published_or_final_version / Chemistry / Master / Master of Philosophy

Το οστό είναι ένα βιογενές υλικό, το οποίο συνίσταται από μια ανόργανη φάση, το βιοαπατίτη (~70%) και την οργανική φάση (~30%). Η οργανική φάση αποτελείται από ίνες κολλαγόνου τύπου Ι (οι οποίες αποτελούν το 90% της ολικής πρωτεΐνης του οστού) και πολυάριθμες μη κολλαγονούχες πρωτεΐνες (οι οποίες αποτελούν το υπόλοιπο 10% της ολικής πρωτεΐνης του οστού). Το κολλαγόνο τύπου Ι είναι μια εξαιρετικά ινώδης πρωτεΐνη με σταυροδεσμούς, που προσδίδει στο οστό μηχανικές και βιοχημικές ιδιότητες. Οι κρύσταλλοι του βιοαπατίτη, ενός μη στοιχειομετρικού αναλόγου του υδροξυαπατίτη [Ca10(PO4)6(OH)2], βρίσκονται πάνω και μέσα στις ίνες του κολλαγόνου και τείνουν να είναι προσανατολισμένοι στην ίδια κατεύθυνση με αυτές. Ο όρος «ποιότητα οστού» αναφέρεται στο σύνολο των συνθετικών και αρχιτεκτονικών ιδιοτήτων του οστέινου ιστού που καθορίζουν τις ιδιότητες του υλικού και την ικανότητά του να εκτελεί μηχανικές λειτουργίες. Οι μη-επεμβατικές τεχνικές που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της Οστικής Πυκνότητας (Bone Mineral Density) παρουσιάζουν εγγενή προβλήματα, καθώς η απορρόφηση ακτίνων Χ στις οποίες βασίζονται, είναι ευαίσθητη μόνο στο ανοργανο συστατικό του οστού (βιοαπατίτη) χωρίς να λαμβάνουν υπόψη το οργανικό (κολλαγόνο τύπου Ι). Έτσι, υπάρχει η ανάγκη για ανάπτυξη νέων τεχνικών, όπως η φασματοσκοπία Raman, με την οποία μπορεί να αξιολογηθεί η ποιότητα ενός οστού χρησιμοποιώντας πληροφορίες όπως είναι η ποσότητα και το είδος των σταυροδεσμών του, ο λόγος ανόργανης προς οργανική φάση, η κρυσταλλικότητα του οστού (λόγος ανθρακικών προς φωσφορικά), κ.ά. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε λοιπόν η ποιότητα ανθρώπινων γνάθων με χρήση φασματοσκοπίας Raman. Από τα φάσματα Raman που καταγράφηκαν επελέγησαν οι κορυφές που οφείλονται στο βιοαπατίτη και στο κολλαγόνο. Χρησιμοποιήθηκαν δυο δείκτες, ο λόγος βιοαπατίτη προς κολλαγόνο (Mineral to Matrix Ratio) και ο λόγος των μη αναγώγιμων σταυροδεσμών του κολλαγόνου προς τους αναγώγιμους σταυροδεσμούς του. Στην πρώτη περίπτωση, χρησιμοποιήθηκε ο λόγος των κορυφών στους 960 cm-1 για το βιοαπατίτη και το άθροισμα των κορυφών στους 855, 875 και 920 cm-1 για το κολλαγόνο, οι οποίες αποδίδονται στα αμινοξέα προλίνη και υδροξυπρολίνη του κολλαγόνου [960 cm-1 / (855 cm-1 + 875 cm-1 + 920 cm-1)]. Στην περίπτωση του λόγου των σταυροδεσμών του κολλαγόνου, χρησιμοποιήθηκε η περιοχή του αμιδίου Ι, και συγκεκριμένα οι δονήσεις στους 1658 και 1668 cm-1 για τους μη αναγώγιμους σταυροδεσμούς και οι δονήσεις στους 1680 και 1690 cm-1 για τους αναγώγιμους σταυροδεσμούς του κολλαγόνου [(1658 cm-1 + 1668 cm-1) / (1680 cm-1 + 1690 cm-1)]. Χρησιμοποιώντας αυτούς του δείκτες κατασκευάστηκαν διαγράμματα για την εκτίμηση της ποιότητας των οστών ανά σημείο ή/και ανά περιοχή των γνάθων. Από τη μελέτη προέκυψε ότι κάθε οστό έχει διαφορετικές μηχανικές ιδιότητες οι οποίες ποικίλουν είτε από πλευρά σε πλευρά της γνάθου ή σημειακά. Οι διαφοροποιήσεις αυτές πιθανόν σχετίζονται με τις συνήθειες του ανθρώπου, όπως π.χ. η μάσηση. Επίσης, έγινε προσπάθεια σύγκρισης των αποτελεσμάτων της φασματοσκοπίας Raman με την εγκαθιδρυμένη τεχνική DEXA η οποία αποτελεί το golden standard. Οι τιμές BMD (Bone Mineral Density) που συνελλέγησαν με την DEXA, συγκρίθηκαν με τις τιμές του MMR. Παρόλο που οι δυο τεχνικές αξιολογούν διαφορετικά στοιχεία, φάνηκε ότι υπάρχει συσχέτιση αποτελεσμάτων, καθώς περιοχές υψηλής και χαμηλής οστικής πυκνότητας αντιστοιχούν σε υψηλές και χαμηλές τιμές του MMR, αντίστοιχα. Επιπλέον, μελετήθηκαν και οι μεταβολές που προκλήθηκαν στο κολλαγόνο του οστού λόγω της μη συντήρησης του υλικού. Φάσματα Raman καταγράφηκαν σε τμήμα οστού της ανθρώπινης γνάθου πριν και μετά την ενυδάτωση με ρυθμιστικό διάλυμα PBS (Phosphate Buffer Solution). Οι κορυφές της περιοχής του αμιδίου Ι, χρησιμοποιηθήκαν