- / -

- / -

Η υπολογιστική ανακατασκευή πορωδών υλικών και η προσομοίωση των φαινομένων μεταφοράς και των φυσικο-χημικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό τους είναι πολύτιμο εργαλείο για το σχεδιασμό νέων εφαρμογών ρόφησης ή διαχωρισμού μιγμάτων, όπως είναι η απομάκρυνση συστατικών με μεμβράνες βιο-αντιδραστήρων. Διάφορες ενδιαφέρουσες τεχνικές έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα για την τρισδιάστατη ανακατασκευή πορωδών μέσων, είτε με σειριακή τομογραφία είτε με στοχαστικές τεχνικές, χρησιμοποιώντας μικρό αριθμό φυσικών τομών. Στην παρούσα εργασία εξετάζονται οι τεχνικές της βαλλιστικής εναπόθεσης, της στοχαστικής κατανομής Monte Carlo, και της Monte Carlo με σκληρό πυρήνα. Τόσο ο καθορισμός των ιδιοτήτων της μεμβράνης, όσο και η βελτιστοποίηση της μεμβράνης ανάλογα με την εφαρμογή της στη βιομηχανία καθιστούν την υπολογιστική αποτύπωση της εσωτερικής δομής των πορωδών μέσων εξαιρετικά χρήσιμη. Επιπλέον, τα συμπεράσματα που εξάγονται βρίθουν εφαρμογών, όπως η υδρόλυση της λακτόζης. Οι μεμβράνες οι οποίες μελετώνται χαρακτηρίζονται ως υβριδικές δύο στρωμάτων, ενώ στο εσωτερικό τους εσωκλείουν ακινητοποιημένα ένζυμα β-γαλακτοσιδάσης. Κατά τη θεωρητική ανάλυση των φυσικο-χημικών φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό της μεμβράνης, ανέκυψαν ενδιαφέροντα αποτελέσματα ως προς την αποδοτικότητα της μεμβράνης καθώς πραγματοποιήθηκε ποσοτική ανάλυση για αρκετές παραμέτρους του προβλήματος. Χρησιμοποιήθηκαν τιμές για τις αποτελεσματικές ιδιότητες μεταφοράς της μεμβράνης όπως προέκυψαν από την επίλυση των αντίστοιχων προβλημάτων μεταφοράς στις ανακατασκευασμένες δομές, και βρέθηκε σημαντική επίπτωση των τιμών αυτών στη λειτουργία της μεμβράνης. Οι υβριδικές (ασύμμετρες) μεμβράνες τέτοιου τύπου βιο-αντιδραστήρων έχουν αυξημένο επιστημονικό ενδιαφέρον χάρη στην ποικιλία των βιομηχανικών τους εφαρμογών. Έτσι, η διαδικασία της ανακατασκευής και της φυσικο-χημικής ανάλυσης του προβλήματος μπορεί να εφαρμοστεί και σε πιο περίπλοκες διατάξεις μεμβρανών, όπως αυτών που χρησιμοποιούνται στο πεδίο της αιμοκάθαρσης, φιλτράρουν και αποσύροντας μέσω ρόφησης την κρεατίνη από το αίμα. / The computational reconstruction of porous media and the simulation of transport phe-nomena and physicochemical processes that take place at their interior are valuable meth-ods for designing new applications related to sorption mechanisms or separation of mix-tures, such as the removal of specific substances with bioreactor membrane systems. Several quite interesting techniques have been evolved for the three dimensional reconstruction of porous media, either by using stochastic methods or by serial tomography. In the present thesis the Ballistic deposition method, the Monte Carlo stochastic distribution and the stochastic Monte Carlo with impermeable cores, also known as the “cherry pit” model, are investigated. The estimation of the membrane properties, as well as the membrane optimization depending on its industrial application, turns the porous structure representation into a substantial element of the process. Furthermore, the conclusions that are drawn are utilized in various applications, such as the hydrolysis of lactose, for instance. The membranes that are examined here are characterized as two-layered hybrid membranes, which host immobilized enzymes of beta-galactosidase in their interior. During the theoretical analysis of physical and chemical phenomena that take place inside the membrane, quite interesting results were derived concerning the effectiveness of the membrane, while a quantitative analysis was performed for the majority of the system parameters. Moreover, the effective transport properties of the membrane were calculated by solving the pertinent mass transport problems in the reconstructed media and found to have an important influence on the membrane operation. Finally, this kind of hybrid (asymmetric) bioreactor membranes has an increasing scientific interest thanks to their increasing potential applicability in modern industrial practice. Therefore, the reconstruction procedure and the physical and chemical analysis of the problem can be applied to more complicated membrane devices, such as those used in blood purification, where membrane devices filtrate the blood and remove its creatinine through sorption.

Οι υδατάνθρακες αποτελούν βασικά δομικά στοιχεία των κυτταροπλασματικών μεμβρανών, ως συστατικά των μορίων γλυκοπρωτεϊνών, γλυκοζαμινογλυκανών ή γλυκολιπιδίων. Είναι πλέον γνωστό ότι οι υδατάνθρακες δεν αποτελούν απλά ενεργειακά αποθέματα αλλά μόρια υψίστης λειτουργικής σημασίας, τα οποία δρουν ρυθμιστικά στον πολλαπλασιασμό και την διαφοροποίηση των κυττάρων και συμμετέχουν σε διεργασίες όπως η κυτταρική αναγνώριση και προσκόλληση, η λειτουργία υποδοχέα, η λήψη και η μεταγωγή μηνυμάτων, ο καθορισμός της αντιγονικότητας, η αντιπρωτεολυτική και ανοσοδυναμική δράση κ.α. Οι λεκτίνες είναι πρωτεΐνικά ή γλυκοπρωτεΐνικά μόρια φυτικής ή ζωικής προελεύσεως, τα οποία έχουν την ιδιότητα της ειδικής και αναστρέψιμης συνδέσεως με υδατανθρακικές ομάδες της κυτταρικής επιφάνειας, της διάμεσης θεμέλιας ουσίας ή ελεύθερων γλυκολιπιδίων και γλυκοπρωτεϊνών, την χημική σύσταση των οποίων δεν αλλοιώνουν. Η χρήση ειδικά σεσημασμένων λεκτινών στα πλαίσια ιστοχημείας, ανοσοϊστοχημείας, ηλεκτρονικής μικροσκοπίας, ραδιοαπεικονιστικών και άλλων μεθόδων, προσφέρει ένα θαυμάσιο εργαλείο για τη μελέτη και κατευθυνόμενη τροποποίηση της μεμβρανικής υδατανθρακικής συστάσεως. Παρά τα σημαντικά βήματα προόδου στην μοριακή ανατομία κατά τα τελευταία έτη, οι γνώσεις μας για τη μορφογένεση του ανθρώπινου δέρματος είναι σχετικά περιορισμένες. Η ιδιαίτερα σημαντική για την διαφοροποίηση αλλά και για την μορφογένεση, υδατανθρακική σύσταση των κυτταροπλασματικών μεμβρανών της ανθρώπινης εμβρυϊκής επιδερμίδας, οι μεταβολές της αναλόγως του εξελικτικού σταδίου και οι διαφορές της σε σχέση με την επιδερμίδα του ενηλίκου, είναι ελάχιστα μελετημένες. Οι σχετικές εργασίες που ανευρίσκονται στη διεθνή βιβλιογραφία είναι ελάχιστες σε αριθμό και αποσπασματικές (περιορισμένο υλικό, στενό φάσμα εξεταζόμενων ηλικιών), ενώ τα αποτελέσματα τους είναι σε πολλές περιπτώσεις αντιφατικά. Για τους λόγους αυτούς ο σκοπός της παρούσης εργασίας ήταν η διερεύνηση σε μεγάλο δείγμα και ευρύ ηλικιακό φάσμα της υδατανθρακικής συστάσεως των κυτταροπλασματικών μεμβρανών κατά τη μορφογένεση της ανθρώπινης επιδερμίδας, με τη χρήση έξι διαφορετικών βιοτινυλιωμένων λεκτινών (PNA, DBA, WGA, RCA, ConA και UEA), η αντιπαραβολή των ευρημάτων με τα αντίστοιχα της διεθνούς βιβλιογραφίας και με εκείνα της υγιούς επιδερμίδας του ενηλίκου και τέλος η διερεύνηση του ενδεχομένου μελλοντικής αξιοποιήσεως των ευρημάτων της μελέτης στα πλαίσια διαγνωστικών ή θεραπευτικών εφαρμογών. Το υλικό της παρούσης εργασίας αποτελείτο από 152 συνολικά βιοψίες δέρματος κνήμης, ηλικίας 10 έως 23 εβδομάδων EGA. Ο καθορισμός της ηλικίας, η επεξεργασία των βιοψιών και η χρώση με λεκτίνες έγιναν σύμφωνα με καθιερωμένες μεθόδους που περιγράφονται στο αντίστοιχο κεφάλαιο. Κατά τη χρώση με τη λεκτίνη ΡΝΑ διαπιστώθηκε στο περιδέρμιο και στην ενδιάμεση στιβάδα συνεχής παρουσία της D-γαλακτοζο-β-(1,3)- Ν-ακετυλο-D-γαλακτοζαμίνης από την 10η μέχρι και την 20η εβδομάδα. Η βασική στιβάδα ήταν αρνητική σε όλα τα παρασκευάσματα από την 10η έως την 20η εβδομάδα, ενώ παρουσία της D-γαλακτοζο-β-(1,3)-Ν- ακετυλο-D-γαλακτοζαμίνης στην βασική μεμβράνη διαπιστώθηκε από την 10η έως και την 13η εβδομάδα. Στα παρασκευάσματα της 23η εβδομάδας η κεράτινη στιβάδα, η βασική στιβάδα και η βασική μεμβράνη ήταν αρνητικές στην ΡΝΑ, ενώ οι κυτταροπλασματικές μεμβράνες των κυττάρων τόσο της κοκκώδους όσο και της ακανθωτής στιβάδας παρουσίαζαν μετρίας εντάσεως θετική χρώση. Η υδατανθρακική σύσταση των κυτταροπλασματικών μεμβρανών στην εμβρυϊκή επιδερμίδα ηλικίας 23ων εβδομάδων και στην επιδερμίδα των ενηλίκων είναι ταυτόσημη. Η RCA έδωσε θετική αντίδραση κυμαινόμενης εντάσεως στο περιδέρμιο και στην ενδιάμεση στιβάδα σε όλα τα παρασκευάσματα από την 10η έως και την 20η εβδομάδα, γεγονός το οποίο υποδηλώνει μεμβρανική παρουσία της β-D-γαλακτόζης. Η β-D-γαλακτόζη ήταν παρούσα σε χαμηλή συγκέντρωση στις κυτταροπλασματικές μεμβράνες των κυττάρων της βασικής στιβάδας μεταξύ 10ης-12ης και 18ης-20ης εβδομάδας, ενώ αντιθέτως δεν ανιχνεύθηκε από την 13η έως την 17η εβδομάδα. Στην βασική μεμβράνη παρουσία της διαπιστώθηκε έως την 15η εβδομάδα. Στην εμβρυϊκή επιδερμίδα της 23ης εβδομάδας η β-D- γαλακτόζη απουσιάζει μόνο στην κεράτινη στιβάδα και στη βασική μεμβράνη, ενώ η συγκέντρωσή της αυξάνει στις μεμβράνες των κυττάρων από την βασική προς την ενδιάμεση στιβάδα. Όσον αφορά και την RCA η χρώση της εμβρυϊκής επιδερμίδος κατά την 23η εβδομάδα αντιστοιχεί σε γενικές γραμμές με εκείνη της επιδερμίδας των ενηλίκων. Το περιδέρμιο ήταν θετικό για την DBA από την 10η έως και την 20η εβδομάδα, εύρημα το οποίο υποδηλώνει παρουσία της α-D-N- ακετυλο-D-γαλακτοζαμίνης στις κυτταροπλασματικές μεμβράνες των κυττάρων του από την 10η εβδομάδα μέχρι και την απόπτωσή του. Ο υδατάνθρακας αυτός απουσίαζε όμως πλήρως στις μεμβράνες των κυττάρων τόσο της ενδιάμεσης όσο και της βασικής στιβάδας από την 10η έως και την 20η εβδομάδα. Η α-D-N-ακετυλο-D-γαλακτοζαμίνη ανιχνευόταν στη βασική μεμβράνη μόνον μεταξύ της 10ης και της 12ης εβδομάδας. Στην εμβρυϊκή επιδερμίδα ηλικίας 23ων εβδομάδων ο υδατάνθρακας αυτός απουσίαζε παντελώς στη βασική μεμβράνη και σε όλες τις στιβάδες πλην της βασικής, στην οποία ανιχνευόταν σε ποσοστό 40% των παρασκευασμάτων και μόνον εστιακά. Το παρατηρούμενο πρότυπο γλυκοζυλιώσεως στην 23η εβδομάδα όσον αφορά την α-D-N- ακετυλο-D-γαλακτοζαμίνη, είναι ταυτόσημο με εκείνο που παρατηρείται στην επιδερμίδα των ενηλίκων. Σύμφωνα με πρόσφατα βιβλιογραφικά δεδομένα πιθανολογείται πως τα DBA-θετικά κύτταρα της βασικής στιβάδας αποτελούν πρώιμα μεταμιτωτικά διαφοροποιούμενα κύτταρα. Για την μετακίνηση των κυττάρων αυτών προς τις υπερβασικές στιβάδες είναι απαραίτητη η απώλεια των β1-ιντεγκρινών από την κυτταρική επιφάνεια, φαινόμενο που σχετίζεται με την διακοπή της γλυκοζυλιώσεως της β1 ιντεγκρινικής υπομονάδας και τη συσσώρευσή της στο σύστημα Golgi. Η παρουσία της α-D-N-ακετυλο-D- γαλακτοζαμίνης θα μπορούσε να αντιπροσωπεύει σήμα αναστολής της κινήσεως της β1-ιντεγκρίνης προς την κυτταρική επιφάνεια. Η χρώση της εμβρυϊκής επιδερμίδας με ConA στο περιδέρμιο και την ενδιάμεση στιβάδα ήταν θετική μεταξύ 10ης και 20ης εβδομάδος, με συνεχείς διακυμάνσεις της εντάσεως (και κατά συνέπεια της συγκεντρώσεως της α-D-μανόζης και της α-D-γλυκόζης). Στην βασική στιβάδα η ConA ήταν θετική έως και την 12η εβδομάδα, ενώ στην βασική μεμβράνη ήταν θετική έως την και την 14η εβδομάδα. Η παρουσία της α- D-μανόζης και της α-D-γλυκόζης στην βασική στιβάδα σε πρώιμα στάδια της μορφογενέσεως φαίνεται να αποτελεί διαφορά μεταξύ της εμβρυϊκής επιδερμίδας και άλλων εμβρυϊκών επιθηλίων και υποδηλώνει κάποιο ειδικό ρόλο του υδατάνθρακος αυτού κατά το κρίσιμο στάδιο της επιδερμιδικής διαφοροποιήσεως. Στην εμβρυϊκή επιδερμίδα κατά την 23η εβδομάδα η α-D-μανόζη και η α-D-γλυκόζη ανιχνεύονται μόνο στις κυτταροπλασματικές μεμβράνες των κυττάρων της κοκκώδους και της ακανθωτής στιβάδας. Η απουσία τους από τη βασική στιβάδα της εμβρυϊκής επιδερμίδας στις 23 εβδομάδες αποτελεί και τη μοναδική διαφορά της τελευταίας σε σύγκριση με την επιδερμίδα των ενηλίκων. Αν εξαιρέσει κανείς τη βασική στιβάδα της εμβρυϊκής επιδερμίδας (και τη βασική μεμβράνη) από τη 10η έως και την 20η εβδομάδα στην οποία η μεμβρανική χρώση με UEA ήταν αρνητική (άρα απουσίαζε η α- L-φουκόζη) στις υπόλοιπες επιδερμιδικές στιβάδες η ένταση της χρώσεως παρουσίαζε μεγάλες διακυμάνσεις. Στην εμβρυϊκή επιδερμίδα ηλικίας 23ων εβδομάδων θετική χρώση με UEA και επομένως και παρουσία α-L-φουκόζης υπήρχε μόνο στις κυτταροπλασματικές μεμβράνες των κυττάρων της κοκκώδους και της ακανθωτής στιβάδας, όπως ακριβώς συμβαίνει και στην επιδερμίδα του ενηλίκου. Η απουσία της α-L-φουκόζης στη βασική στιβάδα φαίνεται να αποτελεί σημαντική διαφορά μεταξύ της εμβρυϊκής επιδερμίδας και άλλων εμβρυϊκών επιθηλίων όπως π.