Υβριδικά νανοϋλικά με αντιοξειδωτικές ιδιότητες για ελεγχόμενη τοξικότητα και ασφάλεια

Abstract

Nanotechnology has notably improved people's living standards throughout the last decades. In addition to advantages, this outbreak in the wide use of nanomaterials also raised concerns about potential impacts on ecosystems and the biota. Consequently, the surge in their application needs a more detailed comprehension of their bio-activity and the implemented bio-toxicity mechanisms. Moreover, there is an urgent need to clarify specific nanotoxicity mechanisms in the nano-bio-interface and provide critical insight into engineered nanoparticles' structure-activity-relationship (SAR). “Safe-by-Design” has emerged as a new research strategy, following the need to produce sustainable, safe-to-use technologies. The knowledge gained from this research by evaluating nanotoxicity phenomena at the nano-bio interface, initiating from structural and physicochemical characteristics of the nanostructures, can be applied to the detailed control of the synthetic process and facilitate the development of advanced nanostructures, efficiently reflecting on modern applications. This doctoral thesis studies the structure-activity relationship (SAR) of widely used nanomaterials, focusing mainly on investigating the factors that initiate their toxicity. In this context, the main objective of the study is to propose methodοlogies for producing large-scale nanostructures that will ensure their low toxicity by following the “Safe-by-Design” strategy. This research focuses on three prominent categories of industrially produced nanostructures: (a) nanosilica (SiO2), which, as a component of a multitude of products, is one of the most widely produced and commercially available nanomaterials, (b) hybrid Carbon-SiO2 nanostructures, and (b) nanoceria (CeO2), a group of advanced nanomaterials with strong redox ability. Detailed characterization is performed utilizing spectroscopic and analytical methods such as FT-IR, Raman, Electron Paramagnetic Resonance (EPR) spectroscopy, and Dynamic Light Scattering (DLS), and all structural and physicochemical characteristics (size, aggregation degree, specific surface area, surface charge, porosity, morphology) and specific properties such as radical generation capacity, stable surface-radicals activity (C-SiO2) or antioxidant capacity in the case of CeO2 materials, are correlated by multi-factor analyses with toxicity towards aquatic suspensions of Aliivibrio Fischeri bacteria. In the case of nanosilica materials, the relationship between siloxane-ring strains and their surface's ability to initiate the production of reactive oxygen species in solution is studied. It is shown that the presence of larger-sized rings significantly reduces toxicity. It is also shown that the synthesis temperature affects the particle size, the specific surface area, and the surface charge of the nanomaterials. In this context, two methodologies are proposed for the surface passivation and production of safe-by-design nanosilica. In an additional step, the effect of carbon heterostructures in the nanosilica lattice on its toxicity is studied. It is concluded that carbon (sp3, sp2) assimilation induces siloxane matrix distortion. Multiparametric analysis, which correlates structure, activity, and physicochemical characteristics with toxicity, showed that the biocidal effect of C-SiO2 is not induced by a single factor but is synergistically defined by the amount of embedded carbon, its type, surface charge, and specific surface area. Again, a methodology is proposed for introducing sp2/sp3 carbon into the nanosilica lattice and producing hybrid C-SiO2 nanomaterials with controlled toxicity in one step. Regarding nanoceria (CeO2), the properties of lattice defects (Ce3+ centers and oxygen vacancies) and the effect of their presence on both the toxicity of the materials and their radical generation capacity in aqueous systems are studied in detail. It is shown that antioxidant capacity decreases as the concentration of defects increases. Introducing defects in the crystal lattice leads to structural differentiation (with the increase in particle size being the most important), significantly reducing toxicity. In addition to small particle size, radical generation capacity and surface charge in solution synergistically enhance toxicity. Antioxidant activity and toxicity mechanisms are clarified, emphasizing that they are not mutually exclusive properties. Finally, in this context, a one-step methodology is proposed for the controlled introduction of different types of defects into the crystal lattice.