για τον υπολογισμό των εξής λόγων: 1660 cm-1 / 1690 cm-1, 1658 cm-1 / 1660 cm-1 και (1658 cm-1 + 1668 cm-1) / 1690 cm-1. Από τους παραπάνω λόγους, φαίνεται ότι η κορυφή στα 1658 cm-1 μπορεί να αποδοθεί στην αφυδατωμένη μορφή του κολλαγόνου. Η χρήση του ρυθμιστικού διαλύματος PBS βοηθά στη συντήρηση των οστών χωρίς να επηρεάζει τη δευτεροταγή δομή του κολλαγόνου τους. / Bone is a biogenic material which is distinguished from other forms of connective tissues by the fact that it becomes extremely hard. It consists of an inorganic phase, the bioapatite (~70%), and an organic matrix (~30%). Bone matrix is formed by type I collagen fibers (which make up 90% of the total protein of bone) and numerous non-collagenous proteins. Type I collagen is a highly cross-linked fibrillar protein which enhances the mechanical and biochemical properties of bone. On the other hand, crystals of bioapatite, a non-stoichiometric analogous of hydroxyapatite [Ca10(PO4)6(OH)2] are found on and within the collagen fibers and they tend to be oriented in the same direction as the collagen fibers. The term "bone quality" refers to the ensemble of composition and architectural properties of bone tissue that together determine its material properties and its ability to perform mechanical functions. Non invasive techniques are used to measure Bone Mineral Density (BMD) but they have the disadvantage that they emit X rays and that they are able to account just the mineral matrix of bone (bioapatite) without considering the organic which also contributes to the bone strength. These reasons reinforce the need for finding new methods as Raman spectroscopy, which may be used for the estimation of numerous indicators associated with bone strength, such as the amount and the kind of collagen fibers, the ratio of inorganic/organic phase, crystallinity, bone aging, etc. In this work, Raman spectroscopy was used for the study of the quality of human mandibles. Raman spectra were recorded and the bands attributed to bioapatite and collagen were analyzed. The ratio of bioapatite to collagen (Mineral to Matrix Ratio) and the ratio of non-reducible to reducible collagen cross-links were determined. In the first case, the Mineral to Matrix ratio (MMR) was calculated using the intensities of the bands at 960 cm-1 for bioapatite and 855 cm-1, 875 cm-1 and 920 cm-1 for proline and hydroxyproline, [I (960 cm-1 / (855 cm-1 + 875 cm-1 + 920 cm-1)], while the ratio of collagen cross-links was calculated using the amide I envelope, and specifically, using the intensities of the bands at 1658, 1668 cm-1 for non-reducible cross-links and 1680, 1690 cm-1 for reducible collagen cross-links [I (1658 cm-1 + 1668 cm-1) / (1680 cm-1 + 1690 cm-1)]. These indicators were applied for the construction of diagrams showing the changes of bone quality within the same mandible. It was shown that each bone has different mechanical properties which vary spatially. These variations are possibly related to human habits such as chewing. Comparison of Raman spectroscopy (MMR) results against dual-energy X-ray absorptiometry BMD measurements was also attempted and similarity in their trends was noticed. Finally, the Raman spectral changes induced to mandible collagen due to different storage conditions, such as dehydration, were studied. Raman spectra were recorded from a sample of an as received human mandible and after immersion in PBS (Phosphate Buffer Solution). Sub-bands of amide I envelope were used for the calculation of the ratios 1660 cm-1 / 1690 cm-1, 1658 cm-1 / 1660 cm-1 and (1658 cm-1 + 1668 cm-1) / 1690 cm-1. From these ratios it was found that the presence of the band at 1658 cm-1 was due to dehydration and that immersion in PBS solution can, at least partially, rehydrate the collagen. At the same time, no collagen cross-linking changes were observed.