χ. του αναπνευστικού. Αντιθέτως, η πρώιμη παρουσία της στις μεμβράνες των κυττάρων της ενδιάμεσης στιβάδας, υποδηλώνει σημαντικό ρόλο της κατά τα πρώτα στάδια της επιδερμιδικής διαφοροποιήσεως. Βασικό χαρακτηριστικό γνώρισμα της χρώσεως της εμβρυϊκής επιδερμίδας από την 10η έως και την 20η εβδομάδα με τη λεκτίνη WGA ήταν οι συνεχείς διακυμάνσεις της εντάσεώς της τόσο στο περιδέρμιο όσο και στην ενδιάμεση και στη βασική στιβάδα, ενώ στη βασική μεμβράνη μετά την 13η εβδομάδα η αντίδραση ήταν αρνητική. Τα ευρήματα αυτά υποδηλώνουν αντίστοιχες ποσοτικές μεταβολές της μεμβρανικής συγκεντρώσεως της β(1,4)-D-N-ακετυλο-D-γλυκοζαμίνης. Στα παρασκευάσματα της 23ης εβδομάδας αρνητική χρώση με WGA παρατηρήθηκε μόνο στην κεράτινη στιβάδα και στη βασική μεμβράνη, όπως ακριβώς και στην επιδερμίδα των ενηλίκων. Σε όλες τις περιπτώσεις μεταξύ 13ης και 15ης εβδομάδος η βασική μεμβράνη αρνητικοποιήθηκε για τους υδατάνθρακες D-γαλακτοζο-β- (1,3)-Ν-ακετυλο-D-γαλακτοζαμίνη, β-D-γαλακτόζη, α-D-N-ακετυλο-D- γαλακτοζαμίνη και α-D-μανόζη, α-D-γλυκόζη. Οι αλλαγές αυτές στην γλυκοζυλίωση συμπίπτουν χρονικά με την έναρξη του σταδίου της θυλακικής κερατινοποίησης και πιθανώς να σχετίζονται με την - απαραίτητη για τη μορφογένεση των τριχικών θυλάκων και άλλων δομών - σύνθετη αλληλεπίδραση επιδερμίδας-χορίου. Η ερμηνεία των παρατηρηθέντων μεταβολών της υδατανθρακικής σύστασης των κυτταροπλασματικών μεμβρανών κατά τη μορφογένεση της επιδερμίδας είναι επί του παρόντος δυσχερής, δεδομένου ότι οι μηχανισμοί συνθέσεως και μεταφοράς των υδατανθράκων στα επιδερμιδικά κύτταρα παραμένουν άγνωστοι. Η σύγκριση των ευρημάτων της παρούσης μελέτης με τις ολιγάριθμες και αποσπασματικές προγενέστερες σχετικές εργασίες, δείχνει ταύτηση σε πολλά σημεία αλλά και σημαντικές διαφορές. Για την ερμηνεία των διαφορών αυτών θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ο πολύ μικρός αριθμός παρασκευασμάτων που χρησιμοποιήθηκε στις προγενέστερες εργασίες, ο συγκριτικά πολύ μεγάλος αριθμός παρασκευασμάτων που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα μελέτη, οι διαφορές στις θέσεις λήψεως των βιοψιών του δέρματος μεταξύ των μελετών, αλλά και οι διαφορές στις τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν. Τα ευρήματα της παρούσης μελέτης, στην οποία αναλύεται για πρώτη φορά σε τέτοιο βαθμό πληρότητας (ηλικιακό φάσμα, αριθμός παρασκευασμάτων), η υδατανθρακική σύσταση των κυτταροπλασματικών μεμβρανών κατά την μορφογένεση, θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν για τη διερεύνηση της παθογένειας δερματικών νοσημάτων, καθώς και για τη μελλοντική ανάπτυξη διαγνωστικών και θεραπευτικών εφαρμογών. / Carbohydrates are essential structure components of plasma cell membranes since they are constituents of the molecules of glycoproteins, glycosaminoglycans and glycolipids. It is known that carbohydrates do not simply represent energy sources but molecules of cardinal functional importance, which are involved in the regulatory mechanisms of the mitotic activity and differentiation of cells and participate in cell recognition and adhesion, signal transduction, receptor function, antigen formation and other key biochemical and immunological events. Lectins are proteins or glycoproteins of plant or animal origin, which are capable of specifically and reversibly binding to carbohydrate residues of the cell surface, intercellular matrix or free glycolipids and glycoproteins. Specifically labelled lectins represent a useful tool for the study and manipulation of carbohydrate composition of plasma cell membranes. Despite the recent significant progress in molecular anatomy, our knowledge and understanding of the mechanisms underlying the morphogenesis of human skin are limited. Particularly very little is known about the carbohydrate composition of plasma cell membranes of human embryonic epidermis, its alterations during epidermal morphogenesis and its differences, as compared to the adult epidermis. The number of studies dealing with this subject is small, the examined skin specimens are limited, the spectrum of the gestational age groups they originated from is narrow and the corresponding results mostly contradictory. We found it, therefore, of interest to : a) Investigate in the present study the carbohydrate composition of plasma cell membranes during morphogenesis of human epidermis, using six different biotinylated lectins (PNA, DBA, WGA, RCA, Con A and UEA) in a large number of specimens derived from different gestational age-groups. b) To comparatively evaluate our findings with the available data on embryonic and adult human epidermis and c) To search for possible diagnostic or therapeutic applications of our results. A total number of 152 tibial skin specimens (10-23 weeks EGA) were studied by lectin histochemistry. The positive reaction of periderm and intermediate layer (10th to the 20th week EGA) points towards a persistent occurrence of D-galactose-β-(1,3)-N-acetyl-D-galactosamine in the plasma cell membranes of these layers. The basal layer revealed negative reaction to PNA in all specimens (10th to 20th week EGA), whereas, basement membrane demonstrated positive staining in the specimens of the 10th to 13th week EGA. In the specimens of the 23th week EGA, the keratin and basal layer and the basement membrane showed no staining with PNA, whereas, the plasma cell membranes in the granular and spinous layers showed a moderately positive reaction. The identical-PNA binding pattern indicates the lack of any differences between the embryonic (23 weeks EGA) and adult epidermis with regard to D-galactose- β-(1,3)-N-acetyl-D-galactosamine plasma cell membrane composition. In all specimens of the 10th to 20th week EGA, periderm and intermediate layer showed a positive reaction to RCA of variable intensity. This finding indicates that β-D-galactose is an obligatory constituent of plasma cell membranes in embryonic