Fiber-reinforced Composite as Oral Implant Material. Experimental studies of glass fiber and bioactive glass in vitro and in vivo

Fiber-reinforced composite as oral implant material: Experimental studies of glass fiber and bioactive glass in vitro and in vivo Department of Prosthetic Dentistry and Biomaterials Science, Institute of Dentistry, University of Turku, Turku, Finland 2008. Biocompatibility and mechanical properties are important variables that need to be determined when new materials are considered for medical implants. Special emphasis was placed on these characteristics in the present work, which aimed to investigate the potential of fiber-reinforced composite (FRC) material as an oral implant. Furthermore, the purpose of this study was to explore the effect of bioactive glass (BAG) on osseointegration of FRC implants. The biocompatibility and mechanical properties of FRC implants were studied both in vitro and in vivo. The mechanical properties of the bulk FRC implant were tested with a cantilever bending test, torsional test and push-out test. The biocompatibility was first evaluated with osteoblast cells cultured on FRC substrates. Bone bonding was determined with the mechanical push-out test and histological as well as histomorplanimetric evaluation. Implant surface was characterized with SEM and EDS analysis. The results of these studies showed that FRC implants can withstand the static load values comparably to titanium. Threaded FRC implants had significantly higher push-out strength than the threaded titanium implants. Cell culture study revealed no cytotoxic effect of FRC materials on the osteoblast-like-cells. Addition of BAG particles enhanced cell proliferation and mineralization of the FRC substrates The in vivo study showed that FRC implants can withstand static loading until failure without fracture. The results also suggest that the FRC implant is biocompatible in bone. The biological behavior of FRC was comparable to that of titanium after 4 and 12 weeks of implantation. Furthermore, addition of BAG to FRC implant increases peri-implant osteogenesis and bone maturation.

Tuplakuori-rakenne eristettyihin muoviputkiin

Eristettyjen muoviputkien kuljetus- tai asennusvaiheessa on mahdollista, että putken suojakuori rikkoutuu mekaanisen iskun vaikutuksesta ja putken sisään pääsee vettä. Huonoimmassa tapauksessa vesi pääsee etenemään suojakuoren ja eristekerroksen välissä talon sisälle ja aiheuttaa mittavat kosteusvahingot. Tämän diplomityön tarkoituksena oli selvittää, onko eristetylle muoviputkelle mahdollista toteuttaa tuotantotaloudellisesti tuplakuori-rakenne. Tuplakuoren tarkoituksena oli tässä työssä estää putken sisärakenteisiin päässeen veden eteneminen putken pitkittäissuunnassa. Diplomityössä käsiteltiin muutamia vaihtoehtoisia ratkaisuja toteuttaa tuplakuori-rakenne joista lopulta päädyttiin keskittymään muovikalvon käyttöön. Muovikalvon käytöllä oli lähinnä kaksi tarkoitusta. Tärkeimpänä oli saada muovikalvo sulamaan eristekerroksen ja suojakuoren väliin. Tällöin sulanut muovikalvo toimisi liiman tavoin ja hitsaisi eristekerroksen ja suojakuoren toisiinsa kiinni. Näin veden eteneminen eristekerroksen ja suojakuoren välissä saataisiin estetyksi. Muovikalvo oli myös tarkoitus kiristää eristepaketin päälle niin kireälle, että eristepaketin halkaisijaa saataisiin pienennettyä. Muovikalvon käyttöön perehdyttiin suorittamalla tuotantolinjalla koeajoja. Koeajoissa kokeiltiin erilaisia ja erikokoisia putkituotteita erilaisilla tuotantoparametreilla. Näin pyrittiin löytämään parhaat parametrit ja arvot, joilla muovikalvoa pystyttäisiin tulevaisuudessa käyttämään jatkuvassa tuotannossa. Koeajojen tuloksista voitiin havaita, että kalvoitetut putkituotteet käyttäytyivät tuotannossa hyvin eri tavoin.

