Οι εξαιρετικά καλές μηχανικές ιδιότητες που εμφανίζουν οι νανοσωλήνες άνθρακα τους καθιστούν ιδανικό ενισχυτικό μέσο για πολυμερικές μήτρες με σκοπό την παραγωγή σύνθετων πολυμερικών υλικών υψηλής αντοχής. Για την παρασκευή όμως τέτοιων υλικών είναι αναγκαία η τροποποίηση της επιφάνειας των νανοσωλήνων με σκοπό την δημιουργία «ενεργούς» διεπιφάνειας αλληλεπίδρασης μεταξύ αυτών και της πολυμερικής μήτρας. Σε αυτό το πλαίσιο, στο πρώτο μέρος της παρούσας εργασίας, έγινε συστηματική μελέτη της χημικής και ηλεκτροχημικής τροποποίησης της επιφάνειας νανοσωλήνων άνθρακα, έτσι ώστε να βρεθεί το καλύτερο οξειδωτικό μέσο και οι καταλληλότερες συνθήκες οξείδωσης για να επιτευχθεί η ενσωμάτωσή τους σε πολυμερική μήτρα. Για την μελέτη αυτή χρησιμοποιήθηκαν η Φασματοσκοπία Φωτοηλεκτρονίων από ακτίνες-Χ και Υπεριώδες (XPS, UPS), η Φασματοσκοπία Raman και η θερμοσταθμική ανάλυση TGA. Αρχικά τροποποιήθηκαν νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλού τοιχίου σε μορφή υμενίου (φιλμ) με την τεχνική της ηλεκτροχημικής οξείδωσης χρησιμοποιώντας ως ηλεκτρολύτη διάλυμα χλωριούχου νατρίου (ΝaCl). Οι νανοσωλήνες είχαν τοποθετηθεί στη θέση της ανόδου σε σταθερή βάση στήριξης. Τα αποτελέσματα από την φασματοσκοπία XPS έδειξαν ότι αν και επιτυγχάνεται οξείδωση, υπάρχει δυσαναλογία ως προς τα ποσοστά των λειτουργικών ομάδων που επάγωνται στην επιφάνεια του υμενίου σε σχέση με την ένταση της οξειδωτικής διαδικασίας. Στη συνέχεια, μελετώντας υμένια που οξειδώθηκαν σε σταθερή βάση χρησιμοποιώντας HNO3 ως ηλεκτρολύτη, παρατηρήθηκε ότι δεν επιτυγχάνεται ομοιόμορφη ηλεκτροχημική οξείδωση και στις δύο πλευρές των υμενίων. Έτσι σχεδιάστηκε περιστροφικό σύστημα για την άνοδο (περιστροφική βάση), η οποία και χρησιμοποιήθηκε περαιτέρω. Έχοντας κάνει αυτή την αλλαγή στο ηλεκτροχημικό κελί έγιναν μελέτες όπου χρησιμοποιήθηκαν ως ηλεκτρολύτες διαλύματα νιτρικού οξέος (ΗΝΟ3), υδροχλωρικού οξέος (ΗCl) και καυστικής ποτάσας (ΚΟΗ). Βρέθηκε ότι το νιτρικό οξύ οδηγεί (υπό κατάλληλες συνθήκες) σε ικανοποιητική αλλά και ελεγχόμενη τροποποίηση της επιφάνειας. Το υδροχλωρικό οξύ, όπως αναμενόταν, λειτούργησε ως ένα αποτελεσματικό οξειδωτικό μέσο για τον καθαρισμό των νανοσωλήνων από επικαθίσεις άμορφου άνθρακα, ενώ η καυστική ποτάσα έδειξε ότι είναι ισχυρό οξειδωτικό μέσο δημιουργώντας λειτουργικές ομάδες στην επιφάνεια του φιλμ νανοσωλήνων άνθρακα σε λιγότερο χρόνο οξείδωσης. Στην συνέχεια μελετήθηκε η απλή χημική οξείδωση σκόνης νανοσωλήνων άνθρακα χρησιμοποιώντας ως οξειδωτικά μέσα μείγμα θεϊκού οξέος (Η2SO4) και υπεροξειδίου του υδρογόνου (Η2Ο2) γνωστό και ως piranha, διάλυμα υδροχλωρικού οξέος και νιτρικού οξέος αλλά και μείγμα υδροξείδιου του αμμωνίου με υπεροξείδιο του υδρογόνου. Βρέθηκε ότι η οξείδωση με piranha δημιουργούσε σχετικά χαμηλό αριθμό δομικών ατελειών στην επιφάνεια των νανοσωλήνων ενώ ταυτόχρονα οδηγούσε σε ικανοποιητικού βαθμού τροποποίηση επάγοντας επιφανειακές λειτουργικές ομάδες. Έτσι η διαδικασία τροποποίησης με piranha ήταν αυτή που επιλέχθηκε για τη προετοιμασία των υμενίων νανοσωλήνων που θα αποτελούσαν το ενισχυτικό υλικό στο σύνθετο πολυμερικό υλικό. Η μελέτη των δειγμάτων σύνθετων πολυμερικών υλικών σε διάφορα ποσοστά εποξειδικής ρητίνης έγινε με XPS. Στα φάσματα που προήλθαν από τα σύνθετα υλικά εντοπίστηκαν χαρακτηριστικά που αποτελούν ενδείξεις ότι η χημική συγγένεια μεταξύ του υμενίου και της πολυμερικής μήτρας είχε επιτευχθεί. Αξιοσημείωτη είναι όμως και η επιφανειακή ανομοιομορφία που παρατηρήθηκε στα συγκεκριμένα υλικά. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας μελετήθηκαν δύο υβριδικά μόρια που προήλθαν από προσάρτηση πολυμερικών αλυσίδων στην επιφάνεια νανοσωλήνων άνθρακα μονού τοιχίου. Οι πολυμερικές αλυσίδες προήλθαν από το μονομερές του μεθακρυλικού μεθυλεστέρα (ΜΜΑ) και του ακρυλικού οξέως (ΑΑ). Τα αποτελέσματα τον μετρήσεων με XPS έδειξαν ότι η πολυμερική αλυσίδα και στις δύο περιπτώσεις περιβάλλει την επιφάνεια του νανοσωλήνα στον οποίο έχει προσαρτηθεί. Επιπλέον εντοπίστηκαν φασματοσκοπικά χαρακτηριστικά που αποτελούν ενδείξεις ότι αλυσίδες έχουν προσαρτηθεί χημικά στην επιφάνεια των νανοσωλήνων. Αλλά και η φασματοσκοπία Raman πιστοποίησε ότι η προσάρτηση των πολυμερικών αλυσίδων έχει επιτευχθεί και στις δύο περιπτώσεις. Μέσω της θερμοσταθμικής ανάλυσης TGA φαίνεται μάλιστα το υβριδικό μόριο με προσαρτημένες αλυσίδες PAA να είναι μεγαλύτερου μοριακού βάρους από το αντίστοιχο υβριδικό μόριο με προσαρτημένες αλυσίδες PMMA. / The excellent mechanical properties of carbon nanotubes render them as ideal reinforcing materials for the development of polymer-based composite materials of high mechanical strength. However, for the production of such composites, the surface modification of carbon nanotubes appears to be a necessary step in order to form an “active” interface with the polymeric matrix. In this context, within the first part of this work, a systematic study of the chemical and electrochemical surface modification of carbon nanotubes took place. The scope was to identify the proper oxidation conditions that lead to the maximum number of surface functional groups while, at the same time, keeping the graphitic lattice intact by preventing defect formation. Two surface sensitive techniques, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy (UPS) as well as Raman Spectroscopy and Thermogravimetric Analysis (TGA) were employed for this study. Multi-wall carbon nanotubes in the form of buckypapers were initially modified by electrochemical oxidation, using NaCl. In the electrochemical cell, the buckypapers were placed at the anode position on an immovable holder. XPS showed that the surface functionalisation was achieved. Nevertheless, quantitative analysis demonstrated that the quantity of the functional groups was not related to the intensity of the oxidation conditions. Studying both sides of buckypapers, oxidised in the same way by HNO3 clearly proved that the side of the film that “faces” the procedure is more affected. For this reason a new electrochemical cell was designed, where the film holder (anode) was able to rotate during the oxidation procedure. Using this new cell, buckpaper electrochemical oxidation was studied in ΗΝΟ3, ΗCl and ΚΟΗ solutions. It was found that HNO3 (under proper conditions) can lead to successful surface modification in a controllable manner. As expected HCl had a very mild effect, mainly cleaning the film surface from amorphous carbon contamination. Finally, KOH was found to act as a fast oxidising surface agent but in a less controllable way. Multi-wall carbon nanotubes in the form of powder were modified by a wet oxidation method using Η2SO4-Η2Ο2 (piranha), HCl, HNO3 and HNO4-Η2Ο2 solutions. The treatment with piranha solution was found to lead to the formation of a relatively low number of structural defects while, at the same time, it was inducing a moderate number of surface functional groups. Thus, piranha solution was selected to be used for the preparation of the reinforcing material (in the form of a buckypaper) for the composite polymer that was the final product of these efforts. The XPS study of the produced composite polymeric materials was performed on samples prepared with different quantities of epoxy resin (polymeric matrix). The spectra originating from the composite samples had both the spectroscopic features of the nanotubes and the polymer. Although surface inhomogeneity was observed, there was evidence of an active interface between the nanotubes and the matrix. The second and shorter part of this work was dedicated to the study of two hybrid molecules prepared by grafting polymeric chains on the surface of single wall carbon nanotubes. The polymer chains originated from the methacrylic methylester (MMA) and acrylic oxide (AA) monomers. XPS measurements showed that in both cases the polymer chains wrap around the nanotubes. Furthermore, there was spectroscopic evidence that the chains have been chemically attached to the nanotubes. This was also supported by Raman spectroscopy measurements. Thermogravimetric analysis showed that the hybrid molecule with the PAA chains attached was of higher molecular weight compared to that with PMMA chains.

