Σύνθεση υβριδικών νανοσωματιδίων και εφαρμογές

Abstract

The aim of this study is the development of polymeric and hybrid organic-inorganic nanoparticles with applications in the fields of nanotechnology. More specifically, nanotechnology is applied (i) in the field of material science for the production of hybrid organic-inorganic composite nanoparticles, which will be used as coating materials in order to enhance the properties of electrogalvanized steel (i.e., abrasion resistance, anti-corrosion) and (ii) in pharmaceutics and biomedicine for the development of biocompatible and biodegradable nanoparticles, which will be used as drug delivery systems. The first part of this study deals with the synthesis of hybrid organic-inorganic composite particles by different polymerization techniques (e.g., precipitation polymerization, emulsifier-free emulsion polymerization). Depending on the polymerization technique, polystyrene-silica composite particles, with different sizes were produced. Precipitation polymerization led initially to the synthesis of micro-particles (~3μm) with low silica content (<1%wt). In the present study, the process parameters affecting the particle size and the silica content were examined and a decrease in mean diameter of the produced particles (400- 850nm) as well as an increase in the silica content (15%wt) was achieved. The innovation in this work is based on the use of the auxiliary monomer 4-vinylpyridine, which can increase the acid-base interaction with the inorganic silica nanoparticles. More specifically, by applying precipitation polymerization, perfectly spherical, uniform in size, with the inorganic silica nanoparticles arranged in the surface of the synthesized composite nanoparticles were produced, which were successfully codeposited from an acid zinc plating bath resulting in the production of rather uniform composite zinc coatings. Polystyrene/silica composite nanoparticles were also synthesized by emulsifier-free emulsion polymerization. More specifically, composite nanoparticles with average mean diameter of 110nm and a silica content of approximately ¬38%wt were synthesized using a Styrene:1-vinylimidazole monomer system at various molar ratios. The auxiliary monomer 1- vinylimidazole acts in the same way as 4-vinylpyridine in precipitation polymerization, i.e., increases the acid-base interaction between the inorganic and organic phase. Perfectly spherical, uniform in size, raspberry-like composite nanoparticles were thus produced by emulsifier-free emulsion polymerization. The most optimized recipe was successfully upscaled and a study was performed to confirm the formation of a silica monolayer on the surface of the polystyrene particles. The produced composite nanoparticles were used for the production of composite zinc coatings on steel. In the second part of the present study, the production of biocompatible and biodegradable polymeric nanoparticles for drug encapsulation is evaluated. Various techniques were employed for the production of the carriers depending on the materials used. More specifically, a modified spontaneous emulsification solvent diffusion method was used for the synthesis of PLGA nanoparticles. The aim was to satisfy pharmaceutically acceptable criteria by using non toxic solvents, mild reaction conditions and to decrease the reaction time. PLGA nanoparticles having an average diameter of 210-350nm were synthesized and an effort was placed to encapsulate the anti-proliferating agent Rapamycin. The produced nanoparticles were finally lyophilized in order to receive them in a solid state. Finally, effort was placed for the production of PACA nanocapsules by an anionic interfacial polymerization technique and the effect of various parameters on the formation of the emulsion was investigated. PMCA particles were also synthesized by using an inhibitor in the organic phase and PVA. It was shown that when chitosan was used for the initiation of the polymerization, the nanoparticles could be received in a solid state after lyophilization.