Τα πλεονεκτήματα της Νανοτεχνολογίας είναι αμέτρητα και η σημαντικότητά της αδιαμφισβήτητη. Δυστυχώς όμως, υπάρχει και η άλλη όψη του νομίσματος. Λόγω του μικρού μεγέθους τους, τα νανοσωματίδια είναι πολύ εύκολο να διαπερνούν τις βιολογικές μεμβράνες ή να καταλήγουν στο νερό και να παρουσιάζουν τοξικότητα για τον άνθρωπο και το περιβάλλον. Επιπλέον, σε πολλές περιπτώσεις μπορεί να οδηγήσουν στην παραγωγή ελευθέρων ριζών, είδη ιδιαίτερα επικίνδυνα, καθώς σε υψηλή συγκέντρωση ευθύνονται για βλάβες, οι οποίες σχετίζονται με την οξειδωτική καταπόνηση. Οι έρευνες, προς το παρόν, στρέφονται προς την βελτιστοποίησή τους, ώστε να ελαχιστοποιηθεί η πιθανή τοξικότητα που εμφανίζουν και να καταστεί η χρήση τους απολύτως ασφαλής στο μέλλον. Η ασφάλεια ήδη από το πρώιμο στάδιο του σχεδιασμού των υλικών (Safe-by-Design), προέκυψε ως μια ανάγκη της σύγχρονης εποχής για την επίλυση κυρίως θεμάτων βιωσιμότητας. Αν και η εξασφάλιση της χαμηλής τοξικότητας και άρα ασφαλούς χρήσης των νανοϋλικών αποτελεί, αδιαμφησβήτητα, προτέρημα, η φιλοσοφία έρευνας πίσω από το Safe-by-Design κρύβει πολλά περισσότερα πλεονεκτήματα. Η συσσωρευμένη γνώση που συλλέγεται κατά την αποκωδικοποίηση φαινομένων νανοτοξικότητας στη νανο-βιο διεπιφάνεια, φαινομένων που προέρχονται από τα δομικά και φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των νανοϋλικών, αναβαθμίζει τη συνθετική διεργασία και οδηγεί στην ανάπτυξη προηγμένων νανοδομών, αντανακλώντας αποδοτικά σε σύγχρονες εφαρμογές. Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής, μελετάται η σχέση δομής-δραστικότητας (Structure-Activity Relationship, SAR) νανοϋλικών ευρείας χρήσης, με κύριο πυρήνα τη διερεύνηση των παραγόντων που εκκινούν, συνήθως συνεργιστικά, την τοξική δράση τους. Στο πλαίσιο αυτό, ο κυριότερος στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι να προταθούν κατάλληλες μέθοδοι παραγωγής νανοδομών ευρείας κλίμακας που θα εξασφαλίζουν την χαμηλή τοξικότητά τους ακολουθώντας την στρατηγική “Safe-by-Design”. Η έρευνα προσανατολίζεται σε τρεις βασικές οικογένειες νανοδομών βιομηχανικού ενδιαφέροντος: (α) των νανοϋλικών πυριτίας (SiO2), που ως συστατικά πληθώρας εμπορικών προϊόντων αποτελούν ένα από τα πιο ευρέως παραγόμενα νανοϋλικά, (β) υβριδικών δομών άνθρακα-πυριτίας (C-SiO2) και (γ) των νανοϋλικών δημητρίας (CeO2), μια ομάδα προηγμένων τεχνολογικών νανοϋλικών με ισχυρή οξειδοαναγωγική ικανότητα. Γίνεται λεπτομερής χαρακτηρισμός και μελετώνται τα δομικά και φυσικοχημικά χαρακτηριστικά (π.