DE102007005462A1

DE102007005462A1 - Verfahren zur Herstellung von biokompatiblen Hybrimeren

Info

Publication number: DE102007005462A1
Application number: DE102007005462A
Authority: DE
Inventors: Alexander Stefan Ruhl; Klaus Prof. Dr. Meerholz
Original assignee: Universitaet zu Koeln
Current assignee: Universitaet zu Koeln
Priority date: 2007-01-30
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2008-07-31
Also published as: EP2115038A1; WO2008092628A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf anorganische Hybridmaterialien (Hybrimere), die durch Kondensation und/oder Vernetzung einer oder mehrerer reaktive Gruppen enhaltender metallorganischer Verbindungen sowie durch die Verwendung von Metalloxidkondensaten, die bereits vernetzte und gegebenenfalls noch unvernetzte Gruppen enthalten, erhältlich sind und photochrome und/oder fluoreszierende Proteine enthalten. Des Weiteren betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung dieser Hybridmaterialien sowie deren Verwendung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft anorganisch-organische Hybridmaterialien, die photochrome und/oder fluoreszierende Proteine enthalten, erhältlich durch Kondensation sowie Vernetzung einer oder mehrerer reaktive Gruppen enthaltender metallorganischer Verbindungen sowie durch die Verwendung von Metalloxidkondensaten, die bereits vernetzte und gegebenenfalls noch unvernetzte Gruppen enthalten, Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung.
Hybrimere sind eine Klasse von anorganisch-organischen Verbundwerkstoffen, die aus atomaren Keramik- und Kunststoff-Netzen bestehen, welche miteinander verbunden sind und sich durchdringen. Der Ausdruck "Hybrimer" ist ein Kürzel für "Hybrid Polymere". Entsprechende Materialien sind im Stand der Technik auch als Ormocere (organisch modifizierte Keramiken) oder Ormosile (organisch modifizierte Siliziumverbindungen) bekannt. Die Herstellung dieser Polymere erfolgt nach einem Sol-Gel-Prozess in Anwesenheit saurer oder basischer Katalysatoren (Wu et al., Chem. Mater., 1993, 5, 115-120; Shamansky et al., Bios. Bioelectr., 2002, 17, 227-231; Innozenzi et al., Chem. Mater., 1999, 11, 1672-1679; Piana et al., Chem. Mater., 1994, 6, 1504-1508; Yoda et al., J. Non-Cryst. Solids, 1996, 208, 191-198; Ochi et al., J. Pol. Sci., 2001, 39, 1071-1084; Jones et al., J. Non-Cryst. Solids, 2001, 291, 206-210).
Die Kombination von neuartigen Materialien mit biologischen Molekülen ist in den letzten Jahren zu einem der innovativsten Forschungsgebiete geworden. Während der letzten Jahrzehnte wurde die Entwicklung von Biomaterialien hauptsächlich durch medizinische Anwendungsmöglichkeiten in Form von Implantaten angetrieben. Solche Materialien mussten gute mechanische Eigenschaften aufweisen und biokompatibel sein, um in den menschlichen Körper implantiert werden zu können und beschädigtes Gewebe oder Knochen zu ersetzen. Die industrielle Weiterentwicklung der Biotechnologie war ein weiterer wichtiger Faktor bei der Suche nach neuen Materialien, da die Immobilisierung von bioaktiven Molekülen, wie z. B. Enzymen, auf festen Trägerstoffen häufig Vorteile bietet. Die Bioverkapselung, d. h. das Einschließen von Biomolekülen in einem Polymergerüst, war allerdings lange auf organische Polymere beschränkt, da die Verarbeitung von Glas bei hohen Temperaturen mit empfindlichen Biomolekülen nicht kompatibel ist. Metalloxidverbindungen bieten allerdings einige Vorteile, wie z. B. verbesserte mechanische Festigkeit und chemische Widerstandsfähigkeit. Ferner kann das "leaching" von Biomolekülen verhindert werden, da Metalloxidverbindungen in wässrigen oder organischen Lösungsmitteln nicht aufquellen. Darüber hinaus haben Metalloxidverbindungen den Vorteil, dass sie keine Nährstoffquelle für Mikroorganismen, nicht toxisch und biologisch inert sind. Aus diesem Grund wurden in der Vergangenheit bereits Techniken zur Immobilisierung von Enzymen auf Glassoberflächen entwickelt. Diese kovalente Kopplung erfordert aber oftmals Kopplungsreagenzien und chemische Modifikationen, die die Bioaktivität von Enzymen und Zellen negativ beeinflussen können. Daher kann die physikalische Verkapselung in Sol-Gel-Materialien neue Möglichkeiten für die Biotechnologie bieten.
Das sogenannte Sol-Gel-Verfahren ist ein Verfahren, das die Synthese von glasartigen Metalloxidverbindungen bei Raumtemperatur erlaubt. Erste Versuche haben bereits gezeigt, dass sich mittels dieses Verfahrens Biomoleküle unter Beibehaltung ihrer Aktivität in Metalloxidverbindungen, insbesondere Silikatverbindungen, verkapseln lassen (Livage et al., J. Phys.: Condens. Matter, 2001, 13, R673-R691; Gill & Ballesteros, J. Am. Chem. Soc., 1998, 120, 8587-8598; Weetall, Biosensors & Bioelectronics, 1996, 11(3), 327-333; Zink et al., New J. Chem., 1994, 18, 1109-1115; Reetz, Adv. Mater., 1997, 9(12), 943-954).
Das Sol-Gel Verfahren ähnelt der Biomineralisation. Die Biomineralisation tritt in Wasser unter milden Bedingungen, bei neutralem pH und Raumtemperatur auf. Wenn als Metalloxid Silikate verwendet werden, polymerisieren Kieselsäuremoleküle Si(OH)₄ unter Abspaltung von Wasser zu einem Netzwerk aus Siliziumatomen, die über Sauerstoffatome verbunden sind.
Gegenwärtig werden in chemischen Anwendungen anstelle von Kieselsäure allerdings überwiegend Alkoxysilane, die unter Abspaltung von Alkoholen kondensieren, eingesetzt.
Während die Kondensation fortschreitet, wachsen die Siliziumoxidpartikel, was pH-Wert abhängig zur Bildung von kolloidalen Lösungen (Sole) oder Gelen führt. Diese Gele können bei Raumtemperatur teilweise getrocknet werden, um ein poröses Netzwerk aus hydratisiertem, amorphen Siliziumoxid SiO₂·nH₂O (Xerogel) zu erhalten.
Die Sol-Gel Chemie bietet ein vielseitiges Verfahren für die Synthese von Metalloxiden bei niedriger Temperatur. Dünne Filme können durch "Dip-coating", "Spin-coating", Rakeln, Drucken, Sprayen etc. auf jede Art von Trägermaterial (Glas, Keramik, Metalle, Polymere) aufgetragen werden. Ferner können aus viskosen Gelen Fasern gezogen und aus kolloidalen Dispersionen Nanopartikel synthetisiert werden.
Die milden chemischen Bedingungen bei der Sol-Gel Synthese von Metalloxiden ermöglichen den Zugang zu anorganisch-organischen Hybridmaterialien. Die Mischung von organischen Molekülen und Alkoxiden in der Vorläuferlösung erlaubt es, organische und anorganische Bestandteile auf molekularer Ebene zu verbinden. Organische Moleküle können einfach in der Metalloxidmatrix eingebettet oder kovalent über reaktive Gruppen an die Matrix gebunden werden.
Die so erhaltenen Hybridmaterialien haben eine Reihe von vorteilhaften Eigenschaften. Insbesondere kann ihre optische Qualität, Flexibilität und Formbarkeit im Gegensatz zu den festen und spröden reinen Metalloxidmaterialien über Art und Menge der organischen Reste je nach beabsichtigtem Einsatzgebiet gesteuert werden.
Die Erkenntnis, dass sich Biomoleküle, insbesondere Proteine, in anorganischen glasähnlichen Polymeren verkapseln lassen ohne ihre Funktionalität zu verlieren und die oben beschriebenen Fortschritte auf dem Gebiet der anorganisch-organischen Hybridmaterialien, insbesondere die Möglichkeit diese Materialien in Monolithen, dünnen Filmen, Pulvern und Fasern herzustellen, hat die Kombination der neuartigen Hybridmaterialien mit Biomolekülen für anspruchsvolle Anwendungen in der bioorganischen Synthese, der Medizin, Biotechnologie und Umwelttechnologie attraktiv gemacht.
