Studies in offset ink setting

The offset printing process is complex and involves the meeting of two essentially complex materials, printing ink and paper, upon which the final product is formed. It can therefore be expected that a multitude of chemical and physical interactions and mechanisms take place at the ink-paper interface. Interactions between ink and paper are of interest to both the papermakers and ink producers, as they wish to achieve better quality in the final product. The objective of this work is to clarify the combined influence of paper coating structure, printing ink and fountain solution on ink setting and the problems related to ink setting. A further aim is to identify the mechanisms that influence ink setting problems, and to be able to counteract them by changing properties of the coating layer or by changing the properties of the ink. The work carried out for this thesis included use of many techniques ranging from standard paper and printability tests to advanced optical techniques for detection of ink filaments during ink levelling. Modern imaging methods were applied for assessment of ink filament remain sizes and distribution of ink components inside pigment coating layers. Gravimetric filtration method and assessment of print rub using Ink-Surface-Interaction-Tester (ISIT) were utilized to study the influence of ink properties on ink setting. The chemical interactions were observed with the help of modified thin layer chromatography and contact angle measurements using both conventional and high speed imaging. The results of the papers in this thesis link the press operational parameters to filament sizes and show the influence of these parameters to filament size distribution. The relative importance between the press operation parameters was shown to vary. The size distribution of filaments is important in predicting the ink setting behaviour, which was highlighted by the dynamic gloss and ink setting studies. Prediction of ink setting behaviour was also further improved by use of separate permeability factors for different ink types in connection to filtration equations. The roles of ink components were studied in connection to ink absorption and mechanism of print rub. Total solids content and ratio of linseed oil to mineral oil were found to determine the degree of print rub on coated papers. Wax addition improved print rub resistance, but would not decrease print rub as much as lowering the total solids content in the ink. Linseed oil was shown to absorb into pigment coating pores by mechanism of adsorption to pore walls, which highlights the need for sufficient pore surface area for improved chromatographic separation of ink components. These results should help press operators, suppliers of printing presses, papermakers and suppliers to papermakers, to better understand the material and operating conditions of the press as it relates to various print quality issues. Even though paper is in competition with electronic media, high quality printed products are still in demand. The results should provide useful information for this segment of the industry.

Saostuman esto prosessiputken pinnalle

Työn tarkoituksena oli tutkia kirjallisuudessa esitettyjen menetelmien soveltuvuutta estää kalsiumkarbonaatin saostuminen PCC – prosessissa paperikonelinjan massansyöttöputkessa. Menetelmien heikkoudet ja toimivuudet arvioitiin lähdetietojen perusteella, joiden perusteella tehtiin johtopäätelmiä niiden toimivuudesta prosessissa ja käytettävyydestä kalsiumkarbonaattisaostuman muodostumiseen. Kirjallisuusselvitys osoittaa, että saostuma voidaan estää kemiallisesti ja sähkökemiallisesti sekä modifioimalla materiaalipintaa. Lisäksi sen muodostuminen voidaan estää ultraääniaaltojen avulla sekä indusoimalla mahdolliseen saostuskohtaan magneetti- tai sähkökenttä. Kokeellisessa osassa keskityttiin kirjallisuuden perusteella tutkimaan kalsiumkarbonaatin saostumista kaupallisilla menetelmillä. Tutkimuksissa käytettiin erilaisia pinnoitemateriaaleja, ultraääniaaltoja sekä magneettikenttää että liuossähkökemiaa. Näiden lisäksi tutkittiin saostumisen kehittymistä putkipinnalle ajan funktiona. Kokeellisten tulosten perusteella kirjallisuudessa esitetyistä menetelmistä ei suoraan mikään sovellu sellaisenaan tutkitussa prosessissa saostuman muodostumisen estoon. Koeparametrien optimointi muuttamalla tunnettuja parametreja prosessitilanteeseen paransi kalsiumkarbonaatin liukoisuutta. Tämän tutkimuksen tuloksena löytyi menetelmäkuvaus, jolla saostumien muodostuminen putkipinnoille voidaan estää.

