Asymmetrical flow field-flow fractionation in the study of water-soluble macromolecules

Asymmetrical flow field-flow fractionation (AsFlFFF) was constructed, and its applicability to industrial, biochemical, and pharmaceutical applications was studied. The effect of several parameters, such as pH, ionic strength, temperature and the reactants mixing ratios on the particle sizes, molar masses, and the formation of aggregates of macromolecules was determined by AsFlFFF. In the case of industrial application AsFlFFF proved to be a valuable tool in the characterization of the hydrodynamic particle sizes, molar masses and phase transition behavior of various poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) polymers as a function of viscosity and phase transition temperatures. The effect of sodium chloride salt and the molar ratio of cationic and anionic polyelectrolytes on the hydrodynamic particle sizes of poly (methacryloxyethyl trimethylammonium chloride) and poly (ethylene oxide)-block-poly (sodium methacrylate) and their complexes were studied. The particle sizes of PNIPAM polymers, and polyelectrolyte complexes measured by AsFlFFF were in agreement with those obtained by dynamic light scattering. The molar masses of PNIPAM polymers obtained by AsFlFFF and size exclusion chromatography agreed also well. In addition, AsFlFFF proved to be a practical technique in thermo responsive behavior studies of polymers at temperatures up to about 50 oC. The suitability of AsFlFFF for biological, biomedical, and pharmaceutical applications was proved, upon studying the lipid-protein/peptide interactions, and the stability of liposomes at different temperatures. AsFlFFF was applied to the studies on the hydrophobic and electrostatic interactions between cytochrome c (a basic peripheral protein) and anionic lipid, and oleic acid, and sodium dodecyl sulphate surfactant. A miniaturized AsFlFFF constructed in this study was exploited in the elucidation of the effect of copper (II), pH, ionic strength, and vortexing on the particle sizes of low-density lipoproteins.

Desorptio/fotoionisaatio ilmanpaineessa takavarikoitujen huumausaineiden, steroidien ja räjähdysaineiden tutkimuksessa

Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää desorptio/fotoionisaatio ilmanpaineessa tekniikan (engl. desorption atmospheric pressure photoionization, DAPPI) soveltuvuutta rikosteknisen laboratorion näytteiden analysointiin. DAPPI on nopea massaspektrometrinen ionisaatiotekniikka, jolla voidaan tutkia yhdisteitä suoraan erilaisilta pinnoilta. DAPPI:ssa käytetään lämmitettyä mikrosirua, joka suihkuttaa höyrystynyttä liuotin- ja kaasuvirtausta kohti näytettä. Näytteen pinnan komponentit desorboituvat lämmön vaikutuksesta, jonka jälkeen ionisoituminen tapahtuu VUV-lampun emittoimien fotonien avulla.DAPPI:lla tutkittiin takavarikoituja huumausaineita, anabolisia steroideja ja räjähdysaineita sekä niiden jäämiä erilaisilta pinnoilta. Lisäksi kartoitettiin DAPPI:n mahdollisuuksia ja rajoituksia erilaisille näytematriiseille ilman näytteiden esikäsittelyä. Takavarikoitujen huumausaineiden tutkimuksessa analysoitiin erilaisia tabletteja, jauheita, kasvirouheita, huumekasveja (khat, oopium, kannabis) ja sieniä. Anabolisia steroideja tunnistettiin tableteista sekä ampulleista, jotka sisälsivät öljymäistä nestettä. Jauheet ripoteltiin kaksipuoliselle teipille ja analysoitiin siltä. Muut näytteet analysoitiin sellaisenaan ilman minkäänlaista esikäsittelyä, paitsi nestemäisten näytteiden kohdalla näyte pipetoitiin talouspaperille, joka analysoitiin DAPPI:lla. DAPPI osoittautui nopeaksi ja yksinkertaiseksi menetelmäksi takavarikoitujen huumausaineiden ja steroidien analysoimisessa. Se soveltui hyvin rikoslaboratorion erityyppisten näytteiden rutiiniseulontaan ja helpotti erityisesti huumekasvien ja öljymäisten steroidiliuosten tutkimusta. Massaspektrometrin likaantuminen pystyttiin ehkäisemään säätämällä näytteen etäisyyttä sen suuaukosta. Likaantumista ei havaittu huolimatta näytteiden korkeista konsentraatioista ja useita kuukausia jatkuneista mittauksista. Räjähdysaineiden tutkimuksessa keskityttiin seitsemän eri räjähdysaineen DAPPI-MS-menetelmän kehitykseen; trinitrotolueeni (TNT), nitroglykoli (NK), nitroglyseriini (NG), pentriitti (PETN), heksogeeni (RDX), oktogeeni (HMX) ja pikriinihappoä Nämä orgaaniset räjähteet ovat nitraattiyhdisteitä, jotka voidaan jakaa rakenteen puolesta nitroamiineihin (RDX ja HMX), nitroaromaatteihin (TNT ja pikriinihappo) sekä nitraattiestereihin (PETN, NG ja NK). Menetelmäkehityksessä räjähdysainelaimennokset pipetoitiin polymetyylimetakrylaatin (PMMA) päälle ja analysoitiin siitä. DAPPI:lla tutkittiin myäs autenttisia räjähdysainejäämiä erilaisista matriiseista. DAPPI:lla optimoitiin jokaiselle räjähdysaineelle sopiva menetelmä ja yhdisteet saatiin näkymään puhdasaineina. Räjähdysainejäämien analysoiminen erilaisista rikospaikkamateriaaleista osoittautui haastavammaksi tehtäväksi, koska matriisit aiheuttivat itsessään korkean taustan spektriin, josta räjähdysaineiden piikit eivät useimmiten erottuneet tarpeeksi. Muut desorptioionisaatiotekniikat saattavat soveltua paremmin haastavien räjähdysainejäämien havaitsemiseksi.

