The Dynamic Model for Aerosol Nucleation (DMAN) is a model which simulates nucleation, gas-phase chemistry, coagulation and condensation/evaporation for a multi-component atmospheric aerosol population. We developed an updated version of DMAN which includes the condensation of organic vapors on nanoparticles, using the recently developed Volatility Basis Set framework, and simulates the gas phase chemistry using the chemical mechanism SAPRC-99. The simulations were performed for two locations with different organic sources; Hyytiala (Finland) and Finokalia (Greece). Initially, we compared the results of the extended DMAN model with the old version which does not include the condensation of organics. The condensation of organics neglecting the Kelvin effects resulting in an approximate doubling of the growth rate of new particles. The number predicted concentration of particles above 3 nm (N3) and 100 (N100) increased at both locations. The increase of surface tension decreased dramatically the growth rate and the diameter that the new particles reached. The predicted concentration of N100 decreased at Hyytiala but increased at Finokalia, while the concentration of N3 decreased in both locations. Condensation of semi-volatile organic vapors, assuming realistic values of the organic surface energy, cannot explain the observed growth rates in Hyytiala during typical nucleation events. The simulations with production and condensation of low-volatility organics and a surface tension of 0.025 N m-1 indicate that the model can reproduce well the field measurements. The addition of chemical aging reactions converting semi-volatile organic aerosol (OA) to low volatility compounds helped the model to better reproduce the observed growth of the fresh particles. At Hyytiala, the organics are the major components during the growth process of new particles. The low-volatility secondary OA helps the growth initially, but after a few hours most of the growth is due to semi-volatile secondary OA components. At Finokalia, the simulation shows that the organic components have a complementary role for the growth contributing 45% of the total mass of new particles. / Το Δυναμικό Μοντέλο Πυρηνογένεσης Σωματιδίων (DMAN) είναι ένα μοντέλο το όποιο προσομοιώνει την πυρηνογένεση, την χημεία στην αέρια φάση, την συσσωμάτωση και την συμπύκνωση/εξάτμιση για ένα πολυσυστατικό πληθυσμό σωματιδίων. Εμείς αναπτύξαμε μια ανανεωμένη έκδοση του DMAN, το όποιο περιλαμβάνει και την συμπύκνωση των οργανικών ατμών πάνω στα νανοσωματίδια, χρησιμοποιώντας την πρόσφατη προσέγγιση Volatility Basis Set και προσομοιώνοντας την αέρια χημεία με την χρήση του χημικού μηχανισμού SAPRC-99. Οι προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν για δυο τοποθεσίες με διαφορετικές πήγες οργανικών: Hyytiala (Φινλανδία) και Φινοκαλιά (Ελλάδα). Αρχικά, εμείς συγκρίναμε τα αποτελέσματα του εκτεταμένου DMAN μοντέλου με την παλιά έκδοση, η όποια δεν περιλαμβάνει την συμπύκνωση των οργανικών. Η συμπύκνωση των οργανικών παραμελώντας το Kelvin effect έχει σαν αποτέλεσμα τον διπλασιασμό του ρυθμού ανάπτυξης των νέων σωματιδίων. Η προβλεπόμενη συγκέντρωση αριθμού των σωματιδίων πάνω από 3 nm (N3) και 100 (N100) αυξήθηκε και στις δύο τοποθεσίες. Η αύξηση της επιφανειακής τάσης μειώνει δραματικά το ρυθμό ανάπτυξης και την διάμετρο που φτάνουν τα νέα σωματίδια. Η προβλεπόμενη συγκέντρωση των N100 μειώθηκε στη Hyytiala αλλά αυξήθηκε στην Φινοκαλιά, ενώ η συγκέντρωση του Ν3 μειώθηκε και στις δύο περιοχές. Η συμπύκνωση των ημι-πτητικών οργανικών ατμών, θεωρώντας ρεαλιστικές τιμές της επιφανειακής ενέργειας των οργανικών ατμών, δεν μπορεί να εξηγήσει το παρατηρούμενο ρυθμό ανάπτυξης στην Hyytiala κατά τη διάρκεια μιας τυπικής μέρας με πυρηνογένεση. Οι προσομοιώσεις με παραγωγή και συμπύκνωση οργανικών με χαμηλή πτητικότητα και επιφανειακή τάση 0.025 N m-1 δείχνουν ότι το μοντέλο μπορεί να αναπαράγει καλά τις μετρήσεις πεδίου. Η προσθήκη των χημικών αντιδράσεων γήρανσης μετατρέπουν τα ημι-πτητικά οργανικά αεροζόλ (ΟΑ) σε ενώσεις με χαμηλή πτητικότητα, αυτές βοηθούν το μοντέλο να αναπαράγει καλύτερα την παρατηρούμενη ανάπτυξη των φρέσκων σωματιδίων. Στην Hyytiala, τα οργανικά είναι τα κύρια συστατικά κατά τη διαδικασία της ανάπτυξης νέων σωματιδίων. Τα χαμηλής πτητικότητας δευτερογενή ΟΑ βοηθά στην ανάπτυξη αρχικά, αλλά μετά από μερικές ώρες το μεγαλύτερο μέρος της αύξησης οφείλεται στα ημι-πτητικά δευτερογενή ΟΑ. Στη Φινοκαλιά, η προσομοίωση δείχνει ότι τα οργανικά συστατικά έχουν ένα συμπληρωματικό ρόλο για την ανάπτυξη συμβάλλοντας 45% της συνολικής μάζας των νέων σωματιδίων.

Στην παρούσα εργασία διερευνήθηκε περαιτέρω η δυνατότητα ανάπτυξης νανοσωματιδίων ελεγχόμενης χορήγησης και (παθητικής) στόχευσης σισπλατίνας με βάση τα PLGAmPEG συμπολυμερή. Αρχικά μελετήθηκε η επίδραση των συνθηκών παρασκευής στο μέγεθος των λαμβανομένων νανοσωματιδίων και στην φόρτωση και την ενκαψακίωση της σισπλατίνας σε PLGA(40)mPEG(5) νανοσωματίδια. Στη συνέχεια έγινε μελέτη της αντικαρκινικής δραστικότητας νανοσωματιδίων φορτωμένων με σισπλατίνη, τριών διαφορετικών πολυμερικών συστάσεων PLGA(7)mPEG(5) PLGA(31)mPEG(5) και PLGA(57)mPEG(5), έναντι LNCaP καρκινικών κυττάρων προστάτη και σύγκριση αυτής με την δραστικότητα του ελεύθερου φαρμάκου απέναντι στην ίδια καρκινική σειρά. / In the present work was investigated further the possibility of growth of nanoparticles with PLGAmPEG copolymers. Initially it was studied the effect of preparation conditions in the size of the nanoparticles and in the loading and the encapsulation of cisplatin in PLGA(40)mPEG(5) nanoparticles. Afterwards we studied the anticancer efficacy of cisplatin loaded nanoparticles , of three different polymeric constitution PLGA(7)mPEG (5), PLGA(31)mPEG(5) and PLGA(57)mPEG(5), opposite of LNCaP cancer cells and comparison of this with the efficacy of the free medicine towards the same cancer cells.

