CN1196281A - 在基材上制造分子厚度的涂层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明特别涉及改进含暴露区域和凹陷区域的三维基材的羟基化表面的性质的方法,按该方法,使用用所述化合物浸过的平的压印垫将诸如含(a)反应基团(多种反应基团)的硅烷之类化合物有选择性地干转移到所述表面的暴露区域上。基材可由玻璃制成,而化合物则可为硫醇或烷基－或芳基－三(氯代或烷氧基)硅烷。本发明特别涉及用于制造生物培养的微孔板和印刷板的应用。

Description

在基材上制造分子厚度的涂层的方法

本发明涉及通过干转移(dry-transfer)对所述基材具有亲合力的化合物而在三维基材上制造分子厚度的涂层的方法，从而有选择性地改进带有本发明方法制得的涂层的某些部件的性质。

近来通过干印刷(dry-printing)技术而在固体表面上施加单一分子层的官能性硅烷已由P.M.St.John和H.G.Craighead在Appl.Phys.Lett 68(7)，1022-1024(1996)上描述过。它包括用十八烷基三氯硅烷浸渍硅橡胶压印垫，而后将该垫压到硅或金属(例如Ti和Al)氧化物的平面上。在硅烷和涂覆过的表面之间发生反应，使得硅烷分子通过它们的端部之一键合到表面上。使用带有由照相平版印刷法制成的浮雕掩蔽图案的压印垫有选择性地施加硅烷，以便将硅烷掩蔽图案沉积到处理过的表面上。然后将此表面经化学腐蚀，以破坏未被硅烷掩蔽图案保护起来的部分。

也已知如通过浸渍、喷雾等方法将硅烷分子从液体溶液接枝到玻璃基材上。该方法通常包括漂洗操作和干燥步骤。

尽管已有文献提出了将经选择的图案沉积在平的基材上，然而，它却没有描述旨在通过干印刷来涂覆带有含较高暴露部分和较低凹陷部分的复杂表面的基材的方法。

这样，本发明旨在提供对某些暴露部分需要精确地施加涂层的某些应用具有重大意义的方法，特别是当暴露和/或凹陷部分中一个部分的尺寸小于100μm，较好为小于10μm，更好为小于5μm时。实际上，迄今为止已知没有一种能简单而经济地使用，并且使含三维微结构的基材的较高暴露部分有选择性和精确地被涂覆的方法。

这样本发明涉及通过干转移对所述基材具有亲合力的化合物而在三维基材上制造分子厚度的涂层的方法，其中使转移元件的表面与所述基材相接触，所述转移元件的所述表面至少部分用所述化合物浸渍过，其特征在于浸过的表面是平的而且被均匀浸渍的转移元件与含较高暴露部分和较低凹陷部分的基材相接触，从而有选择性地将化合物/涂层施加到基材的较高暴露部分上，使较低凹陷部分基本上不含化合物。

术语“均匀浸渍的表面”是指转移元件的表面基本上被均匀地浸渍过，没有局部的间断，这与以某一图案浸渍所述表面的情况相反。

本发明的方法一般可按下述步骤进行：

(a)准备用在有机溶剂的作用下能发生溶胀的固体或类似固体的材料制成的带有一平面的转移元件；

(b)制备对所述基材具有亲合力的化合物在所述有机溶剂中的溶液；

(c)将所述溶液施加到所述转移元件的清洁的平面上，然后让转移元件完全吸收溶液；

(d)将用所述溶液处理过的转移元件的表面压到上述类型的清洁的基材上，让它们接触，直至所述化合物的分子键合到基材表面上，伴随着形成键合到基材表面较高的暴露部分上的分子厚度的涂层；和

(e)将转移元件从所述基材上分开。

本发明方法所用的转移元件或压印垫可按下述过程制造：

(a)准备用在有机溶剂的作用下能发生溶胀的固体或类似固体的材料制成的带有一平面的转移元件；

(b)制备对待涂覆的基材具有亲合力的化合物在有机溶剂中的溶液；和

(c)将所述溶液施加到所述转移元件的清洁的平面上，然后让转移元件完全吸收溶液。

应该指出的是在上述步骤(c)中也会发生溶剂的蒸发。

术语“对基材具有亲合力的化合物”是指能通过任何机理键合到基材表面上的化合物，所述机理的不受限制的例子例如有化学键，异性电荷相吸或氢键。“化合物”是指任何类型的化学分子，包括聚合物和蛋白质。本发明所用的化合物较好为包含能与基材表面存在的基团反应的官能团的化合物。

尽管本发明有非常宽的范围并且可以使用各种化合物和基材，但更详细地描述的是关于在其表面带有羟基的基材和关于这样一种化合物，即它包含能与基材的羟基反应和/或能水解成与基材的羟基反应的基团的官能团，并形成将所述化合物键合到所述基材上的键。

按一个较好的具体实施方案，该化合物包括两种不同类型的基团；与第一种类型的基团相反，第二种类型的官能团不与羟基反应。

包含能与基材的羟基反应和/或能水解成与所述羟基反应的基团的官能团的化合物尤其可以是硅烷。

转移元件可用在有机溶剂的作用下能发生溶胀的任何固体或类似固体的材料制成。它例如可为橡胶如硅橡胶，聚异戊二烯橡胶，聚丁二烯或氯丁橡胶；丁二烯-苯乙烯，丁二烯-丙烯腈，乙烯-丙烯或乙烯-乙酸乙烯酯弹性体共聚物；丁基橡胶，聚硫橡胶等。就目前来说硅橡胶是较好的。

有机溶剂可为能溶解化合物并能对转移元件的材料产生溶胀作用的任何溶剂。可以提及的有机溶剂有例如液体烷烃如己烷，庚烷，辛烷，癸烷和十六烷；卤代烷烃如氯仿；芳族化合物如苯或甲苯；石油馏分如石油溶剂，柴油，汽油和其它溶剂如四氢呋喃，N-甲基吡咯烷酮等。当然，大部分有机溶剂都适用于本发明，并且在本领域技术熟练者范围内的简单的常规试验就可以检验给定溶剂的有用性。而且还应指出的是对化合物而言有机溶剂并非必须是良性溶剂，原因是通常(但并不总是)只使用非常稀的化合物溶液，例如毫摩尔溶液。其原因是形成自动组合的单一分子层所需的化合物的量是非常低的，其数量级为每1,000m²基材表面1g化合物。因此用少量的化合物就足以浸渍转移元件，为此，非常稀的化合物溶液就足够了。

化合物可以包含一种或多种性质相同或不同的官能团，唯一的条件是这些基团中的至少一个基团能与基材表面存在的羟基反应，和/或能水解成与所述羟基反应的基团。

可用于本发明的一种类型的化合物是通式为R_n-Si-X_4-n的硅烷，其中R为不与羟基反应的官能团或非官能团；X为能与羟基反应，和/或能水解成与羟基反应的基团的基团，以及n＝1，2或3。R例如特别可为烷基，部分或全部氟化的烷基，链烯基或取代或未取代的芳基，环氧基或包含环氧基的基团，丙烯酰基或包含丙烯酰基的基团，甲基丙烯酰基或包含甲基丙烯酰基的基团，硫醇基或包含硫醇基的基团。X例如特别可为氯原子或烷氧基，如甲氧基和乙氧基。

可用于本发明的硅烷的具体例子特别可为十八烷基三氯硅烷，苯基三氯硅烷，苯基三乙氧基硅烷，全氟癸基三氯硅烷，三乙氧基乙烯基硅烷，巯基丙基三甲氧基硅烷和苯基三乙氧基硅烷，所述及的仅是少数几个。

应指出的是当硅烷在其分子中包含三个可水解的基团，例如卤或烷氧基时，它们中的一个基团与基材的-OH基反应，而其余的两个基团则通过水解或缩合能在涂层的相邻分子之间形成硅氧烷交联。然而，应指出的是认为这些交联不会连续地扩展遍及整个涂层，而是形成许多小岛状区域，在其中分子相互键合在一起。

基材可为表面带有羟基的任何材料。所述及的基材例如可通过如化学氧化处理或用等离子体由玻璃、二氧化硅、金属或表面被改进成在其上产生羟基的聚合物制成，或者经如在汽相或溶胶凝胶中的溅射、化学沉积等技术用玻璃、二氧化硅或金属层涂覆。

基材可以具有各种三维形式，包括复杂的形式如与浮雕的载体或格子相垂直的针的网。它们也可以带有如经模塑，掩蔽腐蚀，照相平板印刷术，x-射线平板印刷术等方法制成的图案。基材表面也可以是光滑、粗糙、塑型或多孔的。