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.

Polymer Protected Gold Nanoparticles

Polymer protected gold nanoparticles have successfully been synthesized by both "grafting-from" and "grafting-to" techniques. The synthesis methods of the gold particles were systematically studied. Two chemically different homopolymers were used to protect gold particles: thermo-responsive poly(N-isopropylacrylamide), PNIPAM, and polystyrene, PS. Both polymers were synthesized by using a controlled/living radical polymerization process, reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization, to obtain monodisperse polymers of various molar masses and carrying dithiobenzoate end groups. Hence, particles protected either with PNIPAM, PNIPAM-AuNPs, or with a mixture of two polymers, PNIPAM/PS-AuNPs (i.e., amphiphilic gold nanoparticles), were prepared. The particles contain monodisperse polymer shells, though the cores are somewhat polydisperse. Aqueous PNIPAM-AuNPs prepared using a "grafting-from" technique, show thermo-responsive properties derived from the tethered PNIPAM chains. For PNIPAM-AuNPs prepared using a "grafting-to" technique, two-phase transitions of PNIPAM were observed in the microcalorimetric studies of the aqueous solutions. The first transition with a sharp and narrow endothermic peak occurs at lower temperature, and the second one with a broader peak at higher temperature. In the first transition PNIPAM segments show much higher cooperativity than in the second one. The observations are tentatively rationalized by assuming that the PNIPAM brush can be subdivided into two zones, an inner and an outer one. In the inner zone, the PNIPAM segments are close to the gold surface, densely packed, less hydrated, and undergo the first transition. In the outer zone, on the other hand, the PNIPAM segments are looser and more hydrated, adopt a restricted random coil conformation, and show a phase transition, which is dependent on both particle concentration and the chemical nature of the end groups of the PNIPAM chains. Monolayers of the amphiphilic gold nanoparticles at the air-water interface show several characteristic regions upon compression in a Langmuir trough at room temperature. These can be attributed to the polymer conformational transitions from a pancake to a brush. Also, the compression isotherms show temperature dependence due to the thermo-responsive properties of the tethered PNIPAM chains. The films were successfully deposited on substrates by Langmuir-Blodgett technique. The sessile drop contact angle measurements conducted on both sides of the monolayer deposited at room temperature reveal two slightly different contact angles, that may indicate phase separation between the tethered PNIPAM and PS chains on the gold core. The optical properties of amphiphilic gold nanoparticles were studied both in situ at the air-water interface and on the deposited films. The in situ SPR band of the monolayer shows a blue shift with compression, while a red shift with the deposition cycle occurs in the deposited films. The blue shift is compression-induced and closely related to the conformational change of the tethered PNIPAM chains, which may cause a decrease in the polarity of the local environment of the gold cores. The red shift in the deposited films is due to a weak interparticle coupling between adjacent particles. Temperature effects on the SPR band in both cases were also investigated. In the in situ case, at a constant surface pressure, an increase in temperature leads to a red shift in the SPR, likely due to the shrinking of the tethered PNIPAM chains, as well as to a slight decrease of the distance between the adjacent particles resulting in an increase in the interparticle coupling. However, in the case of the deposited films, the SPR band red-shifts with the deposition cycles more at a high temperature than at a low temperature. This is because the compressibility of the polymer coated gold nanoparticles at a high temperature leads to a smaller interparticle distance, resulting in an increase of the interparticle coupling in the deposited multilayers.