Daher wurden große Anstrengungen unternommen, um Sol-Gel Verfahren für die effiziente Immobilisierung von empfindlichen Biomolekülen, insbesondere Proteinen und ganzen Zellen, in physiko-chemisch robusten Verbundstoffen zu entwickeln.
Trotz des unbestreitbaren Potentials dieser Technologie bei dem Einschließen von Biomolekülen, bestehen nach wie vor große Probleme, die auf die Alkyl-, Alkoxy- und Alkylalkoxy-Silane zurückzuführen sind, die im allgemeinen für Sol-Gel Werkstoffe verwendet werden. Die schlechte Wasserlöslichkeit und Reaktivität dieser Verbindung erfordert in der Regel Lösungsmittel und andere Zusatzstoffe, wie z. B. Tenside oder Katalysatoren, die biologische Materialien nachteilig beeinflussen. Ferner setzt die Hydrolyse der Alkoxysilane Alkohole frei, die für die Bioaktivität schädlich sind und Biomoleküle, wie z. B. Proteine, irreversibel schädigen, d. h. denaturieren, können.
Aus diesem Grund besteht nach wie vor Bedarf für verbesserte Verfahren zur Herstellung biokompatibler anorganisch-organischer Hybridmaterialien, die es auf der einen Seite erlauben die Funktionalität von im Polymermaterial immobilisierten Biomolekülen zu erhalten und auf der anderen Seite ihre vorteilhaften Materialeigenschaften beibehalten.
Insbesondere besteht ein Bedarf für Verfahren zur Herstellung von Hybrimer-Materialien, die die funktionelle Verkapselung von Proteinen erlauben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es deshalb, ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung von biokompatiblen anorganisch-organischen Hybridmaterialien bereitzustellen, das es zum einen erlaubt Biomoleküle, insbesondere photochrome oder fluoreszierende Proteine, in diese Polymere einzubinden, ohne dass die Funktionalität des Biomoleküls verloren geht, und zum anderen die vorteilhaften Materialeigenschaften beizubehalten.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
Photochrome Proteine sind in der Natur relativ selten. Der Ausdruck "photochrom" bezieht sich dabei auf die Eigenschaft, bei Lichtexposition die Farbe ändern zu können. Beispiele für photochrome Proteine sind beispielsweise Rhodopsine, beispielsweise Bakteriorhodopsin, oder Proteine wie Phytochrome, Cryptochrome, und Komplexe aus Retinal und Retinalderivaten mit anderen Proteinen als Rhodopsin. Neben photochromen Proteinen können auch fluoreszierende Proteine, wie beispielsweise GFP (green fluorescent Protein), EGFP (enhanced green fluorescent Protein) oder YFP (yellow fluorescent Protein), Verwendung finden.
Bakteriorhodopsin ist ein integrales Membranprotein, welches in der Zellmembran des halophilen Organismus Halobacterium salinarum (Halobakterien) vorkommt. Der Polypeptidanteil des Bakteriorhodopsin besteht aus 248 Aminosäuren die, in Form von sieben antiparallelen alpha-Helices eine Pore bilden. In dieser Pore befindet sich der Kofaktor Retinal, der als Chromophor fungiert. Retinal ist über eine Imidbindung (Schiffsche Base) an die Aminogruppe der Seitenkette von Lys216 gebunden. Unter physiologischen Bedingungen liegt Retinal als all-trans oder 13-cis Isomer vor. Die Isomerisierung erfolgt unter Einwirkung von sichtbarem Licht. In der Zellmembran der Halobakterien liegt Bakteriorhodopsin als Trimer vor und bildet zweidimensional kristalline (hexagonale) Bereiche aus. Diese bis zu fünf Mikrometer großen Membranbereiche werden als Purpurmembran (PM) bezeichnet. In dieser Form besitzt Bakteriorhodopsin eine hohe Stabilität gegenüber physikalisch-chemischen Einflüssen.
So bleiben Farbe und photochemische Aktivität der Purpurmembran auch in Gegenwart von Sauerstoff, unter hohen Salzkonzentrationen sowie über einen breiten Feuchtigkeitsbereich erhalten.
Das Bakteriorhodopsin stellt den Lichtenergie-Konverter der photosynthetischen Energiegewinnung von Halobacterium salinarum dar. Die von Halobacterium salinarum vollzogene Photosynthese unterscheidet sich grundlegend von der Photosynthese der Pflanzen. Die Lichtenergie wird hier nicht zur Spaltung von Wasser genutzt, sondern dient über den Energiekonverter Bakteriorhodopsin zum Aufbau eines Protonen-Gradienten zwischen dem Innern (Cytoplasma) des Bakteriums und der äußeren Umgebung. Dieser Protonen-Gradient stellt die Energiequelle für die ATP-Synthase dar, die aus ADP ATP synthetisiert.
Der Protonen-Gradient wird über einen mehrstufigen Prozess, initiiert durch die lichtinduzierte Isomerisierung des Retinals und angetrieben durch Veränderungen der Protonenaffinitäten von Aminosäurefunktionen, erzeugt. Das Chromophor, welches im unbelichteten Zustand als all-trans Retinal vorliegt, isomerisiert nach Belichtung zu 13-cis Retinal. Das hat, aufgrund der Bindung des Chromophors an das Protein, konformationelle Änderungen des Proteins zur Folge, was sich unmittelbar auf den zunächst protonierten Zustand der Schiffschen Base auswirkt. Nach der Isomerisierung befindet sich dieses Proton in einer energetisch ungünstigen Umgebung und wird an den unmittelbaren Wechselwirkungspartner der Schiffschen Base, Asp85, in extrazelluläre Richtung abgegeben. Daran ist eine Folge von vier weiteren unidirektionalen Protonenverschiebungen geknüpft, bevor abschließend der Ausgangszustand des Proteins wiederhergestellt wird und ein neuer Zyklus durchlaufen werden kann. Dieses lichtgetriebene Pumpen von Protonen ist an eine zyklische Folge spektroskopisch unterscheidbarer Zustände des Proteins geknüpft. Diese Folge wird Photozyklus genannt. Das Durchlaufen des Photozyklus infolge von Belichtung ist mit einem reversiblen Farbwechsel von Violett (B-Zustand, Absorptionsmaximum 570 nm) nach Gelb (M-Zustand, Absorptionsmaximum 410 nm) verbunden.
Aufgrund seiner außergewöhnlichen Funktionalität ist das Protein von großem wissenschaftlichem Interesse, zudem wurden für Bakteriorhodopsin eine Reihe verschiedener technischer Anwendungen vorgeschlagen. Insbesondere von Interesse ist seine Verwendung als Sicherheitspigment für den Schutz von Personaldokumenten, Wertdokumenten und Produkten vor Nachahmung und Fälschung sowie als optischer Datenspeicher.
Im Falle einer Verwendung als Sicherheitspigment, wird der kontrastreiche Farbwechsel des Moleküls bei Belichtung mit sichtbarem Licht, nämlich von violett nach gelb, ausgenutzt. Dieses Merkmal der Schaltbarkeit zwischen zwei Farben mit sichtbarem Licht bietet eine hohe Erkennbarkeit durch den Nutzer, sowie einen effektiven Kopierschutz für entsprechend ausgerüstete Dokumente. Die Nachahmung eines solchen Sicherheitsmerkmals ist wegen der dann fehlenden optischen Schaltbarkeit leicht zu erkennen.
Durch geeignete Modifikationen des Bakteriorhodopsins, lässt sich, z. B. über Erkennungstags oder Mutationen in der Aminosäuresequenz des Proteins sowie chemische Modifikation des Retinals, ferner mittels geeigneter Laborverfahren die Herkunft eines Materials sicher identifizieren. (Birge, Annu. Rev. Phys. Chem., 1990, 41, 683; Oesterhelt et al., Quarterly Rev. Biophys.., 1991, 24, 425; Brauchle et al., Adv. Mater., 1991, 3, 420; Miyasaka et al., Science 1992, 255, 342).
