DE102009053314A1

DE102009053314A1 - Mechanische Funktionalisierung von Polymeroberflächen mittels funktionalisierter Festkörperteilchen

Info

Publication number: DE102009053314A1
Application number: DE102009053314A
Authority: DE
Inventors: Ringo Grombe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2009-11-06
Publication date: 2011-05-12
Also published as: WO2011054349A2; DE112010004310A5; WO2011054349A3; WO2011054349A4

Abstract

Die Erfindung betrifft die Funktionalisierung von Polymeroberflächen, wobei diese durch eine mechanische Einarbeitung von funktionalisierten Festkörperteilchen herbeigeführt wird. Mit Hilfe einer mechanischen Einwirkung auf ein mit funktionalisierten Festkörperteilchen benetztes Polymersubstrat kann eine stabile, homogene und dichte Funktionalisierung des Substrates herbeigeführt werden. Mit der beschriebenen Verfahrensweise wird eine Vereinfachung der Funktionalisierungsprozedur erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft die Funktionalisierung von Polymeroberflächen, wobei diese durch eine mechanische Einarbeitung von funktionalisierten Festkörperteilchen herbeigeführt wird. Die beschriebene Verfahrensweise stellt im Vergleich zu herkömmlichen Funktionalisierungsmethoden eine Verbesserung und Vereinfachung in Hinblick auf ökonomische und ökologische Aspekte dar.
Um Polymerwerkstoffe für Anwendungen z. B. in der Medizintechnik oder industriellen Bereichen (Automotiv etc.) zu funktionalisieren werden verschiedenste Methoden angewandt. Nass-chemische Ätzvorgänge mit Säuren und Laugen kommen ebenso zum Einsatz wie Plasmabehandlung (reviewed durch Chu et al, Mater Sci Eng R 36 2002 143–206), koronachemische Methoden, Lasertechniken oder die von Cui et al diskutierte Methode des Ionenbombardements (Surf. Coatings Technol. 112 1999 278–285).
Einen guten Überblick z. B. für die Behandlung von Poly(dimethylsiloxan)-Oberflächen geben Abbasi et al (Silicon Elastomers Konferenz 2006 Frankfurt/M; Polym Int 5 2001 1279–1287) und Makamba et al (Electrophoresis 2003, 24, 3607–3619). Letzterer schließt mit der Schlussfolgerung, dass noch viele Herausforderungen bestehen, da die Forschung auf diesem Feld zu einem relativ neuem Gebiet zählt. Zudem sei auf Grund der Silikonkettendynamik, die kovalente Modifikation von PDMS bisher nicht sehr erfolgreich.
Hu et al berichtet die erfolgreiche kovalente Anbindung von Acrylderivaten an PDMS mittels UV Pfropfpolymerisation (Anal Chem 74 2002 4117–4123).
Die Kombination von UV und Ozon zur Aktivierung von PDMS wurde von Ouyang et al berichtet (J Membrane Sci 177 2000 177–187).
Sui et al (Anal Chem 78 2006 5543–5552) erläuterte die säurekatalysierte Aktivierung durch Peroxid mit anschließendem Silanisierungsschritt.
Lee et al. (Anal Chem 75 2003 6544–6554) beschreibt die Reinigung von Silikon durch Lösungsmittelextraktion und anschliessende Abreaktion der Oberfläche durch Diels-Alder.
Qu et al (Polymer Bulletin 46 2001 223–229) beschreiben die Aufpfropfung von Acrylsäure auf HDPE Schläuche durch Elektronenstrahlanwendung.
Die Nachteile der Nass-chemischen Ätzverfahren sind offensichtlich. Entweder hat der Anwender für die Entsorgung korrodierender Flüssigkeiten zu sorgen oder die Korrosion verringert die Lebensdauer der verwendeten Arbeitsmaterialien. Hinzu kommt, wie im Falle der UV/Ozon Methode, ein erhöhtes Arbeitsschutzrisiko, da die eingesetzten Medien sowohl ätzend als auch krebserregend wirken können.
