Υβριδικά υλικά με βάση νανοδομημένους άνθρακες και λειτουργικά δενδριτικά πολυμερή: σύνθεση, χαρακτηρισμός και εφαρμογές

Abstract

The purpose of this dissertation is the development of novel nanostructured carbon-based materials modified with appropriate functional dendritic polymers, targeted towards biomedical applications. It is known that carbon-based nanomaterials have attracted significant scientific and technological interest due to their unique structural characteristics and their excellent electronic, mechanical, and thermal properties. Based on these properties, they have been used in a wide range of applications, from sensors to drug or gene delivery systems and antibacterial agents. However, their poor dispersibility in solvents, especially in water, has prevented their widespread use, and diminished their promising potential. Attempts to overcome this problem have focused on the functionalization of their surface, using a variety of covalent and non-covalent modification strategies.In this study, hybrid nanomaterials based on dendritic polymer functionalized carbon nanotubes or carbon nanodisks were developed and studied as anticancer drugs nanocarriers or antibacterial agents. To overcome their poor aqueous dispersibility, nanotubes and carbon nanodisks were modified with selected functional dendritic polymers in order to increase their hydrophilicity and thus their compatibility with the aqueous media, and on the other hand, to impart them with the desirable properties, depending on the envisaged application. For this purpose, functional dendritic polymers were synthesized, functionalized with groups that either facilitate transport through the cellular membranes or induce antibacterial properties to the final products. In more detail, in the first part of this dissertation, emphasis was given on the development of drug delivery systems based on the functionalized carbon nanotubes and carbon nanodisks. Specifically, efficient drug delivery system for doxorubicin with specific toxicity against tumor cells was prepared, based on oxidized multi-walled carbon nanotubes (oxCNTs) functionalized with guanidinylated dendritic molecular transporters through non-covalent interactions. To this end, guanidinylated derivatives of hyperbranched polyethyleneimine with molecular weight 5000 and 25000 Da (GPEI5K and GPEI25K), having analogous chemical structure with known cell membrane molecular transporters such as the guanidinylated poly(propylene imine) dendrimers, were synthesized in order to be used as transporting agents for drug delivery. Subsequently, these guanidinylated PEI derivatives interacted electrostatically and also through hydrogen bonding and van der Waals attraction forces with oxCNTs, affording hybrid materials (oxCNTs@GPEI5K and oxCNTs@GPEI25K) with GPEI loading of approximately 22 and 27%, respectively. The obtained functionalized CNTs were structurally characterized using elemental analysis, FTIR, Raman, XPS, and NMR, revealing the successful attachment of GPEIs on the surface of oxCNTs, while the homogenous wrapping of GPEIs all over the sidewalls of oxCNTs was microscopically confirmed by SEM and TEM. Moreover, as concluded by visual observation, UV–vis spectroscopy and ζ-potential measurements over time, these hybrid systems can be efficiently dispersed in aqueous media, affording stable aqueous dispersions for at least 6 months. The enhanced dispersion properties are attributed to the presence of guanidinium groups on the surface of the oxCNTs that not only induces hydrophilicity resulting in high aqueous compatibility, but also provides a positive surface charge necessary to cause electrostatic repulsion inhibiting their agglomeration. Subsequently, doxorubicin (DOX), a widely used anticancer drug, was efficiently loaded on the aforementioned hybrid materials to yield DOX-loaded systems. These systems exhibited high DOX loading and encapsulation efficiency (up to 52% loading and 99.5% encapsulation efficiency) due to π–π stacking interactions between the DOX and the CNTs, and also to the already known ability of dendritic polymers to efficiently encapsulate doxorubicin. DOX-loaded oxCNTs@GPEIs systems exhibited pH-triggered release. It