DE102012113026B4 - Biokompatible Laminate mit maßgeschneiderten optischen Eigenschaften und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Laminats aus einem Substrat und zumindest einer darauf abgeschiedenen organischen, transparenten Beschichtung mittels gepulstem PCVD, gekennzeichnet dadurch,
dass mittels einer Plasmapolymerisation mit den Schritten Fragmentation eines Polyethers als Precursor im Plasma und Rekombination der reaktiven Fragmente auf der Substratoberfläche ein Polymerisat bestehend aus den Elementen C, H und O mit einem Verhältnis α = c(O)/c(C) mit 0,2 ≤ α ≤ 1,0 und einem Verhältnis β = c(H)/c(C) mit 0,5 ≤ β ≤ 10 abgeschieden wird,
wobei Zusammensetzung, Vernetzungsgrad und Verteilung der strukturellen Einheiten des Polymers

sowie Brechungsindizes n_B im Bereich von 1,2 bis 2,0, Transmissionswerte τ mit τ > 80%, Extinktionskoeffizienten ε mit ε ≤ 0,1, infrarot-aktive H-O-Schwingungen in Wellenzahlenbereichen von 4800 cm^-1 bis 5300 cm^-1, von 3600 cm^-1 bis 3200 cm^-1 und Kontaktwinkel δ für Wasser von δ ≤ 80° sowie repulsive Wechselwirkungen des Polymerisats mit polaren Makromolekülen eingestellt werden, indem Werte
für die Pulsleistung P_Puls > 100 W,
für das Verhältnis der Pulspause tpp zur Gasaustauschzeit t_G $$\mathrm{0,0015}<{\text{t}}_{\text{pp}}/{\text{t}}_{\text{G}}<100$$

und für die mittlere Leistungsdichte π $$\mathrm{0,0001}\text{W}/{\text{cm}}^3\le \mathrm{\pi }\le 500\text{W}/{\text{cm}}^3$$

gewählt werden.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von biokompatiblen Laminaten durch Beschichtung von Glas- oder Polymersubstraten mittels eines PCVD-Verfahren sowie entsprechende Laminate im Allgemeinen und ein Verfahren zur Herstellung von biokompatiblen Beschichtungen auf Glas- oder Polymersubstraten mit maßgeschneiderten optischen Eigenschaften sowie entsprechend beschichtete Substrate im Besonderen.
• Hintergrund der Erfindung
• Aus dem Stand der Technik sind Laminate bekannt, deren Beschichtungen als Barriereschicht wirken, beispielsweise bei Lebensmittelverpackungen. Unter Barriereschichten werden solche Beschichtungen verstanden, die Wechselwirkungen des Substrates mit seiner Umgebung vermindern. Anwendungen auf dem Gebiet der Implantationstechnik, der pharmazeutischen Industrie oder in Biosensoren erfordern zusätzlich biokompatible Barriereschichten. Insbesondere sind in diesem Bereich solche Beschichtungen von Interesse, die eine definierte Adsorption von Molekülen auf dem Substrat gewährleisten. So wird bei Pharmaverpackungen eine möglichst geringe Adsorption der Wirkstoffe angestrebt, während im Bereich der Biosensorik eine definierte Adsorption spezieller Biomakromoleküle erwünscht sein kann.
• Wechselwirkungen polarer Biomakromoleküle mit polaren Oberflächen können auf Grund starker, teils elektrostatischer Wechselwirkungen zu einer irreversiblen Adsorption oder Denaturierung der Biomakromoleküle führen. Eine Denaturierung führt zu einem Verlust der ursprünglichen Sekundär- und/oder Tertiärstruktur der Biomakromoleküle. Diese Strukturänderung können dabei mit einem Verlust der Wirksamkeit des Biomakromoleküls einher gehen. Dies kann insbesondere bei glasartigen Substraten beobachtet werden.
• Um dieses Problem zu lösen, sind aus dem Stand der Technik Beschichtungen auf Basis von Silikonölen bekannt. Nachteiligerweise sind hierbei relativ dicke Schichten nötig. Dadurch ist eine relativ hohe Ablösewahrscheinlichkeit gegeben, was zu einer unerwünschten Kontamination führen kann.
