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.

Power efficiency estimation and simulation of different control methods for the rotary screw compressor

Nowadays the energy efficiency has become one of the most concerned topics. Compressors are the equipment, which is very common in industry. Moreover, they tend to operate during long cycles and therefore even small decrease in power consumption can significantly reduce electricity costs during the year. And therefore it is important to investigate ways of increasing the energy efficiency of the compressors. In the thesis rotary screw compressor alongside with different control approaches is described. Simulation models for various control types of rotary screw compressor are developed. Analysis of laboratory equipment is conducted and results are compared with simulation. Suggestions of the real laboratory equipment improvement are given.

Lasermittauksen soveltaminen vesihydraulisessa sylinterissä

Työn tavoitteena on tutkia mahdollisuutta käyttää laser interferometripohjaista aseman mittausjärjestelmää vesihydraulisessa sylinterissä. Työ liittyy Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa kehitetyn rinnakkaisrakenteisen robotin PENTA WH muuttamiseen öljyhydraulisesta vesihydrauliseksi. Öljyhydraulisen prototyypin käyttämä vanha kuularuuviin ja inkrementaaliseen enkooderiin perustuvamittausjärjestelmä ei sovellu vesihydrauliseen robottiin. Työn tavoitteena on esittää vaihtoehtoinen ratkaisu.

Ruuvipurkaimen väsymistarkastelu

Ruuvipurkaimen väsymismitoituksen hankalin vaihe on oikeiden kuormien määrittäminen. Tässä työssä laskettiin ruuvipurkaimen väsymisikä kenttämittauksissa saatujen kuormien perusteella. Laskentaan käytettiin nimellisjännitysten menetelmää, Hot-Spot-menetelmää, murtumismekaniikkaa ja paikallisen venymän menetelmää. Purkaimen ruuviputken hitsit käsitellään koneviilaamalla. Kirjallisuudesta etsittiin koetuloksia koneviilatuille kappaleille ja niiden pohjalta laskettiin ehdotus suunnitteluväsymisrajaksi käytettäväksi koneviilatuille T-liitoksille ruuvipurkaimien suunnittelussa. Väsymisrajaksi saatiin 95MPa, kun huomioitiin koekappaleiden koko tilastollisin menetelmin.