was found that DOX can be efficiently released from both systems in acidic environments, with faster release rate from oxCNTs@GPEI25K. In vitro experiments employing cancer and non-cancerous cells demonstrated a rapid internalization of loaded DOX on the oxCNTs@GPEI5K nanocarrier system, and specific toxicity against cancer but not against non-cancerous cells. Additionally, this system significantly increased DOX efficiency compared to free drug, resulting in high toxicity in a non-apoptotic, fast and catastrophic manner that cancer cells cannot recover from. Even though loaded DOX was found to be more efficiently internalized and released from the oxCNTs@GPEI25K compared to the oxCNTs@GPEI5K system, this system failed to show specificity against cancer cells. Overall, we conclude that the oxCNTs@GPEI5K nanocarrier is a potent and efficient nanoscale DOX delivery, exhibiting high selectivity against cancerous cells, thus constituting a promising candidate for cancer therapy.Moreover, a new hybrid material (oxCNDs@FCDs) based on modified carbon nanodisks (oxCNDs), which represent an alternative approach to graphene, decorated with fluorescent carbon dots (FCDs) was developed in order investigate its ability to be used as “theranostic” agent, i.e. a system that can be simultaneous used for both imaging and therapeutic applications. Chemical characterization of this hybrid material employing a variety of physicochemical techniques such as fluorescence spectroscopy, NMR, FTIR, XPS, XRD, TGA, SEM and TEM microscopies, revealed successful and homogeneous decoration of the oxCNDs surface with FCDs at a loading ratio of 23% w/w, without causing a significant change in their graphene structure. In addition, this hybrid material can be efficiently dispersed in aqueous media as confirmed by the observation of the Tyndall scattering effect, while it’s very dilute aqueous dispersions exhibited strong blue fluorescence upon excitation in the UV region. DOX was efficiently loaded on the prepared hybrid materials affording a system with high loading and encapsulation efficiency (41% loading and 50% encapsulation efficiency) due to the π–π stacking interactions between the DOX and the oxCNDs. In vitro experiments in cancer and non-cancerous cells demonstrated a rapid internalization of DOX-loaded oxCNDs@FCDs system, with specific toxicity against cancer in contrast to normal cells. Additionally, it significantly increased anticancer activity compared to the free drug, resulting in high toxicity in a non-apoptotic, fast and catastrophic manner that cancer cells cannot recover from. Therefore, due to the intrinsic fluorescence properties of the fluorescent carbon dots functionalized carbon nanodisks coupled with their minimal cellular toxicity and their ability to deliver DOX selectively to cancer cells make them suitable to be used as safe and effective “theranostic” agents.In the second part of this dissertation, emphasis was given on the development of antibacterial agents based on the functionalized carbon nanotubes and carbon nanodisks. Specifically, negatively charged oxidized multi-walled carbon nanotubes (oxCNTs) were modified with positively charged quaternized hyperbranched polyethyleneimine derivatives (QPEIs), through non-covalent functionalization. It is known that polymers bearing positively charged groups, such as quaternary ammonium, guanidinium, arginine, lysine, etc., exhibit significant antibacterial properties. Thus, three quaternized derivatives of hyperbranched PEI, with 30, 50, and 80% substitution degree of the primary amino groups, were synthesized and, subsequently, physically interacted with oxCNTs, yielding three novel hybrid nanomaterials (oxCNTs@QPEIs). Structural characterization of these hybrid materials using elementary analysis, FTIR, and Raman, revealed the successful and homogenous anchoring of QPEIs on the oxCNTs surface, with QPEI loading ranging between ca. 16–23%. Microscopic techniques (TEM and SEM) revealed the effective wrapping of the QPEI over the oxCNTs. The obtained hybrids can be efficiently dispersed in aqueous media, forming dispersions with excellent stability for over 12 months. To evaluate the antibacterial properties of these