Ανάπτυξη λειτουργικών υβριδικών υλικών μέσω επιφανειακής χημικής τροποποίησης ινών και αξιολόγησή τους ως αντιοξειδωτικά

Abstract

Silk is considered the "queen of fabrics" and has been used in textiles and medicine since ancient times, because of its amazing properties. In recent years it has also been used extensively in the scientific community to create functional hybrid materials with silk as a matrix, which have even better properties than natural silk. Based on this, this PhD thesis aimed to synthesize new functional hybrid materials that would have silk as a support material and exhibit antioxidant character. To create hybrid silk-based antioxidant materials, the monomers of hyaluronic acid, D-Glucuronic acid, N-Acetyl-D-Glucosamine as well as the king of antioxidants gallic acid were used as antioxidant materials. The synthesis of all hybrid materials was carried out by sol-gel method through covalent modification. In this way, the hybrid materials SFd@GLA, SFd@GLAM, GLA@SFd@GLAM, and SFd@GA were synthesized. All the hybrid materials were characterized using various instruments such as SEM, FT-IR, Raman, TG-DTA, and EPR. Initially, the hybrid materials SFd@GLA, SFd@GLAM, GLA@SFd@GLAM, and SFd@GA were evaluated for their ability to scavenge DPPH radicals. A new protocol was developed to achieve this goal. From the results of the antioxidant activity study, it was shown that the hybrid material SFd@GA exhibits the highest ability to scavenge DPPH radicals, followed by the double immobilized hybrid material GLA@SFd@GLAM. It was also shown that all four hybrid materials can be reused several times without altering their antioxidant capacity, with the SFd@GA hybrid material again leading the way as it can be reused up to 15 times. Since the literature lacks a complete comparative study of the antioxidant activity of the hybrid materials against DPPH and OH radicals, we decided to introduce such a study. To achieve this goal, we first used the silica-based hybrid materials, SiO2@GLA, SiO2@GLAM, GLA@SiO2@GLAM, and SiO2@GA, which were synthesized, characterized, and evaluated for their antioxidant activity against DPPH radicals during my master thesis. In this PhD thesis, their antioxidant activity against OH radicals was evaluated using EPR spectroscopy, and their comparative study was analyzed. The results of the study of the antioxidant capacity of the hybrid materials against OH radicals showed that again the best of all materials is the SiO2@GA hybrid material. From the comparative study of the hybrid materials as well as the free antioxidants against both DPPH and OH radicals, it was shown that different mechanisms are used depending on the class of antioxidants and the target radical. As regards gallic acid, which is a phenolic compound acts against DPPH radicals through the HAT mechanism with the hydrogen atom being detached by an OH group, whereas it acts against OH radicals through the SET mechanism. On the other hand, glucuronic acid and glucosamine, which are sugars, act against DPPH radicals through the HAT mechanism with the hydrogen atom being detached from an OH group, whereas against OH radicals through the HAT mechanism with the hydrogen atom being detached from a CH group. Given the remarkable antioxidant activity of silica-based hybrid materials against hydroxyl radicals (●OH), the present study aimed to investigate the interaction between hybrid materials incorporating (SFd) as a support matrix and hydroxyl radicals. The research further aimed to elucidate the underlying mechanisms governing this interaction. In addition, the study evaluated the reusability of these hybrid materials after their interaction with hydroxyl radicals. Interestingly, the results of the study on the interaction of hybrid materials - SFd@GLA, SFd@GLAM, GLA@SFd@GLAM, and SFd@GA - with hydroxyl radicals (●OH) revealed that both hybrid materials and natural silk containing sericin possess a protective lattice structure. This structure effectively prevents hydroxyl radicals from interacting with the materials. Among the tested materials, SFd@GA demonstrated superior self-protective capabilities, maintaining its resistance to hydroxyl radical degradation for up to 4 re-uses. Finally, two hybrid materials were successfully synthesized and characterized, incorporating sericin as an antioxidant component and silica as a support material: SiO2@sericin with 10% sericin loading and SiO2@sericin with 20% sericin loading. Among the synthesized materials, SiO2@sericin (10% sericin loading) showed the highest antioxidant activity, demonstrating a remarkable three-fold enhancement of hydrogen atom transfer activity (HAT) against DPPH radicals compared to a 10% sericin aqueous solution (w.w). The same hybrid material SiO2@sericin (10% sericin loading) showed the highest antioxidant activity also against OH radicals.