• Bei Verwendung von fluorhaltigen Beschichtungen kann insbesondere das Problem der Kontamination vermieden werden. Jedoch können fluorhaltige Beschichtungen auf Grund starker repulsiver Wechselwirkungen für die jeweilige Verwendung ungeeignet sein. Des weiteren können sich die Eigenschaften der Schicht wie beispielsweise der Kontaktwinkel von Wasser, beim Autoklavieren, einem gängigen Verfahren bei Pharmaverpackungen, verändern. Dies kann nachteiligerweise zu Qualitätsschwankungen führen.
• Im Bereich der optischen Beschichtungen werden anorganische Beschichtungen, beispielsweise solche Beschichtungen, die SiO₂ oder TiO₂ enthalten, zur Einstellung optischer Eigenschaften wie des Brechungsindexes oder zur Filterung spezieller Wellenlängen eingesetzt. Diese sind jedoch in der Regel nicht biokompatibel. Starke elektrostatische Wechselwirkungen der anorganischen Beschichtungen mit den polaren Biomakromolekülen können jedoch zu einer unerwünscht starken Adsorption der Biomakromoleküle und/oder deren Denaturierung führen.
• Mit steigender Bedeutung von Biomakromolekülen als Wirkstoffe in der pharmazeutischen Industrie werden entsprechend kompatible Verpackungsmaterialien benötigt. Neben einer entsprechenden Biokompabilität sollen die entsprechenden Materialien bestimmte optische Eigenschaften erfüllen. So sollen der Inhalt vor UV-Strahlung geschützt werden, gleichzeitig soll er jedoch beispielsweise einer optischen Qualitätskontrolle zugänglich sein. Ähnliche Anforderungen werden an Materialien zur Bereitstellung von künstlichen Intraokularlinsen gestellt.
• Die EP 1 810 758 A1 der Anmelderin offenbart ein Verfahren zur Herstellung von beschichteten Substraten für pharmazeutische Verpackungen. Die abgeschiedene Beschichtung ist derart beschaffen, dass eine Adsorption von Makromolekülen gegenüber nicht beschichteten Substraten verringert wird. Das offenbarte Verfahren ermöglicht keine Auswahl der optischen Eigenschaften des Laminats.
• Die in der Offenlegungsschrift DE 10 2009 029 792 A1 der Anmelderin beschriebene Beschichtungen zeichnen sich zum einen durch eine niedrige Adsorption von Makromolekülen und zum anderen durch eine hohe Transmission des Lichts im VIS-Bereich aus.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, Laminate mit verbesserten, funktionellen Beschichtungen bereitzustellen, die maßgeschneiderte optische Eigenschaften, insbesondere Transmission und Brechungsindex, mit einer Biokompatibilität sowie einer definierten Adsorption von Biomakromolekülen vereinen. Unter Biomakromolekülen werden insbesondere Biopolymere wie Proteine, Polynucleinsäuren sowie entsprechende Überstrukturen verstanden. Eine weitere Aufgabe liegt in der Bereitstellung eines entsprechenden Herstellungsverfahrens. Diese Aufgaben werden bereits in höchst überraschend einfacher Weise durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
• Demgemäß sieht die Erfindung ein Laminat aus einem transparenten Substrat und zumindest einer darauf abgeschiedenen organischen und transparenten Schicht vor. Die Beschichtung enthält ein vernetztes Polymer mit den Elementen C, H und O, dessen Verhältnis der atomaren Konzentrationen von Sauerstoff zu Kohlenstoff α mit α = c(O)/c(C) mit 0,2 ≤ α ≤ 1,0 und dessen Verhältnis der atomaren Konzentrationen von Wasserstoff zu Kohlenstoff β mit β = c(H)/c(C) mit 0,5 ≤ β ≤ 10 beträgt. Eventuell enthaltene übrige Elemente wie Fluor, sind prozess- und/oder rohstoffbedingt und lediglich in Spuren, insbesondere im ppm-Bereich, enthalten. Die Verhältnisse α und β wurden durch XPS-Messungen (Röntgen-Photoelektronenspektroskopie) bestimmt.
  Die Zusammensetzung des Polymers wirkt sich dabei in höchst überraschender Weise auf die dielektrischen Eigenschaften der Beschichtung aus. So sind optische Eigenschaften wie der Brechungsindex n_B abhängig von der Zusammensetzung und Struktur des Polymers. Der Brechungsindex n_B der Beschichtung liegt, je nach Sauerstoffgehalt bzw. α, im Bereich von 1,2 bis 2,0. Der Sauerstoffgehalt der Beschichtung ist abhängig von der verwendeten Leistung und dem damit zusammenhängenden Fragmentierungsgrad. Der Fragmentierungsgrad bestimmt maßgeblich den Vernetzungsgrad des abgeschiedenen Polymerisats.