Es wurde bereits demonstriert, dass Bakteriorhodopsin in glasartigen Silikaten, die mittels eines Sol-Gel Verfahrens hergestellt wurden, seine Funktionalität beibehält (Weetall, supra). Das Glas erlaubt den Transport kleiner Moleküle, immobilisiert jedoch das Protein in seinen Poren. Es wurde gezeigt, dass die Eigenschaften des im Glas eingekapselten Bakteriorhodopsins vergleichbar zu denen des gelösten Proteins sind. Diese glasartigen Materialien haben allerdings den Nachteil einer hohen Sprödigkeit und Porosität, was Nachteile bei der Handhabung und optischen Qualität (Streuung) mit sich bringt. Weiterhin kann aufgrund der Porosität eingedrungenes Wasser das Netzwerk durch Spaltung (Hydrolyse) von Si-O-Si-Bindungen schwächen und somit zusätzlich die Transparenz und Stabilität des Materials sowie die Immobilisierung des Proteins negativ beeinflussen.
Die Verkapselung von funktionellem Bakteriorhodopsin oder anderen photochromen und fluoreszierenden Proteinen in anorganisch-organischen Hybridmaterialien wurde dagegen mangels geeigneter Verfahren bisher nicht beschrieben.
So offenbart die vorliegende Erfindung zum ersten Mal ein Verfahren, mit dem sich funktionelle photochrome oder fluoreszierende Proteine, beispielsweise Bakteriorhodopsin, in ein anorganisch-organisches Hybridmaterial, ein Hybrimer, einlagern lassen. Das Verfahren ist vorzugsweise ein Sol-Gel Verfahren.
Gegenstand der Erfindung sind des Weiteren die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Hybrimere sowie deren Verwendung.
Wie eingangs erwähnt, sind "Hybrimere", die teilweise auch als Ormocere oder Ormosile bezeichnet werden, Verbundwerkstoffe, die aus einem Netzwerk aus organischen und anorganischen Polymeren bestehen. Dabei bezeichnet der Ausdruck "Netzwerk" eine dreidimensionale Anordnung miteinander kovalent verbundener Verbindungen. Hierbei füllt das organische Netzwerk Leerstellen des in der Regel mittels Kondensation erzeugten anorganischen Netzwerkes aus, so dass sich beide Netzwerke durchdringen oder fest miteinander verbunden sind.
In diesem Zusammenhang bedeutet anorganisch, dass die Hauptketten aus Metalloxidbindungen, die sowohl linear als auch verzweigt sein können, gebildet werden, insbesondere aus -Si-O- Bindungen. Neben der Verwendung von Si-Atomen zum Aufbau des anorganischen Netzwerkes können gegebenenfalls auch andere Metall- oder Halbmetallatome, wie beispielsweise Al, B, Zr, Y, Ba und Ti oder Kombinationen davon verwendet werden. Ferner können auch Kombinationen von Si mit anderen Atomen, wie Al, B, Zr, Y, Ba und Ti oder Kombinationen davon, zum Aufbau des anorganischen Netzwerks verwendet werden. Ein Beispiel dafür ist die kombinierte Verwendung von Si und Zr-Verbindungen zum Aufbau des anorganischen Teils des Netzwerks.
Das organische Netzwerk wird durch Polymerisation oder Polykondensation von organischen Resten erhalten. Die Polymerisationsreaktion kann dabei Mechanismen wie Polyaddition oder Cycloaddition einschließen. Die verwendeten organische Reste enthalten reaktive Gruppen, die über eine entsprechende chemische Reaktion vernetzbar sind. Dabei können diese Gruppen beispielsweise untereinander polymerisierbar und/oder mit anderen reaktiven Gruppen kopolymerisierbar sein. Zum Beispiel können die organischen Reste als reaktive Gruppen Epoxidreste enthalten, wobei auch zusätzlich weitere Reste, die untereinander polymerisierbar und/oder mit Epoxidresten kopolymerisierbar sind, enthalten sein können. Ein weiteres Beispiel ist die Verwendung von Isocyanat- und Hydroxygruppen an den organischen Resten, um Urethane zu erzeugen.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst daher die Bildung eines anorganischen Netzwerks durch Kondensation mindestens einer Metalloxidverbindung, wobei die Metalloxidverbindung die Formel
besitzt,
wobei M Si, Al, B, Zr, Y, Ba oder Ti bedeutet,
wobei jeder der Reste R₁, R₂, R₃ und R₄ unabhängig voneinander einen unsubstituierten oder substituierten aliphatischen, cycloaliphatischen oder aromatischen Rest mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen bedeutet, wobei eine oder mehrere CH₂-Gruppen des aliphatischen oder cycloaliphatischen Rests durch O, C=O, C(O)O-, NR', Si(R')₂ _, Si(R')₂O, CR'₂ und/oder S, und/oder gegebenenfalls eine oder mehrere CH₃-Gruppen des aliphatischen oder cycloaliphatischen Rests durch OR', C(O)R', COOR', NR₂', Si(R')₃, Si(R')₂OR' und/oder SR' ersetzt sein können, wobei jedes R' unabhängig H, C₁-C₂₀ Alkyl, Alkenyl, Alkinyl oder Alkoxy, OH oder Halogen ist, wobei mindestens zwei von R₁, R₂, R₃ und R₄ ein hydrolysierbares Alkoholat, insbesondere Methoxy, Ether von Glycerin oder Glykol oder andere komplexierende Verbindungen wie Acetylacetonat, sind, wobei mindestens einer von R₁, R₂, R₃ und R₄ mindestens eine reaktiv vernetzbare Gruppe, beispielsweise eine Acrylat-, Vinyl-, Allyl-, Methacrylat-, Oxetan-, Epoxy- Acrylamido-, Hydroxy-, Nitril-, Isonitril-, Cyanat-, Isocyanat-, Amino-, Alkylamino-, Dialkylamino-, Mercapto-, Halogen-, Silan- oder Cyanoalkylgruppe trägt, und wobei abhängig von der Wertigkeit von M R₃ und/oder R₄ vorhanden oder nicht vorhanden sein können,
oder wobei die Metalloxidverbindung ein cyclisches, verzweigtes oder lineares Oligo- bzw. Polymetalloxid ist, umfassend Struktureinheiten der Formel (II)
wobei M, R₁ und R₂ die oben angegebene Bedeutung haben, und
wobei abhängig von der Wertigkeit von M R₂ vorhanden sein oder fehlen kann, und
wobei mindestens einer von R₁ und R₂ mindestens eine reaktiv vernetzbare Gruppe, beispielsweise eine Acrylat-, Vinyl-, Allyl-, Methacrylat-, Oxetan-, Epoxy-, Acrylamido-, Hydroxy-, Nitril-, Isonitril-, Cyanat-, Isocyanat-, Amino-, Alkylamino-, Dialkylamino-, Mercapto-, Halogen-, Silan- oder Cyanoalkylgruppe trägt.
„Reaktive Gruppen” sind solche chemischen Gruppen, die gemäß im Stand der Technik bekannter Verfahren vernetzbar, das heißt polymerisierbar oder polykondensierbar sind. Vernetzung bedeutet daher Polymerisation und/oder Polykondensation, wobei der Begriff „Polymerisation" auch Polyadditions- oder Cycloadditionsreaktionen einschließt, die geeignet sind mehrere Moleküle zu vernetzen. Dabei können zwei gleiche oder zwei unterschiedliche reaktiv vernetzbare Gruppen miteinander vernetzbar sein. Beispiele für gleiche reaktiv vernetzbare Gruppen, die miteinander vernetzbar sind, sind beispielsweise Acryl-, Vinyl- oder Epoxidgruppen. Beispiele für unterschiedliche reaktiv vernetzbare Gruppen, sind dagegen die Kombinationen Hydroxy/Isocyanat, Vinyl/Silan und Amino/Hydroxy. Für die Vernetzung der reaktiven Gruppen können weiterhin auch quervernetzende Verbindungen (Crosslinker) eingesetzt werden. Beispiele für solche Crosslinker sind beispielsweise 3-Amino-1-propanol, Glycerin, Bisphenol A, Bisepoxide, Succinanhydrid, Succinimid, und Isophorondiamin.