Alumiiniveneen rungon modulointi robottihitsauksen tehostamiseksi

Alumiiniveneiden valmistuksessa hitsauksen automatisointiaste on hyvin matala. Kilpailukyvyn säilyttämiseksi on tärkeää saada automatisointiastetta nostettua ja tätä kautta hitsauskustannuksia alennettua. Automatisoinnin esteenä ei ole teknologian puute, vaan ongelmana on alumiiniveneiden rakenteen huono soveltuvuus automatisoituun tuotantoon. Rakenteen kehittäminen modulaariseksi on yksi mahdollisuus tehostaa robottihitsausta venerunkojen valmistuksessa. Tässä diplomityössä tutkittiin modulaarisuutta, modulointiin johtavia tekijöitä sekä modulaarisuudella mahdollisesti saavutettavia etuja valmistavassa teollisuudessa ja erityisesti robottihitsauksessa. Lisäksi käsiteltiin modulointiin läheisesti liittyvää valmistus- ja kokoonpanoystävällistä suunnittelua. Työssä tehtiin modulointiesimerkki huviveneen rungon robottihitsauksen tehostamiseksi. Veneen runko ja siihen suunniteltu jäykisterakennemoduuli mallinnettiin käyttäen SolidWorks-ohjelmistoa sekä Delmia V5-ohjelmistoon sisällytettyä Catia V5-suunnitteluympäristöä. Suunnitellun modulaarisen rakenteen hitsattavuutta ja hitsaukseen kuluvaa aikaa simuloitiin Delmia V5-ohjelmistolla. Modulaarisen rakenteen avulla robottihitsattavuutta on mahdollista tehostaa erityisesti rungon sisäisen jäykisterakenteen osalta. Kun tuotteesta on suurempi osa hitsattavissa robotin avulla, on myös robotisointi-investoinnit kannattavampia. Modulaarisuuden avulla voidaan päästä myös pienillä tuotantomäärillä sarjatuotannon etuihin, kun samaa moduulia voidaan käyttää vähäisillä muutoksilla useammassa eri venemallissa.

Paineellisten rumpusuodinten kunnossapitostrategian kehittäminen ja implementointi

Tutkimuksen tavoitteena oli luoda UPM-Kymmene Oyj:n Kaukaan sellutehtaalle tuotannolliset näkökulmat huomioiva ja kunnossapitokustannukset optimoiva paineellisten rumpusuodinten kunnossapitostrategia. Paineelliset rumpusuotimet on sellutehtaan kuitulinjan keskeinen laiteryhmä, jonka vuosittaiset kunnossapitokustannukset ovat merkittävät. Tarkastelu työssä keskittyi paineellisen rumpusuotimen päätytiivistyksen kunnossapitostrategian kehittämiseen, koska päätytiivistys muodostaa laitteen vuosittaisista kustannuksista suurimman osan. Kunnossapitokustannusten optimointi suoritettiin strategisen johtamisen periaatteiden mukaisesti eri teknistaloudelliset näkökulmat huomioiden. Kunnossapidon toteutukselle määriteltiin tuotannon tavoitteet, jonka perusteella luotiin uusi kunnossapitostrategia. Työssä tehdyn tutkimuksen perusteella siirtymällä korjaavasta kunnossapidosta ehkäisevään kunnossapitoon, voidaan saavuttaa säästöjä kunnossapitokustannuksissa. Uuden strategian toteutumisen mahdollistamiseksi määriteltiin strategiset projektit, jotka käsittelivät muun muassa uusien tiivistemateriaalien käyttöönottoa, alajärjestelmien muutostöitä sekä toimintatapojen muutoksia. Strategian ja strategisten projektien toteutusta varten laadittiin kirjalliset dokumentit, joiden perusteella implementointi suoritetaan. Toimenpiteille määriteltiin vastuuhenkilöt ja toteutusajat, joiden mukaisesti eri organisaatiotasot toimivat. Strategia laadittiin seuraavalle kymmenelle vuodelle, mutta strategian toteutusta ja tuloksia on seurattava vuosittain. Muuttuvassa liiketoimintaympäristössä kunnossapidon optimitila ei ole staattinen, joten strategiaa on oltava valmis päivittämään. Aktiivisella ja suunnitelmallisella toiminnalla on mahdollista saavuttaa merkittäviä säästöjä tuotannon ja kunnossapidon näkökulmasta.

