Development of Craniofacial Bone Defect Reconstruction Implant Based on Fibre-Reinforced Composite with Photopolymerisable Resin Systems. Experimental studies in vitro and in vivo.

Reconstruction of defects in the craniomaxillofacial (CMF) area has mainly been based on bone grafts or metallic fixing plates and screws. Particularly in the case of large calvarial and/or craniofacial defects caused by trauma, tumours or congenital malformations, there is a need for reliable reconstruction biomaterials, because bone grafts or metallic fixing systems do not completely fulfill the criteria for the best possible reconstruction methods in these complicated cases. In this series of studies, the usability of fibre-reinforced composite (FRC) was studied as a biostable, nonmetallic alternative material for reconstructing artificially created bone defects in frontal and calvarial areas of rabbits. The experimental part of this work describes the different stages of the product development process from the first in vitro tests with resin-impregnated fibrereinforced composites to the in vivo animal studies, in which this FRC was tested as an implant material for reconstructing different size bone defects in rabbit frontal and calvarial areas. In the first in vitro study, the FRC was polymerised in contact with bone or blood in the laboratory. The polymerised FRC samples were then incubated in water, which was analysed for residual monomer content by using high performance liquid chromatography (HPLC). It was found that this in vitro polymerisation in contact with bone and blood did not markedly increase the residual monomer leaching from the FRC. In the second in vitro study, different adhesive systems were tested in fixing the implant to bone surface. This was done to find an alternative implant fixing system to screws and pins. On the basis of this study, it was found that the surface of the calvarial bone needed both mechanical and chemical treatments before the resinimpregnated FRC could be properly fixed onto it. In three animal studies performed with rabbit frontal bone defects and critical size calvarial bone defect models, biological responses to the FRC implants were evaluated. On the basis of theseevaluations, it can be concluded that the FRC, based on E-glass (electrical glass) fibres forming a porous fibre veil enables the ingrowth of connective tissues to the inner structures of the material, as well as the bone formation and mineralization inside the fibre veil. Bone formation could be enhanced by using bioactive glass granules fixed to the FRC implants. FRC-implanted bone defects healed partly; no total healing of defects was achieved. Biological responses during the follow-up time, at a maximum of 12 weeks, to resin-impregnated composite implant seemed to depend on the polymerization time of the resin matrix of the FRC. Both of the studied resin systems used in the FRC were photopolymerised and the heat-induced postpolymerisation was used additionally.

Sisäisten donorien vaikutus Polypropeeni Ziegler-Natta katalyytissä

Tässä työssä tutkittiin erilaisten sisäisten donorien vaikutusta polypropeenin ominaisuuksiin käytettäessä Ziegler-Natta-katalyyttiä, joka valmistettiin Borealiksen aiemmin kehittämällä kaksifaasimenetelmällä. Tällä uudella menetelmällä katalyytti voidaan valmistaa ilman lisättyä sisäistä donoria ja kantajaa. Katalyyttihiukkaset saadaan kaksifaasisysteemin ansiosta muodoltaan pyöreiksi. Työn kokeellisessa osassa valmistettiin erilaisia Mg-komplekseja, jossa sisäinen donori muodostuu in-situ alkoholin ja karboksyylihappokloridin reagoidessa keskenään. Katalyyttisynteesissä Mg-kompleksi reagoi TiCl4:n kanssa. Saatujen katalyyttien ominaisuuksia testattiin polymeroimalla niillä propeenia 70 °C:ssa tunnin ajan. Polymeerien ominaisuuksia tutkittiin useiden eri karakterisointimenetelmien avulla. Lisäksi tutkittiin mahdollisuutta valmistaa katalyytti, joka ei sisältäisi ftalaattia. Työssä havaittiin, että katalyytin valmistusmenetelmä on käyttökelpoinen myös muilla sisäisillä donoreilla kuin referenssinä käytetyllä DOP:lla. Kaksiliuosfaasi-systeemi saatiin aikaan myös kahdella muulla työssä tutkitulla sisäisellä donorilla. Lisäksi faasitasapainokokeissa kahden liuosfaasin systeemi saatiin aikaan sisäisellä donorilla, joka ei sisältänyt ftalaattia. Kyseisellä katalyytillä havaittiin olevan muista katalyyteistä poikkeavia ominaisuuksia. Esimerkiksi se antoi matalamman isotaktisuuden kuin referenssikatalyytti ja se saattaisikin soveltua matalan isotaktisuuden pehmeille tuotteille. Työssä kokeiltiin yhdellä uudella katalyytillä myös eteenin polymerointia, sillä katalyytin donoripitoisuus oli hyvin matala. Katalyytin aktiivisuus eteenipolymeroinnissa oli varsin hyvä.

