Η συγκεκριμένη εργασία πραγματεύεται μία διδακτική προσέγγιση του φαινομένου της διάλυσης λευκών στερεών ουσιών σε δύο διαφορετικούς διαφανείς διαλύτες. Σαφέστερα, σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη της ενδεχόμενης εννοιολογικής αλλαγής στη σκέψη παιδιών προσχολικής ηλικίας αναφορικά με το εν λόγω φαινόμενο μετά την υλοποίηση ενός εκπαιδευτικού προγράμματος. Τα αποτελέσματα της έρευνας έδειξαν ότι οι μαθητές προσχολικής ηλικίας μετά την εφαρμογή του εκπαιδευτικού προγράμματος είναι σε θέση να συγκροτήσουν συλλογισμούς συμβατούς με το σχολικό μοντέλο για το φαινόμενο της διάλυσης στερεών ουσιών σε υγρούς διαλύτες. / This paper deals with a teaching approach about the phenomenon of dissolution of white solids in two different transparent solvents. The aim of this paper is the study of the possible conceptual change in preschool children's thinking about this phenomenon after the implementation of an educational program. The results showed that preschool students are able to compose reasoning compatible with the school model about the effect of the dissolution of solids in liquid solvents after the implementation of the educational program.

Σημαντικός αριθμός μνημείων και έργων τέχνης είναι κατασκευασμένα από πέτρα, μάρμαρο κατά πρώτο λόγο, και έπειτα από ασβεστόλιθο και από άλλα πυριτικά υλικά. Η παρούσα εργασία επικεντρώθηκε στη μελέτη της διάλυσης του μαρμάρου σε διάφορες συνθήκες με απώτερο στόχο την αποκάλυψη του μηχανισμού της φυσικοχημικής αυτής διεργασίας τόσο για την περίπτωση ασβεστιτικών όσο και δολομιτικών μαρμάρων. Η κατανόηση του μηχανισμού του προβλήματος είναι απαραίτητη για την κατάλληλη προσέγγιση και επιλογή των μεθόδων προστασίας. Έτσι, στην παρούσα εργασία επιχειρήθηκε: α) Ο προσδιορισμός του μηχανισμού διάλυσης από πειράματα μέτρησης της κινητικής της διάλυσης του μαρμάρου σε ακόρεστα ως προς το βασικό συστατικό (ασβεστίτης, δολομίτης) διαλύματα και σε διαφορετικές συνθήκες ακορεστότητας. β) Η αναστολή της διάλυσης με την προσθήκη υδατοδιαλυτών τασιενεργών ουσιών και η διερεύνηση του μηχανισμού δράσης τους. γ) Η δημιουργία δυνητικά προστατευτικών επικαλύψεων των επιφανειών του (ασβεστιτικού) μαρμάρου με στρώματα ανόργανων αλάτων. δ) Η σύγκριση των αποτελεσμάτων μέτρησης του ρυθμού διάλυσης τόσο παρουσία όσο και απουσία προσθέτων ουσιών με βιβλιογραφικές αναφορές, και αποτελέσματα από πειράματα υπαίθριας έκθεσης και από πειράματα έκθεσης δοκιμίων σε συνθήκες επιταχυνόμενης διάβρωσης σε θάλαμο αλατονέφωσης (παρουσία και άλλων παραγόντων, όπως μικροοργανισμοί, μικροβιοκτόνες ενώσεις). Ο στόχος της σύγκρισης αυτής ήταν η επιλογή του καταλληλότερου μοντέλου για την αξιόπιστη δοκιμή νέων υλικών και μεθόδων προστασίας του μαρμάρου. Για τη διεξαγωγή των δοκιμών, επιλέχθηκαν τρεις τύποι μαρμάρου που απαντώνται σε μνημεία και γλυπτά στην Ευρώπη: Carrara (ασβεστίτης >98%), Πεντελικό (ασβεστίτης >98%) και Ekeberg (δολομίης ~93%). Τα διαλύματα που χρησιμοποιήθηκαν στις μετρήσεις, κινητικής της διάλυσης ήταν ακόρεστα ως προς ασβεστίτη και παρασκευάζονταν με την αραίωση κατάλληλων όγκων stock διαλυμάτων CaCl2, MgCl2, NaHCO3, NaCl, και η αρχική τιμή του pH ρυθμιζόταν στο 8.25 με προσθήκη 0.01N NaOH. Μετά την αποκατάστασης ισορροπίας στα ακόρεστα διαλύματα εργασίας, γινόταν προσθήκη ακριβώς ζυγισμένης σκόνης μαρμάρου ή η εμβάπτιση των δοκιμίων (στερεωμένων σε ειδικό στήριγμα). Τρεις μέθοδοι χρησιμοποιήθηκαν για τις μετρήσεις της κινητικής της διάλυσης του μαρμάρου: συνθήκες ελεύθερης μεταβολής (free drift), συνθήκες σταθερού pH (pH-stat), συνθήκες σταθερού κορεσμού. Για τα ασβεστιτικά μάρμαρα, οι μετρήσεις του ρυθμού διάλυσης τόσο του μαρμάρου (κονιοποιημένου ή δοκιμίων) όσο και της πρότυπης ένωσης αναφοράς (ασβεστίτης) συναρτήσει της ακορεστότητας των διαλυμάτων έδειξαν γραμμική εξάρτηση. Σε όλες τις περιπτώσεις, οι ρυθμοί που υπολογίσθηκαν ήσαν της αυτής τάξης μεγέθους με τους αντίστοιχους ρυθμούς του καθαρού ασβεστίτη. Η θερμική κατεργασία του Πεντελικού μαρμάρου οδήγησε σε σημαντική αύξηση του ρυθμού διάλυσης, και η εξάρτηση των μετρούμενων ρυθμών, R, από τον σχετικό υπερκορεσμό, σ, ήταν μη γραμμική, με n>1. Για το δολομιτικό μάρμαρο Ekeberg, από το διάγραμμα του ρυθμού διάλυσης συναρτήσει της σχετικής ακορεστότητας σ, η προσαρμογή των δεδομένων στην R=kdσn έδωσε την τιμή n=2, οπότε εξήχθη το συμπέρασμα, ότι το στάδιο που καθορίζει τη διάλυση του δολομιτικου μαρμάρου είναι η επιφανειακή διάχυση. Μετρήθηκε και η διαλυτότητα τόσο του δολομιτικού όσο και των λοιπών τύπων μαρμάρου. Τα ασβεστιτικά μάρμαρα Πεντελικό και κρυσταλλίνα Θάσου έδωσαν τιμές για το γινόμενο διαλυτότητας κοντά στην αντίστοιχη τιμή για τον καθαρό ασβεστίτη (8.48) ενώ τα υπόλοιπα ασβεστιτικά (Carrara, Σπηλιά, Διονύσου) έδωσαν υψηλότερες τιμές διαλυτότητας. Τα δύο δολομιτικά μάρμαρα έδωσαν την αυτή τιμή για τη σταθερά διαλυτότητας, η οποία ευρίσκεται εντός των ορίων τιμών που έχουν αναφερθεί στην βιβλιογραφία για στοιχειομετρικό δολομίτη. Σε όλες τις περιπτώσεις ο ρυθμός διάλυσης του μαρμάρου βρέθηκε ότι ελέγχεται από την επιφανειακή διάχυση των δομικών λίθων στο οριακό στρώμα του υγρού. Η ρόφηση κάποιας ουσίας πάνω στο στερεό θα μπορεί να δεσμεύει τα ενεργά κέντρα και θα έχει αποτελεσματική δράση στην επιβράδυνση της διάλυσης. Έγινε μελέτη ρόφησης ουσιών με ιοντιζόμενες φωσφορικές και φωσφονικές ομάδες σε σκόνες των μαρμάρων Πεντελικού, Carrrara και Ekeberg (ισόθερμοι ρόφησης). Το HEDP μελετήθηκε σε μεγαλύτερη έκταση, τόσο γιατί η παρουσία του στα ακόρεστα διαλύματα είχε ως αποτέλεσμα τη σημαντικότατη αναστολή της διάλυσης, όσο και διότι ως ουσία με ιονιζόμενες δραστικές ομάδες αποτελεί μοντέλο για την μελέτη της επίδρασης ανάλογων ουσιών σε κρυσταλλικά στερεά τα οποία διαθέτουν κατιόντα μετάλλων στην επιφάνειά τους. Η προσθήκη του αναστολέα HEDP στα ακόρεστα διαλύματα είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση του ρυθμού διάλυσης σε ανάλογο