Experimental Studies on Non-Metallic Composite Bone Implants With a Special Reference to Staphylococcal Biofilm Infection

Non-metallic implants made of bioresorbable or biostable synthetic polymers are attractive options in many surgical procedures, ranging from bioresorbable suture anchors of arthroscopic surgery to reconstructive skull implants made of biostable fiber-reinforced composites. Among other benefits, non-metallic implants produce less interference in imaging. Bioresorbable polymer implants may be true multifunctional, serving as osteoconductive scaffolds and as matrices for simultaneous delivery of bone enhancement agents. As a major advantage for loading conditions, mechanical properties of biostable fiber-reinforced composites can be matched with those of the bone. Unsolved problems of these biomaterials are related to the risk of staphylococcal biofilm infections and to the low osteoconductivity of contemporary bioresorbable composite implants. This thesis was focused on the research and development of a multifunctional implant model with enhanced osteoconductivity and low susceptibility to infection. In addition, the experimental models for assessment, diagnostics and prophylaxis of biomaterial-related infections were established. The first experiment (Study I) established an in vitro method for simultaneous evaluation of calcium phosphate and biofilm formation on bisphenol-Aglycidyldimethacrylate and triethylenglycoldimethacrylate (BisGMA-TEGDMA) thermosets with different content of bioactive glass 45S5. The second experiment (Study II) showed no significant difference in osteointegration of nanostructured and microsized polylactide-co-glycolide/β-tricalcium phosphate (PLGA /β-TCP) composites in a minipig model. The third experiment (Study III) demonstrated that positron emission tomography (PET) imaging with the novel 68Ga labelled 1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetic acid (DOTA) CD33 related sialic-acid immunoglobulin like lectins (Siglec-9) tracer was able to detect inflammatory response to S. epidermidis and S. aureus peri-implant infections in an intraosseous polytetrafluoroethylene catheter model. In the fourth experiment (Study IV), BisGMATEGDMA thermosets coated with lactose-modified chitosan (Chitlac) and silver nanoparticles exhibited antibacterial activity against S. aureus and P. aeruginosa strains in an in vitro biofilm model and showed in vivo biocompatibility in a minipig model. In the last experiment (Study V), a selective androgen modulator (SARM) released from a poly(lactide)-co-ε-caprolactone (PLCL) polymer matrix failed to produce a dose-dependent enhancement of peri-implant osteogenesis in a bone marrow ablation model.

Magnetization studies of polystyrene/multiwall carbon nanotube composite films

Lappeenranta University of Technology School of Technology Technical Physics Evgenii Zhukov MAGNETIZATION STUDIES OF POLYSTYRENE/MULTIWALL CARBON NANOTUBE COMPOSITE FILMS Master’s thesis 2015 55 pages, 41 pictures, 9 Tables. Examiners: Professor Erkki Lähderanta D.Sc. Ivan Zakharchuk Keywords: polystyrene, multi-walled carbon nanotubes, MWCNT, composite, magnetization, SQUID. In this thesis magnetic properties of polystyrene/multiwall carbon nanotube (MWCNT) composites are investigated with Quantum Design SQUID magnetometer (MPMS XL). The surface of the composite films is studied via BRUKER Multimode 8 Atomic Force Microscope, as well. The polystyrene/MWCNT composites have been prepared by the group of professor Okotrub (Physics Chemistry of Nanomaterials laboratory, Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry, Russia). The composite films have been prepared by solution processing and stretching method. The approximate length and inner diameter of the MWCNTs used in fabrication are 260 μm and 10 nm, respectively. The content of MWCNTs is 1 and 2.5 contents percent (wt%) for studied samples. The stretching of the samples is 30% for samples with 1 and 2.5 wt% content, and one sample with 1 wt% loading of MWCNTs is 100% stretched. MWCNTs aligned perpendicular to a silicon substrate are used as a reference sample. The magnetization field dependencies of the samples exhibit hysteresis behavior. The values of saturation magnetization of composite films are much less compared to that of the reference sample. The saturation magnetization coercitivity field value drops with decrease of MWCNT content. At high magnetic fields strong presence of diamagnetism is observed. Measurements in magnetic field parallel and perpendicular to the composite plate display anisotropy with respect to the direction of stretching. Temperature dependences of magnetization for all samples display difference between zero-field cooled and field-cooled curves of magnetization. This divergence confirms the presence of magnetic interactions in the material. The atomic force microscopy study of the composites’ surfaces revealed that they are relatively smooth and the nanotubes are aligned with the axis of stretching to some extent. 

