Effects of Silica Based Biomaterials on Bone Marrow Derived Cells - Material Aspects of Bone Regeneration

Silica based biomaterials, such as melt-derived bioactive glasses and sol-gel glasses, have been used for a long time in bone healing applications because of their ability to form hydroxyapatite and to stimulate stem cell proliferation and differentiation. In this study, bone marrow derived cells were cultured with bioactive glass and sol-gel silica, and seeded into porous polymer composite scaffolds that were then implanted femorally and subcutaneously in rats to monitor their migration inside host tissue. Bone marrow derived cells were also injected intraperitoneally. Transplanted cells migrated to various tissues inside the host, including the lung, liver spleen, thymus and bone marrow. The method of transplantation affected the time frame of cell migration, with intraperitoneal injection being the fastest and femoral implantation the slowest, but not the target tissues of migration. Transplanted donor cells had a limited lifetime in the host and were later eliminated from all tested tissues. Bioactive glass, however, affected the implanted cells negatively. When it was present in the scaffold no donor cells were found in any of the tested host tissues. Bioactive glass S53P4 was found to support both osteoblastic and osteoclastic phenotype of bone marrow derived cells, but it was resistant to the resorbing effect of osteoclastic bone marrow derived cells, showing that bioactive glass is rather dissolved through physicochemical reactions than resorbed by cells. Fast-dissolving silica sol gel in microparticulate form was found to increase collagen formation by bone marrow derived cells, while slow dissolving silica microparticles enhanced their proliferation, suggesting that the dissolution rate of silica controls the response of bone marrow derived cells.

Identification and application of bile metabolites to assess the exposure of fish to pharmaceuticals in the environment

Thousands of tons of pharmaceuticals are consumed yearly worldwide. Due to the continuous and increasing consumption and their incomplete elimination in wastewater treatment plants (WWTP), pharmaceuticals and their metabolites can be detected in receiving waters, although at low concentrations (ng to low μg/L). As bioactive molecules the presence of pharmaceuticals in the aquatic environment must be considered potentially hazardous for the aquatic organisms. In this thesis, the biotransformation and excretion of pharmaceuticals in fish was studied. The main biotransformation pathways of three anti‐inflammatory drugs, diclofenac, naproxen and ibuprofen, in rainbow trout were glucuronidation and taurine conjugation of the parent compounds and their phase I metabolites. The same metabolites were present in fish bile in aquatic exposures as in fish dosed with intraperitoneal injection. Higher bioconcentration factor in bile (BCFbile) was found for ibuprofen when compared to diclofenac and naproxen. Laboratory exposure studies were followed by a study of uptake of pharmaceuticals in a wild fish population living in lake contaminated with WWTP effluents. Of the analyzed 17 pharmaceuticals and six phase I metabolites, only diclofenac, naproxen and ibuprofen was present in bream and roach bile. It was shown, that diclofenac, naproxen and ibuprofen excreted by the liver can be found in rainbow trout and in two native fish species living in the receiving waters. In the bream and roach bile, the concentrations of diclofenac, naproxen and ibuprofen were roughly 1000 times higher than those found in the lake water, while in the laboratory exposures, the bioconcentration of the compounds and their metabolites in rainbow trout bile were at the same level as in wild fish or an order of magnitude higher. Thus, the parent compounds and their metabolites in fish bile can be used as a reliable biomarker to monitor the exposure of fish to environmental pharmaceuticals present in water receiving discharges from WWTPs.

Numerical Modelling of Combustion and Emission Formation in a Diesel Engine with Different Fuel Injection Characteristics

Päästöjen vähentäminen on ollut viime vuosina tärkeässä osassa polttomoottoreita kehitettäessä.Monet viralliset tahot asettavat uusia tiukempia päästörajoituksia. Päästörajatovat tyypillisesti olleet tiukimmat autoteollisuuden valmistamille pienille nopeakäyntisille diesel-moottoreille, mutta viime aikoina paineita on kohdistunut myös suurempiin keskinopeisiin ja hidaskäyntisiin diesel-moottoreihin. Päästörajat ovat erilaisia riippuen moottorin tyypistä, käytetystä polttoaineesta ja paikasta missä moottoria käytetään johtuen erilaisista paikallisista laeista ja asetuksista. Eniten huomiota diesel-moottorin päästöissä täytyy kohdistaa typen oksideihin, savun muodostukseen sekä partikkeleihin. Laskennallisen virtausmekaniikan (CFD) avulla on hyvät mahdollisuudet tutkia diesel-moottorin sylinterissä tapahtuvia ilmiöitä palamisen aikana. CFD on hyödyllinen työkalu arvioitaessa moottorin suorituskykyä ja päästöjen muodostumista. CFD:llä on mahdollista testata erilaisten parametrien ja geometrioiden vaikutusta ilman kalliita moottorinkoeajoja. CFD:tä voidaan käyttää myös opetustarkoituksessa lisäämään paloprosessin tuntemusta. Tulevaisuudessa palamissimuloinnit CFD:llä tulevat epäilemättä olemaan tärkeä osa moottorin kehityksessä. Tässä diplomityössä on tehty palamissimuloinnit kahteen erilaisilla poittoaineenruiskutuslaitteistoilla varustettuun Wärtsilän keskinopeaan diesel-moottoriin. W46 moottorin ruiskutuslaitteisto on perinteinen mekaanisesti ohjattu pumppusuutin ja W46-CR moottorissa on elektronisesti ohjattu 'common rail' ruiskutuslaitteisto. Näiden moottorien ja käytössä olevien ruiskutusprofiilien lisäksi on simuloinneilla testattu erilaisia uusia ruiskutusprofiileja, jotta erityyppisten profiilien hyvät ja huonot ominaisuudet tulisivat selville. Matalalla kuormalla kiinnostuksen kohteena on nokipäästöjen muodostus ja täydellä kuormalla NOx-päästöjen muodostus ja polttoaineen kulutus. Simulointien tulokset osoittivat, että noen muodostusta matalalla kuormalla voidaan selvästi vähentää monivaiheisella ruiskutuksella, jossa yksi ruiskutusjakso jaetaan kahteen tai useampaan jaksoon. Erityisen tehokas noen vähentämisessä vaikuttaa olevan ns. jälkiruiskutus (post injection). Matalat NOx-päästöt ja hyvä polttoaineen kulutus täydellä kuormalla on mahdollista saavuttaaasteittain nostettavalla ruiskutusnopeudella.