Wytwarzanie nowych scyntylatorów polimerowych na bazie poliwinylotoluenu do hybrydowego tomografu J-PET/MR
Development of novel plastic scintillators based on polyvinyltoluene for the hybrid J-PET/MR tomography
Anna Wieczorek
Streszczenie
W niniejszej pracy została przedstawiona charakterystyka nowatorskiego scyntylatora J-PET. Docelowo scyntylator zastosowany będzie w cyfrowej pozytonowej tomografii emisyjnej (PET). Innowacyjność scyntylatora polega na zastosowaniu
2-(4-styrylofenylo) benzoksazolu jako przesuwacza długości fali. Do tej pory ten związek chemiczny nie był stosowany jako dodatek scyntylacyjny.
Rolą przesuwacza długości fali jest przesunięcie widma emisji w kierunku dłuższych fal. 2-(4-styrylofenylo) benzoksazol zapewnia położenie maksimum widma emisji scyntylatora przy dłuższych falach niż znaczna większość dodatków komercyjnych. Dzięki temu możliwa jest efektywna detekcja światła scyntylacyjnego przez konwertery fotoelektryczne nowej generacji - fotopowielacze krzemowe. Są one coraz szerzej stosowane ze względu na wyższą wydajność kwantową w porównaniu do tradycyjnych fotopowielaczy próżniowych, są mniejsze oraz nie oddziałują z polem magnetycznym.
W niniejszej pracy została przedstawiona metoda wytwarzania nowatorskich scyntylatorów polimerowych oraz ich właściwości, a także metoda syntezy nowego przesuwacza długości fali. Scyntylatory J-PET są otrzymywane na drodze polimeryzacji w bloku winylotoluenu wraz z rozpuszczonymi w nim dodatkami scyntylacyjnymi. Metoda ta pozwala na otrzymanie homogenicznego polimeru o wystarczająco dużej masie cząsteczkowej, aby zapewnić maksymalną wydajność świetlną scyntylatora.
Zostało zoptymalizowane stężenie 2-(4-styrylofenylo)benzoksazolu umożliwiające osiągnięcie wysokiej wydajności świetlnej. Dla scyntylatorów o długości 2 cm, stężenie to jest równe 0.05 ‰ wagowych. Wydajność świetlna scyntylatora J-PET jest porównywalna
z wydajnością świetlną jednego z najlepszych scyntylatorów komercyjnych: BC-420 wyprodukowanego przez firmę Saint Gobain.
Widmo emisji scyntylatora J-PET jest poszerzone w stosunku do BC-420, przez co jest lepiej dopasowane do fotopowielaczy krzemowych. Kształt widma emisji nowatorskiego scyntylatora jest korzystny również biorąc pod uwagę współczynnik absorpcji, który maleje ze wzrostem długości fali. Czas narastania i zaniku impulsów świetlnych w nowatorskim scyntylatorze są porównywalne do parametrów charakteryzujących scyntylatory komercyjne.
Zostały przeprowadzone badania struktury scyntylatora J-PET za pomocą spektroskopii czasów życia pozytonów (Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy - PALS) oraz różnicowej kalorymetrii skaningowej (Differential Scanning Calorimetry - DSC). Przeprowadzono porównanie wyników badań otrzymanych za pomocą obydwu technik. Podsumowując, praca doktorska zawiera przegląd właściwości scyntylatorów J-PET z punktu widzenia ich zastosowania w hybrydowym skanerze J-PET/MR.
Abstract
A novel plastic scintillator, referred to as J-PET scintillator, has been developed for the application in the digital positron emission tomography (PET). The novelty of the concept lies in application of the 2-(4-styrylphenyl)benzoxazole as a wavelength shifter. To date, the chemical compound has not been used as scintillator additive.
A role of the wavelength shifter is to shift the scintillation spectrum towards longer wavelengths. The 2-(4-styrylphenyl)benzoxazole provides shifting towards larger wavelengths than in case of the vast majority of commercial additives. This makes the compound more suitable for applications in scintillators of long strips geometry because of larger attenuation length. Moreover, scintillators characterized by emission maximum shifted towards larger wavelength are more suitable for detectors based on new generation photoelectric converters, silicon photomultipliers. They are becoming more popular because of larger quantum efficiency in comparison to vacuum photomultipliers, smaller sizes and insensitivity to magnetic field.