Η υδροχλωρική δονεπεζίλη (Donepezil.HCl, DPZ) είναι ένα φάρμακο που λαμβάνεται για τη θεραπεία της νόσου Altzheimer. Δρα ως ανασολέας της ακετυλοχοληστερινάσης, ενός ενζύμου υπεύθυνου για την καταστροφή του νευροδιαβιβαστή ακετυλοχολίνη, αυξάνοντας το ποσό της ακετυλοχολίνης στον εγκέφαλο. Παρουσιάζει διάφορες κρυσταλλικές μορφές, συμπεριλαμβανομένων δύο ένυδρων, καθώς και μια άμορφη φάση. Τα δισκία Υδροχλωρικής Δονεπεζίλης λαμβάνονται από το στόμα και μπορεί να αποθηκευθούν για κάποιο χρονικό διάστημα πριν χρησιμοποιηθούν. Τα δισκία DPZ ισχύος 10 mg περιέχουν 3.6 % API, ενώ στις περιπτώσεις όπου λαμβάνει χώρα πολυμορφική μετατροπή, η επιμέρους περιεκτικότητα κάθε πολυμόρφου είναι ακόμα μικρότερη. Η ταυτοποίηση και ποσοτική ανάλυση των πολυμόρφων ή ένυδρων μορφών είναι δυνατή μόνο με τη χρήση περίθλασης ακτίνων Χ και δονητικών φασματοσκοπικών τεχνικών. Λόγω του μικρού ποσοστού της δραστικής ουσίας στα δισκία και της πιθανής παρουσίας περισσοτέρων του ενός πολυμόρφου αλλά και του μεγάλου σχετικά ορίου ανίχνευσης αυτών των τεχνικών η ταυτοποίηση και ποσοτική ανάλυση είναι μια αναλυτική πρόκληση. Στην παρούσα εργασία έγινε προσπάθεια ταυτοποίησης των κρυσταλλικών μορφών του DPZ σε δισκία και έλεγχος της σταθερότητάς τους μετά από διάφορες διαδικασίες παρασκευής των δισκίων, καθώς και μετά από αποθήκευση σε διάφορες συνθήκες υγρασίας και θερμοκρασίας, χρησιμοποιώντας τις πειραματικές τεχνικές XRD, FT-IR και FT-Raman. Παρατηρήθηκε ότι η προέλευση του API, οι συνθήκες αποθήκευσης και κυρίως η μέθοδος παρασκευής των δισκίων επηρεάζουν τη σταθερότητα των φαρμακευτικών σκευασμάτων. Με στόχο τη διερεύνηση της δυνατότητας ανάπτυξης ποσοτικών αναλυτικών μεθόδων προσδιορισμού των πολυμόρφων Ι και ΙΙΙ του DPZ σε δισκία, οι παραπάνω τεχνικές χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό των ορίων ανίχνευσης των δύο πολυμόρφων (0.35% κ.β. για το πολύμορφο Ι και 0.44 % κ.β. για το πολύμορφο ΙΙΙ με την τεχνική Raman, 0.95% κ.β. για το πολύμορφο Ι και 1.3 % κ.β. για το πολύμορφο ΙΙΙ με την τεχνική XRD, 1.2% κ.β. για τη μορφή Ι και 1.0 % κ.β. για τη μορφή ΙΙΙ με την τεχνική IR, όπως προέκυψαν μετά από στατιστική επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων των διαφόρων τεχνικών), καθώς και για τον ποσοτικό τους προσδιορισμό. Η τεχνική Raman φαίνεται να μπορεί χρησιμοποιηθεί για ποσοτική ανάλυση των πολυμόρφων Ι και ΙΙΙ του DPZ σε δισκία, ενώ επιπλέον η ποσοτική μέθοδος που παρουσιάσθηκε εδώ είναι απλή και μη καταστροφική για τα δείγματα. Η μέθοδος XRD μπορεί πιθανόν να χρησιμοποιηθεί για την ποσοτική ανάλυση δισκίων DPZ, με μεγαλύτερο όμως σφάλμα σε σύγκριση με την τεχνική Raman, ενώ η μέθοδος FT-IR ATR, παρέχει τα λιγότερο καλά ποσοτικά αποτελέσματα, ακόμα και στην περίπτωση που το δισκίο περιέχει αποκλειστικά το ένα από τα δύο πολύμορφα. Τέλος, με στόχο την ερμηνεία των φασμάτων δόνησης που καταγράφησαν στην παρούσα εργασία, υπολογίστηκαν η σταθερή δομή του μορίου της Δονεπεζίλης και της ένυδρης Δονεπεζίλης (με ένα μόριο νερού ανά μόριο Δονεπεζίλης) και τα φάσματα δόνησης (IR και Raman) με