Ανάπτυξη και διερεύνηση ιδιοτήτων νανοδοχείων για εφαρμογές στην ιατρική

Abstract

The purpose of the present thesis is the synthesis and investigation of the physicochemical properties of various composite multi-functional nanostructures, as well as the evaluation of their functionality in the field nanomedicine. In this context, various composite nanostrucutures were developed that combine the characteristics and properties of the individual components (polymeric networks responsive to external stimuli, inorganic coatings, nanoparticles) and form complex multi-functional nanosystems with applications related to the field of nanomedicine. The novelty of the research lies in the strategies that were followed in order to develop complex and multi-functional nanostructures that combine various functionalities and can be potentially used in medicinal-related applications. At first, composite magnetic-silicon oxide nanospheres exhibiting well defined core-shell structure were synthesized and studied. The efficiency of the synthesized nanostructures as potential magnetic hyperthermia mediators was studied by measuring their response to alternating magnetic field. Furthermore, the in vitro cytotoxicity to human embryonic fibroblast cell line was examined. Moreover, the fabrication via distillation precipitation polymerization and the investigation of properties of composite polymer nanospheres are presented. The formation of well defined cavity inside the polymer nanospheres, and subsequently the fabrication of nanocontainers, was accomplished by selective removal of non-crosslinked template. Magnetic and silver nanoparticles were chemically deposited on the surface of the formed nanocontainers or by another facile encapsulation strategy. The properties of the composite hollow nanospheres were studied by various characterization techniques. The assessment of their effectiveness in loading and controlled drug release was conducted, as well as in antibacterial activity, magnetic hyperthermia and as active substrate for surface enhanced Raman spectroscopy. Moreover, the effectiveness of magnetic hyperthermia as an additional bacterial population inhibiting method was examined. Additionally, the synthesis of zinc oxide nanoparticles as well as their incorporation in bone cements is presented. The nanomechanical properties of the composite bone cements were examined by means of nanointentation. An interesting point was that the composite bone cement exhibited better behavior based on the evaluation of their wear resistance and plastic deformation. Moreover, the results showed that ZnO nanoparticles can contribute to the improvement of antibacterial properties of composite bone cement and can be utilized in order to reduce the amount of antibiotics. Overall, the results presented and discussed in the context of the present thesis showed that the design and the strategies followed can lead to the development of multi- functional hybrid nanosystems with a relatively wide range of applications in the field of nanomedicine.

