Τα τελευταία χρόνια υπάρχει εκτεταμένη πειραματική και θεωρητική μελέτη στην περιοχή των νανοσωματιδίων διότι βρίσκουν εφαρμογές σαν μέσα μαγνητικής εγγραφής και αποθήκευσης πληροφοριών και πιο πρόσφατα στην ιατρική. Στόχος των ερευνών είναι να κατασκευαστούν όσο το δυνατό μικρότερα σε μέγεθος νανοσωματίδια, στα οποία όμως οι μαγνητικές ιδιότητες να είναι σταθερές σε θερμοκρασία δωματίου, δηλαδή με μεγάλη ανισοτροπία. Τα σύνθετα νανοσωματίδια με μορφολογία σιδηρομαγνητικού πυρήνα/αντισιδηρομαγνητικού φλοιού εμφανίζουν μία επιπλέον ανισοτροπία την ανισοτροπία ανταλλαγής η οποία τα καθιστά θερμικά σταθερά σε μικρό μέγεθος. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε η τεχνική Μetropolis Monte Carlo για την μελέτη της μαγνητικής συμπεριφοράς νανοσωματιδίων με μορφολογία πυρήνα/φλοιού τα οποία εμφανίζουν την ανισοτροπία ανταλλαγής. Η τεχνική αυτή έχει το πλεονέκτημα ότι μπορεί να περιλάβει στους υπολογισμούς τις λεπτομέρειες της μικροδομής του συστήματος και την θερμοκρασία. Στόχος της εργασίας μας ήταν με την ανάπτυξη κατάλληλου θεωρητικού μοντέλου να μελετηθεί ο μηχανισμός που προκαλεί την εμφάνιση της ανισοτροπίας ανταλλαγής και οι παράγοντες που επηρεάζουν τόσο την εμφάνιση της όσο και την ισχύ της. Βρήκαμε ότι η ανισοτροπία ανταλλαγής η οποία επάγεται από την αλληλεπίδραση ανταλλαγής κατά μήκος της σιδηρομαγνητική/αντισιδηρομαγνητική διεπιφάνειας οφείλεται στην ύπαρξη μη αντισταθμισμένων μαγνητικών ροπών στην διεπιφάνεια μεταξύ σιδηρομαγνητικού πυρήνα του νανοσωματιδίου και αντισιδηρομαγνητικού φλοιού και οι παράγοντες που επηρεάζουν το μέγεθος της είναι α)το πάχος του φλοιού, έχουμε εμφάνιση της μετά το δεύτερο στρώμα αντισιδηρομαγνητικού φλοιού β)το μέγεθος της σταθεράς ανταλλαγής στην διεπιφάνεια και λιγότερο στον φλοιό που ενισχύουν το φαινόμενο, γ)το και το είδος της ανισοτροπίας στον φλοιό, είναι πιο έντονη για ανισοτροπία z-άξονα στο φλοιό και δ)από το μέγεθος της ανισοτροπίας της διεπιφάνειας. Ένα άλλο φαινόμενο που συνδέεται με την εμφάνιση της ανισοτροπίας ανταλλαγής είναι η κάθετη μετατόπιση. Δηλαδή η ασσυμετρία του βρόχου υστέρησης των σύνθετων νανοσωματιδίων με μορφολογία πυρήνα φλοιού στον κάθετο άξονα της μαγνήτισης. Οι υπολογισμοί μας έδειξαν ότι σε αντίθεση με την ανισοτροπία ανταλλαγής η κάθετη μετατόπιση οφείλεται στην ύπαρξη του συνολικού αριθμού των μη αντισταθμισμένων μαγνητικών ροπών του φλοιού και όχι μόνο της διεπιφάνειας. Οι υπολογισμοί μας συγκρίθηκαν με πρόσφατα πειραματικά αποτελέσματα, και βρέθηκαν σε πολύ καλή συμφωνία. Επιβεβαιώνοντας ότι οι ανταγωνιστικές αλληλεπιδράσεις που οφείλονται στην ύπαρξη ανταγωνιστικών αλληλεπιδράσεων ανταλλαγής σε σύνθετα νανοσωματίδια με μορφολογία σιδηρομαγνητικού πυρήνα/αντισιδηρομαγνητικού φλοιού είναι υπεύθυνες για τη μεταβολή των μαγνητικών τους ιδιοτήτων σε σχέση με αυτές των σιδηρομαγνητικών νανοσωματιδίων. / The magnetic properties of nanoparticles have been subject of continuously growing interest, driven by fundamental research and technological interest especially in the magnetic recording industry and more recently in medicine. The small size of the nanoparticles and the reduced symmetry at their surface result in high coercivity. More recently, the requirement for stable magnetic behavior of the nanoparticles at room temperature led to the development of complex spin nanostructures with core/shell morphology that results to enhanced magnetic anisotropy. Composite nanoparticles with ferromagnetic core/ antiferromagnetic shell morphology have an extra anisotropy, the exchange anisotropy which makes them thermally stable in room temperature even in the case of very small size. In the current work we use the Metropolis Monte Carlo method to study the magnetic behaviour of nanoparticles with core/shell morphology which exhibit exchange anisotropy. The advantages of this method is that the microstructure of the nanoparticles is explicitly included and the temperature. The main goal of this thesis was to develop an appropriate theoretical model for the study of the origin of the exchange anisotropy and the parameters which affect its appearance and its magnitude. We find that the exchange anisotropy which is induced by the exchange interaction between ferromagnetic core and antiferromagnetic shell in the interface can is due to the existence of uncompensated bonds along the interface. The size of the exchange anisotropy depends on a) the shell thickness, at least two antiferromagnetic shell layers are necessary for the appearance of the effect, b) the magnitude of exchange interaction at the interface and at the shell influence the strength of the exchange anisotropy also c) the type of anisotropy in the antiferromagnetic shell, it is bigger for z-axis shell anisotropy and d) the magnitude of anisotropy at the interface. Another phenomenon which is related with exchange anisotropy is the vertical shift i.e. the asymmetry of the hysterisis loop on the vertical axis. Our calculations show that this shift depends on the total number of the uncompensated spins in the antiferromagnetic shell and not only from the interface. Our calculations are in good agreement with recent experimental results. This confirms that exchange interaction between ferromagnetic core and antiferromagnetic shell is responsible for the exchange anisotropy effect in these composite nanoparticles with ferromagnetic core/antiferromagnetic shell morphology that results to magnetic behaviour different from that of pure ferromagnetic nanoparticles.

Στόχος της διπλωματικής εργασίας ήταν η εφαρμογή της Μοριακής Απεικόνισης για την λήψη εικόνων παθολογικής αγγειογένεσης σε πειραματικό μοντέλο λευκού κόνικλου Νέας Ζηλανδίας με καρκίνωμα VX2. Στη πρώτη φάση της διπλωματικής εργασίας προσδιορίσαμε ως κατάλληλο μοριακό στόχο για την απεικόνιση της αγγειογένεσης, την ιντεγκρίνη ανβ3. Η επιλογή του στόχου βασίστηκε στο γεγονός ότι το επίπεδο έκφρασης της ιντεγκρίνης ανβ3 αυξάνεται σημαντικά κατά την αγγειογένεση, η οποία έχει διαπιστωθεί ότι συμμετέχει στην ανάπτυξη ενός όγκου και επάγεται από χημικούς παράγοντες σε καταστάσεις ισχαιμίας, ενώ σχετίζεται και με πολλές άλλες ασθένειες. Στη δεύτερη φάση στόχος μας ήταν να γίνει εμφύτευση καρκινικών κυττάρων της σειράς VX2 σε κόνικλο και η δημιουργία ενός carrier animal με όγκο VX2. Η δημιουργία ενός δότη κυττάρων VX2 χρησιμεύει για την επίτευξη συνεχών μετεμφυτεύσεων του όγκου σε κόνικλους που προορίζονται για απεικόνιση του επιλεγμένου μοριακού στόχου. Για τη μελέτη του επιπέδου έκφρασης της ιντεγκρίνης ανβ3 επιλέχθηκαν ως μόρια προς επισήμανση πεπτίδια τα οποία φέρουν την αλληλουχία RGD (Arginine-Glycine-Aspartic acid) μέσω της οποίας αντιδρούν με το μόριο της ιντεγκρίνης ανβ3 και ως κατάλληλο σύστημα απεικόνισης περιστρεφόμενη γ κάμερα. Τελικός στόχος είναι μέσω του δείκτη ανβ3 να μελετήσουμε πως εξελίσσεται χρονικά και χωρικά σε σχέση με τον όγκο η αγγειογένεση. Μελλοντικές προοπτικές είναι η ακριβής παρακολούθηση σε κλινικό επίπεδο της διαδικασίας της αγγειογένεσης μετά από χορήγηση προ-αγγειογενετικών ή αντι-αγγειογενετικών παραγόντων σε περιπτώσεις ισχαιμίας ή καρκίνου αντίστοιχα. / The aim of the study was the aquisition of images of tumor angiogenesis by implementing Molecular Imaging techniques. The small animal experimental platform that was required for the study was the New Zealand White rabbit with VX2 carcinoma. The molecular target for imaging angiogenesis was integrin ανβ3, which is found to be overexpressed in endothelial cells participating in angiogenesis. Angiogenesis is found to be crucial for the development of solid tumors (excessive angiogenesis) and other pathological conditions (insufficient angiogenesis). Tracers that interact with ανβ3 are RGD (Arginine-Glycine-Aspartic acid residues)peptides labeled with radionuclides and suitable imaging modality is rotating gamma camera. Targeted molecular imaging may visualize the early activation of the angiogenic type of endothelial cells.To that end, we hope to gain further insights into the specific temporal and spatial characteristics of the onset of angiogenesis.

Η εργασία εστιάζει στην παρασκευή και μελέτη πολυλειτουργικών μαγνητικών νανοσωματιδίων Ιξαμπεπιλόνης, με σκοπό την χορήγησή τους για την αντιμετώπιση του καρκίνου του μαστού. Πραγματοποιήθηκαν φυσικοχημικές μελέτες, μελέτες αποδέσμευσης και κυτταρικές μελέτες. / The aim of the current study is the preparation and the characterization of multifunctional magnetic Ixabepilone nanoparticles, in order to determine their use for the treatment of advanced breast cancer. Physicochemical studies, release studies and cell studies were performed.

Μαγνητικά νανοσωματίδια οξειδίων του σιδήρου παρασκευάσθηκαν μέσω της αλκαλικής συμπύκνωσης και ελεγχόμενης καταβύθισης συμπλόκων ιόντων FeII, υπό την παρουσία τυχαίου συμπολυμερούς PAA-co-MA. Οι παράμετροι της σύνθεσης μεταβλήθηκαν με σκοπό την απομόνωση προϊόντων που να εμφανίζουν τις καλύτερες μαγνητικές ιδιότητες. Όλα τα προϊόντα εμφάνισαν υψηλή κολλοειδή σταθερότητα σε υδατικά μέσα χαμηλής ιοντικής ισχύος, ενώ ο σιδηρομαγνητικός τους χαρακτήρας έδειξε να ποικίλει από ασθενής μέχρι αρκετά ισχυρός, όπως προέκυψε μετά τον χαρακτηρισμό τους με μαγνητοφόρηση και μαγνητική υπερθερμία με εναλλασόμενο μαγνητικό πεδίο. Το μέσο μέγεθος των νανοκρυσταλλιτών ήταν διαφορετικό σε κάθε προϊόν κυμαινόμενο από περίπου 3 έως 14 nm, όπως προσδιορίστηκε μέσω XRD. Η ανάλυση με ΤΕΜ έδειξε ότι στο προϊόν που εμφανίζει τις καλύτερες μαγνητικές ιδιότητες σχηματίζονται πλειάδες νανοσωματιδίων πυκνής διάταξης, και στις οποίες αποδίδεται η βελτιωμένη απόκριση σε μαγνητικά πεδία. Τα άλλα προϊόντα εμφάνισαν μικρότερα μεγέθη κρυσταλλιτών και διαφορετικά δομικά χαρακτηριστικά. Τα κολλοειδή καταβυθίζονταν κατόπιν αύξησης της ιοντικής ισχύος του διαλύτη. Για τον λόγο αυτό αποφασίστηκε η μελέτη της αντίδρασης σύζευξης των εξωτερικών καρβοξυλικών ομάδων του πολυμερικού φλοιού με mPEG-NH2, δεδομένου ότι η PEG αυξάνει σημαντικά τη σταθερότητα των κολλοειδών. Παρά το γεγονός ότι χρησιμοποιήθηκαν κοινά αντιδραστήρια σύζευξης, μόνο υπό πολύ ειδικές συνθήκες η απόδοση της αντίδρασης ήταν ικανοποιητική, οπότε και προέκυψαν σταθερά κολλοειδή σε συνθήκες υψηλής ιοντικής ισχύος. Τέλος, τα προϊόντα αξιολογήθηκαν για την ικανότητά τους να επάγουν υπερθερμία και μελετήθηκε ο χρόνος χαλάρωσης Τ2, ο οποίος σχετίζεται άμεσα με την ενίσχυση της αντίθεσης στην απεικόνιση μέσω μαγνητικού συντονισμού. Τέλος, ένα από τα προϊόντα, μελετήθηκε in vitro και in νίνο, προκειμένου να αξιολογηθεί η βιοσυμβατότητα του. Τα συστήματα αυτά παρουσιάζουν πολύ ενδιαφέρουσες ιδιότητες ώστε να τροποποιηθούν και να μελετηθούν περεταίρω ως θεραπευτικά ή/και διαγνωστικά νανοϋλικά. / Μagnetic nanoparticles of iron oxides were synthesized through condensation and controlled precipitation of a FeII complex, in alkaline environment, in the presence of a random copolymer PAA-co-MA, as polymeric corona. The synthetic parameters were varied with the aim of isolating products exhibiting the best magnetic properties. All products displayed high colloidal stability in low ionic strength aqueous media, while their ferromagnetic properties varied from weak to quite strong, as deduced after the characterization with magnetophoresis and magnetic hyperthermia with alternating magnetic field. The average crystallite size, as determined through XRD, varied from 8 to 14 nm depending on the product. TEM analysis showed that the product displaying the best magnetic properties formed clusters of densely packed nanocrystallites, leading to interesting superstructural motifs. All the other products displayed smaller crystallite sizes and different structural characteristics. The colloids precipitated upon increase of the ionic strength of the solvent (H2O) with NaCl. Therefore, it was decided to study the conjugation of the outer carboxyl groups of the polymeric corona with mPEG-NH2, since PEG is known to increase significantly the stability of colloids. Despite the fact that common conjugation reagents were used, only under specific conditions the yied of the reaction was appropriately high in order the resultant colloids to be stable in a high ionic strength (isotonic) medium. Finally the products were evaluated for their performance in magnetic hyperthermia and for contrast enhancement in magnetic resonance imaging, by studying the T2 relaxation time. One of the products was furthermore studied by in vitro and in vivo systems, in order to evaluate its biocompatibility. These colloidal systems exhibit very interesting properties in order to be further modified and studied as therapeutic and / or diagnostic (theragnostic) nanomaterials.

Η σισπλατίνη αποτελεί ένας ευρέως διαδεδομένο αντικαρκινικό φάρμακο. Ωστόσο προκαλεί σοβαρές παρενέργειες εξαιτίας της έλλειψης εκλεκτικότητας που παρουσιάζει. Για αυτόν το λόγο, γίνεται προσπάθεια ενκαψακίωσης της σισπλατίνης σε νανοφορείς ώστε να επιτευχθεί η εκλεκτική μεταφορά της στον καρκινικό ιστό με μηχανισμούς παθητικής ή ενεργητικής στόχευσης. Στην παρούσα εργασία, παρασκευάστηκαν μαγνητικοί νανοφορείς σισπλατίνας και ελέγχθησαν οι ιδιότητες φόρτωσης με σισπλατίνη και αποδέσμευσης, η κολλοειδής σταθερότητα και η in vitro αντικαρκινική δραστικότητα. Τα νανοσωματίδια (οι μαγνητικοί νανοφορείς) συντέθηκαν με τη σύνδεση του συμπολυμερούς πολυμεθακρυλικό οξύ – πολυαιθυλενογλυκόλη (poly(methacrylic acid)-graft-poly(ethyleneglycol methacrylate)) σε μαγνητικούς νανοκρυσταλλίτες. Ενώ το πολυμεθακρυλικό οξύ παρέχει τις απαραίτητες καρβοξυλομάδες στο σύστημα για τη σύνδεση της σισπλατίνης, οι αλυσίδες πολυαιθυλενογλυκόλης προσφέρουν στερεοχημική σταθεροποίηση στα νανοσωματίδια. Αρχικά παρασκευάστηκαν μαγνητικοί νανοφορείς με διαφορετικούς τύπους p(MAA-g-EGMA) συμπολυμερών τα οποία διέφεραν ως προς το μήκος και την πυκνότητα των αλυσίδων PEG. Τα μαγνητικά νανοσωματίδια παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο της υδρολυτικής, αλκαλικής καταβύθισης από μία πρόδρομη ένωση δισθενούς σιδήρου παρουσία των παραπάνω συμπολυμερών. Οι νανοφορείς σε επόμενο στάδιο φορτώθηκαν με τη σισπλατίνη μετά από επώαση τους με το φάρμακο. Επιπλέον διερευνήθηκε η επίδραση του pH στην φόρτωση της σισπλατίνης. Οι νανοφορείς χαρακτηρίστηκαν ως προς την υδροδυναμική τους διάμετρο και το επιφανειακό τους φορτίο μέσω της τεχνικής της δυναμικής σκέδασης φωτός (DLS) και μικροηλεκτροφόρησης αντίστοιχα. Πραγματοποιήθηκαν μελέτες αποδέσμευσης του φαρμάκου από τους νανοφορείς σε διάλυμα φωσφορικών (pH=7.4) στους 37°C. Επιπροσθέτως, διερευνήθηκε η επίδραση της εφαρμογής εξωτερικού εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου (400 kHz) στην αποδέσμευση της σισπλατίνης από τους νανοφορείς μέσω της πρόκλησης υπερθερμίας. Τέλος, εκτιμήθηκε η κυτταροτοξικότητα των φορτωμένων με σισπλατίνη νανοφορέων και συγκρίθηκε με την κυτταροτοξικότητα των κενών νανοσωματίδιων και του φαρμάκου. Ο έλεγχος κυτταροτοξικότητας πραγματοποιήθηκε μέσω της τεχνικής της κυτταρομετρίας ροής, μετά από χρώση των κυττάρων (Α549, καρκινικά κύτταρα πνεύμονα) με τη χρωστική του ιωδιούχου προπιδίου (PI). Οι p(MAA-g-EGMA) μαγνητικοί φορείς σισπλατίνης που παρασκευάστηκαν στην παρούσα εργασία παρουσίασαν μεγάλη σταθερότητα στο χρόνο ως προς την υδροδυναμική τους διάμετρο και το επιφανειακό τους φορτίο. Επιπλέον παρουσίασαν ικανοποιητική φόρτωση φαρμάκου (6-8%). Η αύξηση του pH (μέχρι 10), η αύξηση των ανιονικών θέσεων (καρβοξυλομάδες) και η μείωση του PEG βρέθηκε να οδηγούν σε αύξηση της φόρτωσης της σισπλατίνης στους νανοφορείς. Παρατηρήθηκε παρατεταμένη αποδέσμευση του φαρμάκου (σισπλατίνης) από τους νανοφορείς, με τον ρυθμό αποδέσμευσης να επηρεάζεται από την πολυμερική σύνθεση των νανοφορέων. Τέλος, οι νανοφορείς παρουσίασαν χαμηλή κυτταροτοξικότητα ενώ οι νανοφορείς φορτωμένοι με σισπλατίνη παρουσίασαν τοξικότητα συγκρίσιμη με αυτήν του φαρμάκου. Με βάση τα ληφθέντα αποτελέσματα, οι p(MAA-g-EGMA) μαγνητικοί νανοφορείς σισπλατίνης έχουν ικανοποιητικές ιδιότητες κολλοειδούς σταθερότητας, φόρτωσης σε φάρμακο και αποδέσμευσης, γεγονός που δικαιολογεί την περαιτέρω διερεύνηση της πιθανής χρησιμοποίησης τους ως φορείς στοχευμένης χορήγησης σισπλατίνας. / Cisplatin is a potent anticacer agent. However, it exhibits serious side effects due to lack of selectivity. Therefore, a more selective cisplatin delivery to tumors is pursued by incorporating cisplatin in targetable nanocarriers. In this work, hybrid magnetic nano-asssemblies loaded with ciplatin were prepared and evaluated in vitro. The nano-assemblies were synthesized through grafting of poly(methacrylic acid)-graft-poly(ethyleneglycol methacrylate) (p(MAA-g-EGMA) on magnetite nanocrystallites. Poly(ethylene glycol) chains confer to the nanocarriers bio-repellent properties. The formation of a distinct second inner polymeric corona with an abundance of carboxylate groups provides the binding sites for cisplatin molecules. Different types of p(MAA-g-EGMA) copolymers with varying length and density of PEG chains were synthesized. Core-shell magnetic nano-assemblies were prepared by hydrolytic alkaline precipitation from a single ferrous molecular precursor in the presence of the above p(MAA-g-EGMA) copolymers . The nano-assemblies were loaded with cisplatin by incubating them with cisplatin solutions of different cisplatin concentration. The nano-assemblies were characterized with regard to their size and zeta potential at different salt concentrations using dynamic light scattering (DLS). The effect of pH on cisplatin loading was investigated. Drug release studies were performed spectrophotometrically in phosphate buffered saline (pH 7.4) at 37°C. The influence of applying an AC magnetic field on the release profile of cisplatin was also investigated using a home-made AC (400 kHz) magnetic field generator 5 mT. The cytotoxicity of blank and cisplatin-loaded nano-assemblies against A549 human lung cancer cell line was assessed by flow cytometric measurement of cellular fluorescence after staining with propidium iodide (PI). The nanocarriers had suitable size properties for intravenous administration and accumulation to tumors based on the enhanced permeability and retention phenomenon (EPR effect). They also were found to exhibit very good colloidal stability, satisfactory cisplatin loading efficiency (around 6% w/w at optimum experimental conditions) and sustained drug release properties, with the rate of release to be significantly increased in response to external AC magnetic fields. Furthermore, the blank nanocarriers did not exhibit cytotoxicity whereas the cisplatin-loaded nanocarriers exhibited comparable to the free ciplatin cytotoxicity against A549 cancer cells. The obtained results justify further evaluation of p(MAA-g-EGMA) nanocarriers as targeted drug delivery system of cisplatin.