The effects of low-intensity ultrasound in bioabsorbable self-reinforced poly-L-lactide -fixed cancellous bone fracture

The purpose of the present study was to investigate the effects of low-intensity ultrasound on bioabsorbable self-reinforced poly-L-lactide (SR-PLLA) screws and on fracture healing after SR-PLLA device fixation in experimental and clinical cancellous bone fracture. In the first experimental study, the assessment of the mechanical strengths of the SR-PLLA screws was performed after 12 weeks of daily 20-minute ultrasound exposure in vitro. In the second experimental study, 32 male Wistar rats with an experimental distal femur osteotomy fixed with an SR-PLLA rod were exposed for daily low-intensity ultrasound treatment for 21 days. The effects on the healing bone were assessed. The clinical studies consist of three prospective, randomized, and placebo-controlled series of dislocated lateral malleolar fractures fixed with one SR-PLLA screw. The total number of the patients in these series was 52. Half of the patients were provided randomly with a sham ultrasound device. The patients underwent ultrasound therapy 20 minutes daily for six weeks. Radiological bone healing was assessed both by radiographs at two, six, nine, and 12 weeks and by multidetector computed tomography (MDCT) scans at two weeks, nine weeks, and 18 months. Bone mineral density was assessed by dual-energy X-ray absorptiometry (DXA). The clinical outcome was assessed by both Olerud-Molander scoring and clinical examination of the ankle. Low-intensity ultrasound had no effects on the mechanical properties and degradation behaviour of the SR-PLLA screws in vitro. There were no obvious signs of low-intensity ultrasound-induced enhancement in the bone healing in SR-PLLA-rod-fixed metaphyseal distal femur osteotomy in rats. The biocompatibility of low-intensity ultrasound treatment and SR-PLLA was found to be good. In the clinical series low-intensity ultrasound was observed to have no obvious effects on the bone mineral density of the fractured lateral malleolus. There were no obvious differences in the radiological bone healing times of the SR-PLLA-screw-fixed lateral malleolar fractures after low-intensity ultrasound treatment. Low-intensity ultrasound did not have any effects on radiological bone morphology, bone mineral density or clinical outcome 18 months after the injury. There were no obvious findings in the present study to support the hypothesis that low-intensity pulsed ultrasound enhances bone healing in SR-PLLA-rod-fixed experimental metaphyseal distal femur osteotomy in rats or in clinical SR-PLLA-screw-fixed lateral malleolar fractures. It is important to limit the conclusions of the present set of studies only to lateral malleolar fractures fixed with an SR-PLLA screw.

Evaluation of the Biocompatibility of Poly (ortho ester), Copolymer of ε-caprolactone/D,L-lactide and the Composite of Copolymer of ε-caprolactone/D,L-lactide and Tricalciumphosphate as Bone Filling Material

