Search

Spine Toolbox is an application that provides means to define, manage, and execute energy system models. It gives the user the ability to collect, create, organize, and validate model input data, execute a model with selected data and finally archive and visualize the results or output data. Spine Toolbox is designed to support the creation and execution of scenarios in optimization and simulation. In the Spine project, the main use case has been SpineOpt, which is a highly adaptable model generator for multi-energy systems. In addition, Spine Toolbox supports a wide variety of other models and tools if they follow the conventions of Spine Toolbox or there is an interpreter between the application and the external tool. One of the conventions is the Spine data structure, which is an entity-relationship data model for a structured yet flexible storage of data. The interface to the data structure is an integral part of both Spine Toolbox and SpineOpt because it enables them to communicate using a common vocabulary. Spine Toolbox is implemented in Python and SpineOpt in Julia.This deliverable presents a high-level software design for Spine Toolbox and for the various tools it supports. It contains the application use cases, functional and non-functional requirements, system overview, chosen implementation language(s), dependencies, versioning, application validation requirements, testing and security requirements, and general development guidelines. The aforementioned have been collected in co-operation with Spine members and stakeholders, who have been using Spine Toolbox since its inception. The last chapter presents an overview of the Spine data structure. The first version of this deliverable was published in project M02 and this final version presents the updated design of the software. Spine is an open-source project. In the fall of 2018, Spine Toolbox source code and documentation was released to the public. Spine Toolbox as well as the whole Spine software suite is available in a web-based version control repository system called GitHub (https://github.com/Spine-project). In addition, the user guide and other documentation is available on https://readthedocs.org/. Spine Toolbox is licensed under the GNU Lesser General Public License (LGPL). Spine Toolbox documentation, user guide and all original graphics have been released with the Creative Commons BY-SA 4.0 license. We hope to attract a lively and active community around the Spine software suite that will continue development also after the project has ended.

Hydrogen free diamond-like carbon (DLC) coatings have been the subject of investigation all around the world for the last 30 years. One of the major problems in producing of thick high-quality DLC coatings has been the inadequate adhesion of the deposited film to the substrate. This obstacle is finally overcome by depositing an intermediate adhesion layer produced with high energy (>2 keV) carbon plasma before application of a high-quality coating produced with a low energy unit. To the best of our knowledge, this can be achieved (with reasonable yield for industrial purposes) only with the filtered pulsed arc discharge (FPAD) method developed by our group. In this thesis a new combination of in situ surface oxide reduction method with FPAD is presented. Novel anti-soiling DLC polymer hybrid coatings (DLC-p-h) can be deposited using a slightly modified FPAD system. Both the coatings and their deposition method are recent innovations invented in our research group. This method makes possible to combine diamond and polymer properties in the resulting coatings. Two novel hybrid coatings have been developed: DLC polytetrafluoroethylene hybrid (DLC-PTFE-h) and DLC polydimethylsiloxane hybrid (DLC-PDMS-h). These hybrid coatings are highly hydrophobic and oleophobic (dirt repelling). Therefore these novel coatings could probably be used as antifouling and wear resistant coatings