Στη διδακτορική αυτή διατριβή πραγματοποιείται η μελέτη των δυναμικών ιδιοτήτων των πρωτεϊνών του βοδινού φακού με τη μέθοδο της Δυναμικής Σκέδασης Φωτός και επιχειρείται ο συσχετισμός των ιδιοτήτων αυτών με το φαινόμενο του καταρράκτη. Μελετήθηκαν δυο μοντέλα καταρράκτη, ο «ψυχρός» καταρράκτης, που προκύπτει με ψύξη του φακού κάτω από τους 17 οC και ο «θερμός» καταρράκτης που προκύπτει με θέρμανση του φακού πάνω από τους 50 οC. Οι μετρήσεις στις διάφορες θερμοκρασίες πραγματοποιήθηκαν σε όλο το φάσμα συγκεντρώσεων, από πολύ αραιά μέχρι πολύ πυκνά αιωρήματα των πρωτεϊνών του φακού. Επιπλέον, μελετήθηκαν τρία ξεχωριστά συστήματα: ομογενή αιωρήματα α) από ολόκληρους φακούς νεαρών βοδιών, β) από τους πυρήνες των φακών νεαρών βοδιών και γ) α-κρυσταλλινών, οι οποίες αποτελούν το είδος των πρωτεϊνών με το μεγαλύτερο ποσοστό στο φακό (45 %) και επιπλέον έχουν το μεγαλύτερο μοριακό βάρος (800 kDa). Για τη μελέτη των α-κρυσταλλινών, προηγήθηκε απομόνωση και διαχωρισμός των διάφορων ειδών πρωτεϊνών του φακού με χρωματογραφία πηκτής. Από την ανάλυση των αποτελεσμάτων προέκυψε ότι: Τα αιωρήματα των πρωτεϊνών του φακού περιγράφονται από τέσσερις μηχανισμούς διάχυσης: τη συλλογική διάχυση, η οποία εμφανίζεται σε ενδιάμεσες συγκεντρώσεις (c>75 mg/ml) και γίνεται βαθμιαία πιο γρήγορη όταν αυξάνει η συγκέντρωση και την αυτοδιάχυση των α-κρυσταλλινών, των HMα-κρυσταλλινών και των συσσωματωμάτων των κρυσταλλινών (c>200 mg/ml), η οποία γίνεται βαθμιαία πιο αργή με αύξηση της συγκέντρωσης. Όλοι οι μηχανισμοί διάχυσης γίνονται βαθμιαία πιο αργοί κατά την ψύξη των αιωρημάτων. Το ίδιο ισχύει και κατά τη θέρμανση σε μια σταθερή θερμοκρασία (Τ>50 οC) με την αύξηση του χρόνου θέρμανσης. Όσο αυξάνεται η συγκέντρωση σε μια δεδομένη υψηλή θερμοκρασία (Τ>50 οC) αυξάνεται και ο αριθμός ή/και το μοριακό βάρος των συσσωματωμάτων των κρυσταλλινών. Όσο αφορά τον ψυχρό καταρράκτη, η σκεδαζόμενη ένταση αυξάνεται απότομα, ενώ εμφανίζονται «περιοχές» υψηλής συγκέντρωσης για T<TC, όπου TC η κρίσιμη θερμοκρασία σχηματισμού του ψυχρού καταρράκτη. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τη διδακτορική αυτή διατριβή είναι σημαντικά για την κατανόηση των βασικών μηχανισμών των αλληλεπιδράσεων των πρωτεϊνών του φακού τόσο σε φυσιολογικές όσο και σε παθολογικές συνθήκες, καθώς επίσης για την έγκαιρη διάγνωση των πρώιμων σταδίων του γεροντικού καταρράκτη. / Protein condensation is the molecular basis for many neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s disease and lens cataract. The cause of protein condensation (aggregation and/or phase separation) and the route to the condensed state are still a matter of debate, despite the intense research efforts on the subject. The present dissertation aims at studying the molecular basis of lens cataract in mammal lenses. The fact that the lens is a complex, dense dispersion of proteins (called crystallines) in water is an important obstacle that makes the understanding of the cataract onset in the lens a tough problem if not an impossible task. A strategy to overcome this obstacle is to study the cataract onset in simpler systems, e.g. dispersions of the various crystalline species at various protein concentrations ranging from very dilute dispersions to dense ones such as the intact lens. In this work we investigate the