βαθμό με την προ-ρόφησή του. Η προσθήκη του HΕDP στα ακόρεστα διαλύματα, έδωσε μικρότερους ρυθμούς διάλυσης σε σύγκριση με τους αντίστοιχους ρυθμούς οι οποίοι ελήφθησαν από δείγματα στα οποία η ουσία αυτή είχε προ-ροφηθεί στο στερεό (πειράματα σε σκόνες και δοκίμια ασβεστιτικών μαρμάρων). Το HEDP εκτός από την επιβράδυνση της διάλυσης (ακόμα και κατά 80-90 %), βρέθηκε ότι είχε αρνητική επίδραση στη μορφολογία των κρυστάλλων του μαρμάρου. Ο στόχος της επόμενης σειράς πειραμάτων ήταν η δημιουργία επικαλύψεων σε συμπαγή δοκίμια μαρμάρου. Οι επικαλύψεις αυτές, αποτελούντο από ανόργανα άλατα, μικρότερης διαλυτότητας σε υδατικά διαλύματα, σε σύγκριση με τον ασβεστίτη. Τα διαλύματα αντιδραστηρίων κατεργασίας (HCl, ΕDTA, γαλακτικού οξέος, oξικού οξέος, H3PO4, HEDP, NTMP , N(phosphomethyl-) imino diacetic acid) εφαρμόσθηκαν με: α) επίχριση με πινέλο, β) επίθεση εμποτισμένων υφασμάτων, γ) εμβάπτιση των δοκιμίων στα αντίστοιχα διαλύματα. Αποτελεσματικότερος τρόπος εφαρμογής ήταν η εμβάπτιση. Ο χαρακτηρισμός των επιφανειών, και των αντίστοιχων επιστρώσεων και η ταυτοποίησή τους έγινε με XRD, FΤ-IR και SEM. Στην συνέχεια, τα σύνθετα υλικά (μάρμαρο+επικάλυψη), υποβλήθηκαν σε πειράματα διάλυσης σε διαλύματα ακόρεστα ως προς ασβεστίτη προκειμένου να δοκιμασθεί η αποτελεσματικότητά τους στην προστασία της επιφάνειας του μαρμάρου από τη διάβρωση. Η επεξεργασία με φωσφορικό οξύ, είχε ως αποτέλεσμα την δημιουργία παχέος στρώματος διένυδρου, όξινου φωσφορικού ασβέστιου (CaHPO42H2O, DCPD). Με δεύτερη εμβάπτιση σε διάλυμα όξινου φωσφορικού νατρίου η υδρόλυση των αρχικά σχηματισθέντων κρυστάλλων DCPD, οδήγησε στον σχηματισμό ψευδομορφικών κρυστάλλων OCP οι οποίοι και σχηματίζουν στρώμα περίπου 100 μm, το οποίο καλύπτει πλήρως την επιφάνεια του μαρμάρου και παρουσιάζει εξαιρετική πρόσφυση στην επιφάνεια. Οι δοκιμές διάλυσης σε ακόρεστα διαλύματα, έδειξαν ότι διαλύεται μόνο η επικάλυψη. Υπαίθρια Έκθεση. Επαληθεύθηκε η ανασταλτική δράση του HΕDP στην διάλυση των δοκιμίων του μαρμάρου τα οποία εκτέθηκαν στους σταθμούς υπαίθριας έκθεσης. Γενικά, οι τασιενεργές ουσίες που δοκιμάσθηκαν προστάτευσαν τα δοκίμια του μαρμάρου σε μεγαλύτερο βαθμό από τις υδρόφοβες ουσίες γεγονός το οποίο υπογραμμίζει την σημασία της αλληλεπίδρασης ουσίας-υποστρώματος και το οποίο είναι σε συμφωνία με τα ευρήματα από τα πειράματα που διεξήχθησαν στους αντιδραστήρες batch.. Θάλαμος αλατονέφωσης. Σε συνθήκες επιταχυνόμενης διάβρωσης, επαληθεύθηκε για μια ακόμα φορά η ανασταλτική δράση ουσιών όπως το HΕDP, οι οποίες μπορούν να αλληλεπιδράσουν με το μάρμαρο. Είναι αξιοσημείωτο ότι τα αποτελέσματα των μετρήσεων της κινητικής της διάλυσης τα οποία ελήφθησαν από την υπαίθρια έκθεση δοκιμίων ήσαν συγκρίσιμα με τα αποτελέσματα των μετρήσεων σε αντιδραστήρες τύπου batch. . Η μέθοδος μέτρησης της κινητικής της διάλυσης σε ακόρεστα διαλύματα και σε συνθήκες σταθερού κορεσμού, έχει τη δυνατότητα σε μικρό σχετικά χρονικό διάστημα να δώσει ικανοποιητικές πληροφορίες σχετικά με τη συμπεριφορά των δοκιμίων μαρμάρου σε διαβρωτικό περιβάλλον αλλά και να χρησιμεύσει σε δοκιμές ελέγχου και προκαταρκτικής αξιολόγησης (screening) σειράς υποψήφιων για την προστασία του μαρμάρου ουσιών. / A significant number of historic monuments and artworks have been made of stone, mainly of marble, lime and silicate materials. The work in the present thesis, is focused on the investigation of the kinetics of marble dissolution under various conditions. These studies contribute to the understanding of the mechanism of dissolution, for of calcitic and dolomitic marbles. Understanding the mechanism of the problem is essential for the selection and the implementation of methods for the protection of monuments. More specifically, in the present work it was attempted to achieve the following tasks: a) Determination of dissolution mechanism, through measurements of the kinetics of marble dissolution in solutions undersaturated with respect to the main component (calcite, dolomite) under various undersaturation conditions at controlled conditions. b) Dissolution inhibition by addition of water soluble compounds and investigation of the mechanism of their interaction with the calcitic surfaces. c) Formation of potentially protective coatings on marble surface consisting of sparingly soluble inorganic salts. d) Comparison of marble dissolution rates (in the presence and in the absence of different water soluble substances) with the respective values reported in the literature and with results from marble specimens exposed outdoors or under accelerated weathering conditions in a salt spray chamber (with or without other agents, including colonization with microorganisms, treatment with biocides). The aim of this comparison was the selection of the best model for the reliable testing of novel methods and materials for the protection of marble. Three marble types were selected in the present investigation. These types have been frequently used as building materials in monuments and sculptures in Europe: Carrara (>98% calcite), Pentelic (>98% calcite) and Ekeberg (>93% dolomite). A number of compounds were selected for the investigation of their effectiveness of protection against marble weathering due to wet precipitation: VPA3-7 (surfactant) and HEDP (organophosphorus compounds), Hydrophase superfici (hydrophobic substannce) and Algophase  (biocide). To study the effect of microorganisms on the weathering of marble specimens exposed outdoors, they were inocculated with a bacteria culture consisting of (Geodermatophilus sp BC 508 isolated from limestone rock (Noto, Syracuse, Italy) , Micromonospora sp. BC 562 isolated from Pentelic marble), fungi (Coniosporium apolliniis MC518 isolated from marble from Tarragona Cathedral (Spain) and Coniosporium uncinatum MC557 isolated from Carrara marble statue (Messina, Italy).) The aim of the measurements of the rates of marble dissolution in solutions undersaturated with respect to calcite, as a function of the relative undersaturation was the attainment of a better understanding for the mechanism underlying marble dissolution. Undersaturated working solutions were prepeared by dilution of proper stock solutions of CaCl2, MgCl2, NaHCO3, NaCl, and pH was initially adjusted to 8.25 with 0.01N NaOH. After equilibration of undersaturated solutions in the reactor, known amount of marble was introduced, either in powder form (suspension) or in rod form (fixed on special scaffold). Depending on the control of the parameters possible the following types of experiments were done and the dissolution rates were measured: free drift (all variables change with the exception of temperature), constant pH (pH only is kept constant), constant undersaturation (the activities of all species in the undersaturated solutions are kept constant). The dissolution rates of calcitic marble (both in powders and slabs) and calcite powder showed linear dependence on the relative undersatutation. In all cases, the rates of dissolution were of the same order of magnitude with the rates corresponding to (synthetic) calcite powder. Thermal pretreatment of pentelic marble powder resulted to higher dissolution rates. In this case, the dependence of the rates measured with respect to the relative undersatutation was found to be non-linear, (R=Kdσn , n>1). In the case of Ekeberg marble, the dependence of the rates of dissolution on the relative undersatutation was found to be non-linear, as well with n = 2. It may therefore be concluded that the dissolution is surface diffusion controlled. In the present work, solubilities for different types of marbles investigated in aqueous solutions were calculated from measurements of specimens equilibrated with electrolyte solutions over a time period exceeding the 2 years. For Pentelic and Crystallina Thassou marbles, values of solubility products were close to the value of pure calcite, while those for the rest of the calcitc marbles (Carrara, Spilia, Dionysoy) were higher. For the dolomitc marbles Ekeberg and Thassos White, the values obtained were almost identical and close to the values reported for stoichiometric dolomite. In all cases, the rate of dissolution was found to be controlled by surface diffusion. The adsorption of a substance on marble surface could possibly affect the dissolution process. The adsorption of substances posessing ionisable phosphate and phosphonate groups on marble powders (Pentelic, carrara, Ekeberg) was investigated through the respective adsorption isotherms. HEDP was mainly studied in this section, because its presence in undersaturated solutions inhibited dissolution to a large extent, and also because it could be considered as a model substance for the investigation of the effect of substances with similar functional groups on crystalline solids with metal cations on their surface. The presence of HEDP in the undersaturated solutions resulted in the reduction of the marble dissolution rates, proportionally to the extent of HEDP adsorption on the substrate. The dissolution rates obtained were lower than those obtained in experiments were HEDP was pre-adsorbed on the substrate (both in marble powder and in marble rod tests). HEDP showed strong inhibition effect (even by 80-90%) but also showed negative effect on the morphology marble crystallites. The aim of the next series of experiments was the formation of coatings on pentelic marble slabs. The coatings tested in the present investigation, consisted of inorganic salts , less soluble than calcite. Treatment solutions (HCl, ΕDTA, lactic acid, H3PO4, HEDP, NTMP , N(phosphomethyl-) imino diacetic acid) were applied by:a) brush, b) impregnated patch and c) immersion. The most effective way was impregnation. XRD, FT-IR and SEM were used for the characterization of the surfaces and of the composition of the coatings. The “new” composite (marble + coating) materials were then subjected to dissolution experiments in solutions undersaturated with respect to calcite. Treatment of marble with phosphoric acid resulted in formation of a thick layer of CaHPO42H2O, DCPD. Following a second treatment with sodium hydrogen phosphate solution, the iniatially formed DCPD crystals were hydrolyzed to pseudomorfic OCP crystals, resulting to a layer of 100 um thickness with complete coverage of the surface and good adhesion on the substrate. Dissolution experiments showed that only the coating was dissolved. T Outdoors exposure. The inhibiting effect of HEDP on dissolution was verified in the case of the exposed marble specimens. The surfactant substances tested seemed to protect the specimens more than the hydrophobic compounds, which empasizes the importance of substance-substrate interaction and is in good agreement with batch experiment results. Salt spray chamber. The inhibiting effect of HEDP on dissolution was again verified in the case of the marble specimen exposedunder accelerated weathering conditions. Results of the measurements of the kinetics of marble dissolution obtained from outdoors exposure tests of marble slabs, were comparable to those obtained from batch reactor experiments. Measurement of dissolution kinetics in working solutions under constant undersaturation conditions is a method capable of providing satisfactory information on the behaviour of marble specimen under weathering conditions and a useful tool on testing and evaluating the efficiency of candidate protective methods and products in a short time (suitable as preliminary screening tool).

