Σύνθεση και χαρακτηρισμός νανοσωματιδίων τροποποιημένης τιτανίας με φωτοεπαγόμενη βιολογική δράση

Μιχαλοπούλου, Δήμητρα; Michalopoulou, Dimitra

dc.contributor.author	Μιχαλοπούλου, Δήμητρα	el
dc.contributor.author	Michalopoulou, Dimitra	en
dc.date.accessioned	2020-10-23T16:11:31Z
dc.date.available	2020-10-23T16:11:31Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/51616
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.19314
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/gr/	*
dc.subject	Τιτάνιο	el
dc.subject	Άζωτο	el
dc.subject	Σίδηρος	el
dc.subject	Αντικαρκινικές ιδιότητες	el
dc.subject	Φωτοκατάλυση στο ορατό	el
dc.subject	Visible-light photocatalysis	en
dc.subject	Iron	en
dc.subject	Nitrogen	en
dc.subject	Anticancer properties	en
dc.subject	Sol-gel method	en
dc.title	Σύνθεση και χαρακτηρισμός νανοσωματιδίων τροποποιημένης τιτανίας με φωτοεπαγόμενη βιολογική δράση	el
dc.contributor.department	Τομέας Χημικών Επιστημών - Εργαστήριο Γενικής Χημείας	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Γενική Χημεία	el
heal.classification	Νανοϋλικά	el
heal.classification	Χημικές Επιστήμες	el
heal.classification	Nanomaterials	en
heal.classification	General Chemistry	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-07-17
heal.abstract	Η φωτοκατάλυση με TiO2 αποτελεί ένα ιδιαίτερα μελετημένο επιστημονικό πεδίο τα τελευταία χρόνια, λόγω του μεγάλου αριθμού εφαρμογών που προσφέρει. Η χρήση του αφορά κυρίως δύο πεδία: το περιβάλλον και την ενέργεια, όπως για παράδειγμα αυτό-καθαριζόμενες επιφάνειες, καθαρισμό νερού, φωτοηλεκτροχημική μετατροπή κ.ά. Με την ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας, τα νανοσωματίδια παίζουν σημαντικό ρόλο και σε ιατρικές εφαρμογές. Για την εκμετάλλευση φωτός διευρυμένου μήκους κύματος στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, έχουν πραγματοποιηθεί μελέτες τροποποίησης της τιτανίας με μέταλλα και αμέταλλα στοιχεία. Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρασκευάστηκαν, με τη μέθοδο sol-gel, νανοσωματίδια τροποποιημένης τιτανίας με άζωτο, σίδηρο και συνδυασμό αζώτου-σιδήρου, με φωτοκαταλυτικές και αντικαρκινικές ιδιότητες στην περιοχή ορατού φωτός. Είναι γνωστό ότι το TiO2 επιδεικνύει φωτοκαταλυτική συμπεριφορά στο υπεριώδες φως, ωστόσο αυτό δεν ενδείκνυται για βιολογική εφαρμογή λόγω των επιπτώσεων της ακτινοβολίας στα υγιή κύτταρα. Η τροποποίηση, λοιπόν, της τιτανίας στοχεύει στην εφαρμογή σε καρκινικά κύτταρα μαστού και τη διερεύνηση της αντικαρκινικής δράσης της στο ορατό φάσμα ακτινοβολίας. Τη σύνθεση των νανοσωματιδίων ακολούθησε ο χαρακτηρισμός αυτών με ενόργανες τεχνικές ανάλυσης. Σε αυτές περιλαμβάνονται φασματοσκοπικές τεχνικές, όπως XRD, micro-Raman και FT-IR για τη μελέτη της κρυσταλλικότητας των νανοσωματιδίων, του κρυσταλλικού μεγέθους και της καθαρότητάς τους από οργανικές ενώσεις. Σε όλα τα δείγματα εμφανίζεται σχεδόν μόνο η κρυσταλλική μορφή του ανατάση, ενώ το κρυσταλλικό μέγεθος έχει τιμές 18.3, 11.3 και 7.7nm για τα N-TiO2, Fe,N-TiO2 και Fe-TiO2 αντίστοιχα. Από το φάσμα FT-IR, παρατηρήθηκαν υπολείμματα οργανικών ενώσεων. Επιπλέον, με τη φασματοσκοπία XPS μελετήθηκε η επιφανειακή και χημική κατάσταση των στοιχείων που αποτελούν τα νανοσωματίδια, από την οποία επιβεβαιώθηκε η επιτυχής τροποποίηση με επιφανειακές ατομικές συγκεντρώσεις για το άζωτο 0.34±0.07% στο N-TiO2 και 0.83±0.25% στο Fe,N-TiO2, για το σίδηρο 0.21±0.03% στο Fe-TiO2 και 0.25±0.02% στο Fe,N-TiO2 και για το τιτάνιο 20-25%. Με τη φασματοσκοπία UV-Vis με σφαίρα ολοκλήρωσης προσδιορίστηκε το ενεργειακό χάσμα, οι τιμές του οποίου είναι 1.98- 2.7eV για τα εξεταζόμενα δείγματα. Η υδροδυναμική διάμετρος των νανοσωματιδίων και το ζ-δυναμικό προσδιορίστηκαν με τη μέθοδο DLS και έχουν τιμές ~260-400nm και ~20-28mV, αντίστοιχα. Τέλος, η ανάλυση της μορφολογίας και της επιφάνειας των νανοσωματιδίων έγινε με χρήση του SEM-FESEM, ενώ πραγματοποιήθηκαν ταυτόχρονα στοιχειακή και ημιποσοτική ανάλυση των δειγμάτων. Τα αποτελέσματα για το κρυσταλλικό μέγεθος συμφωνούν με το XRD, ενώ παρατηρήθηκε παρόμοια περιεκτικότητα σε τιτάνιο σε όλα τα δείγματα. Η φωτοκαταλυτική δράση των νανοσωματιδίων μελετήθηκε με την αποικοδόμηση του ρύπου μπλε του μεθυλενίου, στην περιοχή ορατού φάσματος. Παρατηρήθηκε η ενίσχυση της φωτοκαταλυτικής δραστηριότητας σε όλα τα δείγματα τροποποιημένης τιτανίας. Το δείγμα N-TiO2 παρουσίασε το μεγαλύτερο ποσοστό αποικοδόμησης του ρύπου. Για τη αξιολόγηση της αντικαρκινικής δράσης χρησιμοποιήθηκαν η καρκινική κυτταρική σειρά MDA-MB-231 με έντονα μεταστατική συμπεριφορά και η κυτταρική σειρά MCF-7 με ήπιο ρυθμό πολλαπλασιασμού, από επιθηλιακά κύτταρα μαστού. Έπειτα από διερεύνηση, ο βέλτιστος χρόνος ακτινοβόλησης, χωρίς αρνητική επίπτωση στον πολλαπλασιασμό των κυττάρων, ήταν 2 ώρες. Επιπλέον, με προσθήκη των N-TiO2, Fe-TiO2 και Fe,N-TiO2, σε συγκεντρώσεις 0-1mg/ml και ακτινοβόληση στο ορατό φως, παρατηρήθηκε πως το Fe-TiO2 και το Fe,N-TiO2 δεν παρουσίασαν κάποια σημαντική επίδραση στις δύο κυτταρικές σειρές. Αντιθέτως, παρουσία του N-TiO2 προκλήθηκε φανερή μείωση στον πολλαπλασιασμό των κυττάρων MDA-MB-231 για συγκέντρωση >0.6mg/ml.	el