hybrids, the gram (−) bacterial strain Escherichia coli XL1-blue (E. coli) was used. It was found that all materials exhibited enhanced, dose-dependent antibacterial activity against E. coli. The obtained EC50 values were much lower compared to that of oxCNTs, revealing that the non-covalent attachment of QPEIs strongly enhances the antibacterial properties of the hybrid materials. These improved properties were attributed to the polycationic character of the oxCNTs@QPEIs, which enables the effective interaction of the hybrids with the bacteria membranes, facilitating their internalization into the cells. Moreover, the excellent aqueous dispersibility and stability of the hybrids, upon increasing the quaternization degree, further enhanced their activity. Indeed, the QPEI derivative containing the highest content of quaternary ammonium groups (80-QPEI) exhibited the best performance, compared to the other QPEI derivatives. Furthermore, cytotoxicity studies on human prostate carcinoma DU145 cell line and the 3T3 mouse fibroblasts were performed, revealing that all hybrids exhibit high cytocompatibility in the concentration range in which they exhibit high antibacterial properties. The results suggest that QPEI-functionalized oxCNTs can be very attractive candidates as antibacterial agents that can be used for potential applications in the disinfection industry.Subsequently, the antibacterial activity of the GPEI derivatives was assessed against the gram (+) bacterial strain S. aureus, and the gram (-) bacterial strain E. coli. It was found that both derivatives are more toxic against S. aureus bacteria compared to E. coli, with GPEI25K being slightly more potent against E. coli than GPEI5K, while against S. aureus both polymers exhibit similar toxicity. Triggered from these results, the hybrid materials oxCNTs@GPEI5K and oxCNTs@GPEI25K, previously studied as drug delivery systems, were evaluated regarding their antibacterial properties. The antibacterial activity of these hybrid materials was also assessed against S. aureus and E. coli. From the obtained results, it is evident that both hybrid materials exhibit improved antibacterial properties compared to oxCNTs, with oxCNTs@GPEI5K exhibiting the highest activity, especially against E. coli. Additionally, the cytotoxicity studies of the oxCNTs@GPEI5K and oxCNTs@GPEI25K, at concentrations equal to their EC50 values, revealed that both hybrids exhibit low cell toxicity. Therefore, both oxCNTs@GPEIs are promising systems able to be used as safe, antibacterial agents.Finally, due to the positive results obtained from the antibacterial study of oxCNTs@GPEIs and realizing that GPEIs play an important role in the antibacterial properties of the nanomaterials, oxCNDs were modified with GPEI5K and GPEI25K through covalent and non-covalent interactions in order to be studied as antibacterial agents. Chemical characterization of this hybrid material employing a variety of physicochemical techniques such as NMR, FTIR, XPS, XRD, TGA, SEM and TEM microscopies, revealed successful and homogeneous attachment of GPEIs on the oxCNDs surface at a loading ratio of approximately 10% w/w, without causing a significant alteration in their graphene structure. In addition, these hybrid materials can be efficiently dispersed in aqueous media as confirmed by the observation of the Tyndall scattering effect. Both hybrid materials exhibit improved antibacterial properties against S. aureus and E. coli compared to oxCNDs, with oxCNDs@GPEI5K exhibiting the highest activity, especially against E. coli. Finally, the cytotoxicity studies of both oxCNDs@GPEI5K and oxCNDs@GPEI25K revealed that minimal cellular toxicity was observed at concentrations equal to their EC50 values. Therefore, both oxCNDs@GPEIs simultaneously exhibited both low cytotoxicity and enhanced antibacterial properties and, thus, can be used as safe, antibacterial agents.In conclusion, the combination of nanostructured carbon-based materials with appropriately selected functional dendritic polymers affords innovative hybrid nanomaterials with improved properties compared to parent nanomaterials, suitable to be employed either as drug delivery systems or as antibacterial agents.