Παρουσιάζεται μία εναλλακτική μέθοδος έμμεσου προσδιορισμού της θλιπτικής (μονοαξονικής) αντοχής των πετρωμάτων με βάση μία τροποποιημένη μορφή της δοκιμής επιφανειακής διείσδυσης. Χρησιμοποιήθηκαν δύο έμβολα με σφαιρικά άκρα με ακτίνες 1,585mm και 5mm. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με αυτά της διαδεδομένης μεθόδου σημειακής φόρτισης. Αποδεικνύεται πειραματικά ότι για τα τρία ασβεστολιθικά πετρώματα που μελετήθηκαν, η δοκιμή επιφανειακής διείσδυσης δίνει σημαντικά ακριβέστερα αποτελέσματα και μπορεί να εφαρμοστεί τόσο στο εργαστήριο όσο και στο πεδίο. Επιπλέον αποδείχθηκε ότι η δοκιμή προσφέρει την δυνατότητα μη καταστροφικού ελέγχου των δοκιμίων ιδιαίτερα με το άκρο με την μικρή σφαίρα. / An alternative indirect method to determine the unconfined compressive strength of rocks based on a modified Indentation (Punch) test is presented. Two indenters with spherical tips of 1.585mm and 5mm were used. The results are compared with those of the Point Load test that is commonly used in practice. It is experimentally proved that for the three calcareous rock materials tested, this method gives significantly more accurate results and can be applied to the laboratory as well as in situ. In addition it has been proved that this test offers the possibility of non destructive testing especially when the small spherical tip is used.

Στην παρούσα διατριβή πραγµ ατοποιήθηκε η θεωρητική και πειραµ ατική διερεύνηση της τεχνολογίας επιφανειακής κατεργασίας µ εταλλικών υλικών, που βασίζεται στη διεργασία Χηµ ικής Εναπόθεσης Ατµ ών (CVD – Chem ical Vapour Deposition) µ ε χρήση Στερεάς Κλίνης (PBCVD) και Ρευστοστερεάς Κλίνης (FBCVD). Η προστασία των µ ετάλλων επιτυγχάνεται µ ε την εναπόθεση επιστρωµ άτων, τα οποία έχουν σκοπό να παρέχουν αντιδιαβρωτική προστασία στα υλικά. Μελετήθηκαν τέσσερις επιµ έρους διεργασίες: I. ∆ιεργασίες σχηµ ατισµ ού αλουµ ινιούχων επιστρωµ άτων σε υποστρώµ ατα Ni, Fe, Fe-15Cr µ ε τη µ έθοδο FBCVD υψηλών θερµ οκρασιών, στην περιοχή των 1000 °C. II. ∆ιεργασίες σχηµ ατισµ ού αλουµ ινιούχων αντιδιαβρωτικών επιστρωµ άτων σε υποστρώµ ατα Ni, Fe, Inconel 738, NiCr23Fe και SS 304, µ ε τη µ έθοδο FBCVD χαµ ηλών θερµ οκρασιών, στην περιοχή των 600 °C. III. ∆ιεργασίες σχηµ ατισµ ού πολυσυστατικών αντιδιαβρωτικών επιστρωµ άτων σε υποστρώµ ατα Ni και Fe µ ε τη µ έθοδο PBCVD µ ε διεργασία ενός σταδίου υψηλών θερµ οκρασιών (Al-Cr-Hf/Y) και µ ε τη µ έθοδο FBCVD µ ε διεργασία ενός σταδίου υψηλών θερµ οκρασιών (Al-Cr) καθώς και χαµ ηλής – υψηλής θερµ οκρασίας δύο σταδίων (Al-Cr). IV. ∆ιεργασίες σχηµ ατισµ ού αλουµ ινιούχων επιστρωµ άτων σε υποστρώµ ατα Mg και κραµ άτων του µ ε τις µ εθόδους PBCVD και FBCVD, καθώς και εµ βάπτισης σε αλουµ ινιούχο αιώρηµ α ακετόνης. Η θεωρητική µ ελέτη έδειξε πως όλες οι διεργασίες αυτές µ πορούν να οδηγήσουν στο σχηµ ατισµ ό επιστρωµ άτων, τα οποία παρέχουν αντιδιαβρωτική προστασία. Τα πειραµ ατικά αποτελέσµ ατα έδειξαν πως ο σχηµ ατισµ ός τέτοιων επιστρωµ άτων µ ε τις µ εθόδους που χρησιµ οποιήθηκαν είναι εφικτός. Προσδιορίστηκαν οι πειραµ ατικέςαδυναµ ίες και τα όρια των διεργασιών αυτών. Τέλος, αξιολογήθηκαν τα σχηµ ατιζόµ ενα επιστρώµ ατα ως προς τα χαρακτηριστικά τους, όπως η συνάφεια µ ε το υπόστρωµ α, το πάχος, η οµ οιοµ ορφία, η χηµ ική σύσταση, η σκληρότητα, η τραχύτητα και η συµ περιφορά σε διάβρωση. Από τα αποτελέσµ ατα της θεωρητικής και της πειραµ ατικής µ ελέτης, προτάθηκαν κάποια µ αθηµ ατικά µ οντέλα τα οποία επιτρέπουν την πρόβλεψη της ανάπτυξης των επιστρωµ άτων, ανάλογα µ ε τις εκάστοτε πειραµ ατικές συνθήκες. Τα αποτελέσµ ατα των υπολογισµ ών βρίσκονται σε αρκετά καλή συµ φωνία µ ε τα πειραµ ατικά, ακόµ η και εκείνα άλλων ερευνητών. ii i / In the present study, a theoretical and experimental investigation of a metal surface treatment technology, the Chemical Vapour Deposition with use of a Pack Bed (PBCVD) and a Fluidised Bed (FBCVD), has been examined. The adequate protection of the metals surfaces is achieved by deposition of coatings which provide corrosion protection. Four main areas of surface treatments of metals have been studied: I. Aluminide coating formation on substrates of Ni, Fe, Fe-15Cr with use of the high temperature Fluidised Bed Chemical Vapour Deposition (FBCVD). II. Aluminide corrosion protective coatings on substrates of Ni, Fe, Inconel 738, NiCr23Fe and SS 304, with use of the low temperature Fluidised bed Chemical Vapour Deposition (FBCVD). III. Multielement corrosion protective coating formation on substrates of Ni and Fe with use of the one-step, high temperature Pack Bed Chemical Vapour Deposition (PBCVD), leading to Al-Cr-Hf/Y coatings. With use of the one-step, high temperature Fluidised Bed Chemical Vapour Deposition (FBCVD) leading to Al-Cr coatings, as well as with use of the two-step low-high temperature Fluidised Bed Chemical Vapour Deposition (FBCVD) process, leading to Al-Cr coatings. IV. Aluminide coatings on substrates of Mg and Mg alloys with use of the Pack bed Chemical Vapour Deposition (PBCVD) and Fluidised Bed (FB), as well as with immersion in aluminium suspension (slurry process). The theoretical investigation has shown that all of these fermentations can lead to coating formation that provides corrosion protection. The experimental results have shown that the formation of such coatings with the used methods is capable. The experimental weaknesses have been appointed, as well as the confines of these processes. Finally, the formed coatings have been evaluated, according to their characteristics, such as the substrate-coating adherence, the coating thickness, the uniformity, chemical composition, hardness, roughness and behavior in corrosive environments. Mathematical models have been proposed, based on the theoretical and experimental results. These models permit the prediction of the coating development, according to the experimental conditions. The predictions are in satisfactory agreement with the herein presented experimental results, also with these of other researchers.