heal.abstract	TiO2 photocatalysis has been a highly studied scientific field over the last years, due to the large number of applications it offers. Its use mainly focuses on two fields: the environment and energy, such as self-cleaning surfaces, water purification systems, photoelectrochemical conversion, etc. With the development of nanotechnology, nanoparticles play an important role in medical applications. In order to exploit radiation of a wider range in the electromagnetic spectrum, titanium modification studies with metals and non-metals were conducted. In this diploma thesis, chemically modified titanium nanoparticles with nitrogen, iron and nitrogen-iron combination with photocatalytic and anticancer properties in the visible light irradiation were synthesized via sol-gel method. It is known that TiO2 exhibits photocatalytic properties in ultraviolet light, however it is not recommended for biological applications due to the side-effects of UV radiation on healthy cells. The modification of titanium aims to investigate its anticancer behavior in the visible light spectrum in order to be applied on breast cancer cells. The composition of nanoparticles was followed by their characterization with instrumental analysis techniques. These include spectroscopic techniques such as XRD, micro-Rahman and FT-IR to study the crystallinity of nanoparticles, their crystalline size and their purity in terms of organic compounds. In all samples, almost only the crystalline form of anatase appears, while the crystalline size is estimated at 18.3, 11.3 and 7.7nm for N-TiO2, Fe,N-TiO2 and Fe-TiO2 respectively. According to the FT-IR results, residues of organic compounds were observed. In addition, XPS spectroscopy provide information on the surface and chemical status of the nanoparticle compounds. Successful modification was confirmed with surface atomic concentrations for nitrogen 0.34±0.07% in N-TiO2 and 0.83±0.25% in Fe,N-TiO2, for iron 0.21±0.03% in Fe-TiO2 and 0.25±0.02% in Fe,N-TiO2 and for titanium 20-25%. UV-Vis spectroscopy with a sphere of integration was used to determine the energy band gap, which are 1.98-2.7eV for the samples examined. The hydrodynamic diameter of the nanoparticles and the z-potential were measured by the DLS method and have values ~260-400nm and ~20-28mV, respectively. Finally, the analysis of the morphology and surface of the nanoparticles was analyzed using SEM-FESEM, while both elemental and semi-quantitative analysis of the samples were conducted. The results for the crystalline size are consistent with XRD, while a similar titanium content was observed in all samples. The photocatalytic behavior of nanoparticles was tested by the degradation of methylene blue pollutant in the visible light spectrum. The enhancement of photocatalytic activity was observed in all modified titanium samples. The N-TiO2 sample exhibited the highest rate of degradation of the pollutant. MDA-MB-231 cancer cell line with strong metastatic behavior and the MCF-7 cell line which has a mild multiplication rate were used to assess anti-cancer behavior of the three types of nanoparticles. After investigation, the optimal irradiation time with no negative impact on cell proliferation was 2 hours. In addition, when N-TiO2, Fe-TiO2 and Fe,N-TiO2 were added at concentrations of 0-1mg/ml and were irradiated with visible light, it was observed that Fe-TiO2 and Fe,N-TiO2 did not have any significant effect on the two cell lines. In contrast, the presence of N-TiO2 caused a significant decrease in the proliferation of MDA-MB-231 cells at concentrations higher than 0.6mg/ml.	en
heal.advisorName	Παυλάτου, Ευαγγελία	el
heal.committeeMemberName	Βουγιούκα, Σταματίνα	el
heal.committeeMemberName	Δέτση, Αναστασία	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Χημικών Επιστημών (I). Εργαστήριο Γενικής Χημείας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	149 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false