Η κρυστάλλωση και η διάλυση αλάτων αποτελούν σημαντικές διεργασίες οι οποίες συνεισφέρουν στην φθορά των μνημείων της πολιτιστικής μας κληρονομιάς, τα οποία έχουν κατά κύριο λόγο κατασκευασθεί από δομικά υλικά όπως ο ασβεστόλιθoς και το μάρμαρο. Η κρυστάλλωση ευδιάλυτων αλάτων (π.χ. θειϊκό νάτριο, θειϊκό μαγνήσιο, χλωριούχο νάτριο) σε πορώδη υλικά έχει καταστροφικές επιπτώσεις τόσο στις ιστορικές όσο και στις σύγχρονες κατασκευές από σκυρόδεμα. Το πιο κατεστρεπτικό άλας για την ακεραιότητα των κατασκευών έχει αποδειχθεί, ότι είναι το θειίκό νάτριο. Η κατανόηση του μηχανισμού κρυστάλλωσης του άλατος αυτού είναι απαραίτητη προϋπόθεση για τον περιορισμό ή τον έλεγχο του σχηματισμού του σε ατμοσφαιρικές συνθήκες. Για τον σκοπό αυτό, έγινε συστηματική μελέτη της κρυσταλλικής ανάπτυξης του δεκαένυδρου θειϊκού νατρίου (Μιραμπιλίτης) σε υπέρκορα διαλύματά του. Αναπτύχθηκε μεθοδολογία βασισμένη στον εξώθερμο χαρακτήρα της κρυσταλλικής ανάπτυξης του μιραμπιλίτη. Η πειραματική μελέτη περιορίσθηκε στην ετερογενή κρυσταλλική ανάπτυξη τόσο σε φύτρα Μιραμπιλίτη, όσο και σε ξένα υποστρώματα. Τα υποστρώματα τα οποία μελετήθηκαν περιλάμβαναν ασβεστόλιθο από την Γρανάδα (ασβεστιτικός κυρίως) καθώς και ψαμμόλιθο (Πράγα, Τσεχίας) πυριτικής κατά κύριο λόγο σύστασης. Η μελέτη της κινητικής της κρυσταλλικής ανάπτυξης του Μιραμπιλίτη, έδειξε ότι το καθορίζον την ταχύτητα στάδιο είναι η διάχυση των δομικών μονάδων στην επιφάνεια των κρυσταλλικών φύτρων του Μιραμπιλίτη. Το συμπέρασμα αυτό οδήγησε στην δοκιμή οργανοφωσφορικών ενώσεων, ως προς την επίδρασή τους στην κινητική της κρυσταλλικής ανάπτυξης του μιραμπιλίτη. Οι ενώσεις αυτές ιονίζονται και αλληλεπιδρούν αποτελεσματικά με την κρυσταλλική επιφάνεια δηλητηριάζοντας τα ενεργά κέντρα κρυστάλλωσης. Ο βαθμός ιονισμού βρέθηκε ότι είναι καθοριστικός για την ανασταλτική τους δράση. Πειράματα ταχείας καταβύθισης ευδιάλυτων αλάτων ηλεκτρολυτών σε ασβεστολιθικά και ψαμμιτικά δοκίμια τα οποία έγιναν τόσο με εμβάπτιση, όσο και με έκθεση σε θάλαμο αλατονέφωσης επιβεβαίωσαν τα αποτελέσματα της μελέτης της κινητικής της κρυστάλλωσης του Μιραμπιλίτη και της σχετικής αποτελεσματικότητος των αναστολέων που χρησιμοποιήθηκαν. Πλην της κρυσταλλικής ανάπτυξης ευδιάλυτων αλάτων, σημαντική συνεισφορά στην αποδόμηση των δομικών υλικών παίζει και η διάλυση του ανθρακικού ασβεστίου, το οποίο και αποτελεί τη βασική συστατική τους ένωση. Για τη μελέτη της διεργασίας της κρυσταλλικής ανάπτυξης και διάλυσης του ανθρακικού ασβεστίου τόσο απουσία όσο και παρουσία ανιόντων όπως τα θειϊκά και τα ανιόντα φθορίου χρησιμοποιήθηκε η μικροσκοπία ατομικής δύναμης,η οποία έδωσε την δυνατότητα in situ μέτρησης του ρυθμού κρυσταλλικής ανάπτυξης και διάλυσης σε συνθήκες σταθερού κορεσμού. Η παρουσία θειϊκών ανιόντων έδειξε ότι η κρυσταλλική ανάπτυξη του ανθρακικού ασβεστίου αναστέλλεται ενώ η παρουσία φθορίου επιταχύνει τη διάλυση. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων της κινητικής των διεργασιών έδειξαν ότι οι επιμολύνσεις στα υπέρκορα διαλύματα δρούν στην κινητική λόγω προσρόφησης και δέσμευσης των ενεργών κέντρων κρυσταλλικής ανάπτυξης διάλυσης. / The research made in the present PhD Thesis entitled “Crystallization and dissolution study of electrolyte salts”. The objective of the dissertation concerned both crystallization and dissolution processes of soluble sodium sulfate and insoluble calcium carbonate electrolyte salts approached by different experimental aspects but directly connected to environmental and scientific issues. Salt crystallization is an important cause for the weathering and damage of historical and cultural heritage artifacts and ornamental stones. Soluble salts (i.e. sodium sulfate, magnesium sulfate, sodium chloride) have also a damaging and fateful impact on civil engineering structures of roads and building foundations. Most damaging salt for such built frameworks is proven to be sodium sulfate salt. Only when we have a better understanding of sodium sulfate crystallization in an unconstrained fluid medium can we progress to a study of sodium sulfate crystallization in porous building materials. At the beginning of this study batch crystallization experiments of sodium sulfate salt were conducted. Additionally potential organic inhibitors (i.e. organophosphonate, polyacrylates) were tested in the same batch experimental system. Popular and applicable limestone building material is of uniform composition consisting mainly calcium (calcitic material). Granada’s calcarenite has been selected as one of the target material to study. This natural stone is representative of the building material utilized in construction material monuments and susceptible to salt crystallization. In situ AFM experiments of both calcite crystal growth and dissolution were performed in the presence of different electrolyte solutions (i.e. sodium sulfate and sodium fluoride). Nanoscale phenomena during the growth of solid solutions on calcite surfaces were performed in the presence of sodium sulfate electrolyte solutions. Further molecular-scale surface processes during both growth and dissolution of calcite in the presence of sodium fluoride electrolyte solutions were carried out. In all cases significant kinetic data and reaction mechanisms were extracted. Accelerated degradation of Granada’s limestone and Czech sandstone experiments were executed. Tested materials were exposed and impregnated in concentrated solutions of soluble salts (i.e. sodium sulfate, magnesium sulfate and sodium chloride). Immersed limestone type material showed susceptibility to sodium sulfate and sandstone type material to sodium chloride salt solution. Different pre-treatments of limestone specimens with organophosphonate compounds resulted in limiting material damage from sodium sulfate influence. The use of such organic compounds may direct towards a potential implication of conserving building frameworks. Finally suspended limestone rods were subjected to sodium sulfate spray chamber. Pre-treatment of limestone rods with organophosphonate compounds were completed. Again applications of organophosphonate compounds to exposure of limestone material in salt spray chamber may work towards a case of preventing porous material from salt damage and protect building stones.