Sähkömoottorin rakenteen analysointi tärisevässä käytössä

Tämän työn tavoitteena oli suunnitella esimerkkirakenne vaikeisiin olosuhteisiin tarkoitetusta sähkömoottorista. Ensisijaisesti tarkasteltavia osia sähkömoottorin rakenteessa olivat roottoriakseli, laakerointi sekä laakerikilvet. Laakeroinnista tarkasteltiin laakerivaurioiden syntymistä, tarvittavaa esijännitysvoimaa sekä jälkivoitelua. Lisäksi momenttiakselista tarkasteltiin sen vääntövärähtelyominaisuuksia sekä rungosta ja laakerikilvistä niiden jännityksiä B5-kiinnitysasennossa, eli laippakiinnityksessä. Työstä pyrittiin tekemään suunnitteluohje vastaavanlaisiin suunnittelutehtäviin. Tämän työn kirjallisessa osassa tarkasteltiin oikosulkumoottorin rakennetta ja laakerointia, josta perehdyttiin erityisesti erilaisiin kuormitustilanteisiin, voiteluun sekä kestoiänlaskentaan. Lisäksi tarkasteltiin roottoridynamiikkaa ja ominaismuotojen laskentaa. Kokonaisen roottorin, sisältäen roottoriakselin, –levypaketin, laakeroinnin ja ylikuormitussuojan, pienimmäksi ominaistaajuudeksi saatiin 62,1 Hz:ä, joka oli kuitenkin lähes kaksinkertainen verrattaessa roottorin käyntinopeuteen (33,3 Hz:ä). On siis varmaa, että roottorin kestoikä ei heikkene sen ominaistaajuuksien aiheuttamasta resonanssista. Pelkän roottoriakselin pienimmäksi ominaistaajuudeksi saatiin 448,0 Hz:ä. Verrattaessa tätä taajuutta roottorin käyntinopeuteen nähtiin, että roottoriakselin ominaistaajuuksien puolesta rakenne oli selvästi alikriittinen. Tarkasteltaessa roottoriakselin vääntövärähtelyn ominaistaajuutta 12,6 Hz:ä nähtiin, että se oli pienempi kuin moottorin pyörimisnopeus. Tämä ei kuitenkaan ollut moottorin kestoiän kannalta vakavaa. Koska todellisista sähkömoottorin käyttöolosuhteista ei ollut tarkkaa tietoa, tutkittiin laakeroinnin kestoikää kahdessa ääriolosuhteessa, joko moottoriin kohdistuva tärinä oli kokoajan suurin mahdollinen tunnettu tai tärinää ei ollut ollenkaan. Todellinen tilanne on jossakin näiden kahden ääriolosuhteen välissä. Oli kuitenkin varmaa, että tarkasteltava rakenne kestää halutun kestoiän eli 10000 tuntia laakeroinnin puolesta. Laakerikilpien ominaistaajuudet olivat korkeita eikä niillä ollut vaikutusta rakenteen kestoikään. Laakerikilpien korkeat ominaistaajuudet johtuivat niiden jäykästä rakenteesta ja suuresta materiaalipaksuudesta. Tarkasteltaessa momenttiakselin vääntövärähtelyn ominaistaajuutta 7,2 Hz:ä nähtiin, että se oli pienempi kuin moottorin pyörimisnopeus. Tämä ei kuitenkaan ollut moottorin kestoiän kannalta vakavaa, jos ominaistaajuus ja sen kerrannaiset ohitettaisiin sähkömoottorin käytössä hetkellisesti eikä moottoria käytettäisi vääntövärähtelyn taajuudella. Tarkasteltaessa B5-asennon jännityksiä nähdään, että ne kasvoivat rungon ja laakerikilven välisissä kiinnitysruuveissa yllättävän suuriksi. Normaalin ruuvin murtoraja on 640 MPa:a, kun jännitys rungon ja laakerikilven välisissä kiinnitysruuveissa oli suurimmillaan 400 MPa:a. Rakenne oli kuitenkin varmalla puolella kestävyyden suhteen, koska keskimääräinen vetojännitys ruuveissa oli noin 200 MPa:a. Ruuvien jännityksiä voidaan pienentää lisäämällä kiinnitys-ruuvien lukumäärää tai kasvattamalla niiden kokoa. Koko moottorin kiinnitysruuveissa jännitys oli vain 4 MPa:a, koska osan kuormituksesta kantoi laakerikilven olakkeet.

Kerrosleijukattilan polttoaineensyötön ja ilmasäätöjen tutkiminen

Tässä tutkimuksessa käsitellään kerrosleijukattilan kiinteän polttoaineen syöttöjärjestelmän toimintaa ja ilmanjaon vaikutusta kattilan toimintaan. Polttoainejärjestelmän tutkimisessa arvioidaan eri tekijöiden merkitystä höyrynkehityksen huojunnan aiheuttajana. Työllä pyritään tuomaan selvyyttä polttoainejärjestelmän toiminnallisiin peruskysymyksiin kuten turpeen ja kuoren väliseen lajittumiseen, ruuvipurkaukseen ja määrämittauksiin. Työssä esitetään parannusehdotus polttoaineensyötön toiminnan tasoittamiseksi. Ilmasäätöjen osalta on keskitytty tutkimaan erityisesti ilmakanavarakenteiden vaikutusta ilman jakautumiseen. Kattilan ongelmana olivat vasemman ja oikean puolen väliset erot savukaasujen O2-pitoisuuksissa, tulistuslämpötiloissa ja lieriön pinnan korkeudessa. Ilmanjakoon tehtyjen muutosten vaikutuksesta kyseiset erot tasoittuivat huomattavasti. Työssä on lisäksi tarkasteltu mahdollisuuksia kattilan ilmapäästöarvojen parantamiseen erityisesti NOx- ja CO- päästöjen osalta.