τις μεθόδους Hartree-Fock ab-initio και DFT (Density Functional Theory) και χρήση του υπολογιστικού πακέτου Gaussian09. / Donepezil hydrochloride (DPZ) is a medication used to treat Altzheimer’s disease. It acts as an inhibitor of acetylcholisterinase, an enzyme responsible for the destruction of the neurotransmitter acetylcholine, thus increasing the level of acetylcholine in the brain. As most of the pharmaceutical solids, DPZ exhibits polymorphism. Donepezil hydrochloride has different crystalline forms, including two hydrates, as well as an amorphous phase. DPZ is available for oral administration in tablets which can be stored for some time before use. In the present study, an effort was made to identify the crystal form of DPZ in tablets, as well as to test its stability against time, temperature and humidity, after various manufacturing processes, using XRD, FT-IR and FT-Raman techniques. The data showed that the origin of the API, the storing conditions and mainly the manufacturing process of the tablets affect the stability of the API. Quantitative determination of polymorphs I and III of DPZ in tablets was also attempted using the above experimental methods. Calibration models were constructed and applied in DPZ tablets. The detection limits of polymorphs I and III of DPZ for each technique, derived after statistical treatment of the experimental data, were calculated. Raman spectroscopy exhibited the lower detection limit (0.35 weigh % for polymorph Ι and 0.44 % weigh % for polymorph ΙΙΙ) compared with XRD (0.95% weigh % for polymorph Ι and 1.3 % weigh % for polymorph ΙΙΙ) and IR spectroscopy (1.2% weigh % for polymorph Ι and 1.0 % weigh % for polymorph ΙΙΙ). The data suggest that Raman spectroscopy could be applied to quantify polymorphs I and III in DPZ tablets; moreover, the Raman quantitative method presented in this work is simple and non-destructive for the tablets. The application of the X ray diffraction method for the quantitative analysis of polymorphs I and III in tablets yielded larger errors compared with Raman spectroscopy, while the FT-IR ATR technique yielded poor quantitative results, even in the case that only one polymorph was present in DPZ tablets. Finaly, in order to facilitate the assignment of the vibrational spectra recorded in this study, the optimized structure and the vibrational spectra (IR and Raman) of Donepezil and Donepezil hydrate (Donepezil:H20 = 1:1) molecules were calculated at the Hartree-Fock and DFT (Density Functional Theory) level of theory using the Gaussian 09 program package. The weigh % of the API in the tablets containing 10 mg of DPZ is 3.6 %. In cases where two or more polymorphs are present, the weigh % of each polymorphic form is lower. The difficulty in the identification and quantification of the crystal phase of DPZ is stemming from the small percentage of the API in the tablets, the considerable overlapping of DPZ XRPD patterns and IR and Raman spectra of the polymorphs and the excipients and the availability of various polymorphs.

-- / --

No description available.

Early diagnosis of disease and developing targeted therapeutics are two major goals of medical research to which nanotechnology can contribute a variety of novel approaches and solutions. This work utilized an optical phenomenon specific to metallic nanoparticles, surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), as a nanomedicine research tool to aid in the progression toward these goals. Single-particle SERS studies were streamlined to identify particles or aggregates with potentially high enhancement factors (EFs) for applications requiring ultrasensitive and possibly single-molecule detection. SERS was used to probe the changes in surface chemistry of nanoparticles for optimizing nanomedicine applications. Fundamental SERS imaging parameters were identified, and a new algorithm for multiplexed SERS imaging was developed and tested. Novel particle-based contrast agents were also developed. Polystyrene hollow beads with a single hole on the surface were fabricated and used to encapsulate contrast agents for a variety of medical imaging modalities. Saline was encapsulated as a novel contrast agent for thermoacoustic tomography (TAT). Encapsulation of X-ray computed tomography (CT) and magnetic resonance (MR) imaging was also performed and tested.

The hydrogen molecule dynamics in tetrahydrofuran-H2-H2O clathrate hydrate has been studied by high-resolution inelastic neutron scattering and Raman light scattering. Several intense bands in the neutron spectrum are observed that are due to H2 molecule excitations. These are rotational transitions, center-of-mass translational transitions (rattling) of either para- or ortho-H2, and combinations of rotations and center-of-mass transitions. The rattling of the H2 molecule is a paradigmatic example of the motion of a quantum particle in a non-harmonic three-dimensional potential well. Both the H2 rotational transition and the fundamental of the rattling transition split into triplets. Raman spectra show a similar splitting of the S0(0) rotational transition, due to a significant anisotropy of the potential with respect to the orientation of the molecule in the cage. The comparison of our experimental values for the transition frequencies to a recent quantum mechanical calculation gives qualitative agreement, but shows some significant difference.

Raman spectroscopic observations of the characteristics and dissociation of methane hydrate were carried out on hydrates synthesized in silica sands with particle sizes of 53-75 μm, 90-106 μm, 106-150 μm, and 150-180 μm. The results obtained indicate that methane hydrates formed in silica sands had similar characteristics regarding cage occupancy and hydration number (5.99) to bulk hydrate, indicative of no influence of particle size on hydrate composition. During hydrate dissociation, the change in average intensity ratio of large to small cages were generally consistent with that of bulk hydrate but dropped dramatically after a certain time, and this turning point seems to be related to the particle size of silica sands.

Shallow marine gas hydrates occurring above the Sulfate-Methane-Interface (SMI) often contain small amounts of H2S beside methane and other hydrocarbons, but the distribution of H2S in these natural samples is not always homogeneous. To learn more about the formation of H2Scontaining hydrates, gas hydrates with different ratios of H2S/CH4 were synthesized under various conditions. The samples were synthesized from ice and water phases, with constant feed gas compositions or controlled changes in feed gas compositions. It turns out that the detailed nature of the synthetic hydrate samples depends on the method of sample preparation. The sample prepared with gas containing small amounts of H2S (1% H2S and 99% CH4) appeared homogeneous in composition, while that prepared in a water-H2S-CH4 system with higher H2S contents was heterogeneous. The samples were analysed with Raman spectroscopy, and differential scanning calorimetry (DSC).

Raman spectroscopic measurements of various hydrogen bearing clathrate hydrates have been performed under high (< 1cm-1) and low resolution (>2 cm-1) conditions. Raman bands for hydrogen in most common clathrate hydrate cavities have been assigned. Unlike most clathrate hydrate guests, the general observation is no longer valid that the larger the clathrate cavity in which a guest resides, the lower the vibrational frequency. This is rationalized by the multiple hydrogen occupancies in larger clathrate cavities. Both the roton and vibron bands for hydrogen clathrates illuminate interesting quantum dynamics of the enclathrated hydrogen molecules. At 77K, the progression from ortho to para H2 occurs over a relatively slow time period (days). The para contribution to the roton region of the spectrum exhibits the triplet splitting also observed in solid para H2. The complex vibron region of the Raman spectrum has been interpreted by observing the change in population of these bands with temperature and with isotopic substitution by deuterium. Raman spectra from H2 and D2 hydrates suggest that the occupancy patterns between the two hydrates are analogous. The Raman measurements demonstrate that this is an effective and convenient method to determine the relative occupancy of hydrogen molecules in different clathrate cavities.