DE102010049807A1

DE102010049807A1 - Verfahren zur Immobilisierung mindestens einer Substanz auf Oberflächen

Info

Publication number: DE102010049807A1
Application number: DE102010049807A
Authority: DE
Inventors: Dr. Holländer Andreas; Dr. Pippig Falko
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2012-05-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Immobilisierung mindestens einer Substanz auf Oberflächen, bei dem in einem kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Verfahren ein flexibler Träger mit mindestens einer Substanz behandelt und durch chemische Reaktion an der Oberfläche des Trägers immobilisiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Immobilisierung mindestens einer Substanz auf Oberflächen, bei dem in einem kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Verfahren ein flexibler Träger mit mindestens einer Substanz behandelt und durch chemische Reaktion an der Oberfläche des Trägers immobilisiert wird.
Polymeroberflächen werden aktiviert, um die Oberflächenenergie zu vergrößern und das Material verklebbar oder bedruckbar zu machen. Bei der Aktivierung wird die Oberfläche oxidiert. Um diese Reaktion effizient durchzuführen, werden sehr energiereiche Agenzien, wie z. B. in elektrischen Entladungen produzierte Sauerstoffatome oder Chromschwefelsäure, eingesetzt. Die radikalischen Reaktionen verlaufen sehr schnell, so dass z. B. Polypropylenfolien mit 600 m/min durch die Corona-Entladung geführt werden können. Die Reaktionsprodukte sind sehr vielfältig und deren Zusammensetzung ist nur begrenzt durch die Behandlungsparameter beeinflussbar. Der Einsatz von durch elektrische Entladungen erzeugtem Plasma zur Aktivierung von Polymeroberflächen ist beispielsweise in Patent WO 2009/149827 A1 beschrieben.
Ist eine definierte Zusammensetzung der Oberfläche nötig, werden der Entladung Substanzen zugesetzt, die zu einer Plasmapolymerisation (PECVD) führen, wie z. B. in DE 10 2004 057 155 und DE 100 17 846 beschrieben. Durch gepulste Zuführung der Energie, kann die chemische Zusammensetzung der Schichten noch detaillierter beeinflusst werden. Während diese Technologien gut handhabbar und meist auch sehr effizient sind, ist auch hier die Möglichkeit der Kontrolle der chemischen Struktur noch deutlich schlechter als im Bereich der traditionellen organischen Chemie. Ist ein Höchstmaß an Kontrolle über die chemische Struktur gefragt, so ist eine Kombination aus Aktivierung und organisch-chemischen Reaktionen das Mittel der Wahl. Diese Vorgehensweise ist in der wissenschaftlichen Literatur vielfach beschrieben (Homes-Farley et. al.; Langmuir; 1986; 2; 266–281/G. C. M. Steffens; Biomaterials; 23; 3523–3531/Y. Liu; Talanta; 2009; 77; 1165–1171).
Alle dort beschriebenen Reaktionen werden mit Stückgut (Platte, Folie) in einem Reaktionsgefäß, also in einem Batch-Prozess, durchgeführt. Die Produktivität solcher Prozesse ist vergleichsweise gering. Die so zugänglichen Produkte sind nur bei entsprechender Wertschöpfung anwendbar. Das ist z. B. bei biologischen und medizinischen Anwendungen der Fall. Biologisch aktive Moleküle, wie z. B. DNA oder Proteine, werden auf einem festen Träger gebunden. Die Funktionalisierung der Träger wird meist in einer dünnen Oberflächenschicht (2D) durchgeführt. Dieses Verfahren ist beispielsweise im Patent DE 60 2005 000 189 T2 beschrieben.