- / -

Το παρόν πόνημα αναπτύχθηκε προκειμένου να υποδειχθεί η σύνθεση και η μελέτη πολυλειτουργικών μαγνητικών νανοσωματιδίων τα οποία φέρουν μόρια της δραστικής φαρμακευτικής ουσίας Πακλιταξέλη (Ταξόλη - ΤΑXOLTM), ως εναλλακτικός τρόπος χορήγησης με υψηλή ακρίβεια στο στόχο, στο χρόνο και στην ποσότητα που απαιτείται για την αντιμετώπιση του καρκίνου του μαζικού αδένα, εκμεταλλευόμενοι τις ιδιότητες που περιλαμβάνουν το μικρό τους μέγεθος, στην κλίμακα του νανομέτρου,το μεγάλο εμβαδόν της επιφανείας τους, η δυνατότητα διαχείρισής τους από απόσταση και οι σχεδόν μηδενικές παρενέργειες.Τα σωματίδια ενίονται στον οργανισμό και μέσω της συστηματικής κυκλοφορίας κατευθύνονται με την βοήθεια ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου στο όργανο-στόχο (στοχευμένη θεραπεία). Η Πακλιταξέλη αποτελεί ευρέως διαδεδομένο αντικαρκινικό παράγοντα, με σημαντικές ωστόσο παρενέργειες λόγω χαμηλής εκλεκτικότητας. Στην παρούσα μελέτη παρασκευάστηκαν μαγνητικά νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου βασισμένα σε πολυμερικά μικύλλια PLA-PEG, τα οποία ενθυλάκωσαν την δραστική ουσία, προκειμένου να επιτευχθεί ο σκοπός παρατεταμένης παραμονής και στοχευμένης χορήγησης. Η διαδικασία του πειράματος περιλαμβάνει την σύνθεση παραμαγνητικών αλλά και μη μαγνητικών νανοφορέων, την ανάλυση των φυσικοχημικών ιδιοτήτων τους με τεχνικές σκέδασης του φωτός και ηλεκτροφόρησης και τον έλεγχο της σταθερότητάς τους σε διαφορετικές συνθήκες. Επιπροσθέτως, εξετάστηκε η δομή τους με ηλεκτρονική μικροσκοπία διαπερατότητας (TEM). Η μελέτη περιλαμβάνει επίσης μελέτες αποδέσμευσης της δραστικής ουσίας από τα νανοσωμάτια, αποβλέποντας στην απόδειξη της παρατεταμένης απελευθέρωσης, ενώ εν συνεχεία εξετάστηκε και η επίδραση εξωτερικού εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου στο ρυθμό αποδέσμευσης της πακλιταξέλης. Παράλληλα, μελετήθηκε η τοξικότητα όλων των μαγνητικών νανοσωματιδίων που έφεραν πακλιταξέλη, με στόχο τον προσδιορισμό της επίδρασης στα επιθηλιακά νεοπλασματικά κύτταρα του μαστού. Τα αποτελέσματα της μελέτης οδήγησαν στην εξαγωγή ασφαλών συμπερασμάτων για τα μαγνητικά νανοσυστήματα πακλιταξέλης όσον αφορά τις ικανοποιητικές ιδιότητες κολλοειδούς σταθερότητας, ενθυλάκωσης και αποδέσμευσης της δραστικής ουσίας, επιτρέποντας τον σχεδιασμό και την πραγματοποίηση διερευνητικών ενεργειών για την πιθανή χρήση αυτών σε περαιτέρω κλινικές περιπτώσεις. / The aim of the current study is the synthesis and characterisation of multifunctional magnetic nanoparticles of the drug agent Paclitaxel (Taxol)in order to determine their use for the targeted treatment of cancer.This will be an alternative method of administration, which results in high accuracy on the target, boh in time and in the amount of drug required for the treatment of mammary cancer. We exploit tsome of the interesting properties of the nanoparticles for this purpose, such as their small size on the nanometer scale, the large area of their surface, their management ability to remotely and their virtually zero side effects. The particles are injected in the body via the systemic circulation driven by means of an external magnetic field to the target organ (targeted therapy). Paclitaxel is a widely used anticancer agent, with significant side effects, however, due to low selectivity. In the present study were prepared magnetic iron oxide nanoparticles based on polymeric micelles of PLA-mPEG, which encapsulate the active substance, in order to achieve the purpose of sustained residence and targeted delivery. The procedure of the experiment includes the synthesis of paramagnetic and non-magnetic nanoparticles, analysis of their physicochemical properties by techniques of light scattering and electrophoresis and examination of their stability in different conditions. Furthermore, their structure was examined by transmission electron microscopy. The study also includes release studies of the active substance of the nanoparticles, aiming to demonstrate the sustained release, and subsequently theexaminationof the effect of an external alternating magnetic field in the release rate of paclitaxel. We also studied the toxicity of all magnetic nanoparticles carrying paclitaxel to identify the effect on epithelial neoplastic breast cells. The results of the study led to reliable conclusions about magnetic nanosystems of Paclitaxel regarding satisfactory colloidal stability properties, encapsulation and release of the active substance, allowing the design and implementation of further exploratory actions for possible use in further clinical cases.

Στο τομέα της νανοϊατρικής ένας από τους σημαντικότερους στόχους είναι η ανάπτυξη φαρμακευτικών νανοφορέων που θα μεταφέρουν και θα αποδεσμεύουν εκλεκτικά το φάρμακο στον πάσχοντα ιστό. Η χορήγηση δοξορουβικίνης (Dox), για παράδειγμα, εμφανίζει σημαντικά προβλήματα έλλειψης εκλεκτικότητας και συστημικής τοξικότητας. Μία πιθανή προσέγγιση για την περισσότερο εκλεκτική χορήγηση της Dox στους καρκινικούς όγκους είναι η χορήγηση της μετά τον εγκλεισμό της σε μαγνητικά στοχευόμενους νανοφορείς. Σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας ειδίκευσης ήταν η μελέτη μαγνητικών νανοφορέων με βάση συμπολυμερή πολύ(μεθακρυλικού οξέος)-g-πολύ(μεθακρυλικής αιθυλενογλυκόλης) (p(MAA-g-EGMA) με διαφορετικά χαρακτηριστικά πολυμερικού κελύφους και ο προσδιορισμός εκείνων των χαρακτηριστικών που προσδίδουν στους νανοφορείς βέλτιστη συμπεριφορά. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκε η σταθερότητα των μαγνητικών νανοφορέων με διαφορετικό μήκος αλυσίδων πολύ(αιθυλενογλυκόλης) και διαφορετική πυκνότητα αρνητικού φορτίου σε διάφορα μέσα όπως υδατικά διαλύματα χλωριούχου νατρίου (ΝαCl), ρυθμιστικού διαλύματος φωσφορικών (PBS), δοξορουβικίνης καθώς επίσης και σε υδατικά διαλύματα διαφόρων τιμών pH. Μελετήθηκε επίσης η φόρτωση του φαρμάκου σε αυτούς καθώς επίσης και η αποδέσμευση του από τους συγκεκριμένους νανοφορείς σε διάφορα μέσα (νερό, υδατικό διάλυμα PBS και διάλυμα αλβουμίνης σε PBS). Οι νανοφορείς παρασκευάστηκαν μέσω πρόσδεσης του συμπολυμερούς πολυ(μεθακρυλικού οξέος)-g-πολυ(μεθακρυλικής αιθυλενογλυκόλης) (p(MAA-g-EGMA) στην επιφάνεια νανοκρυσταλλιτών Fe2O3 κατά τη διάρκεια ανάπτυξής τους. Η μελέτη της σταθερότητας έγινε με τη μέθοδο της δυναμικής σκέδασης φωτός (DLS). Η μελέτη της φόρτωσης και της αποδέσμευσης του φαρμάκου στους και από τους νανοφορείς έγινε με τη μέθοδο της φασματοφωτομετρίας φθορισμού. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται συνοπτικά τα διάφορα είδη νανοφορέων, οι ιδιότητες καθώς και οι εφαρμογές αυτών. Γίνεται επίσης μια σύντομη βιβλιογραφική ανασκόπηση σε ότι αφορά τη φόρτωση και αποδέσμευση φαρμάκων από νανοφορείς. Το δεύτερο κεφάλαιο είναι αφιερωμένο στις τεχνικές και τις μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν στα πλάισια της συγκεκριμένης εργασίας καθώς επίσης και των πειραματικών διαδικασιών.Τέλος, το τρίτο κεφάλαιο αφορά στην παράθεση και τον σχολιασμό των αποτελεσμάτων,τα οποία μπορούν να συνοψιστούν στα εξής συμπεράσματα:  Οι μαγνητικοί νανοφορείς με βάση συμπολυμερή πολύ(μεθακρυλικού οξέος)-g-πολύ(μεθακρυλικής αιθυλενογλυκόλης) (p(MAA-g-EGMA) έχουν ικανοποιητικά 7 χαρακτηριστικά μεγέθους και ζ δυναμικού για παρατεταμένη παραμονή στην κυκλοφορία μετά από ενδοφλέβια χορήγηση, γεγονός που αποτελεί προϋπόθεση για την εφαρμογή τους ως συστήματα εκλεκτικής μεταφοράς (στόχευσης) αντικαρκινικών φαρμάκων.  Οι υψηλές τιμές φόρτωσης της δοξορουβικίνης στους νανοφορείς με υψηλή πυκνότητα ανιονικών φορτίων, λόγω ισχυρότερων ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων με το θετικά φορτισμένο φάρμακο αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα των νανοφορέων αυτών σαν συστήματα χορήγησης δοξορουβικίνης.  Η αύξηση του ρυθμού αποδέσμευσης της δοξορουβικίνης από τους νανοφορείς σε διαλύματα αλβουμίνης με ελάττωση του pH είναι σημαντική καθώς παρέχει τη δυνατότητα μιας σχετικά εκλεκτικής διάθεσης του φαρμάκου στους καρκινικούς όγκους όπου επικρατούν συνθήκες χαμηλότερου από το το φυσιολογικό pH. Συμπερασματικά, τα αποτελέσματα που λήφθηκαν δικαιολογούν την περαιτέρω μελέτη των μαγνητικών νανοφορέων δοξορουμπικίνης για την καταλληλότητά τους ως φορείς στοχευμένης χορήγησης του φαρμάκου σε καρκινικούς όγκους. / In the field of nanomedicine, one of the most important targets is the development of functional nanoassemblies which will deliver and release selectively the drug to the suffering tissue. For example, the administration of doxorubicin (Dox) displays lack of selectivity and systemic toxicity issues. A possible approach towards a more selective delivery of Dox to the target tissue is its encapsulation at magnetically targeted nanoparticles. The present postgraduate thesis’ aim was the study of magnetic nanocarriers based on copolymers of poly(methacrylic acid)- graft -poly(ethyleneglycol methacrylate) (p(MAA -g- EGMA)) with different structural characteristics and the determination of those characteristics, that impart to the nanocarriers the optimal performance. Specifically, the stability of magnetic nanoparticles, with different chain length of poly(ethyleneglycol) and different density of negative charges, was studied at various media such as NaCl, pH and Dox concentration. The drug loading in the nanocarriers was also studied, as well as its release by the specific nanocarriers at various media (distilled water, PBS and albumin solution in PBS). The nanoparticles were prepared via a self-assembly process of the polymers [poly(methacrylic acid)-graft-poly(ethyleneglycol methacrylate) (p(MAA-g-EGMA)] on the surface of the growing iron oxide nanocrystallites. The stability studies were performed with the use of DLS technique. The study of the drug loading and release from the nanoparticles was followed using the fluorescence spectroscopy. In the first chapter, the various types of nanoparticles, their properties, as well as their applications are presented briefly. Additionally, a short literature review with regard to the loading and release of drugs from nanoparticles is presented. The second chapter refers to the techniques and methods that were utilized in the context of the present thesis, as well as to the experimental procedures. Finally, in the third chapter the experimental results are presented and discussed. Based on the results of this study:  The magnetic nanocarriers based on copolymers poly(methacrylic acid)- graft -poly(ethyleneglycolmethacrylate) (p(MAA -g- EGMA)) have satisfying characteristics of size and z potential for long blood residence time after an intravenous injection, which is a prerequisite for their application as controlled (targeted) delivery systems for anticancer drugs. The high values of doxorubicin loading without stability loss is an important advantage.  The increase in the release rate of doxorubicin by the nanocarriers in albumin solutions with low pH (5-6) is important, since it facilitates a relatively selective release of the drug in cancer tumors which display lower pH than that of the normal tissues. In conclusion, the results of the research justify the further in-vitro study of the suitability of the magnetic doxorubicin nanocarriers as selective delivery systems of the drug to the cancer tumors.