Biopohjaiset polymeerit dispersiopäällystyksessä

Työn aiheena oli tehdä muotoiltavissa oleva rasvankestävä pakkauskartonki. Polymeeridispersiopäällystettyjä pakkauskartonkeja käytetään kertakäyttöisissä tuotteissa kuten vuoissa, kupeissa ja lautasissa. Tuotteiden on kestettävä rasvaa niiden lopputarkoituksen mukaisesti. Pakkausala jatkaa vuosittaista kasvuaan vauhdilla. Uusia kierrätettäviä biopohjaisia ja luonnolle ystävällisempiä pakkaustuotteita on kehitettävä kasvun tyydyttämiseksi. Biopohjaiset pakkaustuotteet ovat mahdollisia ratkaisuja ympäristöön kohdistuvien ongelmien vähentämiseksi ja öljypohjaisten raaka-aineiden korvaajiksi. Diplomityön teoriaosuudessa keskityttiin dispersiopäällystyksessä käytettyihin biopolymeereihin ja niiden toimivuuteen suojaavina kalvoina. Teoriaosuudessa käsiteltiin myös rasvankestoa ja rasvankestävien tuotteiden materiaaliominaisuuksia. Kirjallisuuden perusteella havaittiin luonnonpolymeerien alhaisen kuiva-ainepitoisuuden ja korkean päällystemäärätarpeen muodostamat haasteet dispersiopäällystyksessä. Pohjakartongin karheudella ja tiiveydellä sekä suojaavan polymeerin kalvon rakenteella huomattiin olevan suuri merkitys rasvankeston saavuttamiseksi. Kokeellinen osa jakautui kolmeen osakokonaisuuteen: laboratoriokokeisiin, esipilotointiin ja varsinaiseen pilot-koeajoon. Esikokeiden perusteella suojaavat kalvot, joiden raaka-aineena käytettiin biopohjaisia dispersiopolymeerejä, antoivat riittäviä rasvankesto-ominaisuuksia, mutta eivät kestäneet konvertointia. Pienellä synteettisten polymeerien lisäyksellä pystyttiin parantamaan päällystettyjen kartonkien rasvankestoa sekä konvertoitavuutta. Pilot-koeajonäytteiden testaustulokset tukivat esikokeissa tehtyjä havaintoja. Tämän työn perusteella kohtuullinen lisäysmäärä synteettistä polymeeriä voi parantaa merkittävästi biopohjaisen suojaavan kalvon antamaa rasvankestoa sekä päällystetyn kartongin konvertoitavuutta.

Elektrolyyttinen nanopinnoitus

Diplomityö on osa Savonia-amk:n hallinnoimaa ENC- pinnoitushanketta, jossa tutkitaan uuden teknologian elektrolyyttisiä kromi (III) -nanopinnoitteita. Tavoitteena oli selvittää uudella menetelmällä saavutettavat parannukset pinnoitteiden mekaanisiin ominaisuuksiin. Työ toteutettiin rakentamalla pinnoitustutkimuksen toimintaympäristö osaksi Savo-nia-amk:n materiaalitekniikan laboratorioita sekä tutkimalla eri koe- ja sovelluspinnoitteiden mekaanisia ominaisuuksia eri pinnoitusparametreilla. Työssä tutkittiin, miten nanopartikkelit sekä erilaiset pinnoitusparametrit vaikuttavat kromipinnoitteiden rakenteeseen sekä mekaaniseen suorituskykyyn.