Die Verfahren sind darauf ausgerichtet, Träger im klassischen Format von Mikroskopie-Objektträgern zu funktionalisieren. Dies erfordert die recht aufwändige Handhabung einzelner kleiner Substrate. Vereinzelt wurde daher versucht, aktive Liganden in einem kontinuierlichen Verfahren auf Substraten zu binden. In WO 2004/040303 und DE 103 28 730 wird die Behandlung einer Polymerfolie beschrieben, bei der biologisch aktive Moleküle direkt unter Bestrahlung mit UV-Licht an der Oberfläche gebunden werden. Bekannt ist jedoch, dass die direkte Bindung biologisch aktiver Moleküle mit hoher Wahrscheinlichkeit zur Veränderung ihrer biochemischen Eigenschaften führt. Zudem können durch die Bestrahlung und die damit verbundene Bildung von Radikalen die gekoppelten Moleküle degradieren.
Das Auftragen reaktiver Mischungen in Form von Lacken ist in der Patentliteratur ausführlich beschrieben. In DE 394 28 04 werden Formulierungen für dekorative, d. h. (visuell) wahrnehmbare, Beschichtungen beschrieben. Zur Vernetzung werden Radikalreaktionen und die Bildung von Urethanen verwendet. Die DE 103 53 507 beschreibt Formulierungen aus Siloxanen und Epoxiden für Beschichtungen. Dabei werden Polymere und Oligomere zu einem Film mit Dicken im Bereich mehrerer zehn Mikrometer aufgebracht. Diese Filme dienen der Dekoration und der Erhöhung der Kratzfestigkeit. In der DE 698 25 272 wird eine Formulierung geschützt, die auf Reaktionen von Diolen mit Isocyanaten zur Bildung eines dekorativen Überzuges basiert.
Insbesondere werden kommerzielle Großgüter, wie Autos, Flugzeuge und Züge, als Beschichtungsobjekte eingesetzt. Die Formulierung wird durch Sprühen und nicht durch Druckprozesse aufgetragen und dient dem Schutz und der Dekoration.
In EP 2 051 147 wird das Aufdrucken von funktionellen Partikeln mittels einer Tonerwalze eines Laserdruckers beschrieben. Die Partikel haben dabei einen Durchmesser von 50 nm bis 50 μm und sind mit funktionellen Gruppen oder Fragmenten von Proteinen beschichtet.
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das eine hohe Produktivität erlaubt und gleichzeitig einfach zu handhaben ist.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Immobilisierung mindestens einer Substanz auf Oberflächen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Immobilisierung mindestens einer Substanz auf Trägeroberflächen bereitgestellt, bei dem in einem kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Verfahren ein flexibler Träger von einer Abwickelrolle auf eine Aufwickelrolle überführt wird. Dabei wird zwischen den Rollen auf mindestens einer Oberfläche des Trägers die mindestens eine Substanz aufgebracht und durch chemische Reaktion mit der mindestens einen Oberfläche auf dieser immobilisiert wird. Die Reaktivität der mindestens einen Substanz ist dabei in Abhängigkeit von der Oberfläche so gewählt, dass die chemische Reaktion vor dem Aufwickeln beendet ist.
Vorzugsweise wird die mindestens eine Substanz mittels Drucktechniken, insbesondere Tiefdruck oder Offset-Druck, durch Tauchtechniken und/oder durch Sprühverfahren aufgebracht.
Die Temperatur wird bei der Aufbringung der mindestens einen Substanz vorzugsweise so gewählt, dass eine chemische Bindung zwischen den funktionellen. Gruppen der aktivierten Oberfläche und den funktionellen Gruppen der mindestens einen Substanz erfolgt.
Eine bevorzugte Verfahrensvariante sieht vor, dass die Substanz als Lösung aufgebracht wird, wobei insbesondere Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasser, Ethanol, Isopropanol, Kohlenwasserstoffen, insbesondere Benzin, Petrolether, Hexan oder Octan, Aromaten, insbesondere Toluol oder Xylen, Aceton, Tetrahydrofuran, Estern, insbesondere Ethylacetat, Dimethylsulfoxid, Methylpyrrolidon und Mischungen hiervon eingesetzt werden.
Die Viskosität der Lösung wird so gewählt, dass sich die Oberfläche gut benetzen lässt. Danach wird die Reaktion so durchgeführt, dass es zur Ausbildung einer Bindung zwischen den funktionellen Gruppen der Oberfläche und mindestens einer Substanz der reaktiven Lösung kommt.
Eine weitere bevorzugte Variante sieht vor, dass vor der Immobilisierung eine bereichsweise Aktivierung der Oberfläche erfolgt die und die mindestens eine Substanz durch eine kovalente Bindung oder über einen Spacer an die funktionellen Gruppen der aktivierten Oberfläche chemisch gebunden wird. Die Aktivierung kann dabei vorzugsweise durch Plasmabehandlung, Coronabehandlung, Beflammung, Vakuum-UV-Beladung oder Bestrahlung durch eine Excimer-Lampe erfolgen.
Die mindestens eine Substanz kann so aus der flüssigen Phase und auch aus der Gasphase aufgebracht werden.
Der eventuell nötigen Aktivierung der Oberfläche schließen sich organisch-chemische Reaktionen an, die eine sehr genaue Beeinflussung der chemischen Struktur der Oberfläche ermöglichen. Die Reaktionsmischung wird durch Druckprozesse in definierter Dicke und Verteilung aufgetragen. Durch die Konzentration der Substanzen in der Auftragslösung, die Auftragsgeschwindigkeit und die Wahl der Drucktechnologie sowie dem Design der Druckwalze lässt sich die Schichtdicke variieren. Um die Reaktionen mit geeigneter Geschwindigkeit ablaufen zu lassen, kann die Schicht temperiert werden. Auch die Einstellung einer niedrigen Viskosität der Schicht durch das Verhindern der Verdampfung von Lösungsmittel oder das Zuführen von Lösungsmittel oder Temperaturerhöhung trägt zu schnelleren Reaktionen bei.
Es ist weiterhin möglich, dass die Aufbringung der mindestens einen Substanz strukturiert oder vollflächig erfolgt. Im Fall der Strukturierung sind hier beispielsweise Netzwerke mit variabler Maschenweite bevorzugt.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Substanz ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aminen, Alkoholen, Thiolen, Alkinen, Alkenen, Aziden, Isothio-cyanaten, Carbonsäuren, Estern, Säurechloriden, Siloxanen, Aldehyden, Ketonen, Epoxiden oder Mischungen hiervon.
Der Träger ist vorzugsweise eine Folie, ein Gewebe oder ein Vlies. Dieses kann aus einem Polymer bestehen oder dieses im Wesentlichen enthalten, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polystyrol, Polycarbonat, Polyacrylamid, Polyimid, Polyacrylsäure, Polyvinylchlorid, Polyethylen, Polypropylen, Polymethylmethacrylat, Cellulose, Cellulosederivaten, Polyestern, insbesondere Polyethylenterephthalat, Cyclischen Olefinischen Copolymeren (COC), Fluorcarbon oder Copolymeren hiervon.
Es ist weiter bevorzugt, dass die Immobilisierung in Form einer Schicht erfolgt und die Schicht eine Dicke im Bereich von 1 nm bis 1 μm, insbesondere von 10 nm bis 100 nm aufweist.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die mit der mindestens einen Substanz behandelte Oberfläche zusätzlich temperiert, getrocknet und/oder gewaschen wird.
Eventuell überschüssige Reaktanden können nach Abschluss der Reaktion abgedampft oder abgewaschen werden. In einer Variante des Verfahrens werden die Reaktionspartner nacheinander aufgetragen, um die Reaktion in der Drucklösung zu verhindern. Dieser zweite Auftrag kann ebenfalls über Druckprozesse erfolgen. Es ist aber auch möglich, den Agens über die Gasphase durch Bedampfen oder Besprühen aufzubringen. Es können auch mehrere Reaktionen nacheinander ausgeführt werden, indem entsprechende Auftragswerke die erforderlichen Substanzen zu gegebener Zeit zusetzen.
Anhand der nachfolgenden Beispiele soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten speziellen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
Beispiel 1
Ein Band von COC wird durch eine Coronaentladung aktiviert. Im Anschluss wird aus der Gasphase Diaminoethan aufgedampft. Im Ergebnis wird eine Oberfläche mit primären Aminen erhalten, welche für weitere Reaktionen oder die Kopplung von Molekülen geeignet ist.
Beispiel 2
Ein Band von Polyethylen wird durch eine Corona-Entladung aktiviert und durch eine wässrige saure Lösung von Polyethylenimid (PEI) geführt. Nach dem Auftragen des PEI’s durch eine Druckwalze wird es durch eine ca. 2 m lange befeuchtete und beheizte Reaktionszone geführt, wobei es zur Bindung des PEI’s auf der Oberfläche kommt. Im Anschluss wird das Band auf einer zweiten Rolle aufgewickelt. Im Ergebnis bildet sich eine Schicht von Polyethylenimin auf der Oberfläche aus.
Beispiel 3
Ein aktiviertes Band aus Polypropylen wird durch eine 2%-ige wässrige Lösung von Polyvinylalkohol (PVA) und Glutardialdehyd (GDA) (1000:1) geführt. Im Anschluss durchläuft es eine 2 m lange auf 100°C beheizte und mit Dampf versetzte Strecke, wobei es zur chemischen Vernetzung kommt. Im Anschluss wird das Band auf einer Rolle aufgewickelt. Im Ergebnis bildet sich eine Schicht von Polyvinylalkohol aus, auf der Wasser dauerhaft spreitet.
Beispiel 4
Ein Band aus cyclischem olefinischem Copolymer (COC) wird durch eine Vakuum-Ultraviolett-Lampe und unter Verwendung einer Maske semikontinuierlich struktu riert aktiviert. Die Bestrahlungszeit beträgt 2 Sekunden. Im Anschluss wird das Band durch eine 1%-ige Polyethylenglykol-Lösung (PEG) in Wasser geführt. Nach dem Trocknen in einer auf 100°C erhitzten Trockenstrecke wird ein Säurechlorid, z. B. Propantricarbonsäurechlorid, in einer weiteren beheizten Kammer unter Spülen mit einem trockenen Schutzgas auf das mit PEG beschichtete Band aufgetragen, wobei es zur Reaktion zwischen dem PEG und dem Säurechlorid kommt. im Ergebnis wird eine PEG-Schicht erhalten, welche besondere biologische Eigenschaft besitzt.
Beispiel 5
Ein Band aus COC wird in einem Plasma mit einem Allylamin-Plasmapolymer versehen oder nach einer Plasmaaktivierung mit einem Diamin bedampft. Im Anschluss wird das Band durch eine Lösung bestehend aus einer Mischung von Polyethylenglykol-Diamin und einem mindestens trifunktionellen Epoxid geleitet. Im Anschluss wird es durch eine auf 100°C erhitzte und mit Wasserdampf befeuchtete Reaktionsstrecke geführt. Nach dem Trocknen wird es auf eine weitere Rolle aufgewickelt. Im Ergebnis wird eine PEG-Schicht erhalten, welche besondere biologische Eigenschaft besitzt.
Beispiel 6
Ein Band aus COC wird in einem SO₂/H₂-Plasma aktiviert und durch eine Lösung von PEG-Diamin und einem mindestens trifunktionellen Epoxid in Wasser oder Ethanol geführt. Im Anschluss durchschreitet das Band eine befeuchtete und auf 100°C beheizte Kammer und wird im Anschluss auf eine zweite Rolle aufgewickelt. In einer alternativen Ausführung kann ebenfalls der Druck von verschiedenen Proteinlösungen durchgeführt werden, der die Verwendung des Bandes zur Diagnostik von Molekülwechselwirkungen in Form eines Arrays erlaubt.