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη και η διερεύνηση των φυσικοχημικών ιδιοτήτων διάφορων σύνθετων πολύ-λειτουργικών νανοδομών, καθώς και η αποτίμηση της λειτουργικότητας τους σε διάφορες εφαρμογές της νανοϊατρικής. Για το σκοπό αυτό παρασκευάστηκαν και μελετήθηκαν διάφορες σύνθετες νανοδομές, που συνδυάζοντας τα χαρακτηριστικά και τις ιδιότητες των επιμέρους συστατικών τους (πολυμερικά δίκτυα αποκρινόμενα σε εξωτερικά ερεθίσματα, ανόργανες επικαλύψεις, νανοσωματίδια) συνιστούν σύνθετα πολύ-λειτουργικά νανοσυστήματα με εφαρμογές που σχετίζονται με το πεδίο της νανοϊατρικής. Η πρωτοτυπία της έρευνας εντοπίζεται κυρίως στις στρατηγικές που ακολουθήθηκαν για την ανάπτυξη των σύνθετων και πολύ-λειτουργικών νανοδομών και στο συνδυασμό διαφόρων λειτουργικοτήτων με εφαρμογές ιατρικού ενδιαφέροντος. Στο πλαίσιο της διατριβής παρασκευάστηκαν σύνθετες μαγνητικές νανοσφαίρες διοξειδίου του πυριτίου με δομή τύπου πυρήνα φλοιού και υπερπαραμαγνητική συμπεριφορά. Τα αποτελέσματα της κυτταροτοξικότητας σε συνδυασμό με τα δομικά και μαγνητικά χαρακτηριστικά που καταγράφηκαν υποδηλώνουν ότι το υλικό που μελετήθηκε συγκεντρώνει κάποια βασικά χαρακτηριστικά για τη χρήση του στο πεδίο της μαγνητικής υπερθερμίας. Επιπλέον, παρασκευάστηκαν και μελετήθηκαν σύνθετες δικτυωμένες πολυμερικές νανοσφαίρες ακολουθώντας την τεχνική του πολυμερισμού απόσταξης-καταβύθισης. Στο εσωτερικό των νανοσφαιρών σχηματίστηκε επιτυχώς κοιλότητα μέσω της επιλεκτικής απομάκρυνσης της μη δικτυωμένης πολυμερικής μήτρας (template), ενώ στην επιφάνεια και στο εσωτερικό τους αναπτύχθηκαν μαγνητικά νανοσωματίδια και νανοσωματίδια αργύρου είτε εγκλωβίστηκαν με άλλη μέθοδο. Οι σύνθετες κοίλες νανοσφαίρες χαρακτηριστήκαν διεξοδικά με μια σειρά από πειραματικές τεχνικές και εμφάνισαν επιθυμητά χαρακτηριστικά για εφαρμογές μεταφοράς και ελεγχόμενης αποδέσμευσης φαρμάκου μέσω της απόκρισης σε μεταβολές του pH και στην παρουσία αναγωγικών παραγόντων και επιβεβαιώθηκε η συνέργεια των δύο διαφορετικών ερεθισμάτων. Επιπλέον, μελετήθηκε η απόδοση τους σε διάφορες εφαρμογές της νανοϊατρικής, όπως η αντιβακτηριακή δράση, η μαγνητική υπερθερμία και η επιφανειακή ενίσχυση της σκέδασης Raman, ως μια πρωτότυπη μέθοδος σήμανσης και απεικόνισης. Επίσης, αποτιμήθηκε η καταλληλότητα της μαγνητικής υπερθερμίας ως μηχανισμός αναστολής ή περιορισμού της ανάπτυξης αποικιών βακτηρίων. Μελετήθηκε επίσης η σύνθεση και η ενσωμάτωση νανοσωματιδίων οξειδίου του ψευδαργύρου σε μια από τις κυριότερες κατηγορίες βιο-υλικών, όπως είναι αυτή των οστικών τσιμέντων. Ειδικότερα, αποτιμήθηκαν δύο σημαντικές παράμετροι που καθορίζουν την αποτελεσματικότητα της συγκεκριμένης κατηγορίας βιο-υλικών, οι μηχανικές ιδιότητες και η δυνατότητα βελτίωσης της αντιβακτηριακής δράσης. Οι (νανο)μηχανικές ιδιότητες των δισκίων οστικού τσιμέντου μελετήθηκαν μέσω της προηγμένης μεθόδου χαρακτηρισμού της νανοσκληρομέτρησης. Από τα αποτελέσματα συγκεντρώθηκαν κάποιες βασικές ενδείξεις ότι τα νανοσωματίδια ZnO μπορούν να συμβάλουν στην βελτίωση των αντιβακτηριακών ιδιοτήτων των σύνθετων βιο-υλικών και στην μείωση της ποσότητας των αντιβιοτικών φαρμάκων που χρησιμοποιούνται. Συνολικά, τα αποτελέσματα που παρουσιάστηκαν και συζητήθηκαν στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής έδειξαν ότι οι στρατηγικές που ακολουθήθηκαν μπορούν να οδηγήσουν στην ανάπτυξη και την παραγωγή πολύ-λειτουργικών υβριδικών νανοσυστημάτων με ένα σχετικά ευρύ φάσμα εφαρμογών στο πεδίο της νανοϊατρικής.