Lietteenkäsittelyn toimintaan vaikuttavien muutosten hallinta

Object of the Master’s thesis was to obtain clarification to problems related to sludge treatment at the waste water treatment plant at Stora Enso Varkaus Mill. From time to time these problems have caused emissions to exceed given limits. Case was studied by examining existing data, fiber length fractions and experimental methods. Changes at the Mill have reduced total solids emissions. At the same time the requirement for tertiary treatment has grown. Treatment of tertiary sludge is hard. In the future emission limits shall tighten and the urge for tertiary treatment will grow. The significance of thesis’s results may have a great impact to Stora Enso Varkaus Mill in the future. The results give valuable information to follow-up research and guidelines to sludge treatment. The results encourage observing researched matters at longer period of time. Future recommendations emphasize the meaning of maintenance and systematic, appropriate experiments.

Imaging techniques applied for detection of secretion, transgene delivery and G proteincoupled receptors in reproductive and endocrine cells in vivo and in vitro

Post-testicular sperm maturation occurs in the epididymis. The ion concentration and proteins secreted into the epididymal lumen, together with testicular factors, are believed to be responsible for the maturation of spermatozoa. Disruption of the maturation of spermatozoa in the epididymis provides a promising strategy for generating a male contraceptive. However, little is known about the proteins involved. For drug development, it is also essential to have tools to study the function of these proteins in vitro. One approach for screening novel targets is to study the secretory products of the epididymis or the G protein-coupled receptors (GPCRs) that are involved in the maturation process of the spermatozoa. The modified Ca2+ imaging technique to monitor release from PC12 pheochromocytoma cells can also be applied to monitor secretory products involved in the maturational processes of spermatozoa. PC12 pheochromocytoma cells were chosen for evaluation of this technique as they release catecholamines from their cell body, thus behaving like endocrine secretory cells. The results of the study demonstrate that depolarisation of nerve growth factor -differentiated PC12 cells releases factors which activate nearby randomly distributed HEL erythroleukemia cells. Thus, during the release process, the ligands reach concentrations high enough to activate receptors even in cells some distance from the release site. This suggests that communication between randomly dispersed cells is possible even if the actual quantities of transmitter released are extremely small. The development of a novel method to analyse GPCR-dependent Ca2+ signalling in living slices of mouse caput epididymis is an additional tool for screening for drug targets. By this technique it was possible to analyse functional GPCRs in the epithelial cells of the ductus epididymis. The results revealed that, both P2X- and P2Y-type purinergic receptors are responsible for the rapid and transient Ca2+ signal detected in the epithelial cells of caput epididymides. Immunohistochemical and reverse transcriptase-polymerase chain reaction (RTPCR) analyses showed the expression of at least P2X1, P2X2, P2X4 and P2X7, and P2Y1 and P2Y2 receptors in the epididymis. Searching for epididymis-specific promoters for transgene delivery into the epididymis is of key importance for the development of specific models for drug development. We used EGFP as the reporter gene to identify proper promoters to deliver transgenes into the epithelial cells of the mouse epididymis in vivo. Our results revealed that the 5.0 kb murine Glutathione peroxidase 5 (GPX5) promoter can be used to target transgene expression into the epididymis while the 3.8 kb Cysteine-rich secretory protein-1 (CRISP-1) promoter can be used to target transgene expression into the testis. Although the visualisation of EGFP in living cells in culture usually poses few problems, the detection of EGFP in tissue sections can be more difficult because soluble EGFP molecules can be lost if the cell membrane is damaged by freezing, sectioning, or permeabilisation. Furthermore, the fluorescence of EGFP is dependent on its conformation. Therefore, fixation protocols that immobilise EGFP may also destroy its usefulness as a fluorescent reporter. We therefore developed a novel tissue preparation and preservation techniques for EGFP. In addition, fluorescence spectrophotometry with epididymal epithelial cells in suspension revealed the expression of functional purinergic, adrenergic, cholinergic and bradykinin receptors in these cell lines (mE-Cap27 and mE-Cap28). In conclusion, we developed new tools for studying the role of the epididymis in sperm maturation. We developed a new technique to analyse GPCR dependent Ca2+ signalling in living slices of mouse caput epididymis. In addition, we improved the method of detecting reporter gene expression. Furthermore, we characterised two epididymis-specific gene promoters, analysed the expression of GPCRs in epididymal epithelial cells and developed a novel technique for measurement of secretion from cells.

