Komposiittivaipan moderni optimisuunnittelu ja toteutus

Tavoitteena tällä tutkimuksella on soveltaa modernin optimisuunnittelun keinoja komposiittimuovisen nestesäiliön lieriömäisen vaipparakenteen suunnittelemiseksi optimaalisen tyydyttäviksi valmistustekniikan ja kustannusten kannalta. Kuormituksia on kahdenlaisia. Säiliön sisällä on neste, joka tuottaa hydrostaattisen painekuorman ja järjestelmään kytketty puhallin tuottaa ulkoisen ylipaineen. Säiliöt ovat pystysäiliöitä ja ne tukeutuvat alustaan suoran pohjalaatan avulla. FEM- malleissa kuoren alaosat ovat jäykästi kiinnitettyjä ja yläosissa säteensuuntaiset siirtymät ovat estettyjä. Materiaaleiksi kuoreen on valittu kahdella eri menetelmällä lujitetut komposiittimateriaalit. Kantavan kerroksen toimintona on kantaa kuormat. Sulkukerros toimii korroosiosuojana ja sen lujuus on kantavaa kerrosta pienempi. Keinoina käytetään ensin innovatiivista suunnittelua optimaalisten lähtövaihtoehtojen ideoimiseksi ja valitsemiseksi jatkokehittelyä varten. Tavoitteena on asiakkaan tyytyväisyyden maksimointi huomioiden tuotteen kustannukset ja kesto. Yhtenä suunnittelun keinona on käytetty kuoriteoriaa ja komposiittien materiaalimalleja. Kestoehtoina on sovellettu komposiiteille soveltuvia kriteerejä. Toisena keinona käytetään FEM-laskentaa. Elementtityypiksi on valittu kaksiulotteinen kuorielementti, jossa on ortotrooppisen ainemallin mukaiset materiaaliominaisuudet. Jännitystuloksien merkittävyys keston kannalta selvitettiin Tsai-Hillin kriteerillä. Tuloksina saatiin ensin innovoitua rakenteelle kaksi päävaihtoehtoa, joita alettiin optimoida. Valitussa ratkaisussa on huomioitu kokonaisuus ja eri yksityiskohdat, kuten paino, jäykisteet kustannustehokkuus, valmistusnopeus, laatu, hävikit, päästöt, lujuus ja kilpailukykyinen myyntihinta. Yhteenvetona voidaan todeta, että käytetyt keinot ovat hyvin tehokkaita ja niillä voidaan suunnitella ja toteuttaa komposiittirakenteita, jotka tyydyttävät optimaalisesti loppukäyttäjän teknis- taloudelliset vaatimukset. Lisäksi tulokset osoittavat, että standardin ja FEM-laskennan ennustukset ovat lähellä toisiaan sylinterimäisillä kuoriosilla, mutta standardit suosittavat suurempia mittoja itse jäykisteille.

Macroporous Scaffolds for Bone Engineering. Studies on Cell Culture and Ectopic Bone Formation

Bone engineering is a rapidly developing area of reconstructive medicine where bone inducing factors and/or cells are combined with a scaffold material to regenerate the structure and function of the original tissue. The aim of this study was to compare the suitability of different macroporous scaffold types for bone engineering applications. The two scaffold categories studied were a) the mechanically strong and stable titanium fiber meshes and b) the elastic and biodegradable porous polymers. Furthermore, bioactive modifications were applied to these basic scaffold types, and their effect on the osteogenic responses was evaluated in cell culture and ectopic bone formation studies. The osteogenic phenotype of cultured cell-scaffold constructs was heightened with a sol-gel derived titania coating, but not with a mixed titania-silica coating. The latter coating also resulted in delayed ectopic bone formation in bone marrow stromal cell seeded scaffolds. However, the better bone contact in early implantation times and more even bone tissue distribution at later times indicated enhanced osteoconductivity of both the coated scaffold types. Overall, the most promising bone engineering results were obtained with titania coated fiber meshes. Elastic and biodegradable poly(ε-caprolactone/D,L-lactide) based scaffolds were also developed in this study. The degradation rates of the scaffolds in vitro were governed by the hydrophilicity of the polymer matrix, and the porous architecture was controlled by the amount and type of porogen used. A continuous phase macroporosity was obtained using a novel CaCl2 • 6H2O porogen. Dynamic culture conditions increased cell invasion, but decreased cell numbers and osteogenicity, within the scaffolds. Osteogenic differentiation in static cultures and ectopic bone formation in cell seeded scaffolds were enhanced in composites, with 30 wt-% of bioactive glass filler.

