Synthesis, characterization and applications of novel magneto-responsive and pH-responsive polymer-based materials

Abstract

Η παρούσα εργασία στοχεύει κυρίως στην σύνθεση και χαρακτηρισμό καινοτόμων μαγνητο-αποκρινόμενων υλικών και νανομεταφορέων φαρμάκων με ικανότητα απόκρισης σε μεταβολές στο pH. Μία νέα σειρά αδρομερών συμπολυμερών του τύπου PEGMAx-b-AEMAy έχει παρασκευαστεί με τη μέθοδο RAFT και χαρακτηριστεί με διάφορες μεθόδους συμπεριλαμβανομένων των SEC, 1H NMR (μοριακός χαρακτηρισμός), DSC και TGA (θερμικός χαρακτηρισμός) και AFM και DLS (μελέτη συμπεριφοράς συσσωμάτωσης). Τα PEGMAx-b-AEMAy χρησιμοποιήθηκαν επίσης προς σταθεροποίηση των SWCNT/FexOy σε νερό. Η μικροσκοπία TEM, απεκάλυψε την παρουσία σφαιρικών νανοσωματιδίων οξειδίου του σιδήρου πάνω στις επιφάνειες των SWCNT. Μετρήσεις VSM έδειξαν ότι τα μαγνητο-αποκρινόμενα SWCNTs επιδεικνύουν υπερπαραμαγνητική συμπεριφορά. Πέρα από την εφαρμογή των PEGMAx-b-AEMAy προς παρασκευή μαγνητο-αποκρινόμενων πολυμερικών υλικών, προκαταρκτικές μελέτες έδειξαν ότι τα PEGMAx-b-AEMAy μπορεί να δράσουν ως πιθανά συστήματα σε εφαρμογές biomineralization. Μια καινούργια προσέγγιση προς παρασκευή μαγνητο-αποκρινόμενων πολυμερικών πλεγμάτων που περιγράφεται στην παρούσα εργασία, συμπεριλαμβάνει τον τυχαίο συμπολυμερισμό των HEGMA και AEMA στην παρουσία είτε προ-παρασκευασμένων νανοσωματιδίων μαγνητίτη, επικαλυπτόμενων με ολεϊκό οξύ (OA.Fe3O4) ή μη-επικαλυπτόμενων μαγνητικών (νανο)σωματιδίων οξειδίου του σιδήρου (FexOy). Πέρα από τον χαρακτηρισμό των υλικών αυτών ως προς την σύσταση, την συμπεριφορά διόγκωσης σε οργανικούς και υδατικούς διαλύτες και τον θερμικό χαρακτηρισμό, o προσδιορισμός των μαγνητικών χαρακτηριστικών των συστημάτων αυτών με VSM ή PPMS, απεκάλυψε υπερπαραμαγνητική συμπεριφορά στα πλέγματα που περιείχαν τα OA.Fe3O4, ενώ τα πλέγματα στα οποία εμπερικλείονταν τα μη-επικαλυπτόμενα FexOy παρουσίασαν σιδηριμαγνητική συμπεριφορά. Αδρομερή συμπολυμερή με ικανότητα απόκρισης σε μεταβολή στο pH του τύπου HEGMAx-b-DEAEMAy συντέθηκαν με τη μέθοδο RAFT και εξετάστηκαν ως προς την ικανότητα δράσης τους ως συστήματα μεταφοράς φαρμάκων. Μετρήσεις κινητικής απελευθέρωσης φαρμάκου (DOX) επέδειξαν ότι σε όξινα pH, η μυκιλιακή δομή των HEGMAx-b-DEAEMAy καταρρέει (εξαιτίας της πρωτονίωσης του DEAEMA), οδηγώντας σε απελευθέρωση του φαρμάκου. Μελέτες κυτταροτοξικότητας έχουν διεξαχθεί σε σειρά καρκινικών κυττάρων μαστού, στην παρουσία μικυλίων HEGMAx-b-DEAEMAy (με ή χωρίς το DOX) και έχουν συσχετιστεί με τα αποτελέσματα που λήφθηκαν στην παρουσία ελεύθερου DOX και του DPBS (control).

The goal of this Ph.D. Thesis was to develop stimuli-responsive (i.e. magneto-responsive, thermo-responsive and pH-responsive) polymer-based materials of various architectures with potential applications in the biomedical field. In general, stimuli-responsive polymers possess functional groups rendering them capable of changing their properties by altering a parameter of the environment, such as the temperature, the pH, the magnetic and the electric field. In the biomedical field there is a great interest in the development of new polymer-based systems that are responsive to changes in (a) the temperature, (b) the presence of an external magnetic field and (c) the pH. Regarding the first Thesis target was the synthesis of innovative polymer-based magnetoresponsive/thermoresponsive materials were synthesized and characterized. In particular the preparation and characterization of (i) superparamagnetic polymeric micelles and (ii) superparamagnetic single-wall carbon nanotubes stabilized in aqueous media by the use of novel, well-defined amphiphilic block copolymers having hydrophilic/thermoresponsive (polyPEGMA) and metal-binding functionalities (polyAEMA) has been accomplished. Furthermore, in the present Thesis, magnetoresponsive/thermoresponsive polymer random co-networks were fabricated and characterized. In these systems either preformed oleic-acid coated or non-coated magnetic (nano)particles were incorporated inside polymeric random co-networks based on PEGMA and AEMA. The second Thesis target was the synthesis and characterization of well-defined multi-responsive block copolymers possessing hydrophilic/thermoresponsive (polyPEGMA) and pH-responsive moieties (polyDEAEMA) and their evaluation toward their ability to act as pH-triggered drug release systems. . Kinetic drug release studies (involving the anti-cancer drug Doxorubicin) have been carried out at different pHs, demonstrating for the first time the pH-triggered release ability of these systems.