In the thesis method of scintillators development and characterization of their properties are presented, as well as synthesis method of the novel wavelength shifter. J-PET scintillators are obtained during bulk polymerization of vinyltoluene with dissolved scintillation additives. Such polymerization technique provides homogeneity of the material and sufficiently high molecular mass of the polymer to maximize optical properties of the scintillator.
The optimal concentration of the novel wavelength shifter was established by maximizing the light output, and for 2 cm samples is equal to 0.05 wt. ‰ of
2-(4-styrylphenyl) benzoxazole. Light yield of the developed scintillator is similar to light yield of state-of-the-art BC-420 plastic scintillator, manufactured by Saint-Gobain.
Emission spectrum of novel scintillators is broaden and better adjusted to silicon photomultipliers in comparison to BC-420. The shape of J-PET emission spectrum is favorable also from the point of view of the absorption coefficient, which decreases with increasing wavelength. Rise and decay times of the novel scintillator are comparable with corresponding parameters of commercial scintillators.
Studies of novel scintillators structure were carried out with Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy (PALS) and Differential Scanning Calorimetry (DSC). Results obtained with the two techniques are discussed and compared.
In the thesis properties of the novel J-PET scintillator in view of application in hybrid J-PET/MR tomograph are presented.
Struktura i odwrotny efekt magnetokaloryczny w stopach Heuslera Ni-Co-Mn-Sn-Me (Me = Fe, Cu, Si)
Structure and inverse magnetocaloric effect in Ni-Co-Mn-Sn-Me (Me=Fe, Cu, Si)
Anna Wójcik
Streszczenie
Przedmiotem badań rozprawy doktorskiej jest charakterystyka struktury krystalicznej i wielkości odwrotnego efektu magnetokalorycznego w stopach Heuslera Ni-Co-Mn-Sn-Me (Me=Fe, Cu, Si). Trójskładnikowe stopy Heuslera Ni-Mn-Sn cieszą się dużym zainteresowaniem ze względu na możliwości aplikacyjne jako sensory, siłowniki oraz elementy chłodzące w lodówkach. Ich właściwości związane są z występowaniem odwracalnej przemiany martenzytycznej z ferromagnetycznej fazy austenitu (macierzystej) o wysokiej symetrii do martenzytu wykazującego słabe właściwości magnetyczne i niską symetrię. Możliwości aplikacyjne są ściśle związane z wielkością różnicy namagnesowania pomiędzy fazą macierzystą a martenzytyczną i temperaturą przemiany martenzytycznej. Niniejsza rozprawa doktorska opisuje wpływ zarówno zmiany składu chemicznego (dodatku Fe, Cu, Si) oraz metody otrzymywania (odlewanie konwencjonalne oraz odlewanie na wirujący walec ang. melt-spinning) na mikrostrukturę, strukturę krystaliczną, temperaturę przemiany martenzytycznej i magnetycznej oraz wielkość odwrotnego efektu magnetokalorycznego. Otrzymane materiały były charakteryzowane z wykorzystaniem szeregu technik badawczych. Obserwacje mikrostrukturalne były prowadzone z wykorzystaniem mikroskopii optycznej oraz elektronowej. Struktura krystaliczna stopów została zbadana za pomocą dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego. Temperatury przemian martenzytycznej i magnetycznej zostały wyznaczone na podstawie pomiarów różnicowej kalorymetrii skaningowej oraz magnetometrii z wirującą próbką. Wartości zmiany entropii magnetycznej oraz pojemności cieplnej, opisujące wielkość odwrotnego efektu magnetokalorycznego były obliczone na podstawie badań magnetycznych.
Otrzymane wyniki pokazują, ze dodatek piątego składnika do czteroskładnikowego stopu Ni-Co-Mn-Sn silnie wpływa na strukturę i odwrotny efekt magnetokaloryczny. Zastąpienie atomów Ni przez atomy Cu wzmacnia efekt magnetokaloryczny oraz przesuwa przemianę martenzytyczna w stronę temperatury pokojowej. Dodatek krzemu w miejsce Sn powoduje zwiększenie wartości zmiany entropii magnetycznej przy jednoczesnym wzroście temperatur przemiany martenzytycznej. Podstawienie atomów Fe w miejsce Ni wpływa niekorzystnie zarówno na wartości efektu magnetokalorycznego, jak również silnie obniża temperaturę przemiany martenzytycznej. Co więcej, wielkości charakteryzujące efekt magnetokaloryczny są znacznie wyższe w przypadku stopów otrzymywanych w procesie odlewania konwencjonalnego niż taśm. Ponadto, temperatura przemiany martenzytycznej jest wyższa dla stopów w postaci litej w porównaniu z szybkochłodzonymi taśmami, co jest związane z rozdrobnieniem ziarna oraz nieprężeniami wprowadzonymi podczas procesu odlewania na wirujący walec. Taśmy charakteryzują się jednakże większą jednorodnością chemiczną niż próbki masywne. Dodatkowo, kształt i wielkość taśm są korzystne dla zastosowań jako materiały chłodzące, gdyż zwiększa to wymianę ciepła pomiędzy materiałem magnetokalorycznym a czynnikiem chłodzącym.
Podsumowując, dodatek niewielkiej ilości piątego składnika do stopów czteroskładnikowych Ni-Co-Mn-Sn oraz dobór techniki otrzymywania silnie wpływa na właściwości magnetyczne i strukturalne, zwiększając efekt magnetokaloryczny.
Abstract
The present work investigates structure and inverse magnetocaloric effect in Ni-Co-Mn-Sn-Me (Me=Fe, Cu, Si) Heusler alloys. Ni-Mn-Sn-based Heusler alloys have attracted much attention as multifunctional materials. Their unique properties are related to the occurrence of martensitic transformation accompanied by large magnetization change. The potential applications are strongly dependent on temperature of the martensitic transformation and the value of magnetization change between austenite and martensite phases. Here, the influence of both the chemical composition modification (replacement of Ni by Fe, and Cu, and Si for Sn) and the fabrication method (conventional casting and melt-spinning processes) on microstructure, structure, martensitic transformation temperature and the value of inverse magnetocaloric effect have been examined. Alloys were characterized by means of several techniques. The microstructural observations were performed by light and electron microscopy. Structure of alloys were investigated by X-ray diffraction. Characteristic temperatures of both martensitic and magnetic transitions were estimated by means of differential scanning calorimetry and vibrating sample magnetometry. The values of magnetic entropy change and refrigerant capacity, which describe the magnitude of inverse magnetocaloric effect were calculated using magnetic measurements.
The results shows that the addition of fifth element into quaternary Ni-Co-Mn-Sn alloys strongly affects the structure and inverse magnetocaloric effect. The substitution of Ni by Cu enhances both magnetic entropy change and refrigerant capacity while shifting martensitic transformation temperature close to room temperature. The Si addition leads to an increase of magnetocaloric properties, whereas martensitic transformation is shifted to higher temperatures. Fe doping strongly decreases martensitic transformation temperature and significantly reduces magnetic entropy change. Moreover, the magnitudes of inverse magnetocaloric effect for alloys with the same compositions are higher for bulks than ribbons. Furthermore, martensitic transformation temperatures are lower for ribbons with regard to bulks, which is related to the grain size refinement and higher internal stresses introduced during melt-spinning process. Ribbons are characterized by higher chemical homogeneity than bulks. Additionally, the shape of ribbons is favorable for refrigerant applications, as it improves the heat exchange between caloric material and sinks.
One can conclude that small addition of the fifth element as well as fabrication method strongly influences the magnetic properties and the structural behavior, whereby enhancing magnetocaloric properties important for applications.
Recenzja - prof. A. Kolano-Burian
Morfologia i struktura geometryczna agregatów molekularnych pod względem zastosowań w ogniwach słonecznych
Morphology and geometry structure of molecular clusters relevant for dye sensitized solar cells applications
Łukasz Zając
Streszczenie
Barwnikowe ogniwa słoneczne (Dye sensitized solar cells - DSSC) są intensywnie badane ze względu na ich niski koszt oraz łatwość produkcji w stosunku do konkurencyjnych technologii. Za udoskonalaniem DSSC stoi zrozumienie oraz wyjaśnienie oddziaływań pomiędzy poszczególnymi komponentami urządzenia. Najważniejszym elementem ogniwa słonecznego jest warstwa dwutlenku tytanu, na której zaadsorbowane są molekuły odpowiedzialne za absorpcję światła słonecznego. Sposób adsorpcji pojedynczych molekuł i ich samoorganizacja ma kluczowy wpływ na iniekcję elektronu do pasma przewodnictwa dwutlenku tytanu, determinując tym samym końcową efektywność urządzenia. Zadaniem, które zostało postawione podczas przygotowania pracy doktorskiej było zbadanie przy użyciu skaningowej mikroskopii tunelowej morfologii struktur molekularnych tworzących się podczas nanoszenia molekuł organicznych z rodziny porfiryn i ftalocyjanin na powierzchniach rutylu TiO2(110) oraz TiO2(011)-2x1. Głównym celem jest przeanalizowanie wpływu obecności grupy COOH na adsorpcję i rodzaj tworzonych nanostruktur oraz określenie wpływu atomu metalu w strukturze molekularnej na morfologię wysp molekularnych.
