EDTA- and DTPA-functionalized silica gel and chitosan adsorbents for the removal of heavy metals from aqueous solutions

Adsorbents functionalized with chelating agents are effective in removal of heavy metals from aqueous solutions. Important properties of such adsorbents are high binding affinity as well as regenerability. In this study, aminopolycarboxylic acid, EDTA and DTPA, were immobilized on the surface of silica gel, chitosan, and their hybrid materials to achieve chelating adsorbents for heavy metals such as Co(II), Ni(II), Cd(II), and Pb(II). New knowledge about the adsorption properties of EDTA- and DTPA-functionalizedadsorbents was obtained. Experimental work showed the effectiveness, regenerability, and stability of the studied adsorbents. Both advantages and disadvantages of the adsorbents were evaluated. For example, the EDTA-functionalized chitosan-silica hybrid materials combined the benefits of the silica gel and chitosan while at the same time diminishing their observed drawbacks. Modeling of adsorption kinetics and isotherms is an important step in design process. Therefore, several kinetic and isotherm models were introduced and applied in this work. Important aspects such as effect of error function, data range, initial guess values, and linearization were discussed and investigated. The selection of the most suitable model was conducted by comparing the experimental and simulated data as well as evaluating the correspondence between the theory behind the model and properties of the adsorbent. In addition, modeling of two-component data was conducted using various extended isotherms. Modeling results for both one- and twocomponent systems supported each other. Finally, application testing of EDTA- and DTPA-functionalized adsorbents was conducted. The most important result was the applicability of DTPA-functionalized silica gel and chitosan in the capturing of Co(II) from its aqueous EDTA-chelate. Moreover, these adsorbents were efficient in various solution matrices. In addition, separation of Ni(II) from Co(II) and Ni(II) and Pb(II) from Co(II) and Cd(II) was observed in two- and multimetal systems. Lastly, prior to their analysis, EDTA- and DTPA-functionalized silica gels were successfully used to preconcentrate metal ions from both pure and salty waters