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 Patentliteratur

WO 2009/149827 A1 [0002]
DE 102004057155 [0003]
DE 10017846 [0003]
DE 602005000189 T2 [0004]
WO 2004/040303 [0005]
DE 10328730 [0005]
DE 3942804 [0006]
DE 10353507 [0006]
DE 69825272 [0006]
EP 2051147 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Homes-Farley et. al.; Langmuir; 1986; 2; 266–281 [0003]
G. C. M. Steffens; Biomaterials; 23; 3523–3531 [0003]
Y. Liu; Talanta; 2009; 77; 1165–1171 [0003]

Claims

Verfahren zur Immobilisierung mindestens einer Substanz auf Trägeroberflächen, bei dem in einem kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Verfahren ein flexibler Träger von einer Abwickelrolle auf eine Aufwickelrolle überführt wird, wobei zwischen den Rollen auf mindestens einer Oberfläche des Trägers die mindestens eine Substanz aufgebracht und durch chemische Reaktion mit der mindestens einen Oberfläche auf dieser immobilisiert wird, wobei die chemische Reaktion vor dem Aufwickeln weitgehend abgeschlossen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Substanz mittels Drucktechniken, insbesondere Tiefdruck oder Offset-Druck, durch Tauchtechniken und/oder durch Sprühverfahren aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur bei der Aufbringung der mindestens einen Substanz so gewählt wird, dass eine chemische Bindung zwischen den funktionellen Gruppen der aktivierten Oberfläche und den funktionellen Gruppen der mindestens einen Substanz erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz als Lösung aufgebracht wird, wobei insbesondere Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasser, Ethanol, Isopropanol, Kohlenwasserstoffen, insbesondere Benzin, Petrolether, Hexan oder Octan, Aromaten, insbesondere Toluol oder Xylen, Aceton, Tetrahydrofuran, Estern, insbesondere Ethylacetat, Dimethylsulfoxid, Methylpyrrolidon und Mischungen hiervon.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität der Lösung so gewählt wird, dass eine chemische Bindung zwischen den funktionellen Gruppen der aktivierten Oberfläche und den funktionellen Gruppen der mindestens einen Substanz erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst zumindest eine bereichsweise Aktivierung der Oberfläche, insbesondere durch eine Plasmabehandlung, Coronabehandlung, Beflammung, Vakuum-UV-Behandlung oder durch Bestrahlung mit Excimer-Lampe erfolgt und die mindestens eine Substanz durch eine kovalente Bindung oder über einen Spacer an die funktionellen Gruppen der aktivierten Oberfläche chemisch gebunden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Substanz aus der flüssigen Phase und/oder der Gasphase, insbesondere durch Besprühen oder Bedampfen, aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbringung der mindestens einen Substanz strukturiert, insbesondere in Form eines Netzwerkes mit variabler Maschenweite, oder vollflächig erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Substanz ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aminen, Alkoholen, Thiolen, Alkinen, Alkenen, Aziden, Isothio-cyanaten, Carbonsäuren, Estern, Säurechloriden, Siloxanen, Aldehyden, Ketonen, Epoxiden oder Mischungen hiervon.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger eine Folie, ein Gewebe oder ein Vlies ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial aus einem Polymer besteht oder dies im Wesentlichen enthält, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polystyrol, Polycarbonat, Polyacrylamid, Polyimid, Polyacrylsäure, Polyvinylchlorid, Polyethylen, Polypropylen, Polymethylmethacrylat, Cellulose, Cellulosederivaten, Polyestern, insbesondere Polyethylenterephthalat, Cyclischen Olefinischen Copolymeren (COC), Fluorcarbon oder Copolymeren hiervon.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Immobilisierung in Form einer Schicht erfolgt und die Schicht eine Dicke im Bereich von 1 nm bis 1 μm, insbesondere von 10 nm bis 100 nm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der mindestens einen Substanz behandelte Oberfläche zusätzlich temperiert, getrocknet und/oder gewaschen wird.