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται χρήση τριών διαφορετικών ειδών λεπτών υμενίων διοξειδίου του τιτανίου (TiO2) ως στερεό υπόστρωμα για την ακινητοποίηση πρωτεϊνών με σκοπό την ανάπτυξη και σύγκριση αμπερομετρικών βιοαισθητήρων με ευαισθησία στο υπεροξείδιο του υδρογόνου (H2O2). Το πρώτο είδος των λεπτών υμενίων TiO2 είναι από την εμπορική πάστα της Dyesol η οποία παρασκευάζεται με τη μέθοδο sol-gel, το δεύτερο είδος είναι από μία πάστα δικής μας παραγωγής με τη μέθοδο sol-gel και το τρίτο είδος είναι από μία πάστα που παρασκευάσαμε χρησιμοποιώντας την έτοιμη νανοδομημένη σκόνη TiO2, Degussa P – 25. Τα υμένια TiO2 που έχουν παρασκευαστεί από την εμπορική πάστα της Dyesol χρησιμοποιήθηκαν και για τη δημιουργία υβριδικού υποστρώματος με νανοσωματίδια Αργύρου το οποίο μπορεί να βρει εφαρμογή τόσο στη φωτοκατάλυση όσο και στην ανάπτυξη πιο ευαίσθητων αμπερομετρικών βιοαισθητήρων. Αρχικά περιγράφεται η λειτουργία των βιοαισθητήρων καθώς και οι σημαντικότεροι τύποι βιοαισθητήρων που έχουν κατασκευαστεί μέχρι σήμερα. Σημαντικό ρόλο στην επιτυχή κατασκευή ενός βιοαισθητήρα παίζει η επιλογή του υλικού που θα χρησιμοποιηθεί ως υπόστρωμα / ηλεκτρόδιο (στη συγκεκριμένη περίπτωση, υμένια TiO2) καθώς και ο τρόπος που ακινητοποιείται το βιομόριο πάνω σε αυτό, γι’ αυτό και έχει δοθεί έμφαση στην ανάλυση των παραπάνω πληροφοριών. Στη συνέχεια περιγράφεται η δομή και η φυσική λειτουργία της πρωτεΐνης, (κυτόχρωμα c), που χρησιμοποιήθηκε ως το βιομόριο επιλογής για την ανάπτυξη του βιοαισθητήρα. Αναλύονται οι κρυσταλλικές δομές του διοξειδίου του τιτανίου και οι βασικές φυσικοχημικές τους ιδιότητες. Επίσης γίνεται περιγραφή του φαινομένου της φωτοκατάλυσης, ενώ αναφέρονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα του TiO2 για την εφαρμογή αυτή. Στο τέλος του πρώτου κεφαλαίου γίνεται αναφορά και στα νανοσωματίδια αργύρου καθώς και στους λόγους που βοηθούν στην αύξηση της φωτοκαταλυτικής απόδοσης του TiO2. Στη συνέχεια περιγράφονται οι πειραματικές διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν τόσο για τον χαρακτηρισμό των υμενίων TiO2 όσο και για την αναλυτική μελέτη της ακινητοποίησης του κυτοχρώματος c και των νανοσωματιδίων αργύρου πάνω σε αυτά. Περιγράφεται επίσης, η ηλεκτροχημική κυψελίδα 3 ηλεκτροδίων και οι τεχνικές της κυκλικής βολταμμετρίας και της φασματοηλεκτροχημείας που επιλέχθηκαν για τη μελέτη των ηλεκτροχημικών ιδιοτήτων των υμενίων TiO2 με ή χωρίς ακινητοποιημένη πρωτεΐνη, των υμενίων TiO2 με ακινητοποιημένα νανοσωματίδια αργύρου καθώς και για την ανάπτυξη των αμπερομετρικών βιοαισθητήρων με ευαισθησία στο H2O2. Τέλος, περιγράφεται η σύνθεση των τριών διαφορετικών παστών TiO2, η πειραματική διαδικασία εναπόθεσης των υμενίων του TiO2 σε υποστρώματα αγώγιμου υάλου και κατόπιν, ακολουθεί η ανάλυση των πειραματικών αποτελεσμάτων. / In this report 3 different types of TiO2 films were used as solid substrates for the immobilization of proteins in order to be used for the development and evaluation of amperometric biosensors for hydrogen peroxide (H2O2). The first type of thin TiO2 films were made using a Dyesol sol gel commercial TiO2 paste, the second type was produced from a TiO2 paste produced in our lab following a standard sol-gel procedure and the third type of films were produced from a paste prepared using Degusa P25 TiO2 powder. In addition, the thin TiO2 films produced from the Dyesol paste were modified with Ag nanoparticles in order to examine their electrochemical behavior which could lead to enhanced photcatalytic and/or biosensing performance. In the first chapter, a general decription of the different types of biosensors developed so far is presented and emphasis is given to their function and applications. In order to develop a successful biosensor, the choice of the material to be used as the solid substrate is very important as well as the type of the biomolecule used as the recognition element. The sensitivity and response of the biosensor is greatly enhanced by the method used to immobilize the biomolecule on the solid support in a stable and functional way. Therefore in this work both the material, TiO2 films, and the biomolecule of choice, Cytochrome-c, are presented in detail and in particular their physicochemical properties, their functions and applications. Moreover the different methods that have been used for the successful immobilization of biomolecules on solid surfaces are well documented. Furthermore, the photocatalytic properties of the TiO2 films are discussed and how they are enhanced by the deposition of silver nanoparticles on their surfaces that could also lead to the development of more sensitive and accurate amperometric biosensors. In the second chapter, the experimental techniques and procedures used for the characterization of the resulting TiO2 films and for the adsorption process of protein and/or silver nanoparticles on their surfaces are well presented. Furthermore, details are given of the electrochemical techniques (cyclic voltammetry and spectroelectrochemistry) used to evaluate the electrochemical performance of the resulting films with or without protein or silver nanoparticles. A detailed description of the 3 electrode electrochemical used to perform these experiments is also presented. Finally emphasis is given to the procedures used for the development of the electrochemical biosensors for H2O2. Finally, a description of the procedures used for the synthesis of the 3 different TiO2 pastes and of the method used for the production of thin TiO2 films on conducting glass is given followed by the presentation, analysis and discussion of the data collected.