Η διατριβή αυτή πραγματεύεται την παρασκευή πολυμερικών και υβριδικών οργανικών– ανόργανων νανοσωματιδίων για διάφορες εφαρμογές στο ευρύτερο πεδίο της νανοτεχνολογίας. Πιο συγκεκριμένα, γίνεται αξιοποίηση της νανοτεχνολογίας (i) στην επιστήμη των υλικών για τη σύνθεση υβριδικών οργανικών-ανόργανων νανοσωματιδίων, τα οποία θα χρησιμοποιηθούν στην επικάλυψη μετάλλων για την ενίσχυση των ιδιοτήτων αυτών (π.χ., αντοχή στη χάραξη και στη τριβή, ενίσχυση αντι-διαβρωτικών ιδιοτήτων) και (ii) σε φαρμακευτικές και ιατρικές εφαρμογές για την παρασκευή βιο-συμβατών και βιο- αποικοδομήσιμων νανοσωματιδίων τα οποία θα χρησιμοποιηθούν ως φορείς ενεργών ουσιών. Το πρώτο μέρος της εργασίας πραγματεύεται την παρασκευή υβριδικών οργανικών- ανόργανων σωματιδίων χρησιμοποιώντας διάφορες τεχνικές πολυμερισμού (π.χ., πολυμερισμό καθίζησης, πολυμερισμό γαλακτώματος). Ανάλογα με την τεχνική πολυμερισμού, παρασκευάστηκαν υβριδικά σωματίδια πολυστυρενίου-διοξειδίου του πυριτίου διαφόρων μεγεθών. Ο πολυμερισμός καθίζησης οδήγησε αρχικά στην παρασκευή μίκρο-σωματιδίων (~3μm) με μικρό ποσοστό %κ.β. σε διοξείδιο του πυριτίου (<1%κ.β.). Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκαν οι παράγοντες της διεργασίας πολυμερισμού που επηρεάζουν το μέγεθος των σωματιδίων και το ποσοστό του διοξειδίου του πυριτίου και επιτεύχθηκε μείωση του μέσου μεγέθους των παραγόμενων υβριδικών σωματιδίων (400- 850nm) με ταυτόχρονη αύξηση του ποσοστού %κ.β. σε διοξείδιο του πυριτίου (15%κ.β.). Η καινοτομία οφείλεται στη χρήση ενός βοηθητικού μονομερούς, της 4-βινυλοπυριδίνης, το οποίο έχει τη δυνατότητα να δημιουργεί ηλεκτροστατική αλληλεπίδραση τύπου οξέος- βάσεως με τα ανόργανα νανοσωματίδια silica. Πιο συγκεκριμένα, παρήχθησαν σφαιρικά σωματίδια, ομοιόμορφης κατανομής, με τα ανόργανα νανοσωματίδια διοξειδίου του πυριτίου να διατάσσονται στην επιφάνεια των υβριδικών σωματιδίων, τα οποία χρησιμοποιήθηκαν στην παρασκευή σύνθετων επικαλυπτικών με ταυτόχρονη ηλεκτρο-εναπόθεση των υβριδίων με ψευδάργυρο σε χάλυβα. Υβριδικά νανοσωματίδια πολυστυρενίου-διοξειδίου του πυριτίου παρασκευάστηκαν και με την τεχνική του πολυμερισμού γαλακτώματος απουσία σταθεροποιητή. Η συγκεκριμένη τεχνική οδήγησε στην παρασκευή υβριδικών νανοσωματιδίων μέσου μεγέθους 110nm με υψηλό ποσοστό διοξειδίου του πυριτίου (~38%κ.β.). Χρησιμοποιήθηκε ένα σύστημα μονομερών στυρενίου:1-βινυλιμιδαζόλης σε διάφορες αναλογίες. Στην περίπτωση του πολυμερισμού γαλακτώματος απουσία επιφανειοδραστικού, όπως και σε εκείνη του πολυμερισμού καθίζησης, η χρήση του βοηθητικού μονομερούς ενισχύει την αλληλεπίδραση οξέως-βάσεως μεταξύ της ανόργανης και της οργανικής φάσης. Ομοίως, παρήχθησαν σφαιρικά νανοσωματίδια, ομοιόμορφης κατανομής, με μορφολογία τύπου “βατόμουρου” και μελετήθηκε η δυνατότητα κλιμάκωσης της βελτιστοποιημένης συνταγής από αντιδραστήρα εργαστηριακής κλίμακας σε πιλοτικής μονάδα. Τέλος, επιβεβαιώθηκε η ύπαρξη μονοστρωματικής κάλυψης των πολυμερικών σωματιδίων πολυστυρενίου με ανόργανα νανοσωματίδια silica και τα παραγόμενα υβριδικά νανοσωματίδια χρησιμοποιήθηκαν στην παρασκευή σύνθετων επικαλυπτικών με ηλεκτρο-εναπόθεση.