epidermis. Low β-D-galactose concentrations were found in the plasma cell membranes of the basal layer in the specimens of the 10th to 12th and 18th to 20th week EGA, whereas, this carbohydrate was not detected in the specimens of 13th to 17th week EGA and in the basement membrane beyond the 15th week EGA. In the specimens of the 23th week it was absent in the keratin and basal layer, whereas its concentrations progressively increased from the basal to the spinous layers. The RCA-binding pattern of specimens of the 23th week EGA is very similar to that of the adult epidermis. Periderm showed positive reaction to DBA in the specimens of the 10th to 20th week EGA, indicating the occurrence of α-D-N-acetyl-D-galactosamine in the periderm until its apoptosis. However, this carbohydrate was completely absent in the plasma cell membranes of the keratinocytes in the intermediate and basal layers from the 10th to the 20th week EGA, but was detected in the basement membrane only in the specimens of the 10th to the 12th week EGA. In embryonic epidermis (23 weeks EGA) this carbohydrate was completely absent in the basement membrane and in all layers but the basal, in which it was focally detected in 40% of the specimens. Thus, the DBA-binding profile and concequently the pattern of α-D-N-acetyl-D-galactosamine distribution in the embryonic epidermis (23 weeks EGA) is identical to those of the adult epidermis. DBApositive keratinocytes of the basal layer are thought to represent early forms of post-mitotic differentiated keratinocytes. For the movement and translocation of these cells to the suprabasal layers the disappearance of β1-integrins from the cell surface is a prerequisite and related to the inhibition of β1-integrin subunit glycosylation and its accumulation in the Golgi apparatus. It is, therefore, possible that the presence of a-D-N acetyl-D-galactosamine could represent an inhibitory signal for β1- integrin translocation to the cell surface. Periderm and intermediate layer in the specimens of the 10th to the 20th week EGA positively reacted to Con A. The intensity of this reaction and concequently the concentration of α-D-glucose and α-D-mannose were variable. The plasma cell membranes of the basal layer stained with Con A only in the specimens of the 10th to 12th week EGA , whereas the basement membrane positively reacted only in the specimens of the 10th to 14th week EGA. It seems, therefore, that the occurrence of α-D-glucose and α-D-mannose in the keratinocyte membranes of the basal layer during the early stages of epidermal morphogenesis is a unique property of embryonic epidermis not shared by other embryonic epithelia that indicates a specific role of these carbohydrate residues in the critical initial stage of epidermal differentiation. In the embryonic epidermis, (23th week EGA), α-D-glucose and α-D-mannose were detected only in the plasma cell membranes of the keratinocytes of the granular and spinous layers, whereas its lack in the basal layer constitutes the only difference, as compared to the adult epidermis. Apart from the UEA negative basal layer (and the basement membrane) in the specimens of the 10th to the 20th week EGA, all other epidermal layers positively stained with this lectin. However, the intensity of the staining and consequently the concentration of α-L-fucose revealed dramatic variations. In the embryonic epidermis of the specimens of the 23rd week EGA only the plasma cell membranes of the keratinocytes in the granular and spinous layer positively reacted to UEA, a binding pattern identical to that found in the adult epidermis. The lack of α-Lfucose in the plasma cell membranes of basal keratinocytes constitutes a significant difference between the embryonic epidermis and other embryonic epithelia in humans. The occurrence of this monosaccharide in the surface of keratinocytes in the intermediate layer during the early age gestational roups indicate that it may play a significant role in the early stages of epidermal differentiation. A characteristic feature of embryonic epidermis (10th –20th week EGA) was the variable binding of the periderm and the plasma cell membranes of keratinocytes in the intermediate and basal layer to WGA, whereas the basement membrane (after the 13th week EGA) revealed a negative reaction. These findings clearly reflect corresponding variations of the plasma cell β(1,4)-D-N-acetyl-D-glucosamine composition. With regard to binding to WGA the embryonic epidermis (23rd week EGA) revealed a negative reaction, a feature also shared by the adult epidermis. It is of importance to note that in all specimens (13rd-15th week EGA) the basement membrane developed a negative reaction to D-galactose-β- (1,3)-Ν-acetyl-D-galactosamine, β-D-galactose, α-D-N-acetyl-D-galactosamine, α-D-glucose and α-D-mannose. These changes in plasma cell membrane glycosylation simultaneously occurred with the initiation of hair follicle keratinization and may be related to the complex interaction of epidermis and dermis, which is of essential importance for the morphogenesis of hair follicles. The interpretation of the observed alterations in the carbohydrate residue composition of the plasma cell membranes during epidermal morphogenesis is difficult at this juncture, since the mechanisms by which the synthesis and transport of these molecules within epidermal keratinocytes remain are mediated unknown. Our findings keep up with several results of previous investigations but contradict others, probably due to differences in the number and origin of the skin specimens and in the used techniques. The findings of the present study, in which the carbohydrate residue composition of keratinocyte plasma cell membranes was determined for the first time in a large number of specimens derived from different gestational age groups, could be utilized in the investigation of the pathogenesis, the prenatal diagnosis and the management of a vast variety of dermatoses.

