Η μελέτη αυτή αφορά το σχεδιασμό των μιγμάτων πρωτεΐνης/πολυηλεκτρολύτη και τις αλληλεπιδράσεις τους σε φυσιολογικές συνθήκες. Η παρακάτω έρευνα περιλαμβάνει σύμπλοκα αλβουμίνης ορού βοοειδούς (BSA) με ένα σύνολο κατιονικών ομοπολυμερών και συμπολυμερών πολύ (3-μεθακρυλαμιδο-προπυλο- τριμεθυλαμμωνιο-χλωριδιο) -co- (Ν, Ν-διμεθυλακρυλαμίδιο), με διαφορετικό μοριακό βάρος και σύσταση σε ομάδες πολυ (Ν, Ν- διμεθυλακρυλαμιδίου) (PDMAM). Μετρήσεις UV-VIS φασματομετρίας, η σκέδαση φωτός και ζ-δυναμικό συμμετείχαν στο χαρακτηρισμό των συσσωματωμάτων ως μία συνάρτηση της αναλογίας φορτίου r +/- , του pΗ και της ιοντικής ισχύος. Τα αποτελέσματα έδειξαν το σχηματισμό αντίθετων φορτισμένων συμπλόκων, σε pΗ υψηλότερο από 4.9, το ισοηλεκτρικό σημείο της BSA. Τέτοια σωματίδια βρέθηκαν να εξαρτώνται από την πυκνότητα φορτίου της επιφάνειας της πρωτεΐνης η οποία επηρεάζει σημαντικά τις ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις. Ως αποτέλεσμα, για ένα ομοπολυμερές PMAPTAC ο σχηματισμός αδιάλυτων συμπλοκών ευνοείται για υψηλές τιμές pΗ, όπου η πυκνότητα επιφανειακού φορτίου της πρωτεΐνης είναι μέγιστη. Αντίθετα, αύξηση της ιοντικής ισχύος οδηγεί σε καταστολή των απώσεων μακράς εμβέλειας μεταξύ των αρνητικά φορτισμένων περιοχών του πολυηλεκτρολύτη και της πρωτεΐνης, εξαιτίας τοπικών ηλεκτροστατικών επιδράσεων. Οι διαφορές στο σχηματισμό συμπλόκου επιβεβαιώθηκαν με σύγκριση δύο PMAPTAC ομοπολυμερών με διαφορετικά μοριακά βάρη σε σταθερό pΗ. Αυτά τα συσσωματώματα έδειξαν διαφορές στο μέγεθος και τις επιφανειακές ιδιότητες οδηγούμενες από την πυκνότητα φορτίου του πολυηλεκτρολύτη. Έτσι, τα μεγαλύτερα σωματίδια ελήφθησαν από το πολυκατιόν με υψηλότερο μοριακό βάρος σε pΗ 7,40. Ακόμα, ο ρυθμός κατανάλωσης της BSA για το σχηματισμό συμπλόκου με τον πολυηλεκτρολύτη ήταν παρόμοιος για όλες τις περιπτώσεις διαφορετικού pH δίνοντας έτσι το γεγονός ότι η καταβύθιση της BSA είναι ανεξάρτητη του pH. Η προσθήκη ουδέτερα υδρόφιλου PDMAM επεκτείνει το πιθανό μηχανισμό συμπλοκοποίησης. Με τη σύγκριση μιας σειράς από συμπολυμερή που φέρουν διαφορετικό αριθμό των υδρόφιλων ομάδων DMAM, μόνο διαλυτά σύμπλοκα πολυηλεκτρολύτη / πρωτεΐνης σχηματίζονται με υδροδυναμικά μεγέθη <50 nm. Η συμπεριφορά αυτή έχει αποδοθεί στην παρουσία των υδρόφιλων μονάδων DMAM που απλά δρα ως προστατευτικό εξωτερικό κέλυφος των συσσωματωμάτων εμποδίζοντας περαιτέρω συσσωμάτωση. Συνεπώς, από τα σύμπλοκα που σχηματίζονται από το συμπολυμερές με την διαφορετική περιεκτικότητα DMAM, ισχυρότερη προτίμηση ένωσης με την πρωτεΐνη έδειξε το συμπολυμερές με τη χαμηλότερη περιεκτικότητα DMAM. Αυτό δείχνει τη σημασία των υδρόφιλων ομάδων οι οποίες παρεμποδίζουν στερεοχημικά την πρόσβαση ή έκθεση των ιόντων στην επιφάνεια του συμπλόκου. Ακόμα, το υδρόφιλο εξωτερικό κέλυφος είναι είτε μικρότερο, είτε λιγότερο πυκνό, γεγονός που επιτρέπει την αναδιάταξη των σωματιδίων έτσι ώστε περισσότερα φορτία να είναι παρών στην επιφάνεια του 4 συσσωματώματος που μπορεί περαιτέρω να αλληλεπιδρούν με το κατιονικό πολυηλεκτρολύτη. Έτσι, το σύστημα που παρουσιάζεται εδώ δίνει μία εις βάθος μελέτη των πιθανών μηχανισμών των αλληλεπιδράσεων πολυηλεκτρολύτη με πρωτεΐνες. Επιπλέον, ο σχηματισμός συμπλοκών μικρής κλίμακας σταθερών σε υδατικό διάλυμα επιτεύχθηκε με ρύθμιση παραμέτρων, όπως το μοριακό βάρος, η αναλογία φορτίου και της ισορροπίας υδρόφιλου / υδρόφοβου. Επιπρόσθετα, τα συστήματα ήταν σε συμφωνία με περιβαλλοντικές συνθήκες όπως το pΗ και την ιοντική ισχύ. Τέτοια σωματίδια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για παροχή φαρμάκου με καλή σταθερότητα σε φυσιολογικές συνθήκες που μπορεί να οδηγηθεί μέσω της ροής του αίματος. Επιπλέον, η ευαισθησία στο pΗ των συστημάτων αυτών τα καθιστά εξαιρετικούς υποψηφίους για θεραπεία του καρκίνου, όπου