Verhopäällystyspastojen analyysimenetelmät

Diplomityön tarkoitus oli selvittää verhopäällystyspastoille sopivia analyysimenetelmiä. Verhopäällystyksessä onnistunut päällystystapahtuma vaatii venymäviskositeetin ja pintajännityksen hyvää hallintaa. Kirjallisuusosassa käsiteltiin verhopäällystystä, verhopäällystyspastojen koostumusta, reologiaa ja pintajännitystä. Kirjallisuusosassa käsiteltiin lisäksi verhopäällystyspastojen reologian ja pintajännityksen mittaamiseen soveltuvia mittausmenetelmiä. Verhopäällystyksen luonteen vuoksi kirjallisuusosassa syvennyttiin venymäviskositeetin ja dynaamisen pintajännityksen mittaamiseen tarkoitettuihin menetelmiin. Kokeellisessa osassa tutkittiin päällystyspastasarjojen reologiaa ja pintajännitystä verhopäällystystä varten. Osaan päällystyspastoista luotiin venymäviskositeettia ja osasta laskettiin pintajännitystä. Venymäviskositeetin mittaamista varten työssä käytettiin ACAV A2 -reometriin liitettyjä teräsreikälevyjä. Dynaamisen pintajännityksen mittaamista varten työssä käytettiin KSV BPA-800P -pintajännitysmittaria. ACAV A2 -reometriin liitettyjen teräsreikälevyjen (reiän sisähalkaisija 0,5 tai 0,7 mm) avulla mitattiin venymäviskositeettia kuvaavia Eulerin lukuarvoja onnistuneesti suurilla kiintoainepitoisuuksilla (50, 60 tai 65 p %). Erikoispaksuntajan määrää lisäämällä onnistuttiin luomaan huomattavaa venymäviskositeettia. Kiintoainepitoisuuden kasvaessa kasvoi myös venymäviskositeetti. Tavanomaisille paksuntajille mitattiin hieman kohonneita venymäviskositeetteja verrattuna referenssipäällystyspastaan. Pigmenttikoostumuksella (kalsiumkarbonaatti/kaoliini) ei näyttänyt olevan vaikutusta venymäviskositeettiin, tai vaikutus oli suhteellisen pieni. Dynaamisen pintajännityksen mittaamista varten käytössä ollut KSV BPA-800P -pintajännitysmittari ei toiminut luotettavasti, vaikka näytteitä laimennettiin. Kiintoainepitoisuudessa 10 p-% olleilla laimennoksilla saavutettiin analysoinnin kannalta parhaat tulokset. Tuloksista saatiin kuitenkin viitteitä, että kyseinen mittari voisi olla potentiaalinen menetelmä dynaamisen pintajännityksen mittaamiseksi.

Repair of segmental bone defects with fiber-reinforced composite: a study of material development and an animal model on rabbits