Readout architectures for hybrid pixel detector readout chips

The original contribution of this thesis to knowledge are novel digital readout architectures for hybrid pixel readout chips. The thesis presents asynchronous bus-based architecture, a data-node based column architecture and a network-based pixel matrix architecture for data transportation. It is shown that the data-node architecture achieves readout efficiency 99% with half the output rate as a bus-based system. The network-based solution avoids “broken” columns due to some manufacturing errors, and it distributes internal data traffic more evenly across the pixel matrix than column-based architectures. An improvement of > 10% to the efficiency is achieved with uniform and non-uniform hit occupancies. Architectural design has been done using transaction level modeling (TLM) and sequential high-level design techniques for reducing the design and simulation time. It has been possible to simulate tens of column and full chip architectures using the high-level techniques. A decrease of > 10 in run-time is observed using these techniques compared to register transfer level (RTL) design technique. Reduction of 50% for lines-of-code (LoC) for the high-level models compared to the RTL description has been achieved. Two architectures are then demonstrated in two hybrid pixel readout chips. The first chip, Timepix3 has been designed for the Medipix3 collaboration. According to the measurements, it consumes < 1 W/cm^2. It also delivers up to 40 Mhits/s/cm^2 with 10-bit time-over-threshold (ToT) and 18-bit time-of-arrival (ToA) of 1.5625 ns. The chip uses a token-arbitrated, asynchronous two-phase handshake column bus for internal data transfer. It has also been successfully used in a multi-chip particle tracking telescope. The second chip, VeloPix, is a readout chip being designed for the upgrade of Vertex Locator (VELO) of the LHCb experiment at CERN. Based on the simulations, it consumes < 1.5 W/cm^2 while delivering up to 320 Mpackets/s/cm^2, each packet containing up to 8 pixels. VeloPix uses a node-based data fabric for achieving throughput of 13.3 Mpackets/s from the column to the EoC. By combining Monte Carlo physics data with high-level simulations, it has been demonstrated that the architecture meets requirements of the VELO (260 Mpackets/s/cm^2 with efficiency of 99%).

Fiber-reinforced composite fixed dental prostheses: Studies of the materials used as pontics

Fiber-reinforced composite fixed dental prostheses – Studies of the materials used as pontics University of Turku, Faculty of Medicine, Institute of Dentistry, Department of Biomaterials Science, Finnish Doctoral Program in Oral Sciences – FINDOS, Annales Universitatis Turkuensis, Turku, Finland 2015 Fiber-reinforced composites (FRC), a non-metallic biomaterial, represent a suitable alternative in prosthetic dentistry when used as a component of fixed dental prostheses (FDPs). Some drawbacks have been identified in the clinical performance of FRC restorations, such as delamination of the veneering material and fracture of the pontic. Therefore, the current series of studies were performed to investigate the possibilities of enhancing the mechanical and physical properties of FRC FDPs by improving the materials used as pontics, to then heighten their longevity. Four experiments showed the importance of the pontic design and surface treatment in the performance of FRC FDPs. In the first, the load-bearing capacities of inlay-retained FRC FDPs with pontics of various materials and thicknesses were evaluated. Three different pontic materials were assessed with different FRC framework vertical positioning. Thicker pontics showed increased load-bearing capacities, especially ceramic pontics. A second study was completed investigating the influence of the chemical conditioning of the ridge-lap surface of acrylic resin denture teeth on their bonding to a composite resin. Increased shear bond strength demonstrated the positive influence of the pretreatment of the acrylic surfaces, indicating dissolution of the denture surfaces, and suggesting potential penetration of the monomer systems into the surface of denture teeth. A third study analyzed the penetration depth of different monomer systems on the acrylic resin denture teeth surfaces. The possibility of establishing a durable bond between acrylic pontics and FRC frameworks was demonstrated by the ability of monomers to penetrate the surface of acrylic resin denture teeth, measured by a confocal scanning type microscope. A fourth study was designed to evaluate the load-bearing capacities of FRC FDPs using the findings of the previous three studies. In this case, the performance of pre-shaped acrylic resin denture teeth used as pontics with different composite resins as filling materials was evaluated. The filling material influenced the load-bearing capacities, providing more durable FRC FDPs. It can be concluded that the mechanical and physical properties of FRC FDPs can be improved as has been shown in the development of this thesis. The improvements reported then might provide long lasting prosthetic solutions of this kind, positioning them as potentially permanent rehabilitation treatments. Key words: fiber-reinforced composite, fixed dental prostheses, inlay-retained bridges, adhesion, acrylic resin denture teeth, dental material.

