Novel surgical and imaging methods of the middle ear and temporal bone

Välikorvaleikkauksiin usein liittyvän välikorvan ja kuuloluuketjun kirurgisen rekonstruktion tavoitteena on luoda olosuhteet, jotka mahdollistavat hyvän kuulon sekä välikorvan säilymisen tulehduksettomana ja ilmapitoisena. Välikorvan rekonstruktiossa on käytetty implanttimateriaaleina perinteisesti potilaan omia kudoksia sekä tarvittaessa erilaisia hajoamattomia biomateriaaleja, mm. titaania ja silikonia. Ongelmana biomateriaalien käytössä voi olla bakteerien adherenssi eli tarttuminen vieraan materiaalin pintaan, mikä saattaa johtaa biofilmin muodostumiseen. Tämä voi aiheuttaa kroonisen, huonosti antibiootteihin reagoivan infektion kudoksessa, mikä usein käytännössä johtaa uusintaleikkaukseen ja implantin poistoon. Maitohappo- ja glykolihappopohjaiset biologisesti hajoavat polymeerit ovat olleet kliinisessä käytössä jo vuosikymmeniä. Niitä on käytetty erityisesti tukimateriaaleina mm. ortopediassa sekä kasvo- ja leukakirurgiassa. Niitä ei ole toistaiseksi käytetty välikorvakirurgiassa. Korvan kuvantamiseen käytetään ensisijaisesti tietokonetomografiaa (TT). TT-tutkimuksen ongelmana on potilaan altistuminen suhteellisen korkealle sädeannokselle, joka kasvaa kumulatiivisesti, jos kuvaus joudutaan toistamaan. Väitöskirjatyö selvittää uuden, aiemmin kliinisessä työssä rutiinisti lähinnä hampaiston ja kasvojen alueen kuvantamiseen käytetyn rajoitetun kartiokeila-TT:n soveltuvuutta korvan alueen kuvantamiseen. Väitöskirjan kahdessa ensimmäisessä osatyössä tutkittiin ja verrattiin kahden kroonisia ja postoperatiivisia korvainfektioita aiheuttavan bakteerin, Staphylococcus aureuksen ja Pseudomonas aeruginosan, in vitro adherenssia titaanin, silikonin ja kahden eri biohajoavan polymeerin (PLGA) pintaan. Lisäksi tutkittiin materiaalien albumiinipinnoituksen vaikutusta adherenssiin. Kolmannessa osatyössä tutkittiin eläinmallissa PLGA:n biokompatibiliteettia eli kudosyhteensopivuutta kokeellisessa välikorvakirurgiassa. Chinchillojen välikorviin istutettiin PLGA-materiaalia, eläimiä seurattiin, ja ne lopetettiin 6 kk:n kuluttua operaatiosta. Biokompatibiliteetin arviointi perustui kliinisiin havaintoihin sekä kudosnäytteisiin. Neljännessä osatyössä tutkittiin kartiokeila-TT:n soveltuvuutta korvan alueen kuvantamiseen vertaamalla sen tarkkuutta perinteisen spiraali-TT:n tarkkuuteen. Molemmilla laitteilla kuvattiin ohimo- eli temporaaliluita korvan alueen kliinisesti ja kirurgisesti tärkeiden rakenteiden kuvantumisen tarkkuuden arvioimiseksi. Viidennessä osatyössä arvioitiin myös operoitujen temporaaliluiden kuvantumista kartiokeila-TT:ssa. Bakteeritutkimuksissa PLGA-materiaalin pintaan tarttui keskimäärin korkeintaan saman verran tai vähemmän bakteereita kuin silikonin tai titaanin. Albumiinipinnoitus vähensi bakteeriadherenssia merkitsevästi kaikilla materiaaleilla. Eläinkokeiden perusteella PLGA todettiin hyvin siedetyksi välikorvassa. Korvakäytävissä tai välikorvissa ei todettu infektioita, tärykalvon perforaatioita tai materiaalin esiin työntymistä. Kudosnäytteissä näkyi lievää tulehdusreaktiota ja fibroosia implantin ympärillä. Temporaaliluutöissä rajoitettu kartiokeila-TT todettiin vähintään yhtä tarkaksi menetelmäksi kuin spiraali-TT välikorvan ja sisäkorvan rakenteiden kuvantamisessa, ja sen aiheuttama kertasäderasitus todettiin spiraali-TT:n vastaavaa huomattavasti vähäisemmäksi. Kartiokeila-TT soveltui hyvin välikorvaimplanttien ja postoperatiivisen korvan kuvantamiseen. Tulokset osoittavat, että PLGA on välikorvakirurgiaan soveltuva, turvallinen ja kudosyhteensopiva biomateriaali. Biomateriaalien pinnoittaminen albumiinilla vähentää merkittävästi bakteeriadherenssia niihin, mikä puoltaa pinnoituksen soveltamista implanttikirurgiassa. Kartiokeila-TT soveltuu korvan alueen kuvantamiseen. Sen tarkkuus kliinisesti tärkeiden rakenteiden osoittamisessa on vähintään yhtä hyvä ja sen potilaalle aiheuttama sädeannos pienempi kuin nykyisen korva-spiraali-TT:n. Tämä tekee menetelmästä spiraali-TT:aa potilasturvallisemman vaihtoehdon erityisesti, jos potilaan tilanne vaatii seurantaa ja useampia kuvauksia, ja jos halutaan kuvata rajoitettuja alueita uni- tai bilateraalisesti.

