Μελέτη αποφυλλοποίησης και επαναστοίβαξης ανόργανων μητρών LDH (Στοιβαγμένων Διπλών Υδροξειδίων) με χρήση στη στόχευση φαρμάκων

Abstract

The aim of this thesis was the synthesis of bioinorganic complexes, developed through the entrapment of organic substances inside layered double hydroxides. A plethora of molecules with biologic applications was examined, with emphasis on amino acids and deoxyribonucleic acid, while at the same time alterations to the inorganic matrix with the purpose of improving its capacity were investigated.The successful synthesis of layered double hydroxides, composed of magnesium and aluminum in a 2 to 1 ratio, is described. The inorganic matrix was then used to entrap anions of ascorbate, lactate, acetate and cholate, as well as the drug nitrofurantoin. These nanobiohybrids were characterized by x-ray diffraction (XRD) and infrared spectroscopy (IR).The exfoliation of layered double hydroxides through two new methods was examined, more specifically through sonication of the matrix dissolved in glycerol or propyleneglycol. These methods were subsequently compared to the most efficient already established methods of exfoliation. The exfoliation was confirmed through dynamic light scattering and liquid x-ray diffraction (liquid XRD), and was followed by examination of its stability, which showed that the new solvents have a better exfoliation profile than those established in the literature.The above techniques were then used to insert molecules inside layered double hydroxides through restacking. This method was investigated as an alternative to the expensive coprecipitation, which is widely used to insert molecules, such as amino acids. By using restacking, 16 LDH nanobiohybrids containing amino acids were then synthesized and compared to similar ones prepared by anion exchange. The results were compared to those in the literature, and it was demonstrated that restacking has advantages over other methods of synthesizing LDH nanobiobrids and could lead to successful synthesis in experiments where anion exchange could not be used. In addition, through these experiments, problems in the purification processes that are usually developed during LDH synthesis are highlighted, emphasizing the importance of the medium used during the purification process and how this affects the final nanobiobrid.Finally, the advantage of the increased active surface of the exfoliated LDH and subsequent restacking was examined in order to insert molecules that cannot easily be inserted because of their size, such as deoxyribonucleic acid.

Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η μελέτη της σύνθεσης βιοανόργανων συμπλόκων, με παγίδευση οργανικών ουσιών στο εσωτερικό στοιβαγμένων διπλών υδροξειδίων. Στα πλαίσια της διατριβής εξετάστηκε πληθώρα μορίων με βιολογικές εφαρμογές, με ιδιαίτερη έμφαση σε αμινοξέα και σε μόρια δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος. Επιπλέον, μελετήθηκαν τροποποιήσεις στην παραπάνω ανόργανη μήτρα για τη βελτιστοποίηση της χωρητικότητάς της.Αρχικά περιγράφεται η επιτυχημένη σύνθεση στοιβαγμένων διπλών υδροξειδίων με τη χρήση μαγνησίου και αλουμινίου σε αναλογία 2 προς 1. Η ανόργανη μήτρα χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια για την παγίδευση ανιόντων ασκορβικού, γαλακτικού, οξικού και χολικού οξέος, καθώς και του φαρμάκου νιτροφουραντοΐνη. Τα νανοβιοϋβρίδια αυτά χαρακτηρίστηκαν με περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) και φασματοσκοπία υπερύθρου (IR).Εν ακολούθως, μελετήθηκε η αποφυλλοποίηση των στοιβαγμένων διπλών υδροξειδίων με τη χρήση δύο νέων μεθόδων, συγκεκριμένα την κατεργασία με υπερήχους μήτρας διαλυμένης σε γλυκερίνη και προπυλενογλυκόλη ξεχωριστά. Οι μέθοδοι αυτοί συγκρίθηκαν με τις πιο αποτελεσματικές ήδη υπάρχουσες μεθόδους αποφυλλοποίησης. Η αποφυλλοποίηση εξακριβώθηκε με τη χρήση δυναμικής σκέδασης φωτός και περίθλασης ακτίνων Χ υγρού (liquid XRD), ενώ ακολούθησαν πειράματα ελέγχου σταθερότητας, τα οποία έδειξαν πως οι νέοι διαλύτες εμφανίζουν προφίλ αποφυλλοποίησης καλύτερο από άλλες - εδραιωμένες στη βιβλιογραφία - μεθόδους.Οι παραπάνω τεχνικές χρησιμοποιήθηκαν για την εισαγωγή ουσιών στο εσωτερικό στοιβαγμένων διπλών υδροξειδίων με επαναστοίβαξη. Η μέθοδος αυτή δοκιμάστηκε σαν μια εναλλακτική στην ακριβότερη μέθοδο συγκαταβύθισης, που χρησιμοποιείται εκτενώς για την εισαγωγή δύσκολων προς παγίδευση μορίων, όπως των αμινοξέων. Με τη χρήση αυτής έγινε σύνθεση 16 νανοβιοϋβριδίων LDH με παγιδευμένα αμινοξέα, τα οποία συγκρίθηκαν με όμοια που συντέθηκαν με ανιονανταλλαγή. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με τη βιβλιογραφία, δείχνοντας πως η επαναστοίβαξη έχει πλεονεκτήματα έναντι των άλλων μεθόδων σύνθεσης νανοβιοϋβριδίων LDH και μπορεί να οδηγήσει σε επιτυχημένες συνθέσεις σε σημεία που ανιονανταλλαγή δεν μπορούσε. Ταυτόχρονα μέσα από τα πειράματα αυτά αναδεικνύονται ελαττώματα στις διαδικασίες καθαρισμού που ακολουθούνται ευρέως στις συνθέσεις LDH, εφόσον τονίζουν τη σημασία του μέσου καθαρισμού και πώς αυτό επηρεάζει το τελικό νανοβιοϋβρίδιο.Τέλος, εξετάστηκε η ικανότητα της επαναστοίβαξης να εκμεταλλευτεί την αυξημένη δραστική επιφάνεια των αποφυλλοποιημένων στοιβαγμένων διπλών υδροξειδίων και να χρησιμοποιηθεί για την εισαγωγή ουσιών που δεν μπορούν να εγκλωβιστούν εύκολα λόγω μεγέθους, όπως το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ.