Ανάπτυξη στοχευμένων νανοσωματιδίων συζυγιακών πολυμερών με εφαρμογή στη βιοαπεικόνιση

Abstract

Within the scope of this doctoral thesis, the development of conjugated polymers was investigated with the aim of their application in bioimaging. The research project focused on the design, synthesis, isolation and characterization of π-conjugated polymers, as well as the formation of the corresponding nanoparticles. Initially, various alternating polymer families were synthesized, differing in their repeating units. Specifically, hydrophobic polymers with repeating units such as benzo[1,2,3]triazole - thiophene, quinoxaline-thiophene, indacenodithiophene - [1,2,5]thiadiazolo[3,4-g]quinoxaline, as well as amphiphilic polymers with repeating units like thiophene - benzothiadiazole, thiophene - benzoselenodiazole, and thiophene - [1,2,5]thiadiazolo[3,4-g]quinoxaline - thiophene - dithiophene were composed. The synthesized monomers were characterized using nuclear magnetic resonance spectroscopy for proton, carbon, and fluorine nuclei, and high-resolution mass spectrometry. Additionally, the π-conjugated polymers were characterized using various techniques, including nuclear magnetic resonance spectroscopy for proton, carbon and fluorine nuclei, electron microscopy, absorption and emission spectroscopy. Subsequently, the polymers were employed for the production of the corresponding nanoparticles, utilizing the methods of nanoprecipitation and encapsulation. The resulting nanoparticles underwent a comprehensive study of their properties, where their ability to produce fluorescence or photoacoustic signal was examined. The final stage of the research focus on the application of nanoparticles as imaging agents. Through toxicity experiments on cellular lines, the low toxicity was confirmed. The encouraging results, both in terms of fluorescence or photoacoustic signal production and the low cytotoxicity, validate the potential use of these nanoparticles in bioimaging.

Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής μελετήθηκε η ανάπτυξη π-συζυγιακών πολυμερών με στόχο την εφαρμογή τους στη βιοαπεικόνιση. Το ερευνητικό ενδιαφέρον επικεντρώθηκε στον σχεδιασμό, τη σύνθεση, την απομόνωση, τον χαρακτηρισμό π-συζυγιακών πολυμερών, καθώς και στον σχηματισμό των αντίστοιχων νανοσωματιδίων. Αρχικά συντέθηκαν διαφορετικές οικογένειες εναλλασσόμενων πολυμερών, οι οποίες διέφεραν ως προς τις δομικές τους μονάδες. Συγκεκριμένα συντέθηκαν υδρόφοβα πολυμερή με επαναλαμβανόμενες δομικές μονάδες βενζο[1,2,3]τριαζολιο-θειφαίνιο, κινοξαλινη-θειοφαίνιo, ινδακενοδιθειοφαινιο-[1,2,5]θειαδιαζολο[3,4-g]κινοξαλίνη, καθώς και αμφίφιλα πολυμερή με δομικές μονάδες όπως θειοφαινιο-βενζοθειαδιαζόλιο, θειοφαινιο-βενζοσεληνοδιαζόλιο και θειοφαινιο-[1,2,5]θειαδιαζολο[3,4-g]κινοξαλινη-θειοφαινιο-διθειοφαίνιο.Τα συντιθέμενα μονομερή χαρακτηρίστηκαν μέσω φασματοσκοπίας πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού για τους πυρήνες του πρωτονίου, του άνθρακα και του φθορίου και φασματοσκοπία μάζας υψηλής ανάλυσης. Επιπλέον, τα π-συζυγιακά πολυμερή χαρακτηρίστηκαν με διάφορες τεχνικές όπως φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού για τους πυρήνες πρωτονίου, άνθρακα και φθορίου, ηλεκτρονική μικροσκοπία, φασματοσκοπία απορρόφησης και εκπομπής. Έπειτα, τα πολυμερή χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή των αντίστοιχων νανοσωματιδίων, με τη χρήση των μεθόδων νανοκαταβύθισης ή εγκλωβισμού. Ο χαρακτηρισμός των νανοσωματιδίων πραγματοποιήθηκε μέσω δυναμικής σκέδασης φωτός, φασματοσκοπίας απορρόφησης και εκπομπής. Τα νανοσωματίδια που προέκυψαν αποτέλεσαν αντικείμενο μελέτης των ιδιοτήτων τους, όπου εξετάστηκε η ικανότητα τους να παράγουν φθορισμό ή φωτοακουστικό σήμα. Το τελικό στάδιο της έρευνας επικεντρώνεται στην εφαρμογή των νανοσωματιδίων ως απεικονιστικών παραγόντων. Μέσω πειραμάτων τοξικότητας σε κυτταρικές σειρές, επιβεβαιώθηκε η χαμηλή τοξικότητα των νανοσωματιδίων. Τα ενθαρρυντικά αποτελέσματα τόσο στην παραγωγή φθορισμού ή φωτοακουστικού σήματος, όσο και τα χαμηλά επίπεδα τοξικότητας, επιβεβαιώνουν την προοπτική χρησιμοποίησης αυτών των νανοϋλικών στη βιοαπεικόνιση. Η διδακτορική διατριβή συνιστά συνεισφορά στον τομέα των πολυμερικών νανοϋλικών, θέτοντας τη βάση για μελλοντικές έρευνες και περαιτέρω διερεύνηση στη βελτιστοποίηση της τεχνολογίας αυτής.