dynamics of bovine lens proteins dispersions by means of Dynamic Light Scattering, in an effort to reveal possible correlations of their behavior with the cataract effect. Two models of cataract were studied; the “cold” cataract, that is caused by cooling lens proteins below 17 οC and the “heat-induced” cataract, caused by heating lens proteins above ~45-50 οC. The temperature dependence of the diffusion coefficient was studied over a wide range of concentrations, from the very dilute limit up to the dense regime approaching lens concentration. The studies were carried out for three different young bovine lens protein dispersions. (a) Lens homogenates consist of the total lens content, (b) homogenate dispersions of the nucleus content, and (c) dispersions of isolated α-crystallins, i.e. the species that dominate in DLS among lens proteins. α-crystallins were separated from the mixture of lens proteins by using gel-filtration chromatography. The main conclusions of the present work are the following. The dynamics of lens protein dispersions are described by four diffusion mechanisms: one collective diffusion process that appears at moderate concentrations, c>75 mg/ml, and becomes faster with increasing concentration and three self-diffusion processes of α-crystallins, HMα-crystallins and large aggregates of crystallins (c>200 mg/ml). Self-diffusion becomes slower with increasing concentration. All diffusion mechanisms become slower by lowering the temperature of the dispersions. The same holds when the dispersions are heated at a constant temperature above 50 οC by increasing the heating time. Concerning “cold” cataract, it was observed that the scattered intensity grows rapidly, while “domains” of very high concentration appear for T<TC, where TC denotes the critical temperature for “cold” cataract formation.

Τα γαλακτώματα είναι η κολλοειδής διασπορά δύο μη αναμίξιμων υγρών, τα οποία είναι κατά κανόνα θερμοδυναμικά ασταθή συστήματα. Οι πρωτεΐνες γάλακτος είναι γνωστές επιφανειοδραστικές ουσίες και ως εκ τούτου χρησιμοποιούνται ως συστατικά σε ένα ευρύ φάσμα γαλακτωμάτων τροφίμων. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η εύρεση των κατάλληλων συνθηκών για την παρασκευή σταθερών γαλακτωμάτων πρωτεϊνών γάλακτος. Το μέγεθος των λιποσφαιριδίων διαδραματίζει τον κυρίαρχο ρόλο στη σταθερότητα του γαλακτώματος πρωτεϊνών γάλακτος. Η μέτρηση του μεγέθους των λιποσφαιριδίων έγινε με την τεχνική της Μονοφασικής Χρωματογραφίας Φυγοκεντρικού Πεδίου. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκε η επίδραση της συγκέντρωσης (0,5 έως 3,0% w/w) και του τύπου (πρωτεΐνες ορού και καζεΐνες) των πρωτεϊνών γάλακτος, καθώς και των συνθηκών ομογενοποίησης (πίεση ομογενοποίησης 200 έως 600bar) του γαλακτώματος. Επίσης, μελετήθηκε η επίδραση της συγκέντρωσης γαλακτωματοποιητών εμπορίου (Tween 80) στη σταθερότητα των γαλακτωμάτων. Επιπρόσθετα, έγινε κινητική μελέτη συσσωμάτωσης των γαλακτωμάτων από πρωτεΐνες γάλακτος και στη συνέχεια μελετήθηκαν πιο συγκεκριμένα τα γαλακτώματα καζεϊνών, με σκοπό τον προσδιορισμό της σταθεράς ταχύτητας της συσσωμάτωσης των λιποσφαιριδίων σε θερμοκρασίες 30,5 και 80 ᵒC. Αυξάνοντας την πίεση ομογενοποίησης του γαλακτώματος παρατηρήθηκε μείωση της διαμέτρου των λιποσφαιριδίων. Τα γαλακτώματα που ομογενοποιήθηκαν σε πίεση μεγαλύτερη των 500 bar παρουσίασαν ευρύτερη κατανομή μεγέθους, λόγω της υψηλής θερμοκρασίας που αναπτύχθηκε κατά τη διάρκεια της ομογενοποίησης. Η πρωτεϊνική συγκέντρωση έχει σημαντικές επιπτώσεις στις φυσικοχημικές ιδιότητες του γαλακτώματος (λάδι σε νερό). Αυξανόμενης της συγκέντρωσης των πρωτεϊνών γάλακτος, μειώθηκε αισθητά η διάμετρος των λιποσφαιριδίων του γαλακτώματος και σε χαμηλές συγκεντρώσεις πρωτεϊνών (<1%κ.