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.

Atomic Layer Deposition for optical applications: metal fluoride thin films and novel devices

Thin films of various metal fluorides are suited for optical coatings from infrared (IR) to ultraviolet (UV) range due to their excellent light transmission. In this work, novel metal fluoride processes have been developed for atomic layer deposition (ALD), which is a gas phase thin film deposition method based on alternate saturative surface reactions. Surface controlled self-limiting film growth results in conformal and uniform films. Other strengths of ALD are precise film thickness control, repeatability and dense and pinhole free films. All these make the ALD technique an ideal choice also for depositing metal fluoride thin films. Metal fluoride ALD processes have been largely missing, which is mostly due to a lack of a good fluorine precursor. In this thesis, TiF4 precursor was used for the first time as the fluorine source in ALD for depositing CaF2, MgF2, LaF3 and YF3 thin films. TaF5 was studied as an alternative novel fluorine precursor only for MgF2 thin films. Metal-thd (thd = 2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionato) compounds were applied as the metal precursors. The films were grown at 175 450 °C and they were characterized by various methods. The metal fluoride films grown at higher temperatures had generally lower impurity contents with higher UV light transmittances, but increased roughness caused more scattering losses. The highest transmittances and low refractive indices below 1.4 (at 580 nm) were obtained with MgF2 samples. MgF2 grown from TaF5 precursor showed even better UV light transmittance than MgF2 grown from TiF4. Thus, TaF5 can be considered as a high quality fluorine precursor for depositing metal fluoride thin films. Finally, MgF2 films were applied in fabrication of high reflecting mirrors together with Ta2O5 films for visible region and with LaF3 films for UV region. Another part of the thesis consists of applying already existing ALD processes for novel optical devices. In addition to the high reflecting mirrors, a thin ALD Al2O3 film on top of a silver coating was proven to protect the silver mirror coating from tarnishing. Iridium grid filter prototype for rejecting IR light and Ir-coated micro channel plates for focusing x-rays were successfully fabricated. Finally, Ir-coated Fresnel zone plates were shown to provide the best spatial resolution up to date in scanning x-ray microscopy.

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.

Detection of renal dysfunction during and after anaesthesia and surgery - evaluation of the influence of inorganic fluoride, ketorolac and clonidine

Drugs and surgical techniques may have harmful renal effects during the perioperative period. Traditional biomarkers are often insensitive to minor renal changes, but novel biomarkers may more accurately detect disturbances in glomerular and tubular function and integrity. The purpose of this study was first, to evaluate the renal effects of ketorolac and clonidine during inhalation anesthesia with sevoflurane and isoflurane, and secondly, to evaluate the effect of tobacco smoking on the production of inorganic fluoride (F-) following enflurane and sevoflurane anesthesia as well as to determine the effect of F- on renal function and cellular integrity in surgical patients. A total of 143 patients undergoing either conventional (n = 75) or endoscopic (n = 68) inpatient surgery were enrolled in four studies. The ketorolac and clonidine studies were prospective, randomized, placebo controlled and double-blinded, while the cigarette smoking studies were prospective cohort studies with two parallel groups. As a sign of proximal tubular deterioration, a similar transient increase in urine N-acetyl-beta-D-glucosaminidase/creatinine (U-NAG/crea) was noted in both the ketorolac group and in the controls (baseline vs. at two hours of anesthesia, p = 0.015) with a 3.3 minimum alveolar concentration hour sevoflurane anesthesia. Uncorrelated U-NAG increased above the maximum concentration measured from healthy volunteers (6.1 units/l) in 5/15 patients with ketorolac and in none of the controls (p = 0.042). As a sign of proximal tubular deterioration, U-glutathione transferase-alpha/crea (U-GST-alpha/crea) increased in both groups at two hours after anesthesia but a more significant increase was noted in the patients with ketorolac. U-GST-alpha/crea increased above the maximum ratio measured from healthy volunteers in 7/15 patients with ketorolac and in 3/15 controls. Clonidine diminished the activation of the renin-angiotensin aldosterone system during pneumoperitoneum; urine output was better preserved in the patients treated with clonidine (1/15 patients developed oliguria) than in the controls (8/15 developed oliguria (p=0.005)). Most patients with pneumoperitoneum and isoflurane anesthesia developed a transient proximal tubular deterioration, as U-NAG increased above 6.1 units/L in 11/15 patients with clonidine and in 7/15 controls. In the patients receiving clonidine treatment, the median of U-NAG/crea was higher than in the controls at 60 minutes of pneumoperitoneum (p = 0.01), suggesting that clonidine seems to worsen proximal tubular deterioration. Smoking induced the metabolism of enflurane, but the renal function remained intact in both the smokers and the non-smokers with enflurane anesthesia. On the contrary, smoking did not induce sevoflurane metabolism, but glomerular function decreased in 4/25 non-smokers and in 7/25 smokers with sevoflurane anesthesia. All five patients with S-F- ≥ 40 micromol/L, but only 6/45 with S-F- less than 40 micromol/L (p = 0.001), developed a S-tumor associated trypsin inhibitor concentration above 3 nmol/L as a sign of glomerular dysfunction. As a sign of proximal tubulus deterioration, U-beta 2-microglobulin increased in 2/5 patients with S-F- over 40 micromol/L compared to 2/45 patients with the highest S-F- less than 40 micromol/L (p = 0.005). To conclude, sevoflurane anesthesia may cause a transient proximal tubular deterioration which may be worsened by a co-administration of ketorolac. Clonidine premedication prevents the activation of the renin-angiotensin aldosterone system and preserves normal urine output, but may be harmful for proximal tubules during pneumoperitoneum. Smoking induces the metabolism of enflurane but not that of sevoflurane. Serum F- of 40 micromol/L or higher may induce glomerular dysfunction and proximal tubulus deterioration in patients with sevoflurane anesthesia. The novel renal biomarkers warrant further studies in order to establish reference values for surgical patients having inhalation anesthesia.

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.