• Je nach Zusammensetzung der Beschichtung kann es sich dabei um eine reflektierende Beschichtung oder um eine anti-Reflexbeschichtung handeln. Dies wirkt sich besonders vorteilhaft bei der Verwendung des Laminats in Verpackungen für lichtempfindliche Stoffe wie Biomakromoleküle aus. Zudem liegen bei den erfindungsgemäßen Beschichtungen keine problematischen Interaktionen mit Biomakromolekülen vor. Im Gegensatz dazu können der bisher im Stand der Technik beschriebener Einbau von Übergangsmetallzentren in Substrate zu einer Kontamination des Verpackungsinhaltes und im Fall von Biomakromolekülen zu einer Denaturierung führen.
• Die Transmission τ der Beschichtung ist > 80% und weist einen Extinktionskoeffizienten ε ≤ 0,1 auf. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei der Verwendung des beschichteten Laminats in Bereichen, bei denen eine Transparenz des Laminats, beispielsweise zur optischen Qualitätskontrolle, benötigt wird. Bevorzugt ist die Transmission des Laminats daher > 90%.
• Die erfindungsgemäße chemische Zusammensetzung des Polymers ist zudem vorteilhaft, da dieses sehr stabil ist. So kann das Laminat harschen Bedingungen wie hohen Temperaturen und/oder Drücken, beispielsweise beim Autoklavieren, ausgesetzt werden, ohne dass sich dessen Eigenschaften signifikant ändern. Dies ist insbesondere für die Verwendung des erfindungsgemäßen Laminats als Pharmapackmittel von Bedeutung.
• Das vernetzte Polymer der Beschichtung umfasst insbesondere folgende strukturelle Einheiten I, II und III.

  
• Innerhalb der erfindungsgemäßen chemischen und strukturellen Zusammensetzung der Beschichtung kann die Polarität der Beschichtung eingestellt werden. Somit ist es insbesondere möglich, spezifische Adsorptionsraten für spezielle Biomakromoleküle einzustellen. Dies ist insbesondere im Bereich der Biosensoren vorteilhaft.
• Insbesondere auf Grund der strukturellen Einheiten I, II und III zeigt die Beschichtung Wechselwirkungen mit Biomakromolekülen, ohne dass diese denaturiert werden. Die am Adsorptionsprozess beteiligten intermolekularen Wechselwirkungen beruhen dabei nicht auf fluorophoben Wechselwirkungen. Die Beschichtung zeigt einen Kontaktwinkel δ für Wasser von δ ≤ 80°.
• Die Beschichtung zeigt zudem infrarot-aktive Schwingungen bei Wellenzahlenbereichen von 4800 cm^-1 bis 5300 cm^-1 sowie im Bereich von 3600 cm^-1 bis 3200 cm^-1. Diese Schwingungsübergänge liegen energetisch im Bereich der Deformations- und Valenzschwingungen von Wasser. Es kann vermutet werden, dass die Beschichtung eingeschlossenes Wasser enthält, welches die Eigenschaften der Beschichtung vorteilhaft beeinflusst.
• Durch die Wahl der Zusammensetzung des Polymers sowie seiner strukturellen Einheiten, zeigt das erfindungsgemäße Laminat sowohl maßgeschneiderte optische Eigenschaften als auch eine Biokompatibilität bei einer guten Stabilität der Beschichtung. Somit vereint die Beschichtung auf höchst vorteilhafte Weise die optischen Eigenschaften einer anorganischen mit der Biokompatibilität einer organischen Beschichtung.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das in der Beschichtung enthaltene Polymer eine Zusammensetzung mit dem Verhältnis α = c(O)/c(C) von 0,3 ≤ α ≤ 0,8, bevorzugt von 0,4 ≤ α ≤ 0,65 und/oder mit dem Verhältnis β = c(H)/c(C) von 1 ≤ β ≤ 5, bevorzugt 1,8 ≤ β ≤ 2,6 auf. Es hat sich gezeigt, dass diese Bereiche besonders vorteilhaft in Bezug auf die optischen Eigenschaften wie auch der Polarität der Beschichtung sind.