to which pathogenic bacteria would adhere less than to conventional biomaterials in biomedical applications. These DLC-p-h coatings are not produced anywhere else in the world. In this thesis bacterial adhesion to DLC was studied under dynamic conditions. Our experiments demonstrated that the bacterial adhesion to DLC was similar to the adhesion to AISI 316L surgical steel commonly used in medical applications. This suggested that DLC coating can be used on implants made from AISI 316L or other materials without increasing the risk of implant-related infections. Adhesion of bacteria and human cells (hMSC, hOB, Saos-2) to our novel DLC-p-h coatings was also studied. Bacterial adhesion tests showed a potential application of DLC-PTFE-h coating as a less biofouling surface than DLC, titanium and oxidized silicon surfaces. Cell adhesion studies showed less adhesion on DLC-PDMS-h surfaces than on DLC or titanium surfaces and some of the cells even underwent programmed cell death caused by lack or loss of adhesion. Osteogenic differentiation study on DLC-PDMS-h surface showed impaired or delayed osteogenesis. Cytocompatibility and cytotoxicity tests proved that DLC-PTFE-h and DLC-PDMS-h coatings are biocompatible. In summary, these studies suggest that DLC-PTFE-h coatings could be used in medical applications where bone integration would be preferred while DLC-PDMS-h coating in orthopedic applications where an implant or implant-facet should be protected against bone overgrowth. Tieteellinen Tutkimus ORTONin tiloissa toimivassa timanttityhmässä kehitetyllä menetelmällä pystytään valmistamaan timantinkaltaisia hiilipinnoitteita (timanttipinnoitteita). Timanttiryhmässä timanttipinnoitteita on tutkittu jo 80-luvun puolivälistä lähtien. Suurimpana esteenä timanttipinnoitteiden käytännön sovellutuksille on ollut korkealaatuisten pinnoitteiden suuri sisäinen jännitys ja siitä aiheutuneet paksujen pinnoitteiden kiinnipysyvyysongelmat. Nyt pinnoitusmenetelmää on kehitetty niin että on mahdollista valmistaa hyvälaatuisia timanttipinnoitteita, jotka ovat paksuja (useita kymmeniä mikrometrejä) ja joilla on hyvä adheesio eli kiinnipysyvyys alustaansa. Väitöskirjatyössä esitetään miten pinnoitusprosessia voidaan vielä yksinkertaistaa hyvälaatuisten pinnoitteiden valmistusprosessissa. Nykyisin kehittämällämme pinnoitusmenetelmällä voidaan timanttipinnoitteeseen myös yhdistää polymeeripohjaisia muoveja. Yhdistämällä timantin kovuus ja halutut polymeerien ominaisuudet olemme luoneet mielenkiintoisia uusia materiaaleja. Tällä hetkellä olemme kokeilleet polytetrafluoroetyleenia (teflon) tai polydimetyylisiloksaania (silikoni) niiden likaa hylkivien ominaisuuksien johdosta. Ryhmässä tuotettuja DLC-PTFE-h (timantti-teflon hybridi) sekä DLC-PDMS-h (timantti-silikoni hybridi) pinnoitteita ei valmisteta vielä missään muualla maailmassa. Väitöskirjan tavoitteena oli tutkia timantti sekä timantti-muovihybridi -pinnoitteiden biovastetta selvittäen että voitaisiinko kyseisiä pintoja hyödyntää lääketieteellisissä sovellutuksissa esim. mikrobeja hylkivinä pintoina. Väitöskirjatyössä tehdyt tutkimukset osoittivat uusien timantti-muovi -hybridipinnoitteiden olevan bioyhteensopivia sekä niiden kyvyn estää bakteerien tai solujen kiinnittymistä kyseisille pinnoille. Erityisesti solujen kasvatus ja kantasolujen erikoistumiskokeissa (luusoluiksi) havaittiin DLC-PDMS-h pinnoitteen erinomainen kyky vastustaa solujen kiinnittymistä sekä luukudoksen muodostumista sen pinnalle. Lisäksi havaittiin DLC-PTFE-h pinnoitteeseen tarttuvan vähemmän bakteereita kuin titaani ja timanttipinnalle sekä sen olevan erinomainen kasvualusta luusoluille. Väitöskirjatyössä selvitettiin myös että pinnoittamalla timantilla yleisesti tunnettu (ja käytetty) biomateriaali kirurginen teräs (AISI 316L) ei vähennä materiaalin kykyä vastustaa bakteerien tarttumista pinnalle eikä näin myöskään altista potilasta bakteeri-infektioille sen enempää kuin kirurginen teräs.

This work describes the thermoresponsive transition in polystyrene-block-poly(N-isopropylacrylamide)-block-polystyrene (PS-block-PNIPAM-block-PS) triblock copolymer hydrogels, as observed by both direct and reciprocal space in-situ characterization. The hydrogel morphology was studied in both the dry and wet state, at temperatures below and beyond the coil−globule transition of PNIPAM, using vitrified ice cryo-transmission electron microscopy (cryo-TEM), in-situ freeze-drying technique, and small-angle X-ray scattering (SAXS). The selected PS-block-PNIPAM-block-PS triblock copolymers were intentionally designed in such a molecular architecture to self-assemble into spherical and bicontinuous morphology with the poly(N-isopropylacrylamide) forming the continuous matrix. The phase behavior in bulk was directly investigated by SAXS as a function of temperature, while free-standing polymer thin films of samples quenched from different temperatures, allowed observing by cryo-TEM the changes in hydrogel microstructure. Finally, sublimation of water via controlled freeze-drying in the TEM column allowed studying systems without the presence of vitrified water, which enables direct imaging of the densely connected physically cross-linked polymer network. By combining these techniques on samples exhibiting both spherical and gyroidal morphologies, it was demonstrated that (i) PNIPAM form physically connected networks in spherical structures and bicontinuous morphologies in the gyroidal phase, (ii) in PNIPAM chains strands are strongly stretched above the polymer coil-to-globule transition, and (iii) surprisingly, upon the gel swelling process, the PS domains undergo extensive plastic deformation although temperature is always maintained well below the PS glass transition bulk temperature. The possible physical mechanisms responsible for this plastic deformation can be understood in terms of the dependence of PS glass transition temperature on the size of nanometer-scaled domains.

In the novel diamond-like carbon polymer hybrid (DLC-p-h) coatings, the useful properties of diamond-like carbon (DLC) and a chosen polymer can be combined. So far two unique biomaterials, diamond-like carbon polytetrafluoroethylene hybrid (DLC-PTFE-h) and diamond-like carbon polydimethylsiloxane hybrid (DLC-PDMS-h) with dirt-repelling hydrophobic and oleophobic properties have been developed. These novel coatings were studied in this thesis. The Diamond Group at the ORTON Research Institute have produced novel biomaterial coatings with the in-house developed Filtered Pulsed Arc Discharge (FPAD)-method. The FPAD method enables the production of thick (>200 µm), high quality (> 80% diamond sp3 bonds) DLC coatings with properties needed in high-load bearing applications such as the Total Hip Arthroplasty (THA). Bacterial adhesion is the initial step in the prosthetic joint infection (PJI) and leads to biofilm formation and the establishment of a full-scale deep biofilm infection. The main hypothesis was that some biomaterials, such as DLC and non-fouling DLC-PDMS-h and DLC-PTFE-h, could be more resistant to bacterial adhesion and biofilm formation than the conventional implant materials. To mimic conditions prevailing in the human body, serum incubations, and dynamic flow conditions are useful in the investigation of bacterial adhesion and biofilm formation in vitro. Under static conditions and in the presence of serum proteins, the DLC was more microbe-repellent than conventional biomaterials tantalum, titanium, and chromium and resisted the most the adhesion of S.aureus cells. In this study, it was also found that micropatterned surfaces are useful for quantitative evaluation of bacterial adhesion to biomaterials. Different sizes of microtextures enabled data collection regarding alignment of bacteria on sample surfaces. Under