Functionalisation of spruce O-acetyl-galactoglucomannans for barrier and composite applications

The increasing use of energy, food, and materials by the growing population in the world is leading to the situation where alternative solutions from renewable carbon resources are sought after. The growing use of plastics depends on the raw-oil production while oil refining are politically governed and required for the polymer manufacturing is not sustainable in terms of carbon footprint. The amount of packaging is also increasing. Packaging is not only utilising cardboard and paper, but also plastics. The synthetic petroleum-derived plastics and inner-coatings in food packaging can be substituted with polymeric material from the renewable resources. The trees in Finnish forests constitute a huge resource, which ought to be utilised more effectively than it is today. One underutilised component of the forests is the wood-derived hemicelluloses, although Spruce Oacetyl-galactoglucomannans (GGMs) have previously shown high potential for material applications and can be recovered in large scale. Hemicelluloses are hydrophilic in their native state, which restrains the use of them for food packaging as non-dry item. To cope with this challenge, we intended to make GGMs more hydrophobic or amphiphilic by chemical grafting and consequently with the focus of using them for barrier applications. Methods of esterification with anhydrides and cationic etherification with a trimethyl ammonium moiety were established. A method of controlled synthesis to obtain the desired properties by the means of altering temperature, reaction time, the quantity of the reagent, and even the solvent for purification of the products was developed. Numerous analytical tools, such as NMR, FTIR, SEC-MALLS/RI, MALDI-TOF-MS, RP-HPLC and polyelectrolyte titration were used to evaluate the products from different perspectives and to acquire parallel proofs of their chemical structure. Modified GGMs with different degree of substitution and the correlating level of hydrophobicity was applied as coatings on cartonboard and on nanofibrillated cellulose-GGM films to exhibit barrier functionality. The water dispersibility in processing was maintained with GGM esters with low DS. The use of chemically functionalised GGM was evaluated for the use as barriers against water, oxygen and grease for the food packaging purposes. The results show undoubtedly that GGM derivatives exhibit high potential to function as a barrier material in food packaging.

Transmission oflight through individually formed fiber- reinforced composite post (Yksilöllisesti muotoillun kuitukomposiittinastan valonläpäisevyys)