β.) παρατηρήθηκε σχηματισμός συσσωματωμάτων. Παρατηρήθηκε μικρή μεταβολή της διαμέτρου των λιποσφαιριδίων των γαλακτωμάτων που σχηματίστηκαν με διαφορετικές αναλογίες κλασμάτων πρωτεϊνών ορού/καζεϊνών. Οι δύο τύποι των πρωτεϊνών του γάλακτος παρουσίασαν πολύ καλή γαλακτωματοποιητική δράση και τα γαλακτώματα που σχηματίστηκαν ήταν πολύ σταθερά. Παρατηρήθηκε ότι, αυξάνοντας τη συγκέντρωση των πρωτεϊνών του ορού γάλακτος και ταυτόχρονα μειώνοντας τη συγκέντρωση των καζεϊνών, μειώθηκε η διάμετρος των λιποσφαιριδίων του γαλακτώματος. Η σταθερότητα των γαλακτωμάτων σε σχέση με τον χρόνο οφείλεται στη δομή των μορίων των πρωτεϊνών που σταθεροποιούν τα γαλακτώματα αυτά. Κατά συνέπεια, τα μόρια των καζεϊνών και των πρωτεϊνών ορού, προσδίδουν διαφορετικές ιδιότητες στα γαλακτώματα λόγω της διαφορετικής δομής τους. Τα γαλακτώματα που σχηματίστηκαν με καζεΐνες ήταν πιο ανθεκτικά στην θερμοκρασία και παρουσίασαν μακροπρόθεσμη σταθερότητα σε σχέση με τα γαλακτώματα που περιείχαν μόνο πρωτεΐνες ορού. Η υπολογισθείσα φαινόμενη σταθερά συσσωμάτωσης των γαλακτωμάτων καζεϊνών στη θερμοκρασία των 30,5 ᵒC βρέθηκε να είναι σχεδόν 14 φορές μικρότερη από αυτή των γαλακτωμάτων που συσσωματώθηκαν στη θερμοκρασία 80,0 ᵒC. Επομένως, η διαδικασία της συσσωμάτωσης συμβαίνει ταχύτερα σε πιο υψηλές θερμοκρασίες θέρμανσης για τα γαλακτώματα καζεϊνών, ωστόσο έφτασαν στο μέγιστο βαθμό συσσωμάτωσης σε ίδιο χρονικό διάστημα. / In the food industry, when referring to an oil-in-water emulsion, is usually described in which oil is dispersed in the form of small spherical droplets in the continuous phase. Food emulsions are thermodynamically unstable. Nevertheless, food scientists are able to slow down the above physicochemical mechanisms responsible for emulsion instability and thus, extend the self-life of such products by a relatively simple and well studied process, termed emulsification. Surface active materials termed emulsifiers, such as proteins help produce small droplets and contribute to the stability of the emulsion. Emulsifiers decrease the interfacial tension between the oil and water phases through rapid adsorption to the surface of the newly formed oil droplets. Milk proteins (caseins and whey proteins) are well known surfactants and hence are used as ingredients in a wide range of food emulsions. One of the important parameters affecting the quality, appearance and taste of the final food products is the particle size of the ingredients included. For example, particle size of fat globules plays predominant role in the stability of the milk-protein stabilized emulsion. Milk protein-stabilized model emulsions were formed using high-pressure homogenization and the effect of homogenization pressure during emulsification, protein concentration, type of milk proteins (casein and whey proteins) and the effect of the surfactant Tween-80 were studied. The