Ο κύριος στόχος της παρούσας εργασίας είναι η αποσαφήνιση του τρόπου εναπόθεσης και της τοπικής δομής των ειδών κοβαλτίου που σχηματίζονται στην διεπιφάνεια «τιτάνια / ηλεκτρολυτικό διάλυμα» κατά το στάδιο του εμποτισμού. Προκειμένου να επιτευχθεί ο στόχος αυτός προβήκαμε σε κατάλληλη θεωρητική και υπολογιστική επεξεργασία δεδομένων, που προέρχονται από την εφαρμογή ηλεκτροχημικών τεχνικών, την εκτέλεση πειραμάτων προσρόφησης και την εφαρμογή φασματοσκοπικών τεχνικών, καθώς επίσης και σε ab-initio υπολογισμούς για την εξακρίβωση του είδους των επιφανειακών οξυγόνων, των φορτίων τους και των συγκεντρώσεών τους. Συγκεκριμένα, εκτελέστηκαν πειράματα στα οποία μελετήθηκε η μεταβολή του pH κατά την εναπόθεση των ειδών του κοβαλτίου στην επιφάνεια της τιτάνιας, πειράματα τιτλοδοτήσεων Co-H+ σε σταθερό pH, καθώς και πειράματα “adsorption edges” προκειμένου να ληφθεί μια γενική εικόνα της έκτασης της προσρόφησης των ιόντων κοβαλτίου σε μια ευρεία περιοχή pH. Επιπλέον, μελετήθηκε η μεταβολή του σημείου μηδενικού φορτίου και του ισοηλεκτρικού σημείου της τιτάνιας, εκτελώντας πειράματα ποτενσιομετρικών τιτλοδοτήσεων μάζας και μικροηλεκτροφόρησης, αντιστοίχως, παρουσία των ιόντων αυτών. Όλα τα παραπάνω, σε συνδυασμό με την φασματοσκοπική τεχνική της διάχυτης ανάκλασης υπέδειξαν το σχηματισμό μονοπυρηνικών / ολιγοπυρηνικών συμπλόκων εσωτερικής σφαίρας κατά την εναπόθεση των ιόντων [Co(H2O)6]2+ στη διεπιφάνεια “τιτάνιας / ηλεκτρολυτικού διαλύματος”. Η αποσαφήνιση όμως της ακριβούς δομής των συμπλόκων αυτών καθώς και η εξακρίβωση της σχετικής τους συγκέντρωσης, σε διάφορες επιφανειακές συγκεντρώσεις Co(II) κατέστη δυνατή με την συνδυασμένη χρήση ημιεμπειρικών κβαντομηχανικών υπολογισμών, στερεοχημικών θεωρήσεων καθώς και προσομοίωσης των δεδομένων εναπόθεσης. Στο συμπαγές τμήμα της διεπιφάνειας “τιτάνιας / ηλεκτρολυτικού διαλύματος” και για χαμηλές καθώς και μεσαίες επιφανειακές συγκεντρώσεις Co(II) σχηματίζονται μονοπυρηνικά σύμπλοκα. Είναι πολύ πιθανός ο σχηματισμός μιας μονο-υδρολυμένης Ti2O-TiO διαμόρφωσης καθώς και μιας δι-υποκατεστημένης TiO-TiO, η οποία έχει υποστεί δυο υδρολύσεις. Στην πρώτη διαμόρφωση ένα υδατικός υποκαταστάτης αντικαθίσταται από ένα γεφυρωμένο επιφανειακό οξυγόνο ενώ ένας άλλος από ένα ακραίο επιφανειακό οξυγόνο. Στην δεύτερη διαμόρφωση δυο υδατικοί υποκαταστάτες αντικαθίσταται από δυο ακραία επιφανειακά οξυγόνα. Επίσης σε υψηλές επιφανειακές συγκεντρώσεις Co(II) παρατηρείται και ο σχηματισμός διπυρηνικών και τριπυρηνικών συμπλόκων εσωτερικής σφαίρας. / The interfacial chemistry of the impregnation step involved in the synthesis of cobalt catalysts supported on titania was investigated with regard to the mode of interfacial deposition of the aqua complex [Co(H2O)6]2+ on the “titania/electrolyte solution” interface, the structure of the inner-sphere complexes formed, and their relative interfacial concentrations. Several methodologies based on the application of deposition experiments and electrochemical techniques were used in conjunction with diffuse-reflectance spectroscopy. These suggested the formation of mononuclear/ oligonuclear inner-sphere complexes on deposition of the [Co(H2O)6]2+ ions at the “titania/electrolyte solution” interface. The joint application of semiempirical quantum-mechanical calculations, stereochemical considerations and modeling of the deposition data revealed the exact structure of these complexes and allowed their relative concentrations at various Co(II) surface concentrations to be determined. It was found that the interface speciation depends on the Co(II) surface concentration. Mononuclear complexes are formed at the compact layer of the “titania/electrolyte solution” interface for low and medium Co(II) surface concentrations. Formation of mono-hydrolyzed Ti2O–TiO and the dihydrolyzed TiO–TiO disubstituted configurations is very probable. In the first configuration one water ligand of the [Co (H2O)6]2+ ion is substituted by a bridging surface oxygen atom and another by a terminal surface oxygen atom. In the second configuration two water ligands of the [Co(H2O)6]2+ ion are substituted by two terminal surface oxygen atoms. Binuclear and trinuclear inner-sphere complexes are formed, in addition to the mononuclear ones, at relatively high Co(II) surface concentrations

Η χρήση των βιοϋλικών ως εμφυτεύματα στην Ουρολογία και ιδιαίτερα στις ενδοουρολογικές επεμβάσεις είναι πράξη ρουτίνας τις τελευταίες δεκαετίες. Παρ’ όλα αυτά τα προβλήματα που προκύπτουν από την ευρεία χρήση τους μπορεί να θέσουν σε κίνδυνο τη υγεία του ασθενή που τις φέρει (λοιμώξεις ή και επανεπεμβάσεις). Αναφορικά με τις επικαθίσεις δυσδιάλυτων αλάτων στην επιφάνεια των ενδοπροθέσεων αυτών υπάρχει εκτεταμένο πεδίο έρευνας αλλά οι μηχανισμοί του φαινομένου δεν έχουν διαλευκανθεί πλήρως. Ο βασικός στόχος της παρούσας διατριβής είναι η προσομοίωση του φαινομένου στο εργαστήριο με ασταθή διαλύματα συνθετικών ούρων υπέρκορα ως προς το οξαλικό ασβέστιο καθώς και η μελέτη της κινητικής και των θερμοδυναμικών παραμέτρων του φαινομένου. Το πειραματικό πρότυπο που χρησιμοποιήθηκε κρίνεται ικανοποιητικό για την κινητική μελέτη των επικαθίσεων (εναποθέσεων) σε βιοϋλικά του ουροποιητικού συστήματος. Η γραφική παράσταση της συνάρτησης της αρχικής ταχύτητας κρυστάλλωσης του μονοένυδρου οξαλικού ασβεστίου με το γινόμενο των ιοντικών ενεργοτήτων ασβεστίου και οξαλικών στην παρούσα διατριβή είναι γραμμική και σε καλή συμφωνία με αποτελέσματα από τη βιβλιογραφία. Η επιφάνεια του καθετήρα καταλύει την πυρηνογένεση ενώ οι χαμηλές τιμές επιφανειακής ενέργειας που υπολογίστηκαν υποδηλώνουν μηχανισμό ετερογενούς πυρηνογένεσης. Η αντίδραση για τον γυάλινο καθετήρα φαίνεται να ελέγχεται από την διάχυση δομικών μονάδων από το διάλυμα των συνθετικών ούρων ενώ για τους καθετήρες Foley ισχύουν διεργασίες επιφανειακής διάχυσης. Δεν φαίνεται να υπάρχει σημαντική διαφοροποίηση μεταξύ του γυαλιού και του καθετήρα Foley όσον αφορά στην επιφανειακή ενέργεια του σχηματιζόμενου στερεού. Η συμβατότητα των πυρήνων του μονοένυδρου οξαλικού ασβεστίου (COM) οι οποίοι αναπτύσσονται στους αντίστοιχους κρυσταλλίτες με τις επιφάνειες των καθετήρων Foley και των γυάλινων καθετήρων (control) – γωνία θ- βρέθηκε ότι ήταν παραπλήσια. Οι μικρές διαφοροποιήσεις στην επιφανειακή ενέργεια των υλικών τα οποία μελετήθηκαν, υποδεικνύουν ότι υλικά με μεγάλη επιφανειακή ενέργεια της αναπτυσσόμενης φάσης μπορούν να αναστείλουν τον σχηματισμό επικαθίσεων σε ενδοπροθέσεις. Η ποιοτική ανάλυση των επικαθίσεων των δυσδιάλυτων αλάτων