Die nötige Ausstattung zur Herbeiführung der Funktionalisierung wie im Falle der Plasma-, Elektronenstrahl- oder Lasertechnik ist komplex und teuer.
Diese oben genannten Techniken sind außerdem ungeeignet Materialien, insbesondere Silikonelastomere, mit komplexeren Geometrien zu bearbeitenden (z. B. innerlumen-Behandlung).
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die homogene Aktivierung von Polymerwerkstoffen unterschiedlichster Geometrie anzugeben, wobei ein hoher Funktionalisierungsgrad erreicht werden soll. Gleichzeitig ist der Einsatz von simpler Technik genauso wünschenswert wie der Einsatz von leicht zu handhabenden und zu entsorgenden Aktivierungsagentien. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den anhängigen Ansprüchen angegeben
Erfindungsgemäß erfolgt die zur Herstellung von funktionalisierten Oberflächen auf Polymersubstraten durch ein Verfahren, welches die Verwendung dispergierter funktionalisierter Festkörperteilchen beinhaltet. Nach dem Aufbringen der Dispersion auf die zu funktionalisierende Oberfläche des Polymersubstrates haften die Festkörperteilchen an der Polymeroberfläche. Durch die Flexibilität des Polymerwerkstoffes lassen sich die Festkörperteilchen in die Oberfläche des Polymersubstrates durch Einwirken von mechanischer Kraft einarbeiten. Um eine stabile Funktionalitätsschicht zu erhalten, werden nicht eingebettete Festkörperteilchen durch Waschen der Oberfläche mit geeignetem Lösungsmittel entfernt.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird zur Erzielung eines besseren Eindringens der Festkörperteilchen in die Polymeroberfläche vor dem Aufbringen der Dispersion eine Quellung des Polymersubstrates durchgeführt, da hierdurch eine Ausdehnung des Polymernetzwerkes erreicht wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zur einfacheren Gestaltung des Verfahrens bereits beim Aufbringen der Dispersion eine Quellung der Polymeroberfläche zu initiiert. Eine solche Strategie vermeidet höheren Zeit- und Energieverbrauch und zudem werden Ressourcen geschont.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erhöht sich durch die Einbettung der Festkörperteilchen in das Polymersubstrat die Oberflächenrauhigkeit. Die Oberflächenbeschaffenheit eines Substrates ist für das Auftragen einer Beschichtung von großer Bedeutung. Homogene Rauigkeiten führen im Gegensatz zu glatten Oberflächen zu einer verbesserten Benetzung. Durch die Einbettung der Festkörperteilchen in das Polymersubstrat, wird die Oberflächenrauhigkeit erhöht und ein späterer Beschichtungsschritt begünstigt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden, Festkörperteilchen verwendet die Funktionalisierungen (wie z. B. Hydroxyl-, Carboxyl-, Carbonyl-, Amino-, Epoxy-, Peroxi-, ungesättigte Gruppen aber auch Schutzgruppen, ringöffnende Funktionalitäten, Polymerisationsinitiatoren, Ladungsträger und Metallchelate) aufweisen. Die Verwendung von Festkörperteilchen, welche bereits Funktionalisierungen aufweisen, entspricht einer weiteren Vereinfachung der Verfahrensweise. Der Gebrauch von kommerziell erhältlichen Dispersionen von vorfunktionalisierten Festkörperteilchen ist im Hinblick auf Beschaffung und Kontinuität besonders attraktiv.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden Festkörperteilchen verwendet, die eine Dimension im Mikron- oder Submikronbereich aufweisen. Die Dimension der Festkörperteilchen sollte im Mikron- oder Submikronbereich liegen, da größere Partikelgrößen eine Einbettung in das Polymernetzwerk erschweren und zu einer unzureichenden Funktionalitätsdichte führen würde.