Κατά την επαφή επιφανειών, όπως οι βαλβίδες καρδιάς ή και άλλοι ιστοί, με βιολογικά υγρά, υπό προϋποθέσεις, εναποτίθενται άλατα φωσφορικού ασβεστίου, λόγω του υφιστάμενου υπερκορεσμού με αποτέλεσμα τη μείωση της λειτουργικότητάς τους. Οι αυξημένες περιπτώσεις ασβεστοποίησης αορτικών αλλά και βιοπροσθετικών βαλβίδων καρδιάς, έχει καταστήσει επιτακτική ανάγκη τη μελέτη και τη κατανόηση του μηχανισμού του σχηματισμού των εναποθέσεων. Στην παρούσα διατριβή, έγινε φυσικοχημικός χαρακτηρισμός παθολογικών εναποθέσεων που απομονώθηκαν από ανθρώπινες φυσικές και βιοπροσθετικές βαλβίδες καρδιάς. Ο χαρακτηρισμός έδειξε ότι οι εναποθέσεις αποτελούνται από κρυσταλλικές φάσεις φωσφορικού ασβεστίου. Έγινε ταυτοποίηση της κρυσταλλικής φάσης που είχε εναποτεθεί στις φυσικές και βιοπροσθετικές βαλβίδες ασθενών με χρήση αναλυτικών μεθόδων (XRD, FT-IR, SEM) και συγκρίθηκαν τα αποτελέσματα. Η μορφολογική εξέταση έδειξε κυρίως την παρουσία απατιτικών (υδροξυαπατίτης με υποκαταστάσεις ανθρακικών ιόντων και ιόντων νατρίου) πρισματικών μικροκρυστάλλων. Επίσης, ταυτοποιήθηκε η παρουσία του θερμοδυναμικά ασταθέστερου φωσφορικού οκτασβεστίου (OCP). Η χημική σύσταση των εναποθέσεων στις ασβεστοποιημένες βαλβίδες ασθενών προσδιορίστηκε διαλύοντας συγκεκριμένη ποσότητα στερεού σε διάλυμα HCl 0.1Ν. Έγινε ανάλυση ιόντων ασβεστίου, νατρίου, μαγνησίου με ατομική απορρόφηση και φωσφορικών ιόντων φασματοφωτομετρικά. Οι λόγοι των γραμμομοριακών συγκεντρώσεων Ca/P των στερεών υπολογίστηκαν από τη χημική ανάλυση. Οι γραμμομοριακοί λόγοι των βιοπροσθετικών βαλβίδων βρέθηκαν Ca/P~1.55 ± 0.25, ενώ οι γραμμομοριακοί λόγοι των φυσικών βαλβίδων βρέθηκαν Ca/P ~ 1.80 ± 0.20. Στα πλαίσια της εκπόνησης της παρούσας διατριβής, μελετήθηκε η κινητική της ασβεστοποίησης in vitro σε χοίρειες αορτικές βαλβίδες καρδιάς (γλωχίνες & τοιχώματα) και σε βόειο περικάρδιο. Έγινε μελέτη του σχηματισμού των εναποθέσεων φωσφορικού ασβεστίου σε υπέρκορα διαλύματά του. Όλα τα πειράματα στην παρούσα εργασία έγιναν σε θερμοκρασία 37 οC, pH 7.4 ± 0.1 και ιοντική ισχύ 0.15 Μ ρυθμισμένη με ΝaCl. Για την μέτρηση του ρυθμού κρυσταλλικής ανάπτυξης και άλλων παραμέτρων όπως ο χρόνος επαγωγής, η μορφολογία και η στοιχειομετρική σύσταση των σχηματιζόμενων κρυστάλλων χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος του σταθερού υπερκορεσμού (σταθερή σύσταση υπέρκορων διαλυμάτων). O ρυθμός κρυστάλλωσης του φωσφορικού οκτασβεστίου (Ca4H(PO4)3•2.5H2O, OCP) στις γλωχίνες βρέθηκε ότι ήταν μεγαλύτερος σε σύγκριση με τον αντίστοιχο ρυθμό σχηματισμού του ιδίου άλατος στα αορτικά τοιχώματα και στο βόειο περικάρδιο. Η πρώτης τάξεως εξάρτηση του ρυθμού κρυστάλλωσης από τον σχετικό υπερκορεσμό έδειξε ότι το καθορίζον την ταχύτητα στάδιο είναι η επιφανειακή διάχυση. Η κρυσταλλική φάση που σχηματίσθηκε με ετερογενή πυρηνογένεση στους ιστούς ταυτοποιήθηκε με τη βοήθεια αναλυτικών μεθόδων όπως η περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) και η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM). Η μορφολογική εξέταση των εναποθέσεων στους ιστούς έδειξε τον σχηματισμό πλακoειδών και φυλλόμορφων κρυστάλλων φωσφορικού οκτασβεστίου (OCP) καθώς και πρισματικών μικροκρυστάλλων του θερμοδυναμικά σταθερότερου υδροξυαπατίτη (Ca5(PO4)3OH, HAP), ο σχηματισμός των οποίων αποδόθηκε στην υδρόλυση του OCP. Η σχέση υποστρώματος (ιστών) και της κρυσταλλικής φάσης η οποία κρυσταλλώθηκε στην επιφάνειά τους, διερευνήθηκε και με τη μελέτη του ηλεκτροστατικού δυναμικού των επιφανειών. Οι αντίστοιχες μετρήσεις έγιναν με τη μέθοδο του δυναμικού ροής (streaming potential) σε ειδική κυψελλίδα η οποία κατασκευάσθηκε για τον σκοπό αυτό. Στις μετρήσεις που έγιναν, οι ιστοί, τόσο άνευ αλλά και με εναποθέσεις φωσφορικού ασβεστίου, αποτέλεσαν την σταθερή φάση ενώ κινουμένη φάση ήταν ηλεκτρολυτικό διάλυμα ΚΝΟ3 ή NaCl. Πραγματοποιήθηκαν για πρώτη φορά σε συστήματα αυτού του είδους, μετρήσεις δυναμικού ροής και υπολογίσθηκαν οι τιμές των αντιστοίχων επιφανειακών δυναμικών (δυναμικά ζ) σε ιστούς, προ και μετά την ασβεστοποίησή τους με άλατα του φωσφορικού ασβεστίου. Η αύξηση της ιονικής ισχύος είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση του δυναμικού επιφάνειας ιστών που εξετάστηκαν. Το δυναμικό ροής ήταν ανάλογο της εφαρμοζόμενης πίεσης και από τα διαγράμματα δυναμικού ροής-πίεσης συμπεραίνεται ότι η επιφάνεια των ιστών (περικαρδίου και γλωχίνων) έχει αρνητικό επιφανειακό φορτίο ενώ ασβεστοποίηση των ιστών αυτών έδωσε αρνητικότερες τιμές του ζ δυναμικού τους. Με δεδομένο ότι στην τιμή του pH ισορροπίας που έγιναν οι μετρήσεις, τόσο η επιφάνεια του υποστρώματος όσο και η κρυσταλλική φάση έχουν μικρό αρνητικό φορτίο και δεν φαίνεται οι ηλεκτροστατικές δυνάμεις κρυστάλλων-υποστρωμάτων που εξετάσθηκαν να παίζουν σημαντικό ρόλο. Οι μετρήσεις που έγιναν σε υψηλές τιμές της ιοντικής ισχύος, έδειξαν αύξηση του αρνητικού επιφανειακού φορτίου για το σύνθετο υλικό υπόστρωμα-ΗΑΡ. Η συνάφεια υποστρώματος-κρυσταλλικής φάσης είναι πιθανώς δομικής φύσης. Οι συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις για την παρασκευή βιοϋλικών έχουν ως αποτέλεσμα το συνεχώς αυξανόμενο ενδιαφέρον για τη σύνθεση και τη μελέτη βιοτσιμέντων, στα συστατικά των οποίων περιλαμβάνονται άλατα φωσφορικού ασβεστίου ή και ανθρακικού ασβεστίου. Tα βιοτσιμέντα έχουν πολλαπλές βιο-ιατρικές εφαρμογές λόγω της δυνατότητας απορρόφησης ή και τροποποίησης με την ενσωμάτωσή τους στα οστά. Μεταξύ των κρυσταλλικών φάσεων του φωσφορικού ασβεστίου, η θερμοδυναμικά σταθερότερη είναι ο HAP, ο οποίος είναι βασικό ανόργανο συστατικό των σκληρών ιστών των ανώτερων θηλαστικών και αποτελεί ένα πολύ καλό βιοσυμβατό υλικό. Παρασκευάστηκαν απατιτικά τσιμέντα φωσφορικού ασβεστίου με ανάμειξη α-φωσφορικού