Υβριδικά αυτο-οργανούµενα νανοσυστήµατα από συµπολυµερή κατά συστάδες

Abstract

In this thesis, the structure and properties of hybrid self-organized systems consisted ofdiblock copolymers and inorganic or biological compounds (e.g. drugs, nucleic acids orproteins) have been studied. Because of the particular and interesting properties of thediblock copolymers, a series of syntheses based on 2-methyl-2-oxazoline (MeOx) orethylene oxide (EG or EO) were performed. First of all, partial hydrolysis of poly(2-methyl-2-oxazoline)-grad-poly(2-phenyl-2-oxazoline) copolymers was performed, duringwhich cationic groups of ethylenimine (EI) were introduced to the chains of the initialcopolymers. Their structure and properties were investigated in various biologicalsolutions such as aqueous and phosphate buffered saline (PBS). Their complexationwith the proteins of the fetal bovine serum (FBS) and the deoxyribonucleic acid (DNA)was also studied.Another synthesis series using cationic polymerization with the PEO-tosylate as amacroinitiator, resulted in the PEO-b-PPhOx diblock copolymers. After thecharacterization of the diblock copolymers with several methods (1Η ΝΜR, GPC, FTIR)their aqueous solutions were investigated.Additionally, synthesis of quaternized polymers was done based on differentarchitectures of poly(chloromethylstyrene) (PCMS) using 1-butyl-imidazole (NBIZ) as aquaternization agent. After the analysis of their molecular characteristics, the behaviourof these polymers in aqueous media was investigated (as a function of parameters suchas ionic strength, temperature, pH and concentration) and in other biological solutions(PBS, PBS-FBS). The structure and properties study was done also for the complexesformed with DNA, in order to explore possible applications in biotechnology (e.g. asprotein and gene nano-carriers). In conclusion, series of diblock copolymers (HMPOx, PEO-b-PPhOx and PI-b-PEO) were studied in their interaction with DNA, drugs (e.g. indomethacin), magneticnanoparticles (as γ-Fe2O3 nanoparticles) and nikel complexes. After the properproportions of the ingredients for stable colloidal systems were found, the physicochemicalcharacterization in aqueous, PBS and FBS solutions was performed (usinglight scattering and spectroscopy methods).

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή µελετήθηκαν η δοµή και οι ιδιότητες υβριδικών αυτο-οργανούµενων συστηµάτων που αποτελούνται από συµπολυµερή κατά συστάδες και ανόργανα ή βιολογικά υλικά (όπως φάρµακα, νουκλεϊκά οξέα ή πρωτεΐνες κ.ά.). Με αφορµή τις ιδιαίτερες και ενδιαφέρουσες ιδιότητες των συµπολυµερών κατά συστάδες πραγµατοποιήθηκαν σειρές συνθέσεων που βασίζονται στην 2-µεθυλο-2-οξαζολίνη (2-methyl-2-oxazoline, MeOx) ή το αιθυλενοξείδιο (ethylene oxide, EO). Πρωταρχικώς, πραγµατοποιήθηκε µερική υδρόλυση των βαθµωτών συµπολυµερών (gradientcopolymers) πολυ(2-µέθυλο-2-οξαζολίνη)ς και πολύ(2-φαίνυλο-2-οξαζολίνη)ς (poly(2-methyl-2-oxazoline)-grad-poly(2-phenyl-2-oxazoline), MPOx), κατά την οποία εισάγονται κατιοντογενείς οµάδες αιθυλενιµίνης (ethylene imine, -EI) στις αλυσίδες των αρχικών συµπολυµερών. Πραγµατοποιήθηκε µελέτη της δοµής και των ιδιοτήτων τους σε διάφορα βιολογικά διαλύµατα όπως υδατικά, αλατούχα φωσφορικά ρυθµιστικά(phosphate buffered saline, PBS) καθώς και της σύµπλεξης των διαλυµάτων αυτών µε τις πρωτεΐνες εµβρυϊκού ορού βοοειδούς (fetal bovine serum, FBS) και µε το δεσοξυριβονουκλεϊκό οξύ (deoxyribonucleic acid, DNA). Ακολούθησαν η σύνθεση µιας σειράς συµπολυµερών κατά συστάδες από πολυ(αιθυλενοξείδιο) και πολυ(2-φαίνυλο-2-οξαζολίνη) (PEO-b-PPhOx), µε κατιοντικό πολυµερισµό και µε απαρχητή το τοσυλικό-πολυ(αιθυλενοξείδιο) (PEO-tosylate). Μετά τον χαρακτηρισµό των συµπολυµερών µε διάφορες µεθόδους (1Η ΝΜR, GPC, FTIR), µελετήθηκαν τα υδατικά τους διαλύµατα. Εν συνεχεία, πραγµατοποιήθηκε σύνθεση τεταρτοταγοποιηµένων πολυµερών που βασίζονται σε διαφορετικές αρχιτεκτονικές πολυ(χλωροµεθυλοστυρενίου)(poly(chloromethylstyrene), PCMS) χρησιµοποιώντας το 1-βουτυλο-ιµιδαζόλιο (1-butylimidazole, NBIZ) ως παράγοντα τεταρτοταγοποίησης. Αφού αναλύθηκαν τα µοριακά τους χαρακτηριστικά, µελετήθηκε η συµπεριφορά αυτών των πολυµερών, σε υδατικάµέσα (µεταβάλλοντας παραµέτρους όπως η ιοντική ισχύς, η θερµοκρασία, το pH και η συγκέντρωση) και άλλα βιολογικά διαλύµατα (PBS, PBS-FBS). Η µελέτη της δοµής και των ιδιοτήτων πραγµατοποιήθηκε και για τα σύµπλοκα που σχηµατίζονται µε το DNA,για να διερευνηθεί τυχόν χρήση αυτών των συστηµάτων στη βιοτεχνολογία (π.χ. ως νανοφορείς πρωτεϊνών και γονιδίων). Εν κατακλείδι, σειρές συµπολυµερών κατά συστάδες (HMPOx, PEO-b-PPhOx και PI-bPEO) µελετήθηκαν ως προς την αλληλεπίδραση µε DNA, φάρµακα (όπως η ινδοµεθακίνη), µαγνητικά νανοσωµατίδια (όπως γ-Fe2O3) και σύµπλοκα νικελίου. Αφού ευρέθησαν οι κατάλληλες αναλογίες των συστατικών που οδηγούν σε σταθερά υβριδικά κολλοειδή συστήµατα, ακολούθησε ο φυσικοχηµικός χαρακτηρισµός (µε µεθόδους σκεδάσεως φωτός, φθορισµοµετρίας, φασµατοσκοπίας) σε υδατικά, PBS και PBS-FBS διαλύµατα.