dynamic flow conditions, DLC and DLC-PTFE-h were as good as conventional biomaterials in their ability to inhibit adhesion of S.aureus and S.epidermidis. The DLC-PDMS-h bound significantly more S.aureus bacteria than DLC-PTFE-h and tantalum. Otherwise, the DLC-PDMS-h behaved similarly to the other materials tested. Biofilm formation was examined in the presence of serum. The DLC-PTFE-h was superior compared to all materials tested in its ability to resist biofilm formation. The DLC came out next in the ranking order and resisted biofilm formation soundly compared to conventional biomaterials and DLC-PDMS-h. The DLC-PDMS-h was similar to conventional materials in its ability to inhibit biofilm formation. Antimicrobial peptides (AMPs) are defense proteins of innate immunity found widely in plants, vertebrates, and non-vertebrates with multiple functions even beyond immunity. The cellular sources and expression of AMP human β-defensin-3 (hBD-3) in septic joint implant loosening were examined by immunohistochemistry and double immunofluorescence stainings of peri-implant tissue samples. hBD-3 was associated with monocyte/macrophage-like cells, fibroblast-like cells, and vascular endothelial cells. It was weakly present in foreign body giant cells and not found in neutrophils. The variable topological expression of hBD-3 in peri-implant tissues in septic implant loosening indicated local induction, as has been reported in the literature before. In summary, the three studies of this thesis suggest that DLC and DLC-PTFE-h coatings could inhibit bacterial adhesion and subsequent biofilm formation, thus preventing infections more efficiently than current implant biomaterials. The cellular sources of the antimicrobial peptide hBD-3 in peri-implant tissues in septic implant loosening are mainly macrophages and vascular endothelial cells. Lonkkanivelen pitkälle edennyttä nivelrikkoa sekä muita sairaustiloja hoidetaan lonkan tekonivelleikkauksella joka on yksi selkeimmin elämänlaatua parantavista kirurgisista toimenpiteistä. Ikääntyvien ihmisten määrän kasvaessa sekä leikkausindikaatioiden laajentuessa nuorempiin ja aktiivisempiin potilaisiin, implanttien tarve jatkuvasti lisääntyy. Vaikka nykyiset kirurgiset tekniikat sekä leikkaushygienian toteutus ovat pitkälle kehittyneet, tekonivelinfektioita esiintyy 0.5-1.2% ensimmäistä kertaa leikatuista ja uusintaleikkausten jälkeen useammin. Leikkauksen jälkeinen proteesi-infektio on edelleen merkittävä komplikaatio terveydenhuoltojärjestelmässä ja kyseiselle potilaalle luonnollisesti katastrofi johon liittyy huomattavaa kärsimystä, sairastavuutta ja jopa kuolleisuutta. Tekonivelinfektio vaatii usein pitkän antibioottihoidon sekä teknisesti vaativia uusintaleikkauksia parantuakseen. Uusintaleikkauksiin liittyy huomattavia kustannuksia ja pitkiä sairaalahoitojaksoja eikä lopputulos useinkaan vastaa odotuksia. Kasvava antibioottiresistenssi huomioon ottaen ehdotetaan, että optimaalinen tapa ehkäistä näitä infektioita olisi käyttää bakteerien adheesiota sekä biofilmin muodostumista hylkiviä implanttimateriaaleja sekä pinnoitteita. Timantinkaltaisen hiilen (DLC) ja polymeerien hyödylliset ominaisuudet voidaan yhdistää hiili-polymeeri-hybridipinnoitteissa (diamond-like carbon polymer hybrid eli DLC-p-h). Tähän mennessä on kehitetty kaksi ainutlaatuista timantti-muovi-hybridipinnoitemateriaalia: timantti-polytetrafluoroetyleeni-hybridipinnoite (DLC-PTFE-h) sekä timantti-polydimetyylisiloksaani-hybridipinnoite (DLC-PDMS-h). Edellisessä timantti on siis yhdistetty tefloniin ja jälkimmäisessä silikoniin. Näitä likaa, vettä sekä öljyä hylkiviä hybridipinnoitteita tutkittiin väitöskirjassa. Tieteellinen Tutkimus Ortonin Timanttiryhmä on valmistanut nämä uudet biomateriaalipinnoitteet itse kehittämällään kaaripurkausmenetelmällä. Kyseisellä menetelmällä valmistetaan myös paksuja