The purpose of this series of studies was to evaluate the biocompatibility of poly (ortho) ester (POE), copolymer of ε-caprolactone and D,L-lactide [P (ε-CL/DL-LA)] and the composite of P(ε-CL/DL-LA) and tricalciumphosphate (TCP) as bone filling material in bone defects. Tissue reactions and resorption times of two solid POE-implants (POE 140 and POE 46) with different methods of sterilization (gamma- and ethylene oxide sterilization), P(ε-CL/DL-LA)(40/60 w/w) in paste form and 50/50 w/w composite of 40/60 w/w P(ε-CL/DL-LA) and TCP and 27/73 w/w composite of 60/40 w/w P(ε-CL/DL-LA) and TCP were examined in experimental animals. The follow-up times were from one week to 52 weeks. The bone samples were evaluated histologically and the soft tissue samples histologically, immunohistochemically and electronmicroscopically. The results showed that the resorption time of gamma sterilized POE 140 was eight weeks and ethylene oxide sterilized POE 140 13 weeks in bone. The resorption time of POE 46 was more than 24 weeks. The gamma sterilized rods started to erode from the surface faster than ethylene oxide sterilized rods for both POEs. Inflammation in bone was from slight to moderate with POE 140 and moderate with POE 46. No highly fluorescent layer of tenascin or fibronectin was found in the soft tissue. Bone healing at the sites of implantation was slower than at control sites with the copolymer in small bone defects. The resorption time for the copolymer was over one year. Inflammation in bone was mostly moderate. Bone healing at the sites of implantation was also slower than at the control sites with the composite in small and large mandibular bone defects. Bone formation had ceased at both sites by the end of follow-up in large mandibular bone defects. The ultrastructure of the connective tissue was normal during the period of observation. It can be concluded that the method of sterilization influenced the resorption time of both POEs. Gamma sterilized POE 140 could have been suitable material for filling small bone defects, whereas the degradation times of solid EO-sterilized POE 140 and POE 46 were too slow to be considered as bone filling material. Solid material is difficult to contour, which can be considered as a disadvantage. The composites were excellent to handle, but the degradation time of the polymer and the composites were too slow. Therefore, the copolymer and the composite can not be recommended as bone filling material.

Development of a new flexor tendon repair technique performed with bioabsorbable poly-L/D-lactide (PLDLA) suture