The Repair of segmental defects in load-bearing long bones is a challenging task because of the diversity of the load affecting the area; axial, bending, shearing and torsional forces all come together to test the stability/integrity of the bone. The natural biomechanical requirements for bone restorative materials include strength to withstand heavy loads, and adaptivity to conform into a biological environment without disturbing or damaging it. Fiber-reinforced composite (FRC) materials have shown promise, as metals and ceramics have been too rigid, and polymers alone are lacking in strength which is needed for restoration. The versatility of the fiber-reinforced composites also allows tailoring of the composite to meet the multitude of bone properties in the skeleton. The attachment and incorporation of a bone substitute to bone has been advanced by different surface modification methods. Most often this is achieved by the creation of surface texture, which allows bone growth, onto the substitute, creating a mechanical interlocking. Another method is to alter the chemical properties of the surface to create bonding with the bone – for example with a hydroxyapatite (HA) or a bioactive glass (BG) coating. A novel fiber-reinforced composite implant material with a porous surface was developed for bone substitution purposes in load-bearing applications. The material’s biomechanical properties were tailored with unidirectional fiber reinforcement to match the strength of cortical bone. To advance bone growth onto the material, an optimal surface porosity was created by a dissolution process, and an addition of bioactive glass to the material was explored. The effects of dissolution and orientation of the fiber reinforcement were also evaluated for bone-bonding purposes. The Biological response to the implant material was evaluated in a cell culture study to assure the safety of the materials combined. To test the material’s properties in a clinical setting, an animal model was used. A critical-size bone defect in a rabbit’s tibia was used to test the material in a load-bearing application, with short- and long-term follow-up, and a histological evaluation of the incorporation to the host bone. The biomechanical results of the study showed that the material is durable and the tailoring of the properties can be reproduced reliably. The Biological response - ex vivo - to the created surface structure favours the attachment and growth of bone cells, with the additional benefit of bioactive glass appearing on the surface. No toxic reactions to possible agents leaching from the material could be detected in the cell culture study when compared to a nontoxic control material. The mechanical interlocking was enhanced - as expected - with the porosity, whereas the reinforcing fibers protruding from the surface of the implant gave additional strength when tested in a bone-bonding model. Animal experiments verified that the material is capable of withstanding load-bearing conditions in prolonged use without breaking of the material or creating stress shielding effects to the host bone. A Histological examination verified the enhanced incorporation to host bone with an abundance of bone growth onto and over the material. This was achieved with minimal tissue reactions to a foreign body. An FRC implant with surface porosity displays potential in the field of reconstructive surgery, especially regarding large bone defects with high demands on strength and shape retention in load-bearing areas or flat bones such as facial / cranial bones. The benefits of modifying the strength of the material and adjusting the surface properties with fiber reinforcement and bone-bonding additives to meet the requirements of different bone qualities are still to be fully discovered.

Satelliittioskillaattorin jyrsintätyövaiheiden valmistusystävällisyyden analysointi

Tämän tutkimuksen aiheena on satelliittioskillaattorin jyrsintätyövaiheiden valmistusystävällisyyden analysointi. Tutkimuksen viitekehyksenä on DFM (design for manufacturing), johon kaikki päätelmät ja tulokset sidotaan. Tutkimuksen päätavoite on etsiä valmistusteknisiä ratkaisuja, joilla samanaikaisesti parannetaan, sekä oskillaattorin suorituskykyä, että sen valmistettavuutta noudattamalla DFM-sääntöjä. Suorituskyvyn näkökulmasta tärkeintä on oskillaattorin hyvyysluvun maksimointi. Tutkimuksessa käsitellään lyhyesti satelliittioskillaattorin porauksia, pinnoitusta ja asennusta, mutta pääpaino tutkimuksessa on oskillaattorin rungon jyrsintätyövaiheissa. Tässä työssä toteutettiin DFM-analyysi, jonka avulla pystyttiin helpottamaan lukuisia tuotannollisia ongelmia ja onnistuttiin löytämmään keinoja oskillaattorin suorituskyvyn parantamiseksi.

Liquid transportation and distribution during (re)wetting : impact on coated papers in printing