μέσω της φασματοσκοπίας υπερύθρου είναι σημαντική για τη λήψη πληροφοριών σχετικά με τις συνθήκες σχηματισμού καθώς και του ρυθμού ανάπτυξής τους. Σε όλα τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν, από την ανάλυση των στερεών που ελήφθησαν διαπιστώθηκε ότι καταβυθίζεται αποκλειστικά μονοένυδρο οξαλικό ασβέστιο (COM). Η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης μας παρείχε πληροφορίες για τη μορφολογία των στερεών. Παρατηρείται αλλαγή της μορφολογίας των κρυστάλλων του μονοένυδρου οξαλικού ασβεστίου παρουσία συνθετικών ούρων σε σχέση με τη μορφολογία του κρυστάλλου απουσία των συνθετικών ούρων. Η ποιοτική ταυτοποίηση 63 ουρητηρικών καθετήρων (stents) ανέδειξε πιο συχνά απαντώμενη την επικάθιση του μονοένυδρου οξαλικού ασβεστίου μόνη ή σε συνδυασμό με άλλες (36,5%). Στους καθετήρες κύστης (12) ήταν πιο συχνές οι επιμολύνσεις και οι επικαθίσεις στρουβίτη-απατίτη. Από τον μεταβολικό έλεγχο των ούρων όλων των παραπάνω ασθενών βρέθηκε σε υψηλό ποσοστό συνύπαρξη υποκιτρικουρίας (50 - 85,71%) καθώς και άλλες μεταβολικές διαταραχές όπως υπεροξαλουρία και υπομαγνησιουρία. Είναι πιθανό τέτοιοι μεταβολικοί παράγοντες να υπεισέρχονται στους μηχανισμούς ανάπτυξης των κρυσταλλικών επικαθίσεων. Τέλος, χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό Phreeqc Interactive v 2.6 για τον υπολογισμό του υπερκορεσμού των ούρων ασθενών όσον αφορά στο μονοένυδρο οξαλικό ασβέστιο, στον υδροξυαπατίτη και στον βρουσίτη με ικανοποιητικά αποτελέσματα. Δεδομένου ότι ο υπερκορεσμός είναι μία αναγκαία αλλά όχι και ικανή συνθήκη για την καταβύθιση ενός άλατος η βάση δεδομένων του λογισμικού χρήζει τροποποιήσεων ώστε να έχει ακριβέστερη εφαρμογή στην βασική έρευνα και στην κλινική λιθίαση. Η ανάλυση των επικαθίσεων δυσδιάλυτων αλάτων σε βιοϋλικά του ουροποιητικού συστήματος είναι σημαντική για τη λήψη πληροφοριών σχετικά με τις συνθήκες σχηματισμού καθώς και του ρυθμού ανάπτυξής των. Οι πληροφορίες για τη διαδικασία σχηματισμού εναποθέσεων είναι σημαντικές για το σχεδιασμό νέων βιοϋλικών ανθεκτικών στα φαινόμενα των εναποθέσεων οργανικού υλικού (biofilm), μικροοργανισμών, και δυσδιάλυτων αλάτων. / The use of biomaterials as devices in Urology and particularly in endourological interventions is an ordinary practice in the last decades. Unfortunately problems that result from their wide use can get patient’s health into risk (with infections or even reoperation). There is an extensive field of research concerning encrustations (deposits) from undissolved salts in the surface of the endourological devices (stents, catheters) but the mechanisms of this phenomenon has not been cleared up completely till now. The main objective of the present study is the simulation of the phenomenon in the laboratory dealing with unstable solutions of synthetic urine supersaturated with respect to calcium oxalate monohydrate as well as the study of kinetics and thermodynamic parameters of the phenomenon. The experimental model that was used was characterised satisfactory for the kinetic study of salt deposits in biomaterials of the urinary system. The graphic representation of the function of initial rate of crystallization of calcium oxalate monohydrate with ion activity product of calcium oxalate monohydrate in the present study is linear and in accordance with results from the bibliography. The surface of catheter catalyses the formation of the nuclei of crystals while the low values of surface energy that were calculated imply mechanism of heterogeneous nucleation. The reaction in the surface of the glass catheter seems to be depended upon the diffusion of structural units from the solution of synthetic urine but the one in the Foley catheters suggests a surface diffusion mechanism. There is no important differentiation between the glass catheter and Foley catheter with respect to the surface energy of the formatted solid phase. The compatibility of calcium oxalate monohydrate nuclei which developed on the surfaces of Foley catheters and glass catheters (control) was found to be similar. The small differentiations concerning the surface energy of the materials were studied, indicate that materials with high surface energy of the developing solid phase could minimize the formation of encrustations in endourological devices. The qualitative analysis of salt encrustations via infrared spectroscopy is important for informing the conditions of nucleation as well as the rate of nuclei growth. The analysis of the solid phase took place in all experiments show exclusively calcium oxalate monohydrate formation(COM). The Scanning Electron Microscopy (SEM) provided us information about the morphology of the solid phase developed in the biomaterials surface. There was a differentiation on the crystal morphology of calcium oxalate monohydrate in the presence of synthetic urine comparing with other solutions in the bibliography. Presenting results from 11 samples– stents and catheters- was found that calcium oxalate monohydrate (COM) was the undissolved salt identified more often in such deposits. The qualitative identification of other 53 stents also showed increased calcium oxalate monohydrate deposits alone or in combination with other salts (36,5%). In 11 bladder catheters studied, the bacterial colonization was more often and the crystalline deposits were consisted mostly of struvite or apatite. Metabolic evaluation of urine of all above patients showed the coexistence of hypocitruria in high percentage (50-85,71%) as well as other metabolic disturbances such as hyperoxaluria and hypomagnesuria. It is supposed that such metabolic factors inside into the mechanisms of growth of crystal deposits. Finally, software Phreeqc Interactive v 2.6 was used for the calculation of patients’ urine supersaturation. The results were satisfactory with respect to calcium oxalate monohydrate, brushite and apatite. Since supersaturation is a necessary but not the unique factor for a salt precipitation seems that this software database requires modifications so that it has more sophisticated applications in basic research and clinical urolithiasis in future. The analysis of encrustations of undissolved salts in biomaterials used in the urinary system is important for collecting information concerning the conditions of crystal formation as well as their crystal growth. This is also important for planning new materials could resist in the phenomenon of deposits of either organic material (biofilm) and microorganisms or salts.