Τα νανοϋλικά και κατ' επέκταση τα νανοσύνθετα υλικά, έχουν προσελκύσει τόσο το επιστημονικό όσο και το βιομηχανικό ενδιαφέρον. Σήμερα, τα νανοσύνθετα υλικά είναι αρκετά διαδεδομένα και χρησιμοποιούνται από όλους τους κλάδους της επιστήμης, όπως οργανική χημεία, μοριακή βιολογία, βιοϊατρική και επιστήμη των υλικών. Τα νανοσωματίδια παρουσιάζουν μεγάλη επιφάνεια επαφής, πράγμα που επηρεάζει τη φυσική, χημική και βιολογική συμπεριφορά τους. Επομένως, αυτή η κλίμακα είναι μοναδική, αφού καθίσταται δυνατή η αλλαγή σε θεμελιώδεις ιδιότητες των υλικών. Τα τελευταία χρόνια η εμφάνιση των πολυμερικών συνθέτων νανοϋλικών είχε σαν αποτέλεσμα την αντικατάσταση των μετάλλων σε πολλές τεχνολογικές και κατασκευαστικές εφαρμογές και αυτό οφείλεται στην ευκολία παραγωγής τους και το χαμηλό τους κόστος. Τα σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας αποτελούνται από ένα πολυμερές ως μήτρα και ίνες ή κόκκους ως το μέσο ενίσχυσης. Αυτά τα υλικά χρησιμοποιούνται σε ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων που παρουσιάζουν σε θερμοκρασία δωματίου. Τα κεραμικά νανοϋλικά και τα νανοϋλικά με βάση τον άνθρακα είναι οι επικρατέστερες μορφές ενίσχυσης υψηλής αντοχής και υψηλού μέτρου ελαστικότητας, οι οποίες χρησιμοποιούνται για την παρασκευή προηγμένων σύνθετων υλικών πολυμερικής μήτρας, με βελτιωμένες μηχανικές και θερμικές ιδιότητες. Επιπλέον τα σύνθετα αυτά, παρουσιάζουν μεγάλη απορρόφη¬ση ενέργειας κατά την ταλάντωση (damping) με αποτέλεσμα να αποσβένουν τις μηχανικές ταλαντώ-σεις. Η απόσβεση της ενέργειας στα σύνθετα υλικά είναι μία χαρακτηριστική ιδιότητα της δυναμικής τους συμπεριφοράς μέσα σε μια κατασκευή. Με τον έλεγχο της συχνότητας συντονισμού γίνεται δυνατή η επιμήκυνση του χρόνου ζωής της κατασκευής, όταν αυτή υποβάλλεται σε μηχανική κόπωση. Στην παρούσα εργασία παρασκευάστηκαν ινώδη και κοκκώδη πολυμερικά σύνθετα υλικά με ενίσχυση διαφόρων νανοεγκλεισμάτων, όπως νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs), γραφένιο (GNP), καρβίδιο του πυριτίου (nSiC) και διοξείδιο του τιτανίου (TiO2). Σκοπός της εργασίας είναι η διερεύνηση της δυναμικής τους συμπεριφοράς μέσω μηχανικής ταλάντωσης, με τις τεχνικές της ελεύθερης ταλάντωσης δοκού και της Δυναμικής Μηχανικής Ανάλυσης, DMA. Οι βασικές παράμετροι που υπολογίστηκαν από την ταλάντωση των δοκιμίων είναι ο συντελεστής απωλειών, tanδ και ο συντελεστής απόσβεσης, ζ, το μέτρο αποθήκευσης, E' και η θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης, Tg. Έπειτα, γίνεται ανάλυση και σύγκριση των αποτελεσμάτων προκειμένου να διαπιστωθεί η μεταβολή της απόσβεσης των υπό εξέταση υλικών, από την προσθήκη νανοεγκλεισμάτων μέσα στη μήτρα. Τέλος, γίνονται κάποιες προτάσεις προς μελλοντική έρευνα για τη βελτίωση της διασποράς των εγκλεισμάτων μέσα στη μήτρα, αλλά και η περαιτέρω μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων και των ιδιοτήτων απόσβεσης των παρασκευασθέντων υλικών, σε συνδυασμό με τον χαρακτηρισμό τους μέσω ηλεκτρονικής μικροσκοπίας. / Nanomaterials and nanotechnologies play a significant role in many fields of modern science, such as material science, chemistry, molecular biology and medicine. They exhibit novel, better physical and chemical properties than the bulk materials. This is a result of the change in the electronic structure, which is responsible for electroconductivity, optical absorption, chemical reactivity, catalytically activity and mechanical properties. In the past few decades there has been a great expansion in research related to the polymer nanocomposites, due to development of advanced materials for many engineering applications. Polymer nanocomposites is a combination of polymer matrix with a large range of filler materials both, organic or inorganic and are considered to be an important group of relatively inexpensive materials, reproducible and easy to process. Polymer nanocomposites possess properties that are unique; for example high modulus carbonaceous nanofillers or ceramic nanoparticles are added into the matrix to produce reinforced polymer composites that exhibit significantly enhanced mechanical properties, including strength, modulus and fracture toughness. Furthermore, they exhibit a superior level of damping over most metals and ceramics. Damping in composite materials is an important feature of the dynamic behavior of structures, controlling the resonant and near-resonant vibrations and thus prolonging the service life of structures under fatigue loading and impact. This project is investigating the damping properties of carbon nanotubes (CNTs), graphene (GNP) and silicon carbide (nSiC) based glass-fiber reinforced polymer nanocomposites and titanium dioxide (TiO2) based polymer nanocomposites, in which nanofillers are dispersed into the polymer matrix. Incorporation of nanofillers into the polymer matrix, results in substantial changes in the mechanical and thermal properties of the polymer nanocomposites. These nanofillers play a very promising role due to their better structural and functional properties such as high aspect ratio, high mechanical strength, high thermal and electrical properties etc, than others. The later sections will discuss about processing of CNT, GNP, nSiC, TiO2/polymer composites by different routes such as solution mixing and polymerization. Therefore, the main goal of this project is the successful development of these polymer nanocomposites and characterization of their dynamic response. The test procedure involved experiments using cantilever beam specimens subjected to an impulse input and furthermore dynamic mechanical analysis, DMA. Loss factor (tanδ), damping coefficient (ζ), storage modulus (E') and glass transition temperature (Tg) when then derived. The validity of the re¬sults depends largely upon the analysis procedure used to process the raw data. These results were compared and tabulated. These leads to a discussion of the properties of the nanofillers, their dispersion within the polymer matrix and finally the outlook for the future.