Luun kasvun tukirakennemateriaalien valmistus sähkökehräyksellä ja atomikerroskasvatuksella

Luu on erittäin järjestäytynyt hierarkkinen komposiittimateriaali, jonka pääkomponentit ovat kollageeni ja hydroksiapatiitti. Rakenne tekee luusta painoonsa nähden äärimmäisen kestävän ja vahvan materiaalin. Sen perusyksikkönä on kollageenimolekyylien ja hydroksiapatiittinanokiteiden muodostama kollageenisäie. Synteettisisen luun kasvun tukirakenteen (luutukirakenne) tulee olla bioyhteensopiva, bioaktiivinen ja biohajoava. Materiaalin pitää kyetä sitoutumaan luuhun, edistämään luusolujen toimintaa ja siten uuden luun muodostumista, hajota hitaasti uuden luun muodostumisen tieltä ja olla mekaanisesti riittävän kestävä. Tämä asettaa vaatimuksia sekä tukirakenteessa käytettäville materiaaleille että rakenteen muodolle. Bioaktiivisuuden, biohajoavuuden ja mekaanisen kestävyyden yhteensovittaminen on usein haasteellista. Synteettiset kuitumaiset luutukirakenteet ovat erityisen kiinnostavia johtuen niiden rakenteellisesta samankaltaisuudesta luumatriisin kanssa. Lupaavia materiaaleja ovat esimerkiksi hydroksiapatiitti ja biolasi sekä näiden ja biopolymeerien, kuten polylaktidin, muodostamat komposiittirakenteet. Näistä materiaaleista sähkökehrätyt kuidut ovat osoittaneet huomattavan korkeaa bioaktiivisuutta. Kuitujen suuri aktiivinen pinta-ala tarjoaa luusoluille kiinnittymispaikkoja ja edistää niiden toimintaa. Tutkielman kirjallisuusosassa on tutkittu luutukirakenteissa käytettäviä epäorgaanisia ja biokomposiittimateriaaleja sekä perehdytty sähkökehräysmenetelmään kuitumaisten luutukirakenteiden valmistuksessa. Kokeellisessa osuudessa sähkökehrättiin useita luutukirakenteissa käytettäviä kuitumateriaaleja. Kehrätyt materiaalit olivat epäorgaaniset hydroksiapatiitti, kalsiumkarbonaatti ja biolasi sekä hydroksiapatiittinanopartikkeleiden ja polyvinyylibutyraalin tai polylaktidin muodostamat komposiitit. Kuitujen paksuutta ja muita ominaisuuksia voitiin säätää liuos- ja kehräysparametreja muuttamalla. Biolasi- ja kalsiumkarbonaattikuituja konvertoitiin liuoskäsittelyillä hydroksiapatiitiksi. Käsittelyllä konvertoitiin myös atomikerroskasvatettuja kalsiumkarbonaattiohutkalvoja hydroksiapatiitiksi. Valmistetut kuidut ja kalvot ovat kiinnostavia biomateriaaleja, mutta niiden bio-ominaisuudet ovat toistaiseksi tutkimatta. Sähkökehräysprosessien tuottavuutta kasvatettiin kehittämällä monineulasähkökehräyslaitteistoa. Monineulainen sähkökehräys osoittautui huomattavasti perinteistä yhden neulan sähkökehräystä monimutkaisemmaksi prosessiksi. Ongelmia aiheuttaa polymeeriliuoksen kuivuminen neulan kärkeen ja toisaalta kuidun kehräytyminen kosteana. Näitä ongelmia ei vielä kyetty täysin ratkaisemaan