Eksperyment przeprowadzony na powierzchni (110) dostarcza informacji o kotwiczącej roli grupy karboksylowej. Przy niskim pokryciu, tylko molekuły COOH-ZnTPP mogły zostać zobrazowane przy pomocy STM. Molekuły adsorbują na powierzchni płasko, dzieląc się na mobilne dyfundujące wzdłuż rzędów rekonstrukcji i stabilne, które są wycentrowane nad rzędem tytanu w orientacji krzyża. W przypadku molekuł ZnTPP nie zaobserwowano stabilnych molekuł, dlatego też możemy przypisać grupie karboksylowej rolę w stabilizacji pojedynczych molekuł. Na poziomie monowarstwy obydwa rodzaje porfiryn organizują się w stabilne wyspy, których rombowe komórki elementarne nieznacznie różnią się wymiarami.
Wpływ grupy karboksylowej jest również widoczny na powierzchni dwutlenku tytanu (011)-(2x1). Przy niskim stopniu pokrycia, obydwa rodzaje porfiryn pozostają na powierzchni płaskie, jednak molekuły COOH-ZnTPP cechują się zdecydowanie większą stabilnością. Duży wpływ grupy karboksylowej ujawnia się przy większych pokryciach. Molekuły COOH-ZnTPP zaczynają tworzyć jednowymiarowe struktury wzdłuż rzędów rekonstrukcji.
Eksperymenty na układach heteroorganicznych wykazały, że buforowa warstwa ZnTPP zapewnia dobre warunki dla dalszego wzrostu warstw ftalocyjanin. Pomiary STM wykazują, że wygrzanie molekuł CuPc prowadzi do powstania dobrze zorganizowanych wysp, w których ftalocyjaniny przyjmują orientację pionową względem powierzchni.
Abstract
The adsorption of organic molecules on semiconductors is a promising approach for the development of nanoscale devices. Physical and chemical properties of molecular assemblies depend on the geometric structure of the adsorbed molecules. One of the most interesting families of molecules are metalloporphyrins, which have been proven to be promising candidates for light harvesting building blocks in photovoltaic cells.
The PhD dissertation is focused on the the adsorption of dye molecules on titania surfaces. The studies were carried out on the molecules which can be used in dye sensitized solar cells (DSSC). The main aim is to examine the ability to create the molecular nanostructures, such as self-organizing layers and one-dimensional structure by organic molecules from the family of porphyrins and pthalocyanines on rutile TiO2(110) and TiO2(011)-(2x1) surfaces. The experiment was performed in an ultrahigh vacuum system by using the scanning tunneling microscopy. The main goal is to analyze the influence of the presence of the COOH groups on the adsorption and to determine the effect of the metal atom in the molecular structure on the morphology of the molecular islands.
The studies indicate that at submonolayer coverage only carboxyl (COOH) substituted Zn-pophyrins could be imaged on the TiO2(110) surface using room temperature STM. These molecules adsorb in a planar configuration and could be divided into two groups: immobilized, centered over Ti rows in a tilted cross geometry and mobile, which are moving along surface rows. The lack of any stable not substituted molecules indicates that the COOH group plays a crucial role in the single molecule immobilization. At a monolayer coverage both species form stable islands with planar oriented molecules and rhomboid unit cells characterized by slightly different dimensions.