Kalvosuodatusprosessin tehostaminen paperiteollisuuden sovelluksissa

Tässä diplomityössä tutkittiin kalvosuodatuksen esikäsittelymenetelmiä ja kalvonpesua. Työn kirjallisuusosassa käsitellään vuon alenemiseen vaikuttavia tekijöitä, esikäsittelymenetelmiä ja kalvonpesua. Kokeellisessa osassa tutkittiin kemiallisten esikäsittelyjen vaikutusta vuon alenemiseen paperitehtaan happaman kiertoveden kirkkaan suodoksen kalvosuodatuksessa. Esikäsittelykemikaalit olivat ympäristöystävällisiä ja paperinvalmistusprosessiin soveltuvia. Lisäksi tutkittiin kalvonpesuaineiden pesutehokkuuksia. Tutkitut esikäsittelyaineet olivat mikrokiteinen kitosaani, karboksimetyyliselluloosa, selluloosa- ja puukuitu sekä kaupallinen antiskalantti. Pesuaineista tutkittiin kolmea kaupallista kalvonpesuainetta, yhtä kalvopesun tehostusainetta sekä peretikkahappoa. Kokeet tehtiin kahdella laboratoriomittakaavaisella kalvosuodattimella. Kalvoina käytettiin kahta nanosuodatus- ja yhtä ultrasuodatuskalvoa. Vuon alenemista tutkittiin suodatuksen aikaisena alenemisena ja vesivuohon verrattavana alenemisena. Esikäsittelyjen vaikutusta erotustehokkuuteen tutkittiin ioni-, johtokyky-, orgaanisen hiilen kokonaispitoisuus-, sokeri-, sameus- ja ligniinireduktioilla. Lisäksi määritettiin kalvon likaantuminen suodatuksen aikana vesivuon määrityksillä ennen ja jälkeen suodatuksen. Pesutehokkuus määritettiin vesivuon määrityksillä suodatuksen jälkeen ja pesun jälkeen. Kitosaani- ja karboksimetyyliselluloosakäsittelyillä oli vuon alenemista estävä vaikutus hydrofiilisellä nanosuodatuskalvolla suodatettaessa. Kitosaanikäsittelyn 5 g/dm3:n ja karboksimetyyliselluloosakäsittelyn 2 g/ dm3:n annostuksella vuot alentuivat suodatuksen aikana 8 %-yksikköä vähemmän kuin ilman esikäsittelyä. Puukuitukäsittely stabiloi 0,1 g/dm3:n annostuksella saman kalvon vuota, kun kiintoainetta ei poistettu syötöstä. Hydrofobisen nanosuodatuskalvon vuon alenemista ehkäisivät puu- ja selluloosakuitukäsittelyt sekä karboksimetyyliselluloosakäsittely. Karboksimetyyliselluloosakäsittely vähensi vuon alenemista 25 %-yksikköä ja puukuitukäsittely 13 %-yksikköä. Hydrofiilisellä ultrasuodatuskalvolla vuon aleneminen oli pientä ilman esikäsittelyä. Reduktioihin esikäsittelyt vaikuttivat parhaiten ultrasuodatuskalvolla. Kitosaanikäsittely nosti 1 g/dm3:n annostuksella alumiinireduktion 50 %:sta 96 %:iin ja 5 g/dm3:n annostuksella rautareduktion 30 %:sta 55 %:iin. Karboksyylimetyyliselluloosakäsittelyt vaikuttivat parantavasti mangaanin, magnesiumin, raudan ja kalsiumin reduktioihin. Optimi karboksyylimetyyliselluloosa-annostus oli 2 g/dm3. Merkittävin reduktion nousu oli kalsiumilla, jonka reduktio nousi esikäsittelyllä 4 %:sta 57 %:iin. Reduktiota nostava mekanismi oli kalvon pinnalle muodostuva sekundaarikerros. Pesuaineista tehokkain oli entsyymiä sisältävä kalvonpesuaine. Suurin vaikutus sillä oli hydrofobisen nanosuodatuskalvon pesussa. Optimiannostuksella (0,5 %) kalvon vesivuo pesun jälkeen oli 114 % pesua edeltäneestä vesivuosta. Muut kaupalliset pesuaneet oli tehokkaita hydrofiilisille kalvoille. Peretikkahappo oli yksittäisenä pesuaineena heikkotehoinen.

Functional studies on bacterial nucleotide-regulated inorganic pyrophosphatases

CBS domains are ~60 amino acid tandemly repeated regulatory modules forming a widely distributed domain superfamily. Found in thousands of proteins from all kingdoms of life, CBS domains have adopted a variety of functions during evolution, one of which is regulation of enzyme activity through binding of adenylate-containing compounds in a hydrophobic cavity. Mutations in human CBS domain-containing proteins cause hereditary diseases. Inorganic pyrophosphatases (PPases) are ubiquitous enzymes, which pull pyrophosphate (PPi) producing reactions forward by hydrolyzing PPi into phosphate. Of the two nonhomologous soluble PPases, dimeric family II PPases, belonging to the DHH family of phosphoesterases, require a transition metal and magnesium for maximal activity. A quarter of the almost 500 family II PPases, found in bacteria and archaea, contain a 120-250 amino acid N-terminal insertion, comprised of two CBS domains separated in sequence by a DRTGG domain. These enzymes are thus named CBS-PPases. The function of the DRTGG domain in proteins is unknown. The aim of this PhD thesis was to elucidate the structural and functional differences of CBS-PPases in comparison to family II PPases lacking the regulatory insert. To this end, we expressed, purified and characterized the CBS-PPases from Clostridium perfringens (cpCBS-PPase) and Moorella thermoacetica (mtCBS-PPase), the latter lacking a DRTGG domain. Both enzymes are homodimers in solution and display maximal activity against PPi in the presence of Co2+ and Mg2+. Uniquely, the DRTGG domain was found to enable tripolyphosphate hydrolysis at rates similar to that of PPi. Additionally, we found that AMP and ADP inhibit, while ATP and AP4A activate CBSPPases, thus enabling regulation in response to changes in cellular energy status. We then observed substrate- and nucleotide-induced conformational transitions in mtCBS-PPase and found that the enzyme exists in two differentially active conformations, interconverted through substrate binding and resulting in a 2.5-fold enzyme activation. AMP binding was shown to produce an alternate conformation, which is reached through a different pathway than the substrate-induced conformation. We solved the structure of the regulatory insert from cpCBS-PPase in complex with AMP and AP4A and proposed that conformational changes in the loops connecting the catalytic and regulatory domains enable activity regulation. We examined the effects of mutations in the CBS domains of mtCBS-PPase on catalytic activity, as well as, nucleotide binding and inhibition.