• Bevorzugt zeigt das XPS-Spektrum der Beschichtung für C1s ein charakteristisches C-O-Signal bei 286.3 eV. Das Verhältnis $$\mathrm{\gamma }={\text{A}}_{\text{C}-\text{O}}/{\text{A}}_{\text{total}}$$

  

  mit Ac-o als Integral des entfalteten C-O-Signals und A_total als Gesamtintegral des C1s Spektrums im Intervall zwischen 280 eV und 291 eV, ist dabei vorzugsweise 0,4 ≤ γ≤ 1,0. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist das Verhältnis γ 0,6 ≤ γ≤ 1,0, vorzugsweise 0,7 ≤ γ≤ 1,0.
• In einer Ausführung weist die Beschichtung des Laminats eine Dichte ρ im Bereich von 0,3 g/cm³ ≤ ρ≤ 5 g/cm³, bevorzugt im Bereich 0,6 g/cm³ ≤ ρ≤ 3 g/cm³ und besonders bevorzugt 0,8 g/cm³ ≤ ρ ≤ 2 g/cm³ auf. Diese Bereiche haben sich als besonders vorteilhaft in Bezug auf den Brechungsindex und die Transmission herausgestellt. Beschichtungen mit Dichten in den oben aufgeführten Bereichen zeigen dabei in überraschend vorteilhafter Weise erfindungsgemäße Brechungsindizes in Kombination mit hohen Transmissionswerten. Dies ist umso überraschender, als dass der Brechungsindex proportional zur Dichte, die Transmission einer Schicht dagegen antiproportional zur Dichte ist.
• Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere Beschichtungen mit Schichtdicken von 0,5 bis 1000 nm, bevorzugt 1 bis 200 nm und besonders bevorzugt 2 bis 100 nm vorteilhaft sind. Die Beschichtung fungiert zum einen als Barriereschicht zwischen Substrat und Makromolekül und verhindert so die Adsorption von Biomakromolekülen auf dem Substrat. Die Ausprägung der Barrierewirkung ist insbesondere von der Schichtdicke abhängig. Mit zunehmender Schichtdicke sinkt jedoch die Transmission der jeweiligen Schicht. Des Weiteren steigt der yellowness Index Y_I als Maß für die Stärke der Vergilbung, mit steigender Schichtdicke. In den oben aufgeführten Schichtdickenbereichen erfüllt die Beschichtung die Barrierewirkung bei gleichzeitiger Transmission des Laminats.
• Eine Ausführungsform sieht ein Laminat mit einem Extinktionskoeffizienten ε mit ε ≤ 0,05, bevorzugt ε ≤ 0,03 vor. Es ist zudem günstig, wenn der yellowness Index Y_I, gemessen gemäß ASTM D 1925-70, des Laminats 0 ≤ Y_I ≤ 4, bevorzugt 0 ≤ Y_I ≤ 2 und besonders bevorzugt 0 ≤ Y_I ≤ 1 beträgt. Laminate mit entsprechenden yellowness Indizes Y_I zeigen eine geringe Vergilbung und/oder eine gute Farbstabilität.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung zeigt das Laminat auf Grund der Polarität seiner Beschichtung einen Kontaktwinkel δ für Wasser von 10° ≤ δ ≤ 70°, bevorzugt von 20° ≤ δ ≤ 60°. Die entsprechenden Beschichtungen sind vorzugsweise polar genug, um eine Adsorption der Biomakromoleküle, wie sie etwa bei Biosensoren erwünscht ist, zu gewährleisten ohne jedoch durch zu starke polare Wechselwirkungen mit den Biomakromolekülen zu deren Denaturierung zu führen.
• Bevorzugt handelt es sich bei dem Substrat um Glas, insbesondere um Borsilikatglas. Die Verwendung eines glasartigen Substrats ist sowohl auf Grund dessen optischer Eigenschaften wie auch der einfachen Zugänglichkeit und Prozesskompatibilität und aus ökonomischen Gesichtspunkten vorteilhaft.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung handelt es sich bei dem Substrat um ein Polymer, wobei es sich sowohl um Thermoplasten als auch um Elastomere handeln kann. Insbesondere sind Polymere wie COC, COP, PET, PP, PC, HDPE, LDPE, IIR oder BIIR geeignet. Die Verwendung von Polymeren als Substrat ermöglicht die Bereitstellung elastischer Laminate, die beispielsweise im Implantationsbereich benötigt werden. Zudem können die optischen Eigenschaften des Laminats zusätzlich durch Wahl eines Polymers mit einem entsprechenden Brechungsindex beeinflusst werden. So sind je nach Substrat und Beschichtung sowohl reflektierende Laminate als auch Laminate mit einer anti-Reflex-Funktion zugänglich, deren Adsorptionsverhalten zudem an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden können. Es können zudem solche Laminate bereitgestellt werden, die als optische Filter fungieren. So kann das Laminat beispielsweise derartig ausgestaltet werden, dass vorzugsweise Wellenlängen im UV-Bereich reflektiert werden. Dies ist besonders vorteilhaft, da beispielsweise der Inhalt eines entsprechend beschichteten Vials vor UV-Strahlung ohne Verlust der optischen Transparenz geschützt ist. Dies ist insbesondere bei einer optischen Qualitätskontrolle von Bedeutung.