Adsorption of a Zn-porphyrin functionalized with a carboxylic anchoring (COOH-ZnTPP) was studied on the titania (011)-2×1 surface and compared with the adsorption of the molecules lacking such a group (ZnTPP). It was found that at low coverage for both types of molecules only a part of them is stabilized in flat geometry; however, for the COOH-ZnTPP such species are more abundant and stable. At higher coverage: ZnTPP remain flat, while COOH-ZnTPP form linear structures stabilized by π-π interaction in which the molecular boards are no longer parallel to the surface.
The application of ZnTPP molecules to form a wetting layer on the TiO2(011) surface provides good support for further growth of CuPc overlayers. Room temperature STM measurements demonstrated that annealing of the system after CuPc molecule deposition leads to the formation of ordered islands built from upright CuPc molecules.
Biomimetyczne powłoki na bazie węgla aktywujące komórki macierzyste z krwi w warunkach dynamicznych
Biomimetic carbon based coatings which activate stem cells in dynamic conditions
Klaudia Trembecka - Wójciga
Streszczenie
Postęp w dziedzinie inżynierii biomedycznej możliwy jest dzięki efektywnemu połączeniu nauki o materiałach z biologią komórki. Komórki macierzyste są zdolne do samodzielnego odnawiania i posiadają wysoki potencjał różnicowania do innych typów. Każda komórka macierzysta jest zdolna do namnażania, samoodnowy i różnicowania przez podziały, które są asymetryczne [Matthias 2009; Blau 2008]. Prowadzi to do powstania dwóch typów pochodnych komórek, które różnią się od siebie. Jednym z nich jest taka sama, jak oryginalna komórka macierzysta, podczas gdy druga przechodzi do bardziej dojrzałych form. Każda komórka, która rośnie i dojrzewa, ma swoją własną niszę, która stanowi strukturę przestrzenną bogatą w substancję pozakomórkową, tworząc mikrośrodowisko, które utrzymuje komórki i nadaje sygnały do proliferacji, dojrzewania i samoodnowy. Nisza macierzysta jest to funkcjonalna struktura anatomiczna zawierająca składniki komórkowe i pozakomórkowe, które regularnie proliferują i różnicują, wpływając na przeżywalność i lokalizację [Scadden 2006; Jones 2008; Fuchs 2004]. W 1978 roku Schofield zaproponował koncepcję "niszy komórek macierzystych w badaniach" na krwiotwórczych komórkach macierzystych (ang. Hematopoetic Stem Cells - HSC) [Schofield 1978]. Hipotezę tę potwierdziło wiele badań. Dowody in vivo występowania niszy komórek macierzystych, po raz pierwszy przedstawiono w badaniach przy użyciu modelu bezkręgowców [Nie 2010], dla komórek macierzystych generatywnych Drosophila [King 1999; Xie 2000]. U ssaków, nisze komórek macierzystych zidentyfikowano w różnych tkankach np. w szpiku kostnym, mózgu, jelitach, mieszkach włosowych i zębach [Tumbar 2004; Yen 2006; Conover 2008; Mitsiadis 2007; Ohshima 2005; Wilson 2006]. Teoretycznie, nisza komórek macierzystych jest złożona z samych komórek macierzystych, wsparta komórkami podścieliska oraz dodatkowo białkami macierzy komórkowej, naczyniami krwionośnymi i wejściami neuronowymi. Oddziaływanie biomateriału z komórkami macierzystymi jest opisane w literaturze [Chai 2007; Saha 2007; Hwang 2008; Dawson 2008; Dellatore 2008; Evans 2006]. Rusztowania są wykonane z odpowiednich materiałów biokompatybilnych, które umożliwiają rozpad i absorpcję w organizmie [Blau 2008].