οι διαφορές στο pH μεταξύ καρκινικών και φυσιολογικών κυττάρων μπορούν να δώσουν ιδέες για απελευθέρωση στοχευόμενου φαρμάκου. / This study concerns the design of protein/polyelectrolyte mixtures for complexion at physiological conditions. The concept herein involves bovine serum albumin (BSA) complexes with a set of cationic homopolymers and copolymers of poly (MAPTAC)-co -poly (N, N-dimethylacrylamide), with different molecular weight and composition in poly (N, N-dimethylacrylamide) (PDMAM) groups. UVVIS spectrometry, Light Scattering measurements and zeta-potential were involved in the characterization of the aggregates as a function of charge ratio r +/- , pH and ionic strength. The results revealed the formation of oppositely charged complexes, at pH higher than 4.9, the isoelectric point of BSA. Such particles were found dependent on the charge density of the protein surface which strongly influences the electrostatic interactions. As a result, for a PMAPTAC homopolymer the formation of insoluble complexes is favored for high pH values, where the surface charge density of the protein is maximum. Contrarily, enhancement of ionic strength conditions had led to suppression of long-range repulsion between polycation and protein negative domains due to electrostatic screening effects. The differences in the complexation were confirmed by comparing two PMAPTAC homopolymers with different molecular weights at constant pH. These aggregates showed differences in size and surface properties dictated by the charge density of the polyelectrolyte. Thus, larger particles were obtained from the polycation with higher molecular weight at pH 7.4. Interestingly, the rate of BSA consumption for polyelectrolyte formation was identical for all the occasions of pH leading to the conclusion that the consumption of BSA is independent of pH. Addition of neutral hydrophilic PDMAM extended the possible complexation mechanism. By comparing a set of copolymers bearing different content of hydrophilic DMAM groups, only soluble polyelectrolyte/ protein complexes were formed with hydrodynamic sizes < 50 nm. This behavior has been ascribed to the presence of the hydrophilic DMAM units that acts as a protective hydrated outer shell of the aggregates refraining further aggregation. Accordingly, the complexes formed from the copolymer with the different DMAM content have shown 2 stronger protein affinity for the copolymer with the lowest DMAM content. This illustrates the importance of hydrophilic groups which sterically hinder the access and/or exposure of ions to the surface of the complex. Thus the hydrophilic outer shell is either shorter or less dense, fact that allows rearrangement of the particles so that more charges are present on the surface of the aggregate that can further interact with the cationic polyelectrolyte. Thus, the system presented herein represents an in depth study of possible mechanisms of polyelectrolyte interactions with proteins. Furthermore, the formation of nano-scaled complexes stable in aqueous solution was achieved by tuning molecular parameters such as molecular weight, charge ratio and hydrophilic/hydrophobic balance. Additionally, the systems had presented responsiveness to environmental stimuli such as pH and ionic strength. Such particles can be used for drug delivery with good stability at physiological conditions which can lead to long circulation in the blood stream. Moreover, the pH sensitivity of these systems makes them excellent aspirants for cancer therapy where differences in tumor and normal cell pH is a concept for targeted drug delivery.