In einer Ausführungsform kann Glycerin als quervernetzende Verbindung verwendet werden, um Epoxidgruppen zu vernetzen. In einer anderen Ausführungsform kann 3-Amino-1-propanol als Crosslinker verwendet werden, um Isocyanatgruppen zu vernetzen.
Die aliphatischen Reste sind Alkinyl-, Alkenyl- und/oder Alkylreste mit 1-20 Kohlenstoffatomen, bevorzugt mit 1-6 Kohlenstoffatomen, die gradkettig, verzweigt oder cyclisch sein können.
Beispiele für geeignete Alkylreste sind C₁-C₆ Alkylreste, insbesondere Methyl, Ethyl, n-Propyl, i-Propyl, n-Butyl, s-Butyl, t-Butyl, i-Butyl, n-Pentyl und n-Hexyl.
Zu den Alkenylresten gehören unter anderem Vinyl, Allyl, 2-Butenyl, Cyclopentenyl und Cyclohexenyl.
Beispiele für Alkinylreste sind unter anderem Ethinyl, Propinyl und 2-Butinyl.
Cycloaliphatische Reste umfassen Cycloalkylreste, die ein oder mehrere Ringsysteme aufweisen. Beispiele sind C₁-C₂₀ mono- oder bizyklische Cycloalkylreste, z. B. Cyclopentyl, Cyclohexyl und Norbonyl.
Darüber hinaus können die Metalloxide der Formeln (I) oder (II) auch aromatische Reste umfassen. Zu den bevorzugten Arylresten gehören Phenyl, Diphenylyl und Naphthyl. Die aromatischen Reste umfassen auch Alkylarylreste, wie beispielsweise Benzyl. Ferner können die aromatischen Reste auch heteroaromatische Reste sein, die 1-3 Heteroatome, beispielsweise ausgewählt aus O, N und S, enthalten.
In bestimmten Ausführungsformen, können die Metalloxide der Formeln (I) oder (II) auch Aminosäurereste, Steroidreste oder Polyethylenoxidreste umfassen.
Alle genannten Reste können substituiert oder unsubstituiert sein, d. h. anstelle eines H-Atoms gegebenenfalls einen oder mehrere Substituenten, z. B. Halogen, C₁-C₂₀ Alkyl, C₁-C₂₀ Hydroxyalkyl, C₁-C₂₀ Alkenyl, C₁-C₂₀ Alkoxy, C₁-C₂₀ Aryl, C₁-C₂₀ Aryloxy, C₁-C₂₀ Aralkyl, C₁-C₂₀ Acyloxy, C₁-C₂₀ Alkylcarbonyl, C₁-C₂₀ Alkoxycarbonyl, Amino, C₁-C₂₀ Alkylamino, C₁-C₂₀ Dialkylamino, C₁-C₂₀ Trialkylammonium, Amido, Hydroxy, Formyl, Carboxy, Mercapto, Cyano, Nitro und Epoxy tragen. Besonders bevorzugt sind Reste, die mit einer oder mehreren Epoxy-, Hydroxyl- oder Isocyanatgruppen substituiert sind.
Die Alkoxy-, Aryloxy-, Acyloxy- und Alkylcarbonylreste leiten sich unter anderem von zuvor genannten Alkyl- und Arylresten ab. Zu diesen gehören unter anderem Methoxy, Ethoxy, n- und i-Propoxy, n-, i-, s- und t-Butoxy, Acetyloxy, Propionyloxy, Methylcarbonyl, Ethylcarbonyl, Methoxycarbonyl, Benzyloxy, 2-Phenylethyloxy und Tolyloxy. Diese Reste können ebenfalls die zuvor genannten Substituenten aufweisen.
Spezielle Beispiele für Metalloxidverbindungen der Formel (I) sind Siliziumverbindungen, wie beispielsweise Glycidoxypropyltrimethoxysilan. Diese Siliziumverbindungen können auch als Mischungen eingesetzt werden. Ein anderes Beispiel für Metalloxidverbindungen der Formel (I) sind Zirkoniumverbindungen, die auch als Mischung mit Siliziumverbindungen eingesetzt werden können.
Geeignete Silane bzw. Siloxane sind größtenteils kommerziell erhältlich, darüber hinaus können sie in an sich bekannter Weise synthetisch erhalten werden. Hilfreiche Hinweise erfährt der Fachmann darüber hinaus beispielsweise aus Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5. Aufl.
Zu den Metalloxiden der Formeln (I) oder (II) oder entsprechenden Mischungen von Metalloxiden der Formeln (I) oder (II), aus der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die anorganischen Netzwerke durch hydrolytische Kondensation erhältlich sind, können weitere organische Halbmetall- und Metallverbindungen zugegeben werden, die während der Hydrolyse in das anorganische Netzwerk eingebaut werden. Zu diesen gehören unter anderem Silane, Zirkoniumverbindungen und weitere Metalloxide, insbesondere Siloxane, die keine reaktiv vernetzbaren Gruppen aufweisen.
Beispiele hierfür sind R''-M-Cl_x, R''-M-(OCH₃)_x, (R'')₂-M-Cl_x, (R'')₂-M-Br_x, (R'')₂-M-(OR'')_x, M-(R'')_x oder M-(OR'')_x, wobei M Si, Al, B, Zr, Y, Ba oder Ti ist, jedes R'' unabhängig H oder ein geradkettiges oder verzweigtes C₁-C₂₀ Alkyl, Alkenyl, Alkinyl oder Cycloalkyl ist und x abhängig von der Wertigkeit von M 1, 2 oder 3 ist. Geeignete Verbindungen sind daher beispielsweise CH₃-Si-Cl₃, CH₃-Si-(OCH₃)₃, C₂H₅-Si-Cl₃, C₂H₅-Si-(OCH₃)₃, (CH₃)₂-Si-Cl₂, (CH₃)₂-Si-Br₂ und Si-(OCH₃)₄. Eine andere geeignete Verbindung ist beispielsweise Zirkoniumethoxid oder ein Komplex aus Zirkoniumethoxid und Triethanolamin. Bei der Verwendung einer solchen Zirkoniumverbindung als zusätzlichem Bestandteil der Reaktion, kann über die Menge der Zirkoniumverbindung der Brechungsindex des resultierenden Films oder Monolithen gesteuert werden.
In einer Ausführungsform ist dieses zusätzliche Metalloxid ein Silan, vorzugsweise Tetramethoxysilan. In einer anderen Ausführungsform ist dieses zusätzliche Metalloxid Zirkoniumethoxid.
Die mechanischen und gegebenenfalls auch optischen Eigenschaften der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Hybrimere lassen sich durch Art und das Verhältnis der verwendeten Metalloxidverbindungen beeinflussen.
Ferner gilt, je höher der Anteil der hydrolysierbaren Gruppen, beispielsweise Methoxygruppen, gegenüber den nicht hydrolysierbaren Gruppen ist, desto härter aber auch spröder wird der Werkstoff.
In einigen Ausführungsformen liegt das Verhältnis dieser Gruppen, das durch hydrolysierbar zu nicht hydrolysierbar gegeben ist, im Bereich von 1:2 bis 100:1, beispielsweise im Bereich 1:1 bis 20:1, vorzugsweise im Bereich 1:1 bis 8:1. Dabei sind diese Werte als Mittelwert über die, gegebenenfalls als Mischung einsetzbaren, hydrolysierbaren Verbindungen zu verstehen.
Die Herstellung der anorganischen Netzwerke kann in der auf dem Gebiet der Poly(hetero)kondensation üblichen Art und Weise erfolgen. Zur (hydrolytischen) Kondensation von Siliziumverbindungen genügt in den meisten Fällen ein Beimischen von Wasser oder, im Fall einer wasserfreien Hydrolyse, von Borsäure (B(OH)₃) oder ähnlichen Verbindungen, bei Raumtemperatur oder unter leichter Kühlung, wonach die resultierende Mischung einige Zeit gerührt wird. Die etwaige Hydrolyse der Siliziumverbindungen kann auch durch Zugabe einer Säure oder Base, gegebenenfalls auch unter Ausschluss von Wasser, d. h. wasserfrei, erfolgen.