Modyfikacja powierzchni polimerów przez zastosowanie cienkich warstw pozwala tworzyć nowe materiały funkcjonalne przy zachowaniu, lub przy nieznacznie zmienionych właściwościach fizycznych polimeru [Laha 2004; Thornton 1977; Lackner 2005; MoDeSt 2016]. Zmniejszenie całkowitej energii odkształcenia w warstwach poddawanych siłom ściskającym objawia się w postaci tak zwanych fałd powierzchniowych. Sugerowane wyjaśnienie tego typu zjawisk dotyczy wpływu wspólnego odkształcenia powierzchni podłoża i warstwy [Lackner 2006]. Fałdowanie opisane jest jako sinusoidalny twór wzniesień na powierzchni, bez utraty przyczepności do podłoża, a powodem fałdowania osadzonej warstwy jest brak stabilności mechanicznej. Zarówno w warstwie bazowej jak i w podłożu występują naprężenia własne dwuosiowe. Wynikiem relaksacji naprężeń ściskających jest tworzenie struktury falistej na powierzchni [Lackner 2006; Mylvaganam 2003; Lackner 2010]. Struktura warstw z regulowanym układem fałd prowadzi do relaksacji naprężeń w procesie kompensacji odkształceń. Wartości naprężeń własnych zależą od wartości modułu Younga podłoża. Najbardziej widoczne skutki występowania naprężeń w powłokach są dla materiałów o najniższych wartościach modułu sprężystości [Mylvaganam 2003]. Kolejny aspekt dotyczy wpływu sztywności podłoża na różnicowanie komórkowe. Wykryto, że określony rodzaj komórek macierzystych szczególnie intensywnie reagował na podłoże sztywne, bardziej niż na miękkie [Evans 2009].
Niniejsza praca dotyczy nowatorskiego podejścia do modyfikacji powierzchni z wykorzystaniem zaawansowanych metod inżynierii materiałowej i biomedycznej funkcjonalizacji powierzchni. Podłożem bazowym były klinicznie stosowane polimery, głównie wykorzystywane w układach wspomagania serca. Modyfikacja powierzchni miała doprowadzić do efektywnego różnicowania progenitorowych komórek hematopoetycznych poprzez odpowiednie ukształtowanie morfologii powierzchni i sztywności materiału. Komórki progenitorowe miały ulec samoróżnicowaniu do śródbłonka, który efektywnie hamowałby procesy wykrzepiania. Podjęta problematyka naukowa ma szczególne znaczenie w aspekcie projektowania i rozwijania nowych materiałów dedykowanych do regeneracji układu krążenia. Szczególną uwagę zwrócono na opracowanie nowych rozwiązań dla aktywacji komórek progenitorowych, ich przechwytywania i następnie różnicowania. Praca wpisuje się w problematykę związaną z rozwojem nowej generacji funkcjonalnych biomateriałów.
W organizmie, spoczynkowe komórki macierzyste znajdują się w specjalnych niszach, a poprzez modyfikację powierzchni, mogą być utrzymane w stanie wolno dzielących się komórek, który zapewnia stałość środowiska wewnętrznego. Ogólna idea polega na naśladowaniu struktury i funkcji tkanki. Odpowiednia sztywność powierzchni i mikrostruktura powłoki może doprowadzić do różnicowania komórek macierzystych w kierunku komórek śródbłonka, mając na celu skuteczne hamowanie procesów wykrzepiania w bezpośrednim kontakcie z przepływającą krwią.
Biomateriały wielofunkcyjne, dedykowane do przechwytywania komórek macierzystych są postrzegane jako perspektywiczne materiały do zastosowania w medycynie regeneracyjnej [Yen 2006].
Abstract
Integration of biomaterial-tissue is a matter of reconstruction of damaged blood vessels. Endothelial dysfunction is a hallmark of many vascular diseases and often leads to serious consequences such as heart attack. The novelty of the work is based on the reconstruction of endothelial monolayers on the surface of biomaterials from stem cells, which, as a result of metal contact, undergo controlled differentiation, and consequently form endothelial monolayers.
The result of this work was a functional surface that facilitates reconstitution of the natural layer of normal endothelial tissue which inhibits the coagulation process. Based on the construction and properties of cellular niches, which are the natural environment of stem cells, attempts have been made to reconstruct them using appropriate microstructure and topography of the surface, based on surface interference lithography methods. Ultra-thin coatings based on amorphous carbon and diamond-like carbon deposited by physical vapor deposition (PVD) were designed and manufactured. The composition of the coatings was dictated by the high properties of hemocompatible carbon coatings and their low toxicity. Corrugated structures were obtained by controlling the amount of internal stresses in the coating as well as by mechanical deformation of the substrate prior to the application of the coatings.
The dissertation was divided into two stages. In the frame of the first stage the optimization of dedicated coatings for components subjected to high shear loads was made. These coatings will apply to the elements of the ventricles of the heart assist system. The coatings on the smooth substrates shown very good adhesion, which confirmed the scratch tests. Analysis of the adhesion force of the morphotic elements (erythrocytes, platelets) to the surface was performed based on the radial flow chamber. This tester made it possible to evaluate the impact of shear stress on the processes of leaching cells that were chewed to the surface. The materials prepared in the first stage were structured, allowing preliminary analyzes of the differentiation of progenitor cells towards the endothelium.