Lujitemuovisen kaavinterän kannatinpalkin suunnittelu

Diplomityössä perehdytään lujitemuovikomposiitteihin sekä niiden valmistusmenetelmiin. Tavoitteena on kehittää lujitemuovinen paperikoneen kaavinterän kannatinpalkkirakenne. Suunniteltavalla tuotteella pyritään korvaamaan perinteisesti teräksestä valmistetut paperikoneiden kaavinterän pidikepalkit paremmin tarkoitukseen sopivalla lujitemuovisella rakenteella sekä parantamaan jo tuotannossa olevan tuotteen ominaisuuksia. Työssä selvitetään tuotteen vaatimukset, joiden pohjalta laaditaan tuotteen vaatimusprofiili ja suoritetaan materiaalinvalinta perustuen ominaisarvovertailuihin. Suunnitteluosiossa tutkitaan eri rakenneratkaisujen soveltuvuutta kohteeseen. Tutkimustulosten perusteella saatiin kattava kuva eri materiaalien soveltuvuudesta kohteeseen sekä kehitettiin rakenneratkaisu, joka täyttää tuotteelta vaaditut ominaisuudet. Tutkimustulosten pohjalta syntyi myös uuden tyyppinen rakenne jolla saavutetaan huomattavaa tilansäästöä perinteisiin rakenneratkaisuihin nähden. Tämän rakenneratkaisun kehitystyötä on tarkoitus jatkaa.

Thermoplastic bioactive composite – with special reference to dissolution behaviour and tissue response

Bioactive glasses are surface-active ceramic materials which support and accelerate bone growth in the body. During the healing of a bone fracture or a large bone defect, fixation is often needed. The aim of this thesis was to determine the dissolution behaviour and biocompatibility of a composite consisting of poly(ε-caprolactone-co-DL-lactide) and bioactive glass (S53P4). In addition the applicability as an injectable material straight to a bone defect was assessed. In in vitro tests the dissolution behaviour of plain copolymer and composites containing bioactive glass granules was evaluated, as well as surface reactivity and the material’s capability to form apatite in simulated body fluid (SBF). The human fibroblast proliferation was tested on materials in cell culture. In in vivo experiments, toxicological tests, material degradation and tissue reactions were tested both in subcutaneous space and in experimental bone defects. The composites containing bioactive glass formed a unified layer of apatite on their surface in SBF. The size and amount of glass granules affected the degradation of polymer matrix, as well the material’s surface reactivity. In cell culture on the test materials the human gingival fibroblasts proliferated and matured faster compared with control materials. In in vitro tests a connective tissue capsule was formed around the specimens, and became thinner in the course of time. Foreign body cell reactions in toxicological tests were mild. In experimental bone defects the specimens with a high concentration of small bioactive glass granules (<45 μm) formed a dense apatite surface layer that restricted the bone ingrowth to material. The range of large glass granules (90-315 μm) with high concentrations formed the best bonding with bone, but slow degradation on the copolymer restricted the bone growth only in the superficial layers. In these studies, the handling properties of the material proved to be good and tissue reactions were mild. The reactivity of bioactive glass was retained inside the copolymer matrix, thus enabling bone conductivity with composites. However, the copolymer was noticed to degradate too slowly compared with the bone healing. Therefore, the porosity of the material should be increased in order to improve tissue healing.