Στην παρούσα διατριβή, παρασκευάστηκαν νανοκρυσταλλικά υμένια TiO2 και εναποτέθηκαν σε υπόστρωμα γυαλιού, με τη μέθοδο sol – gel παρουσία του τασιενεργού μορίου Triton X-100. Τα υμένια πυρώθηκαν στους 550ο C ώστε να καούν οι οργανικές ενώσεις, ενώ η εναπομένουσα ανόργανη δομή αποτελείται από νανοσωματίδια, με μεγάλη ειδική επιφάνεια, μεγαλύτερη από την αναμενόμενη για τόσο υψηλές θερμοκρασίες πύρωσης. Ο σχηματισμός των νανοκρυσταλλιτών οφείλεται στην αυτο – οργάνωση του τασιενεργού μορίου το οποίο δρα ως εκμαγείο των νανοσωματιδίων. Ο χαρακτηρισμός των υμενίων πραγματοποιήθηκε με πλήθος τεχνικών χαρακτηρισμού (UV-Vis, XRD, B.E.T, FTIR, AFM). Τα υμένια αποδείχθηκαν πολύ αποδοτικά για τη φωτοαποικοδόμηση διαφόρων χρωστικών και ιδιαιτέρως της Basic Blue 41, είτε στον αέρα είτε σε υδατικά διαλύματα. Τρεις διαφορετικοί τύποι χημικών δομών χρωστικών χρησιμοποιήθηκαν για τις μελέτες φωτοαποικοδόμησης: Basic Blue 41, Acid Orange 7 και Crystal Violet και έγινε σύγκριση του ρυθμού φωτοαποικοδόμησης των. Μια πολύ μικρή ποσότητα TiO2 (154 mg/l) είναι αρκετή ώστε να αποχρωματίσει αραιά διαλύματα της χρωστικής μέσα σε λίγες ώρες, ακόμα και με φωτοβόληση της επιφάνειας του καταλύτη με λαμπτήρες πολύ χαμηλής ισχύος (0.7 mW/cm2) υπεριώδους ακτινοβολίας. Ο καταλύτης μπορεί εύκολα να αναγεννηθεί και να επαναχρησιμοποιηθεί για διαδοχικούς κύκλους φωτοκατάλυσης, χωρίς μείωση της φωτοκαταλυτικής του δραστικότητας. Τέλος, εναποτέθηκαν λεπτά υμένια, σε υπόστρωμα υάλου, τόσο από καθαρό όσο και από εμπλουτισμένο TiO2 με ιόντα μετάλλων. Χρησιμοποιήθηκαν προσμίξεις, σε ένα μεγάλο εύρος συγκεντρώσεων, ιόντων μετάλλων Fe3+, Cr3+ και Co2+ και πραγματοποιήθηκε σύγκριση της φωτοκαταλυτικής τους δραστικότητας στον αποχρωματισμό υδατικών διαλυμάτων χρωστικών. Η παρουσία των προσμίξεων οδήγησε σε σταδιακή μείωση της κρυσταλλικότητας του TiO2, σε μετατροπή του ανατάση σε ρουτήλιο και, στην περίπτωση του Co2+, στο σχηματισμό μικτού οξειδίου CoTiO3. H καταστροφή του ανατάση είχε δραματικές επιπτώσεις στη φωτοκαταλυτική δραστικότητα του TiO2 κατά τη φωτοβόληση με UV – Vis, η οποία μειωνόταν με την αύξηση της συγκέντρωσης των προσμίξεων. Η φωτοβόληση του εμπλουτισμένου TiO2 με καθένα από τα τρία αυτά ιόντα, μόνο με ορατό φως, οδήγησε μεν στον αποχρωματισμό της χρωστικής αλλά με πολύ μικρότερο ρυθμό από ότι με το ορατό - υπεριώδες. Σε κάθε περίπτωση, αποδεικνύεται ότι η άμεση φωτοδιέγερση του καθαρού TiO2 αποτελεί μια πιο αποδοτική διαδικασία από τη διέγερση εμπλουτισμένου TiO2 στο ορατό. / Transparent nanocrystalline titania films have been deposited on glass slides by using sol-gel procedures carried out in the presence of the surfactant Triton X-100. Films were calcined at 550 oC to ensure destruction of all organic residues but they still retained structures that consist of small nanoparticles and very high active surface areas, larger than expected for such high heating temperatures. Nanocrystallites are formed due to surfactant self organization that acts as a template. Characterization of the films has been made by various techniques (UV-Vis, XRD, B.E.T, FTIR, AFM). These films are very efficient for photodegradation of various dyes, especially the Basic Blue 41, either in air or in aqueous solutions. Three different chemical structures of dyes were used for photodegradation in aqueous solutions: Basic Blue 41, Acid Orange 7, and Crystal Violet and their photodegradation rates have been compared. A very low load of TiO2 (154 mg/l) is capable of bleaching dilute solutions in only a few hours by shining black light of 0.7 mW/cm2. An inexpensive and simple reactor of cylindrical symmetry was described which employs a 4 W black-light tube as light source. The catalyst can be easily recovered and can be repeatedly used without loss of efficiency. Finally, thin films of pure or doped nanocrystalline titania have been deposited on glass slides by using the same sol-gel procedure, in order to compare their photocatalytic activity for photodegradation of aqueous solution of dyes. Fe3+, Cr3+ and Co2+ were used as dopants while the doping extended in a broad domain from very low to very high levels. The presence of dopants resulted in a progressive loss of total crystallinity, some transition from anatase to rutile and, in the case of Co2+, formation of the mixed oxide cobalt titanate. Loss of anatase had dramatic consequences on photocatalytic efficiency by UV-Vis excitation, which decreased fast by increasing dopant concentration. Selected visible excitation of the doped titania could lead to photodegradation of the dye but to a far lesser degree than UV-Vis excitation. In any case, direct UV excitation of pure titania is a more efficient photocatalytic process than visible excitation of doped titania.

Οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) εξακολουθούν να προσελκύουν το ενδιαφέρον πολλών ερευνητικών ομάδων λόγω των ασυνήθιστων μηχανικών, δομικών και ηλεκτρονικών τους ιδιοτήτων, που τους καθιστούν σοβαρούς υποψήφιους για μια πληθώρα εφαρμογών. Συνεπώς, έχουν αναφερθεί διάφορες τεχνικές, που αποσκοπούν στη μαζική παραγωγή νανοσωλήνων άνθρακα. Ο βασικός στόχος της παρούσας μελέτης ήταν να εξερευνηθεί η επίδραση καταλυτικών και λειτουργικών παραμέτρων στο ρυθμό της ανάπτυξης και την ποιότητα των παραγόμενων νανοσωλήνων άνθρακα μέσω της διεργασίας της χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD) αιθυλενίου. Τα πειράματα εναπόθεσης διεξήχθησαν σε θερμοβαρυμετρικό αντιδραστήρα, που επιτρέπει τη συνεχή καταγραφή της μεταβολής του βάρους του δείγματος με τον χρόνο. Τα προϊόντα της αντίδρασης αποτελούνταν κυρίως από πολυφλοιικούς νανοσωλήνες άνθρακα (MWCNTs) και χαρακτηρίστηκαν με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) και Raman φασματοσκοπία. Υιοθετήθηκαν επίσης η ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης (ΤΕΜ) και η θερμοβαρυμετρική ανάλυση (ΤGA). Μια σειρά από μονομεταλλικούς καταλύτες Fe2O3/Al2O3, παρασκευασμένοι με διαφορετικές μεθόδους, εξετάστηκαν υπό συνθήκες ανάπτυξης CNTs. Η ελεγχόμενη εκρηκτική καύση (CEB) των πρόδρομων ενώσεων βρέθηκε ότι είναι η πιο αποδοτική μέθοδος για την παρασκευή του μονομεταλλικού καταλύτη σε σχέση με το ρυθμό ανάπτυξης και την απόδοση σε CNTs. Το αποτέλεσμα αυτό αποδόθηκε στην παρουσία σωματιδίων αιματίτη μικρής διαμέτρου στον καταλύτη. Η παρουσία του υδρογόνου στην αέρια τροφοδοσία της αντίδρασης επίσης αποδείχθηκε ότι προάγει το ρυθμό παραγωγής των MWCNTs. Η απόδοση και η ποιότητα των ΜWCNTs εξαρτώνται από τη συγκέντρωση της πηγής του άνθρακα (αιθυλένιο) στο ρεύμα της τροφοδοσίας καθώς και από τη θερμοκρασία της αντίδρασης. Υπό τις παρούσες πειραματικές συνθήκες, η βέλτιστη θερμοκρασία αντίδρασης βρέθηκε ότι είναι οι 650 0C. Αποδείχθηκε επίσης ότι η CVD του αιθυλενίου παράγει περισσότερους νανοσωλήνες άνθρακα από τη CVD του ακετυλενίου, σε όμοιες πειραματικές συνθήκες. Πολυφλοιικοί νανοσωλήνες άνθρακα αναπτύχθηκαν επίσης σε μια σειρά από καταλύτες Χ% κβ Fe2O3/Al2O3 με CVD αιθυλενίου στους 650 0C. Οι παραπάνω καταλύτες με συγκέντρωση οξειδίου σιδήρου που κυμαινόταν από 0 ως 100 %, παρασκευάστηκαν με ελεγχόμενη εκρηκτική καύση των πρόδρομων νιτρικών ενώσεων τους. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η απόδοση και η ποιότητα των παραγόμενων νανοσωλήνων άνθρακα εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη συγκέντρωση του Fe2O3. H βέλτιστη φόρτιση του οξειδίου του σιδήρου βρέθηκε ότι είναι η 75% κβ, η οποία οδήγησε σε δομή καταλύτη που απέφερε την μεγαλύτερη απόδοση (~2000 %), δηλαδή το βάρος των εναποτιθέμενων MWCNTs ήταν 20 φορές μεγαλύτερο από το βάρος του αρχικού καταλύτη. Το αποτέλεσμα αυτό αποδόθηκε στη δημιουργία μεγάλου αριθμού ενεργών κέντρων και στη μεγάλη διασπορά της φάσης του Fe2O3. Μια σειρά από διμεταλλικούς καταλύτες Μ-Fe2O3/Al2O3 (Μ: Ru, Ni, Co, Mo) παρασκευάστηκαν με διαφορετικούς μεθόδους και εξετάστηκαν υπό συνθήκες CVD αιθυλενίου. Η ελεγχόμενη εκρηκτική καύση των πρόδρομων ενώσεων τους βρέθηκε ότι είναι η πιο αποτελεσματική μέθοδος για την παρασκευή του Ni-Fe2O3/Al2O3 και του Co-Fe2O3/Al2O3, ενώ η μέθοδος της συγκαθίζησης για την παρασκευή του Ru-Fe2O3/Al2O3 και του Μο-Fe2O3/Al2O3. Κατά τη μελέτη του διμεταλλικού καταλύτη Ru-Fe2O3/Al2O3, παρασκευασμένου με τη μέθοδο της συγκαθίζησης, βρέθηκε ότι η υψηλή του απόδοση σε MWCNTs οφείλεται στη μεγάλη διασπορά της φάσης του Fe2O3, που επιφέρει η παρουσία του ρουθινίου και στην χαμηλή συγκέντρωση της φάσης του RuO2. H ποσότητα και η ποιότητα των παραγόμενων MWCNTs εξαρτώνται από τη συγκέντρωση του αιθυλενίου στη τροφοδοσία και από τη θερμοκρασία της CVD διεργασίας. Η βέλτιστη συγκέντρωση βρέθηκε ότι είναι η 20% και η βέλτιστη θερμοκρασία οι 650 0C. Ακόμα, μεταξύ διάφορων υποστρωμάτων που εξετάστηκαν, βρέθηκε ότι το πιο αποδοτικό είναι η αλούμινα, η οποία προέρχεται από το ένυδρο νιτρικό αλουμίνιο. Επίσης, εξερευνήθηκε η επίδραση του λόγου Fe/Ni της δομής του διμεταλλικού καταλύτη Ni-Fe2O3/Al2O3 , παρασκευασμένου με τη CEB μέθοδο, στο ρυθμό της ανάπτυξης των MWCNTs μέσω της CVD του αιθυλενίου. Βρέθηκε ότι για φόρτιση σε μέταλλο ίση με 52.5 %, ο βέλτιστος λόγος ήταν Fe/Ni = 6, ο οποίος οδήγησε στην εντυπωσιακή απόδοση του 3600 % σε ΜWCNTs. Αυτό αποδόθηκε στο σχηματισμό χημικής ένωσης μεταξύ των στοιχείων Ni, Fe, Al και O και στο σχηματισμό πολλών νανοκρυσταλλιτών Fe2O3, όπως τεκμηριώθηκε από την ανάλυση TEM. Επίσης, αποδείχθηκε ότι η CVD του αιθυλενίου σε αυτόν τον καταλύτη είναι πιο αποδοτική από τη CVD του ακετυλενίου. Ένας φασματογράφος μάζας χρησιμοποιήθηκε για να καθοριστούν οι χημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα κατά τη CVD του αιθυλενίου στον συγκεκριμένο διμεταλλικό καταλύτη. Βρέθηκε ότι οι ρυθμοί της διάσπασης του αιθυλενίου και της παραγωγής υδρογόνου είναι πολύ υψηλοί στο αρχικό στάδιο της εναπόθεσης, ενώ υδρατμοί παράγονται από την αντίδραση του υδρογόνου με τα μεταλλικά οξείδια. / Since their discovery in 1991, Carbon Nano-Tubes (CNTs) continue to draw significant attention due to their various potential applications, deriving from their extraordinary structural, electronic and mechanical properties. Thus, several methods of production of CNTs have been reported. The main goal of this research was the investigation of the influence of catalytic and operational parameters on the rate of growth and quality of CNTs via the process of Chemical Vapor Deposition (CVD) of ethylene. Deposition experiments were carried out in a thermogravimetric hot-wall reactor , which enables continuous monitoring of the evolution of carbon mass with time. The products of the deposition comprised mainly Multi-Wall Carbon Nano-Tubes (MWCNTs) and they were characterized using Scanning Electron Microscopy and Raman spectroscopy. Transmission Electron Microscopy and Thermo-Gravimetric Analysis were also employed. A series of Fe2O3/Al2O3 catalysts prepared by different methods were investigated under conditions of synthesis of CNTs. Controlled explosive burning (CEB) of precursor compounds was found to be the most effective method of preparation of the catalyst with respect to rate of deposition and yield of CNTs. This result has been attributed to the presence of hematite particles of small diameter on the catalyst. The presence of hydrogen in the gas feed mixture, even at small concentration, proved to be beneficial for the rate of production of MWCNTs. Yield and quality of MWCNTs depend on the concentration of the carbon source (ethylene) in the feed mixture and on temperature of deposition. Under the present experimental conditions, the optimal reaction temperature was proved to be 650 0C. It was also found that ethylene CVD process is more productive than acetylene CVD process, under identical experimental conditions. MWCNTs were also grown on a series of X % wt Fe2O3/Al2O3 catalysts by thermal cracking of ethylene at 650 0C. The above catalysts with composition ranging from 0 to 100 % wt Fe2O3 were prepared by controlled explosive burning (CEB) of their nitrate precursors. Results show that the final yield and quality of the MWCNTs are highly dependent on the iron oxide concentration of the catalyst. The optimal iron oxide loading was found to be 75%wt, which led to a yield of ~2000 % relative to the initial weight of the catalyst. This result was attributed to the formation of large number of active sites for CNTs growth as well as to the high dispersion of the Fe2O3 phase. A series of bimetallic catalysts M-Fe2O3/Al2O3 (M: Ru, Ni, Co, Mo), were also prepared by different methods and investigated under conditions of CVD reaction of ethylene. Controlled explosive burning (CEB) of precursor compounds was found to be the most effective method of preparation of the catalysts Ni-Fe2O3/Al2O3 and Co-Fe2O3/Al2O3 with respect to rate of deposition and yield of CNTs. Co-precipitation of nitrate precursors (CP-W(H)) was the most effective method of preparation of the catalysts Ru-Fe2O3/Al2O3 and Mo-Fe2O3/Al2O3. During the study of the Ru-Fe2O3/Al2O3 catalyst, prepared by CP-W(H) method, its high catalytic activity ( ~2600% MWCNTs yield) was attributed to the high dispersion of Fe2O3 particles, due to the presence of ruthenium, and the low concentration of RuO2 phase. Yield and quality of MWCNTs depend on the concentration of ethylene in the feed mixture and on temperature of CVD reaction. Under the present experimental conditions, the optimal concentration of ethylene and reaction temperature was found to be 20% and 650 0C, respectively. Furthermore, the most effective substrate, among others tested, was proved to be the aloumina deriving from aluminum nitrate. The influence of the ratio Fe/Ni in the structure of Ni-Fe2O3/Al2O3 catalyst, prepared by CEB method, on rate of growth of MWCNTs was investigated. It was found that the optimal value was Fe/Ni = 6 for 52.5 % metal loading, which led to the impressive yield of ~3600% . This was attributed to the generation of a chemical compound comprising Fe, Ni, Al and O, which in turn induced the formation of Fe2O3 nanocrystallites, as established by TEM analysis. Furthermore, it was evidenced that CVD of ethylene is more efficient process than CVD of acetylene. A mass spectrometer was also employed as a way to determine the chemical reactions that take place during carbon deposition in this bimetallic catalyst. It was found that ethylene decomposition and hydrogen production rates are high at the first stages of deposition, while H2O(g) is produced due to the reaction of hydrogen with the metal oxides.