Kuitukomposiitista valmistettuja juurikanavanastoja käytetään apuna, kun restauroidaan juurihoidettuja ja kruunuosastaan runsaasti kudosta menettäneitä hampaita. Kliinisen kestävyyden kannalta on tärkeää että nasta kiinnittyy hampaaseen hyvin. Tarvittavan valomäärän saattaminen valokovetuksella pimeään juurikanavaan on vaikeaa ja sen vuoksi nastojen kiinnittämiseen suositellaan kaksoiskovetteista yhdistelmämuovisementtiä, joka kovettuu vain osittain valolla. Jotta nasta ja sementti polymeroituisivat hyvin, nastan hyvä valonläpäisy- ja sirontakyky olisi eduksi. Tehdasvalmisteisten nastojen valonläpäisykyvyn on todettu heikkenevän niiden pituuden kasvaessa. Yksilöllisesti muotoilluilla kuitukomposiittinastoilla, joilla on osittaislomittaismuoviverkostorakenne (semi-IPN) polymeerimatriisi, on todettu tehdasvalmisteisia kuitunastoja parempi sidos nastan ja yhdistelmämuovisementin välillä. Yksilöllisesti muotoilluilla kuitunastoilla näyttäisi myös olevan hyvä valonjohtamiskyky, mutta lisätutkimuksia tarvitaan. Tässä tutkimuksessa selvitettiin yksilöllisesti muotoillun kuitukomposiittinastan (EverStick Post) ja kahden tehdasvalmisteisen (Relyx Fiber Post ja GC Fiber Post) kuitukomposiittina stan valonläpäisevyyttä sekä pituuden vaikutusta niiden valonläpäisykykyyn laboratorio- olosuhteissa. Tutkimushypoteesi oli, että nastojen valonläpäisykyky heikkenee niiden pidentyessä. Tutkimuksessa kaikista nastatyypeistä valmistettiin eripituisia nastoja (4, 8, 12 ja 16 mm). Nastoille tehtiin samanpituiset testikappaleet muoviputkesta ja polyvinyylisiloksaanista, ja nastat asetettiin niiden sisään. Tämän jälkeen nastoja kovetettiin valokovettimella 10 sekuntia, ja läpi päässyt valo mitattiin MARC Resin Calibrator -laitteella. Kontrollina käytettiin tyhjää testikappaletta ilman nastaa. Keskeiseksi tulokseksi saatiin, että yksilöllisesti muotoillulla kuitukomposiittinastalla oli kaikissa pituusryhmissä muita nastoja merkitsevästi parempi valonläpäisykyky. Tulokset osoittivat myös, että kaikkien nastojen valonläpäisevyys laski merkitsevästi nastan pituuden lisääntyessä aina 12 millimetriin asti. Tulosten perusteella yksilöllisesti muotoillulla kuitukomposiittinastalla on tehdasvalmisteista nastaa parempi valonläpäisykyky. Kuitukomposiittinastojen valonläpäisykyky heikkenee niiden pituuden kasvaessa aiempien tutkimusten mukaisesti. Jatkotutkimuksissa tulisi selvittää, miten valonläpäisevyys ja siroaminen vaikuttavat nastan ja sementin polymeroitumiseen ja siten kliiniseen lopputulokseen.

Hardware design of a multiconverter for hybrid vehicle applications

Hybridiajoneuvosovellukset vaativat usein sekä korkea- että matalajännitejärjestelmän. Korkeajännitejärjestelmä sisältää yleensä energiavaraston, joka on joko superkondansaattori tai korkeajänniteakusto, dieselgeneraattorin tai range extenderin ja ajokäytön. Korkeajännitejärjestelmään liitetään usein myös erilaisia apukäyttöjä kuten kompressoreita ja hydraulipumppuja. Matalajännitejärjelmä koostuu yleensä ohjausyksiköistä, ajovaloista, yms. laitteista. Perinteisesti matalajännitejärjestelmää on syötetty dieselmoottorin laturista, mutta korkeajännitejärjestelmien myötä DC/DC-hakkurin käyttäminen korkea- ja matalajännitejärjestelmien välillä on herättänyt kiinnostusta, koska tällöin laturin voisi poistaa ja matalajänniteakustoa pienentää. Tässä työssä kuvatun monilähöisen tehonmuokkaimen invertterisilta soveltuu apukäyttöjen ajamiseen, ja erotettu DC/DC-hakkuri matalajännitejärjestelmän syöttämiseen. Tässä työssä käydään läpi edellä mainitun tehonmuokkaimen suunnittelu, keskittyen eritoten laitteen korkeajänniteosien mitoitukseen ja termiseen suunniteluun. DC/DC-hakkurin osalta perinteisiä piistä valmistettuja IGBT transistoreja vertaillaan piikarbidi MOSFET transistoreihin. Lämpömallilaskujen paikkaansapitävyyttä tutkitaan suorittamalla prototyyppilaitteelle hyötysuhdemittaus, jonka tuloksia verrataan laskettuihin tuloksiin. Lämpömallin parannusmahdollisuuksia käsitellään myös hyötysuhdemittauksen tulosten perusteella.