Periodic structures in a form of wells obtained by ablation of the surface layer of the materials by means of a laser beam shown a high potential for forming endothelial monolayers from HUVEC. Cells have the correct morphology, take the shape of the so-called "Cobblestones", a characteristic form of a full monolayer of the endothelium. The second stage involved the formation of irregular folded structures obtained by modifying the clinically used polyurethane substrates with ultra-thin carbon-based coatings. Analysis of the microstructure with TEM confirmed the presence of folds on the micrometer scale, while AFM analysis allowed the topography to be evaluated on both micro and nanometer scale. On the basis of the results obtained, a greater proportion of nanometer-like folds for diamond-like coatings (DLC) was observed compared to amorphous carbon (a-C: H), which may have a stronger effect on adhesion surfaces, thereby affecting cell adhesion strength.
Materials could be applied to items dedicated to direct contact with blood. The blood-material interaction analysis showed high haemostatic properties. The blood-material impact assessment was done on the basis of dynamic tests. The results show very good properties of amorphous carbon based materials in contact with blood. Final selection of the coating was made by comparing the amount of apoptotic microparticles formed as a function of platelet consumption.
In the study, new materials for coating the surface of cardiac implants used in forced blood circulatory systems, including design, optimization and testing of relevant parameters, were subjected to analysis. The subject matter of the work was dictated by the need for new materials for these devices that show improved interaction with the blood.
The work presents an innovative concept of surface modification based on thin pleated coatings with high hemomorphic properties, modified in the direction of structures that function as stem cell niches. By reconstructing physiological structures and tissue functions, the role of niche environments has been defined. Correctly shaped surfaces obtained by physical vapor deposition have affected the degree of cell differentiation and the efficiency of endothelial monolayer formation which is a direct inhibitor of the activation and coagulation processes. Ultra-thin folded coatings exhibited high potential for controlled differentiation of progenitor cells.
The validity of the hypothesis has proved that plasmatic surface modification methods generate a controlled share of residual stress and affect the formation of nano-folded topography, creating a structure similar to cell niches, capturing stem cells from blood flow and affecting their proper differentiation. Based on the research carried out, the conclusions were drawn:
• Flat varnishes can work in hydrodynamic conditions at high shear rates. This property is the basis of this type of object for the vortex components of the heart-assisted ventricle.
• Coatings derived from anodic radiation sources have an appropriate surface in the form of micro and nano metric folds. Through topography material can control inducible progenitor cells. This is the influence of micro and nano-topography as well as phase composition and material microstructure.
• The plasticity of stem cells has allowed reconstruction of the endothelium on the surface. This has the same effect as the situation of the natural blood vessel, effectively inhibiting the coagulation process.
Charakterystyka mikrostrukturalna i kinetyczna zjawisk zachodzących na powierzchni połączenia platerów wytwarzanych z użyciem energii wybuchu.
Microstructural and kinetic characterization of the phenomena occurring at the clads' interfaces manufactured by explosive welding
Dagmara M. Fronczek
Streszczenie
Rozprawa doktorska opisuje mikrostrukturę oraz wybrane właściwości mechaniczne połączeń dwóch par stopów lekkich: stopu aluminium (A1050) ze stopem tytanu (Ti gr. 2) i stopu aluminium (A1050) ze stopem magnezu (AZ31) uzyskanych technologią zgrzewania wybuchowego. Na materiałach dwu- lub trójwarstwowych, powstałych w jednym akcie zderzenia, przeprowadzono badania pozwalające na szczegółowy opis zjawisk w obrębie połączeń i wykazanie ewentualnych różnic powstałych na granicach rozdziału w zależności od położenia w stosunku do umiejscowienia materiałów wybuchowych. Eksperymenty wyżarzania próbek przeprowadzone w różnych warunkach temperatury, czasu czy atmosfery miały na celu wzbogacenie istniejącej wiedzy na temat mechanizmu i szybkości wzrostu faz międzymetalicznych na granicy łączonych platerów. Ma to ogromne znaczenie aplikacyjne podczas produkcji kompozytów składających się z naprzemiennie ułożonych warstw metalu i faz międzymetalicznych. Wielowarstwowe kompozyty Al/AlxTiy/Ti, charakteryzujące się wysoką twardością, mogą być z powodzeniem stosowane jako tarcze balistyczne. Z drugiej strony stopy magnezu wykazujące ekranowanie zakłóceń elektromagnetycznych oraz absorpcję wibracji, osłonięte z obu stron stopami aluminium, mogą być wykorzystane jako elementy w samolotach czy pojazdach bojowych.