In many industrial applications, such as the printing and coatings industry, wetting of porous materials by liquids includes not only imbibition and permeation into the bulk but also surface spreading and evaporation. By understanding these phenomena, valuable information can be obtained for improved process control, runnability and printability, in which liquid penetration and subsequent drying play important quality and economic roles. Knowledge of the position of the wetting front and the distribution/degree of pore filling within the structure is crucial in describing the transport phenomena involved. Although exemplifying paper as a porous medium in this work, the generalisation to dynamic liquid transfer onto a surface, including permeation and imbibition into porous media, is of importance to many industrial and naturally occurring environmental processes. This thesis explains the phenomena in the field of heatset web offset printing but the content and the analyses are applicable in many other printing methods and also other technologies where water/moisture monitoring is crucial in order to have a stable process and achieve high quality end products. The use of near-infrared technology to study the water and moisture response of porous pigmented structures is presented. The use of sensitive surface chemical and structural analysis, as well as the internal structure investigation of a porous structure, to inspect liquid wetting and distribution, complements the information obtained by spectroscopic techniques. Strong emphasis has been put on the scale of measurement, to filter irrelevant information and to understand the relationship between interactions involved. The near-infrared spectroscopic technique, presented here, samples directly the changes in signal absorbance and its variation in the process at multiple locations in a print production line. The in-line non-contact measurements are facilitated by using several diffuse reflectance probes, giving the absolute water/moisture content from a defined position in the dynamic process in real-time. The nearinfrared measurement data illustrate the changes in moisture content as the paper is passing through the printing nips and dryer, respectively, and the analysis of the mechanisms involved highlight the roles of the contacting surfaces and the relative liquid carrier properties of both non-image and printed image areas. The thesis includes laboratory studies on wetting of porous media in the form of coated paper and compressed pigment tablets by mono-, dual-, and multi-component liquids, and paper water/moisture content analysis in both offline and online conditions, thus also enabling direct sampling of temporal water/moisture profiles from multiple locations. One main focus in this thesis was to establish a measurement system which is able to monitor rapid changes in moisture content of paper. The study suggests that near-infrared diffuse reflectance spectroscopy can be used as a moisture sensitive system and to provide accurate online qualitative indicators, but, also, when accurately calibrated, can provide quantification of water/moisture levels, its distribution and dynamic liquid transfer. Due to the high sensitivity, samples can be measured with excellent reproducibility and good signal to noise ratio. Another focus of this thesis was on the evolution of the moisture content, i.e. changes in moisture content referred to (re)wetting, and liquid distribution during printing of coated paper. The study confirmed different wetting phases together with the factors affecting each phase both for a single droplet and a liquid film applied on a porous substrate. For a single droplet, initial capillary driven imbibition is followed by equilibrium pore filling and liquid retreat by evaporation. In the case of a liquid film applied on paper, the controlling factors defining the transportation were concluded to be the applied liquid volume in relation to surface roughness, capillarity and permeability of the coating giving the liquid uptake capacity. The printing trials confirmed moisture gradients in the printed sheet depending on process parameters such as speed, fountain solution dosage and drying conditions as well as the printed layout itself. Uneven moisture distribution in the printed sheet was identified to be one of the sources for waving appearance and the magnitude of waving was influenced by the drying conditions.