Η θεραπεία του καρκίνου αποτελεί στις μέρες μας μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις της επιστημονικής κοινότητας παγκοσμίως. Τα συμβατικά φάρμακα που κυκλοφορούν εδώ και χρόνια προσβάλλουν τόσο τα καρκινικά όσο και τα υγιή κύτταρα. Το αποτέλεσμα είναι η πρόκληση σοβαρών παρενεργειών, οι οποίες δεν επιτρέπουν τη χορήγηση θεραπευτικών δόσεων. Η ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας έχει βοηθήσει κατά πολύ το επιστημονικό πεδίο όσον αφορά τη διάγνωση και τη θεραπεία του καρκίνου. Τα νανοσωματίδια παρέχουν ένα νέο τρόπο χορήγησης των αντικαρκινικών φαρμάκων, λειτουργώντας ως φορείς που εξαγγειώνονται στην περιοχή του όγκου, επιτρέποντας με αυτόν τον τρόπο άμεση πρόσβαση στα καρκινικά κύτταρα. Τα συγκεκριμένα σωματίδια μπορούν να τροποποιηθούν κατάλληλα, ώστε να αποκτήσουν τη δυνατότητα να δεσμευθούν στις μεμβράνες των καρκινικών κυττάρων, στο μικροπεριβάλλον τους ή σε κυτταροπλασματικούς ή πυρηνικούς υποδοχείς. Κατά συνέπεια, μεταφέρονται στοχευμένα υψηλές συγκεντρώσεις του φαρμάκου στα καρκινικά κύτταρα και μειώνεται η τοξικότητα στους φυσιολογικούς ιστούς. Η ανάπτυξη τροποποιημένων νανοφορέων για τη χορήγηση των αντικαρκινικών φαρμάκων μπορεί να περιορίσει τα προβλήματα που συνδέονται με τα συμβατικά συστήματα χορήγησης, όπως έλλειψη εκλεκτικότητας και τοξικότητα. Οι νανοφορείς που έχουν μελετηθεί μέχρι σήμερα, εμφανίζουν σημαντικά προβλήματα, όπως δομική αστάθεια, δομική ετερογένεια και ελλειπή έλεγχο μεγέθους και σχήματος. Υπάρχει, συνεπώς, μια αυξανόμενη ανάγκη για ανάπτυξη προηγμένων συστημάτων μεταφοράς αντικαρκινικών φαρμάκων, στα οποία το σχήμα, το μέγεθος και η ικανότητα φόρτωσης να μπορούν να ρυθμιστούν κατάλληλα, προκειμένου να μεγιστοποιηθεί η αποτελεσματικότητα και να ελαχιστοποιηθεί η τοξικότητα των φαρμάκων. Τα φουλλερένια (C60) ανήκουν στην κατηγορία των νανοφορέων που μελετούνται εκτενώς για τη χορήγηση αντικαρκινικών παραγόντων. Η δυνατότητα των φουλλερενίων για την εκπλήρωση των παραπάνω προδιαγραφών έγκειται στη μεγάλη δυνατότητα τροποποίησης της βασικής τους δομής και την παρασκευή πληθώρας παραγώγων με επιθυμητές ιδιότητες. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα αυτών των μορίων είναι η ελάχιστη διαλυτότητά τους στο νερό. Το πρόβλημα αυτό μπορεί να αντιμετωπιστεί με την πρόσδεση σε αυτά υδρόφιλων πολυμερών, όπως είναι η πολυαιθυλενογλυκόλη (PEG). Στην παρούσα εργασία, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της σύνθεσης ενός συζεύγματος πεγκυλιωμένου μορίου φουλλερενίου (C60) με το αντικαρκινικό φάρμακο δοξορουμπικίνη, καθώς και η in vitro αξιολόγηση του τελικού προϊόντος. Στόχος είναι η αύξηση της αποτελεσματικότητας και η μείωση της τοξικότητας του φαρμάκου, μέσω στοχευμένης μεταφοράς στον καρκινικό όγκο. Ένα πεγκυλιωμένο σύζευγμα φουλλερενίου (C60) με δοξορουμπικίνη (FULL-PEG-DOX) συντέθηκε επιτυχώς σε έξι στάδια με συνολική απόδοση 25,7% και χαρακτηρίστηκε με 1H-NMR, IR και UV. Η δραστικότητα του τελικού προϊόντος, καθώς επίσης και δύο ενδιάμεσων προϊόντων (FULL-PEG και FULL-DOX) αλλά και του υδροχλωρικού άλατος της δοξορουμπικίνης ενάντια στον καρκίνο ελέγχθηκε in vitro σε καρκινικές σειρές κυττάρων MCF-7. Το τελικό προϊόν εμφάνισε ικανοποιητική αντικαρκινική δράση, κυρίως μέσω αναστολής του πολλαπλασιασμού των καρκινικών κυττάρων. Τα αποτελέσματα της μελέτης μπορούν να θεωρηθούν ιδιαίτερα ενθαρρυντικά και δικαιολογούν τη συνέχιση της ερευνητικής προσπάθειας για στοχευμένη χορήγηση δοξορουμπικίνης σε καρκινικά κύτταρα μέσω της πρόσδεσής της σε τροποποιημένα μόρια φουλλερενίου. / Cancer’s treatment is nowadays one of the most important challenges that the scientific community worldwide has to face. Conventional anticancer drugs, which are in the market many years, affect both cancer and normal cells. Hence, they cause serious side effects, which make the administration of therapeutic drug doses impossible. The development of nanotechnology has changed the scientific landscape in terms of cancer diagnosis and treatment. Nanoparticulate drug carriers provide a new mode of cancer drug delivery. They can extravasate at tumor site, allowing direct drug access to cancer cells. These particles allow exquisite modification for binding to cancer cell membranes, the microenvironment or to cytoplasmic or nuclear receptor sites. This results to the delivery of high drug concentrations to the targeted cancer cells with reduced toxicity to normal (healthy) tissue. The application of engineered nanocarriers for the delivery of anticancer drugs may alleviate the problems associated with conventional anticancer drug delivery systems, such as lack of selectivity and toxicity. Drug nanocarriers explored to date suffer from inherent limitations, including instability, structural heterogeneity and poor control over size and shape. There is an increasing need for advanced delivery agents for the anticancer drugs where shape, size, functionalization and loading capacity can be precisely tuned in order to maximize efficacy and minimize drug toxicity. Among the nanocarriers which are currently studied as drug delivery systems for anticancer agents are fullerenes (C60). The potential of fullerenes to address the above specifications lies in the immense scope for chemical derivatization to the basic structure. Except for their high toxicity to normal cells, the main drawback of these carbon molecules is their poor solubility to water. This problem can be overcome by attaching on fullerene particles hydrophilic polymers, such as polyethylene glycol (PEG). In the present work, the results of synthesis and in vitro biological evaluation of a pegylated fullerene conjugate with the potent anticancer drug Doxorubicin are represented. The main goal is to increase efficacy and reduce toxicity of doxorubicin, through targeted delivery to tumors, by conjugating the drug to pegylated fullerenes. A pegylated fullerene-doxorubicin conjugate has been successfully synthesized in 6 steps with a 25.7 % overall yield and was characterized by 1H-NMR, IR and UV. The final product, two intermediate products and doxorubicin hydrochloride were evaluated in vitro against MCF-7 cancer cells lines. The final product exhibited satisfactory anticancer activity mainly by inhibiting proliferation. The results of this study justify further investigation of the potential of pegylated fullerenes as targeted nanocarriers of doxorubicin.