Puuhydrolysaatin esikäsittely foulaantumisen vähentämiseksi ultrasuodatuksessa

Tässä kandidaatintyössä tutkittiin, voidaanko puuhydrolysaatin esikäsittelyllä vähentää sen ultrasuodatuksen aikana esiintyvää kalvojen foulaantumista. Kokeellinen osa rajattiin koskemaan hydrolysaatin käsittelyä lakkaasientsyymillä, flokkulanteilla, kitosaanilla sekä adsorbentin ja lakkaasientsyymin yhdistelmällä. Esikäsittelyjen tavoitteena oli poistaa tai hajottaa hydrolysaatin sisältämää ligniiniä. Käsittelyjen teho testattiin suodattamalla eri tavoin käsiteltyä hydrolysaattia laboratoriokokeissa. Kokeissa adsorbentin ja lakkaasientsyymin yhdistelmäkäsittely osoittautui parhaaksi. Suodatuskapasiteetti parani ja foulaantuminen väheni verrattuna esikäsittelemättömän hydrolysaatin suodatukseen. Ligniiniä poistui käsittelyssä, kuten tavoitteena oli. Suodatuksessa kuitenkin edelleen tapahtui foulaantumista ja esikäsittelyn tehoa tulisi siksi vielä parantaa. Myös esikäsittely lakkaasientsyymillä paransi suodatuskapasiteettia ja vähensi foulaantumista, mutta vähemmän kuin entsyymi-adsorbenttikäsittely.

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.

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.

Selluloosamembraanien kehittäminen ja testaus

Tämän työn tavoitteena oli selvittää, kuinka selluloosan lisääminen vaikuttaa polysulfonirunkoisiin membraaneihin. Lisäksi työssä selvitettiin selluloosamembraanien modifiointia kitosaanilla ja bentoniitilla. Työssä muodostettiin membraanit faasi-inversiotekniikalla. Selluloosamembraanien valmistuksessa jauhettu selluloosa liuotettiin ioniseen nesteeseen. Sekä polysulfonista että selluloosasta valmistetuille membraaneille määritettiin puhdasvesivuot ja retentiot. Retention määrittämiseen käytettiin malliaineena dekstraanin vesiliuosta. Lisäksi määriteltiin polysulfonipohjaisten membraanien hydrofiilisyys tutkimalla membraanien pintojen ja vesipisaroiden välisiä kontaktikulmia. Polysulfonimembraaneihin lisätyn selluloosan havaittiin pienentävän puhdasvesivuota ja kasvattavan hydrofiilisyyttä mitä enemmän selluloosaa oli membraanimatriisissa. Kaikkien selluloosalla modifioitujen membraanien retentiot olivat suurempia kuin modifioimattoman polysulfonimembraanin. Kitosaanilla modifioitujen selluloosamembraanien valmistus ei onnistunut johtuen luultavasti kitosaanin liian suuresta partikkelikoosta. Bentoniitilla modifioitujen membraanien vuot olivat merkittävästi suuremmat sekä niiden retentiot pienemmät verrattuna modifioimattomaan selluloosamembraaniin. Tämä johtui luultavasti siitä, että bentoniitin lisääminen aiheutti membraanirakenteeseen reikiä.