Rasvankestävät paperit ja kartongit

Rasvankestävyydellä tarkoitetaan sitä, että materiaali hylkii tai kestää rasvaa tietyn ajan läpäisemättä sen pintaa. Rasvankestäviä papereita ja kartonkeja löytyy kaikkialta. Erilaiset ruuanvalmistuspaperit, kuten esimerkiksi leivinpaperi ja voipaperi, ovat rasvankestäviä. Myös pakkauksissa käytetään paljon rasvankestäviä papereita ja kartonkeja. Rasvankestäviltä tuotteilta vaaditaan erilaisia ominaisuuksia riippuen niiden käyttötarkoituksesta. Pakkausmateriaaleilta vaaditaan esimerkiksi lujuutta ja kestävyyttä fyysistä rasitusta, valoa, hajuja ja mikrobeja vastaan. Ruuanvalmistusmateriaaleilta vaaditaan puolestaan lujuutta ja kestävyyttä lämpöä, kosteutta ja fyysistä rasitusta vastaan. Rasvankestäviltä papereilta vaaditaan rasvankestävyyden lisäksi hyvää vetolujuutta, märkälujuutta ja hyviä optisia ominaisuuksia. Neliömassan tulee asettua 20─80 g/m2 välille ja metallipitoisuudet eivät saa olla liian korkeat. Myös tuotteiden kierrätettävyys on nostanut asemaansa viimeaikoina. Tuotteen tuotannon ja itse tuotteen ympäristöystävällisyys ovat todella arvostettuja kuluttajan, tuottajan, Suomen, EU:n ja koko maailman näkökulmista. Jotta tuotteesta saadaan rasvankestävää, vaaditaan siltä erilaisia barrier-ominaisuuksia. Rasvankestävällä paperilla vaaditaan hyviä barrier-ominaisuuksia esimerkiksi rasvan, ilman, veden, vesihöyryn sekä hapen läpäisevyyksissä. Rasvankestäviä papereita ja kartonkeja voidaan valmistaa kemiallisilla ja mekaanisilla tavoilla. Happokäsittely ja fluorokemikaalien lisääminen ovat kemiallisia tapoja, kun taas sellun jauhaminen pitkään matalassa lämpötilassa on mekaaninen tapa valmistaa rasvankestävää paperia. Näiden tapojen lisäksi rasvankestäviä papereita voidaan tehdä erilaisten pinnoitusten avulla. Erilaiset muovit ovat yleisemmin käytettyjä pinnoitemateriaaleja. Esimerkiksi PE- ja PET-päällysteet ovat käytettyjä rasvankestävissä tuotteissa. Viime aikoina on kehitetty paljon erilaisia biomateriaaleja, joista voidaan tehdä rasvankestävä pinnoite. Lipideistä, hydrokolloideista ja erilaisista komposiiteista voidaan luoda uusien tekniikoiden avulla rasvankestäviä pinnoitteita. Rasvankestävyydestä voidaan saada jonkinlainen käsitys WVTR-asteen, Cobb-arvon ja kontaktikulman mittausten avulla. Rasvankestävyyttä voidaan myös mitata erilaisten standarditestien avulla. TAPPI:lla, ISO:lla ja ASTM:llä on useita erilaisia standardeja. Lähes kaikissa rasvankestävyysstandardeissa tuloksen saaminen perustuu visuaaliseen havaintoon, mikä aiheuttaa välillä hankaluuksia tulosten luotettavuuteen, koska tuloksen määrittää ihmissilmä, ja kaikilla testin tekijöillä on erilainen silmä, joka aistii eri tavalla.

Paperin spraypäällystys

Tässä työssä esitellään paperin spraypäällystykseen soveltuvaa tekniikkaa sekä yleistä sprayteknologiaa ja teoriaa sen taustalla. Lisäksi käydään läpi pohjapaperilta vaadittuja ominaisuuksia ja käsitellään spraypäällystykseen sopivan pastan koostumusta.

Gelatin as an additive in bio-based barrier films

The main objective of the present study was to verify the approach on starch-gelatin blending for the paperboard coating formulations with enhanced barrier and mechanical properties. Based on that, another objective was to find out, how the approach will function with wood-based polysaccharides (CMC, EHEC and HPC) by analyzing their barrier properties and convertibility. The last objective was to find out, if pigments can be used in the composition of polysaccharide-protein blends without causing any negative effect on stated properties. The whole process chain of the barrier coating development was studied in the research. The methodology applied included pilot-scale coating and converting trials for the evaluation of mechanical properties of obtained coatings, namely their exposure to cracking with the loss of barrier properties. The results obtained indicated that the combination of starch with gelatin, in fact, improves the grease barrier properties and flexibility of starch-based coatings, thereby confirming the offered approach. The similar results were obtained for CMC, exhibited elevated barrier properties and surface coverage, proving that the approach also functions with wood-based polysaccharides. The introduction of equal amounts of talc gave various effects at different gelatin dosages on barrier properties of wood-based polysaccharides. Mainly, the elevation of grease barrier properties was observed. The convertibility of talc-filled coatings was not sufficient.