sekä korkealaatuisia timantinkaltaisia hiilipinnoitteita (timanttipinnoitteita). Näitä timanttipinnoitteita voidaan käyttää sovelluksissa, joissa tarvitaan korkeaa kuormituskestävyyttä, kuten lonkan tekonivelissä. Proteesi-infektion ensimmäinen vaihe on bakteerien adheesio eli tarttuminen biomateriaalin pintaan. Tämä tapahtuu lähes välittömästi kun materiaali tuodaan nesteisen bakteeripitoiseen ympäristöön. Bakteeri adheesio johtaa biofilmin muodostumiseen ja mahdollistaa täysimittaisen syvän biofilmi-infektion kehittymisen. Väitöskirjan päähypoteesina oli, että jotkut biomaterialit, kuten DLC sekä DLC-PDMS-h ja DLC-PTFE-h, ovat vastustuskykyisempiä bakteerien adheesiolle ja biofilmin muodostumiselle verrattuna perinteisiin implanteissa käytettäviin biomateriaaleihin. Tutkittaessa bakteerien adheesiota sekä biofilmin muodostumista laboratorio-olosuhteissa (in vitro), on hyödyllistä käsitellä materiaalit ensin seerumilla sekä toteuttaa tutkimus virtaavassa nesteessä käyttäen dynaamista virtausmallinnusta. Nämä menetelmät vastaavat paremmin ihmiselimistössä vallitsevia olosuhteita (in vivo) jossa kudosnesteet harvoin ovat liikkumattomia ja biomateriaalit pinnoittuvat välittömästi seerumilla ennen ensimmäistä bakteerikontaktia. Väitöskirjatutkimuksessa todettiin että staattisissa olosuhteissa seerumikäsittelyn jälkeen DLC hylki mikrobeja paremmin kuin tavalliset biomateriaalit tantaali, titaani sekä kromi ja vastusti parhaiten Staphylococcus aureus bakteerin tarttumista biomateriaalipintaan. Tässä työssä nähtiin, että biomateriaalipinnan mikrokuviointi helpottaa bakteerien tarttumisen kvantitatiivista analyysia. Erikokoiset mikrokuviot mahdollistivat myös tiedon keruun liittyen bakteerien sijoittautumiseen näytepinnoilla. Dynaamisissa virtausolosuhteissa DLC ja DLC-PTFE-h estivät yhtä hyvin kuin tavalliset implanttimateriaalit S. aureus ja Staphyloccous epidermidis bakteerien tarttumista. DLC-PDMS-h:n pintaan tarttui merkittävästi enemmän S. aureus bakteereita kuin DLC-PTFE-h:n tai tantaalin pintaan. Muutoin se käyttäytyi kuten muut testatut materiaalit. Biofilmin muodostumista tutkittiin seerumin läsnä ollessa. DLC-PTFE-h vastusti näissä kokeissa selvästi parhaiten biofilmin muodostumista. Myös DLC vastusti biofilmin muodostumista hyvin verrattuna tavallisiin implanttimateriaaleihin sekä DLC-PDMS-h:n joiden pintaan biofilmi tarttui herkemmin. Antimikrobiset peptidit ovat luonnollisen immuniteetin puolustusmolekyylejä, joita esiintyy kasveissa, selkärankaisissa sekä ei-selkärankaisissa eliöissä. Näillä peptideillä on immuniteetin lisäksi muitakin tehtäviä. Ihmisen kudoksissa esiintyy human beta-defensin-3 (hBD-3) nimistä antimikrobista peptidiä. Tässä väitöskirjassa selvitettiin hBD-3:n tuotantoa septiseen nivelimplantin irtoamiseen liittyvissä kudosnäytteissä immunohistokemiallisia menetelmiä sekä kaksoisimmunofluoresenssi-värjäystä käyttäen. Tutkittavat kudosnäytteet oli otettu implanttia ympäröivästä kudoksesta potilailta, joilla oli diagnosoitu septinen nivelproteesin irtoaminen. hBD-3:a löydettiin monosyytti/makrofagi-tyyppisistä soluista, sidekudossoluista sekä verisuonten endoteelisoluista. Sitä oli heikosti nähtävissä vierasesinejättisoluissa eikä lainkaan neutrofiileissä. hBD-3:n vaihteleva topologinen esiintyminen tulehtunutta proteesia ympäröivässä kudoksessa viittaa paikalliseen eritykseen, mikä on linjassa aiemman kirjallisuuden kanssa. Kolme tämän väitöskirjan tutkimusta viittaavat, että DLC sekä DLC-PTFE-h pinnoitteet voivat estää bakteerien tarttumista ja sitä seuraavaa biofilmin muodostumista biomateriaalien pinnalla. Tällä tavoin nämä biomateriaalit ehkäisisivät infektiota tehokkaammin kuin nykyiset implanttimateriaalit. Antimikrobisen peptidin hBD-3:n solulähteet septisessä implantin irtoamisessa ovat pääosin proteesia ympäröivän kudoksen makrofagit sekä verisuonten endoteelisolut.