Νανοσωματίδια χαλκού κατάλληλα για βιολογικές εφαρμογές

Abstract

The targeted synthesis of copper-based nanoparticles (Cu-based NPs) is presented along with the ability to control through synthetic variations and in the presence of biocompatible surfactants their size and morphology, which constitute crucial factors for their biological applications. The Cu-based NPs were prepared both hydrothermally, in a reactor under controlled pressure, and solvothermally in autoclave under autogenous pressure. The synthetic conditions under investigation, to define the formation of metallic and copper oxide NPs, were the surfactants (polyols TEG, PEG 1000 and PEG 8000, polyoxyethylene (20) sorbitan monolaurate Tween 20, oleyalamine OAm), reaction time and temperature, and the presence/absence of reducing agent. The resulted NPs were characterized in terms of their size, morphology and surface properties by X-ray diffraction (XRD), transmission (TEM) and scanning electron microscopy (SEM), Raman and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopies, thermogravimetric analysis (TGA), dynamic light scattering (DLS) and elemental analyses. Metallic copper (Cu), copper oxide (Cu2O, CuO) NPs, as well as core-shell Cu@Cu2O NPs in a range of sizes (7-170 nm) and with variant morphology were isolated. The biological behavior of the Cu-based NPs was studied in terms of their in vitro antimicrobial activity against gram-positive, gram-negative bacterial strains and the yeast Saccharomyces cerevisiae, as well as their anticancer activity towards HeLa cell line. Moreover, the activity of Cu-based NPs was assessed in vivo through field experiments towards the well-known phytopathogen fungus, Phytophtora infestans, in order to be used as "nano-agrochemicals". The mechanism of action of the NPs was investigated by evaluating their ability to affect membrane integrity, either via physical damage or by causing lipid peroxidation, to produce reactive oxygen species (ROS) and to interact with DNA. The Cu-based NPs were also utilized to construct heterogeneous systems of nanopatricles (hetero-nanocomposites) to be used as a multicomponent platform for magentomechanical stress induction in cells.

Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζεται η στοχευμένη σύνθεση επικαλυμμένων χαλκούχων νανοσωματιδίων (Cu-based NPs) για βιολογικές εφαρμογές. Μέσω ελέγχου των συνθετικών παραμέτρων και παρουσία κατάλληλων βιοσυμβατών επιφανειοδραστικών καθορίζονται η σύσταση και η μορφολογία των NPs, ιδιότητες που είναι κρίσιμες για τις βιοεφαρμογές. Τα χαλκούχα νανοσωματίδια παρασκευάστηκαν σε υδροθερμική διάταξη υπό ελεγχόμενη πίεση και διαλυτοθερμικά σε αυτόκλειστο σύστημα υπό αυτογενή πίεση. Οι παράμετροι σύνθεσης που εξετάστηκαν ώστε να οριστούν οι συνθήκες σχηματισμού των νανοσωματιδίων ήταν ο τύπος του επιφανειοδραστικού (πολυόλες TΕG, PEG 1000, PEG 8000, πολυ-οξυ-αιθυλενo (20) σορβικό λαουρικό Tween 20, ολεϋλαμίνη OAm), ο χρόνος, η θερμοκρασία της αντίδρασης και η παρουσία/απουσία αναγωγικού παράγοντα. Ο χαρακτηρισμός των νανοσωματιδίων ως προς τη σύσταση, τη δομή, τη μορφολογία και τις επιφανειακές τους ιδιότητες έγινε με περίθλαση ακτίνων Χ (XRD), ηλεκτρονική μικροσκοπία διερχόμενης δέσμης (ΤΕΜ) και σάρωσης (SEM), φασματοσκοπία Raman, υπερύθρου (FT-IR), θερμοσταθμική ανάλυση (TGA), δυναμική σκέδαση φωτός (DLS) και στοιχειακές αναλύσεις. Τελικά, απομονώθηκαν νανοσωματίδια μεταλλικού χαλκού (Cu NPs), οξειδίων του (Cu2O, CuO NPs) και νανοσωματίδια μεταλλικού πυρήνα-κελύφους οξειδίου (Cu@Cu2O NPs) διαφόρων μεγεθών (7-170 nm) και ποικίλης μορφολογίας. Η μελέτη της βιολογικής τους συμπεριφοράς περιλαμβάνει in vitro διερεύνηση της αντιμικροβιακής τους δράσης ενάντια σε gram-θετικά και gram-αρνητικά βακτηριακά στελέχη και στο μύκητα Saccharomyces cerevisiae, καθώς και εξέταση της αντικαρκινικής τους δράσης σε καρκινικά κύτταρα HeLa. Επιπρόσθετα, πραγματοποίηθηκαν in vivo πειράματα στο πεδίο ενάντια σε γνωστό φυτοπαθογόνο μύκητα, τον Phytophtora infestans, με σκοπό τη χρήση τους ως "νανο-αγροχημικά". Ο μηχανισμός δράσης των νανοσωματιδίων διερευνήθηκε όσον αφορά την ικανότητα τους να επηρεάζουν τις βακτηριακές μεμβράνες προκαλώντας υπεροξείδωση των λιπιδίων ή/και διαταράσσοντας την ακεραιότητά τους, να παράγουν ενεργές ρίζες οξυγόνου και να αλληλεπιδρούν με το DNA. Τέλος, πραγματοποίηθηκε η αξιοποίησή τους σε ετερογενή συστήματα νανοσωματιδίων με σκοπό να χρησιμοποιηθούν ως πλατφόρμα για την επαγωγή μαγνητομηχανικού στρες σε κύτταρα.