changes. NIR spectroscopy, on the other hand was more sensitive to water content and hydrogen bonding environment of water molecules. This study provides a basis for real time process monitoring using vibrational spectroscopy during pharmaceutical manufacturing.

Thin-Layer Chromatography with Ultraviolet and Mass Spectrometric Detection: From Preparative-Layer to Miniaturized Ultra-Thin-Layer Technique

The present challenge in drug discovery is to synthesize new compounds efficiently in minimal time. The trend is towards carefully designed and well-characterized compound libraries because fast and effective synthesis methods easily produce thousands of new compounds. The need for rapid and reliable analysis methods is increased at the same time. Quality assessment, including the identification and purity tests, is highly important since false (negative or positive) results, for instance in tests of biological activity or determination of early-ADME parameters in vitro (the pharmacokinetic study of drug absorption, distribution, metabolism, and excretion), must be avoided. This thesis summarizes the principles of classical planar chromatographic separation combined with ultraviolet (UV) and mass spectrometric (MS) detection, and introduces powerful, rapid, easy, low-cost, and alternative tools and techniques for qualitative and quantitative analysis of small drug or drug-like molecules. High performance thin-layer chromatography (HPTLC) was introduced and evaluated for fast semi-quantitative assessment of the purity of synthesis target compounds. HPTLC methods were compared with the liquid chromatography (LC) methods. Electrospray ionization mass spectrometry (ESI MS) and atmospheric pressure matrix-assisted laser desorption/ionization MS (AP MALDI MS) were used to identify and confirm the product zones on the plate. AP MALDI MS was rapid, and easy to carry out directly on the plate without scraping. The PLC method was used to isolate target compounds from crude synthesized products and purify them for bioactivity and preliminary ADME tests. Ultra-thin-layer chromatography (UTLC) with AP MALDI MS and desorption electrospray ionization mass spectrometry (DESI MS) was introduced and studied for the first time. Because of the thinner adsorbent layer, the monolithic UTLC plate provided 10 100 times better sensitivity in MALDI analysis than did HPTLC plates. The limits of detection (LODs) down to low picomole range were demonstrated for UTLC AP MALDI and UTLC DESI MS. In a comparison of AP and vacuum MALDI MS detection for UTLC plates, desorption from the irregular surface of the plates with the combination of an external AP MALDI ion source and an ion trap instrument provided clearly less variation in mass accuracy than the vacuum MALDI time-of-flight (TOF) instrument. The performance of the two-dimensional (2D) UTLC separation with AP MALDI MS method was studied for the first time. The influence of the urine matrix on the separation and the repeatability was evaluated with benzodiazepines as model substances in human urine. The applicability of 2D UTLC AP MALDI MS was demonstrated in the detection of metabolites in an authentic urine sample.