Τα σύνθετα συστήματα πολυμερικής μήτρας – κεραμικών εγκλεισμάτων φαίνεται ότι μπορούν να αποτελέσουν μία νέα γενιά υλικών υψηλού τεχνολογικού ενδιαφέροντος. Από την άλλη μεριά η σημασία των νανουλικών και νανοδομημένων υλικών είναι ευρέως αποδεκτή στις μέρες μας, τόσο σε επίπεδο βασικής έρευνας όσο και σε τεχνολογικό επίπεδο. Το σύγχρονο αυτό ερευνητικό πεδίο περιλαμβάνει τη μελέτη των νανοσύνθετων ή πολυφασικών υλικών, στα οποία μια ή περισσότερες από τις χωρικές διαστάσεις κάποιας φάσης βρίσκεται στην περιοχή των νανομέτρων (1 nm = 10-9 m = 10 ). Αυτό που ξεχωρίζει τα νανοσύνθετα από τα άλλα συμβατά σύνθετα υλικά είναι η ικανότητα τους να συνδυάζουν ιδιότητες, οι οποίες είναι απαγορευτικές για τα παραδοσιακά υλικά, αλλά και η μεγάλη λειτουργικότητα που παρουσιάζουν. Η διασπορά μίκρο- και νάνο-κεραμικών εγκλεισμάτων στο εσωτερικό πολυμερούς, οδηγεί σε σύνθετα συστήματα με βελτιωμένη μηχανική απόκριση, που όμως διατηρούν την ηλεκτρική συμπεριφορά των εγκλεισμάτων. Υλικά υψηλής ηλεκτρικής διαπερατότητας (high-K materials) είναι απαραίτητα σε πολλές εφαρμογές της ηλεκτρονικής, επειδή είναι σε θέση να μειώνουν τα ρεύματα διαρροής, ενώ παράλληλα λειτουργούν και ως ενσωματωμένοι μικρο-πυκνωτές. Σύνθετα πολυμερικά υλικά που ενσωματώνουν σιδηροηλεκτρικά κεραμικά στοιχεία παρουσιάζουν μεγαλύτερο ενδιαφέρον καθώς, η ηλεκτρική τους απόκριση πέραν των αναμενόμενων εξαρτήσεων (περιεκτικότητα, γεωμετρία και τρόπος διασποράς των εγκλεισμάτων) σχετίζεται και με τη θερμοκρασιακά ελεγχόμενη μετάβαση των εγκλεισμάτων από τη σιδηροηλεκτρική στην παραηλεκτρική φάση. Τέτοιου είδους λειτουργικά σύνθετα, αναφέρονται συχνά και ως ευφυή συστήματα. Στην παρούσα εργασία παρασκευάσθηκαν συστήματα πολυμερικής μήτρας – μικρο- και νανο-σωματιδίων κεραμικού BaTiO3 και στη συνέχεια εξετάσθηκαν οι διηλεκτρικές τους ιδιότητες, με παραμέτρους την περιεκτικότητα σε BaTiO3, τη θερμοκρασία και τη συχνότητα του εφαρμοζόμενου πεδίου. Η διηλεκτρική φασματοσκοπία (Broadband Dielectric Spectroscopy) έχει αποδειχθεί ως ένα ισχυρό εργαλείο για την έρευνα της μοριακής κινητικότητας, των αλλαγων φάσης, των μηχανισμών αγωγιμότητας και των διεπιφανειακών φαινομένων στα πολυμερή και τα σύνθετα πολυμερικά συστήματα. Η διηλεκτρική απόκριση των νανοσυνθέτων εξετάστηκε με τη βοήθεια της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας (BDS) στο εύρος συχνοτήτων 10-1-10 7 Hz και στο διάστημα θερμοκρασιών από 30οC έως 160οC. Από τα πειραματικά αποτελέσματα προκύπτει πως παρατηρούνται διηλεκτρικές χαλαρώσεις που οφείλονται τόσο στην πολυμερική μήτρα, όσο και στην ενισχυτική φάση. Τρεις διακριτοί τρόποι χαλάρωσης καταγράφηκαν στα φάσματα των συστημάτων που μελετήθηκαν και αποδίδονται στη διεπιφανειακή πόλωση (IP) μήτρας/εγκλεισμάτων, στην υαλώδη μετάβαση (α - χαλάρωση) των πολυμερών και στην κίνηση πλευρικών πολικών ομάδων (β - χαλάρωση) των αλυσίδων. Η λειτουργική συμπεριφορά των μίκρο- και νάνο-σύνθετων βασίζεται στην μετάβαση “αταξίας”- “τάξης” που παρατηρείται στο BaTiO3 στην κρίσιμη θερμοκρασία Curie (~130oC). Η μετάβαση από την σιδηροηλεκτρική φάση στην παραηλεκτρική μελετήθηκε τόσο μέσω της Διηλεκτρικής Φασματοσκοπίας όσο και με φάσματα ακτίνων-Χ (XRD). Η μεταβολή της πόλωσης και η δημιουργία κορυφής στα διαγράμματα του πραγματικού μέρους της ηλεκτρικής διαπερατότητας με τη θερμοκρασία μπορεί να αποτελέσει τη βάση ανάπτυξης ευφυών συστημάτων και νανο-διατάξεων καθώς δίνεται η δυνατότητα ελέγχου της αποθηκευόμενης ηλεκτρικής ενέργειας στη νανοκλίμακα και επιτυγχάνεται η λειτουργία ρυθμιστή πόλωσης. Τέλος, με την εισαγωγή της Διηλεκτρικής Συνάρτησης Ενίσχυσης διερευνάται η απόκριση των σύνθετων συστημάτων και προσδιορίζεται η βέλτιστη λειτουργική συμπεριφορά και η βέλτιστη συμπεριφορά ως προς την αποθήκευση ενέργειας. / Ceramic-polymer composites consisting of ferroelectric crystal particles, homogeneously distributed, in an polymer