Οι εφελκυόμενες κατασκευές από δίκτυα καλωδίων και μεμβράνες αποτελούν ένα στατικό σύστημα ανάληψης φορτίων που εκτός του ότι πετυχαίνει τη βέλτιστη αξιοποίηση της αντοχής των υλικών δίνει και φορείς μεγάλης δυσκαμψίας λόγω της διπλής καμπυλότητας των επιφανειών τους αλλά και της προέντασής τους από συγκεκριμένα όρια ή σημειακές στηρίξεις. Η εύρεση ισορροπουσών μορφών αυτών των κατασκευών δεν είναι αποτέλεσμα μόνο αρχιτεκτονικής έμπνευσης αλλά γίνεται είτε με τεχνικές φυσικής προσομοίωσης είτε ακριβέστερα με εφαρμογή αριθμητικών μεθόδων βασισμένων σε εξισώσεις ισορροπίας ή κίνησης. Στην εργασία αυτή, γίνεται διεξοδική εξέταση και μαθηματική διατύπωση της μεθόδου πυκνότητας-δύναμης προκειμένου για την εύρεση ισορροπουσών μορφών δικτύων καλωδίων και μεμβρανών ακόμα και για τις περιπτώσεις περιορισμών σχετικά με τη γεωμετρία, την εντατική κατάσταση κλπ.. Γίνεται ακόμη εξέταση των παραμέτρων που επηρεάζουν την ισορροπούσα μορφή όπως, της παραμέτρου πυκνότητας-δύναμης, της αλλαγής της θέσης των οριακών κόμβων, της τοπολογίας δικτύου και άλλων. Τέλος, προτείνεται μία διαδικασία υλοποίησης πραγματικών κατασκευών με καλώδια συγκεκριμένης διατομής και αντοχής ανάλογης με αυτή που προκύπτει από τη μέθοδο πυκνότητας-δύναμης. / Prestressed cable nets and membranes are a static load bearing system which besides achieves the optimal utilization of material strength it also gives forms of high stiffness mainly due to the existence of double curvature surfaces and prestress. Finding forms of these structures is not only a result of architectural inspiration but involves either physical modelling techniques or numerical methods based on equations of static equilibrium or motion. In this study, made a thorough examination and mathematical formulation of the force-density method which results in finding equilibrium forms for both cable nets and membranes even if restrictions regarding the geometry or stress state are included. Several types of these structures are formed in order to understand how parameters such as the force-density parameter, the nodal coordinates of fixed nodes, the network topology etc., affect the equilibrium form. Finally, it is proposed an implementation process for the construction of real structures where it is considered the self-weight of the cable net or membrane in the formfinding process.

Membranes find extensive applications today in numerous processes ranging from gas purification techniques to the treatment of industrial wastewater and the production of clean water because of their potential for better energy utilization and reduced production and equipment costs. A typical example is seawater desalination, where the use of advanced membrane technologies based on nanoporous, semipermeable materials with well controlled pore architectures would be favored over reverse osmosis due to lower operating cost and minimal environmental impact. But for membranes to achieve the desired levels of purification efficiency and effectiveness (they are also often susceptible to fouling and tend to exhibit low chemical resistance) they must possess an array of desired and novel properties such as high tensile strength and a well-defined nanoscale porous structure; the latter could allow the selective transport of (e.g.) water while simultaneously blocking undesired compounds (e.g., organic molecules). A typical such membrane operation is nanofiltration (NF), driven by applying a pressure difference between the two sides of the membrane. In the last decade, a large number of experimental studies have identified carbon nanotubes (CNTs) as a very attractive new class of nanoporous materials for designing nanostructured polymeric membranes characterized by exceptionally selective and permeable nanopores. Unfortunately, contradicting experimental results have often been reported as far as the magnitude of flow enhancement is concerned during water transport through nanometer-wide CNTs embedded in micrometer thick membranes. For example, Holt et al. [Nano Letters, 2004] reported an enhancement factor of 4 to 5 orders of magnitude higher while Majumder et al. [Nature, 2005] found water flows that are 2 to 4 orders of magnitude larger than the predicted ones by macroscopic continuum models. More recent experimental results [Qin et al., Nano Letters, 2011] on individual ultra-long (several micrometers) CNTs with diameter in the range 0.81-1.59 nm reported flow enhancement rates below 1000, thus contradicting for the same diameter the results of the two previous studies. A thorough review of the existing literature [Kannam et al., JCP, 2013] has shown that data for the slip length (which characterizes the flow rate of water in CNTs) are scattered over 5 orders of magnitude for nanotubes of diameter 0.81–10 nm. To help clarify some of the above observations, in this Master’s thesis, we have developed and implemented a coarse-grained method for simulating diffusion of a small molecule (water) within a glassy PMMA membrane containing CNTs which has allowed us to probe significantly longer times than what is possible today by atomistic molecular dynamics (MD) simulations. The method is known as kinetic Monte Carlo, is realized on a lattice, and uses as input data only the transition rates for a water molecule to hop from one lattice site to another. To take into account the nanostructure of the polymeric membrane and the fact that water diffuses much faster within a CNT than within a glassy polymer, lattice sites belonging to PMMA regions of the membrane have been assigned a different rate constant than lattice sites belonging to the interior of a CNT. The two