Syntheses and Self-Assembling Characteristics of Amphiphilic Star Diblock Copolymers

Uusien polymeeripohjaisten teknologioiden ja materiaalien myötä räätälöityjen polymeerien tarve on kasvanut. Viime vuosituhannen lopussa kehitetyt kontrolloidut polymerointimenetelmät ovat avanneet uusia mahdollisuuksia paitsi monimutkaisten polymeerien synteesiin, myös itsejärjestyvyyteen perustuvien funktionaalisten nanorakenteiden suunnitteluun ja valmistukseen. Nämä voivat jäljitellä luonnossa esiintyviä rakenteita, joita muodostavat esimerkiksi lipidit ja proteiinit. Itsejärjestyvät molekyylit ovat usein amfifiilisiä eli ne koostuvat hydrofiilisistä ja hydrofobisista osista ja polymeereissä nämä osat voivat olla omina lohkoinaan, jolloin puhutaan amfifiilisistä lohko- tai blokkikopolymeereistä. Riippuen järjestyneiden rakenteiden koostumuksesta ja muodosta, amfifiilisiä blokkikopolymeerejä on tutkittu tai jo käytetty nanoteknologiassa, elastomeereissä, voiteluaineissa, pinta-aktiivisina aineina, lääkkeenannostelussa, maaleissa, sekä elektroniikka-, kosmetiikka- ja elintarviketeollisuudessa. Tavallisimmin käytetyt amfifiiliset blokkikopolymeerit ovat olleet lineaarisia, mutta viime aikoina tutkimus on suuntautunut kohti monimutkaisempia rakenteita. Tällaisia ovat esimerkiksi tähtipolymeerit. Tähtimäisissä polymeereissä miselleille tyypillinen ydin-kuori-rakenne säilyy hyvin alhaisissakin polymeerikonsentraatioissa, koska polymeeriketjut ovat kiinni toisissaan yhdessä pisteessä. Siten ne ovat erityisen kiinnostavia tutkimuskohteita erilaisten hydrofobisten orgaanisten yhdisteiden sitomiseksi ja vapauttamiseksi. Tässä työssä on tarkasteltu amfifiilisten tähtipolymeerien itsejärjestymistä vesiliuoksissa sekä kokeellisesti ja tietokonesimulaatioin. Työ koostuu kahdesta osasta: tähtipolymeerien synteesistä makrosyklisillä initiaattoreilla ja amfifiilisten tähtimäisten blokkikopolymeerien ominaisuuksien tutkimisesta.

Organized Nanostructures of Thermoresponsive Poly(N-isopropylacrylamide) Block Copolymers Obtained Through Controlled RAFT Polymerization

Kontrolloidut radikaalipolymerointimenetelmät, kuten RAFT-polymerointi, ovat moderni tapa valmistaa polymeerejä säädellysti. RAFT-polymeroinnilla polymeerien ketjunpituutta, moolimassajakaumaa, mikrorakennetta (taktisuus, järjestys), koostumusta ja funktionaalisuutta kyetään hallitsemaan. Siten menetelmällä voidaan valmistaa uudenlaisia polymeeriarkkitektuureja, kuten blokki- ja tähtipolymeerejä, sekä hybridimateriaaleja ja biokonjugaatteja. Polymeeristen rakennuspalikoiden itsejärjestyminen, missä huolellisesti syntetisoidut polymeerit järjestyvät halutulla tavalla nanoskaalassa, on suosittu tutkimuskohde materiaalitieteessä. On huomattava, että blokkipolymeerien itsejärjestyminen on vielä suhteellisen nuori tutkimusaihe. Tämän hetkiset polymeeriset nanomateriaalit ovat suhteellisen yksinkertaisia luonnon luomuksiin verrattuina, tarjoten jatkuvasti uusia mahdollisuuksia seuraavan sukupolven polymeereille. Tässä työssä RAFT-polymeroinnilla syntetisoitiin amfifiilisiä di- ja triblokkikopolymeerejä sekä tutkittiin niiden järjestymistä nanorakenteiksi. Kaikissa blokkikopolymeereissä käytettiin lämpöherkkää poly(N-isopropyyliakryyliamidia). Siten polymeerit ja tutkitut materiaalit reagoivat lämpötilanmuutokseen ympäristössä eli ovat ns. ympäristöherkkiä. Työssä tutkittiin taktisuuden kontrollointia N-isopropyyliakryyliamidin RAFT-polymeroinnissa. Polymeerin taktisuutta sekä ketjunpituutta ja blokkijärjestystä säätämällä voitiin hallita polymeerin itsejärjestymistä vesiliuoksessa. Amfifiiliset polymeerit järjestyivät laimeissa vesiliuoksissa erilaisiksi misellirakenteiksi, muodostaen ns. mikrosäiliöitä. Tällaisilla polymeereillä odotetaan olevan sovelluksia esim. lääkeainevapautuksessa. Amfifiilejä käytetään myös esimerkiksi apuaineina pinnoitteissa ja kosmetiikassa. Kiinteässä tilassa tutkitut triblokkikopolymeerit muodostivat teoreettisesti ennustettuja morfologioita. Lämpöherkän materiaalin hydrogeelit toimivat suodatinmembraanina nanokokoluokassa. RAFT-polymeroinnilla syntetisoituja polymeereja voidaan sellaisenaan käyttää kultananopartikkeleiden päällystämiseen. Kultananopartikkelit ovat erittäin kiinostavia mm. niiden stabiilisuuden ja ainutlaatuisten pintaominaisuuksien vuoksi. Kun amfifiilisiä polymeerejä kiinnitettiin kultapartikkelin pinnalle, sen liuos- ja optisia ominaisuuksia voitiin säädellä pH:n ja lämpötilan avulla. Tällaisilla kultananopartikkeleilla on sovelluksia mm. diagnostiikassa, sensoreina ja solukuvauksessa.