Η χρήση των πολυμερών στον τομέα της ιατρικής βιομηχανίας κερδίζει ολοένα και μεγαλύτερο έδαφος τα τελευταία χρόνια έχοντας ήδη κάνει ισχυρή την παρουσία τους σε ένα ευρύ πεδίο κλάδων της βιοϊατρικής όπως στη μηχανική ιστών, στην εμφύτευση ιατρικών συσκευών και τεχνητών οργάνων, στην προσθετική και την οφθαλμολογία, στην οδοντιατρική και την αποκατάσταση οστών, στη χημειοθεραπεία και σε ποικιλία άλλων ιατρικών εφαρμογών. Με τη χρήση πολυμερικών συστημάτων μεταφοράς δραστικών ουσιών καθίσταται ικανή η ελεγχόμενη αργή αποδέσμευση φαρμάκων στο σώμα καθώς και η στοχευμένη απελευθέρωσή τους σε σημεία όπου υπάρχουν φλεγμονές ή όγκοι. Τοιουτοτρόπως, χημειοθεραπείες με χρήση βιοπολυμερών ως διαμεσολαβητές, προβάλλουν ως δυνητικές υποψήφιοι στην αντιμετώπιση του καρκίνου του εγκεφάλου με ενθαρρυντικά αποτελέσματα. Συγκρινόμενη με την τυπική συστημική χημειοθεραπεία, η ενδοογκική απελευθέρωση φαρμάκου με τη χρήση βιοπολυμερών θεωρητικώς παρουσιάζει αρκετά πλεονεκτήματα: τα βιοπολυμερή μπορούν να μεταφέρουν το φάρμακο απευθείας στον όγκο-στόχο αυξάνοντας τη συγκέντρωση τοπικά και παράλληλα μειώνοντας τη συστημική τοξικότητα· μπορούν έτσι να χρησιμοποιούνται στη θεραπεία ανοσοκατασταλμένων ασθενών που δεν μπορούν να υποβληθούν σε συστημική χημειοθεραπεία. Από τη στιγμή που είναι απαραίτητη η ποσοτικοποίηση των φαρμάκων για τον χαρακτηρισμό των συστημάτων αποδέσμευσης και για μελέτες φαρμακοκινητικής, θα πρέπει να επιλέγεται η καταλληλότερη μέθοδος ποσοτικοποίησης παρέχοντας υψηλή ευαισθησία και ακρίβεια, εξασφαλίζοντας μεγάλη ανιχνευτική ικανότητα ακόμη και για πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις. Στην παρούσα εργασία δύο αναλυτικές τεχνικές, η απορρόφηση υπεριώδους-ορατού και η επιφανειακή ενίσχυση της σκέδασης Raman (Surface Enhanced Raman Scattering, SERS), χρησιμοποιήθηκαν για την ποσοτική εκτίμηση του αντινεοπλασματικού φαρμάκου Mitoxantrone και του αντιμυκητιακού παράγοντα Ambisome (Αμφοτερισίνη Β) που αποδεσμεύτηκαν από βιοσυμβατές πολυμερικές μήτρες συμπολυμερούς αιθυλενίου-οξικού βινυλεστέρα, συμπολυμερούς γλυκολικού-γαλακτικού οξέος και πολυπροπυλενίου. Το SERS είναι ένα νέο, εναλλακτικό, ταχύ και μη καταστροφικό εργαλείο που μπορεί να βρεί εφαρμογή και στην ποσοτική εκτίμηση ουσιών πάρα πολύ χαμηλών συγκεντρώσεων. Χάρις στην ενίσχυση που παρέχεται στο σήμα Raman από τα νανο-εκτραχυμένα υποστρώματα ευγενών μετάλλων ή τα νανο-συσσωματώματα κολλοειδών διαλυμάτων ευγενών μετάλλων, έχει αναφερθεί ακόμη και συλλογή φάσματος SERS από ένα μόνο μόριο. Συνεπώς, η εφαρμογή του SERS σε μελέτες ουσιών εξαιρετικά χαμηλών συγκεντρώσεων φαίνεται να είναι πολύ ενδιαφέρουσα. Κατασκευάστηκαν πολυμερικά υμένια με εγκλωβισμένες τις δραστικές ουσίες και η μελέτη αποδέσμευσης πραγματοποιήθηκε σε νερό. Ποσοτικές μετρήσεις με τη χρήση του SERS σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις έδειξαν μεγαλύτερη ανιχνευτική ευαισθησία σε σχέση με αυτές που πραγματοποιήθηκαν με την απορρόφηση UV-Vis. Συμπερασματικά, το SERS δείχνει ικανό στον ποσοτικό προσδιορισμό ενεργών ουσιών που αποδεσμεύονται από βιοσυμβατά πολυμερικά συστήματα μεταφοράς δραστικών ουσιών σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις. / The application of polymeric materials for medical purposes is growing very fast. Polymers have found applications in such diverse biomedical fields as tissue engineering, implantation of medical devices and artificial organs, prosthesis, ophthalmology, dentistry, bone repair, chemotherapy and many other medical fields. Polymer-based delivery systems enable controlled slow release of drugs into the body and also they make possible targeting of drugs into sites of inflammation or tumors. Thus, biopolymer-mediated chemotherapy has shown promising results in the treatment of brain tumors. When compared to conventional systemic chemotherapy, intratumoral biopolymer-mediated drug delivery has several theoretical advantages: Biopolymers can deliver drugs into the tumor bed, thus maximizing local concentration while minimizing systemic toxicity. They may therefore be employed in the treatment of immunodepressed patients etc. Since drugs need to be quantified for drug delivery system characterization, intracellular distribution studies, free or vehicular, and for pharmacokinetic assays, the most suitable quantification method must be chosen. It should have a high sensitivity, specificity and reproducibility and should be capable of measuring at very low concentration range, as well. In the present study, two analytical techniques are utilized to quantitatively evaluate the antineoplastic drug Mitoxantrone and the antifungal agent Ambisome (Amphotericin b) released from active agents-loaded biocompatible polymer matrices poly(propylene), poly(ethylene-co-vinyl acetate), poly(lactic-co-glycolic acid); the UV-Vis absorption and the Surface Enhance Raman Scattering (SERS). SERS is a new, versatile, fast and non destructive tool for the estimation of extremely small amounts of substances. Due to the enhancement provided to the Raman signal by the nano-rough noble-metal substrates or the nano-structured colloidal clusters of noble metals, even single molecule detection has been reported. Therefore, applying SERS to extremely low concentration measurements proves to be challenging. Drug loaded polymer specimens were prepared and the in vitro drug release was determined in water. Fast SERS quantitative measurements showed enhanced sensitivity compared to the UV-Vis absorption; SERS may enable low concentration quantitative assessment of controlled release of drugs from biopolymer-based delivery systems.

Σήμερα η μελέτη των βιοϋλικών προσανατολίζεται σε δύο κατευθύνσεις, την ανάπτυξη συστημάτων μεταφοράς φαρμάκων και συστημάτων κατάλληλων να διεγείρουν κυτταρικές λειτουργίες. Η έρευνά μας έχει σχέση με την συγκριτική μελέτη συστημάτων μεταφοράς φαρμάκων κατάλληλων για εφαρμογή σε οστικούς καρκίνους. Τέτοιου είδους συστήματα θα πρέπει, αρχικά να είναι ικανά να μεταφέρουν τα φαρμακευτικά μόρια και στη συνέχεια να μπορούν να επάγουν οστεογένεση. Η δεύτερη λειτουργικότητα είναι ιδιαιτέρως σημαντική καθώς έχει σαν αποτέλεσμα την πλήρωση του οστικού ελλείμματος που προκαλείται από την δράση των καρκινικών κυττάρων. Για τον σκοπό αυτό, διερευνήθηκε η ικανότητα του υαλώδους δικτύου να μεταφέρει φαρμακευτικά μόρια μέσω παραδοσιακών συστημάτων μεταφοράς. Συνεπώς, ακολούθησε η ex vitro μελέτη pH-ευαίσθητων τροποποιημένων πυριτικών ξηρών πηκτών στα οποία είχε συνδεθεί το αντικαρκινικό φάρμακο δοξορουπμυσίνη. Συγκεκριμένα, πυριτικά ξηρά πηκτώματα συντέθηκαν με την μέθοδο sol-gel και τροποποιήθηκαν περαιτέρω με χημεία καρβοδιϊμιδίου. Η τροποποίηση είχε σαν αποτέλεσμα την επιφανειακή σύνδεση υδροπηκτών δεξτράνης που παρουσιάζουν ευαισθησία στο pH. Στη συνέχεια, ακολούθησε η σύνθεση των ανόργανων βιοενεργών νανοσφαιρών. Για την σύνθεση των υαλωδών νανοσφαιρών με εσωτερική κοιλότητα ακολουθήθηκε η διαδικασία επικάλυψης sol-gel, κατά την οποία έγινε η ηλεκτροστατική επικάλυψη νανοσωματιδίων πολυστυρενίου με αποτέλεσμα την σύνθεση ανόργανων πυριτικών και φωσφοπυριτικών νανοσφαιρών. Επιπλέον, μελετήθηκε η εφαρμογή του συμπολυμερούς του πολυμεθακρυλικού μεθυλεστέρα – υδρομεθακρυλικού προπυλεστέρα ως υποστρώματος καθώς το PMMA αποτελεί βασικό συστατικό των οστικών τσιμέντων και παρουσιάζει βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες. Προκειμένου να ολοκληρωθεί η συγκριτική μελέτη μας, ακολούθησε η ex vitro ανάλυση των παραπάνω υβριδικών φωσφοπυριτικών νανοσφαιρών καθώς επίσης των πυριτικών νανοσφαιρών PS και PMMA-co-HPMA. Η επώαση σε διάλυμα SBF οδήγησε στον σχηματισμό ανθρακικού πυριτικού υδροξυαπατίτη με το μέγεθος των κρυσταλλιτών να μην υπερβαίνει τα 45 nm και έντονη παρουσία συσσωματωμάτων. Βέλτιστες ιδιότητες βιοενεργότητας παρουσιάζουν οι τροποποιημένες με αμίνες υβριδικές νανοσφαίρες PMMA-co-HPMA, οι οποίες έχουν επίσης την δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν ως μεταφορείς φαρμακευτικών μορίων σε όξινο καθώς επίσης και σε φυσιολογικό pH με παρατεταμένη δυνατότητα αποδέσμευσης. / Recently the study of biomaterials has moved in two directions, the evolution of drug delivery systems and of systems that can stimulate specific cellular responses. Our investigation aims to the study of drug delivery systems for bone cancer therapy. These systems must fulfill two important functionalities. At first, they should be able to deliver drug molecules to bone cancer environment through loading or surface conjugation and subsequently to cause osteogenesis. Their second functionality is especially important since it leads to substitution of bone defects caused from the action of cancer cells. For this purpose, the ability of the glassy network to deliver drug molecules was studied. For this purpose, expanded ex vitro research was followed in DOX conjugated pH-sensitive functionalized silica xerogels. Specifically, silica xerogels were synthesized through a sol-gel process and further functionalized with carbodiimide chemistry. The functionalization process resulted in pH-sensitive dextran hydrogels. The study of the enhanced properties of glassy substrates was followed by the synthesis of amorphous bioactive nanospheres. Moreover, the change of the organic core and the use of PMMA-co-HPMA were advantageous due to the enhanced mechanical properties of PMMA-co-HPMA and its use in bone cements. In order to accomplish our comparative investigation, we followed the ex vitro study of the above hybrid binary silicate, ternary and quaternary phosphosilicate nanospheres as well as the silicate PS and PMMA-co-HPMA nanospheres. The incubation in SBF solution resulted in the formation of a silica-substituted carbonate hydroxyapatite (Si-HCA) a with crystallite size of around 45 nm and extended surface aggregates. The amino-modified PMMA-co-HPMA hybrid nanospheres present enhanced biocompatible properties, with prolonged release ability as drug delivery systems, in acidic as well as physiological pH.

Η φασματοσκοπία Raman θεωρείται αξιόπιστη μέθοδος χαρακτηρισμού της μοριακής δομής της ύλης. Τελευταία δε καταβάλλεται μεγάλη προσπάθεια να αναδειχθεί και ως μη επεμβατική τεχνική ανίχνευσης ουσιών φαρμακευτικού και βιολογικού ενδιαφέροντος. Επειδή όμως το φαινόμενο Raman είναι ασθενές και τα όρια ανίχνευσης των ουσιών αυτών ιδιαίτερα χαμηλά, η συμβατική φασματοσκοπία Raman ανταποκρίνεται με μεγάλη δυσκολία στις απαιτήσεις μιας μη επεμβατικής τεχνικής. Τα τελευταία χρόνια με την ανακάλυψη της επιφανειακής ενίσχυσης της σκέδασης Raman (Surface Enhanced Raman Scattering) και την ανάπτυξη της ομώνυμης τεχνικής SERS αυξήθηκε η πιθανότητα του φαινομένου κατά τάξεις μεγέθους. Στο πλαίσιο αυτό, έχουν αναφερθεί και μελέτες SERS με ανίχνευση σκέδασης Raman ακόμη και από ένα μόνο μόριο (single molecule detection). Προϋπόθεση όμως ανάπτυξης φαινομένου SERS είναι η γειτνίαση της εξεταζόμενης ουσίας με νανοσωματίδια αργύρου (Ag) ή χρυσού (Au). Τα νανοσωματίδια αυτά χρησιμοποιούνται κυρίως είτε υπό μορφή κολλοειδών διαλυμάτων είτε υπό την μορφή νανοδομημένων επιφανειών. Μια επιπλέον παράμετρος που πρέπει να συνυπολογισθεί ώστε η μέθοδος αυτή να χαρακτηριστεί αναλυτική είναι η δυνατότητα πραγματοποίησης με SERS ποσοτικών μετρήσεων. Στην παρούσα εργασία ως “υπόστρωμα” εμφάνισης του φαινομένου SERS χρησιμοποιήθηκαν κολλοειδή διαλύματα Au και Ag (~2 mL), στα οποία προστίθεντο 25-100 μL διαλύματος της προς ανίχνευσης ουσίας. Η χρησιμοποίηση της γεωμετρίας σκέδασης 90ο, της πλέον ενδεδειγμένης για λήψη φασμάτων Raman από υγρά και κολλοειδή διαλύματα νανομετρικής κλίμακας (10-100 nm), έδωσε τη δυνατότητα ανίχνευσης συγκεντρώσεων ουσιών-στόχων ακόμη και της τάξης των fg/mL. Επιπλέον, η χρησιμοποίηση μιας κυψελίδας με συνεχή ταλάντωση σε κάθετη ως προς το επίπεδο σκέδασης διεύθυνση (oscillating or shaking cell), επέτρεψε την πραγματοποίηση ποσοτικών μετρήσεων SERS σε συγκεντρώσεις της τάξης των (sub)-ng & (sub)-pg/mL. Η διάταξη αυτή φωταψίας δείγματος και συλλογής σκεδαζόμενης ακτινοβολίας εφαρμόστηκε σε αντικαρκινικά φάρμακα (Novantrone® & Doxorubicin), αντιβιοτικό (Ciproxin®) και βάσεις του DNA. Στην περίπτωση του αντιβιοτικού με ενεργή ουσία το Ciprofloxacin ελήφθησαν ποσοτικά αποτελέσματα σε διαλύματα τεχνητών δακρύων της τάξης των ng/mL, κάτω από την συνολική κλίμακα της μέσης ανασταλτικής πυκνότητας (minimum inhibitory concentration range) του φαρμάκου. Στόχος και φιλοδοξία είναι η τεχνική αυτή να αναδειχθεί ως μια ταχεία μη επεμβατική αναλυτική μέθοδος μέτρησης φαρμακευτικών ή/και βιολογικών ουσιών σε σωματικά υγρά (π.χ. σίελος, δάκρυα, …), για την μελέτη της φαρμακοκινητικής, την έγκαιρη διάγνωση ασθενειών καθώς και τη μελέτη ελεγχόμενης αποδέσμευσης ενεργών ουσιών από πολυμερικές μήτρες σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις. Επιπλέον, έγινε προσπάθεια μελέτης/ανίχνευσης μορίων Ε18 primary rat cortical cells με την χρήση του SERS σε συνθήκες προσομοίωσης ηλεκτροχημικού εμφυτεύματος. Για τον λόγο αυτό σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε ένας μικρο-επωαστής (micro-incubator) που επιτρέπει αφ’ ενός μεν τη συντήρηση των κυττάρων σε περιβάλλον κατάλληλο για τη μελέτη τους (layer of Neurobasal-culture medium with a 95% air & 5% CO2 gas flow at 37oC), αφ’ ετέρου δε την προσαρμογή του σε χώρο υποδοχής δείγματος ενός φασματοφωτόμετρου μικρο-Raman για τη λήψη φασματοηλεκτροχημικών μετρήσεων Raman/SERS. Το κύριο σημείο ενδιαφέροντος στο οποίο εστιάσαμε στην παρούσα εργασία αναφέρεται στην διερεύνηση ανίχνευσης βασικών/θεμελιωδών μορίων των κυττάρων στo θρεπτικό υγρό του πειράματος για την ταχεία εκτίμηση ενδεχόμενης αποδέσμευσης DNA που θα αντικατόπτριζε την κατάσταση των κυττάρων. / Laser Raman spectroscopy plays an increasing important role in polymer science, biophysics/biochemistry and life science. Based on vibrational transitions, it has long been regarded as a valuable non destructive tool for the identification of chemical and biological samples as well as the elucidation of molecular structure, surface processes and interface reactions. Spontaneous Raman scattering is however an inherently weak process characterized by extremely small cross sections. Even so, the Raman signal can be highly enhanced when the analyte is placed on or near either to nano-rough noble-metal substrates or to nano-structured colloidal clusters of noble metals. This nano-enhanced scattering process is known as Surface Enhanced Raman Scattering, SERS. With SERS, extremely small amounts of substances can be detected; even single molecule detection has been reported. This constitutes a challenge of applying SERS to extremely low concentration measurements. Nevertheless, the quantitative evaluation by means of SERS was proved difficult, due largely to lack of nano-sized noble metal structures with analytically suitable stability and reproducibility. The commonly used SERS substrates are nanostructured colloids or roughened surfaces of mainly silver and gold undergoing visible or NIR excitation. A note is made of the fact that the Raman scattering geometry that is actually largely used is the backscattering geometry. For solids this is better achieved via a microscope objective, while for liquids via a macro lens. However, the best scattering geometry for Raman light collection from liquids and nanostructured colloids is the right angle scattering; that is, the scattered light is collected at 90o from the excitation light. Having all above in mind, in order to perform quantitative SERS measurements we have designed and developed an oscillating cell making use of the right angle Raman scattering geometry. Originally, the development of the oscillating or “shaking” cell allows large sample sectional surface monitoring, better mixing and homogeneity giving rise to SERS signal reproducibility. In addition, the application of the advantageous for nanocolloidal solutions right angle Raman scattering collection geometry enables SERS measurements at extremely low concentrations. We demonstrated the use this new surface enhanced Raman scattering excitation/collection configuration to monitor the level of the antitumor drugs mitoxantrone and doxorubicin as well as the antibiotic ciprofloxacin at very low concentrations performing fast SERS & SERRS measurements. We have also quantified the concentration of the active agents in aqueous solutions as well as in artificial tears by a partial least-squares (PLS) chemo metric regression algorithm. All above reveal the potential of this technique in the monitoring of the controlled release of active agents from polymeric matrices as well as in the quantitative analysis of drugs in corporal fluids. The only need is to add in a test tube containing 0.5 mL of a nanocolloidal noble metal solution3 about 25-100 μL of a sampling fluid. Finally, in an attempt to detect “living” cells by SERS, to identify DNA components released in a cell culture medium as a “touch mark” of cell death and to perform even single molecule detection, a home-made micro-incubator was designed to allow Raman measurements of neuron cells under the microscope. Commercial micro incubators feature higher optical path between coverslips than the required (<1-1,5 cm) for typical micro-Raman systems even bearing long working distance objectives. It was at that sense a prerequisite to design, construct and optimize a micro-incubator to fit a conventional micro-Raman configuration. The designed micro-incubator meets well-defined stable conditions (temperature, culture solution and atmosphere).