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός νανοσωματιδίων αργύρου και χρυσού με και χωρίς την παρουσία πολυμερούς. Δύο κατηγορίες νανοσωματιδίων συντέθηκαν, η πρώτη είναι νανοσωματίδια Ag και μελετήθηκε η συναρμογή τους στην κορώνα μικκυλίου συμπολυμερούς. Η δεύτερη κατηγορία είναι νανοσωματίδια χρυσού και μελετήθηκε η αλληλεπίδραση συμπολυμερούς με την επιφάνεια των νανοσωματιδίων. Η εργασία επικεντρώθηκε στη σύνθεση και την φασματοσκοπική μελέτη των νανοσωματιδίων και των υβριδικών υλικών χρησιμοποιώντας όλες τις διαθέσιμες τεχνικές δομικού χαρακτηρισμού. Αναλυτικότερα στο μεγαλύτερο μέρος της εργασίας περιγράφεται η σύνθεση νανοσωματιδίων αργύρου και η in situ σύνθεση μεταλλικών νανοσωματιδίων αργύρου στην κορώνα συμπολυμερούς. Τα νανοσωματίδια αργύρου συντέθηκαν από την αναγωγή άλατος AgNO3 και την προσθήκη ποσότητας αναγωγικού μέσου, στην συγκεκριμένη περίπτωση NaBH4. Με την προσθήκη του αναγωγικού μέσου ο άργυρος από Ag+ ανάχθηκε σε Ag0 . Νανοσωματίδια αργύρου συντέθηκαν in-situ στην κορώνα του συμπολυμερούς PHOS-PEO. Το πρωτόκολλο που ακολουθήθηκε περιλαμβάνει τα παρακάτω βήματα. Αρχικά για την διαλυτοποίηση του συμπολυμερούς επιλέχθηκε εκλεκτικός διαλύτης ως προς την μια συστάδα του, ώστε να σχηματιστούν μικκύλια αποτελούμενα από έναν συμπαγή υδρόφοβο πυρήνα και μια διαλυτή κορώνα. Στη συνέχεια προστίθεται το άλας του μετάλλου στο διάλυμα με αποτέλεσμα την συναρμογή του στην κορώνα, τέλος η αναγωγή των μεταλλικών ιόντων σε μεταλλικά νανοσωματίδια με την προσθήκη κάποιου αναγωγικού μέσου. Η δεύτερη κατηγορία αφορά την σύνθεση νανοσωματιδίων χρυσού με την μέθοδο Turkevic. Η σύνθεση έγινε με την διαλυτοποίηση σε νερό άλατος χρυσού HAuCl4 και την θέρμανση του σε στήλη με διπλό τοίχωμα στους 100⁰C και με ταυτόχρονη ανάδευση. Αφού το διάλυμα έφτασε σε σημείου βρασμού έγινε η προσθήκη του αναγωγικού μέσου και το άλας χρυσού ανάχθηκε από Au+3 σε Au0 . Τα νανοσωματίδια που παρασκευάστηκαν με την παραπάνω μέθοδο προστέθηκαν σε διάλυμα νερού με συμπολυμερές PHOS-PEO το οποίο είχε δημιουργήσει μικκύλιο λόγω του αμφίφιλου χαρακτήρα του. Και στις δύο κατηγορίες μελετήθηκε το μέγεθος το σχήμα και η σταθερότητα τους. Καθώς και έγινε σύγκριση με τα νανοσωματίδια αργύρου και χρυσού με την παρουσία πολυμερούς ως προς την σταθερότητα τους σε βάθος χρόνου. Βρέθηκε ότι υπάρχει ισχυρή αλληλεπίδραση ανάμεσα στο συμπολυμερές PHOS-PEO και στα νανοσωματίδια αργύρου που συντέθηκαν παρουσία του συμπολυμερούς, και σημειώθηκε σημαντική συμβολή του συμπολυμερούς στην ομοιογένεια και σταθερότητα των αιωρημάτων των νανοσωματιδίων σε βάθος χρόνου. Αντίθετα, η αλληλεπίδραση του ίδιου συμπολυμερούς με νανοσωματίδια χρυσού αποδείχθηκε ασθενής. / -

Η παρούσα εργασία μελετά την ανάπτυξη ενός ευέλικτου συστήματος αντιμικροβιακής προστασίας για εφαρμογή σε είδη ρουχισμού και υφάσματα οικιακής χρήσης. Πιο συγκεκριμένα αναπτύχθηκαν διασυνδεδεμένα πολυμερικά νανοσφαιρίδια πολυστυρολίου-διβινυλοβενζολίου στα οποία ενσωματώθηκε Triclosan, μία ευρέος φάσματος εμπορική αντιμικροβιακή ουσία. Σημειώνεται ότι στο πλαίσιο ανάσχεσης των ενδονοσοκομειακών λοιμώξεων η ανάπτυξη αντιμικροβιακών νοσοκομειακών στολών, σεντονιών και άλλων σχετικών κλωστοϋφαντουργικών προϊόντων αποτελούν τις τελευταίες δεκαετίες αντικείμενο έντονου επιστημονικού ενδιαφέροντος. Το μέγεθος των νανοσωματιδίων βρέθηκε μετά από εξέταση με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) και δυναμική σκέδαση φωτός (DLS) να κυμαίνεται μεταξύ 35-350 nm ανάλογα την σύσταση. H θερμική συμπεριφορά τους μελετήθηκε μέσω διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης (DSC) και διαπιστώθηκε σημείο τήξεως στους ~425 οC. Χρησιμοποιώντας την φασματοσκοπία UVVis προσδιορίστηκε ο πραγματικός εγκλωβισμός του αντιμικροβιακού στο σύστημα κατά μέσο όρο σε ποσοστό ~72% του ονομαστικού και παρακολουθήθηκε ο ρυθμός αποδέσμευσης του σε διαλύματα αιθανόλης-νερού. Επιπλέον, τα σφαιρίδια που όπως διαπιστώθηκε παρουσιάζουν χαρακτηριστικά ελεγχόμενης αποδέσμευσης ενσωματώθηκαν σε μήτρες πολυπροπυλενίου οι οποίες υπό την μορφή φιλμ εφελκύστηκαν μονοαξονικά. Τέλος κάνοντας χρήση της δονητικής φασματοσκοπίας Raman εκτιμήθηκε ο μοριακός προσανατολισμός που επιβλήθηκε στα εφελκυσμένα φιλμ και συσχετίσθηκε με την παρατηρούμενη μείωση που επιτεύχθηκε στην κινητική αποδέσμευσης της εγκλωβισμένης δραστικής ουσίας. Το πρώτο κεφάλαιο της παρούσας εργασίας ασχολείται με το πρόβλημα της μικροβιακής επιμόλυνσης υφασμάτων, τις διάφορες λύσεις που έχουν προταθεί κατά καιρούς και τέλος αναλύει τον στόχο της παρούσας εργασίας. Στο δεύτερο κεφάλαιο επεξηγείται η έννοια της ελεγχόμενης αποδέσμευσης και περιγράφονται οι διάφορες κατηγορίες συστημάτων ελεγχόμενης χορήγησης μαζί με χαρακτηριστικά παραδείγματα. Τα νανοσωματίδια, η σύστασή, οι μοναδικές ιδιότητες, οι εφαρμογές και οι διάφοροι τρόποι σύνθεσης και χαρακτηρισμού τους συζητούνται στο τρίτο κεφάλαιο. Το τέταρτο κεφάλαιο αναφέρει πληροφορίες για τα υλικά και επεξηγεί τις τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν στην σύνθεση, την επεξεργασία και τον χαρακτηρισμό των νανοσωματιδίων και των μιγμάτων τους. Τέλος στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν και ακολουθεί ο σχολιασμός τους. / The present thesis studies the development of a versatile system of antimicrobial protection for use in clothing and household products. In particular Triclosan incorporated crosslinked polystyrenedinylbenzene nanobeads were developed; triclosan is a widely used antimicrobial agent. It is noted that the health hazards arising during nosocomial treatment due to infections caused by microbial pathogens and the means to protect oneself against such threats have become the subject of many research activities during the last few decades. The size of the nanoparticles after examination with scanning electron microcopy (SEM) and dynamic light scattering (DLS) was found to vary between 35-350 nm depending on the system formulation. Their thermal behavior was studied with differential scanning calorimetry (DSC) and their melting point was measured at ~425 oC. Using UV-Vis spectroscopy the real encapsulation efficiency of the antimicrobial in the system was determined at ~72% and its release kinetics were studied in a water-ethanol solution. The nanobeads possess controlled release properties; they were furthermore incorporated into polypropylene matrixes which were uniaxially drawn in film form. Finally utilizing polarized Raman spectra, the draw induced molecular orientation of the films was correlated to the relevant variation of the related antimicrobial release kinetics. The first chapter of the present thesis reviews the textile microbial infections and the various solutions that have been proposed showing up the specific research goal targeted. In the second chapter the meaning of controlled release is explained and the basic system categories involved are presented along with characteristic examples. The nanoparticles, their composition, special attributes, applications, synthesis and characterization techniques are the subject of the third chapter. The fourth chapter reports information about the materials and the methods used in the synthesis, postprocessing and characterization of the nanoparticles and their blends. Finally the last chapter presents the experimental results and relevant comments.