System-wide approaches to uncover Th2 cell lineage commitment

T helper (Th) cells are vital regulators of the adaptive immune system. When activated by presentation of cognate antigen, Th cells demonstrate capacity to differentiate into functionally distinct effector cell subsets. The Th2 subset is required for protection against extracellular parasites, such as helminths, but is also closely linked to pathogenesis of asthma and allergies. The intracellular molecular signal transduction pathways regulating T helper cell subset differentiation are still incompletely known. Moreover, great majority of studies regarding Th2 differentiation have been conducted with mice models, while studies with human cells have been fewer in comparison. The goal of this thesis was to characterize molecular mechanisms promoting the development of Th2 phenotype, focusing specifically on human umbilical cord blood T cells as an experimental model. These primary cells, activated and differentiated to Th2 cells in vitro, were investigated by complementary system-wide approaches, targeting levels of mRNA, proteins, and lipid molecules. Specifically, the results indicated IL4-regulated recruitment of nuclear protein, and described novel components of the Th2-promoting STAT6 enhanceosome complex. Furthermore, the development of the activated effector cell phenotype was found to correlate with remodeling of the cellular lipidome. These findings will hopefully advance the understanding of human Th2 cell lineage commitment and development of Th2-associated disease states.

System-level characterization of Th2 cell development and immune cell responses to ZnO and TiO2 nanoparticles

Asthma and allergy are common diseases and their prevalence is increasing. One of the hypotheses that explains this trend is exposure to inhalable chemicals such as traffi c-related air pollution. Epidemiological research supports this theory, as a correlation between environmental chemicals and allergic respiratory diseases has been found. In addition to ambient airborne particles, one may be exposed to engineered nanosized materials that are actively produced due to their favorable physico-chemical properties compared to their bulk size counterparts. On the cellular level, improper activity of T helper (Th) cells has been connected to allergic reactions. Th cells can differentiate into functionally different effector subsets, which are identifi ed according to their characteristic cytokine profi les resulting in specifi c ability to communicate with other cells. Th2 cells activate humoral immunity and stimulate eradication of extracellular pathogens. However, persistent predominance of Th2 cells is involved in a development of number of allergic diseases. The cytokine environment at the time of antigen recognition is the major factor determining the polarization of a naïve Th cell. Th2 cell differentiation is initiated by IL4, which signals via transcription factor STAT6. Although the importance of this pathway has been evaluated in the mouse studies, the signaling components involved have been largely unknown. The aim of this thesis was to identify molecules, which are under the control of IL4 and STAT6 in Th cells. This was done by using system-level analysis of STAT6 target genes at genome, mRNA and protein level resulting in identifi cation of various genes previously not connected to Th2 cell phenotype acquisition. In the study, STAT6-mediated primary and secondary target genes were dissection from each other and a detailed transcriptional kinetics of Th2 cell polarization of naïve human CD4+ T cells was collected. Integration of these data revealed the hierarchy of molecular events that mediates the differentiation towards Th2 cell phenotype. In addition, the results highlighted the importance of exploiting proteomics tools to complement the studies on STAT6 target genes identifi ed through transcriptional profi ling. In the last subproject, the effects of the exposure with ZnO and TiO2 nanoparticles was analyzed in Jurkat T cell line and in primary human monocyte-derived macrophages and dendritic cells to evaluate their toxicity and potential to cause infl ammation. Identifi cation of ZnO-derived gene expression showed that the same nanoparticles may elicit markedly distinctive responses in different cell types, thus underscoring the need for unbiased profi ling of target genes and pathways affected. The results gave additional proof that the cellular response to nanosized ZnO is due to leached Zn2+ ions. The approach used in ZnO and TiO2 nanoparticle study demonstrated the value of assessing nanoparticle responses through a toxicogenomics approach. The increased knowledge of Th2 cell signaling will hopefully reveal new therapeutic nodes and eventually improve our possibilities to prevent and tackle allergic infl ammatory diseases.