Lineaarisen hammashihnaservokäytön tilasäätö

Tuotantotehokkuus näyttelee yhä suurempaa roolia teollisuudessa, minkä vuoksi myös pakkauslinjas­toille joudutaan asettamaan suuria vaatimuksia. Usein leik­kaus- ja kappaleensiirtosovelluksissa käyte­tään lineaarisia ruuvikäyttöjä, jotka voitaisiin tietyin edellytyksin korvata halvemmilla ja osittain suori­tuskykyisimmillä hammashihnavetoisilla johteilla. Yleensä paikkasäädetty työsolu muodostuu kahden tai kolmen eri koordinaatisto­akselin suuntaan asen­netuista johteista. Tällaisen työsolun paikoitustarkkuuteen vaikuttavat muun muassa käytetty säätöra­kenne, moottorisäätöketjun viiveet, sekä laitteiston eri epälineaarisuudet, kuten kitka. Tässä työssä esitetään lineaarisen hammashihnaservokäytön dynaamista käytöstä kuvaava matemaatti­nen malli ja laaditaan mallin pohjalta laitteen simulointimalli. Mallin toimivuus varmistetaan käytän­nön identifiointitesteillä. Lisäksi työssä tut­kitaan, kuinka hyvään suorituskykyyn lineaarinen hammas­hihnaservokäyttö kyke­nee, jos teollisuudessa paikoitussäätörakenteena tyypillisesti käytetty kaskadira­kenne tai PID-rakenne korvataan kehittyneemmällä mallipohjaisella tilasäädinra­kenteella. Säädön toi­mintaa arvioidaan simulointien ja koelaitteistolla suoritetta­vien mittaus­ten perusteella.

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.

Laitepuhdistamon ylijäämäliete ja sen kuiva-ainepitoisuuden nostaminen

Työssä tutkittiin pienpuhdistamon ylijäämälietteen ominaisuuksia ja käyttäytymistä pienpuhdistamon ylijäämälietteen tiivistys- tai kuivausmenetelmän kehittämisen teoriapohjaksi. Työ sisältää myös lietteiden tiivistysmenetelmien kustannustarkastelua. Kokeellisessa osuudessa käytettiin työn teettäjän Oy KWH Pipe Ab:n valmistamien pienpuhdistamojen ylijäämälietettä. Tutkittava ylijäämäliete oli peräisin asukasvastineluvultaan 5–95 pienistä aktiivilietelaitepuhdistamoista. Tiivistys- tai kuivausmenetelmän kehittämisen tarkoituksena on saavuttaa kustannussäästöjä pienpuhdistamon ylijäämälietteen kuljetusmatkojen vähentämisen kautta. Soveltuvia vertailtavia sovelluksia ovat staattiseen laskeuttamiseen perustuvat menetelmät, mekaaniset ruuvi- ja linkokuivaimet, kuivauslava ja flotaatio. Tarkasteltavien menetelmien tuli olla käytöltä ja huollolta sekä käyttökuluiltaan edullisia ja yksinkertaisia. Ylijäämälietteiden ominaisuuksia ja käyttäytymistä tutkittiin kirjallisuuslähteistä ja käytännön kokein. Kokeissa tarkasteltiin ylijäämälietteen laskeutumis- ja nousuominaisuuksia, redox-potentiaalin vaihtelua seisovassa näytteessä ja flotaation onnistumista testattavalle lietteelle. Kokeet tehtiin kullakin kerralla eri ajankohtana otetuille lietenäytteille, käytettyjä puhdistamoja oli useita ja mitoitus, kuormitus sekä jäteveden laatu vaihteli paljon.