• In einer Ausführungsform der Erfindung beträgt die Differenz zwischen den Brechungsindizes des Substrates ns und der Beschichtung n_B |n_s - n_B| < 0,25, bevorzugt |n_s - n_B| < 0,20 und ganz besonders bevorzugt |n_s - n_B| < 0,15. Es hat sich herausgestellt, dass sich die oben angegebenen Differenzen der Brechungsindizes ns und n_B sowohl für den Aufbau von reflektierenden Laminaten als auch von Laminaten mit anti-Reflexbeschichtungen besonders vorteilhaft auswirken.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung handelt es sich bei der Beschichtung um eine mehrlagige Beschichtung mit zumindest zwei organischen Schichten B1 und B2. Durch einen mehrlagigen Aufbau der Beschichtung können insbesondere die optischen Eigenschaften in höchst vorteilhafter Weise präzise eingestellt werden. Insbesondere können durch interferenzoptische Schichten je nach Aufbau und Abfolge sowohl reflektierende Beschichtungen als auch anti-Reflexbeschichtungen erhalten werden. Auch ein Schichtaufbau mit mehr als zwei Schichten ist möglich. Ebenfalls können durch interferenzoptische Schichten optische Filter mit definierten Wellenlängenbereichen realisiert werden. Es hat sich gezeigt, dass es günstig ist, wenn die beiden Schichten B1 und B2 unterschiedliche Brechungsindizes n_B1 und n_B2 aufweisen und die Beziehungen |n_B1-n_B2|/n_B1 > 0,005, bevorzugt |n_B1-n_B2|/n_B1 > 0,01 und besonders bevorzugt |n_B1-n_B2|/n_B1 > 0,02 gelten.
• In einer Weiterbildung der Erfindung handelt es sich bei dem Substrat um ein Pharmapackmittel, wobei das Substrat innenseitig beschichtet ist. Das Pharmapackmittel kann insbesondere eine Kanüle, ein Spritzenkörper, eine Ampulle, ein Vial, eine Karpule, elastomerbeschichtete Dichtungsflächen oder eine entsprechende Verpackung sein.
• Ein Verfahren zur Herstellung eines Laminats umfassend ein Substrat und zumindest eine darauf abgeschiedene, transparente organische Beschichtung sieht ein gepulstes PCVD-Verfahren zur Plasmapolymerisation mit zumindest den folgenden Verfahrensparametern vor:
1. i) einer Pulsleistung P_Puls > 100 W,
2. ii) einem Verhältnis der Pulspause tpp zur Gasaustauschzeit von 0,0015 bis 100 und einer mittleren Leistungsdichte π von 0,0001W/cm³ bis 500W/cm³.
• Die Plasmapolymerisation erfolgt mit den Schritten i) Fragmentation des Precursors, vorzugsweise eines Polyethers, im Plasma und ii) nachfolgender Rekombination der reaktiven Fragmente auf der Substratoberfläche. Durch Variation der Verfahrensparameter können über den Fragmentationsgrad des Precursors und die Rekombinationsgeschwindigkeit der gebildeten Fragmente in höchst überraschender Weise Zusammensetzung, Dichte und Vernetzungsgrad der Beschichtung und die dadurch bedingten dielektrischen Eigenschaften wie auch die Polarität der Oberfläche eingestellt werden.
• Bevorzugt werden Pulsdauer und Pulspause durch eine kontrollierte Plasmazündung, beispielsweise durch Verwendung eines Separatorelements, eingestellt. Dabei gewährleistet das Separatorelement eine konstante Plasmadichte, in dem die elektromagnetischen Wellen reflektiert werden, wohingegen das Precursorgas durchgelassen werden. So kann in vorteilhafter Weise der Fragmentierungsgrad, der von den Prozessparametern Pulsdauer, Pulspause und Pulsleistung abhängig ist, durch Variation zweier der Parameter eingestellt und somit die Eigenschaften der abgeschiedenen Schicht kontrolliert werden.