当进行步骤(c)时，转移元件的表面必须是清洁的。同样，在转移的瞬间待处理的基材必须是清洁的。许多清洁方法在已有技术中是已知的并且在公开的文献中有描述。转移元件的表面例如可由在乙醇浴中的反复超声波处理来清洁，而基材可在酸性氧化浴如磺铬(sulfochromic)浴中清洁。在申请人于1996年8月30日申请的法国专利申请96/10627中描述的另一种有用的方法包括将待清洁的制品浸在被合适的催化剂(例如氯化铁)去稳定化或分解的浓过氧化氢水溶液，如浓度为30-50重量％的溶液中，以产生氧化有机污染物的初生氧，然后漂洗并干燥制品。同样在上述申请中描述的另一种清洁方法包括在至少300℃的温度下加热待清洁的制品几十分钟。显然，后一种方法只可施用于能经得起高温的制品。若在转移操作之前清洁过的制品必须储藏，保护它免受污染的方便的办法是使用例如保护膜或层。

化合物溶液可以各种方式施加到转移元件(以下也称为压印垫)上，所述方法有例如将浸透溶液的吸水纸在转移元件上擦拭，将浸透溶液的多孔材料(例如海绵)在转移元件上擦拭，使用刮刀或气动刮刀(airblade)，喷雾器或涂布辊来施加溶液。

本发明的方法可用于使包含羟基的基材表面的较高暴露部分具有特别选自下述性质中的至少一种性质：与水的润湿性(亲水性)，不润湿性(疏水性)，与材料或颗粒的粘合性或防粘性，低的摩擦力，耐擦刮性，防污染性，与其它分子化学键合的能力，与蛋白质或生物细胞的粘合性或防粘性，催化性和生物相容性；显然，所具有的性质取决于所用的特定的化合物，适当时，取决于随后键合到其上的其它分子。

制造不可润湿的表面是本发明的一个重要实施方案。不可润湿性特别可使用亲水亲油性硅烷，例如烷基三氯硅烷如十八烷基三氯硅烷；全氟烷基三氯硅烷如全氟癸基三氯硅烷；或芳基三氯硅烷如苯基三氯硅烷来获得。

一个利用经本发明方法制造不与水润湿的表面的应用例子是制造用于细胞培养的改进的微孔板。这些板包含许多在玻璃板中形成的并由较高暴露部分相互分隔开的微孔(相对较低的凹陷部分)。孔和周围部分之间的过渡可以陡峭地形成，或更好的是通过曲面形状的中间区域而形成，正如那些由申请人以商标名为“Pixwell”销售的产品的情况。

通过使用如用橡胶制成的平的转移元件，当将它压到微孔板上时，它只将硅烷转移到包围并分隔微孔的板的上部暴露区域上，适当时，转移到中间过渡区域的上部部分上，这样使用本发明的方法就可以在板的暴露上部分隔区域和可能在中间区域的高出部分上形成使这些区域不与水润湿的分子厚度的涂层，同时留出未被涂覆的较低凹陷区域(也就是所说的微孔)和中间区域的低洼部分。而且涂覆和未涂覆区域之间的边界位置可通过使用制成转移元件的或多或少的硬质橡胶和/或通过在转移过程中对元件施加或多或少的大压力来控制。由于在硅烷和基材之间形成化学键，所沉积的硅烷不会趋于迁移，并且在涂覆过的区域和未涂覆的区域之间形成非常明显的边界。这样就获得了包含许多由疏水区域相互分隔开的微孔的改进的板。因此，当将板垂直浸到含水介质中时，介质不会润湿涂覆过的区域，而将其本身限制在微孔中。

本发明的其它应用是制造能产生受控的神经细胞网的基材，它是使用由槽相连的孔的三维网，孔用于接受并使细胞生长，这些细胞在槽中扩散，直至它们相互碰到并连接起来。鉴于这一目的，通过使用本发明的方法，孔和槽用对细胞有亲合力的物质涂覆，而分隔槽并包围孔的上部部分用疏水涂层涂覆；这种涂层对细胞是没有亲合力的。

如下所述，本发明也可用于制造印刷板。

可用于本发明的另一种类型的化合物是通式为R’-SH的硫醇，其中R’是烷基，例如十六烷基。这些硫醇可与贵金属(例如金或银)表面反应并键合于其上，从而使之具有疏水性。