Titanium Complexes for the Polymerisation of Ethene and Caprolactone

The literature part of the thesis mainly reviews the results of the use of titanium catalysts for ethene and caprolactone polymerisation. The behaviour of titanium catalysts bearing phenoxy-imino ligands has been the focus of more detailed investigations in ethene polymerisation. Reasons for the production of multimodal polyethene for a range of catalysts are also given. The experimental part of the thesis is divided into two sections based on the monomers used in the polymerisations: Part A (ethene) and part B (caprolactone). Part A: Titanium(IV) complexes bearing phenoxy-imino ligands are known to possess high ethene polymerisation activities after MAO activation. Depending on the ligand, the activities of the catalysts in polymerisation can vary between 1 and 44000 kgPE/(mol*cat*h*bar). Depending on the polymerisation temperature and the electronic and steric properties of the catalyst ligands, low to high molar mass values and uni- and multimodal polydispersity values can been observed. In order to discover the reasons for these differences, 22 titanium(IV) complexes containing differently substituted phenoxy-imino derivatives as di- and tetradentate ligands were synthesised with high yields and used as homogeneous catalysts in ethene polymerisations. Computational methods were used to predict the geometry of the synthesised complexes and their configuration after activation. Based on the results obtained, the geometry of the catalyst together with the ligand substituents seem to play a major role in defining the catalytic activity. Novel titanium(IV) complexes bearing malonate ligands were also synthesised. Malonates are considered to be suitable ligand pre-cursors since they can be produced by the simple reaction of any primary or secondary alcohol with malonylchloride, and thus they are easily modifiable. After treatment with MAO these complexes had polymerisation activities between 10 and 50 kgPE/(mol*cat*h*bar) and surprisingly low polydispersity values when compared with similar types of catalysts bearing the O?O chelate ligand. Part B: One of the synthesis routes in the preparation of the above mentioned phenoxy-imino titanium dichloride complexes involved the use of Ti(NMe2)4 with a range of salicylaldimine type compounds. On reaction, these two compounds formed an intermediate product selectively and quantitatively which was active in the ring-opening polymerisation of caprolactone. Several mono-anionic alcoholates were also combined with Ti(NMe2)4 in different molar ratios and used as catalysts. Full conversion of the monomer was achieved within 15 minutes with catalysts having a co-ordination number of 4 while after 22 hours full conversion was achieved with catalysts having a co-ordination number of 6.

Atomic Layer Deposition and Photocatalytic Properties of Titanium Dioxide Thin Films

Photocatalytic TiO2 thin films can be highly useful in many environments and applications. They can be used as self-cleaning coatings on top of glass, tiles and steel to reduce the amount of fouling on these surfaces. Photocatalytic TiO2 surfaces have antimicrobial properties making them potentially useful in hospitals, bathrooms and many other places where microbes may cause problems. TiO2 photocatalysts can also be used to clean contaminated water and air. Photocatalytic oxidation and reduction reactions proceed on TiO2 surfaces under irradiation of UV light meaning that sunlight and even normal indoor lighting can be utilized. In order to improve the photocatalytic properties of TiO2 materials even further, various modification methods have been explored. Doping with elements such as nitrogen, sulfur and fluorine, and preparation of different kinds of composites are typical approaches that have been employed. Photocatalytic TiO2 nanotubes and other nanostructures are gaining interest as well. Atomic Layer Deposition (ALD) is a chemical gas phase thin film deposition method with strong roots in Finland. This unique modification of the common Chemical Vapor Deposition (CVD) method is based on alternate supply of precursor vapors to the substrate which forces the film growth reactions to proceed only on the surface in a highly controlled manner. ALD gives easy and accurate film thickness control, excellent large area uniformity and unparalleled conformality on complex shaped substrates. These characteristics have recently led to several breakthroughs in microelectronics, nanotechnology and many other areas. In this work, the utilization of ALD to prepare photocatalytic TiO2 thin films was studied in detail. Undoped as well as nitrogen, sulfur and fluorine doped TiO2 thin films were prepared and thoroughly characterized. ALD prepared undoped TiO2 films were shown to exhibit good photocatalytic activities. Of the studied dopants, sulfur and fluorine were identified as much better choices than nitrogen. Nanostructured TiO2 photocatalysts were prepared through template directed deposition on various complex shaped substrates by exploiting the good qualities of ALD. A clear enhancement in the photocatalytic activity was achieved with these nanostructures. Several new ALD processes were also developed in this work. TiO2 processes based on two new titanium precursors, Ti(OMe)4 and TiF4, were shown to exhibit saturative ALD-type of growth when water was used as the other precursor. In addition, TiS2 thin films were prepared for the first time by ALD using TiCl4 and H2S as precursors. Ti1-xNbxOy and Ti1-xTaxOy transparent conducting oxide films were prepared successfully by ALD and post-deposition annealing. Highly unusual, explosive crystallization behaviour occurred in these mixed oxides which resulted in anatase crystals with lateral dimensions over 1000 times the film thickness.