Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η σύνθεση, ο χαρακτηρισμός και η βιολογική αξιολόγηση τροποποιημένων πολυλειτουργικών νανοπεριεκτών (ΠΝΠ) ως συστημάτων μεταφοράς φαρμάκων (ΣΜΦ), με άμεση εφαρμογή στη θεραπεία του καρκίνου του μαστού και του προστάτη. Με τον όρο νανοπεριέκτες (ΝΠ) εννοούμε τα σωματίδια τα οποία βρίσκονται στην κλίμακα του νανομέτρου και κυμαίνονται σε διαστάσεις από περίπου 1nm έως και 100 nm. Ο όρος πολυλειτουργικά αναφέρεται στις ιδιότητες αυτών των νανοδομών και πιο συγκεκριμένα στο πως μεταβάλλονται οι ιδιότητες αυτών όταν υπάρχει επίδραση εξωτερικών παραγόντων όπως θερμοκρασία, pH, όξειδο-αναγωγικό περιβάλλον και μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο. Για την παρασκευή των πολυμερικών νανοπεριεκτών χρησιμοποιήθηκαν διάφορα είδη πολυμερισμών όπως, πολυμερισμός γαλακτώματος μέσω ριζών, πολυμερισμός σπόρου (seed), πολυμερισμός μεταφοράς ατόμου με ρίζες, πολυμερισμός διασποράς και πολυμερισμός μέσω απόσταξης-καταβύθισης. Οι διάφορες ευαισθησίες στα ΝΣ προστέθηκαν μέσω συμπολυμερισμού διαφόρων μονομερών τα οποία παρουσιάζουν τις προαναφερθείσες ιδιότητες. Κάποια από τα μονομερή τα οποία χρησιμοποιήθηκαν, όπως το υδρόξυ προπυλικό μεθακρυλαμίδιο (HPMA) το οποίο παρουσιάζει ευαισθησία στη μεταβολή της θερμοκρασίας και το 3-Μεθυλ-N-(2-((2-(3-οξοβουταναμιδο)εθυλ) δισουλαφανυλ)εθυλ)βουτ-3-εναμίδιο (Disulfide) το οποίο παρουσιάζει ευαισθησία στις μεταβολές του όξειδο-αναγωγικού περιβάλλοντος συνετέθησαν στο εργαστήριο, ενώ τα υπόλοιπα ήταν εμπορικά διαθέσιμα. Το κύριο μονομερές το οποίο χρησιμοποιήθηκε στους πολυμερισμούς είναι ο Μεθακρυλικός Μεθυλεστέρας (MMA) το οποίο είναι μη τοξικό και κατά τον πολυμερισμό του δημιουργεί σφαιρικές δομές συγκεκριμένου μεγέθους (νανοσφαίρες). Με τη χρήση του συγκεκριμένου μονομερούς συνετέθησαν συμπολυμερή, τα οποία είναι ευαίσθητα στη θερμοκρασία, στο pH και στο όξειδο-αναγωγικό περιβάλλον ή σε συνδυασμό των παραγόντων αυτών. Οι πολυμερικές νανοσφαίρες-νανοπεριέκτες οι οποίες συνετέθησαν είναι κενές στο εσωτερικό τους, ή είναι της μορφής πυρήνας-κέλυφος, όπου το κέλυφος περιέχει τα μονομερή με τις επιθυμητές ευαισθησίες. Η κοιλότητα η οποία δημιουργείται στο εσωτερικό των νανοσφαιρών, σε ορισμένες περιπτώσεις, έχει ως σκοπό τον εγκλωβισμό φαρμακευτικών ουσιών. Τα φαρμακευτικά μόρια τα οποία χρησιμοποιούνται στην παρούσα διδακτορική διατριβή, είτε στο εσωτερικό των νανοσφαιρών είτε προσδεδεμένα στην επιφάνεια αυτών, είναι η Δοξορουβικίνη (Doxorubicin) και η Δαουνοροβικίνη (Daunorubicin). Η επαγωγή των μαγνητικών ιδιοτήτων στους νανοπεριέκτες πραγματοποιήθηκε με τη σύνθεση μαγνητικών νανοσωματιδίων (ΜΝΣ) τα οποία παρασκευάστηκαν πάνω στην επιφάνειά τους. Η χρήση ενός εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου αυξάνει τοπικά τη θερμοκρασία με αποτέλεσμα, αφενός να διευκολύνεται η τοπική απελευθέρωση της εγκλωβισμένης φαρμακευτικής ουσίας και αφετέρου, εξαιτίας της υψηλής θερμοκρασίας που αναπτύσσεται τοπικά, να οδηγείται το καρκινικό κύτταρο σε απόπτωση (προγραμματισμένος κυτταρικός θάνατος). Για το χαρακτηρισμό των νανοπεριεκτών χρησιμοποιήθηκε μία πληθώρα τεχνικών. Για το μορφολογικό χαρακτηρισμό χρησιμοποιήθηκε η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης και διέλευσης, Scanning Electron Microscopy (SEM) και Transmission Electron Microscopy (ΤΕΜ) αντίστοιχα, για το δομικό, η φασματοσκοπία υπερύθρου (FT-IR), η φασματοσκοπία Raman, η φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) και η τεχνική περίθλασης ακτίνων-Χ, ενώ για τη μελέτη των μαγνητικών ιδιοτήτων χρησιμοποιήθηκε η φασματοσκοπία δονούμενου δείγματος Vibrating Sample Magnetometry, VSM). Επίσης χρησιμοποιήθηκαν η τεχνική της δυναμικής σκέδασης φωτός (Dynamic Light Scattering, DLS) η οποία έδωσε πληροφορίες για τις ιδιότητες και τη συμπεριφορά των νανοπεριεκτών μέσα στο διάλυμα, καθώς επίσης και η φασματοσκοπία ορατού-υπεριώδους (Ultra Violet-Visible, UV-VIS), μέσω της οποίας έγινε μελέτη του εγκλωβισμού και της απελευθέρωσης των χρησιμοποιούμενων φαρμάκων από τις νανoσφαίρες. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν μελέτες υπερθερμίας με τη βοήθεια ενός εξωτερικού εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου. / The aim of this thesis is the synthesis, characterization and biological evaluation of modified multifunctional nanoparticles (MMNs) as drug delivery systems (DDS, with immediate effect in the treatment of breast and prostate cancer. The term nanoparticles (NPs) refer to the particles which are in the nanometer scale and range in size, from about 1nm to and 100 nm. The term multifunctional refers to the properties of these nanostructures and more particularly to the way that change their properties when external factors such as temperature, pH, redox environment and alternating magnetic field are applied. For the preparation of polymeric nanoparticles, different types of polymerizations were used such as, emulsion polymerization, seed polymerization, atom transfer radical polymerization, dispersion polymerization and polymerization through distillation-precipitation process. The different sensitivities were added via copolymerization of different monomers which exhibit the aforementioned properties. Some of the monomers used like, N-(-2-HydroxyPropyl) Methacrylamide (HPMA), which is sensitive to temperature changes and N,N'-(disulfanediylbis(ethane-2,1-diyl))bis(2-methylacrylamide) (Disulfide) which is sensitive to changes in the redox environment, were synthesized in the laboratory, while the rest, were commercially available. The primary monomer, used in the polymerizations, was Methyl Methacrylate (MMA) which is non-toxic and in through to its polymerization creates spherical structures of certain size (nanospheres). By using the specific monomer, copolymers, which are sensitive to temperature, pH and redox environment or a combination of these factors, were synthesized. The synthesized polymeric nanospheres-nanocontainers, are either hollow inside, or form core-shell structures, where the shell contains the monomers with the desired sensitivity. The cavity which is created inside the nanospheres, in some cases, is intended to entrap pharmaceutical substances. The drug molecules used in this thesis, either within or tethered to the surface of the nanospheres are, Doxorubicin (DOX) and Daunorubicin (DNR). The induction of the magnetic properties in nanocontainers was performed by the synthesis of magnetic nanoparticles (MNPs), prepared on their surface. The use of an alternating magnetic field increases the temperature locally resulting on one hand to facilitate local release of the entrapped drug, and on the other hand, because of the high temperatures developed locally, to lead the tumor cell to apoptosis (programmed cell death). For the characterization of nanoparticles a variety of techniques were used. For the morphological characterization, Scanning Electron Microscopy (SEM) and Transmission Electron Microscopy (TEM) were used while for the structural characterization, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), Raman Spectroscopy, Nuclear Magnetic Resonance (NMR) and X-ray diffraction Spectroscopy were used. Magnetic properties were studied by Vibrating Sample Magnetometry (VSM). The Dynamic Light Scattering technique (DLS) was also used in order to get information about the properties and behavior of nanoparticles in solution and Ultra Violet-Visible Spectroscopy (UV-VIS), gave information about Loading and Release of the drugs used in nanocontainers. Hyperthermia measurements were carried out by using an external alternating magnetic field.

Τα ιοντικά υγρά (ΙΥ) έχουν κερδίσει το ενδιαφέρον των ερευνητών, λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων τους σε εφαρμογές κατάλυσης, ηλεκτροχημείας, σύνθεσης και αναλυτικής χημείας καθώς και σε μεθόδους διαχωρισμού. Πρόκειται για ιοντικές ενώσεις που αποτελούνται από οργανικά κατιόντα και οργανικά/ανόργανα ανιόντα, τα οποία εμφανίζουν χαμηλό σημείο τήξης Τm<100oC. Η δομή και οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ιοντικών υγρών καθορίζουν τις φυσικοχημικές τους ιδιότητες όπως είναι το χαμηλό σημείο τήξης, το χαμηλό ιξώδες, η χαμηλή τάση ατμών, η υψηλή αγωγιμότητα, η μη αναφλεξιμότητα αλλά και η δυνατότητα ανακύκλωσης. Η κατανόηση των διαμοριακών αλληλεπιδράσεων που λαμβάνουν χώρα σε αυτές τις δομές είναι απαραίτητη για την πρόβλεψη αλλά και τη σχεδίαση των ιδιοτήτων τους. Για να κατανοηθεί η δομή και οι αλληλεπιδράσεις στην υγρή φάση, στην παρούσα εργασία, μελετήθηκαν πρωτονιωμένα ιοντικά υγρά (ΠΙΥ) HCnImNTf2 (n=0-12) καθώς επίσης και τα τήγματα των αλκαλικών αλάτων ΜNTf2 (Μ:Li-Cs). Επίσης παρουσιάζεται o εγκλωβισμός τους σε μικροπορώδη υλικά για εφαρμογή τους σε κελιά καυσίμου. Κύριο χαρακτηριστικό των πρωτονιωμένων ιοντικών υγρών είναι ότι πέραν των ηλεκτροστατικών δυνάμεων που αναπτύσσονται μεταξύ τους, τα ανιόντα και τα κατιόντα συνδέονται και με ισχυρούς δεσμούς υδρογόνου. Στα συστήματα αυτά μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας στη δομή τους με χρήση δονητικής φασματοσκοπίας FT-IR και FT-Raman καθώς και με διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης. Από τη συγκεκριμένη μελέτη προέκυψε ότι στα συγκεκριμένα ιοντικά υγρά εμφανίζονται ηλεκτροστατικές και van der Waals αλληλεπιδράσεις, δεσμοί υδρογόνου καθώς και π-π αλληλεπιδράσεις. Επίσης διαπιστώθηκε ότι η αύξηση της θερμοκρασίας ευνοεί τη cis ισομέρεια του ανιόντος. Αντίθετα, στα τήγματα των αλάτων MNTf2 (Li-Cs) το ανιόν προτιμά την trans διαμόρφωση. Επίσης η μελέτη της επίδρασης του κατιόντος μελετώντας την επίδραση του κατιόντος στη δομή του ανιόντος οδήγησε στο συμπέρασμα ότι το ανιόν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εσωτερικός δείκτης των αλληλεπιδράσεων που λαμβάνουν χώρα στα ΙΥ. Κατά τη μελέτη των σύνθετων υλικών βρέθηκε ότι κατά την εισαγωγή του ιοντικού υγρού στους ζεόλιθους λαμβάνει χώρα ιονανταλλαγή μεταξύ του κατιόντος του HMIm+του ΠΙΥ και των κατιόντων Na+του ζεόλιθου. Επίσης, παρουσιάστηκε αύξηση της ιοντικής τους αγωγιμότητας σχεδόν τέσσερις φορές, σε σχέση με την αγωγιμότητα της άνυδρης κατάστασης των κρυστάλλων του ζεόλιθου. / Ionic liquids (ILs) have received considerable attention due to their unique properties in applications in catalysis, electrochemistry, synthesis, analytical chemistry, and separations. They consist of organic cations and organic or inorganic anions and have melting points less than 100oC. Their interesting properties such as low melting points, extremely low vapor pressures, low viscosity, high electrochemical window, no flammability and the ability of being recycled depend on the intermolecular and inter-ionic interactions. Understanding how these interactions are affected by the IL cation alkyl substituents is of paramount importance in order to understand how the IL structure influences macroscopically measured properties and eventually design ILs with desired properties by tailoring their structure. The main interactions of between the PIL ions are Coulombic, van der Waals and hydrogen bonding. In order to understand the effect of these forces to their properties, I examined the effect of alkyl length chain and temperature on the structure of Protic Ionic Liquids (PILs) HCnImNTf2 (n=0-12) using vibrational spectroscopy (FT-Raman and FT-IR/ATR) and differential scanning calorimetry (DSC). A similar study was also carried to the alkali molten salts ANTf2 (A:Li-Cs). Finally the encapsulation of HC1ImNTf2 in zeolites was studied. The goal of this study was to increase the crystal conductivity to level that makes them suitable for PEM fuel cell applications. According to these studies, it was found that the ions interactive long range electrostatic interactions, van der Waals interaction, hydrogen bonds and pi-pi stacking interactions. Moreover, it was found that in PILs the cis conformation of the anion is favored with increasing temperatures, whereas, in case of alkaline molten salts MNTf2 (Li-Cs), trans conformation is dominant in the liquid state. Since the population of the two isomers is affected by the local environment of the anion it was concluded that the anion NTf2- can be used as an indirect mean of the interactions that occur in these systems. Finally, from the encapsulation of protic ionic liquid HMImNTf2 into the porosity of zeolite material, it was found that an ion exchange procedure take place between the cation HMIm+ of the ionic liquid and the cation Na+ of the zeolite. The electric conductivity of the zeolite crystals increased by three times under dry conditions