Τα προηγμένα (δομικά ή λειτουργικά) κεραμικά θεωρούνται ως τα πλέον κατάλληλα υλικά για εφαρμογές όπου απαιτούνται υψηλές θερμοκρασίες. Διαθέτουν μία σειρά από πλεονεκτήματα όπως π.χ. αντοχή σε θερμικούς αιφνιδιασμούς, υψηλή σκληρότητα, αντοχή σε φθορά και διάβρωση και μεγάλο εύρος στις τιμές των ηλεκτρικών τους ιδιοτήτων. Από τεχνολογική άποψη ενδιαφέρον παρουσιάζει ο συνδυασμός τους με μεταλλικές φάσεις με στόχο την συνένωση υλικών ή την παρασκευή σύνθετων κεραμομεταλλικών υλικών. Κεραμικές ενώσεις οξειδίων μπορεί να χρησιμοποιηθούν στην τεχνολογία των κελιών καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη (SOFC) ως μονωτικά ή στεγανωτικά υλικά. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η αλληλεπίδραση τους στην διεπιφάνεια σε επαφή με άργυρο και κράματα με βάση τον άργυρο για χρήση ως εναλλακτικών, σε αντικατάσταση των υαλοκεραμικών, συγκολλητικών μεταξύ των στρώσεων των μεμονωμένων στοιβάδων των SOFC. Σημαντικό ρόλο στη μικροδομή και τις ιδιότητες των υλικών αυτών παίζουν τα φαινόμενα διαβροχής και η ισχύς του δεσμού που αναπτύσσεται στη διεπιφάνεια κεραμικού / μετάλλου, καθώς και οι επιφανειακές και διεπιφανειακές ενέργειες των υλικών ή των συστημάτων των υλικών που βρίσκονται σε επαφή. Για το λόγο αυτό η γνώση των επιφανειακών και διεπιφανειακών μεγεθών είναι απαραίτητη για την πρόβλεψη των ιδιοτήτων των συστημάτων σε επαφή. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της συνάφειας και των διεπιφανειακών ιδιοτήτων σε συστήματα κεραμικών οξειδίων σε επαφή με ρευστές μεταλλικές φάσεις και ιδιαίτερα σε συστήματα του κεραμικών οξειδίων σε επαφή με ρευστές μεταλλικές φάσεις αργύρου, με τελικό σκοπό την εφαρμογή των συστημάτων αυτών στην τεχνολογία των SOFC. Στο πρώτο μέρος της εργασίας, εξετάσθηκε η επίδραση του διαλυτοποιημένου οξυγόνου στην επιφανειακή ενέργεια του ρευστού άργυρου και του ρευστού χαλκού. Από τις εξισώσεις που εξήχθησαν είναι δυνατός ο προσδιορισμός της επιφανειακής ενέργειας τους για δεδομένη θερμοκρασία και μερική πίεση οξυγόνου. Υπολογίσθηκε η ελεύθερη ενέργεια προσρόφησης του οξυγόνου στην επιφάνεια του ρευστού χαλκού, μέχρι τον κορεσμό. Διατυπώθηκε επίσης μία σχέση για τον υπολογισμό της διαλυτότητας ενός οξειδίου στα ρευστά μέταλλα σε εξάρτηση με την θερμοκρασία και την μερική πίεση του οξυγόνου στην ατμόσφαιρα του πειράματος. Στη συνέχεια, με χρήση ενός συνδυασμού βιβλιογραφικών και πειραματικών δεδομένων σχετικά με τις τιμές της επιφανειακής ενέργειας και τις γωνίας επαφής σε συστήματα κεραμικών οξειδίων σε επαφή με διάφορα ρευστά μέταλλα βελτιστοποιήθηκε μια εμπειρική σχέση η οποία, σε δεδομένη θερμοκρασία, συνδέει άμεσα την επιφανειακή ενέργεια των στερεών οξειδίων με την επιφανειακή ενέργεια των ρευστών μετάλλων και τη γωνία επαφής. Μέσω αυτής της σχέσης είναι δυνατή η εκτίμηση της επιφανειακής ενέργειας ενός στερεού οξειδίου ή της γωνίας επαφής σε μη διαβρέχοντα και μη αντιδρώντα συστήματα κεραμικών οξειδίων / ρευστών μετάλλων, με την προϋπόθεση ότι η μερική διαλυτοποίηση οξυγόνου του κεραμικού μέσα στο ρευστό μέταλλο δεν επηρεάζει τις διεπιφανειακές ιδιότητες του συστήματος. Η σχέση αυτή επαληθεύθηκε για διάφορα συστήματα κεραμικών οξειδίων / ρευστών μετάλλων και επιπλέον εφαρμόσθηκε για τον προσδιορισμό της επιφανειακής ενέργειας του πολυκρυσταλλικού οξειδίου Y2O3 μετά από πειράματα διαβροχής από ρευστό άργυρο, του πολυκρυσταλλικού οξειδίου 3YTZ (3mol% Yttria partial stabilized zirconia) και του μικτού πολυκρυσταλλικού οξειδίου 85wt% MgO + 15 wt% MgAl2O4, μετά από πειράματα διαβροχής με ρευστό άργυρο. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας πραγματοποιήθηκαν πειράματα διαβροχής κεραμικών οξειδίων από τήγμα αργύρου σε οξειδωτικές συνθήκες (αέρας) για να εξετασθεί η επίδραση του οξυγόνου στις διεπιφανειακές ιδιότητες του συστήματος, καθώς η τεχνολογία των SOFC απαιτεί οι διεργασίες αυτές να πραγματοποιούνται σε συνθήκες περιβάλλοντος. Διαπιστώθηκε ότι η παρουσία οξυγόνου βελτιώνει τη διαβρεξιμότητα στα συστήματα κεραμικών / μετάλλου αυξάνοντας την ισχύ του δεσμού στην διεπιφάνεια, όμως η γωνία θ παραμένει θ > 90◦ (κακή διαβροχή). Σημαντική ελάττωση της γωνίας επαφής επιτυγχάνεται με προσθήκη διεπιφανειακά ενεργών συστατικών στο τήγμα του συγκολλητικού μετάλλου αυξάνοντας σημαντικά το έργο συνάφειας και ως εκ τούτου την ισχύ του δεσμού στην διεπιφάνεια κεραμικού/μετάλλου. Για τον ίδιο λόγο πραγματοποιήθηκαν πειράματα διαβροχής κεραμικών οξειδίων από οξείδια με βάση το βόριο και το λίθιο, στον αέρα, με σκοπό να εξετασθεί η συνοχή μεταξύ των φάσεων σε επαφή. Τέλος εξετάσθηκε η διαβροχή του χάλυβα Crofer 22 APU, ο οποίος χρησιμοποιείται στην τεχνολογία των SOFC, από τις ίδιες ρευστές φάσεις, με στόχο να εξετασθεί η δυνατότητα χρήσης τους ως συγκολλητικές φάσεις σε κελιά καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη. / Advanced ceramics (structural or functional) are considered to be the most suitable for use in high temperature applications. They have a number of advantages, such as resistance to thermal shocks, high hardness, wear and corrosion resistance and a wide range in the values of their electrical properties. Special interest is being manifested in the compounds of ceramics with metals and metal alloys, in the field of materials joining and the production of composite materials. Ceramic compounds are used in the field of solid oxide fuel cells (SOFC) as insulators and sealing materials. Particular interest has been stimulated in the interaction in the interface of ceramics in contact with liquid silver and silver based alloys, as alternatives to the glass-ceramics sealing materials in SOFC stacks. In all of these cases the surface and interfacial energies of the materials or the materials systems used, as well as the wetting and bonding phenomena at the interface, play a key role in obtaining materials with the desired properties and microstructure. The aim of the present work is the study of adhesion and interfacial properties in ceramic oxide / liquid metal systems, particularly in systems of ceramic oxides in contact with liquid silver and silver-based alloys, with the ultimate aim of implementing such systems in the SOFC technology. In the first part of this work, the effect of the dissoluted oxygen on the surface energy of liquid copper and liquid silver was examined. The equations that were deriverd can be used to calculate their surface energy as a function of the temperature and the partial pressure of the oxygen. The free energy of the oxygen adsorption in the surface of the liquid copper was calculated, until saturation. Also, an equation that allows to calculate the solubility of an oxide in a liquid metal was deriverd, as a function of the temperature and the oxygen partial pressure. Moreover, from the combination of literature