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός υβριδικών υλικών με βάση νανοδομημένους άνθρακες και κατάλληλα επιλεγμένα λειτουργικά δενδριτικά πολυμερή και ακολούθως η μελέτη τους σε βιολογικές εφαρμογές. Είναι γνωστό από την βιβλιογραφία, ότι οι νανοδομημένοι άνθρακες παρουσιάζουν εξαιρετικές ηλεκτρικές, μηχανικές και θερμικές ιδιότητες και έχουν μοναδικά δομικά χαρακτηριστικά. Για το λόγο αυτό, έχουν μελετηθεί ως αισθητήρες, φορείς φαρμάκων και γονιδίων, αντιβακτηριακά υλικά και άλλες εφαρμογές. Στην συγκεκριμένη εργασία πραγματοποιήθηκε η ανάπτυξη υβριδικών νανοϋλικών με βάση τους τροποποιημένους νανοσωλήνες και τους νανοδίσκους άνθρακα, τα οποία στη συνέχεια μελετήθηκαν ως φορείς φαρμάκων με αντικαρκινικές ιδιότητες ή ως αντιβακτηριακά υλικά. Λόγω του ότι τα υλικά άνθρακα δεν έχουν καλή διασπορά σε διαλύτες και ειδικώς σε υδατικά μέσα, τροποποιήθηκαν με κατάλληλα επιλεγμένα λειτουργικά δενδριτικά πολυμερή ώστε αφενός να αυξηθεί η υδροφιλικότητα τους και άρα η συμβατότητα τους με τα υδατικά μέσα και αφετέρου να αποκτήσουν επιθυμητές ιδιότητες ανάλογα με την εφαρμογή. Για τον λόγο επιλέχθηκαν δενδριτικά πολυμερή που φέρουν ομάδες που διευκολύνουν την διέλευση δια μέσου της κυτταρικής μεμβράνης, αλλά και ομάδες που βελτιώνουν τις αντιβακτηριακές ιδιότητες των τελικών προϊόντων.Αναλυτικά, στο πρώτο τμήμα της διατριβής δόθηκε έμφαση στην τροποποίηση νανοσωλήνων άνθρακα με δενδριτικούς διαμεμβρανικούς μεταφορείς καθώς και στην τροποποίηση νανοδίσκων άνθρακα με φθορίζουσες νανοτελείες άνθρακα με στόχο να μελετηθούν ως φορείς φαρμάκων. Συγκεκριμένα, αναπτύχθηκαν υβριδικά υλικά με βάση τους οξειδωμένους νανοσωλήνες άνθρακα (oxCNTs) και λειτουργικά δενδριτικά πολυμερή, παράγωγα της υπερδιακλαδισμένης πολυαιθυλενιμίνης (PEI) δύο διαφορετικών μέσων μοριακών βαρών 5000 και 25000, των οποίων οι πρωτοταγείς αμινομάδες είχαν υποκατασταθεί ποσοτικά (~100%) με ομάδες γουανιδίνης (GPEI5K και GPEI25K). Η επιτυχής πρόσδεση των πολυμερών πάνω στους νανοσωλήνες μέσω ηλεκτροστατικών δεσμών, δεσμών υδρογόνου και δυνάμεων van der Waals βεβαιώθηκε με χρήση διαφόρων τεχνικών, όπως 1H και 13C NMR, FTIR, Raman, XPS, TGA και XRD, ενώ τα ποσοστά των GPEIs στα oxCNTs@GPEI5K και oxCNTs@GPEI25K βρέθηκε ότι είναι 22.7 και 27.5% w/w, αντίστοιχα. Επιπλέον, από τη μελέτη της μορφολογίας τους με μικροσκοπίες SEM, TEM και AFM βρέθηκε ότι τα πολυμερή είναι σταθερά προσδεδεμένα και περιβάλουν ομογενώς τα τοιχώματα των νανοσωλήνων. Η σταθερότητα των υδατικών τους διασπορών αξιολογήθηκε οπτικά, αλλά και με φασματοσκοπία UV-vis και μετρήσεις ζ-δυναμικού, όπου βρέθηκε ότι παραμένουν σταθερές για τουλάχιστον 6 μήνες εξαιτίας της παρουσίας των γουανιδινικών ομάδων που προσδίδουν υδροφιλικότητα στους νανοσωλήνες άνθρακα. Στη συνέχεια, για να αξιολογηθούν τα συστήματα αυτά ως νανοφορείς αντικαρκινικών