χ., το μέγεθος, ο βαθμός συσσωμάτωσης, η ειδική επιφάνεια, το επιφανειακό φορτίο, το πορώδες, η μορφολογία), αλλά και ειδικότερες ιδιότητες όπως η ικανότητα παραγωγής ριζών, η δραστικότητα σταθερών ριζών που φέρει η επιφάνειά τους (C-SiO2) ή στην περίπτωση των υλικών CeO2 η αντιοξειδωτική τους ικανότητα μέσω φασματοσκοπικών και αναλυτικών μεθόδων. Χρησιμοποιούνται τεχνικές δονητικής φασματοσκοπίας FT-IR και Raman, η φασματοσκοπία ηλεκτρονικού παραμαγνητικού συντονισμού (EPR), η δυναμική σκέδαση φωτός (DLS) και όλα τα δεδομένα συσχετίζονται μέσω πολυπαραμετρικών αναλύσεων με την τοξικότητά των υλικών έναντι μη παθογόνων βακτηρίων που ζουν σε υδατικά συστήματα (Aliivibrio Fischeri). Στην περίπτωση της νανοπυριτίας, μελετήθηκε η συσχέτιση μεταξύ της τάσης των δεσμών που συνθέτουν τους σιλοξανικούς δακτυλίους του πυριτικού πλέγματος, με την ικανότητα των υλικών να εκκινούν την παραγωγή δραστικών ειδών οξυγόνου σε διάλυμα και αποδείχτηκε πως η παρουσία μεγαλύτερου μεγέθους δακτυλίων μειώνει σημαντικά την παραγωγή τους και, επομένως, την τοξικότητα λόγω ROS. Αποδείχθηκε ακόμη, πως το μέγεθος, η ειδική επιφάνεια και το επιφανειακό φορτίο επηρεάζονται άμεσα από τη θερμοκρασία της σύνθεσης. Στο πλαίσιο αυτό, προτείνονται δύο μεθοδολογίες για τον έλεγχο της δομής και την παραγωγή νανοπυριτίας χαμηλής τοξικότητας. Μελετάται ακόμη, η παρουσία ετεροδομών άνθρακα στο πυριτικό πλέγμα σε σχέση με την τοξικότητα. Συμπεραίνεται, πως οι ομάδες του άνθρακα (sp3, sp2) που ενσωματώνονται στο πυριτικό πλέγμα προκαλούν την παραμόρφωσή του και μεταβάλλουν την τοξικότητα των υβριδικών δομών. Ομοίως, προτείνεται μια μέθοδος για την ελεγχόμενη εισαγωγή sp2/sp3 άνθρακα στο πλέγμα της νανοπυριτίας και την παραγωγή υβριδικών νανοϋλικών C-SiO2 με ελεγχόμενη τοξικότητα σε ένα βήμα. Στην περίπτωση της νανοσίριας (CeO2), μελετώνται λεπτομερώς οι ιδιότητες των ατελειών (κέντρα Ce3+ και κενές θέσεις οξυγόνου) του κρυσταλλικού πλέγματος, και η επίδραση της παρουσίας τους τόσο στην τοξικότητα των υλικών όσο και στην ικανότητά τους να αδρανοποιούν ελεύθερες ρίζες σε υδατικά συστήματα. Συμπεραίνεται, πως η αντιοξειδωτική ικανότητα μειώνεται καθώς αυξάνεται η παρουσία ατελειών. Ακόμη, τονίζεται πως η εισαγωγή ατελειών στο κρυσταλλικό πλέγμα οδηγεί σε δομικές διαφοροποιήσεις (με σημαντικότερη την αύξηση μεγέθους) που μειώνουν τουλάχιστον στο μισό την τοξικότητα των ανοξικών δομών νανοσίριας σε σχέση με τις οξειδωμένες δομές. Επιπλέον, παράγοντες όπως η ικανότητα παραγωγής ριζών και το επιφανειακό φορτίο σε διάλυμα εκκινούν, συνεργιστικά με το μέγεθος του σωματιδίου, την τοξική δράση. Από τα αποτελέσματα της μελέτης, διαχωρίζονται οι παράγοντες που ενεργοποιούν τηv αντιοξειδωτική δράση και την τοξικότητα και τονίζεται πως οι δυο αυτές ιδιότητες μπορούν να υφίστανται ταυτόχρονα. Προτείνεται, τέλος, μια μεθοδολογία ενός βήματος για την ανάπτυξη υλικών νανοσίριας χαμηλής τοξικότητας που διατηρούν ταυτόχρονα υψηλή αντιοξειδωτική δράση.