Viologeenit sensorimateriaaleissa

Pro gradu -työn taustalla oli selvittää sähkökemiallisella polymeroinnilla tuotetun viologeenikalvon anioniselektiivisyyttä. Polymerointi toteutettiin sekä staattisella kennosysteemillä että suihkuvirtauskennolla (engl. wall-jet) käyttäen 1,3,5-tris-(N-metyyli-4-syanopyridinium)-2,4,6-trimetyylitribromidi-, trans-1,2-bis-(karbamoyyli-para-metyylisyano-pyridinium)-sykloheksaanidibromidi- ja 1,3-bis-[4-(para-metyylisyanopyridinium)-fenyyli-tioureido]-ksyleenidibromidilähtöaineita. Platina- ja kultasubstraateille muodostettuja viologeenikalvoja tutkittiin voltammetrisesti (CV), kronoamperometrisesti (CA), konduktometrisesta (GA) sekä kvartsikidemikrovaakaa (QCMB) apuna käyttäen. Tulosten perusteella polymeerirakenteet omasivat anionikaviteetteja mutta affiniteetit eri anionien väillä eivät korreloineet täydellisesti sähkökemiallisessa generoinnissa käytettyjen muotti-ionien kanssa. Selektiivisyyteen todennäköisesti vaikuttivat myös liuosfaasissa olleiden ionisten molekyylien ja solvatoituneiden anionien poolisuus ja hydraattiverhon koko. Lisäksi polymeroitujen viologeenien anionivakansseista suurin osa todettiin inaktiivisiksi. Kirjallisuuskatsauksen perusteella substituoidut γ,γ’-bipyridyylit ovat materiaaleina lupaavia ja yleisen sensoriteknologian mielenkiinnon kohteena mm. aurinkokennoissa, biosensoreissa ja elektronin delokalisaatioon perustuvissa värinäytöissä (ECD). Ongelmina löydetyissä sovellutuksissa ovat olleet bipyridyylien vuotaminen liuokseen, katalyyttisesti verraten hitaat elektroninsiirtoreaktiot ja yhdisteiden myrkyllisyys. Vastaavasti etuja ovat olleet polymeerien intensiiviset värit, väriskaalan muokattavuus, sähkökemiallisesti tuotetun radikaalikationin stabiilius vesiliuoksessa, katalyyttinen aktiivisuus ja helppo synteesireitti syanopyridiinilähtöaineista.

Led -tekniikan käyttöönotto polyakryyliamidin valmistuksessa fotoinitiaatioprosessissa

Työssä tutkittiin Kemira Chemicals Oy:n Vaasan polyelektrolyyttitehtaalla led -tekniikan käyttöönottoa polyakryyliamidin valmistamisessa fotoinitiaatiolla. Led- tekniikan käyttöönoton seuraamisella ja erilaisten mittausten tekemisellä oli tarkoitus saada uudesta teknologiasta tietoa, jonka perusteella tulevaisuuden investointiesitykset voisivat olla paremmin perusteltavissa. Työn kirjallisuusosassa käytiin läpi valaistus- ja led -tekniikan perusteita sekä polymeerien perusteita. Lisäksi polyelektrolyyttien ominaisuudet ja käyttökohteet käytiin läpi. Kirjallisuusosan lopussa käytiin läpi polymerointia, fotoinitiaatiota ja vapaiden radikaalien toimintaa. Myös kustannuslaskentaa selvitettiin. Mittausten ja vertailujen perusteella voitiin todeta led -valojen vaikuttaneen positiivisesti prosessin toimintaan ja lopputuotteiden laatuun. Tämänlaisessa sovelluksessa led -tekniikka ei ole kuitenkaan vielä kilpailukykyistä vanhaan teknologiaan verrattuna puhtaasti taloudellisesti ajateltuna.