Το μετάξι θεωρείται ως η «βασίλισσα των υφασμάτων» και χρησιμοποιείται στα υφάσματα καθώς και στην ιατρική από αρχαιοτάτων χρόνων, λόγω των εκπληκτικών ιδιοτήτων που παρέχει. Τα τελευταία χρόνια έχει χρησιμοποιηθεί πολύ και στην επιστημονική κοινότητα για τη δημιουργία λειτουργικών υβριδικών υλικών που έχουν ως μήτρα το μετάξι και εμφανίζουν ακόμα καλύτερες ιδιότητες από το φυσικό μετάξι. Βάσει αυτού ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η σύνθεση νέων λειτουργικών υβριδικών υλικών που θα είχαν ως υλικό υποστήριξης το μετάξι και θα εμφάνιζαν αντιοξειδωτικό χαρακτήρα. Για την δημιουργία υβριδικών αντιοξειδωτικών υλικών με βάση το μετάξι χρησιμοποιήθηκαν ως αντιοξειδωτικά υλικά τα μονομερή του υαλουρονικού οξέος, D-Γλυκουρονικό οξύ και Ν-Ακετυλ- D-Γλυκοζαμίνη καθώς και ο βασιλιάς των αντιοξειδωτικών το γαλλικό οξύ. Η σύνθεση όλων των υβριδικών υλικών πραγματοποιήθηκε με μια διεργασία τύπου sol-gel, μέσω ομοιοπολικής τροποποίησης. Με αυτό τον τρόπο συντέθηκαν τα υβριδικά υλικά SFd@GLA, SFd@GLAM, GLA@SFd@GLAM και SFd@GA. Όλα τα υβριδικά υλικά χαρακτηρίστηκαν μέσω προηγμένων τεχνικών ανάλυσης, όπως SEM, FT-IR, Raman, TG-DTA, EPR. Αρχικά τα υβριδικά υλικά SFd@GLA, SFd@GLAM, GLA@SFd@GLAM και SFd@GA αξιολογήθηκαν ως προς την ικανότητα τους να εξουδετερώνουν τις ρίζες DPPH. Δημιουργήθηκε ένα νέο πρωτόκολλο για την επίτευξη αυτού του στόχου. Από τα αποτελέσματα της μελέτης της αντιοξειδωτικής δράσης αποδείχθηκε ότι το υβριδικό υλικό SFd@GA εμφανίζει την μεγαλύτερη ικανότητα εξουδετέρωσης των ριζών DPPH, ενώ ακολουθεί το διπλά εμβολιασμένο υβριδικό υλικό GLA@SFd@GLAM. Αποδείχθηκε επίσης ότι και τα τέσσερα υβριδικά υλικά μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν αρκετές φορές χωρίς να αλλοιωθεί η αντιοξειδωτική τους ικανότητα, με πρωτοπόρο πάλι το υβριδικό υλικό SFd@GA που μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί έως και 15 φορές. Επειδή από τη βιβλιογραφία απουσίαζε μια πλήρης συγκριτική μελέτη της αντιοξειδωτικής ικανότητας υβριδικών υλικών έναντι των ριζών DPPH και OH, αποφασίσαμε να εισάγουμε μια τέτοια μελέτη. Για την επίτευξη αυτού του στόχου αρχικά χρησιμοποιήθηκαν τα υβριδικά υλικά που είχαν ως μήτρα τη σίλικα, SiO2@GLA, SiO2@GLAM, GLA@SiO2@GLAM και SiO2@GA, τα οποία συντέθηκαν, χαρακτηριστήκαν και αξιολογήθηκαν ως προς την αντιοξειδωτική τους δράση έναντι των ριζών DPPH κατά τη διάρκεια της μεταπτυχιακής μου διατριβής. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αξιολογήθηκε η αντιοξειδωτική τους δράση έναντι ριζών ΟΗ με τη χρήση φασματοσκοπίας EPR. Τα αποτελέσματα της μελέτης της αντιοξειδωτικής ικανότητας των υβριδικών υλικών έναντι των ριζών ΟΗ έδειξαν ότι και πάλι το καλύτερο από όλα τα υλικά είναι το υβριδικό υλικό SiO2@GA. Από τη συγκριτική μελέτη των υβριδικών υλικών καθώς και των ελεύθερων αντιοξειδωτικών μορίων έναντι των ριζών DPPH και ΟΗ φάνηκε ότι υιοθετούνται διαφορετικοί μηχανισμοί ανάλογα με το αντιοξειδωτικό και τη ρίζα στόχο. Σε ότι αφορά το γαλλικό οξύ που είναι μια φαινολική ένωση, δρα έναντι των ριζών DPPH μέσω του μηχανισμού HAT με την απόσπαση του ατόμου υδρογόνου να πραγματοποιείται από ΟΗ ομάδα, ενώ δρα έναντι των ριζών ΟΗ μέσω του μηχανισμού SET. Αντίθετα, το Γλυκουρονικό οξύ και η γλυκοζαμίνη που είναι σάκχαρα, δρουν έναντι των ριζών DPPH μέσω του μηχανισμού HAT με την απόσπαση του ατόμου υδρογόνου να πραγματοποιείται από ΟΗ ομάδα, ενώ έναντι των ριζών ΟΗ μέσω του μηχανισμού HAT με την απόσπαση του ατόμου υδρογόνου να πραγματοποιείται από CΗ ομάδα. Δεδομένης της αξιοσημείωτης αντιοξειδωτικής δράσης των υβριδικών υλικών με υλικό υποστήριξης τη σίλικα έναντι των ●OH, η παρούσα μελέτη συνέχισε τη διερεύνηση της δράσης υβριδικών υλικών που ενσωματώνουν το αποκομμιωμένο μετάξι (SFd) ως μήτρα έναντι ριζών υδροξυλίου και τη διαλεύκανση των υποκείμενων μηχανισμών. Επιπλέον, αξιολογήθηκε η δυνατότητα επαναχρησιμοποίησης αυτών των υβριδικών υλικών μετά την αλληλεπίδρασή τους με ρίζες υδροξυλίου. Είναι ενδιαφέρον ότι τα αποτελέσματα της μελέτης σχετικά με την αλληλεπίδραση των υβριδικών υλικών - SFd@GLA, SFd@GLAM, GLA@SFd@GLAM και SFd@GA - με ρίζες υδροξυλίου (●OH) αποκάλυψαν ότι τόσο τα υβριδικά υλικά όσο και το φυσικό μετάξι που περιέχει σερικίνη διαθέτουν προστατευτική δομή πλέγματος, η οποία εμποδίζει αποτελεσματικά τις ρίζες υδροξυλίου να αλληλεπιδράσουν με τα υλικά. Και εδώ το καλύτερο από όλα τα υλικά είναι το υβριδικό υλικό SFd@GA, το οποίο μπορεί να διατηρήσει την αυτοπροστασία του για μέχρι και 4 επαναχρησιμοποιήσεις. Τέλος, συντέθηκαν και χαρακτηρίστηκαν με επιτυχία δύο νέα υβριδικά υλικά, ενσωματώνοντας τη σερικίνη ως αντιοξειδωτικό και τη σίλικα ως υλικό υποστήριξης: SiO2@sericin με 10% φόρτωση σερικίνης και SiO2@sericin με 20% φόρτωση σερικίνης. Μεταξύ των συντιθέμενων υλικών, το SiO2@sericin (10% φόρτωση σε σερικίνη) παρουσίασε την υψηλότερη αντιοξειδωτική δράση, επιδεικνύοντας τριπλάσια δραστικότητα ΗΑΤ έναντι των ριζών DPPH σε σύγκριση με υδατικό διάλυμα σερικίνης 10% κ.β. Το ίδιο υλικό, SiO2@sericin (10% φόρτωση σε σερικίνη), παρουσίασε επίσης την υψηλότερη αντιοξειδωτική δράση και έναντι των ριζών ΟΗ.