• Die bei Plasmapolymerisationen erfolgende Fragmentierung führt zur Bildung von Radikalen, welche durch Rekombination auf der Substratoberfläche ein Polymerisat bilden. Der Vernetzungsgrad dieses Polymerisats ist vom Fragmentationsgrad abhängig. Die Dichte des Polymerisats wird durch dessen Vernetzungsgrad bestimmt. Dabei gilt, dass ein stark vernetztes Polymerisat eine höhere Dichte aufweist als ein vergleichbares Polymerisat mit einem geringeren Vernetzungsgrad. Über die Verknüpfung der dielektrischen Eigenschafen wie beispielsweise dem Brechungsindex mit der Dichte können diese Eigenschaften durch den Fragmentierungsgrad eingestellt werden.
• Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird auf der Substratoberfläche ein Polymerisats bestehend aus den Elementen C, H und O mit einem Verhältnis α = c(O)/c(C) mit 0,2 ≤ α ≤ 1,0 und einem Verhältnis β = c(H)/c(C) mit 0,5 ≤ β ≤ 10 abgeschieden. Zusammensetzung, Vernetzungsgrad und Verteilung der strukturellen Einheiten des Polymerisats,

  

  dessen optische Eigenschaften wie einen Brechungsindex n_B im Bereich von 1,2 bis 2,0, eine Transmission τ mit τ > 80% und einen Extinktionskoeffizienten ε mit ε ≤ 0,1, sowie dessen Kontaktwinkel δ für Wasser von δ ≤ 80° werden dabei durch die Prozessparameter mittlere Pulsleistung <P>, das Verhältnis der Pulspause tpp zur Gasaustauschzeit t_G und die mittlere Leistungsdichte π eingestellt. Zur kontrollierten Plasmazündung wird vorzugsweise eine gepulste Mikrowellenquelle verwendet.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens werden die Verfahrensparameter Massenfluss, Depositionstemperatur T_Dep sowie Druck p während des Abscheideprozesses konstant gehalten. Dadurch kann eine Schicht mit besonders einheitlicher Zusammensetzung erzielt werden. Insbesondere die Gasaustasuchzeit t_G wird durch die oben genannten Parameter beeinflusst. Es gilt $${\text{t}}_{\text{G}}={\text{V}}_{\text{Plasma}}/\left(\text{dV/dt}\right)$$

  

  mit dem Volumenstrom (dV/dt), der wiederum vom Massenfluss, der Temperatur und dem Druck abhängig ist. Konstante Werte für die entsprechenden Parameter führen demgemäß auch zu einer konstanten Gasaustauschzeit t_G. Die unter diesen Bedingungen abgeschiedene Schicht zeigt eine besonders homogene Zusammensetzung. Die Gasaustauschzeit ist dabei abhängig vom Volumen des Plasmazone. Beispielsweise beträgt die Gasaustauschzeit t_G = 23 ms für eine Plasmazone mit einem Volumen von 20 ml.
• In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgen die Reaktionsschritte Deposition und Vernetzung simultan in einem Schritt während des Abscheideprozess auf dem Substrat. Unter simultan werden dabei sowohl konzertierte Prozesse als auch solche Prozesse, bei denen Deposition und Vernetzung zeitnah zueinander erfolgen, verstanden. In der bevorzugten Ausführungsform erfolgen Deposition und Vernetzung in einem Schritt, d.h. zumindest im selben Reaktor, ohne dass eine Veränderung der Prozessparameter vorgenommen werden muss. Dies ist sowohl unter prozesstechnischen als auch aus ökonomischen Gesichtspunkten vorteilhaft.