τριασβεστίου (α-Ca3(PO4)2, a-TCP) με υδατικό διάλυμα Na¬2HPO4 και μελετήθηκε η κινητική της κρυστάλλωσης ΗΑP στα απατιτικά τσιμέντα σε υπέρκορα διαλύματα φωσφορικού ασβεστίου, σε συνθήκες σταθερού υπερκορεσμού. Έγινε σειρά πειραμάτων στα οποία μετρήθηκε πρώτα η κινητική της κρυστάλλωσης συνθετικών καλά χαρακτηρισμένων κρυσταλλιτών HAP. Η σειρά αυτή των πειραμάτων ήταν το σύστημα αναφοράς. Πρόσθετες σειρές πειραμάτων έγιναν σε υπέρκορα διαλύματα με σύσταση τροποποιημένων προσομοιωμένων βιολογικών ρευστών (mSBF). Ο ρυθμός κρυστάλλωσης HAP σε φύτρα ΗΑΡ σε ηλεκτρολυτικό διάλυμα, ήταν μεγαλύτερος σε σύγκριση με τον αντίστοιχο ρυθμό σε προσομοιωμένο βιολογικό ρευστό (SBF), της αυτής ιοντικής ισχύος και υπερκορεσμού. Η εξάρτηση του ρυθμού κρυστάλλωσης από τον σχετικό υπερκορεσμό, βρέθηκε ότι ήταν πρώτης τάξεως, οδηγώντας και σε αυτή την περίπτωση στο συμπέρασμα, ότι η κρυστάλλωση και στις δύο περιπτώσεις ηλεκτρολυτικών διαλυμάτων γίνεται με μηχανισμό επιφανειακής διάχυσης. Κατά την σπορά των υπέρκορων διαλυμάτων με κρυσταλλίτες των βιοτσιμέντων το συμπέρασμα ως προς τον μηχανισμό κρυσταλλικής ανάπτυξης ήταν το ίδιο. Ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός τόσο των τσιμέντων όσο και της εναποτεθείσας κρυσταλλικής φάσης έγινε με αναλυτικές μεθόδους χαρακτηρισμού στερεών (XRD, FT-IR, SEM). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα τσιμέντα αποτελούνταν κατά κύριο λόγο από απατίτη με ποικίλη μορφολογία. Βρέθηκαν απατιτικοί κρύσταλλοι της τάξης μερικών δεκάδων nm, μεγάλοι πρισματικοί κρύσταλλοι (150-300 nm) καθώς και φυλλόμορφες πλάκες 1-2 μm. Παράλληλα, διερευνήθηκε η επίδραση και άλλων ανόργανων υποστρωμάτων που χρησιμοποιούνται ως βιοϋλικά, όπως είναι τα βιοτσιμέντα τα οποία παρασκευάζονται από μιγμάτα ανθρακικού και φωσφορικού ασβεστίου. Έγινε μελέτη της κινητικής της κρυστάλλωσης φωσφορικού οκτασβεστίου (ΟCP) με τη μέθοδο σταθερού υπερκορεσμού στους 37 oC σε pH 7.40 ± 0.1 και σε ιοντική ισχύ 0.15 Μ NaCl. Για την εκκίνηση της κρυσταλλικής ανάπτυξης σε σταθερά υπέρκορα διαλύματα φωσφορικού ασβεστίου χρησιμοποιήθηκαν το βιοτσιμέντο τύπου Α (μίγμα βατερίτη (CaCO3) και διένυδρου φωσφορικού ασβεστίου (CaHPO4•2H2O, DCPD)), και το βιοτσιμέντο τύπου Β (μίγμα βατερίτη (CaCO3), διένυδρου φωσφορικού ασβεστίου (CaHPO4•2H2O, DCPD) και 20% ανθρακικού στροντίου (SrCO3). Επιπλέον, για τη μελέτη της κινητικής της κρυστάλλωσης χρησιμοποιήθηκαν συνθετικοί κρύσταλλοι υδροξυαπατίτη (HAP) και φωσφορικού οκτασβεστίου (OCP), ως υλικά αναφοράς. Η παρουσία ανθρακικών ιόντων έδειξε πως επηρεάζει το ρυθμό κρυστάλλωσης και από την εξάρτηση του ρυθμού κρυστάλλωσης από τον σχετικό υπερκορεσμό συμπεραίνεται ότι η κρυστάλλωση γίνεται με μηχανισμό επιφανειακής διάχυσης. Η μορφολογική εξέταση στις περιπτώσεις κρυστάλλωσης OCP σε φύτρα κρυστάλλων OCP και βιοτσιμέντων (μίγμα CaCO3 και DCPD) έδειξε φυλλόμορφους σχηματισμούς φωσφορικού οκτασβεστίου (OCP), ενώ πλακοειδείς κρύσταλλοι φωσφορικού οκτασβεστίου (OCP) αναπτύχθηκαν σε φύτρα ΗΑΡ. Η συνάφεια μεταξύ ανθρακικών και φωσφορικών αλάτων του ασβεστίου είναι σημαντική για την κατανόηση της συμπεριφοράς και των ιδιοτήτων νέων βιοϋλικών που βασίζονται σ’αυτά τα υλικά. Έτσι, έγινε διερεύνηση της δυνατότητα χρήσεως διαφόρων πολυμορφικών φάσεων ανθρακικού ασβεστίου (CaCO3) ως βάσεων για την παρασκευή νέων βιοϋλικών. Μελετήθηκε ο ετερογενής σχηματισμός του φωσφορικού οκτασβεστίου (OCP) σε υποστρώματα ανθρακικού ασβεστίου, σε συνθήκες σταθερού υπερκορεσμού στους 37 oC σε pH 7.40 ± 0.1 και σε ιοντική ισχύ 0.15 Μ NaCl, χρησιμοποιώντας ως φύτρα σποράς κρυστάλλους ασβεστίτη καθώς και μίγμα κρυστάλλων αραγωνίτη-ασβεστίτη. H κρυστάλλωση του φωσφορικού οκτασβεστίου έλαβε χώρα μετά την πάροδο χρόνου επαγωγής, τ, στα δυο υποστρώματα CaCO3 που μελετήθηκαν και οι αρχικοί ρυθμοί κρυσταλλικής ανάπτυξης ανά μονάδα επιφάνειας βρέθηκαν ότι ήσαν ανεξάρτητοι της ποσότητας των κρυσταλλικών φύτρων, γεγονός που υποδηλώνει την επιλεκτική πυρηνογένεση του σχηματιζόμενου στερεού (ΟCP) στα υποστρώματα που εξετάσθηκαν (CaCO3). Η μορφολογική εξέταση της σχηματιζόμενης φάσης στα δυο υποστρώματα CaCO3 επιβεβαίωσε τον αποκλειστικό σχηματισμό χαρακτηριστικών φυλλόμορφων κρυσταλλιτών OCP, ενώ ο σταθερότερος θερμοδυναμικά υδροξυαπατίτης (HAP) δε σχηματίστηκε ούτε κατευθείαν, ούτε και μέσω υδρόλυσης του θερμοδυναμικά ασταθέστερου OCP, ο οποίος έδειξε να σταθεροποιείται αναπτυσσόμενος ετερογενώς σε ανθρακικά άλατα του ασβεστίου. Είναι γνωστό, ότι η παρουσία ξένων ουσιών ή ιόντων στα υπέρκορα διαλύματα παίζει σημαντικό ρόλο τόσο στην κινητική σχηματισμού του φωσφορικού ασβεστίου όσο και στα χαρακτηριστικά του κρυσταλλικού στερεού το οποίο αναπτύσσεται. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει ο ρόλος του στροντίου στην κινητική της βιολογικής ασβεστοποίησης, αφού όπως αναφέρεται στη βιβλιογραφία ενισχύει τη βιοενεργότητα και τη βιοσυμβατότητα των βιοϋλικών και μπορεί να βοηθήσει στην αντιμετώπιση της οστεοπόρωσης (π.χ. ρανελικό στρόντιο). Έγινε διερεύνηση της επίδρασης ιόντων στροντίου (Sr2+) στην κινητική κρυσταλλικής ανάπτυξης αλάτων φωσφορικού ασβεστίου σε υποστρώματα συνθετικών κρυστάλλων φωσφορικού οκτασβεστίου (OCP) και υδροξυαπατίτη (HAP) σε υπέρκορα διαλύματα φωσφορικού ασβεστίου. Η παρουσία των ιόντων στροντίου στα υπέρκορα διαλύματα φωσφορικού ασβεστίου έδειξε ότι ενσωματώθηκαν στο κρυσταλλικό πλέγμα τόσο του OCP όσο και του HAP, ενώ κινητικά επιβράδυνε τους ρυθμούς κρυστάλλωσης και των δύο αλάτων. Μεγαλύτερη μείωση του ρυθμού κρυσταλλικής ανάπτυξης μετρήθηκε στην περίπτωση του HAP. Επίσης, παρατηρήθηκαν αλλαγές στη μορφολογία των κρυστάλλων ενώ η παρουσία των ιόντων Sr2+ είχε ως αποτέλεσμα την επιβράδυνση της υδρολυτικής μετατροπής του θερμοδυναμικά ασταθέστερου OCP προς τον θερμοδυναμικά σταθερό HAP. Τέλος, μελετήθηκε η κινητική της διάλυσης των εναποθέσεων φωσφορικού ασβεστίου που απομονώθηκαν από ασβεστοποιημένες φυσικές βαλβίδες