kinetic of milk protein emulsions aggregation was also studied and moreover, the apparent rate constant was calculated for the aggregation of caseinate stabilized emulsions in different temperatures (30,5 and 80,0 ᵒC). Sedimentation field flow fractionation was employed for the size characterization of oil droplets and the results obtained are consistent with those of other studies. Increasing protein content results in significant reduction in emulsion particle size for the concentration range (0.5 – 3.0 % w/w) employed in this study. Low protein content (<1%) may be correlated with bridging flocculation leading to increased particle size, as indicated by optical microscopy. Similarly, increasing pressure during the homogenization process results in decreasing significantly the particle size of the oil-in-water emulsions, for the pressure range (200 – 600 bar) utilized in this study. Increased heating associated with high levels of pressure during the homogenization process, can result in changes in the oil or protein structure, which in turn may have an impact on the physicochemical properties of the oil-in-water emulsions on a long-term basis. The two types of milk proteins appeared to be both good emulsifiers and the formed emulsions were very stable. Increasing whey protein content and together decreasing the casein content, results in small reduction in emulsion particle size. Different proteins depending on their composition and structure posses’ properties, which render them, better emulsifiers than others. Caseinate stabilized emulsions were more resistant in heating time than whey stabilized emulsions. The calculated apparent rate constant for the aggregation of caseinate stabilized emulsions at the temperature of 30,5 ᵒC was found to be fourteen times smaller than the one at the temperature of 80,0 ᵒC. Therefore, the aggregation process is faster in high temperatures for caseinate stabilized emulsions, although the maximum of aggregation point is attained at the same time in both temperatures.

Ένα σημαντικό πρόβλημα που αντιμετωπίζουν οι εταιρείες άντλησης πετρελαίου στα φρεάτια εξόρυξης είναι η συμπαραγωγή άμμου μαζί με το πετρέλαιο. Το φαινόμενο παρατηρείται κυρίως σε περιοχές άντλησης όπου το πετρέλαιο βρίσκεται εγκλωβισμένο σε αμμώδεις περιοχές (ψαμμιτικοί ταμιευτήρες). Το αντλούμενο πετρέλαιο συμπαρασύρει μαζί του κόκκους άμμου, οι οποίοι εισχωρούν στον μηχανολογικό εξοπλισμό της εξόρυξης προκαλώντας βλάβες. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την επιβράδυνση της παραγωγής πετρελαίου καθώς επίσης και την αύξηση του κόστους. Σε μερικές περιπτώσεις έχουν καταγραφεί και φαινόμενα κατάρρευσης των τοιχωμάτων του φρεατίου λόγω υπερβολικής διείσδυσης άμμου στα φρεάτια. Το κίνητρο της παρούσας εργασίας είναι η ανάπτυξη μιάς εναλλακτικής και ταυτόχρονα οικονομικής μεθόδου ελέγχου συμπαραγωγής της άμμου. Η μέθοδος στηρίζεται στην εναπόθεση, μέσω της επιτόπου καταβύθισης, ενός δυσδιάλυτου ανόργανου άλατος επάνω στην επιφάνεια των κόκκων άμμου, οι οποίοι μέσω της κρυσταλλικής τους ανάπτυξης σχηματίζουν «γέφυρες» με γειτονικούς κόκκους με αποτέλεσμα την συσσωμάτωση τους. Ένα πολύμορφο του φωσφορικού ασβεστίου, ο υδροξυαπατίτης (ΗΑΡ, Ca10(PO4)6(OH)2) σε συνδυασμό με φορτισμένα οργανικά μακρομόρια (κολλαγόνο, πρωτείνες), είναι