Sormen koukistajajännevamman korjauksen jälkeisen aktiivisen mobilisaation on todettu johtavan parempaan toiminnalliseen lopputulokseen kuin nykyisin yleisesti käytetyn dynaamisen mobilisaation. Aktiivisen mobilisaation ongelma on jännekorjauksen pettämisriskin lisääntyminen nykyisten ommeltekniikoiden riittämättömän vahvuuden vuoksi. Jännekorjauksen lujuutta on parannettu kehittämällä monisäieommeltekniikoita, joissa jänteeseen tehdään useita rinnakkaisia ydinompeleita. Niiden kliinistä käyttöä rajoittaa kuitenkin monimutkainen ja aikaa vievä tekninen suoritus. Käden koukistajajännekorjauksessa käytetään yleisesti sulamattomia ommelmateriaaleja. Nykyiset käytössä olevat biohajoavat langat heikkenevät liian nopeasti jänteen paranemiseen nähden. Biohajoavan laktidistereokopolymeeri (PLDLA) 96/4 – langan vetolujuuden puoliintumisajan sekä kudosominaisuuksien on aiemmin todettu soveltuvan koukistajajännekorjaukseen. Tutkimuksen tavoitteena oli kehittää välittömän aktiivisen mobilisaation kestävä ja toteutukseltaan yksinkertainen käden koukistajajännekorjausmenetelmä biohajoavaa PLDLA 96/4 –materiaalia käyttäen. Tutkimuksessa analysoitiin viiden eri yleisesti käytetyn koukistajajänneompeleen biomekaanisia ominaisuuksia staattisessa vetolujuustestauksessa ydinompeleen rakenteellisten ominaisuuksien – 1) säikeiden (lankojen) lukumäärän, 2) langan paksuuden ja 3) ompeleen konfiguraation – vaikutuksen selvittämiseksi jännekorjauksen pettämiseen ja vahvuuteen. Jännekorjausten näkyvän avautumisen todettiin alkavan perifeerisen ompeleen pettäessä voima-venymäkäyrän myötöpisteessä. Ydinompeleen lankojen lukumäärän lisääminen paransi ompeleen pitokykyä jänteessä ja suurensi korjauksen myötövoimaa. Sen sijaan paksumman (vahvemman) langan käyttäminen tai ompeleen konfiguraatio eivät vaikuttaneet myötövoimaan. Tulosten perusteella tutkittiin mahdollisuuksia lisätä ompeleen pitokykyä jänteestä yksinkertaisella monisäieompeleella, jossa ydinommel tehtiin kolmen säikeen polyesterilangalla tai nauhamaisen rakenteen omaavalla kolmen säikeen polyesterilangalla. Nauhamainen rakenne lisäsi merkitsevästi ompeleen pitokykyä jänteessä parantaen myötövoimaa sekä maksimivoimaa. Korjauksen vahvuus ylitti aktiivisen mobilisaation jännekorjaukseen kohdistaman kuormitustason. PLDLA 96/4 –langan soveltuvuutta koukistajajännekorjaukseen selvitettiin tutkimalla langan biomekaanisia ominaisuuksia ja solmujen pito-ominaisuuksia staattisessa vetolujuustestauksessa verrattuna yleisimmin jännekorjauksessa käytettävään punottuun polyesterilankaan (Ticron®). PLDLA –langan todettiin soveltuvan hyvin koukistajajännekorjaukseen, sillä se on polyesterilankaa venymättömämpi ja solmujen pitävyys on parempi. Viimeisessä vaiheessa tutkittiin PLDLA 96/4 –langasta valmistetulla kolmisäikeisellä, nauhamaisella jännekorjausvälineellä tehdyn jännekorjauksen kestävyyttä staattisessa vetolujuustestauksessa sekä syklisessä kuormituksessa, joka simuloi staattista testausta paremmin mobilisaation toistuvaa kuormitusta. PLDLA-korjauksen vahvuus ylitti sekä staattisessa että syklisessä kuormituksessa aktiivisen mobilisaation edellyttämän vahvuuden. Nauhamaista litteää ommelmateriaalia ei aiemmin ole tutkittu tai käytetty käden koukistajajännekorjauksessa. Tässä tutkimuksessa ommelmateriaalin nauhamainen rakenne paransi merkitsevästi jännekorjauksen vahvuutta, minkä arvioidaan johtuvan lisääntyneestä kontaktipinnasta jänteen ja ommelmateriaalin välillä estäen ompeleen läpileikkautumista jänteessä. Tutkimuksessa biohajoavasta PLDLA –materiaalista valmistetulla rakenteeltaan nauhamaisella kolmisäikeisellä langalla tehdyn jännekorjauksen vahvuus saavutti aktiivisen mobilisaation edellyttämän tason. Lisäksi uusi menetelmä on helppokäyttöinen ja sillä vältetään perinteisten monisäieompeleiden tekniseen suoritukseen liittyvät ongelmat.

Selective-Area Atomic Layer Deposition

Atomic layer deposition (ALD) is a method to deposit thin films from gaseous precursors to the substrate layer-by-layer so that the film thickness can be tailored with atomic layer accuracy. Film tailoring is even further emphasized with selective-area ALD which enables the film growth to be controlled also on the substrate surface. Selective-area ALD allows the decrease of a process steps in preparing thin film devices. This can be of a great technological importance when the ALD films become into wider use in different applications. Selective-area ALD can be achieved by passivation or activation of a surface. In this work ALD growth was prevented by octadecyltrimethoxysilane, octadecyltrichlorosilane and 1-dodecanethiol SAMs, and by PMMA (polymethyl methacrylate) and PVP (poly(vinyl pyrrolidone) polymer films. SAMs were prepared from vapor phase and by microcontact printing, and polymer films were spin coated. Microcontact printing created patterned SAMs at once. The SAMs prepared from vapor phase and the polymer mask layers were patterned by UV lithography or lift-off process so that after preparation of a continuous mask layer selected areas of them were removed. On these areas the ALD film was deposited selectively. SAMs and polymer films prevented the growth in several ALD processes such as iridium, ruthenium, platinum, TiO2 and polyimide so that the ALD films did grow only on areas without SAM or polymer mask layer. PMMA and PVP films also protected the surface against Al2O3 and ZrO2 growth. Activation of the surface for ALD of ruthenium was achieved by preparing a RuOX layer by microcontact printing. At low temperatures the RuCp2-O2 process nucleated only on this oxidative activation layer but not on bare silicon.