Η δυνατότητα να συνδυαστούν οι ιδιότητες οργανικών και ανόργανων συστατικών σε ένα μοναδικό νανοδομημένο υβριδικό υλικό αποτελεί μία σημαντική επιστημονική πρόκληση στο σχεδιασμό υλικών, τα οποία μπορούν να εμφανίζουν νέες βελτιωμένες ιδιότητες και να τύχουν προηγμένων εφαρμογών. Τα υβριδικά υλικά, γενικά, μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες: στην κατηγορία I (class I), όπου οι δύο φάσεις συνδυάζονται μέσω ασθενών αλληλεπιδράσεων, και στην κατηγορία II (class II), όπου οι δύο φάσεις είναι σταθερά συνδεδεμένες. Στην παρούσα εργασία διερευνήθηκε η δυνατότητα εφαρμογής νανοδομημένων υβριδικών υλικών ως ετερογενείς καταλύτες στη διεργασία παραγωγής βιοντίζελ από διαφόρων ειδών έλαια. Κατά τη διεργασία αυτή, η οποία καλείται μετεστεροποίηση ή μεθανόλυση, τριγλυκερίδια αντιδρούν με μια αλκοόλη παρουσία ισχυρού οξέος ή βάσης προς παραγωγή εστέρων και γλυκερίνης. Σε πρώτη φάση, εστιάσαμε στη σύνθεση και το χαρακτηρισμό class I και class II υβριδικών οργανικών/ανόργανων υλικών αποτελούμενων από έναν ανόργανο πυρήνα διοξειδίου του πυριτίου (silica), ο οποίος θα περιβάλλεται από πολυμερικές αλυσίδες. Έτσι, στην προσπάθεια σύνθεσης υβριδικών υλικών class I αξιοποιήθηκαν οι πιθανές αλληλεπιδράσεις καθαρών και αμινοτροποποιημένων νανοσωματιδίων διοξειδίου του πυριτίου με υδατοδιαλυτά συμπολυμερή P(SSΗ-co-MA) του στυρενοσουλφονικού οξέος (SSH), με το μηλεϊνικό οξύ (ΜΑ), τα οποία φέρουν τόσο καρβοξυλικές όσο και σουλφονικές ομάδες. Ως αποτέλεσμα του όξινου χαρακτήρα των πολυμερών, τα υβριδικά νανοσωματίδια θα μπορούσαν δυνητικά να χρησιμοποιηθούν ως όξινοι καταλύτες κατά την παραγωγή του βιοντίζελ. Στην προσπάθεια σύνθεσης class II υβριδικών υλικών αξιοποιήθηκε κυρίως ο πολυμερισμός ελευθέρων ριζών μέσω μεταφοράς ατόμου (ATRP), μονομερών όπως στυρενοσουλφονικό νάτριο (SSNa), Ν-ισοπροπυλακρυλαμίδιο (NIPAM) και 2-(διμεθυλαμινο)μεθακρυλικός αιθυλεστέρας (DMAEMA). Για την εκκίνηση του πολυμερισμού χρησιμοποιήθηκαν νανοσωματίδια silica χημικά τροποποιημένα με 3-αμινοπροπυλοτριαιθοξυσιλάνιο και ακολούθως με 2-χλωροπροπιονυλοχλωρίδιο. Εναλλακτικά, χρησιμοποιήθηκαν νανοσωματίδια silica χημικά τροποποιημένα με 3-χλωροπροπυλoτριαιθοξυσιλάνιο (ATRP πολυμερισμός), ή βινυλοτριμεθοξυσιλανιο (πολυμερισμός ελευθέρων ριζών, FRP). Ο χαρακτηρισμός των δειγμάτων κατά περίπτωση έγινε με φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού υδρογόνου (1H NMR), φασματοσκοπία υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier (FTIR), θερμοσταθμική ανάλυση (TGA) και τιτλοδότηση οξέος-βάσεως. Στο τελευταίο μέρος της εργασίας ελέγχθηκε η καταλυτική δράση κάποιων εκ των συντεθέντων υλικών στην αντίδραση μεθανόλυσης της τριοξικής γλυκερόλης, χρησιμοποιώντας την τεχνική 1H NMR. Διαπιστώθηκε πως τα αμινοτροποποιημένα νανοσωματιδία silica εμφανίζουν σημαντική καταλυτική δράση. Αντίθετα η ικανότητα των υβριδικών οργανικών/ανόργανων υλικών silica-NH2(B)/P(SSH50-co-MA50), silica-NH2(D)/P(SSH75-co-MA25), και silica-VTMS-PDMAEMA να δρουν ως όξινοι ή βασικοί καταλύτες της ίδιας αντίδρασης είναι πολύ περιορισμένη. / The possibility to combine the properties of organic and inorganic components in a unique nanostructured hybrid material is a major scientific challenge in designing novel materials exhibiting improved properties and finding advanced applications. Hybrid materials generally can be classified into two categories: class I, where the two phases are combined through weak interactions, and class II, where the two phases are covalently connected. The aim of the present study was to develop novel hybrid organic/inorganic nanomaterials, potentially applied as heterogeneous catalysts in the biodiesel production process. In this process, called transesterification or methanolysis, triglycerides from various oils react with an alcohol in the presence of a strong acid or base to produce the respective esters and glycerin. In the first part of this work, we focused on the synthesis and characterization of class I and class II hybrid organic/inorganic nanomaterials consisting of an inorganic silicon dioxide (silica) core and a polymer shell. Thus, for the class I hybrid materials we took advantage of the weak interactions between net or amino-functionalized silica nanoparticles and water-soluble P(SSH-co-MA) copolymers of styrene sulfonic acid (SSH), with maleic acid (MA), carrying both carboxyl and sulfonic groups. These hybrid nanoparticles could potentially be used as acidic catalysts in the production of biodiesel, as a consequence of the acidic nature of the polymer used. For the class II hybrid materials, we mostly applied atom transfer radical polymerization (ATRP) of monomers such as sodium styrene sulfonate (SSNa), N-isopropylacrylamide (NIPAM) and 2-(dimethylamino) ethyl methacrylate (DMAEMA). To initiate the polymerization, silica nanoparticles chemically modified with 3-aminopropyltriethoxysilane and subsequently with 2-chloropropionylchloride were used. Alternatively, we also used silica nanoparticles chemically modified with 3-chloropropyltriethoxysilane (ATRP polymerization), or vinyltrimethoxysilane (free radical polymerization, FRP). In all cases, the products were characterized through a combination of techniques, such as proton nuclear magnetic resonance spectroscopy (1H NMR), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), thermogravimetric analysis (TGA) and acid-base titration. In the latter part of this work, the catalytic activity of some materials in the methanolysis process of glycerol triacetate was investigated, using the 1H NMR technique. It was found that the aminofunctionalized silica nanoparticles exhibit significant catalytic activity, whereas the ability of the hybrid materials silica-NH2(B)/P(SSH50-co-MA50), silica-NH2(D)/P(SSH75-co-MA25) and silica-VTMS-PDMAEMA to act as acidic or basic catalysts is very limited.