το κύριο συστατικό των οστών και των δοντιών, δηλαδή περιοχών του σώματος όπου απαιτούνται υψηλές μηχανικές ιδιότητες. Για τον λόγο αυτό, το φωσφορικό ασβέστιο επιλέχθηκε ως το πλέον κατάλληλο γι’αυτή την διεργασία. Προκειμένου να μειώσουμε το κόστος καθώς επίσης και να προσεγγίσουμε περισσότερο της συνθήκες σχηματισμού του στους έμβιους οργανισμούς, αντί για κολλαγόνο ή πρωτείνες εισάγαγαμε χαμηλού κόστους πολυηλεκτρολύτες οι οποίοι περιέχουν στη δομή τους τις ίδιες χαρακτηριστικές ομάδες (αμινομάδες, καρβοξυλομάδες). Οι πολυηλεκτρολύτες που επιλέχθηκαν ήταν το πολυακρυλικό οξύ (ΡΑΑ), η πολυαλλυλαμίνη (ΡΑΗ) και η πολυαιθυλενιμίνη (ΡΕΙ). Η παρούσα έρευνα εστιάστηκε κυρίως στον προσδιορισμό των συνθηκών καταβύθισης του ΗΑΡ, καθώς επίσης και στην επίδραση που επιφέρει η παρουσία των τριών πολυηλεκτρολυτών (ΡΑΑ, ΡΑΗ, ΡΑΗ) στην δυνατότητα εναπόθεσης του στην επιφάνεια των κόκκων άμμου. Οι πολυηλεκτρολύτες αλληλεπιδρούν και με την επιφάνεια του υποστρώματος (πυριτική άμμος) και με το σχηματιζόμενο φωσφορικό ασβέστιο. Οι αλληλεπιδράσεις αυτές μελετήθηκαν κυρίως μέσω πειραμάτων ρόφησης και πειραμάτων διαλείποντος έργου σε συνθήκες χαμηλού υπερκορεσμού προκειμένου να ερευνηθεί ο μηχανισμός επίδρασης των πολυηλεκτρολυτών στον σχηματισμό του φωσφορικού ασβεστίου. Η επίδραση των πολυηλεκτρολυτών στις μηχανικές ιδιότητες των καταβυθιζόμενων κρυστάλλων μελετήθηκε μέσω πειραμάτων διαλείποντος έργου σε συνθήκες υψηλού υπερκορεσμού. Τέλος, με βάση τα εξαγόμενα συμπεράσματα σχετικά με την επίδραση των πολυηλεκτρολυτών στην εναπόθεση του φωσφορικού ασβεστίου στους κόκκους άμμου, πραγματοποιήθηκαν πειράματα συσσωμάτωσης σε κλίνες πληρωμένες με άμμο προκειμένου να διαπιστώσουμε την αποτελεσματικότητα της παρούσας μεθόδου. / The objective goal of the present work is the formation of complex deposits of calcium phosphate salts and polymers on grain surfaces of a nonconsolidated material in order a strong consolidated medium to be obtained. In nature, interactions between calcium phosphate salts and organic macromolecules control important functions such as formation of bones and teeth. These organic macromolecules primarily consist of proteins, which usually contain carboxyl and amino groups on their molecular structure. In a series of laboratory experiments the nature mechanisms are mimed by replacing the proteins with a typical polyelectrolyte, such us polyacrylic acid and polyethylenimine, which contain carboxyl and amino groups respectively, phosphate salts and. As unconsolidated porous medium a granular sandpack was used. The effect polyacrylic acid, polyallylamine hydrochloride and polyethylenimine on the formation kinetics as well as the effect on the morphology of the precipitated crystals was investigated through a series of batch experiments. The kinetic study was performed via an in-situ monitoring of the pH, because the formation of calcium phosphate is accompanied with changes of the pH value. The morphology as well as the crystallinity of the precipitated crystals where analyzed using different techniques, such us powder XRD and SEM. Study of the mechanical properties of the precipitated salts at high concentration batch experiments, where performed in a mechanical stress device (MTS) and compressive strengths up to 500 atm were observed.