• Bevorzugt werden als Precursor lineare Polyether, besonders bevorzugt lineare Polyether mit Ethylenglycol-Monomereinheiten und insbesondere Tetraethylenglycoldimethylether („Tetraglyme“) verwendet.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens werden Zusammensetzung, Verteilung der strukturellen Einheiten, Vernetzungsgrad und Dichte δ des abgeschiedenen Polymerisats durch Variation maximal zwei der erfindungsgemäßen Parameter, bevorzugt durch Variation nur eines Parameters, eingestellt. Dies ist insbesondere aus verfahrenstechnischen Gesichtspunkten vorteilhaft, da hierdurch in kurzer Zeit Beschichtungen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Eigenschaften in einem Reaktor und unter Verwendung des gleichen Precursors bereitgestellt werden können. Es ist vorteilhaft, wenn die übrigen Parameter möglichst konstant gehalten werden um so eine homogene Zusammensetzung der abgeschiedenen Beschichtung sowie eine einheitliche Schichtdicke zu gewährleisten. Ein konstanter Massefluss kann insbesondere durch Verwendung eines zusätzlichen Trägergases, bevorzugt eines Edelgases wie beispielsweise Argon, erhalten werden.
• Bevorzugt wird die <P> größer als 500W, besonders bevorzugt größer als 1000 W, und ganz besonders bevorzugt größer als 1200 W eingestellt. Dies wirkt sich günstig auf die Zusammensetzung der Schicht und deren Homogenität aus. In einer ganz speziellen Ausführungsform der Erfindung liegt die mittlere Leistungsdichte π vorzugsweise in einem Bereich von 0,001W/cm³ bis 4 W/cm³, besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,005W/cm³ bis 3 W/cm³ und ganz besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,01 W/cm³ bis 2 W/cm³.
• Es hat sich herausgestellt, dass es vorteilhaft ist, wenn die Abscheiderate k_Dep 0,001 nm/s bis 100 nm/s, bevorzugt 0,02 nm/s bis 30 nm/s und besonders bevorzugt 0,04 nm/s bis 5 nm/s beträgt. Die Abscheiderate beeinflusst den Rekombinationsprozess, insbesondere dessen Geschwindigkeit, und somit die Zusammensetzung der abgeschiedenen Schicht. Eine stabile Abscheiderate ist weiterhin vorteilhaft, um eine homogene Schichtdicke zu erhalten.
• Eine Weiterbildung der Erfindung sieht ein Herstellungsverfahren vor, bei dem die Temperatur, bei der die Beschichtung abgeschieden wird, mindestens 10°C unter der Glastemperatur T_g des Substrats liegt. Insbesondere bei Verwendung von polymeren Substraten, die niedrige Glastemperaturen T_g aufweisen, ist dies vorteilhaft, da diese Substrate unter Strukturerhalt verwendet werden können. Bevorzugt wird ein positiver Temperaturgradient angelegt, wobei die Temperatur vom Gaseinlass bis zur Substratoberfläche zunimmt. Dadurch kann eine besonders stabile Abscheiderate erreicht werden.
• Es ist vorteilhaft, das Substrat vor dem Abscheideprozess für einen Zeitraum von 10 bis 100 s einer Plasmabehandlung zu unterziehen. Hierdurch wird die Oberfläche des Substrats geglättet und damit auch die Rauhigkeit der abgeschiedenen Beschichtung verringert.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Substrat dabei über eine derartige Plasmabehandlung aufgeheizt. Besonders günstig ist dabei die Verwendung einer mittleren Leistung im Bereich von 1W bis 5000W. Dabei erweist sich die Verwendung eines gepulsten Plasmas als vorteilhaft, insbesondere mit einer Pulsleistung von wenigstens 500W.
• Nachfolgend sind mögliche vorteilhafte Eigenschaften von erfindungsgemäß hergestellten Laminaten nochmals aufgelistet:
1. i) modifizierte Adsorption von Makromolekülen
2. ii) Veränderung der Reibung, vorzugsweise Erniedrigung der Reibung
3. iii) geringe Gaspermeabilität
4. iv) Wirkung als Barriereschicht gegen Auslaugung oder Extraktion des Substrates
5. v) Wirkung als thermische Barriere
6. vi) anti-fouling Wirkung
7. vii) anti-mikrobakterielle Wirkung
8. viii) haftverbessernde Eigenschaften
9. ix) Veränderung der Oberflächenrauhigkeit, insbesondere Reduktion der Oberflächenrauhigkeit
10. x) erhöhte chemische Inertheit
11. xi) Schutz gegen Verkratzen
12. xii) optische Funktionen wie reflektierende Wirkung, antireflektierende Wirkung, Semitransparenz, Transparenz, dekorative Effekte
• Figurenliste
• 1 zeigt einen Ausschnitt des XPS-Spektrums des ersten Referenzbeispiels.