The Effects of Fibroblast Growth Factor 8b on Reproductive Organs and Prostate Tumorigenesis

Fibroblast growth factors (FGFs) are involved in the development and homeostasis of the prostate and other reproductive organs. FGF signaling is altered in prostate cancer. Fibroblast growth factor 8 (FGF8) is a mitogenic growth factor and its expression is elevated in prostate cancer and in premalignant prostatic intraepithelial neoplasia (PIN) lesions. FGF8b is the most transforming isoform of FGF8. Experimental models show that FGF8b promotes several phases of prostate tumorigenesis - including cancer initiation, tumor growth, angiogenesis, invasion and development of bone metastasis. The mechanisms activated by FGF8b in the prostate are unclear. In the present study, to examine the tumorigenic effects of FGF8b on the prostate and other FGF8b expressing organs, an FGF8b transgenic (TG) mouse model was generated. The effect of estrogen receptor beta (ERβ) deficiency on FGF8binduced prostate tumorigenesis was studied by breeding FGF8b-TG mice with ERβ knockout mice (BERKOFVB). Overexpression of FGF8b caused progressive histological and morphological changes in the prostate, epididymis and testis of FGF8b-TG-mice. In the prostate, hyperplastic, preneoplastic and neoplastic changes, including mouse PIN (mPIN) lesions, adenocarcinomas, sarcomas and carcinosarcomas were present in the epithelium and stroma. In the epididymis, a highly cancer-resistant tissue, the epithelium contained dysplasias and the stroma had neoplasias and hyperplasias with atypical cells. Besides similar histological changes in the prostate and epididymis, overexpression of FGF8b induced similar changes in the expression of genes such as osteopontin (Spp1), connective tissue growth factor (Ctgf) and FGF receptors (Fgfrs) in these two tissues. In the testes of the FGF8b-TG mice, the seminiferous epithelium was frequently degenerative and the number of spermatids was decreased. A portion of the FGF8b-TG male mice was infertile. Deficiency of ERβ did not accelerate prostate tumorigenesis in the FGF8b-TG mice, but increased significantly the frequency of mucinous metaplasia and slightly the frequency of inflammation in the prostate. This suggests putative differentiation promoting and anti-inflammatory roles for ERβ. In summary, these results underscore the importance of FGF signaling in male reproductive organs and provide novel evidence for a role of FGF8b in stromal activation and prostate tumorigenesis.

Modulation of Signaling Molecules by Human Leucocyte Antigen B27; Special Reference to STAT1

Reactive arthritis (ReA) is an inflammatory joint disease, which belongs to the group of Spondyloarthritis (SpA). It may occur after infections with certain gram-negative bacteria such as Salmonella and Yersinia. SpAs are strongly associated with the human leucocyte antigen (HLA)-B27. Despite active research, the mechanism by which HLA-B27 causes disease susceptibility is still unknown. However, HLA-B27 has a tendency to misfold during assembly. It is possible that the misfolding of HLA-B27 could alter signaling pathways and/or molecules involved in inflammatory response in cells. We have earlier discovered that in HLA-B27-positive cells the interaction between the host and causative bacteria is disturbed. Our recent studies indicate that the expression of HLA-B27 may alter certain signaling molecules by disturbing their activation. The aim of this study was to investigate whether the expression of HLA-B27 disturbs the signaling molecules, especially the phosphorylation of transcription factor STAT1. STAT1 is an important mediator of inflammatory responses. Our results show that the phosphorylation of the STAT1 is significantly altered in HLA-B27-expressing U937 monocytic cells compared with control cells. STAT1 tyrosine 701 is more strongly phosphorylated in HLAB27- expressing cells; whereas the phosphorylation of STAT1 serine 727 is prolonged. Phosphorylation of STAT1 was discovered to be dependent on protein kinase PKR. Furthermore, we found out that the expression of posttranscriptional gene regulator HuR was altered in HLA-B27-expressing cells. We also detected that HLA-B27-positive cells secrete more interleukin 6, which is an important mediator of inflammation. These results help to understand how HLA-B27 may confer susceptibility to SpAs.