Uzyskane wyniki wykazały, że położenie granicy rozdziału w odniesieniu do umiejscowienia materiałów wybuchowych ma znaczący wpływ na ich morfologię i skład chemiczny. Bliżej materiału wybuchowego panują uprzywilejowane warunki do tworzenia faz międzymetalicznych, które w przypadku Ti gr. 2/A1050 przyjmują różną morfologię. Natomiast, w próbkach połączeń A1050/AZ31 walcowanych na gorąco po zgrzewaniu wybuchowym, obserwowano warstwy faz międzymetalicznych tworzące struktury segmentowe.
Obliczenia kinetyki wzrostu faz międzymetalicznych potwierdziły, że fazy charakteryzują się różnymi prędkościami wzrostu w odniesieniu do lokalizacji granicy połączenia i stosowanej temperatury wyżarzania. Formowanie się ciągłej warstwy międzymetalicznej było uprzywilejowane na połączeniach usytuowanych bliżej materiału wybuchowego. Ponadto wyższe temperatury sprzyjały powstawaniu szerszych warstw, ale o znacznie gorszej jakości - wykryto w nich więcej pęknięć lub porów. W eksperymentach z zastosowaniem różnych atmosfer (argon, powietrze, próżnia), w których przeprowadzono wyżarzanie, zaobserwowano istotny wpływ argonu na szybkość wzrostu fazy TiAl3. Ponadto zastosowanie zewnętrznego równoosiowego docisku istotnie zmniejszyło wzrost zwartejwarstwy TiAl3 i spowodowało pojawienie się dodatkowej strefy dyfuzji złożonej z różnych związków międzymetalicznych.
Abstract
The present work was focused on detailed description of the two pairs of light alloys: aluminum alloy (A1050) joined with titanium alloy (Ti gr. 2) and aluminum alloy (A1050) joined with magnesium alloy (AZ31) by explosive welding (EXW). They were produced either as two- or three-layered set-ups by a single shot. The experiments and their analysis were planned to described in detailed microstructure and texture of the interface and expose any differences arising at the interfaces with respect to their location (placement from the explosive material), which has been so far barely discussed in the literature. The annealing experiments performed at various conditions after EXW process were conducted in both analyzed cases in order to enrich the existing knowledge on the growth of the intermetallic phases. This may find potential application in the production of metallic-intermetallic laminate composites. The multi-layered composites of Al/AlxMgy/Mg and Al/AlxTiy/Ti, characterized by high hardness and light weight, can be successfully used in advanced engineering applications as ballistic shields protecting against armour piercing projectiles. Furthermore, materials composed of magnesium alloys exhibit electromagnetic interference shielding as well as vibration absorption what makes them highly desirable for the military industry as part of combat airplanes or vehicles.
The results demonstrated that the interface position with respect to the explosives has an influence on their phase composition. Upper interfaces are privileged for the intermetallics formation, because of more drastic conditions during EXW. Various structures such as intensively mixed bulges, peninsula- or island-like structures with swirled intermetallics were observed in the state directly after explosive welding. In aluminum-magnesium samples, additionally hot rolled after EXW, the segmented structures were observed.
The intermetallics growth kinetics calculation confirmed that intermetallics were characterized by different growth velocities with respect to the interface location and applied temperature. The intermetallic layers development was privileged at the upper interfaces. At higher temperatures the formation of wider layers takes place, but of significantly lower quality - more cracks or pores were detected. Moreover, a detrimental influence of argon on TiAl3 phase was observed. Furthermore, the additional external compression significantly decreased the compact and dense TiAl3 phase growth, however, additional diffusion zone composed of various intermetallics was obtained.
Więcej artykułów…
Strona 8 z 12
<< Początek < Poprzednia 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Następna > Ostatnie >>