constants have been computed by borrowing data for water diffusivity in the PMMA matrix and in a CNT either from experimental measurements or from independent simulation studies. At T=300K and for CNTs with a diameter D larger than about 2 nm, the rates are equal to 1.3x108 s-1 for PMMA and 2.3x1011 s-1 for CNT. That is, CNT sites correspond to “fast-diffusing” regions while PMMA ones to “slow-diffusing” regions, for a given water molecule. The simulations begin by distributing a large number of ghost water molecules on the sites of the lattice and letting them hop from site to site by using the above predetermined transition rates. In the simulations, hopping from a PMMA site towards a CNT interior site and backwards is forbidden; the only possible way for a walker to enter-exit a CNT is via the CNT entrance region. From the KMC method we compute the mean square displacement (msd) of all walkers as a function of time and then we apply Einstein’s equation to extract the corresponding effective diffusivity Deff quantifying water transport in the entire polymeric membrane given that the diffusive motion of the penetrants is Fickian. We conducted several such KMC runs both for randomly placed and perfectly aligned CNTs in the matrix, and we calculated the dependence of Deff on the size of CNTs (their diameter D and length L) and their concentration C (% vol.) in the PMMA matrix. Our simulation results indicate that CNT orientation does not significantly affect the water effective diffusivity. We also found that Deff varies practically linearly with both the CNT aspect ratio and CNT concentration. This allowed us to come up with a simple linear expression for Deff as a function of C and L/D describing the mobility of water molecules in the membrane. The predictions of this analytical equation are in excellent agreement with the simulation findings. / Για την αποτελεσματική επεξεργασία βιομηχανικών λυμάτων συχνά χρησιμοποιούνται μεμβράνες. Με αυτόν τον τρόπο γίνεται η προσπάθεια απομάκρυνσης τοξικών καθώς και διαφόρων άλλων οργανικών λυμάτων. Οι συμβατικές πλαστικές μεμβράνες παρουσιάζουν χαμηλή διαπερατότητα στα μόρια του νερού με αποτέλεσμα, οι ρυθμοί καθαρισμού των λυμάτων να είναι πολύ χαμηλοί. Στόχος μας είναι να βελτιώσουμε τις μεμβράνες αυτές. Συνεπώς, η επιλογή των κατάλληλων υλικών και η βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων διαπερατότητας τους, αποτελούν βασικά ζητήματα. Οι νανοσωλήνες άνθρακα αποτελούν μία πολύ ελκυστική επιλογή λόγω της ικανότητας απόρριψης οργανικών ρύπων χαμηλού μοριακού βάρους. Πρόκειται για ένα πολλά υποσχόμενο νάνο-υλικό το οποίο δύναται να κατασκευασθεί εύκολα και μάλιστα με αρκετά χαμηλό κόστος. Πλήθος ερευνητών έχουν παρατηρήσει ότι η διαχυτότητα του νερού διαμέσω των νανοσωλήνων, ειναι κάποιες τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από την αντίστοιχη διαχυτότητα στις πλαστικές μεμβράνες. Γι’ αυτό το λόγο, η διεξαγωγή μοριακών προσομοιώσεων είναι πολύ σημαντική, όσον αναφορά στη μελέτη της μεταφοράς των μορίων αυτών, έτσι ώστε να επιτευχθεί καλύτερος σχεδιασμός των υλικών. Στην παρούσα εργασία, το ενδιαφέρον μας στρέφεται γύρω από την κινητικότητα που αναπτύσουν τα μόρια του νερού μέσα σε νανοσύνθετες μεμβράνες πολυμερούς (PMMA) με νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs). Τόσο από προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής, όσο και από πειραματικά δεδομένα, γνωρίζουμε την τιμή του συντελεστή διάχυσης του νερόυ στους νανοσωλήνες, καθώς και στην πολυμερική μήτρα PMMA. Η αναλυτική μέθοδος της μοριακής δυναμικής αδυναμεί να εξετάσει παραμετρικά τέτοια μεγάλα συστήματα, μεγάλων χαρακτηριστικών χρόνων χαλάρωσης, λόγω πολύ υψηλού υπολογιστκού κόστους. Η τεχνική που χρησιμοποιήσαμε είναι μία στοχαστική μέθοδος προσομοίωσης Kinetic Monte Carlo. Πρόκειται για μία μέθοδο που από τη μία προσομοιώνει δυναμικά φαινόμενα, σαν αυτό της διάχυσης που μελετάμε, ενώ από την άλλη, λόγω έλλειψης δυναμικών αλληλεπίδρασης, είναι εκπληκτικά γρηγορότερη της μοριακής δυναμικής, ακόμα και σε μεγάλα συστήματα. Όλες οι προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν σε κυβικά πλέγματα, οι ακμές των οποίων θεωρούνται είτε “γρήγορες” περιοχές νανοσωλήνων, είτε “αργές” περιοχές PMMA. Τα μόρια του νερού μπορούν να κινούνται μόνο στο διακριτό χώρο που ορίζουν οι ακμές αυτές, έτσι ώστε να εισέρχονται και να εξέρχονται από τους νανοσωλήνες. Υπολογίζεται έτσι η χρονική εξέλιξη της μέσης τετραγωνικής μετατόπισης των μορίων του νερού (περιπατητές) στη μεμβράνη, από την οποία εξάγεται η τιμή του συντελεστή της αποτελεσματικής διαχυτότητας Deff του νερού στο νανοσύνθετο. Μελετήθηκαν συστήματα με παράλληλους νανοσωλήνες, καθώς και με νανοσωλήνες τυχαίας διεύθυνσης. Η τιμή της Deff δε φάνηκε να εξαρτάται από την διευθέτηση των CNTs. Παρατηρήθηκε ότι η αύξηση της κατ’όγκο συγκέντρωσης (c %) της μεμβράνης σε νανοσωλήνες, αυξάνει την αποτελεσματική διαχυτότητα του νερού. Επιπλέον, σημαντική ήταν η αύξηση της Deff υπό την αύξηση του αδιάστατου χαρακτηριστικού λόγου “μήκους νανοσωλήνα / διάμετρο νανοσωλήνα” (L/D), υπό σταθερή συγκέντρωση. Προσομοιώθηκαν συνολικά 70 συστήματα. Η μέγιστη κατ’όγκο συγκέντρωση σε νανοσωλήνες είναι 30%, ενώ ο μέγιστος λόγος L/D εφθασε το 42. Η μέγιστη τιμή της Deff λαμβάνεται στα μέγιστα της συγκέντρωσης σε νανοσωλήνες και του χαρακτηριστικού λόγου L/D, και είναι περίπου 7 φορές μεγαλύτερη της διαχυτότητας του νερού στη μεμβράνη, απουσία νανοσωλήνων. Προτείνεται επίσης ένα μοντέλο, το οποίο προβλέπει με πολύ μεγάλη ακρίβεια τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, τόσο σε συστήματα παράλληλων, όσο και σε συστήματα τυχαιάς διεύθυνσης νανοσωλήνων.