Paper for printed electronics and functionality

Mass-produced paper electronics (large area organic printed electronics on paper-based substrates, “throw-away electronics”) has the potential to introduce the use of flexible electronic applications in everyday life. While paper manufacturing and printing have a long history, they were not developed with electronic applications in mind. Modifications to paper substrates and printing processes are required in order to obtain working electronic devices. This should be done while maintaining the high throughput of conventional printing techniques and the low cost and recyclability of paper. An understanding of the interactions between the functional materials, the printing process and the substrate are required for successful manufacturing of advanced devices on paper. Based on the understanding, a recyclable, multilayer-coated paper-based substrate that combines adequate barrier and printability properties for printed electronics and sensor applications was developed in this work. In this multilayer structure, a thin top-coating consisting of mineral pigments is coated on top of a dispersion-coated barrier layer. The top-coating provides well-controlled sorption properties through controlled thickness and porosity, thus enabling optimizing the printability of functional materials. The penetration of ink solvents and functional materials stops at the barrier layer, which not only improves the performance of the functional material but also eliminates potential fiber swelling and de-bonding that can occur when the solvents are allowed to penetrate into the base paper. The multi-layer coated paper under consideration in the current work consists of a pre-coating and a smoothing layer on which the barrier layer is deposited. Coated fine paper may also be used directly as basepaper, ensuring a smooth base for the barrier layer. The top layer is thin and smooth consisting of mineral pigments such as kaolin, precipitated calcium carbonate, silica or blends of these. All the materials in the coating structure have been chosen in order to maintain the recyclability and sustainability of the substrate. The substrate can be coated in steps, sequentially layer by layer, which requires detailed understanding and tuning of the wetting properties and topography of the barrier layer versus the surface tension of the top-coating. A cost competitive method for industrial scale production is the curtain coating technique allowing extremely thin top-coatings to be applied simultaneously with a closed and sealed barrier layer. The understanding of the interactions between functional materials formulated and applied on paper as inks, makes it possible to create a paper-based substrate that can be used to manufacture printed electronics-based devices and sensors on paper. The multitude of functional materials and their complex interactions make it challenging to draw general conclusions in this topic area. Inevitably, the results become partially specific to the device chosen and the materials needed in its manufacturing. Based on the results, it is clear that for inks based on dissolved or small size functional materials, a barrier layer is beneficial and ensures the functionality of the printed material in a device. The required active barrier life time depends on the solvents or analytes used and their volatility. High aspect ratio mineral pigments, which create tortuous pathways and physical barriers within the barrier layer limit the penetration of solvents used in functional inks. The surface pore volume and pore size can be optimized for a given printing process and ink through a choice of pigment type and coating layer thickness. However, when manufacturing multilayer functional devices, such as transistors, which consist of several printed layers, compromises have to be made. E.g., while a thick and porous top-coating is preferable for printing of source and drain electrodes with a silver particle ink, a thinner and less absorbing surface is required to form a functional semiconducting layer. With the multilayer coating structure concept developed in this work, it was possible to make the paper substrate suitable for printed functionality. The possibility of printing functional devices, such as transistors, sensors and pixels in a roll-to-roll process on paper is demonstrated which may enable introducing paper for use in disposable “onetime use” or “throwaway” electronics and sensors, such as lab-on-strip devices for various analyses, consumer packages equipped with product quality sensors or remote tracking devices.

Development of porous glass-fiber reinforced composite for bone implants. Evaluation of antimicrobial effect and implant fixation