In einer Ausführungsform der Erfindung, erfolgt die Hydrolyse in Gegenwart einer unterstöchiometrischen Menge H₂O und gegebenenfalls einer Säure, beispielsweise HCl, HF, HBr, Tetrabutylammoniumfluorid (TRAF), B(OH)₃ oder Al(OH)₃. Im Fall der Verwendung von Glycidoxypropyltrimethoxysilan und Tetramethoxysilan, erhält man abhängig von der eingesetzten Konzentration der Säure und der Säurestärke so eine niedrigviskose Mischung, die über mehrere Monate stabil bleibt, d. h. die Viskosität ändert sich nicht wesentlich.
Im Allgemeinen wird die Hydrolyse bei Temperaturen zwischen –20 Grad Celsius und 130 Grad Celsius, vorzugsweise zwischen 0 und 30 Grad Celsius durchgeführt. Die Umsetzung kann sowohl in Masse als auch in einem Lösungsmittel, wie beispielsweise Methanol, erfolgen.
Da die reaktiven Gruppen, beispielsweise Epoxidgruppen, ebenfalls sauer oder basisch vernetzbar, beispielsweise polymerisierbar, sein können, wird der pH-Wert für die Hydrolyse und Kondensation der anorganischen Polymermatrix in einem Medium in Abhängigkeit von der Hydrolysegeschwindigkeit der Alkoholate und der Stabilität der reaktiv vernetzbaren Gruppen gewählt.
Bei der Verwendung von verschiedenen leicht hydrolysierbaren Verbindungen hat es sich insbesondere als vorteilhaft erwiesen, nicht alle Ausgangsverbindungen zu Beginn der Hydrolyse vorzulegen, sondern nur einen Teil dieser Verbindungen mit Wasser zu kontaktieren und anschließend andere Verbindungen zuzugeben. Gleiches gilt für die Wasserzugabe, die in mehreren Stufen erfolgen kann, wobei nach jeder Wasserzugabe die Mischung für eine gewisse Zeit gerührt wird. Diese Vorgehensweise kann erforderlich sein, falls Teile der hydrolysierten Verbindungen zur Präzipitation, Entmischung oder Phasentrennung neigen oder das gesamte System zur schnellen Gelierung neigt. Hierbei kann auch mit komplexierenden Verbindungen gearbeitet werden, um die Geschwindigkeit der Hydrolyse zu verlangsamen. Geeignete komplexierende Verbindungen sind beispielsweise Acetylacetonat und Ethanolamine wie Triethanolamin.
Die Kondensationszeit richtet sich nach den jeweiligen Ausgangskomponenten und deren Mengenanteilen, dem pH-Wert, der Konzentration, gegebenenfalls dem verwendeten Katalysator, wie zum Beispiel Ti(OPr)₄, der Reaktionstemperatur und der gewünschten Endviskosität usw. Im Allgemeinen erfolgt die Polykondensation bei Normaldruck. Sie kann jedoch auch bei erhöhtem, oder bei verringertem Druck durchgeführt werden. Das so erhaltene Polykondensat kann entweder als solches oder nach Entfernung verwendeter oder gebildeter leicht flüchtiger Stoffe, wie beispielsweise Lösungsmittel, eingesetzt werden.
Da die Bildung des organischen Netzwerks durch basische, saure, kationische, anionische oder radikalische Polymerisation oder Polykondensation erfolgen kann, werden den Polykondensaten oder den Mischungen, aus denen diese erhalten werden, Polymerisations- bzw. Polykondensationsinitiatoren beigegeben. Falls, beispielsweise bei Verwendung von Epoxid- oder Allylgruppen als reaktive vernetzbare Gruppen, eine kationische Polymerisation durchgeführt wird, werden Initiatoren verwendet, die vorzugsweise Lewis- oder Brönstett-Säuren bzw. Verbindungen, die solche Säuren freisetzen, wie beispielsweise BF₃ oder dessen etherische Addukte (BF₃·THF, BF₃·Et₂O, usw.), AlCl₃, FeCl₃, NbCl₅, HPF₆, HAsF₆, HSbF₆, HBF₄, sind. Ferner können als Initiatoren auch Tetrabutylammoniumfluorid (TRAF), Ti(OPr)₄ (Titantetraisopropylat), Photosäuren und/oder Oniumsalze sowie Mischungen der oben genannten Verbindungen verwendet werden.
Der Ausdruck „Initiator" in Bezug auf die Polymerisations- oder Polykondensationsreaktion, schließt daher sowohl Katalysatorsubstanzen, sowie andere Möglichkeiten der Initiierung der Reaktion, beispielsweise durch UV-Licht, Radikalbildner etc., ein.
Aus diesem Grund beinhaltet ein Aspekt der Erfindung auch die photochemische Vernetzung der reaktiven Gruppen der organischen Reste. Ein anderer Aspekt der Erfindung beinhaltet die thermische Vernetzung der reaktiven Gruppen der organischen Reste.
Zur Bildung des organischen Netzwerks können in Abhängigkeit der reaktiv vernetzbaren Gruppen ein oder mehrere Verbindungen, die die Vernetzungsreaktion initiieren und/oder katalysieren, eingesetzt werden. Insbesondere können auch Mischungen von geeigneten Katalysatorsubstanzen, die beispielsweise kommerziell erhältlich sind, verwendet werden.
Zur Vernetzung der reaktiven Gruppen können weiterhin auch geeignete quervernetzende Verbindungen, wie beispielsweise bi- oder multivalente Crosslinker eingesetzt werden. Für die Vernetzung von Epoxygruppen über Crosslinker sind beispielsweise Glycerin, Bisphenol A, Succinanhydrid, Isophorondiamin und Bisepoxide geeignet. Für die Vernetzung von Isocyanatgruppen unter der Bildung von Urethanen ist als Crosslinker beispielsweise 3-Amino-1-propanol geeignet.
Die zeitliche Abfolge von (hydrolytischer) Kondensation und Vernetzung, z. B. mittels Polymerisation, ist nicht festgelegt und kann in geeigneter Art und Weise gleichzeitig oder in beliebiger Reihenfolge nacheinander erfolgen.
Der hydrolysierbaren Metalloxidverbindung bzw. dem hieraus hergestellten Kondensat oder Netzwerk können vor, nach oder während der Kondensation und/oder Vernetzung weitere polymerisierbare Monomere oder Vorkondensate/Polymerisate oder Mischungen davon beigefügt werden.
Hierbei kann es sich sowohl um monofunktionale als auch um polyfunktionale Monomere oder Polymere mit vernetzbaren, d. h. polymerisierbaren oder polykondensierbaren, Gruppen, wie beispielsweise Acrylat-, Vinyl-, Allyl-, Methacrylat-, Oxetan-, Epoxy- oder Acrylamidogruppen bzw. Hydroxy-, Nitril-, Isonitril-, Cyanat-, Isocyanat-, Amino-, Alkylamino-, Dialkylamino-, Mercapto-, Halogen-, Silan- oder Cyanoalkylgruppen, handeln.
Ferner können der Hybrimerlösung vor, nach oder während der Kondensation und/oder Vernetzung oder auch erst nach Zugabe des Proteins, weitere nicht funktionelle Monomere oder Polymere zugegeben werden, die dem daraus erhältlichen Material weitere Eigenschaften, wie beispielsweise Leitfähigkeit verleihen. Beispiele für solche Polymere sind Poly(p-Phenylen-Vinylen) (PPV), Poly(3,4-Ethylendioxythiophen)(PEDOT) und Polyanilin(PANI).
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Hybrimere dadurch hergestellt, dass man Glycidoxypropyltrimethoxysilan und Tetramethoxysilan als Ausgangskomponenten mischt, die Siliziumverbindungen hydrolysiert und die Epoxidreste kationisch polymerisiert, wobei Hydrolyse, Kondensation und Polymerisation gleichzeitig oder in beliebiger Reihenfolge nacheinander erfolgen können.
Die kationische Polymerisation der Epoxidgruppen erfolgt durch Zugabe einer Lewissäure, vorzugsweise Bortrifluoriddiethyletherat (BF₃·Et₂O), in einem Lösungsmittel, vorzugsweise dem in der Hydrolyse entstandenen Alkohol. Das Verhältnis Epoxidgruppen:Lewissäure bestimmt die Polymerisationsgeschwindigkeit und damit auch die Geschwindigkeit der Viskositätszunahme der Lösung.
Die Polymerisationszeit ist abhängig von den Ausgangskomponenten, deren Molverhältnissen, dem verwendeten Initiator und der Reaktionstemperatur.
Vor oder nach dem Vernetzungsschritt oder bereits während der Hydrolyse können zusätzlich Antibleichmittel (UV-Blocker), beispielsweise siloxanmodifizierte Diphenylketone, Konservierungsmittel, wie beispielsweise antibakterielle Zusätze, Antioxidantien, Radikalfänger, hindered amine light stabilizers (HALS), organische Farbstoffe, wie beispielsweise Laserfarbstoffe, anorganische Halbleiterteilchen, wie beispielsweise CdS oder CdSe-Nanoteilchen, und/oder Nanopartikel dem Sol zugegeben werden. Ferner können Fluorpolymere wie Siloxane und/oder Titan-/Zirkoniumoxid-Verbindungen zugegeben werden, um den Brechungsindex des erhaltenen Films oder Monoliths einzustellen. Weiterhin können Feuchtigkeitsregulatoren, wie beispielsweise Gylcerin zugegeben werden. Bei der Verwendung von Glycerin als Feuchtigkeitsregulator, kann dieses, falls es vor oder während der Vernetzungsreaktion zugegeben wird, dabei zusätzlich als quervernetzendes Mittel (Crosslinker) wirken.
Falls eine saure Polymerisation der reaktiv vernetzbaren Gruppen mit einer Lewissäure als Katalysator (Initiator) durchgeführt wird, kann die Lewissäure danach mit Wasser hydrolysiert und der pH-Wert des Gels mit einer Base auf einen Bereich von 4,0 bis 11,0, vorzugsweise 5,0 bis 10,0, noch bevorzugter 5,5 bis 9,5, eingestellt werden. Art und Menge der zugegebenen Base bestimmen Art und Geschwindigkeit der Gelierung sowie gegebenenfalls eine weitere Vernetzung des Epoxid-Netzwerks. Beispiele für geeignete Basen sind NaOH, KOH, Ca(OH)₂, Mg(OH)₂, primäre, sekundäre und tertiäre Amine (siehe J. Pol. Sci., 2001, 39, 1071-1084), beispielsweise Imidazole, insbesondere Methylimidazol, Pyridine, Pyrimidine, Pyrazole, Piperidine, Ammoniak, Ethanolamine, insbesondere Triethanolamin, aber auch DBU (1,8-Diazabicyclo[5.4.0]undek-7-en) und DABCO (1,4-diazabicyclo[2.2.2]oktan), sowie Mischungen davon.
Wird dagegen basisch polymerisiert, muss der pH-Wert des Gels entsprechend mit einer Säure auf den oben angegebenen pH-Bereich eingestellt werden.
Der so eingestellte pH-Wert, der vorteilhafterweise nahe dem physiologischen pH liegt, ist insbesondere für die Funktionalität der später zugegebenen photochromen bzw. fluoreszierenden Proteine von Bedeutung.
Im Folgenden wird der bei der Hydrolyse gegebenenfalls aus dem Alkoholat gebildete Alkohol, z. B. Methanol, sowie sonstige flüchtige Bestandteile üblicherweise schonend und langsam unter (gegenüber Normaldruck) erniedrigtem Druck und gegebenenfalls ebenfalls bei erhöhter Temperatur, z. B. in einem Rotationsverdampfer entfernt. Das schonende Vorgehen bei der Entfernung des gebildeten Alkohols dient zur Vermeidung der weitergehenden Gelierung der Mischung.
Zu dem erhaltenen Gel kann nun das gewünschte photochrome oder fluoreszierende Protein in Form eines Feststoffes oder als eine Lösung/Dispersion in einem geeigneten Lösungsmittel, beispielsweise Wasser oder Mischungen von Wasser mit anderen Lösemitteln und/oder Additiven wie Glycerin, Hydroxylamin, Guanidin, Aminosäuren, wie beispielsweise Arginin, Tensiden, Ethylenglykolen oder anderen wasserlöslichen Polymeren, die dazu dienen, optimale Bedingungen für das Protein zu schaffen und/oder den Photozyklus zu beeinflussen, gegeben werden. Dabei kann der pH-Wert des Gels sowie die Viskosität erneut durch Zugabe von Wasser und/oder einer Base, einer Säure oder eines Puffers eingestellt werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das photochrome oder fluoreszierende Protein, das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens in ein anorganisch-organisches Hybridmaterial eingebunden wird, ein Rhodopsin, z. B. Bakteriorhodopsin. Andere geeignete Proteine sind beispielsweise Phytochrome, Cryptochrome und Komplexe aus Retinal oder chemisch modifiziertem Retinal und anderen Proteinen. Ebenfalls geeignet sind fluoreszierende Proteine wie beispielsweise Grün fluoreszierendes Protein (GFP), Verstärkt Grün fluoreszierendes Protein (Enhanced Green Fluorescent Protein (EGFP)) oder Gelb fluoreszierendes Protein (YFP).
Die Verwendung von chemisch modifizierten Varianten dieser Proteine sowie Mutanten davon wird vorliegend ebenfalls in Erwägung gezogen. Durch solche Modifikationen/Mutationen lassen sich beispielsweise Eigenschaften des Proteins, z. B. die Absorptionseigenschaften oder die Halbwertszeiten einzelner Zustände des Photozyklus, variieren. Ein Beispiel für eine solche Mutation ist die D96N Mutante von Bakteriorhodopsin, die dazu führt, dass die Rückkehr vom angeregten M Zustand mit einem Absorptionsmaximum von 410 nm in den Grundzustand mit einem Absorptionsmaximum von 570 nm stark verlangsamt erfolgt. Das führt zu einer verlängerten Lebensdauer des M Zustands, da die Mutation nach der Photonabsorption und Isomerisierung des Retinals zu einer sehr viel langsameren Reprotonierung der Schiffschen Base durch die basischere Aminosäure Asn 96 führt.
Auf vergleichbare Art und Weise können andere Aminosäuresubstitutionen in der Sequenz der verwendeten Proteine die Eigenschaften verändern. Ferner können chemische Modifikationen der Proteine, z. B. die Verwendung künstlicher oder modifizierter Aminosäuren oder Aminosäurenanaloga, weitere vorteilhafte Eigenschaften, wie beispielsweise erhöhte Stabilität, bedingen. Weitere Möglichkeiten sind die chemische Modifizierung des Kofaktors, beispielsweise des Retinals in Rhodopsinen oder des Bilins in Phytochromen, um beispielsweise die Absorptionseigenschaften oder Halbwertszeiten zu verändern. Außerdem können auch weitere Chromophore, wie beispielsweise Azofarbstoffe, direkt an das Protein gebunden werden.
Weiterhin können die Absorptionsmaxima durch Zugabe chemischer Additive, beispielsweise von Glycerin als Feuchtigkeitsregulator, von Aminosäuren um Halbwertszeiten einzustellen, von Hydroxylamin um aus den erfindungsgemäßen Hybrimeren permanente Speichermedien zu realisieren, von UV-blockenden Mitteln und von oxidische Nanopartikeln als Füllstoffe oder für weitere Anwendungen, optimiert werden.
Das Gel kann dann auf entsprechende Substrate, beispielsweise Glas, Keramiken, Metalle, Polymere, Holz, Verbundwerkstoffe und Papiere, aufgebracht werden. Für die Applikation auf Substrate sind im Stand der Technik eine Reihe von geeigneten Verfahren bekannt, die unter anderem "Dip coating", "Spray coating", "Spin coating", Drucken, Rakeln und Extrudieren einschließen.
Der resultierende Film wird dann getrocknet, wobei gegebenenfalls verbliebene Silanole zu Si-O-Si kondensieren. Dieser Schritt wird durch eine Base, wie beispielsweise Methylimidazol oder andere Amine, oder Basenmischungen katalysiert. Ferner können diese Amine die Öffnung eventuell noch vorhandener Epoxidfunktionen katalysieren. Allerdings muss die Temperatur in einem Bereich gehalten werden, der die Denaturierung der photochromen bzw. fluoreszierenden Proteine verhindert. Die Trocknung kann beispielsweise über Blaugel oder über anderen Trocknungsmitteln unter Vakuum oder an der Luft bei Temperaturen bis zu 60°C, im Idealfall bei Raumtemperatur erfolgen.
Im resultierenden Film eventuell noch vorhandene Silanol-Funktionen können ebenfalls mit reaktiven Silanen, beispielsweise Hexamethyldisilazan, (CH₃)₃SiCl, HSiCl₃, HSi(OMe)₃ oder anderen Halogenalkylsilanen, beispielsweise perfluorierten Verbindungen, abgesättigt werden. Weiterhin kann die Oberfläche der Filme mit reaktive Gruppen tragenden Silanen modifiziert werden. Dadurch wird die Oberfläche gegebenenfalls in Abhängigkeit der verwendeten Silane hydrophobisiert und damit wasserabweisend. Das kann zum Beispiel bei der Beschichtung von Papieren vorteilhaft sein. Alternativ kann die Oberfläche durch Behandlung mit Ozon, Plasma, SiCl₄ und anschließender Wasserbehandlung auch hydrophilisiert werden. Ferner können die Filme durch die Wahl geeigneter Kopplungsreagenzien auf Si-Basis mit anderen Materialien, wie beispielsweise Si₃N₄, SiO₂ oder ITO, beschichtet, mit Metallen, wie beispielsweise Al, Au, Cr, Ag, Pt und Ni, Metallnitriden, Metalloxiden, wie beispielsweise Indiumzinnoxid, oder geeigneten organischen Molekülen bedampft, oder in Epoxide, Siloxane etc. eingegossen oder laminiert werden. Die resultierenden Materialien sind für die Herstellung optischer Bauteile, wie beispielsweise Resonatoren oder veränderbare Waveguides, geeignet.
Alternativ können aus den erfindungsgemäßen Hybrimersystemen auch Monolithe hergestellt werden.
Das kontrollierte mehrstufige Syntheseverfahren der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Herstellung eines langzeitstabilen Hybrimersystems. Dabei machen die Auswahl der Materialien, die genaue Einstellung des pH-Wertes (Pufferung) und die schonende Entfernung eventueller Schadstoffe, wie hier Methanol, das erfindungsgemäße Verfahren dazu geeignet extrem empfindliche Materialien wie Proteine, beispielsweise Rhodopsin, zu verarbeiten und damit beispielsweise wasserabweisende Hybrimerfilme, die photochrome oder fluoreszierende Proteine enthalten, zu erzeugen.
Die nachfolgenden Beispiele dienen zur genaueren Erläuterung der Erfindung, ohne dass diese hierauf beschränkt werden soll. Die nachfolgenden Prozentangaben beziehen sich auf das Gesamtgewicht, es sei denn, anderes ist vermerkt.
Beispiel 1. Herstellung eines Bacteriorhodopsin-enthaltenden Hybrimerfilms
1767 μl (8 mmol) Glycidoxypropyltrimethoxysilan wurden unter Rühren mit 595 μl (4 mmol) Tetramethoxysilan gemischt. Unter ständigem Rühren wurden dann langsam 684 μl 10 mM HCl (38 mmol) (in Wasser) zugeben. Die Mischung wurde danach bei Raumtemperatur 24 Stunden lang gerührt.
Anschließend wurden unter starkem Rühren und unter Schutzgasatmosphäre (Argon) langsam 25 μl Bortrifluorid-Etherat (0,19 mmol) zugeben und wieder für 24 Stunden gerührt.
1 ml der erhaltenen Lösung wurde unter Rühren mit 1 ml Wasser versetzt und anschließend der pH-Wert durch Zugabe von 2 M Methylimidazol in Wasser auf ca. 6,0 bis 8,0 erhöht (etwa 70 bis 250 μl 2 M Methylimidazol);
Methanol und andere leichtflüchtige Stoffe wurden bei 20°C und 100 mbar über eine Stunde schonend im Rotationsverdampfer entfernt.
Die erhaltene Lösung wurde 1:1 mit einer Lösung von 3 Gew.-% Bakteriorhodopsin (in Form der Purpurmembran) in Wasser gemischt und mittels Rakeln auf ein Glassubstrat appliziert, bei Raumtemperatur vorgetrocknet und dann bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck im Exsikkator über Silikagel für 24h getrocknet.
Beispiel 2. Herstellung eines Bacteriorhodopsin-enthaltenden, im Brechungsindex frei einstellbaren Zr-Epoxid-Films
Um einen im Brechungsindex frei einstellbaren Zr-Epoxid-Film zu erhalten, wurden 2200 μl (10 mM) Glycidoxypropyltrimethoxysilan unter Rühren langsam mit 500 μl 10 mM HCl versetzt und 24 h bei Raumtemperatur gerührt.
Anschließend wurde unter starkem Rühren und unter Schutzgasatmosphäre (Ar) langsam 5 μl Bortrifluoridetherat (0,19 mM) zugegeben und die Reaktionsmischung für weitere 24 h gerührt.
Parallel dazu wurden 2.715 g Zirconiumethoxid (10 mM) langsam unter Rühren mit 1.328 mL (10 mM) Triethanolamin versetzt und 1 h umgesetzt. Danach wurde der Zr-TEA-Komplex langsam mit 1 ml H₂O versetzt und erneut 1 h gerührt.
Zur Herstellung von Filmen wurden 2,0 ml der Zr-TEA-Lösung mit 2,0 ml Wasser verdünnt. Zu der resultierenden leicht trüben Lösung wurden unter Rühren 2,0 ml der Epoxidlösung gegeben, was zu der Bildung einer klaren, leicht viskosen Lösung mit einem pH von ca. 8,5 führte.
Nach dem Entfernen flüchtiger Bestandteile in vacuo wurde zu der Lösung das Protein (Bacteriorhodopsin) zugegeben.
Nach dem Auftragen der Lösung auf Substrate werden nach dem Trocknen harte Filme mit optimalen optischen Eigenschaften erhalten.
Beispiel 3. Verwendung von Glycerin als Quervernetzer in Epoxidfilmen sowie als Feuchtigkeitsregulator
2200 μl (10 mM) Glycidoxypropyltrimethoxysilan, 241 μl (3,3 mM) Glycerin sowie 744 μl (5 mM) TMOS wurden unter Rühren langsam mit 880 μl 10 mM HCl versetzt und 24 h bei Raumtemperatur gerührt.
Anschließend wurden unter starkem Rühren und unter Schutzgasatmosphäre (Ar) langsam 25 μl Bortrifluoridetherat (0,19 mM) zugegeben und die Reaktionsmischung erneut für 24h gerührt.
Die Lösung wurde wie in Beispiel 1 weiterverarbeitet.
Beispiel 4. Herstellung eines Siloxan-Urethan-Harnstoff Komposits
Unter Eiskühlung und Rühren wurden zu 1125 μl (4.5 mM) Isocyanatopropyltrimethoxysilan 225 μl (3 mM) 3-Aminopropan-1-ol gegeben. Nach erfolgter Reaktion wurde die Mischung 45 min unter Rückfluß auf 110°C erhitzt. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurden zu 1000 μl der Substanz unter starkem Rühren 300 μl TMOS, dann 3000 μl H₂O und anschließend 100 μl HCl konz. gegeben. Nachdem die Lösung klar ist, wurden ebenfalls unter Rühren 800 μl 2 M TEA zugegeben. Nach dem Entfernen flüchtiger Komponenten in vacuo wurde der viskosen Lösung das Protein (Bacteriorhodospin) zugesetzt.