Λόγω της διαφάνειας των οφθαλμικών ιστών η σκέδαση φωτός αποτελεί ιδανικό εργαλείο για την ανίχνευση των αρχικών σταδίων ορισμένων παθολογικών τους καταστάσεων. Για παράδειγμα, η θόλωση του φακού των θηλαστικών λόγω ηλικίας ή/και άλλων εξωγενών αιτίων καλείται καταρράκτης. Ο καταρράκτης δεν μπορεί να διαγνωστεί κλινικά σε πρώιμο στάδιο με αποτέλεσμα την δημιουργία σοβαρών προβλημάτων στην όραση. Το γεγονός ότι το φως έχει την ικανότητα να ανιχνεύει τις μοριακές αλλαγές οι οποίες είναι πρόδρομα συμπτώματα του καταρράκτη αναδεικνύει την σημασία της έγκαιρης διάγνωσης στην αντιμετώπιση διάφορων οφθαλμικών παθήσεων. Ο φακός θεωρείται ως ένα πυκνό διάλυμα πρωτεϊνών (κρυσταλλίνες, ~40 % wt) σε νερό και η αδιαφάνεια η οποία αποτελεί την εκδήλωση του καταρράκτη προκαλείται ουσιαστικά από την συσσωμάτωση των πρωτεϊνών. Στόχος αυτής της διατριβής είναι η διερεύνηση των μοριακών μεταβολών οι οποίες λαμβάνουν χώρα κατά την ανάπτυξη του καταρράκτη. Ιδιαίτερη σημασία δίνεται επίσης στην ανάπτυξη μιας μη-επεμβατικής μεθοδολογίας για έγκαιρη διάγνωση οφθαλμικών παθήσεων με τη βοήθεια της δυναμικής σκέδασης φωτός. Με την βοήθεια της τεχνικής αυτής, κατάλληλα τροποποιημένης για την μελέτη οφθαλμικών ιστών, μελετήθηκαν οι δυναμικές ιδιότητες των πρωτεϊνών χοίρειων φακών (π.χ. οι συντελεστές διάχυσης, η θερμοκρασιακή τους εξάρτηση σε διάφορα μέρη του φακού, κλπ.) χρησιμοποιώντας το πειραματικό μοντέλο του “ψυχρού” καταρράκτη. Στο μοντέλο αυτό η ελεγχόμενη ψύξη φακών επιφέρει βαθμιαία καταρρακτογένεση. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε σε τέσσερα κυρίως είδη περαμάτων. (α) Μελέτη της εμφάνισης του ψυχρού καταρράκτη στον πυρήνα του φακού. (β) Μελέτη της επίδρασης του μήκους κύματος της ακτινοβολίας στην εμφάνιση και στην έκταση του φαινομένου του ψυχρού καταρράκτη. (γ) Μελέτη του φαινομένου του ψυχρού καταρράκτη κατά μήκος μιας διαμέτρου του φακού, δεδομένης της βαθμίδας συγκέντρωσης των πρωτεϊνών του φακού (μεγάλη συγκέντρωση στον πυρήνα και μικρή συγκέντρωση στην περιφέρεια του φακού). (δ) Μελέτη του επίδρασης της προθέρμανσης του φακού σε θερμοκρασίες υψηλότερες της φυσιολογικής στο φαινόμενο του ψυχρού καταρράκτη. Τα βασικά συμπεράσματα της παρούσας διατριβής συνοψίζονται ως εξής. Υπάρχουν σαφείς συσχετισμοί μεταξύ των φασματικών χαρακτηριστικών (συναρτήσεις αυτοσυσχέτισης) και των ιεραρχικών σταδίων ανάπτυξης του καταρράκτη. Ποιοτικές και ποσοτικές αλλαγές στην θερμοκρασιακή εξάρτηση διαφόρων παραμέτρων, οι οποίες σχετίζονται με τις μοριακές διαμορφώσεις των αρχικών σταδίων του καταρράκτη, εμφανίζονται ήδη από τους 17 oC όπου ο πυρήνας του φακού είναι ακόμα διαυγής. Η χρήση ακτινοβολίας κοντά στο υπεριώδες μέρος τους φάσματος ενισχύει την ανάπτυξη του ψυχρού καταρράκτη στον πυρήνα του φακού. Ο ψυχρός καταρράκτης δεν αναπτύσσεται στην περιφέρεια του φακού. Η προθέρμανση του φακού σε συγκεκριμένη θερμοκρασία καθώς και ο χρόνος παραμονής σε αυτήν επηρεάζει σημαντικά την ανάπτυξη του ψυχρού καταρράκτη στον πυρήνα αλλά όχι στην περιφέρεια του φακού. Όλα τα παραπάνω δείχνουν πως η δυναμική σκέδαση φωτός μπορεί να παρέχει παραμέτρους οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν με επιτυχία ως ευαίσθητοι και αξιόπιστοι δείκτες της έγκαιρης, μη-επεμβατικής, και in vivo