下面给出是不受限制的实施例，用于说明本发明。

实施例1

本实施例描述使用橡胶压印垫将硅烷转移到玻璃表面上，以形成化学键合到玻璃表面上并使该表面具有与水不润湿性的分子厚度的涂层。

A)制造橡胶压印垫：

首先，以90∶10的重量比将由Dow Corning公司以商品名Sylgard 184销售的以聚二甲基硅氧烷为基的硅氧烷弹性体组合物的两种构成成分(聚合物和交联剂)搅拌10分钟混和在一起。随后，将所得的组合物倒在22cm×26cm×3mm的矩形片上，该片是从预先用接枝到玻璃表面上包含全氟癸基三氯硅烷分子的超薄防粘层涂覆的光滑玻璃片上切割下来的，这样就形成了厚度约为2.5mm的层。玻璃片的边缘镶有塑料边界，以防可交联的硅氧烷组合物溢出和浪费。然后将涂覆过的片水平放在真空容器中，脱气3-5小时。脱气后，将用脱气硅氧烷组合物涂覆过的片放在烘箱内，以将组合物固化成弹性体。加热顺序包括1小时内从20℃加热到100℃，然后使烘箱冷至室温(约2小时)。从烘箱内取出带有固化层的片，在距塑料边缘(靠近边缘的层未被合乎需要地固化)约1cm处进行切割，从玻璃片上切下硅橡胶层的中心部分并切成所需的转移压印垫的尺寸，即基材的尺寸。接着在三个连续的乙醇浴中漂洗扁平的弹性体压印垫，在每个浴中进行5分钟的超声波处理。在用乙醇作最后的漂洗之后，用干的氮气喷射流干燥压印垫，将之放在波纹玻璃片上，已与玻璃片相接触过的一面(以下称为A面)朝上(清洁的原因)。将组合件放在60℃的烘箱内30分钟，以干燥硅氧烷弹性体压印垫。冷至室温后，准备将压印垫用于下述操作，也就是所说的用硅烷进行“上油墨”的浸渍。

B)用硅烷对压印垫上油墨和印刷基材

将50微升十八烷基三氯硅烷(由Fluorochem Ltd.公司提供)溶于2克预先用分子筛干燥过的己烷中，制备上油墨溶液。这种以下称为“油墨”的溶液应在其制成后3小时内用掉。然后用折叠成四层，其上滴有几滴油墨的吸水纸(例如Joseph纸)片覆盖在压印垫的A面上，对之进行上油墨。接着将吸水纸折叠片擦拭A面约10秒钟，而后拿开。使压印垫在空气中干燥约20分钟(干燥时间)。然后将压印垫的A面放在由Coming Inc.公司以商标名“Pixwell”销售的玻璃微孔板上。在适中的压力下使两个组件相接触，而后放置约10分钟(转移或印刷时间)，接着拿开压印垫。这样在板上就形成了与水的接触角为100-110°的分子厚度的疏水涂层。这与用标准溶液涂覆法形成的疏水单层(给出的接触角为107-112°)所得的结果非常接近。

所得的涂层化学键合到“Pixwell”板上，并且除了浓苛性苏打溶液外，该涂层不溶于大部分有机溶剂和含水介质。

然后将板浸在聚赖氨酸(polylysine)水溶液浴中。从浴中取出后，对板进行干燥和检测。该板包含只涂覆在未被预涂覆过的微孔壁上的聚赖氨酸涂层。此聚赖氨酸涂层的目的在于使微孔区域对某些生物物质具有特定的亲合力。应指出的是氧基丙基三chazi硅烷涂层可替代聚赖氨酸涂层。

实施例2

按实施例1的通法，所不同的是用苯基三氯硅烷代替十八烷基三氯硅烷，并且干燥和印刷时间分别为10分钟和1分钟，制得的涂层具有与实施例1中制得的涂层相似的性质。

实施例3

使用烷氧基硅烷，即甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(来自Dow Corning的A 174)，三乙氧基乙烯基硅烷，巯基丙基三甲氧基硅烷和苯基三乙氧基硅烷来代替烷基三氯硅烷，用与实施例1相类似的方法制造涂层，所不同的是硅烷溶液是将50ml硅烷加入到2g将80重量份四氢呋喃和10重量份0.1N盐酸水溶液混和制得的溶液中来制备的，然后使之在室温下静置至少10小时，以便将烷氧基水解成-OH基。

干燥时间为45分钟，印刷时间为10分钟。所得的涂层使基材对可被紫外辐射所聚合的油墨具有润湿性。

实施例4

硅烷分子的干转移可用于改进用活字印刷法印刷着色的点时使用的成象板的性能。在活字印刷法中，印刷形状是浮雕状的，在对活字印刷板上油墨的步骤中，油墨位于显示待印刷图案的浮雕状部分的上部。