host represent a novel class of materials, with several interesting properties. The impact of nanomaterials and nanostructured materials is well known and widely accepteble in our days, not only in the basic research level but also in the area of technological applications. This modern field of scientific research includes the study of nano – composites or multiphase materials. Multiphase materials have at least one of the dimensions of the reinforcing phase in nano-scale. The main difference between nano-composites and conventional composites is their ability to achieve superior performance at a very low concentration of the filler. The majority of the active or potential applications of nano-systems is based on their thermo-mechanical behaviour, flame resistance and electrical properties. Under this point of view nano-composites exhibit properties or functions, which seem to be prohibited for traditional materials. High tech electronic devices require new high dielectric permittivity materials (known as high-K materials), which combine, at the same time, suitable dielectric properties, mechanical strength and ease processing. Recently ceramic-polymer composites have been studied in various applications including integrated capacitors, acoustic emission sensors and for the reduction of leakage currents. Furthermore, if the embedded ceramic particles are ferroeletric, functional properties can be added to the composite structure. Ferroelectric materials exhibit spontaneous polarization and are characterized by a temperature dependent disorder to order transition. Thus, besides all the expected influences (volume fraction, geometrical characteristics, type of distribution etc), the electrical response of ferroelectric particles – polymer matrix composites depends on the ferroeletric to paraelectric transition of the inclusions. In the present study composite systems of epoxy resin and ceramic BaTiO3 micro and nano – particles have been prepared, varying the volume fraction of the inclusions. The dielectric response of the composites was studied in a wide frequency and temperature range. Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS) has been proved to be a powerful tool for the investigation of molecular mobility, phase changes, conductivity mechanisms and interfacial effects in polymers and complex systems. The dielectric response of nano-composites was examined by means of Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS) in the frequency range10-1-107 Hz and temperature interval from 30 o C to 160 o C. Experimental results include relaxation phenomena arising from both the polymeric matrix and the filler. Three distinct relaxation modes were recorded in the spectra of all systems. They were attributed to interfacial polarization, glass transition (α-relaxation) and motion of polar side groups (β – relaxation). The functional behaviour of micro and nano – composites is based on the disorder to order transition of BaTiO3 in the characteristic Curie temperature (~130 oC). The transition from the ferroelectric to paraelectric phase has been studied via Dielectric Spectroscopy and with X – Ray Diffraction spectra. The change in polarization and the formation of peaks in the diagrams of the real part of dielectric permittivity versus temperature can provide the suitable basis for the development of smart systems and nano-devices, since it allows the control of the stored electrical energy in nanoscale level and achieves the function of polarization regulator. Finally, by introducing the Dielectric Reinforcing Function, the composite systems’ response can be studied and optimal functional behaviour as well as optimal energy storage and capability can be determined.