ασθενών, αλλά και συνθετικών καλά χαρακτηρισμένων κρυσταλλιτών HAP ως υλικού αναφοράς, σε ακόρεστα διαλύματα. Τα πειράματα έγιναν στους 37 oC, ιοντική ισχύ 0.15 Μ NaCl, σε pH 7.4 ± 0.1 και σε συνθήκες σταθερής ακορεστότητας. Η εξάρτηση του ρυθμού διάλυσης από την σχετική ακορεστότητα των διαλυμάτων εργασίας, η οποία βρέθηκε ότι ήταν δευτέρας τάξεως, έδειξε ότι η διάλυση και στα δύο υποστρώματα ελέγχεται από επιφανειακή διάχυση των δομικών μονάδων. Η διάλυση των παθολογικών εναποθέσεων σε φυσικές βαλβίδες καρδιάς σε συνθήκες σταθερής ακορεστότητας έδωσε σταθερές ταχύτητας σημαντικά μεγαλύτερες σε σύγκριση με τις αντίστοιχες τιμές που ελήφθησαν για συνθετικούς κρυστάλλους ΗΑΡ. Από τη μορφολογική εξέταση τόσο των κρυστάλλων των ασβεστούχων εναποθέσεων όσο και του ΗAP μετά τη διάλυση παρατηρήθηκαν διαφορές μόνο ως προς το μέγεθος των κρυσταλλιτών. Μετά την διάλυση, οι πρισματικοί κρυσταλλίτες του ΗΑΡ είχαν μικρότερο μέγεθος τόσο ως προς το μήκος τους όσο και ως προς το πάχος. / The formation of calcium phosphate deposits upon contact of biological fluids which are supersaturated with respect to a number of calcium phosphate phases, with tissues (e.g. heart valves, artery walls etc) is detrimental to the function of vital organs or of bioprosthetic materials replacing for damaged tissues. Understanding of the mechanisms underlying the formation of the calcium phosphate deposits, adhering tenaciously to functional tissues is of prime importance not only for the amelioration of health but also for the development of efficient and functional biomaterials. Ιn the present work pathological formations of native and bioprosthetic heart valves removed from patients were examined and showed that were consisted of calcium phosphate phases. The calcific deposits formed on native and bioprosthetic heart valves were characterized using solid characterization analytical methods (XRD, FT-IR, SEM) and the results were compared. The morphological examination showed mainly the presence of apatitic (HAP substituted by carbonate and sodium ions) nano-crystals. Τhe presence of the thermodynamically unstable OCP was, also, identified. The chemical composition of calcific deposits was determined by dissolving an amount of solid in solution of HCl 0.1N. The molar Ca/P ratios in the solids were calculated and found to be Ca/P ~ 1.55 ± 0.25 for bioprosthetic heart valves whereas for native heart valves Ca/P ~ 1.80 ± 0.20. This difference may be attributed to the different maturation of the solids in contact with the respective biological fluids. It seems that the longer the exposure of the solids with solutions containing ions which may replace for calcium in the crystal lattice, the higher the respective Ca/P molar ratio. Another purpose of the present work was the investigation of the heterogeneous nucleation of calcium phosphates on heart valve tissues and on synthetic biomaterials. The mechanistic investigation was done through the correlation of the measured rates of crystal growth as a function of the solution supersaturation and in relation with the substrates on which nucleation took place. The kinetics of calcification of porcine aortic valves (leaflets & walls) and bovine pericardium was investigated in vitro. More specifically, the formation of calcium phosphate deposits was studied at 37 0C, pH 7.4 ± 0.1 and ionic strength 0.15 M adjusted with NaCl, from supersaturated solutions. The solution composition was selected to simulate the respective conditions in plasma serum. These conditions were maintained throughout the experiments done in the present work. The kinetic was measured with the method of constant supersaturation. The rate of crystal growth of OCP on heart valve leaflets was higher in comparison with the respective rate on aortic walls and on bovine pericardium. The dependence of the rate of OCP crystal growth on the relative supersaturation was first order, suggesting a surface diffusion controlled process. The crystalline phase formed was characterized by physicοchemical solid characterization methods (XRD, SEM). The mineralogical analysis confirmed the exclusive formation of the transient OCP phase, which was stabilized kinetically because of the maintenance of the solution supersaturation. The morphological examination showed the formation of plate like OCP crystallites (Ca4H(PO4)3•2.5H2O, OCP), which hydrolyzed with time yielding prismatic nano-crystals of the thermodynamically more stable hydroxyapatite (Ca5(PO4)3OH, HAP). Moreover, the effect of the formation of deposits on the tissues investigated on their surface potential was investigated, through measurements of the streaming potential of the surfaces with and without deposits. To our knowledge it is the first time this electrokinetic methodology was applied to investigate mineralized tissues. A home made apparatus was used after the appropriate modifications. A special cell was prepared in which the electrolyte solution was forced to flow over the immobile tissue surface. The surface potentials (zeta potential) of non calcified and calcified tissues were calculated from the electrokinetic measurements. The measurements were conducted over a wide range of concentrations of potassium nitrate (KNO3) and sodium chloride (NaCl) electrolyte solutions. The increase in ionic strength resulted to the decrease in the zeta potential values of the examined tissues. The potential flow was proportional to the applied pressure and from the graph of potential flow as a function of the applied pressure it was concluded that the surfaces of tissues (pericardium and leaflets) were negatively charged. The presence of calcific deposits resulted to more negative values of zeta potential. The fast growing demand for the development of biomaterials has led to increased interest for the development and study of calcium phosphate