φαρμάκων, η δοξορουβικίνη (DOX), ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο αντικαρκινικό φάρμακο της ομάδας των ανθρακυκλινών, δεσμεύτηκε σε ποσοστό 44 και 52% w/w στα υβριδικά νανοϋλικά oxCNTs@GPEI5K και oxCNTs@GPEI25K, αντίστοιχα, κυρίως μέσω π-π αλληλεπιδράσεων. Μελέτη της αποδέσμευσης της DOX από τα υβριδικά υλικά σε δύο διαφορετικές συνθήκες pH, (7.4 και 5.5) έδειξε ότι στο όξινο περιβάλλον η DOX αποδεσμεύεται από τα νανοϋλικά με πιο γρήγορο ρυθμό από ότι στο φυσιολογικό pH. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η αντικαρκινική δράση της δεσμευμένης DOX στα oxCNTs@GPEI5K και oxCNTs@GPEI25K καθώς και ο εντοπισμός της μέσα στα κύτταρα. Επίσης, διερευνήθηκε ο μηχανισμός της αντικαρκινικής δράσης της μέσω του προσδιορισμού του ποσοστού της απόπτωσης/νέκρωσης των κυττάρων. Με βάση τα αποτελέσματα, βρέθηκε ότι το σύστημα oxCNTs@GPEI5K/DOX εμφανίζει αυξημένη και εκλεκτική τοξικότητα στα καρκινικά κύτταρα σε αντίθεση με τα μη καρκινικά, ενώ αντιθέτως το σύστημα oxCNTs@GPEI25K/DOX εμφανίζει σημαντικά μεγάλη τοξικότητα, ανεξάρτητα από τον τύπο των κυττάρων. Τέλος, βρέθηκε ότι και τα δύο συστήματα αυξάνουν σημαντικά τη δραστικότητα της DOX σε σχέση με την ελεύθερη, μέσω ενός νενκρωτικού, μη αποπτωτικού, γρήγορου και καταστροφικού μηχανισμού από τον οποίο τα καρκινικά κύτταρα δεν μπορούν να ανακάμψουν. Συμπερασματικά, μεταξύ των δύο νανοφορέων, το oxCNTs@GPEI5K είναι πιο αποτελεσματικό σύστημα μεταφοράς της DOX, το οποίο παρουσιάζει σημαντική εκλεκτική τοξικότητα έναντι των καρκινικών κυττάρων, αποτελώντας ένα ελπιδοφόρο σύστημα για θεραπεία του καρκίνου.Αντίστοιχη μελέτη πραγματοποιήθηκε σε ένα νέο υβριδικό υλικό (oxCNDs@FCDs) με βάση τους τροποποιημένους νανοδίσκους άνθρακα, οι οποίοι αντιπροσωπεύουν μια εναλλακτική προσέγγιση του κλασικού γραφενίου, με φθορίζουσες τελείες άνθρακα ως ένα σύστημα ταυτόχρονης ανίχνευσης και μεταφοράς φαρμάκων (theranostics). Το υβριδικό αυτό υλικό χαρακτηρίστηκε φυσικοχημικά με φασματοσκοπίες φθορισμού, 1H NMR, FTIR και XPS, ενώ η δομή του χαρακτηρίστηκε με XRD και TGA. Η μορφολογία του μελετήθηκε με μικροσκοπίες SEM και ΤΕΜ. Από τα αποτελέσματα που ελήφθησαν συμπεραίνεται ότι οι φθορίζουσες νανοτελείες άνθρακα είναι ομοιόμορφα δεσμευμένες σε όλη την επιφάνεια των oxCNDs σε ποσοστό 23% w/w, χωρίς να προκαλούν σημαντική μεταβολή της γραφιτικής δομής τους. Επιπλέον, μελετήθηκε η ικανότητά τους να διασπείρονται αποτελεσματικά σε υδατικά μέσα, ενώ με φασματοσκοπία φθορισμού αποδείχθηκε ότι παρουσιάζουν ισχυρό μπλε φθορισμό μετά από διέγερση στην περιοχή UV. Ακολούθως το νέο υβριδικό υλικό μελετήθηκε ως προς τη δυνατότητα του να χρησιμοποιηθεί ως αποτελεσματικό σύστημα ταυτόχρονης ανίχνευσης και μεταφοράς φαρμάκων. Αποδείχθηκε ότι η DOX δεσμεύεται επιτυχώς στα oxCNDs@FCDs κυρίως μέσω π-π αλληλεπιδράσεων, σε ποσοστό ~41% w/w. Στη