Το δέρμα λειτουργεί σαν μηχανικός φραγμός ενάντια σε ένα εχθρικό περιβάλλον. Παράλληλα λειτουργεί ως ένα ανοσολογικό εμπόδιο, το οποίο είναι πλούσιο σε αντιγονοπαρουσιαστικά κύτταρα, όπως τα κύτταρα Langerhans. Αν και είναι γενικά παραδεκτό ότι το δέρμα δεν είναι περατό από μεγαλομοριακές ουσίες, και συνεπώς δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως οδός χορήγησης αντιγόνων, πρόσφατες μελέτες έδειξαν ότι το δέρμα μπορεί να αποτελέσει οδό για τη χορήγηση αντιγόνων. Συγκεκριμένα έδειξαν ότι η διαδερμική χορήγηση ενός αντιγόνου μαζί με την τοξίνη της χολέρας ως ανοσοενισχυτικό επάγει ικανοποιητική ανοσοαπόκριση έναντι του αντιγόνου. Επιπρόσθετα, η διαδερμική χορήγηση της τοξίνης της χολέρας δεν εμφανίζει τοξικότητα όπως με άλλες οδούς χορήγησης. Η υποδόρια χορήγηση αντιγόνων εγκλεισμένων σε PLA και PLGA μικροσφαίρες και νανοσφαίρες έχει ευρεθεί ότι επάγει ισχυρή και μακράς διάρκειας ανοσοαπόκριση. Μέχρι σήμερα δεν έχει μελετηθεί η δυνατότητα διαδερμικής χορήγησης αντιγόνων εγκλεισμένων σε πολυμερικά νανοσωματίδια. Έτσι, στην παρούσα μελέτη μελετήθηκε η ανοσοαπόκριση που λαμβάνεται μετά την διαδερμική χορήγηση οβαλβουμίνης (OVA) εγκλεισμένης σε νανοσφαίρες πολύ (γαλακτικού οξέως) (PLA) σε BALB/c μύες με ή χωρίς την συγχορήγηση ανοσοενισχυτικού, της τοξίνης της χολέρας (CT). Επίσης διερευνήθηκε ο πιθανός μηχανισμός εισόδου των νανοσφαιρών στο άθικτο δέρμα των μυών. Για τη παρούσα μελέτη πραγματοποιήθηκε σε πρώτο στάδιο σύνθεση πολύ (γαλακτικού οξέως) (PLA) το οποίο χαρακτηρίστηκε ως προς το μοριακό του βάρος και ως προς την καθαρότητα του. Επίσης νανοσφαίρες PLA με ενκαψακιωμένη οβαλβουμίνη παρασκευάστηκαν με την μέθοδο του διπλού γαλακτώματος και χαρακτηρίσθηκαν. Στην συνέχεια μελετήθηκε η ικανότητα των νανοσφαιρών να εισχωρούν στο δέρμα μυών μετά από εφαρμογή τους σε περιοχή της πλάτης των μυών από την οποία είχαν απομακρυνθεί οι τρίχες με ξύρισμα. Για αυτή την μελέτη χρησιμοποιήθηκαν αρχικά κενές νανοσφαίρες φθορίζοντος πολυμερούς PLA-pyren-butanol (μονο-επισημασμένες) και νανοσφαίρες φθορίζοντος πολυμερούς PLA-pyren-butanol με ενκαψακιωμένη ροδαμίνη (διπλά-επισημασμένες). Με την βοήθεια φθορίζοντος μικροσκοπίου παρατηρήθηκε ότι οι νανοσφαίρες έχουν εισχωρήσει στις εσωτερικές στοιβάδες του ιστού, σε στοιβάδες αρκετά πιο βαθιά από την κερατίνη στοιβάδα. Στην συνέχεια διερευνήθηκε η οδός εισόδου νανοσφαιρών επισημασμένων με φθορίζουσα αλβουμίνη (FITC-albumin) στο δέρμα χρησιμοποιώντας συνεστιακό μικροσκόπιο σάρωσης (confocal laser microscopy). Παρατηρήθηκε ότι οι νανοσφαίρες εμφανίστηκαν ικανές να διεισδύουν στο εσωτερικό του δέρματος μέσω των θυλάκων των τριχών του ιστού ενώ δεν παρατηρήθηκε άλλη οδός εισόδου των νανοσφαιρών στο εσωτερικό του δέρματος Για την ανίχνευση της ειδικής ανοσοαπόκρισης μελετήθηκαν αντιοροί προς την ολική ΙgG και των ισοτύπων IgG1 και IgG2a έναντι της οβαλβουμίνης. Επίσης πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε κυτταρικό επίπεδο στα σπληνοκύτταρα που ελήφθησαν από τους μύες οι οποίοι ανοσοποιήθηκαν διαδερμικά, με την μέτρηση του πολλαπλασιασμού των σπληνοκυττάρων και μετρήθηκαν τα επίπεδα των κυτταροκινών (IL-4, IL-10, IFN-γ και IL-2) στα υπερκείμενα καλλιεργειών των σπληνοκυττάρων κατόπιν in vitro διέγερσης με το αντιγόνο. Στο πρώτο μέρος της μελέτης έγινε διαδερμική χορήγηση (σε ξυρισμένη περιοχή της πλάτης) διαφορετικών μορφών αντιγόνου (ενκαψακιωμένη ή ελεύθερη οβαλβουμίνη και παρουσία ή απουσία ανοσοενισχυτικού). Οι νανοσφαίρες με το αντιγόνο παρουσίασαν παρόμοια επίπεδα ολικών αντισωμάτων IgG με την ελεύθερη οβαλβουμίνη (οβαλβουμίνη σε υδατικό διάλυμα). Επιπρόσθετα, και με τις δύο μορφές χορήγησης του αντιγόνου (διάλυμα και νανοσφαίρες) η συγχορήγηση τοξίνης της χολέρας προκάλεσε αύξηση της παραγωγής αντισωμάτων IgG. Μεγαλύτερη αύξηση παρατηρήθηκε στην περίπτωση των νανοσφαιρών. Τα αποτελέσματα του πειράματος σε κυτταρικό επίπεδο δείχνουν ότι οι νανοσφαίρες με το ενκαψακιωμένο αντιγόνο συν το ανοσοενισχυτικό προκάλεσαν αρκετά υψηλότερες αποκρίσεις IFN-γ σε σύγκριση με όλες τις υπόλοιπες μορφές χορήγησης. Στο δεύτερο μέρος της μελέτης διερευνήθηκε πρωταρχικά η ικανότητα της διαδερμικής χορήγησης ενκαψακιωμένου και μη-ενκαψακιωμένου αντιγόνου (OVA) να επάγει αυξημένη ανοσοαπόκριση μετά από μετέπειτα «πρόκληση» με το αντιγόνο (priming efficiency) και δευτερευόντως η ανοσοαπόκριση που λαμβάνεται με την συνχορήγηση μικρότερης δόσης ανοσοενισχυτικού (50μg τοξίνης της χολέρας ανά μυ). Διαπιστώθηκε ότι η συνχορήγηση έστω και μικρότερης δόσης ανοσοενισχυτικού προκαλεί βελτίωση της ανοσοαπόκρισης σε αντισώματα, ιδιαίτερα στην περίπτωση του ελεύθερου αντιγόνου. Πιο σημαντικό όμως ίσως είναι ότι τα επίπεδα ολικής IgG μετά από υποδόρια χορήγηση 50 μg OVA ανά μυ (δόση «πρόκλησης») σε μύες που είχαν ήδη ανοσοποιηθεί με δύο διαδερμικές δόσεις ενκαψακιωμένης και μη-ενκαψακιωμένης OVA ήταν υψηλότερα (περίπου διπλάσια με όλες τις μορφές χορήγησης) από τα επίπεδα ολικής IgG που λήφθηκαν από μύες που δέχτηκαν μονάχα την υποδόρια δόση με το αντιγόνο. Σε κυτταρικό επίπεδο, οι νανοσφαίρες παρουσίασαν ελαφρώς υψηλότερα επίπεδα παραγωγής IFN-γ και IL-2 από το διάλυμα του αντιγόνου ενώ επέδειξαν παρόμοια επίπεδα IL-4 και IL-10 με το διάλυμα του αντιγόνου. Τα επίπεδα των IFN-γ και IL-2 που μετρήθηκαν για τις νανοσφαίρες με το αντιγόνο συν το ανοσοενισχυτικό ήταν σημαντικά υψηλότερα από όλες τις άλλες μορφές χορήγησης του αντιγόνου. Με βάση τα αποτελέσματα αυτά φαίνεται ότι σε κυτταρικό επίπεδο η διαδερμική χορήγηση του αντιγόνου ενκαψακιωμένου σε PLA νανοσφαίρες πλεονεκτεί της χορήγησης του ελεύθερου αντιγόνου. Τα αυξημένα επίπεδα IFN-γ και IL-2 με την ενκαψακιωμένη μορφή του αντιγόνου είναι πιθανόν να σχετίζονται με αλλαγή της ισορροπίας της ανοσοαπόκρισης προς μία περισσότερο Th1 κατεύθυνση. Οι διαφορές που προκύπτουν στην ανοσογονική συμπεριφορά μεταξύ της ενκαψακιωμένης οβαλβουμίνης στις νανοσφαίρες και της ελεύθερης οβαλβουμίνης μπορεί να οφείλονται στον διαφορετικό τρόπο πρόσληψης και παρουσίασης του αντιγόνου από τα ανοσοπαρουσιαστικά κύτταρα. Η διαδερμική χορήγηση του αντιγόνου ενκαψακιωμένου σε νανοσφαίρες PLA δεν παρείχε σημαντικό πλεονέκτημα όσον αφορά την χυμική ανοσοαπόκριση (παραγωγή αντισωμάτων) σε σύγκριση με την διαδερμική χορήγηση ελεύθερου αντιγόνου. Τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης δείχνουν ότι το σύστημα διαδερμικής χορήγησης του αντιγόνου (η σύνθεση του διαδερμικού «εμβολίου») έχει σημαντική επίδραση στην λαμβανόμενη ανοσοαπόκριση