Υβριδικά υλικά θαλλίου με οργανικά φυσιολογικά υποστρώματα στο δομο-εξαρτώμενο συσχετισμό βιοτοξικότητας για βιολογικές εφαρμογές
Creators: name: Μάτσια, Σεβαστή Ρόλαντ
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2018
Subjects: Θάλλιο-υδροξυκαρβοξυλικά οξέα
Δομική ειδοκατανομή
Πολυμερή συναρμογής
Thallium-hydroxycarboxylic acids
Structural speciation
Coordination polymers

description: Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την ανάπτυξη υβριδικών δυαδικών υλικών θαλλίου με (βιο)τεχνολογική διαγνωστική αξία στην εφαρμογή ιχνηλατών χαρτογράφησης ιστών. Η προσπάθεια αυτή αντιπροσωπεύει συνδυασμένη προσέγγιση συμβολής διεργασιών από το σχεδιασμό, τη σύνθεση υλικών και το φυσικοχημικό τους χαρακτηρισμό μέχρι την in vitro μοριακή βιολογία. Προς το σκοπό αυτό, μελετάται η υδατική δομική ειδοκατανομή δυαδικών συστημάτων θαλλίου (Tl(I)) με υδροξυκαρβοξυλικά οξέα φυσικής προέλευσης, που οδηγεί σε νέα υλικά της οικογένειας των κρυσταλλικών πολυμερών συναρμογής. Στη συνέχεια, διαλογή των υλικών με βάση το φυσικοχημικό τους προφίλ στη στερεά κατάσταση και στο διάλυμα, προκειμένου να χρησιμοποιηθούν σε περαιτέρω in vitro μελέτες βιολογικής δραστικότητας. Για την υλοποίηση της έρευνας αυτής, πραγματοποιήθηκαν pH-εξαρτώμενα συνθετικά πειράματα σε υδατικό περιβάλλον, με ρυθμιζόμενες μεταβλητές το pH και τη στοιχειομετρική αναλογία των αντιδρώντων. Δεδομένου ότι ο τελικός στόχος ήταν η ανάπτυξη προηγμένων υλικών-μορφών του θαλλίου με προοπτική χρήσης σε διαγνωστικές διεργασίες, τα α-υδροξυκαρβοξυλικά οξέα που επιλέχθηκαν εκφράζουν τη δομική ποικιλία που χαρακτηρίζει ιδιότητες σε βιολογικό επίπεδο (υδροφιλικότητα-υδροφοβικότητα, μεταλλοδέσμευση και εξειδίκευση συναρμογής, μεταβολική και ενεργειακή φύση, κ.ά.). Τα τέσσερα παραγόμενα κρυσταλλικά πολυμερή συναρμογής χαρακτηρίστηκαν με φασματοσκοπία FT-IR και κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ, για τον ακριβή προσδιορισμό της τρισδιάστατης δομής τους. Η φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR) στην υγρή φάση (1H- και 13C-NMR) έδωσε το αποτύπωμα της μεταλλοδέσμευσης και ταυτότητας σε όλα τα υλικά. Η φασματοσκοπία μαζών με ηλεκτροψεκασμό (ESI-MS) απεκάλυψε την ύπαρξη των ειδών που αναπτύσσονται σε υδατικό διάλυμα κάτω από συνθήκες θερμοδυναμικής ισορροπίας (steady state). Ο αναδυόμενος συσχετισμός δομής στη στερεά και υγρή φάση προσέφερε καλά χαρακτηρισμένα είδη προς διαλογή για μελέτες βιοδραστικότητας σε επίπεδο μοριακής βιολογίας. Συλλογικά, ο σχεδιασμός, η σύνθεση, και ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός των νέων δυαδικών υλικών διαμόρφωσαν ολιστικά το χημικό τους δυναμικό προφίλ που θα χρησιμοποιηθεί σε περαιτέρω in vitro μελέτη της βιοτοξικότητας και βιοδυναμικού προφίλ με ιστοειδικές κυτταρικές σειρές. Ως εκ τούτου, η διαπεδιακή προσέγγιση της μελέτης αυτής υποδηλώνει την ισχύ των φυσικοχημικών διεργασιών στην ανάπτυξη τεχνολογίας καλά-καθορισμένων υβριδικών υλικών με βιολογική δραστικότητα (διαγνωστική αξία) στην κυτταρική (παθο)φυσιολογία.
description: The present work revolves around the development of hybrid binary materials of thallium with (bio)technological diagnostic value as probes in tissue mapping. The effort reflects the combined contribution of processes extending from the design, synthesis and physicochemical characterization of materials to molecular biology. Toward that goal, the aqueous structural speciation of binary systems of thallium (Tl(I)) with physiological α-hydroxycarboxylic acids was pursued, leading to new materials belonging to the family of coordination polymers. Subsequently, screening of the arisen materials based on their physicochemical profile, in the solid state and in solution, took place based on which select materials could be forwarded into in vitro biological experiments. At the implementation level, synthetic experiments were carried out in an aqueous medium, with the major parameters monitored being pH and reagent molecular stoichiometry. Given the ultimate goal of the work pertaining to the development of advanced materials meriting use in diagnostic processes, the α-hydroxycarboxylic acids chosen exemplify the structural diversity projecting biological reactivity properties (hydrophilicity-hydrophobicity, metal ion binding, metabolic and energy nature, etc.). The four new crystalline coordination polymers were characterized through FT-IR spectroscopy and X-ray crystallography, for accurate determination of their three-dimensional structure. Furthermore, solution 1H-, 13C-NMR spectroscopy was employed to record their metal-binding imprint of the carbon skeleton and their identity. Subsequently, Electrospray Ionization Mass spectroscopy (ESI-MS) revealed their identity profile in solution, giving rise to the aqueous speciation profile under steady state conditions. The arising correlation in the solid state and in solution provided ample information on the well-characterized species for selection in bioactivity studies at the molecular biology level. Collectively, the design, synthesis, and physicochemical characterization of the new binary materials provided a holistic view of their chemical dynamic profile to be used in the determination of the biotoxicity profile through in vitro experimentation in tissue-specific cell lines. As a result, the interdisciplinary approach of their study denotes the power of physicochemical processes in the development of technology well-defined hybrid materials with biological activity (diagnostic value) in cellular (patho)physiology.