and/or calcium carbonate biocements. Biocements have multiple bio-medical applications due to their resorbability and/or bioactivity and biocompatibility properties. Among calcium phosphates, the thermodynamically most stable HAP is the major component of hard tissues of higher mammals and an excellent biocompatible material. Apatitic cements of calcium phosphate were prepared by mixing a- tricalcium phosphate (α-Ca3(PO4)2, a-TCP) with aqueous disodium hydrogen phosphate solution (Na¬2HPO4). The kinetics of crystal growth of HAP from calcium phosphate supersaturated solutions on the apatitic cements was investigated at conditions of constant solution supersaturation. Synthetic HAP crystals were used as reference materials. In addition, experiments were carried out in supersaturated solutions of modified simulated body fluid (m-SBF). The crystal growth rate of HAP was found to be higher in the aqueous solutions than in the m-SBF solution. The kinetics measurements showed that in both cases the crystal growth of HAP was a surface diffusion controlled process. The physicochemical characterization of the cements and the crystal growth phase was examined by solid phase characterization methods (XRD, FT-IR, SEM). The morphological examination showed that the cements consisted mainly of apatite with variable morphology. Small apatitic nano-crystals, larger prismatic crystals (150-300 nm) and leaf-like plates 1-2μm. The effect of another type of inorganic substrates, suggested for use as biomaterials was, also, investigated. These included biocements of mixtures of calcium phosphate and calcium carbonate. The investigation of the kinetics of crystal growth of OCP was carried out at conditions of constant solution supersaturation. The crystal growth was initiated by introduction of different types of inoculating solids. Specifically, biocement A refers to a mixture of vaterite (CaCO3) and dicalcium dihydrogen phosphate dihydrate (CaHPO4•2H2O) and biocement B to vaterite (CaCO3), dicalcium dihydrogen phosphate (CaHPO4•2H2O) and 20% of SrCO3 mixture. Synthetic HAP and OCP crystals were used as reference materials. The presence of carbonate ions showed that they had a significant effect on the rate of crystal growth of OCP. From the growth rate dependence on the relative supersaturation, it was concluded that in all cases the mechanism was the same for all substrates and it was surface diffusion controlled. The morphological examination of the deposits on the OCP seed crystals and on biocements showed the formation of the leaf-like OCP crystallites, while plate-like OCP crystals were formed on the HAP seed crystals. The compatibility between minerals like calcium carbonate and calcium phosphate is an issue of key importance for understanding the behavior and properties of implants and for the design of new materials with desired properties. Thus, it was investigated the possibility of using different polymorphs of calcium carbonate (CaCO3) as basis for the development of new biomaterials. The kinetics of heterogeneous nucleation of OCP on calcium carbonate substrates was studied at conditions of constant supersaturation. Stable calcium phosphate solutions, supersaturated with respect to OCP and HAP were inoculated with well characterized calcite seed crystals and mixed aragonite and calcite seed crystals. Past the suspension of the seed crystals in the supersaturated calcium phosphate solutions, OCP crystal growth started past induction time, τ, and the initial crystal growth rates per unit area were found to be independent on the amount of the seeds, suggesting that OCP nucleation occurs selectively on the inoculating solids of CaCO3. The morphological examination of the precipitating phase on both CaCO3 substrates confirmed the exclusive formation of typical leaf-like OCP crystals, while the thermodynamically stable (HAP) did not grow directly on the substrates neither through the hydrolysis of the unstable OCP. The role of strontium on the kinetics of biological calcification is of particular interest, since it is reported in literature that it enhances the bioactivity and biocompatibility of biomaterials and may have a potential use in the treatment of osteoporosis (e.g. strontium ranelate). The effect of the presence of strontium ions in supersaturated calcium phosphate solutions on the rates of crystal growth of OCP and HAP was investigated at constant solution supersaturation, taking care to account only for the dilution of the strontium in the supersaturated solutions. It was found that Sr2+ ions entered the crystal lattice of both HAP and OCP probably substituting for calcium ions. The inhibitory effect of strontium on the crystallization rate of both calcium phosphates was evident, although in the case of OCP inhibition was exhibited a less extent in comparison with HAP. The presence of strontium during the crystal growth of OCP and HAP induced morphology changes and seemed that it retarded the transformation of the unstable OCP into the thermodynamically more stable HAP. Finally, the dissolution kinetics of apatitic deposits from pathological formations on native heart valves removed from patients was investigated in vitro at conditions of constant undersaturation. The dissolution of synthetic HAP was studied as a reference material. The dependence of the dissolution rates on the relative undersaturation of both substrates was second order suggested a surface diffusion controlled process. A marked difference was found however in the rates of dissolution of the two materials tested. The heart valve calcific deposits dissolved with rates 10 fold faster than the corresponding value of the synthetic HAP crystals. Crystallites of smaller size were observed from the morphological examination of both calcific deposits and HAP crystals after dissolution.