A software engineering approach to distributed systems for composite modeling

The goal of this thesis is to define and validate a software engineering approach for the development of a distributed system for the modeling of composite materials, based on the analysis of various existing software development methods. We reviewed the main features of: (1) software engineering methodologies; (2) distributed system characteristics and their effect on software development; (3) composite materials modeling activities and the requirements for the software development. Using the design science as a research methodology, the distributed system for creating models of composite materials is created and evaluated. Empirical experiments which we conducted showed good convergence of modeled and real processes. During the study, we paid attention to the matter of complexity and importance of distributed system and a deep understanding of modern software engineering methods and tools.

Optimal distance of the light-curing tip for light transmission through the resin composite

Hammaslääketieteessä käytetettävien komposiittien valonläpäisevyys vaihtelee. Samoin LED-valokovettimet eroavat toisistaan valotehonsa ja muotoilunsa perusteella. On yleisesti tiedossa, että valokovettimesta tulevan valon intensiteetti pinta-alayksikköä kohden heikkenee, kun kovettimen etäisyys kasvaa. Toisaalta ei ole tiedossa, miten valokovetettavan kohteen ja valokovettimen kärjen väliin sijoitettu materiaali tarkalleenottaen vaikuttaa valon intensiteettiin eri etäisyyksiä käytettäessä. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on selvittää, miten valokovetettavan kohteen ja valokovettimen kärjen väliin asetettava etukäteen polymerisoitu materiaali vaikuttaa valon intensiteettiin eri etäisyyksillä. Tutkimus suoritettiin käyttämällä kahta eri valokovetinta. Jotta etäisyyden vaikutusta valotustehoon voitiin demonstroida, vaihdettiin kovettimen etäisyyttä sensorista 0,2,4,6,8,10mm välillä. Valotehot rekisteröitiin MARC resin calibrator -laitteella. Sensorin ja valokovettimen kärjen väliin asetettavat erilaiset komposiittilevyt olivat valmiiksi kovetettuja,1mm paksuisia, filleripitoisuuksiltaan neljää erilaista muovia. Valotehot rekisteröitiin jokaiselta etäisyydeltä komposiitin ollessa sensorin päällä. Rinnakkaisesti verrattiin myös etäisyyden vaikutusta valotehoon ilman esikovetettua materiaalia kovettimen kärjen ja valoa mittaavan sensorin välissä. Vertailun suorittamiseksi laskettiin intensiteettisuhdeluku muovillisen ja muovittoman arvon välillä aina tietyllä etäisyydellä Valokovettimen kärjen etäisyyden kasvattaminen sensorista (eli valokovetettavasta kohteesta) odotusten mukaisesti pienensi valotehoa. Laittamalla sensorin ja kovettimen väliin komposiittilevy, valoteho pieneni odotetusti vielä enemmän. Tutkittaessa intensiteettisuhdetta (valoteho muovin kanssa : valoteho ilman muovia) kuitenkin huomattiin, että 4-6mm:n kohdalla suhdeluku oli suurempi kuin 0,2,8 ja 10mm kohdalla. Johtopäätöksenä oli, että suurin mahdollinen valokovetusteho saavutetan laittamalla kovetuskärki mahdollisimman lähelle kohdetta. Jos valokovetettavan kohteen ja valokovettimen kärjen välissä oli kiinteä komposiittipalanen, suurin mahdollinen valokovetusteho kohteeseen saavutetaan edelleen laittamalla kovetuskärki kiinni muoviin. Jos etäisyyttä muovin pinnasta sen sijaan kasvatettiin, valokovetusteho ei laskenutkaan niin nopeasti kuin oli odotettu. Tämä voi liittyä siihen, että tehokkaan valokeilan halkaisijan koko on suurempi verrattuna komposiitin sekä sensorin halkaisian kokoon. Toiseksi on arvioitu, että resiinikomposiitin täyteaineet voisivat fokusoida läpi kulkevaa valoa sensoriin. Se, pitääkö tämä ilmiö paikkansa, vaatii kuitenkin enemmän tutkimusta