Korroosionesto polymeerin ekstruusiolinjalla

Tämä diplomityö tutkii korroosionestoa polymeerin ekstruusiolinjalla. Kirjallisuusosassa käsitellään ekstruusiolinjaa, linjalla valmistettavia tuotteita ja niiden jatkojalostusta. Lisäksi kirjallisuusosassa käydään läpi linjalla ilmeneviä korroosiotyyppejä, korroosiota eri prosessilaitteissa, korroosionestossa käytettäviä inhibiittoreita ja eri materiaalien korroosiokestävyyden kartoitusta. Kokeellisessa osassa tutkittiin perushartsin kuivauksen vaikutusta ekstruuderin kaasutilan metanoli-, happi- ja kosteuspitoisuuksiin. Kokeellisessa osassa tutkittiin myös korroosioinhibiittorien I1 ja I2 vaikutusta korroosionestoon, seuraamalla korrodoivalla alueella olleiden ruuvielementtien painohäviöitä. Kaapelitestauksessa selvitettiin inhibiittorien käytön vaikutukset matalajännitekaapelin laatuun. Kuivauksella ei todettu olevan vaikutusta korroosionestoon. Metanolipitoisuus pysyi korkeana ja happipitoisuuden aleneminen ei ollut merkittävää. Kosteuspitoisuuden suuruusluokka selvitettiin. Kuivauksesta huolimatta se pysyi korkeana. Inhibiittorien käytöstä huolimatta ruuvielementit korrodoituivat, mutta inhibiittoria I2 käytettäessä tutkittujen ruuvielementtien painohäviöt olivat pienempiä referenssiajoon verrattuna. Inhibiittori I2:lla ei todettu olevan negatiivisia vaikutuksia matalajännitekaapelin laatuun suoritetuissa ikääntymis- sähköominaisuus- ja ristisilloittumisnopeustesteissä.

Non-resorbable glass fibre-reinforced composite with porous surface as bone substitute material: Experimental studies in vitro and in vivo focused on bone-implant interface

The development of load-bearing osseous implant with desired mechanical and surface properties in order to promote incorporation with bone and to eliminate risk of bone resorption and implant failure is a very challenging task. Bone formation and resoption processes depend on the mechanical environment. Certain stress/strain conditions are required to promote new bone growth and to prevent bone mass loss. Conventional metallic implants with high stiffness carry most of the load and the surrounding bone becomes virtually unloaded and inactive. Fibre-reinforced composites offer an interesting alternative to metallic implants, because their mechanical properties can be tailored to be equal to those of bone, by the careful selection of matrix polymer, type of fibres, fibre volume fraction, orientation and length. Successful load transfer at bone-implant interface requires proper fixation between the bone and implant. One promising method to promote fixation is to prepare implants with porous surface. Bone ingrowth into porous surface structure stabilises the system and improves clinical success of the implant. The experimental part of this work was focused on polymethyl methacrylate (PMMA) -based composites with dense load-bearing core and porous surface. Three-dimensionally randomly orientated chopped glass fibres were used to reinforce the composite. A method to fabricate those composites was developed by a solvent treatment technique and some characterisations concerning the functionality of the surface structure were made in vitro and in vivo. Scanning electron microscope observations revealed that the pore size and interconnective porous architecture of the surface layer of the fibre-reinforced composite (FRC) could be optimal for bone ingrowth. Microhardness measurements showed that the solvent treatment did not have an effect on the mechanical properties of the load-bearing core. A push-out test, using dental stone as a bone model material, revealed that short glass fibre-reinforced porous surface layer is strong enough to carry load. Unreacted monomers can cause the chemical necrosis of the tissue, but the levels of leachable resisidual monomers were considerably lower than those found in chemically cured fibre-reinforced dentures and in modified acrylic bone cements. Animal experiments proved that surface porous FRC implant can enhance fixation between bone and FRC. New bone ingrowth into the pores was detected and strong interlocking between bone and the implant was achieved.