διάγνωσης του καταρράκτη. / On account of the transparency of ophthalmic tissues, light scattering is an ideal tool for detecting the early stages of some of their pathological conditions. For example, the opacity of the mammalian lens due to age or other external causes is called cataract. Cataract cannot be detected clinically at early stages and as a result serious vision problems appear. The fact that, light has the ability to detect molecular changes that are related to the mechanism of cataract formation draws attention to the importance of early diagnosis in ophthalmic disorders. The lens can be considered as a dense colloidal protein dispersion (crystallins, ~ 40% wt) in water where the opacity that leads to cataract formation how its basis to the aggregation of proteins. This dissertation is aimed at studying the molecular changes that take place upon cataract development. Particular emphasis is paid to the development of a non-invasive methodology for early diagnosis of ocular diseases with the aid of dynamic light scattering. By means of this technique, suitably modified for the study of ophthalmic tissues, the dynamic properties of the proteins of porcine lenses (e.g. diffusion coefficients and their temperature dependence at various parts inside the lens, etc.) were studied by using the experimental model of ‘cold’ cataract. In cold cataract the controlled cooling of the lens at temperatures below the physiological one induces gradual cataractogenesis. In particular, we focused on four kinds of experiments. (a) Detailed study on the cold cataract onset in the lens nucleus. (b) Study on the effect of the laser light wavelength in the onset and the extent development of cold cataract. (c) Study of the cold cataract effect along an equatorial diameter of the lens, considering the gradual concentration of the lens proteins (high protein concentration in the nucleus and low concentration in the cortex). (d) Study on the effect of thermal history, i.e. by warming up the lens at temperatures higher than the physiological one on the cold cataract effect. The basic conclusions of the present dissertation are summarized as follows: There are clear correlations between the spectral characteristics (autocorrelation functions) and the hierarchical stages of the onset of cataract. Qualitative and quantitative changes in the temperature dependence of several parameters, which are related with the diffusive motions of proteins at the early stages of cataract, appear already at 17 oC while the nucleus is still clear and highly transparent. The use of laser radiation close to the ultraviolet part of the spectrum seems to enhance the formation of cold cataract in the lens nucleus. Cold cataract does not develop at the cortex of the lens, in view of the low protein concentration. The lens pre-heating at a certain temperature for various time periods affects significantly cold cataract formation in the lens nucleus but not in lens cortex. The above mentioned make clear that dynamic light scattering can indeed provide useful parameters that can be successfully used as sensitive and reliable indicators for the early, non-invasive diagnosis of cataract in mammalian lenses and in vivo.