- / -

- / -

Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι η εκτίμηση της συσχέτισης ανάμεσα στην κυτταροτοξικότητα και την μείωση της ακεραιότητας λιποσωμικών μεμβρανών που προκαλούνται από έκδοχα. Εάν υπάρχει, μπορεί να προταθεί η χρήση των λιποσωμάτων ως in vitro τεχνική για την εκτίμηση της κυτταρο-τοξικότητας εκδόχων. Μελετήθηκε η κυτταροτοξικότητα σε 4 κυτταρικές σειρές ( A549, PC3, MDA-MB, MCF-7 ) και η επίδραση στην ακεραιότητα λιποσωμάτων των παρακάτω εκδόχων που χρησιμοποιούνται σε σκευάσματα τοπικής χορήγησης: Labrafac Hydro, Labrafac CC, Transcutol, Cremofor, DL- Lactic acid και Capmul σε συγκεντρώσεις 1% και 10% (v/v) Για την μέτρηση της κυτταροτοξικότητας (στις 6 και 24 ώρες επώασης) χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος του MTT (Thiazolyl Blue Tetrazolium Bromide) ενώ για την εκτίμηση της μεμβρανικής ακεραιότητας λιποσωμάτων [χρησιμοποιήθηκαν MLV (πολυστοιβαδιακά) και SUV (μικρά μονοστοιβαδιακά) λιποσώματα, με διάφορες λιπιδικές συστάσεις [PC (φωσφατιδυλοχολίνη), HPC (υδρογονωμένη φωσφατιδυλοχολίνη) και DSPC( διστεαρουλο φωσφατιδυλοχολίνη) με ή χωρίς Chol (χοληστερόλη)] μετρήθηκε η διαφυγή της εγκλωβισμένης στα λιποσώματα καλσεΐνης. Τα πειραματικά αποτελέσματα, έδειξαν ότι η επιβίωση-πολλαπλασιασμός των κυττάρων επηρεάζεται λιγότερο ή περισσότερο από τα έκδοχα: Labrafac Hydro (1% και 10%), Transcutol (10%), Cremofor (1% και 10%), Capmul (1% και 10%) και Lactic acid (1% και 10%) ενώ πολύ λιγότερο από τα έκδοχα Labrafac CC(1% και 10%) καθώς και από το Transcutol 1%. Σε ότι αναφορά την ακεραιότητα των λιποσωμάτων ( έως 24 ώρες επώασης) τα έκδοχα Cremofor, Labrafac, Capmul, Lactic acid και Labrafac hydro επηρεάζουν όλες τις λιπιδικές συστάσεις και τύπους λιποσωμάτων που μελετήθηκαν, ενώ τα έκδοχα Transcutol και Labrafac CC επηρεάζουν πολύ λιγότερο τις πιο ρευστές λιπιδικές μεμβράνες, και σχεδόν καθόλου τις σκληρές. Φαίνεται ότι είναι πιθανή η συσχέτιση των δύο σειρών αποτελεσμάτων. / The aim of this thesis is to study if a correlation may exist between the cytotoxicity of excipients and their effect on the integrity of liposomal membranes. If such a correlation exists perhaps the effect on liposome integrity may be used as an in vitro system to predict excipient cytotoxicity. Methods: The cell toxicity in four cell lines ( A549, PC3, MDA-MB, MCF-7 ) and the influence on liposome integrity of several commonly used excipients was studied. The following excipients which are used in topical formulations were studied: Labrafac Hydro, Labrafac CC, Transcutol, Cremofor, DL- Lactic acid and Capmul at concentrations of 1% and 10% (v/v). For the measurement of cell toxicity (6 and 24 hours of incubation) the MTT-assay (Thiazolyl Blue Tetrazolium Bromide) was used, whereas for the evaluation of the liposome membrane integrity MLV (MultiLaminar Vesicles) and SUV (Small Unilaminar Vesicles) liposomes with different lipid compositions [PC (phosphatidyl choline), HPC (hydrogenated phospatidyl choline) and DSPC (distearoylphosphatidylcholine) with or without Chol (cholesterol)] were prepared and the escape of the calcein encapsulated in the liposomes was measured at different time points during their incubation in presence of the excipients. Results: The experimental results showed that the cell survival-proliferation is influenced more or less by the following excipients (in increasing effect order): Labrafac Hydro (1% and 10%), Transcutol (10%), Cremofor (1% and 10%), Capmul (1% and 10%) and Lactic acid (1% and 10%) while the effect of Labrafac CC(1% and 10%) as well as Transcutol 1%, is minimal. As far as the integrity of the liposomes (up to 24 hours of incubation) is concerned, the excipients Cremofor, Labrafac, Capmul, Lactic acid and Labrafac hydro affect all the lipidic compositions and types of liposomes that were studied, whereas the excipients Transcutol and Labrafac CC influenced only minimally the more liquid membranes and had no effect on the more rigid lipid compositions. It seems that a correlation between the two series of results is possible.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελείται από δύο ξεχωριστές ενότητες οι οποίες έχουν σαν στόχο τη μελέτη τροποποιημένων πολυμερικών μεμβρανών για χρήση σε κυψελίδες καυσίμου αγωγής πρωτονίων και σε εφαρμογές διαχωρισμού αερίων. Στην πρώτη ενότητα έγινε εκτίμηση του μοριακού προσανατολισμού μονοαξονικά εφελκυσμένων πολυμερικών μεμβρανών Nafion-115 με τη βοήθεια πολωμένων φασμάτων UV-Raman. Πειράματα δυναμικής μηχανικής ανάλυσης επαλήθευσαν τις προσδοκίες για βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων του πολυμερικού ηλεκτρολύτη κατά μήκος της διεύθυνσης εφελκυσμού. Η θερμική ανάλυση των δειγμάτων με τις τεχνικές της διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης και της θερμοσταθμικής ανάλυσης δεν έδειξε κάποια ιδιαίτερη διαφοροποίηση μεταξύ εφελκυσμένων και μη δοκιμίων Nafion-115, πέραν της βελτίωσης της ικανότητας των τανυσμένων μεμβρανών να συγκρατούν το όποιο νερό υπάρχει στο ιονομερές. Μικρή ήταν η αύξηση της ιοντικής αγωγιμότητας που παρατηρήθηκε στα τανυσμένα δείγματα κατά μήκος της διεύθυνσης εφελκυσμού. Η προσπάθεια τροποποίησης του Nafion® με διαξονικό εφελκυσμό είχε σαν αποτέλεσμα τη λήψη λεπτών πολυμερικών ηλεκτρολυτικών μεμβρανών με αποτελεσματικότερες ιδιότητες στην τάση διέλευσης της μεθανόλης, σε σχέση με τις μη τροποποιημένες μεμβράνες. Επιπρόσθετα, με τον ελεγχόμενο διαξονικό και σταθερού πλάτους μονοαξονικό εφελκυσμό κατέστη δυνατό να επιτευχθεί η εξισορρόπηση των ποσοστών διαστολής κατά το μήκος και πλάτος της επιφάνειας του Nafion, μετά τον εμποτισμό του με νερό. Όσον αφορά στην τροποποίηση του Nafion με εναπόθεση στοιβάδας αγώγιμου πολυμερούς πολυανιλίνης (PAni) ή πολυπυρρόλης (PPy) με ενσωματωμένα αντισταθμιστικά ιόντα SO42- ή Nafion-, η φασματοσκοπική μελέτη, μέσω ATR-FTIR, σε συνδυασμό με τις μικροφωτογραφίες SEM που ελήφθησαν, οδήγησαν στα εξής συμπεράσματα: Για τις σύνθετες μεμβράνες Nafion/PAni που παρασκευάστηκαν με την τεχνική της διάχυσης, από τη μία ελήφθησαν δείγματα με ικανοποιητική συνάφεια μεταξύ του κυρίως όγκου της πολυμερικής μεμβράνης Nafion και της PAni, από την άλλη όμως, υπάρχει και κάποιο ποσοστό μονομερούς ανιλίνης (Ani) που εγκλωβίζεται στο εσωτερικό του Nafion, και μάλιστα σε σημαντικό βαθμό, που εξαρτάται από το χρόνο σύνθεσης. Αντίθετα, οι αντίστοιχες μελέτες στις μεμβράνες Nafion/PPy δε φανερώνουν την ύπαρξη διείσδυσης της PPy ή του μονομερούς στην κύρια μάζα του Nafion, ή τουλάχιστον όχι σε τέτοιο βαθμό που να μπορεί να ανιχνευθεί μέσω της τεχνικής που χρησιμοποιήθηκε. Ιδιαίτερο είναι το ενδιαφέρον που προκύπτει από τις φασματοσκοπικές μετρήσεις στην πλευρά του σύνθετου πολυμερούς όπου εναποτίθετο το πολυμερισμένο αγώγιμο υλικό, καθώς με το χρόνο σύνθεσης παρατηρούνται μετατοπίσεις κορυφών του Nafion προς χαμηλότερες συχνότητες, υποδεικνύοντας ενδεχόμενη αλληλεπίδραση με το αγώγιμο πολυμερές. Στη δεύτερη ενότητα μελετήθηκαν οι σύνθετες (ή “mixed matrix”) πολυμερικές μεμβράνες πολυσουλφόνης (PSF) με ενσωματωμένες φυλλώδεις αργυλοφωσφορικές νανονιφάδες τύπου AlPO. Αρχικά πραγματοποιήθηκε η σύνθεση των νανονιφάδων AlPO. Με στόχο τη βελτίωση της συμβατότητάς τους με την πολυμερική μήτρα έγινε παρεμβόλιση με κατάλληλη επιφανειοδραστική ουσία και χαρακτηρισμός με XRD που έδειξε τη διεύρυνση της απόστασης μεταξύ των διαδοχικών στρωμάτων του κρυστάλλου από 9Å σε 33Å περίπου. Στη συνέχεια παρασκευάσθηκαν οι σύνθετες μεμβράνες με διαφορετικές συγκεντρώσεις της ανόργανης φάσης, με τη μέθοδο του film casting. Με βάση τις εικόνες SEM οι νανονιφάδες φαίνεται να έχουν ικανοποιητική διασπορά στη μάζα της πολυσουλφόνης, ενώ τα φάσματα XRD δείχνουν πως η ενσωμάτωση των παρεμβολισμένων νανονιφάδων στην πολυμερική μήτρα δεν επέφερε κάποια σημαντική αλλαγή στη δομή τους. Οι νανονιφάδες, ακόμα και σε μικρές συγκεντρώσεις, βελτιώνουν σε σημαντικό βαθμό τη διαχωριστική ικανότητα των αμιγώς πολυμερικών μεμβρανών για τα ζεύγη αερίων H2/N2 και Η2/CH4 όχι όμως και για το ζεύγος Η2/CO2. Αντίθετα, η αύξηση του ποσοστού των νανονιφάδων AlPO οδηγεί σε μείωση της διαπερατότητας του H2. Oι σύνθετες μεμβράνες PSF/AlPO δείχνουν μια μικρή βελτίωση του μέτρου ελαστικότητας αποθηκευόμενης ενέργειας σε σχέση με τις πολυμερικές μεμβράνες PSF, εμφανίζουν επίσης ελαφρώς μειωμένη θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης και, κατά τη θέρμανσή τους, ακολουθούν τρία στάδια απώλειας μάζας λόγω αποσύνθεσης της επιφανειοδραστικής ουσίας σε συνδυασμό με απώλεια φυσικά και χημικά ροφημένου νερού. / The present thesis consists of two separate parts which focus on the study of modified polymer membranes for use in fuel cells applications and gas separation processes. In the first part, the molecular orientation of uniaxially drawn Nafion-115 membranes was estimated utilizing polarized UV-Raman spectra. Dynamic mechanical analysis revealed the enhanced strength of the drawn samples along the draw axis. Thermal analysis, carried out via differential scanning calorimetry, and thermogravimetric analysis did not show any difference between drawn and undrawn specimens, except from a slight enhanced capability of the drawn membranes to water content retain. Proton conductivity is slightly enhanced along the stretching direction, as well. The attempts for biaxial stretching of Nafion® had as a result the production of very thin polymer electrolyte membranes with lower permeability to methanol than the commercial one. In addition, with biaxial and constant width uniaxial stretching, the swelling of Nafion along and across its surface can be controlled. The process of modifying Nafion by embedding conducting polymer layers of polypyrrole or polyaniline with SO42- or Nafion- incorporated into the film as counter-ions is studied via ATR-FTIR spectroscopy in combination with SEM microphotographs. Nafion/PAni composite membranes synthesized by the diffusion method showed very good adherence between Nafion and PAni layers but it seems that there is some Ani monomer still remaining inside the bulk structure of Nafion, depending on the time of synthesis. In contrast, the corresponding studies on Nafion/PPy membranes show that there is no penetration of PPy or Py inside Nafion, at least not to the extent that it could be traced using ATR-FTIR spectroscopy. The spectroscopic measurements from the conducting polymer side show red-shifts of absorption bands of Nafion revealing possible specific interactions with the conducting polymer. In the second part, composite (or mixed matrix) polymeric membranes with dispersed aluminophosphate nanoflakes were studied. At the beginning AlPO nanoflakes were synthesized. To enhance the compatibility with the polymer matrix conventional AlPO nanoflakes were intercalated using suitable surfactant. XRD characterization showed a further individual layers` separation since the distance between them is increased from 9Å to 33Å. Subsequently, mixed matrix membranes with different nanoflakes loading were synthesized, using film casting method. Based on SEM images nanoflakes seem to be well dispersed in the mass of polysulfone, while XRD graphs implied that the incorporation of intercalated nanoflakes into the polymer matrix did not affect their structural characteristics. Nanoflakes incorporation, even at very low concentrations, improves the H2/N2 and H2/CH4 selectivity and deteriorates the H2/CO2 selectivity compared with the pure polymer. On the other hand, the higher the percentage of the AlPO flakes, the more pronounced the decrease in hydrogen permeability. PSF/AlPO membranes exhibit improved storage modulus, appear to have slightly lower glass transition temperature compared with PSF membranes and during their heating, follow a three steps mass loss due to the surfactant decomposition and the loss of physically and chemically absorbed water.