συνέχεια μελετήθηκε η αντικαρκινική δράση της δεσμευμένης DOX καθώς και ο εντοπισμός τόσο της DOX, όσο και των oxCNDs@FCDs μέσα στα κύτταρα. Βρέθηκε ότι τα oxCNDs@FCDs αυξάνουν σημαντικά τη δραστικότητα της DOX σε σχέση με την ελεύθερη, μέσω ενός νεκρωτικού, μη αποπτωτικού, γρήγορου και καταστροφικού μηχανισμού. Συνεπώς, οι τροποποιημένοι νανοδίσκοι άνθρακα με φθορίζουσες νανοτελείες άνθρακα, οι οποίοι εμφανίζουν χαμηλή τοξικότητα, εκλεκτική και ενισχυμένη μεταφορά της DOX στα καρκινικά κύτταρα καθώς και δυνατότητα εντοπισμού στα κύτταρα λόγω της ιδιότητας τους να φθορίζουν, είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν ως ένα ασφαλές και αποτελεσματικό σύστημα ανίχνευσης και μεταφοράς φαρμάκων με εκλεκτικότητα στα καρκινικά κύτταρα.Στο δεύτερο μέρος της διατριβής αναπτύχθηκαν υβριδικά υλικά, τα οποία μελετήθηκαν ως προς τις αντιβακτηριακές τους ιδιότητες. Συγκεκριμένα, οξειδωμένοι νανοσωλήνες άνθρακα τροποποιήθηκαν μη ομοιοπολικά με παράγωγα της υπερδιακλαδισμένης πολυαιθυλενιμίνης των οποίων οι πρωτοταγείς αμινομάδες είχαν υποκατασταθεί με τεταρτοταγείς αμμωνιακές ομάδες (QPEI). Ο βαθμός υποκατάστασης των πρωτοταγών αμινομάδων της ΡΕΙ ήταν 30%, 50% και 80% και τα τελικά υβριδικά υλικά που προέκυψαν ήταν τα oxCNTs@30-QPEI, oxCNTs@50-QPEI και oxCNTs@80-QPEI. Η δομή τους καθώς και η επιτυχής πρόσδεση των πολυμερών πάνω στην επιφάνεια των νανοσωλήνων αξιολογήθηκε με FTIR, Raman, TGA και στοιχειακή ανάλυση. Το ποσοστό των QPEIs στα oxCNTs@30-QPEI, oxCNTs@50-QPEI και oxCNTs@80-QPEI υπολογίστηκε ότι είναι 16%, 20% και 23% w/w, αντίστοιχα. Επίσης, τα μορφολογικά χαρακτηριστικά τους μελετήθηκαν με μικροσκοπίες SEM, TEM και AFM, όπου βεβαιώνουν ότι τα τοιχώματα των oxCNTs περιβάλλονται ομογενώς από τα πολυμερή. Αποτέλεσμα αυτού είναι να αυξάνεται η υδροφιλικότητα των oxCNTs και κατά συνέπεια να αυξάνεται και η ικανότητα τους να διασπαρθούν σε υδατικά διαλύματα, λαμβάνοντας υδατικές τους διασπορές που παραμένουν σταθερές για τουλάχιστον 18 μήνες. Ακολούθησε αντιβακτηριακή μελέτη των υλικών σε μετασχηματισμένα gram (-) βακτήρια Escherichia coli XL1-blue, που εκφράζουν την κόκκινη φθορίζουσα πρωτεΐνη (RFP). Βρέθηκε ότι όλα τα oxCNTs@QPEIs εμφανίζουν βελτιωμένες αντιβακτηριακές ιδιότητες σε σχέση με τα oxCNTs καθώς και ότι η δράση τους αυξάνεται όσο αυξάνεται και ο βαθμός υποκατάστασης της PEI από 30% στα 80%. Τέλος, η μελέτη κυτταροτοξικότητας των oxCNTs@QPEIs έδειξαν ότι δεν εμφανίζουν σχεδόν καμία τοξικότητα σε συγκεντρώσεις ίσες με αυτές που απαιτούνται για να θανατωθεί το 50% του αρχικού πληθυσμού των βακτηρίων (ΕC50) τιμές. Συνεπώς, τα υβριδικά υλικά oxCNTs@QPEIs είναι ελπιδοφόρα συστήματα για εφαρμογές ως ασφαλή, αντιβακτηριακά υλικά. Στην συνέχεια, μελετήθηκε η αντιβακτηριακή δράση των GPEIs στα gram (+) S. aureus βακτήρια και στα gram (-) E. coli βακτήρια. Βρέθηκε