Porphyrins for medical and photocatalytic applications

Abstract

The present Doctoral Thesis describes the synthesis of new chromophores, and their utilization in photocatalytic and medical applications. Particularly, several water-soluble porphyrins and carbon dots are examined as photosensitizers, combined either with catalysts for hydrogen (H2) production or Fmoc-protected dipeptides for antimicrobial and wound healing applications. More specifically, the simple synthetic approaches, attractive photophysical properties, and solubilization in the water of the prepared chromophores are the key parameters for the presented applications. The characteristic Pyridyl groups in the meso-position of the synthesized porphyrins offer water-solubility upon methylation. Different central metal ions, such as zinc, tin, cobalt, and nickel transform the properties of the resulting porphyrin derivatives. On the other hand, carbon dots as light harvesters offer distinctive properties and low-cost preparation. Moreover, the passivation of the surface of these materials with Nitrogen sources can modify their properties. This dissertation is divided into two main sections. The first section was inspired by natural photosynthesis. More specific, water-soluble chromophores were combined with molecular Cobalt and Nickel catalysts to transform protons into Η2. Various factors that determine the efficiency of the photocatalytic system are evaluated, in order to maximize H2 production. Namely, some representative parameters that were explored are: the charge of the porphyrin derivatives, the buffer solution, the light source, the ratio between the photosensitizer and the catalyst. Furthermore, extensive photophysical and electrochemical investigation was conducted in order to determine the mechanism of the phorocatalytic H2 production. Interestingly, except for utilizing only commercial light sources, actual solar irradiation uner sunlight was applied targeting to obtain important observations for future uses.The next section deals with the incorporation of the water-soluble chromophores in hydrogel networks formed by Fmoc-protected dipeptides, through intermolecular interactions. The formatted hydrogels are used in advanced antimicrobial applications in bacteria and worms such as C. elegance. Numerous studies are carried out, such as cytotoxicity and visible light affection in the resulting hydrogels. Finally, the wound healing application of the formatted hydrogels on the Wistar rat's skin is examined. The wound healing process is studied both in young and old animals for a comprehensive results analysis. Controlling the effectiveness of the resulting hydrogels will provide valuable results for future clinical studies.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή περιγράφει τη σύνθεση νέων χρωμοφόρων και την αξιοποίηση τους σε φωτοκαταλυτικές και ιατρικές εφαρμογές. Τα χρωμοφόρα που συντέθηκαν είναι υδατοδιαλυτές πορφυρίνες και νανοτελείες άνθρακα, τα οποία συνδυάστηκαν με καταλύτες για φωτοκαταλυτική παραγωγή υδρογόνου (H2) αλλά και με διπεπτίδια τόσο για αντιμικροβιακές όσο και εφαρμογές επούλωσης τραυμάτων.Οι απλές συνθετικές προσεγγίσεις, οι ελκυστικές φωτοφυσικές ιδιότητες και η ικανότητα διάλυσης στο νερό των χρωμοφόρων που συντέθηκαν αποτέλεσαν τις βασικές παραμέτρους για τις εφαρμογές που παρουσιάζονται. Πιο συγκεκριμένα, οι χαρακτηριστικές πυρίδιλο ομάδες στη μέσο-θέση των συντιθέμενων πορφυρινικών παραγώγων κατά τη μεθυλίωση τους εξασφαλίζουν διαλυτότητα στο νερό. Επίσης, διαφορετικά κεντρικά μεταλλικά ιόντα, όπως ο ψευδάργυρος, ο κασσίτερος, το κοβάλτιο και το νικέλιο μετασχηματίζουν τις ιδιότητες των παραγώγων πορφυρίνης που προέκυψαν. Παράλληλα, οι νανοτελείες άνθρακα, ως υλικά με εξαιρετική ικανότητα απορρόφησης του φωτός εξασφαλίζουν μοναδικές ιδιότητες και χαμηλού κόστους σύνθεση. Επιπλέον, η δυνατότητα παραμετροποίησης της επιφάνειας αυτών των υλικών με πηγές αζώτου, τροποποιεί τις ιδιότητές τους δίνοντας νέα χαρακτηριστικά.Η παρούσα διατριβή χωρίζεται σε δύο κύριες ενότητες. Η πρώτη ενότητα είναι εμπνευσμένη από τη φυσική φωτοσύνθεση. Τα υδατοδιαλυτά χρωμοφόρα που συνθέσαμε τα συνδυάσαμε με μοριακούς καταλύτες κοβαλτίου και νικελίου για τη μετατροπή τα πρωτονίων του νερού σε Η2. Ταυτόχρονα αξιολογήσαμε διάφορους παράγοντες που καθορίζουν την απόδοση του φωτοκαταλυτικού συστήματος, προκειμένου να μεγιστοποιηθεί η παραγωγή Η2. Συγκεκριμένα, οι σημαντικότεροι παράγοντες που διερευνήθηκαν είναι: το φορτίο των πορφυρινών, το ρυθμιστικό διάλυμα, η πηγή φωτός και η αναλογία φωτοευαισθητοποιητή και καταλύτη. Επίσης πραγματοποιθήκε εκτενής φωτοφυσική και ηλεκτροχημική έρευνα προκειμένου να προσδιοριστεί ο μηχανισμός της φωτοκαταλυτικής παραγωγής Η2. Είναι αξιοσημείωτο ότι, εκτός από τη χρήση εμπορικών πηγών φωτός, δοκιμάσαμε τη φωτοκατάλυση και σε πραγματικές συνθήκες, κάτω από το φως του ήλιου. Με αυτό τον τρόπο λάβαμε σημαντικές παρατηρήσεις οι οποίες θα είναι χρήσιμες για μελλοντικές μελέτες.Η επόμενη ενότητα ασχολείται με την ενσωμάτωση των υδατοδιαλυτών χρωμοφόρων σε δίκτυα υδρογέλης, τα οποία σχηματίστηκαν από διπεπτίδια με την προστατευτική ομάδα –Fmoc, μέσω διαμοριακών αλληλεπιδράσεων. Οι υδρογέλες που σχηματίστηκαν μελετήθηκαν σε προηγμένες αντιμικροβιακές εφαρμογές σε βακτήρια και σκουλήκια όπως το C. elegance. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκαν πολυάριθμες μελέτες, όπως η κυτταροτοξικότητα και η επίδραση του ορατού φωτός στις προκύπτουσες υδρογέλες.Τέλος, εξετάστηκε η επούλωση πληγών στο δέρμα του αρουραίου Wistar κατά την εφαρμογή των συντιθέμενων υδρογελών. Η διαδικασία επούλωσης των πληγών μελετήθηκε τόσο σε νεαρά όσο και σε ηλικιωμένα ζώα έτσι ώστε να προκύψει μία ολοκληρωμένη ανάλυση των αποτελεσμάτων. Ο έλεγχος της αποτελεσματικότητας των υδρογελών εξασφαλίζει πολύτιμα αποτελέσματα για μελλοντικές κλινικές μελέτες.