Ydinvoiman säädettävyys laajamittaisesti sähköä varastoivassa energiajärjestelmässä

Tulevaisuudessa tuuli- ja aurinkovoiman osuus sähköntuotannosta tulee kasvamaan. Näiden uusiutuvien energiamuotojen tuotanto kuitenkin vaihtelee sääolosuhteiden mukaan. Tästä johtuen tarvitaan lisää säätövoimaa, jotta voidaan vastata sähkönkulutukseen tuuli- ja aurinkosähkön tuotannon laskiessa. Tässä työssä tarkastellaan mahdollisuutta toteuttaa sähkönkulutuksen ja tuotannon tasapainottaminen Suomessa sähkön varastoinnin avulla sekä ydinvoiman soveltuvuutta säätövoimaksi ja ydinsähkön varastoinnin kannattavuutta. Työssä vertaillaan mahdollisuuksia sähkön varastointiteknologioiksi, joista valitaan potentiaalisimmat vaihtoehdot kustannus- ja soveltuvuustarkasteluun. Varastointikapasiteetin tarvetta tarkastellaan Suomen nykyisen sähkönkulutuksen ja -tuotannon mukaan sekä tilanteessa, jossa tuuli- ja aurinkovoiman osuus on molemmilla 15 % kokonaistuotantokapasiteetista. Vanhempien sekä nykyaikaisten ydinvoimaloiden soveltuvuutta säätövoimaksi tarkastellaan laitosten säädettävyyden perusteella. Ydinvoimalaa on kuitenkin kannattavinta käyttää mahdollisimman suurella käyttökertoimella, joten tarkastelussa on myös mahdollisuus varastoida sähköä tilanteissa, joissa tuotantoa jouduttaisiin rajoittamaan. Varastointiteknologioiden ja eri skenaarioissa vaadittujen varastointikapasiteettien perusteella voidaan todeta, ettei sähkönkulutuksen ja -tuotannon tasapainottaminen sähkön varastoinnilla ole kannattavaa nykyisillä varastointikustannuksilla ja sähkön hinnoilla. Ydinvoiman voidaan todeta soveltuvan hyvin säätövoimaksi ominaisuuksien puolesta, mutta taloudellisesti se ei ole paras vaihtoehto. Ydinvoimalla tuotetun sähkön varastointi ei ole tällä hetkellä Suomessa kannattavaa matalien sähkön hintojen ja korkeiden varastointikustannusten vuoksi. Sähkön varastoinnista on mahdollista tulla kannattavaa 2020-luvulla. Tämä edellyttää Yhdysvaltojen energiaministeriön asettaman strategian toteutumista, jonka tavoitteena on varastoimalla tuotetun sähkön kustannusten saaminen alle 75 €/MWh.

Optical spectroscopy of organic material based on C60

The structure and optical properties of thin films based on C60 materials are studied. Reproducible vacuum method of thin fullerene films production with Cd impurity on Si, glass and mica surfaces is developed. Surface morphology of the films are investigated by AFM and SEM methods. The ab initio quantum - chemical calculations of the geometry, total energy and excited energy states of complex fullerene- cadmium telluride supramolecules are performed. Photoluminescence spectra of composite thin films based on C60 before and after X-ray irradiation were measured. The intensity of additional peaks is defined as the charge composition due to the type of substrate. These results are interpreted as an appearance of the dipole-allowed transitions in the fullerene excited singlet states spectrum cause of an interference with cadmium telluride. X-ray irradiated films were investigated, and additional peaks in photoluminescence spectra were detected. These peaks appear as a result of molecular complexes formation from C60CdTe mixture and dimerization of the films. Density functional B3LYP quantum-chemical calculations for C60CdTe, molecular complexes, (C60)2 and C120O dimers were performed to elucidate some experimental results.