Die erhaltene Lösung kann hervorragend für Druckprozesse verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

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Claims

Verfahren zur Herstellung eines Hybrimers auf Metalloxidbasis, das ein oder mehrere photochrome oder fluoreszierende Proteine enthält, wobei das Verfahren umfasst: Bildung eines anorganischen Netzwerks durch Kondensation zumindest einer Metalloxidverbindung, wobei die Metalloxidverbindung die Formel
besitzt, wobei M Si, Al, B, Zr, Y, Ba oder Ti bedeutet, wobei jeder der Reste R₁, R₂, R₃ und R₄ unabhängig voneinander einen unsubstituierten oder substituierten aliphatischen, cycloaliphatischen oder aromatischen Rest mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen bedeutet, wobei eine oder mehrere CH₂-Gruppen des aliphatischen oder cycloaliphatischen Rests durch O, C=O, C(O)O-, NR', Si(R')₂, Si(R')₂O, CR'₂ und/oder S, und/oder eine oder mehrere CH₃-Gruppen des aliphatischen oder cycloaliphatischen Rests durch OR', C(O)R', C(O)OR', N(R')₂, Si(R')₃, Si(R')₂OR' und/oder SR' ersetzt sein können, wobei jedes R' unabhängig H, C₁-C₂₀ Alkyl, Alken, Alkin oder Alkoxy, OH oder Halogen ist, wobei mindestens zwei von R₁, R₂, R₃ und R₄ ein hydrolysierbares Alkoholat sind, wobei mindestens einer von R₁, R₂, R₃ und R₄ mindestens eine reaktiv vernetzbare Gruppe trägt, und wobei abhängig von der Wertigkeit von M R₃ und/oder R₄ vorhanden oder nicht vorhanden sein können, oder wobei die Metalloxidverbindung ein cyclisches, verzweigtes oder lineares Oligo- bzw. Polymetalloxid ist, umfassend Struktureinheiten der Formel (II)
wobei M, R₁ und R₂ die oben angegebene Bedeutung haben, und wobei abhängig von der Wertigkeit von M R₂ vorhanden sein oder fehlen kann, und wobei mindestens einer von R₁ und R₂ mindestens eine reaktiv vernetzbare Gruppe trägt; Vernetzung der reaktiv vernetzbaren Gruppen der Metalloxidverbindung durch Polymerisation oder Polykondensation derart, dass sich ein stabiles Sol oder Gel bildet; und Zugabe eines photochromen oder fluoreszierenden Proteins derart, dass das Protein in dem Sol gelöst, emulgiert oder dispergiert vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei M Si oder Zr ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das hydrolysierbare Alkoholat Methoxy, Ethoxy, ein Glykol- oder Glycerinether oder Acetylacetonat ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das hydrolysierbare Alkoholat Methoxy ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die mindestens eine reaktiv vernetzbare Gruppe eine Acrylat-, Vinyl-, Allyl-, Methacrylat-, Oxetan-, Epoxy-, Acrylamido-, Hydroxy-, Nitril-, Isonitril-, Cyanat-, Isocyanat-, Amino-, Alkylamino-, Dialkylamino-, Mercapto-, Halogen-, Silan- oder Cyanoalkylgruppe ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei mindestens eine reaktiv vernetzbare Gruppe eine Epoxygruppe ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, wobei die Metalloxidverbindung der Formel (I) Glycidoxypropyltrimethoxysilan ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei mindestens eine reaktiv vernetzbare Gruppe eine Isocyanatgruppe ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Metalloxidverbindung der Formel (I) Isocyanatopropyltrimethoxysilan ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9, wobei bei Vernetzung der reaktiv vernetzbaren Gruppen ein quervernetzendes Mittel (Crosslinker) zugegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das quervernetzende Mittel ausgewählt wird aus 3-Amino-1-propanol, Glycerin, Bisphenol A, Bisepoxide, Succinanhydrid, Succinimid, und Isophorondiamin.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–11, wobei zusätzlich zumindest eine Metalloxidverbindung, die keine reaktiv vernetzbare Gruppe enthält, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die zusätzliche Metalloxidverbindung R''-M-Cl_x, R''-M-(OCH₃)_x,, (R'')₂-M-(OR'')_x, (R'')₂-M-Cl_x, (R'')₂-M-Br_x, M-(R'')_x oder M-(OR'')_x ist, wobei M Si, Al, B, Zr, Y, Ba oder Ti bedeutet, wobei jedes R'' unabhängig H oder ein geradkettiges oder verzweigtes C₁-C₂₀ Alkyl, Alkenyl, Alkinyl oder Cycloalkyl ist und wobei x abhängig von der Wertigkeit von M 1, 2 oder 3 ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei M Si oder Zr ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die zusätzliche Metalloxidverbindung Tetramethoxysilan (H₃CO)₄Si ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die zusätzliche Metalloxidverbindung Zirkoniumethoxid ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–16, wobei nach oder während der Kondensation und/oder Vernetzung oder auch erst nach Zugabe des Proteins leitfähige Polymere ausgewählt aus Poly(p-Phenylen-Vinylen) (PPV), Poly(3,4-Ethylendioxythiophen)(PEDOT) und Polyanilin(PANI) zugegeben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–17, wobei das molare Verhältnis von hydrolysierbaren Gruppen zu nicht hydrolysierbaren Gruppen in der/den verwendeten Metalloxidverbindung(en) im Bereich von 1:2 bis 100:1 liegt.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das molare Verhältnis von hydrolysierbaren Gruppen zu nicht hydrolysierbaren Gruppen in der/den verwendeten Metalloxidverbindung(en) im Bereich von 1:1 bis 8:1 liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–19, wobei die hydrolytische Kondensation zusätzlich in Gegenwart einer Säure oder Base oder einer Säure- oder Rasenmischung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Säure ausgewählt wird aus HCl, HF, HBr, B(OH)₃ und Al(OH)₃.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei die Vernetzung der reaktiv vernetzbaren Gruppen durch Zugabe eines Initiators oder photochemisch oder thermisch erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Initiator eine Säure, eine Base oder ein Radikalbildner ist.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei der Initiator eine Säure ist.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der Initiator eine Lewissäure ist.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei die Lewissäure ausgewählt wird aus BF₃ oder dessen etherischen Addukten BF₃·THF oder BF₃·Et₂O, AlCl₃, FeCl₃, NbCl₅, HPF₆, HAsF₆, HSbF₆ und HBF₄.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei die Lewissäure Bortrifluoriddiethyletherat (BF₃·OEt₂) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–27, wobei nach der Kondensation und der Vernetzung der pH-Wert auf 4,0 bis 11,0 eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei die Einstellung des pH-Werts durch Zugabe einer Base erfolgt, wobei die zugegebene Base ausgewählt wird aus NaOH, KOH, Ca(OH)₂, Mg(OH)₂, primären, sekundären und tertiären Amine wie Imidazolen, Pyridinen, Pyrimidinen, Pyrazolen, Piperidinen, Ammoniak, Ethanolaminen oder Mischungen davon, DBU (1,8-Diazabicyclo[5.4.0]undek-7-en) und DABCO (1,4-diazabicyclo[2.2.2]oktan) sowie Mischungen davon.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei die Base Methylimidazol oder Triethanolamin ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28–30, wobei der pH-Wert auf 5,0 bis 10,0 eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–31, wobei durch die Hydrolyse von Alkoholat entstandener Alkohol vor Zugabe des Proteins entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei der Alkohol unter erniedrigtem Druck entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–33, wobei vor der Zugabe des Proteins ein Antibleichmittel, ein Konservierungsmittel, Nanopartikel, hindered amine light stabilizers HALS, Antioxidantien, ein organischer Farbstoff, ein feuchtigkeitsregulierendes Mittel und/oder Halbleiterteilchen zugegeben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–34, wobei das photochrome oder fluoreszierende Protein ausgewählt wird aus Rhodopsinen, Phytochromen, Cryptochromen, GFP, EGFP und YFP oder chemisch modifizierten Derivaten oder Mutanten davon.
Verfahren nach Anspruch 35, wobei das photochrome oder fluoreszierende Protein ein Rhodopsin ist.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei das Rhodopsin Bakteriorhodopsin oder ein chemisch modifiziertes Derivat oder eine Mutante davon ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–37, wobei das Hybrimer als Film auf ein Trägermaterial appliziert oder für die Herstellung eines Monoliths verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 38, wobei vor der Applikation die Viskosität des Hybrimer durch Zugabe von Wasser/Base eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 38 oder 39, wobei nach der Applikation eine Aushärtung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei die Aushärtung in Gegenwart einer Base erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei die Base Methylimidazol ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 38–42, wobei der ausgehärtete Film oder Monolith durch reaktive Kopplungsreagenzien funktionalisiert, laminiert, eingegossen oder mit Metallen, Metallnitriden, Metalloxiden oder organischen Molekülen bedampft wird.