and experimental data of interfacial energies and contact angles in non-wetting and non-reactive ceramic oxide/liquid metal systems where the limited solubility of oxygen of the ceramic oxides into the liquid metalls has no effect on the interfacial properties, has led to an empirical relationship which correlates at a given temperature the surface energy of the oxides with the contact angle and the surface energy of the liquid metal. This relationship allows either the calculation of the surface energy of an oxide from known values of the surface energy of a liquid metal and the contact angle, or conversely, the estimation of the contact angle value, as well as the work of adhesion, for known surface energy of the oxide. The formulated empirical relationship has been applied to additional non-wetting and non-reactive systems of oxides in contact with liquid metals and the results showed good agreement with literature data. In addition, the empirical formula was used to calculate the surface energies of the polycrystalline oxides Y2O3 and 3YTZ (3mol% Yttria partial stabilized zirconia) as well as the 85wt% MgO + 15 wt% MgAl2O4 mixed oxide, after wetting experiments with liquid copper and/or liquid silver in an Ar- 4%H2 atmosphere. In the second part of this work, the effect of the oxygen on the the interfacial properties of the ceramics / liquid silver systems was examined by wetting experiments, in order to achieve conditions similar to the SOFC operating conditions. The results showed that the presence of the oxygen improves the wetability in the ceramic / liquid metal systems, increasing the bond in the interface but the angle remains θ > 90◦ (non wetting systems). The addition of interfacial active compounds in the liquid metal led to a significant decrease in the contact angle value, with the simultaneous increase in the work of adhesion, and so to the increase in the strength of the bond. For this purpose and in order to examine the adhesion between the two phases, wetting experiments with lithium and borium based oxides took place. Finally, the above liquid phases were used in wetting experiments on steel substrate (Crofer 22 APU) in order to investigate the potential usage of them as sealing and insulators in SOFC technology.

Στην εργασία αυτή, μελετάμε, τόσο με αναλυτικό όσο και με υπολογιστικό τρόπο, γραμμικά και μη γραμμικά οπτικά φαινόμενα σε συστήματα ημιαγώγιμων κβαντικών πηγαδιών GaAs/AlGaAs δύο ενεργειακών υποζωνών, όπου επάγονται διαϋποζωνικές μεταβάσεις, υπό την επίδραση ηλεκτρομαγνητικών πεδίων. Στο πρώτο κεφάλαιο, γίνεται μια θεωρητική περιγραφή των ημιαγώγιμων ετεροεπαφών. Ακολουθούν βασικά στοιχεία της στατιστικής και κβαντικής μηχανικής. Στο δεύτερο κεφάλαιο, εξάγονται οι γενικευμένες εξισώσεις Bloch για τις διαϋποζωνικές μεταβάσεις σε ημιαγώγιμα κβαντικά πηγάδια, στις οποίες ενυπάρχουν όροι που υπεισάγουν τις μη αμελητέες, λόγω εμπλουτισμού, αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων. Οι εξισώσεις αυτές αποτελούν τη βάση της μελέτης που ακολουθεί. Στα δύο επόμενα κεφάλαια, μελετούμε την αλληλεπίδραση μιας δομής διπλών συζευγμένων ημιαγώγιμων κβαντικών πηγαδιών με ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο μεταβλητής γωνιακής συχνότητας, καταλήγουμε σε αναλυτικές εκφράσεις για τη οπτική επιδεκτικότητα πρώτης, τρίτης και πέμπτης τάξεως και αναλύουμε τα φάσματα διαφόρων οπτικών φαινομένων, ως προς τη γωνιακή συχνότητα του εξωτερικού πεδίου, για διάφορες τιμές της επιφανειακής ηλεκτρονιακής πυκνότητας της κβαντικής δομής. Επιπλέον, προσδιορίζουμε τις περιοχές όπου λαμβάνουν τιμή οι διάφορες παράμετροι, ούτος ώστε στο σύστημά μας να αναδυθεί η οπτική διστάθεια. Στα τρία τελευταία κεφάλαια, θεωρούμε ότι η ημιαγώγιμη κβαντική δομή αλληλεπιδρά ταυτόχρονα με ένα ισχυρό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο (πεδίο άντλησης) καθορισμένης γωνιακής συχνότητας και ένα ασθενές (πεδίο ανίχνευσης) μεταβλητής συχνότητας και μελετούμε τα φάσματα γραμμικών και μη γραμμικών φαινομένων του πεδίου ανίχνευσης (μίξη τεσσάρων κυμάτων, απορρόφηση, διασπορά, μη γραμμικό οπτικό φαινόμενο Kerr), σε στάσιμη κατάσταση, καθώς και τη χρονική εξέλιξη αυτών. Περιγράφουμε τα φαινόμενα τόσο με αναλυτικές εκφράσεις που εξάγουμε, όσο και με την αριθμητική επίλυση των μη-γραμμικών διαφορικών εξισώσεων του πίνακα πυκνότητας που διέπουν τη δυναμική. Στη μελέτη των φαινομένων αυτών, εξετάζεται η επίδραση της επιφανειακής ηλεκτρονιακής πυκνότητας της κβαντικής δομής στις οπτικές ιδιότητες των κβαντικών πηγαδιών. / In this PhD thesis, we study analytically and numerically linear and nonlinear optical phenomena in intersubband transitions of a symmetric GaAs/AlGaAs double quantum well structure, with two energy subbands. In the first chapter, a theoretical description of the semiconductor heterostructures is presented. This is accompanied with a brief analysis of the basic elements of statistical and quantum mechanics follows, as far as this kind of structures is concerned. In the second chapter, we derive the generalised optical Bloch equations in intersubband transitions of semiconductor quantum well structures, which constitute the basis of the analysis that follows. These equations contain terms which owe their presence to the electron-electron interactions, because the quantum structure is doped with electron carriers. In the two following chapters, we consider the interaction of intersubband transitions of a double quantum well structure with an electromagnetic field of varying frequency, we derive analytical expressions for the first, third and fifth order optical susceptibility and, at last, we analyze the corresponding spectra, with respect to the frequency of the external field, for different values of electron sheet density of the structure. Furthermore, we identify the areas of values of the parameters used, in which the phenomenon of optical bistability arises. In the last three chapters, we consider the two quantum well subbands to be coupled to a strong pump electromagnetic field with fixed frequency and a weak probe electromagnetic field of varying frequency and study the spectra of various linear and nonlinear optical phenomena, which are due to the existence of the probe field. More specifically, we examine the spectra of four-wave mixing, absorption, dispersion and the nonlinear optical Kerr effect of the probe field as they evolve in time and in the steady state. Both analytical expressions are derived and numerical results are presented by solving the nonlinear differential density matrix equations that govern the dynamics of the system. In the study of the different kinds of optical phenomena, the influence of the electron sheet density on the spectral shapes is carefully examined.