Applications of coralline hydroxyapatite with bioabsorbable containment and reinforcement as bone graft substitute : An experimental study

The aim of the present experimental study was to find out if the applications of coralline hydroxyapatite (HA) can be improved by using bioabsorbable containment or binding substance with particulate HA in mandibular contour augmentation and by using bioabsorbable fibre-reinforced HA blocks in filling bone defects and in anterior lumbar interbody fusion. The use of a separate curved polyglycolide (PGA) containment alone or together with a fast resorbing polyglycolide/polylactide (PGA/PLA) binding substance were compared to the conventional non-contained method in ridge augmentation in sheep. The contained methods decreased HA migration, but the augmentations did not differ significantly. The use of the containment caused a risk for wound dehiscence and infection. Histologically there was a rapid connective tissue ingrowth into the HA graft and it was more abundant with the PGA containment compared to the non-contained augmentation and even additionally rich when the HA particles were bound with PGA/PLA copolymer. However, the bone ingrowth was best in the non-contained augmentation exceeding 10-12 % of the total graft area at 24 weeks. Negligible or no bone ingrowth was seen in the cases where the polymer composite was added to the HA particles and, related to that, foreign-body type cells were seen at the interface between the HA and host bone. The PGA and poly-dl/l-lactide (PDLLA) fibre-reinforced coralline HA blocks were studied in the metaphyseal and in the diaphyseal defects in rabbits. A rapid bone ingrowth was seen inside the both types of implants. Both PGA and PDLLA fibres induced an inflammatory fibrous reaction around themselves but it did not hinder the bone ingrowth. The bone ingrowth pattern was directed according to the loading conditions so that the load-carrying cortical ends of the implants as well as the implants sited in the diaphyseal defects were the most ossified. The fibre-reinforced coralline HA implants were further studied as stand-alone grafts in the lumbar anterior interbody implantation in pigs. The strength of the HA implants proved not to be adequate, the implants fractured in six weeks and the disc space was gradually lost similarly to that of the discectomized spaces. Histologically, small quantities of bone ingrowth was seen in some of the PGA and PDLLA reinforced coralline implants while no bone formation was identified in any of the PDLLA reinforced synthetic porous HA implants. While fragmented, the inner structure of the implants was lost, the bone ingrowth was minimal, and the disc was replaced by the fibrous connective tissue. When evaluated radiologically the grade of ossification was assessed as better than histologically, and, when related to the histologic findings, CT was more dependable than the plain films to show ossification of the implanted disc space. Local kyphosis was a frequent finding along with anterior bone bridging and ligament ossification as a consequence of instability of the implanted segment.

Ischemia-reperfusion injury in human liver transplantation : Mechanisms and effects on graft function

Liver transplantation is an established therapy for both acute and chronic liver failure. Despite excellent long-term outcome, graft dysfunction remains a problem affecting up to 15-30% of the recipients. The etiology of dysfunction is multifactorial, with ischemia-reperfusion injury regarded as one of the most important contributors. This thesis focuses on the inflammatory response during graft procurement and reperfusion in liver transplantation in adults. Activation of protein C was examined as a potential endogenous anti-inflammatory mechanism. The effects of inflammatory responses on graft function and outcome were investigated. Seventy adult patients undergoing liver transplantation in Helsinki University Central Hospital, and 50 multiorgan donors, were studied. Blood samples from the portal and the hepatic veins were drawn before graft procurement and at several time points during graft reperfusion to assess changes within the liver. Liver biopsies were taken before graft preservation and after reperfusion. Neutrophil and monocyte CD11b and L-selectin expression were analysed by flow cytometry. Plasma TNF-α, IL-6, IL-8, sICAM-1, and HMGB1 were determined by ELISA and Western-blotting. HMGB1 immunohistochemistry was performed on liver tissue specimens. Plasma protein C and activated protein C were determined by an enzyme-capture assay. Hepatic IL-8 release during graft procurement was associated with subsequent graft dysfunction, biliary in particular, in the recipient. Biliary marker levels increased only 5 7 days after transplantation. Thus, donor inflammatory response appears to influence recipient liver function with relatively long-lasting effects. Hepatic phagocyte activation and sequestration, with concomitant HMGB1 release, occurred during reperfusion. Neither phagocyte activation nor plasma cytokines correlated with postoperative graft function. Thus, activation of the inflammatory responses within the liver during reperfusion may be of minor clinical significance. However, HMGB1 was released from hepatocytes and were also correlated with postoperative transaminase levels. Accordingly, HMGB1 appears to be a marker of hepatocellular injury.