为了提高印刷精确度和便于其实施，发现使浮雕般部分的上部与油墨相润湿，而活字印刷板的其余部分与之相反做成不与油墨相润湿是有利的。这样活字印刷板包含两个性质不同的表面，一个与油墨相润湿-浮雕状部分的上部，而另一个不可润湿-浮雕的底部和浮雕的侧面。这样，在对活字印刷板上油墨的过程中，油墨在印刷区域的顶部本身就自然而然地扩散开来。

本发明描述的方法可以将分子厚度的十八烷基三氯硅烷(OTS)或苯基三氯硅烷(PTS)涂层例如只施涂到拟用在紫外线下可被光聚合的不含溶剂的油墨上油墨的表面张力为25-30mN/m的活字印刷板的印刷部分的顶部，所述活字印刷板能润湿OTS或PTS涂层。通过浸在氟代癸基-1H，1H，2H，2H-三氯硅烷-(FDS)溶液中来涂覆板而将板的其余部分制成不与油墨相润湿。结果达到目的，也就是说印刷部分的顶部由OTS或PTS涂层组成，而其余部分被FDS涂覆。OTS或PTS涂层的作用之一还在于防止其它非润湿的硅烷，FDS，接枝到浮雕的顶部。

本方法可以制造印刷图案的尺寸在10到几百μm范围内的活字印刷板。由于所用的硅烷(OTS或PTS，FDS)对二氧化硅具有高的化学亲合力，该技术特别适用于包含二氧化硅或用二氧化硅涂覆的成象板。

这样，使用分子，特别是硅烷分子的干转移可以制造能精确印刷着色的点的活字印刷板；印出的图案的尺寸可通过本发明的方法，通过控制印刷形状的润湿性，而降至几十μm。

不用说，所描述的实施方案仅属举例，它们可被改进，特别是可被技术上的等同物所替代，而并不因此偏离本发明的范围。

Claims (16)

1.一种通过干转移对基材具有亲合力的化合物而在所述三维基材上制造分子厚度的涂层的方法，其中使转移元件的表面与所述基材相接触，所述转移元件的所述表面至少部分用所述化合物浸渍，其特征在于浸过的表面是平的而且被均匀浸渍的转移元件与含较高暴露部分和较低凹陷部分的基材相接触，以便有选择地将化合物/涂层施加到基材的较高暴露部分上，而使较低凹陷部分基本上不含化合物。

2.如权利要求1所述的方法，其中转移元件由橡胶制成。

3.如权利要求2所述的方法，其中橡胶是硅橡胶。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述化合物包含能与基材表面存在的基团反应和/或可水解成能与所述基团反应的基团的官能团。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述基材表面含有羟基。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述化合物包含能与基材的羟基反应和/或可水解成能与基材的羟基反应的基团的官能团。

7.如权利要求5和6所述的方法，其中化合物是通式为R_n-Si-X_4-n的硅烷，式中R为不与羟基反应的官能团或非官能团；X为能与羟基反应，和/或可水解成能与羟基反应的基团的基团，以及n＝1，2或3。

8.如权利要求1-7中任一项权利要求所述的方法，其中所施加的化合物赋予选自下述性质中的至少一种性质：与水的润湿性(亲水性)，不润湿性(疏水性)，与材料或颗粒的粘合性或防粘性，低的摩擦力，耐擦刮性，防污染性，与其它分子化学键合的能力，对蛋白质或生物细胞的粘合性或防粘性，催化性和生物相容性。

9.如权利要求1-8中任一项权利要求所述的方法，其中所施加的化合物赋予选自不润湿性和润湿性中的一种性质。

10.如权利要求1-9中任一项权利要求所述的方法，其中基材包含三维微结构。

11.如权利要求2-10所述的方法，其中基材是微孔板。

12.如权利要求9所述的方法，其中基材是印刷板。

13.如权利要求5所述的方法，其中基材选自玻璃，二氧化硅，金属，带有羟基化表面的聚合物，和用玻璃，二氧化硅或金属层涂覆的聚合物。

14.如权利要求1-4和10中任一项权利要求所述的方法，其中所述化合物是通式为R’-SH的硫醇，式中R’是烷基，所述基材是贵金属。

15.一种微孔板，它包含许多由分隔区域相互分开的微孔，其中所述分隔区域按权利要求5所述的方法已被制成疏水的。

16.一种印刷板，它包含与非印刷部分相比的浮雕状的印刷部分，其中使用如权利要求5所述的方法将所述印刷部分制成可被油墨所润湿的。