Ruuvipurkaimen DFMA

Tämän työn tarkoituksena oli soveltaa valmistusystävällisen ja kokoonpanon huomioivan suunnittelun(DFMA) periaatteita ajavalle ruuvipurkaimelle valmistuskustannusten alentamiseksi. Työn teoriaosassa esitellään valmistusystävällisen suunnittelun periaatteita. Yhtä tarkemmin noudatettua DFMA-menetelmää esitellään hieman enemmän. Teoriassa käsitellään myös valmistuskustannusten laskentaa, lähinnä hitsauksen ja koneistuksen osalta. Ruuvipurkaimen rakenteeseen perehdyttiin tekemällä siitä 3D-malli. Purkaimen valmistuskustannukset selvitettiin ja kustannusten painopisteet määritettiin. Niiden pohjalta valittiin kohteet joihin paneuduttiin ja joihin sovellettiin DFMA:n periaatteita. Ruuvipurkaimen valmistettavuuden parantamisessa saavutettiin tavoite, 10 % kustannussäästö valmistuskustannuksissa. Valmistettavuutta saatiin paremmaksi DFMA-menetelmiä soveltaen ja sitä kautta tuli kustannussäästöjä. Ostokomponenttien toimittajakartoituksella saatiin myös kustannuksia karsittua. Käytetty DFMA-menetelmä hieman sovellettuna oli tälle tuotteelle toimiva vaihtoehto. Jatkamalla valmistusystävällistä suunnittelua kalleimmille osille, saataisiin enemmän kustannussäästöjä mihin tässä työssä päästiin.

Leaf-Targeted Ferredoxin-NADP+-Oxidoreductase (FNR): Electron Transfer Properties and Thylakoid Association in Arabidopsis thaliana

Photosynthetic reactions are divided in two parts: light-driven electron transfer reactions and carbon fixation reactions. Electron transfer reactions capture solar energy and split water molecules to form reducing energy (NADPH) and energy-carrying molecules (ATP). These end-products are used for fixation of inorganic carbon dioxide into organic sugar molecules. Ferredoxin-NADP⁺ oxidoreductase (FNR) is an enzyme that acts at the branch point between the electron transfer reactions and reductive metabolism by catalyzing reduction of NADP+ at the last step of the electron transfer chain. In this thesis, two isoforms of FNR from A rabidopsis thaliana, FNR1 and FNR2, were characterized using the reverse genetics approach. The fnr1 and fnr2 mutant plants resembled each other in many respects. Downregulation of photosynthesis protected the single fnr mutant plants from excess formation of reactive oxygen species (ROS), even without significant upregulation of antioxidative mechanisms. Adverse growth conditions, however, resulted in phenotypic differences between fnr1 and fnr2. While fnr2 plants showed downregulation of photosynthetic complexes and upregulation of antioxidative mechanisms under low-temperature growth conditions, fnr1 plants had the wild-type phenotype, indicating that FNR2 may have a specific role in redistribution of electrons under unfavorable conditions. The heterozygotic double mutant (fnr1xfnr2) was severely devoid of chloroplastic FNR, which clearly restricted photosynthesis. The fnr1xfnr2 plants used several photoprotective mechanisms to avoid oxidative stress. In wild-type chloroplasts, both FNR isoforms were found from the stroma, the thylakoid membrane, and the inner envelope membrane. In the absence of the FNR1 isoform, FNR2 was found only in the stroma, suggesting that FNR1 and FNR2 form a dimer, by which FNR1 anchors FNR2 to the thylakoid membrane. Structural modeling predicted formation of an FNR dimer in complex with ferredoxin. In this thesis work, Tic62 was found to be the main protein that binds FNR to the thylakoid membrane, where Tic62 and FNR formed high molecular weight complexes. The formation of such complexes was shown to be regulated by the redox state of the chloroplast. The accumulation of Tic62-FNR complexes in darkness and dissociation of complexes from the membranes in light provide evidence that the complexes may have roles unrelated to photosynthesis. This and the high viability of fnr1 mutant plants lacking thylakoid-bound FNR indicate that the stromal pool of FNR is photosynthetically active.