Cranial bone reconstructions are necessary for correcting large skull bone defects due to trauma, tumors, infections and craniotomies. Traditional synthetic implant materials include solid or mesh titanium, various plastics and ceramics. Recently, biostable glass-fiber reinforced composites (FRC), which are based on bifunctional methacrylate resin, were introduced as novel implant solution. FRCs were originally developed and clinically used in dental applications. As a result of further in vitro and in vivo testing, these composites were also approved for clinical use in cranial surgery. To date, reconstructions of large bone defects were performed in 35 patients. This thesis is dedicated to the development of a novel FRC-based implant for cranial reconstructions. The proposed multi-component implant consists of three main parts: (i) porous FRC structure; (ii) bioactive glass granules embedded between FRC layers and (iii) a silver-polysaccharide nanocomposite coating. The porosity of the FRC structure should allow bone ingrowth. Bioactive glass as an osteopromotive material is expected to stimulate the formation of new bone. The polysaccharide coating is expected to prevent bacterial colonization of the implant. The FRC implants developed in this study are based on the porous network of randomly-oriented E-glass fibers bound together by non-resorbable photopolymerizable methacrylate resin. These structures had a total porosity of 10–70 volume %, of which > 70% were open pores. The pore sizes > 100 μm were in the biologically-relevant range (50-400 μm), which is essential for vascularization and bone ingrowth. Bone ingrowth into these structures was simulated by imbedding of porous FRC specimens in gypsum. Results of push-out tests indicated the increase in the shear strength and fracture toughness of the interface with the increase in the total porosity of FRC specimens. The osteopromotive effect of bioactive glass is based on its dissolution in the physiological environment. Here, calcium and phosphate ions, released from the glass, precipitated on the glass surface and its proximity (the FRC) and formed bone-like apatite. The biomineralization of the FRC structure, due to the bioactive glass reactions, was studied in Simulated Body Fluid (SBF) in static and dynamic conditions. An antimicrobial, non-cytotoxic polysaccharide coating, containing silver nanoparticles, was obtained through strong electrostatic interactions with the surface of FRC. In in vitro conditions the lactose-modified chitosan (chitlac) coating showed no signs of degradation within seven days of exposure to lysozyme or one day to hydrogen peroxide (H2O2). The antimicrobial efficacy of the coating was tested against Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa. The contact-active coating had an excellent short time antimicrobial effect. The coating neither affected the initial adhesion of microorganisms to the implant surface nor the biofilm formation after 24 h and 72 h of incubation. Silver ions released to the aqueous environment led to a reduction of bacterial growth in the culture medium.

Mikrohuokoisen pinnoitteen kehittäminen suodatinkankaan päälle

Mikrohuokoisia membraaneja käytetään monissa suodatussovelluksissa kuten vedenpuhdistuksessa. Tämän työn tavoite oli pinnoittaa suodatinkankaita mikrohuokoisella membraanilla. Membraanimateriaalin ja suodatuskankaan yhdistelmällä tavoiteltiin komposiittimateriaalia, jolla on membraanin selektiivinen erotuskyky ja kankaan mekaaniset ominaisuudet. Tämän työn kirjallisuusosa käsittelee membraanin valmistusta faasi-inversiomenetelmällä, pinnoitteeksi soveltuvia membraanimateriaaleja sekä pinnoitteen lujittamista. Kokeellisessa osassa suodatuskankaalle kehitettiin sopivaa pinnoitusmenetelmää. Pinnoitemateriaaleina käytettiin akryylidispersioainetta, polyamidia ja polysulfonia. Tuloksista huomattiin, ettei akryylidispersioaine soveltunut pinnoitemateriaaliksi. Kangasta onnistuttiin pinnoittamaan polyamidilla ja pinnoitusolosuhteita kontrolloimalla saatiin aikaiseksi pinnoite, joka pysyi kankaassa kiinni ja jonka rakenne koostui noin 12 μm huokosista. Polymeeriliuoksen pitoisuuden huomattiin vaikuttavan pinnoitteen rakenteeseen, mutta siihen jäi edelleen suuria avoimia huokosia. Suuret yksittäiset huokoset laskivat kuplapistepainetta ja tekivät huokoskokojakaumasta leveämmän. Polyamidipitoisuudella 14 ja 16 m–% pinnoite oli tunkeutunut kankaan sisään ja sen rakenne oli huokoinen, mutta pintakerrokseen muodostunut tiivis ihokerros tukki materiaalia. Tulosten perusteella kankaiden pinnoittaminen membraanikerroksella on mahdollista mutta pinnoitusprosessia täytyy edelleen kehittää, jotta päästään pienempään huokoskokoon ja kapeampaan huokoskokojakaumaan pinnoitteessa.