και δικαιολογούν την περαιτέρω μελέτη της χρησιμότητας των PLA νανοσφαιρών στην διαδερμική χορήγηση αντιγόνων. / The skin is part of the epithelial system of the body, which serves as an effective barrier against a potentially hostile environment. As a structural barrier, the skin keeps water and other vital substances in and foreign material out. As an immunological barrier the skin is rich of immunocompetent cells, such as Langerhans cells. Recent studies have demonstrated the potential of skin as a non-invasive route for administering antigens. In the case of protein antigens, the skin barrier limits the penetration of high molecular weight molecules, preventing their use for therapeutic purposes. However, co-administration of proteins with cholera toxin (CT) has been shown to enhance protein-specific antibody responses. Also, CT was not toxic when applied onto bare skin. Using non-invasive routes such as the skin for vaccine delivery could be advantageous for vaccination for several reasons. Subcutaneous delivery of antigen-loaded PLA- and PLGA-microspheres and nanospheres has been found capable of inducing efficient and long-lasting immune responses. In the present study we investigated the immune responses obtained after transcutaneous administration of a model antigen (ovalbumin, OVA) encapsulated in PLA nanospheres. OVA-loaded PLA nanospheres were applied onto bare skin of Balb/c mice in the presence or the absence of CT and the immune responses obtained were compared to those obtained with free OVA (OVA aqueous solution). Also, we investigated the possible route of entry of the nanospheres in the skin. PLA polymer was synthesized by melt polymerization. OVA-loaded nanospheres were prepared by a double emulsion technique. We investigated the ability of nanospheres labeled with one fluorescent dye (1- pyrene-butanol coupled to PLA) and nanospheres labeled with two fluorescent dyes (1-pyrene-butanol/PLA and dextran-rhodamine) to penetrate into the mouse skin using fluorescent microscopy. The results indicated that the nanospheres were capable of entering into the inner layers of the skin. Then, we investigated the possible route of nanospheres entrance into the skin using confocal laser microscopy. The nanopsheres appeared capable to enter the skin only through the duct of the hair follicles. We did not observe other modes of nanospheres entry into the skin in any of the skin samples examined. We proceeded in the evaluation of immune responses elicited after transcutaneous immunization with OVA aqueous solution and OVA-loaded PLA nanospheres. For the evaluation of the immune responses, total IgG, IgG1 and IgG2a levels were measured in anti-serum samples. We also measured the proliferative responses of splenocytes retrieved from the immunized mice and the IFN-γ, IL-2, IL-4 and IL-10 responses in the supernatant of cultured splenocytes after in vitro stimulation with OVA. On the first stage of the study, we transcutaneously immunized mice onto their bare back with OVA in solution or OVA-loaded nanospheres (200 μg OVA per mouse) in the presence or absence of CT (100 μg CT per mouse). The OVA-loaded nanospheres elicited similar total IgG responses with the OVA solution. With both modes of antigen delivery (aqueous solution and nanospheres-entrapped), the coadministration of CT adjuvant increased IgG response, especially that obtained with the OVA-loaded nanospheres. Also, the OVA-loaded nanospheres plus CT exhibited higher IFN-γ responses than the other formulations tested but similar IL-4 and IL-10 responses. On the second stage of the study, we investigated mainly the ability of transcutaneous delivery of OVA-loaded nanospheres and OVA solution to induce an increased immune response after a subcutaneous booster (“challenge”) with the antigen. Also, we investigated the immune responses obtained by transcutaneous immunization with a lower dose of CT. We observed that even a relatively small amount of CT (50 μg per mouse) could augment antibody responses, especially in the case of the free antigen. It is important to note that the IgG responses obtained after subcutaneous booster with OVA (50 μg per mouse) of mice previously primed with 2 transcutaneous doses of the different OVA formulations were significantly higher than the IgG responses obtained by mice which received only the subcutaneous dose of OVA. This would indicate that transcutaneous administration of antigens in the form of aqueous solution or antigen-loaded nanospheres can prime antibody responses (can induce “memory” response). All formulations elicited both IgG1 and IgG2a responses, indicating a balanced type of immune response. The OVA-loaded nanospheres exhibited a little higher IFN-γ and IL-2 responses than the OVA-solution and similar IL-4 and IL-10 responses with the OVA solution. On the other hand, the OVA-loaded nanospheres plus CT induced much higher IFN-γ and IL-2 responses than all other formulations tested. These results indicate that as far as the cellular responses induced by transcutaneous antigen administration is concerned it may be advantageous to deliver the antigen in nanosphere-encapsulated form rather than in free (aqueous solution) form. The increased IFN-γ and IL-2 levels obtained with the encapsulated forms of OVA compared to the soluble forms of OVA may indicate a possibility of altering the balance of immune response towards a Th1-type of response using nanosphere-encapsulated antigens. The differences in the immunogenic behavior between the encapsulated antigen (OVA entrapped in nanospheres) and free antigen (OVA solution) may arise from the facilitated uptake and presentation of the encapsulated antigen by antigen presenting cells. Taking into account that the encapsulation of OVA in the nanospheres was accompanied by a significant (around 30%) reduction of OVA antigenicity, it might be expected that optimized OVA-loaded nanospheres, in which the protein would retain its full antigenic potential, could have resulted to more potent IgG responses than those obtained in this study. The results of the present study reveal that the type of antigen formulation could have a pronounced effect on the immune response obtained after transcutaneous administration of the antigen and justify the further investigation of the possible advantages of using PLA nanospheres as the antigen delivery system in transcutaneous immunization.

Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται η σύνθεση και η μελέτη υβριδικών υλικών, τα οποία αποτελούνται από νανοσωματίδια εγκλωβισμένα σε οργανικές και ανόργανες μήτρες. Τα υλικά που συντέθηκαν μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες. Η πρώτη περιλαμβάνει μεταλλικά νανοσωματίδια Au και Ag εγκλωβισμένα σε πολυμερικές μήτρες, ενώ η δεύτερη κατηγορία περιλαμβάνει νανοσωματίδια Au, Ag και NiCl2 σε ανόργανες μήτρες. Η εργασία επικεντρώθηκε στην σύνθεση και την φασματοσκοπική μελέτη των υλικών χρησιμοποιώντας όλες τις διαθέσιμες τεχνικές δομικού χαρακτηρισμού των υλικών. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκε μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων και της χημειο-οπτικής ενεργότητας των υλικών. Επίσης, μελετήθηκε η βιοσυμβατότητα των υλικών στις περιπτώσεις που αυτό ήταν δυνατό. Αναλυτικότερα, στο μεγαλύτερο κομμάτι της εργασίας αυτής περιγράφεται η in situ σύνθεση μεταλλικών νανοσωματιδίων Au και Ag στον πυρήνα και στην κορώνα δισυσταδικών συμπολυμερών καθώς και τυχαίων συμπολυμερών. Το πρωτόκολλο που ακολουθήθηκε περιλαμβάνει τα παρακάτω βήματα: αρχικά για την διαλυτοποίηση του αμφίφιλου συμπολυμερούς επιλέγεται εκλεκτικός διαλύτης ως προς την μία συστάδα του, ώστε να σχηματιστούν μικκήλια αποτελούμενα από ένα συμπαγή πυρήνα και μια διαλυτή κορώνα. Στην συνέχεια, προστίθεται το άλας του μετάλλου στο διάλυμα του συμπολυμερούς με αποτέλεσμα είτε την εισροή του στον πυρήνα, είτε την συναρμογή του μεταλλικού ιόντος με την κορώνα ανάλογα με την χημική συνάφεια που φέρει η κάθε συστάδα ως προς το μέταλλο. Τέλος, ακολουθεί η αναγωγή του μεταλλικών ιόντων σε μεταλλικά νανοσωματίδια είτε προσθέτοντας κάποιο αναγωγικό μέσο, είτε από το ίδιο το συμπολυμερές που περιβάλλει τα μεταλλικά ιόντα. Η δεύτερη κατηγορία υλικών αφορά στην σύνθεση νανοσωματιδίων Au, Ag και NiCl2 σε ανόργανες μήτρες. Σε αυτή την περίπτωση επιλέχθηκαν πρόδρομες ενώσεις SiO2 και TiO2, οι οποίες αναμίχθηκαν με το άλας των μετάλλων ακολουθώντας την μέθοδο sol-gel ώστε να σχηματιστούν νανοσωματίδια. Μελετήθηκε η επίδραση των πειραματικών παραμέτρων, όπως η θέρμανση και η γήρανση, στο μέγεθος και τον βαθμό συσσωμάτωσης των μεταλλικών νανοσωματιδίων καθώς επίσης και στο πορώδες του τελικού υλικού. Από τα διαλύματα που προέκυψαν, σχηματίστηκαν λεπτά υμένια με την μέθοδο του spin-coating, τα οποία στην συνέχεια θερμάνθηκαν σε υψηλές θερμοκρασίες ώστε να απομακρυνθούν οι οργανικές ομάδες και να σταθεροποιηθεί το τελικό υλικό. Μέρος των υβριδικών υλικών που συντέθηκαν μελετήθηκαν ως προς την μη-γραμμική τους απόκριση χρησιμοποιώντας τις τεχνικές OKE και Z-scan. Όπως προέκυψε από τις μετρήσεις τα υλικά αυτά παρουσιάζουν μη-γραμμικότητα, η οποία εξαρτάται άμεσα τόσο από την αναλογία μετάλλου ως προς το συμπολυμερές αλλά και από την σύσταση του ίδιου του συμπολυμερούς. Τα νανοσύνθετα υλικά που συντέθηκαν αξιολογήθηκαν επίσης ως ενεργά υλικά σε πιθανούς φωτονικούς αισθητήρες. Παρατηρήθηκε ότι παρουσία ατμών μεθανόλης και αμμωνίας, συνέβαιναν μορφολογικές αλλαγές στην επιφάνεια των υλικών. Οι αλλαγές αυτές, ο οποίες καταγράφονται ως μεταβολές της διαδιδόμενης δέσμης σε σχέση με την δέσμη αναφοράς, είναι αντιστρεπτές. Τέλος, στις περιπτώσεις που τα υβριδικά υλικά που συντέθηκαν παρουσίαζαν βιοσυμβατότητα, ελέγχθηκε η ικανότητα συναρμογή τους με μόρια πρωτεϊνών και DNA και διερευνήθηκε η πιθανή εφαρμογή τους σε συστήματα βιολογικών παραγόντων. / In the present study the synthesis of hybrid materials consisting of metal nanoparticles incorporated into organic and inorganic matrices is presented. The synthesized materials can be divided into two categories; the first one consists of Au and Ag nanoparticles incorporated into polymeric matrices, while the second one consists of Au, Ag and NiCl2 nanoparticles incorporated into inorganic matrices. The thesis was focused on the synthesis and the spectroscopic study of these materials. Meanwhile, the optical and photonic properties of these materials were exploited. Moreover, the biological applications of the synthesized hybrid materials were investigated. In more detail, the larger part of this work focuses on the in situ synthesis of Au and Ag nanoparticles either inside the core or on the corona of di- and triblock copolymers and random copolymers. More specifically, the synthesis protocol requires three steps. First, the proper solvent must be chosen, which should be selective for one of the blocks of the amphiphilic copolymer, in order for micelles to be formed, consisting of a dense core and a solubilized corona. Then the metal precursor is added, which is preferentially dissolved into the core or is coordinated on the periphery of the corona block, depending on the chemical affinity that each block displays toward the metal compound. Finally, the metal ions are reduced in metal nanoparticles either by the addition of a reducing agent or by the coordinating block of the copolymer. The second category of the materials involves the synthesis of Au, Ag and NiCl2 nanoparticles inside inorganic matrices such as SiO2 and TiO2. Solutions containing SiO2 and TiO2 precursors were mixed with metal salts and the standard sol-gel methods were followed for the in situ synthesis of the hybrid materials. Thermal treatment and ageing were the two main parameters that influenced the size and the degree of aggregation of the metal nanoparticles, as well as the porosity of the final material. The non-linear optical properties of the synthesized hybrid materials were studied using the OKE and Z-scan techniques. All the materials studied displayed nonlinear refraction which was proportional to the ratio between the metal nanoparticles and the polymer. The composition of the block copolymer itself played also an important role. The hybrid nano materials were also evaluated as active components in potential photonic sensors. In the presence of methanol and ammonia, morphological changes on the surface of the materials were noticed. These changes were recorded as a signal modulation in respect to the reference signal. Finally, some of the synthesized hybrid materials displayed biocompatibility and their ability to coordinate with proteins and DNA molecules was examined, toward their utilization in bioanalytical devices.