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt eine Beladung der funktionalisierten Oberfläche des Polymersubstrates mit Targetmolekülen. Die funktionalisierte Oberfläche des Polymersubstrates kann nun mit Targetmolekülen abreagiert werden. Durch das Knüpfen von kovalenten Bindungen (durch z. B. nukleophile Reaktionen wie Michael-Addition, elektrophile Reaktionen, Kondensationsreaktionen oder Reaktionen radikalischer Art) oder dem Ausnutzen physikalischer Wechselwirkungen (wie z. B. Polarisations- oder Ladungswechselwirkungen) wird eine stabile Adhesion der Targetmolekülschicht an das Substrat herbeigeführt. Unter Targetmolekülen werden im Sinne der Erfindung alle Moleküle verstanden, die an die funktionaliserte Oberfläche des Polymersubstrats gebunden werden können.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Beladung der Oberfläche mit den Targetmolekülen mittels einer kohesionsstabilisierenden Methode. Mittels einer solche wie z. B. Polymerisationsmethode (hierfür kann aus verschiedensten Radikal- oder Kondensationsreaktionen gewählt werden) oder Interpenetrating Network (IPN) oder auch layer-by-layer Methode unter Ausnutzung von Ladungsgegensätzen wird die Kohesion der Targetmolekülschicht sicher gestellt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das erfindungsgemäß modifizierte Polymersubstrates für die Bindung von Arzneistoffen; Peptiden; antimikrobiellen Agentien; Lipiden; Polysacchariden; biologisch aktiven Molekülen wie Antikörper, Nukleotiden, Enzymen, Signalpeptiden, Fluoreszenz/Phosphoreszenz-Farbstoffen, Mineralstoffen, Nanopartikeln; elektrisch leitenden Metalloberflächen, etc. verwendet.
Die Idee umfasst die mechanische Einarbeitung von funktionalisierten Festkörperteilchen, mit Dimensionen im (sub-)mikron Bereich, in ein Polymernetzwerk (natürlichen oder künstlichen Ursprunges). Das zu bearbeitende Substrat kann von jeglicher Geometrie (z. B. Fläche, Schlauch, Kugel etc.) sein, sollte aber eine gewisse Flexibilität aufweisen.
Die Festkörperteilchen werden in das Netzwerk eingebettet – dem kann ein Quellen des Substrates vorgeschaltet sein oder die Festkörperteilchen in einem quellfähigen Solvenz dispergiert sein – und so die stabile Fixierung der Festkörperteilchen gewährleistet.
Das erhaltene Festkörperteilchen/Polymernetzwerk Konstrukt ähnelt im Resultat dem Produkt eines mit Füllstoffen beladenen Plastikwerkstoffes, welcher eine hohe Stabilität aufweist.
Durch die Einbettung der Festkörperteilchen kommt es zu einem Anstieg der Oberflächenrauigkeit, welche eine spätere Benetzung mit Formulierungen begünstigt. Dadurch kann eine homogene Beschichtung gewährleistet werden ohne das oberflächenaktive Substanzen mit bioinkompatibelen Eigenschaften (z. B. hämolytische Aktivität) verwenden werden müssen.
Um die Adhesion einer möglichen Beschichtung zu verstärken, tragen die Festkörperteilchen Funktionalitäten, die eine kovalente Kopplung zwischen Festkörperteilchen und Beschichtungsagenz garantieren. Diese Funktionalitäten können Nukleophile, Elektrophile, ungesättigte Funktionen, Metallchelate als auch Ladungen sein.
Da es sich bei den einzubettenten Festkörperteilchen um Partikel mit einer Dimension im Mikron- oder Submikronbereich handelt, kann von einer hohen Funktionalisierungdichte an der Substratoberfläche ausgegangen werden. Diese stellt eine Zugänglichkeit der Funktionalitäten sicher.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen eingehender erläutert werden. Es zeigt in der dazugehörigen Figur in
1 schematische Darstellung eine Polymerschlauch-Funktionalisierung mittels Rollensystem.
Als ein Ausführungsbeispiel soll hier die Funktionalisierung der Innenseite eines Polymerschlauches diskutiert werden. Wie in 1 gezeigt kann ein Schlauch durch ein Rollensystem geführt werden, wobei mechanische Kräfte auf den Polymerschlauch als Werkstoff wirken.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden zur Funktionalisierung der Innenseite eines Polymerschlauches funktionalisierte Festkörperteilchen, wie etwa Amino-Silika (SiO2-NH2), in einem geeigneten Lösungsmittel dispergiert. Die Dispersion wird in einen Polymerschlauch aus Silikonelastomer gegeben, wobei die Festkörperteilchen an der Oberfläche haften bleiben. Durch den beispielhaft in 1 gezeigten anschließenden Massageschritt werden die Festkörperteilchen in das Material eingearbeitet.
Nachfolgende Waschschritte mit einem geeignetem Lösungsmittel beseitigen nicht gebundene Festkörperteilchen und bewirken zu dem ein Schrumpfen des Netzwerkes. Letzteres ermöglicht eine stabile Einbettung der Festkörperteilchen in das Polymernetzwerk. Nachfolgend können an die Amino-Silika-funktionalisierte Oberflächen Klebstoffe wie flexible epoxy funktionalisierte Oligo-/Polymere gekoppelt werden. So erfolgt eine Funktionalisierung von PDMS Schläuchen (in/out). Der Ankopplungsschritt kann durch verschiedene Polymerisierungsmethoden (Radikalreaktion: photo-, thermische Initiierung; Kondensation) verwirklicht werden. Idealerweise stellen derartige Oberflächenmodifizierungen die Möglichkeit der Einbindung von Arzneistoffsystemen oder Kopplung spezifischer Liganden dar. Auf diesem Weg lassen sich biokompatible Oberflächen kreieren.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden an die Amino-Silika-funktionalisierte Oberflächen verschiedene Peptidsequenzen (z. B. RGD-Peptidsequenzen) gekoppelt. Die Anwendung der Festphasenpeptidsynthese kann hier als Grundlage dienen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die erfindungsgemäß funktionalisierten Polymeroberflächen zur Funktionalisierung mit biologisch aktiven Molekülen wie z. B. Antikörpern und Nukleotiden verwendet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die erfindungsgemäß funktionalisierten Polymeroberflächen zur Funktionalisierung mit Glucosamine Oligomeren/Polymeren wie Heparin, Chitosan, Hyaluronsäure, etc. verwendet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die erfindungsgemäß funktionalisierten Polymeroberflächen zur Funktionalisierung mit Fluoreszenz/Phophoreszenz-Molekülen für Fluoreszenz-/Phophoreszenzbestimmungssysteme (biokompatible Fluoreszenz-SiO2 Partikel) verwendet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die erfindungsgemäß funktionalisierten Polymeroberflächen zur Immobilisierung von magnetische (Nano)partikel für medizinische imaging Systeme zur Untersuchung auf malignantes Gewebe verwendet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die erfindungsgemäß funktionalisierten Polymeroberflächen zur Immobilisierung von Lipid-Membranvisikeln (Liposomen) oder Polymersomen als biokompatile/bioabbaubare Wirkstoffträger oder biologische Membran verwendet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die erfindungsgemäß funktionalisierten Polymeroberflächen zur Immobilisierung von Tensidoligomeren zusammen mit Licithin zur Solubilisierung von Cholesterol verwendet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die erfindungsgemäß funktionalisierten Polymeroberflächen zum Aufbringen eines drug-release coatings mit einer mehr oder weniger kontrollierten Freisetzungsgeschwindigkeit verwendet.
Immobilisierung von superparamagnetische Eisenoxid-(Nano)partikel zur Metastasen-Eliminierung In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die erfindungsgemäß funktionalisierten Polymeroberflächen zur Dekoration mit antimikrobiellen Agentien verwendet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die erfindungsgemäß funktionalisierten Polymeroberflächen für Einsatz zur Desinfektion von Wasser verwendet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die erfindungsgemäß funktionalisierten Polymeroberflächen zur Darstellung von defininierten Metall/Polymer Struktursystemen verwendet. Letztere können durch eine Laserchemische Behandlung von immobilisierten Metallchelaten herbeigeführt werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die erfindungsgemäß funktionalisierten Polymeroberflächen zur Einbetten von Tonmineralen oder Aktivkohle zur Wasseraufbereitung, wie etwa zur Entgiftung, verwendet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die erfindungsgemäß funktionalisierten Polymeroberflächen zum Einbetten von fuel-cell-Komponenten verwendet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die erfindungsgemäß funktionalisierten Polymeroberflächen zum Einbetten von funktionalen (Nano)partikeln (magnetisch, light emitting...); solid-state hosts (z. B. polyurethane/silica composite) zur Einlagerung von Laser Farbstoffen verwendet.
Die Einarbeitung von Redox befähigten Systemen (z. B. Fe-Partikel) kann zu Redoxpolimerisation an der Oberfläche befähigen. Die Stabilisierung derartiger Eisenoxid-Partikel wird bisher durch eine Beschichtung mit Polymeren wie Dextran (Ferridex^®), Carboxydextran (Resovist^®), Albumin und Stärke, durch Citrat oder eine liposomale Umhüllung erreicht. Diese stellen eine Möglichkeit zur Ausbildung von interpenetrierenden Netzwerken (IPN) mit einem potentiellem Beschichtungssystem dar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Chu et al, Mater Sci Eng R 36 2002 143–206 [0002]
koronachemische Methoden, Lasertechniken oder die von Cui et al diskutierte Methode des Ionenbombardements (Surf. Coatings Technol. 112 1999 278–285) [0002]
Abbasi et al (Silicon Elastomers Konferenz 2006 Frankfurt/M; Polym Int 5 2001 1279–1287) [0003]
Makamba et al (Electrophoresis 2003, 24, 3607–3619) [0003]
Hu et al berichtet die erfolgreiche kovalente Anbindung von Acrylderivaten an PDMS mittels UV Pfropfpolymerisation (Anal Chem 74 2002 4117–4123) [0004]
Ouyang et al berichtet (J Membrane Sci 177 2000 177–187) [0005]
Sui et al (Anal Chem 78 2006 5543–5552) [0006]
Lee et al. (Anal Chem 75 2003 6544–6554) [0007]
Qu et al (Polymer Bulletin 46 2001 223–229) [0008]

Claims

Verfahren zur Herstellung von funktionalisierten Oberflächen auf Polymersubstraten umfassend folgende Schritte: – Dispergieren von funktionalisierten Festkörperteilchen in einem Lösungsmittel, – Aufbringen der Dispersion auf die zu funktionalisierde Oberfläche des Polymersubstrates – Einarbeiten der Festkörperteilchen in die Oberfläche des Polymersubstrates durch Einwirken mechanischer Kraft auf die Oberfläche – Entfernung der nicht gebundenen Festkörperteilchen durch Waschen der Oberfläche mit geeignetem Lösungsmittel.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Dispersion eine Quellung des Polymersubstrates vorgesehen ist, wobei die Quellung mit einem quellfähigen Solvenz erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufbringen der Dispersion eine Quellung vorgesehen ist, wobei die Quellung mit einem quellfähigem Solvenz erfolgt und wobei die Festkörperteilchen in einem quellfähigem Solvenz dispergiert sind.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich durch die Einbettung der Festkörperteilchen in das Polymersubstrat, die Oberflächenrauhigkeit erhöht.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Festkörperteilchen verwendet werden, die Funktionalisierungen aufweisen.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Festkörperteilchen verwendet werden, die eine Dimension im Mikron- oder Submikronbereich aufweisen.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beladung der funktionalisierten Oberfläche des Polymersubstrates mit Targetmolekülen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beladung der Oberfläche mit den Targetmolekülen mittels einer adhesionsstabilisierenden Methode erfolgt.
Funktionalisiertes Polymersubstrat hergestellt nach einem Verfahren gemäß Ansprüche 1 bis 8.
Verwendung eines Polymersubstrates nach Anspruch 8 für die Bindung von Arzneistoffen; Peptiden; antimikrobiellen Agentien; Lipiden; Polysacchariden; biologisch aktiven Molekülen wie Antikörper, Nukleotiden, Enzymen, Signalpeptiden, Fluoreszenz/Phosphoreszenz-Farbstoffen, Mineralstoffen, Nanopartikeln; elektrisch leitenden Metalloberflächen.