Η δέσμευση του P με την μορφή του στρουβίτη θεωρείται από τις εναλλακτικές μεθόδους ανάκτησης του P από τα υγρά απόβλητα. Ο στρουβίτης χρησιμοποιείται ως αργά αποδεσμευόμενο λίπασμα, ως υλικό για την σταθεροποίηση αμμωδών εδαφών και συμβάλλει στην αειφόρο ανάπτυξη. Η καταβύθιση του στρουβίτη σε υπέρκορα διαλύματά του υπό σταθερή θερμοκρασία εξαρτάται από τον υπερκορεσμό και από την παρουσία ξένων ιόντων ή ουσιών. Στόχος της παρούσας διατριβής, ήταν η μελέτη της κινητικής της καταβύθισης του στρουβίτη σε συνθήκες σύστασης αντίστοιχες των αστικών αποβλήτων. Η θερμοδυναμική ανάλυση γίνεται με μοντελοποίηση του ειδομορφισμού της υδατικής φάσης ενώ η μελέτη της κινητικής με την μέθοδο του σταθερού υπερκορεσμού η οποία επιτρέπει την διερεύνηση του ρόλου των ιόντων Ca, των βαρέων μετάλλων και οργανικών υδατοδιαλυτών ενώσεων με μεγάλη ακρίβεια και επαναληψιμότητα. Επίσης, διερευνήθηκε ο ετερογενής σχηματισμός του στρουβίτη με την χρήση κρυσταλλικών φύτρων στρουβίτη, SiO2, CaCO3 και πυριτικής άμμου για την μελέτη της πρόσφυσης του καταβυθιζόμενου στερεού στα υποστρώματα αυτά. Προσδιορίστηκε επίσης το γινόμενο διαλυτότητας του στρουβίτη προσεγγίζοντας την ισορροπία από υπέρκορα και ακόρεστα διαλύματα σε διαφορετικές τιμές ιονικής ισχύος. Με την ενζυμική υδρόλυση πολυφωσφορικών οξέων από ειδικά ένζυμα, τις φωσφατάσες, και την σταδιακή απελευθέρωση φωσφορικών ιόντων επετεύχθη ελεγχόμενη καταβύθιση του στρουβίτη σε υψηλούς υπερκορεσμούς. Τέλος, μελετήθηκε η κινητική της διάλυσης του στρουβίτη σε ακόρεστα διαλύματα συνθετικού αποβλήτου και σε διαφορετικές τιμές pH. Από τα κινητικά αποτελέσματα, με βάση την κλασσική θεωρία τη πυρηνογένεσης, προέκυψαν στενά όρια μεταστάθειας του συστήματος και η επιφανειακή διάχυση των δομικών μονάδων ότι είναι το βραδύ στάδιο, το οποίο ελέγχει την καταβύθιση. Το ποσοστό απομάκρυνσης φωσφόρου ήταν 60-65% και από τις δοκιμές συσσωμάτωσης, προέκυψαν ελαφρά σταθεροποιημένα δοκίμια κατάλληλα για εφαρμογές σε καλλιεργήσιμα εδάφη. / Phosphorus precipitated in the form of struvite is a new prospective alternative in phosphorus recovery from wastewaters. Struvite may be used as a slow-released fertilizer, as fitment for stabilization of sandy soil areas and contributing towards sustainable development. Struvite precipitation in supersaturate solution at constant temperature depends on the supersaturation and the presence of foreign ions or substrates. The aim of this thesis was the investigation of struvite precipitation kinetics at conditions similar to municipal wastewaters. The thermodynamic analysis had been done by suitable speciation of aqueous medium while the kinetics of precipitation was investigated with constant solution supersaturation method. This method provides reliable and highly reproducible kinetics results of the effect of calcium ions, heavy metals and organic soluble compounds on the spontaneous precipitation of struvite. The heterogeneous formation of struvite was also investigated in order to examine struvite precipitated adhesion at different substrates. Struvite crystals, SiO2, CaCO3, and silicate sand were used to inoculate the supersaturated solutions. The thermodynamic solubility product of struvite was determined once equilibrium had been attained, when undersaturated and supersaturated solutions were allowed to reach equilibrium, at different ionic strengths values. Controlled struvite precipitation in solutions highly supersaturated was also achieved by the slow evolution of the supersaturation when sufficient phosphate was released from the enzymic action through the phosphatase mediated decomposition of polyphosphates. Finally, the kinetics of struvite dissolution was examined in undersaturate synthetic wastewater solutions at different pH values. The kinetics results, according to the classical nucleation theory, showed that the system stability range was very narrow and a surface diffusion controlled mechanism. A phosphorus recovery corresponding to 60-65% of the initially present phosphorus is feasible. Laboratory experiments using loose sand packs showed mildly consolidated agglomerates that can be used properly for cultivable land.