ότι και τα δύο γουανιδιωμένα παράγωγα είναι πιο τοξικά στο στέλεχος S. aureus σε σχέση με το E. coli, με το GPEI25K να είναι ελαφρώς πιο τοξικό στα E. coli από ότι το GPEI5K, ενώ στα S. aureus και τα δύο πολυμερή εμφανίζουν ανάλογη τοξικότητα. Βασιζόμενοι στα αποτελέσματα αυτά μελετήθηκε, στη συνέχεια η αντιβακτηριακή δράση των υβριδικών υλικά oxCNTs@GPEI5K και oxCNTs@GPEI25K στα δύο στελέχη βακτηρίων, E. coli και S. aureus. Από τα αποτελέσματα που ελήφθησαν, συμπεραίνεται ότι και τα δύο υβριδικά υλικά, με βέλτιστο το oxCNΤs@GPEI5Κ, εμφανίζουν βελτιωμένες αντιβακτηριακές ιδιότητες και ιδιαίτερα έναντι των κατά gram (-) E. coli βακτηρίων. Τέλος, η μελέτη κυτταροτοξικότητας των oxCNTs@GPEI5K και oxCNTs@GPEI25K έδειξε ότι εμφανίζουν χαμηλή τοξικότητα σε συγκεντρώσεις ίσες με τις ΕC50 τιμές τους. Συνεπώς, συμπεραίνεται ότι και τα δύο oxCNTs@GPEIs είναι ελπιδοφόρα συστήματα ικανά να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές ως ασφαλή, αντιβακτηριακά υλικά. Τέλος, λόγω των θετικών αποτελεσμάτων που προέκυψαν από την αντιβακτηριακή μελέτη των oxCNΤs@GPEIs αλλά και της διαπίστωσης ότι τα GPEIs παίζουν σημαντικό ρόλο στις αντιβακτηριακές ιδιότητες των υλικών, τροποποιήθηκαν οξειδωμένοι νανοδίσκοι άνθρακα (oxCNDs) με τα γουανιδιωμένα δενδριτικά πολυμερή GPEI5K και GPEI25K, προκειμένου να μελετηθεί η αντιβακτηριακή τους δράση. Η επιτυχής πρόσδεση των πολυμερών πάνω στους νανοδίσκους πιστοποιήθηκε με φασματοσκοπίες FTIR, Raman και XPS, ενώ η δομή τους μελετήθηκε με XRD και TGA. Το ποσοστό των πολυμερών στα υβριδικά υλικά υπολογίστηκε ότι είναι 8.4% και 10.5% w/w για τα oxCNDs@GPEI5K και oxCNDs@GPEI25K αντίστοιχα. Η μορφολογία τους μελετήθηκε με μικροσκοπίες SEM, TEM και AFM και βρέθηκε ότι τα πολυμερή δεσμεύονται ομοιογενώς πάνω στα φύλλα των νανοδίσκων. Ακολούθως, πραγματοποιήθηκε η αντιβακτηριακή μελέτη των νανοϋλικών στα gram (-) E. coli βακτήρια και στα gram (+) S. aureus βακτήρια. Από τα αποτελέσματα που ελήφθησαν, συμπεραίνεται ότι και τα δύο υβριδικά υλικά, με βέλτιστο το oxCNDs@GPEI5Κ, εμφανίζουν βελτιωμένες αντιβακτηριακές ιδιότητες και ιδιαίτερα έναντι των κατά gram (-) E. coli βακτηρίων. Τέλος, η μελέτη τοξικότητας των υβριδικών υλικών έδειξε ότι σε συγκεντρώσεις ίσες με τις τιμές ΕC50 δεν εμφανίζουν καμία τοξικότητα. Συνεπώς, και τα δύο oxCNDs@GPEIs είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές ως ασφαλή, αντιβακτηριακά υλικά εφόσον παρουσιάζουν ταυτόχρονα τόσο χαμηλή κυτταροτοξικότητα όσο και ενισχυμένες αντιβακτηριακές ιδιότητες.Συμπερασματικά, ο συνδυασμός νανοδομημένων υλικών άνθρακα με κατάλληλα επιλεγμένα λειτουργικά δενδριτικά πολυμερή οδηγεί στην ανάπτυξη καινοτόμων υβριδικών υλικών που παρουσιάζουν βελτιωμένες ιδιότητες σε σχέση με τα αρχικά υλικά και δυνατότητες εφαρμογής τους είτε ως φορείς φαρμάκων είτε ως αντιβακτηριακά υλικά.