• 2 zeigt den yellowness Index Y_I in Abhängigkeit zur Schichtdicke anhand des ersten Ausführungsbeispiels
• 3 zeigt den yellowness Index Y_I in Abhängigkeit zur Dauer der Plasmavorbehandlung des Substrates
• Die Figuren werden anhand des Referenzbeispiels näher erläutert.
• Beschreibung des Referenzbeispiels
• In einem ersten Ausführungsbeispiel werden zwei Probengläser aus Borosilikatglas (Fiolax) mit einem Volumen von jeweils 10 mL als Substrat in einem Doppelkammer-Plasmareaktor auf einen Druck < 0,1 mbar evakuiert. Anschließend wird das Substrat mit Argon geflutet, wobei der Massenfluss 50sscm bei einem Druck 0,2 mbar. Dabei wird der Gesamtmassenfluss gleichmäßig auf beide Reaktionskammern aufgeteilt. Die Energie einer gepulsten Mikrowellenquelle mit einer Frequenz von 2,45 GHz und einer mittleren Leistung von 500 W wird in die beiden getrennten Kammern eingespeist. In den beiden Kammern erfolgt die Zündung eines gepulsten Mikrowellenplasmas und die beiden Substrate werden bei einer Temperatur von 120°C einer Plasmavorbehandlung unterzogen. Innerhalb der Gaswechselzeit wird eine Mischung aus gasförmigen Tetraglyme und Argon mit einem Druck von 0,2 mbar in die beiden Reaktionskammern geleitet, wobei das Tetraglyme als Precursor und Argon als Trägergas fungiert. Nach Beenden des Gaswechsels wird wiederum die Energie einer gepulsten Mikrowellenquelle mit einer Frequenz von 2,45 GHz in die beiden Reaktionskammern gespeist und ein gepulstes Mikrowellenplasma erzeugt.
• Der Kontaktwinkel der unter diesen Bedingungen abgeschiedenen Schicht beträgt 50° ± 2°. Die Beschichtung ist hydrophil. Für den Vergleich der Adsorption von Biomolekülen an der abgeschiedenen Schicht mit der Adsorption auf einem unbeschichteten Substrat wurde das Biomakromolekül Fibrinogen verwendet und jeweils dessen Adsorption an der Oberfläche des Laminats bzw. des unbeschichteten Substrates bestimmt. Es konnte hierbei gezeigt werden, dass die Absorption im Falle des beschichteten Substrates um mehr als den Faktor 2 gesenkt wurde.
• Die Zusammensetzung der abgeschiedenen Schicht wurde mittels XPS-Analyse bestimmt. 1 zeigt das charakteristische Signal für Ether bei 286,3 eV. Der C-O Anteil an C1s liegt bei 87,7%, das Verhältnis von Sauerstoff zu Kohlenstoff C/O beträgt 0,58. Insgesamt enthält die Schicht 63,1 ± 0,6 at-% Kohlenstoff und 36,6 ± 0,4 at-% Sauerstoff.
• Das Referenzbeispiel zeigt nachfolgend durch Variation der Prozessparameter mittlere Leistung und Abscheidedauer deren Auswirkung auf die Eigenschaften der erfindungsgemäß abgeschiedenen Schicht. Die übrigen Parameter wurden konstant gehalten.
• In einem ersten Experiment wurde die mittlere Leistung in einem Bereich von 5 W bis 100 W variiert. Anschließend wurde der Brechungsindex der unter diesen Bedingungen beschichteten Substrate bestimmt. Tabelle 1 zeigt den Brechungsindex n_B der Proben 1 bis 3 sowie des unbeschichteten Substrates n_s bei einer Wellenlänge von 550 nm.

  Probe	Mittlere Leistung [W]	n @550 nm	ε @550 nm
  1	5	1,49		nB < nS
  2	10	1,5		nB < nS
  3	100	1,6	0, 024	nB > nS
  Substrat	-	1,55

• Es wird deutlich, dass der Brechungsindex mit steigender mittleren Leistung während der Plasmapolymerisation und damit mit steigendem Fragmentationsgrad erhöht wird. Während die Proben 1 und 2 einen niedrigeren Brechungsindex als das unbeschichtete Substrat aufweisen, ist der Brechungsindex der Probe 3 größer als der des Substrates. Dieser Effekt wurde auch durch Reflexionsmessungen bestätigt. Zudem zeigt Probe 3 eine leichte Absorption bei 550 nm. Dieser Effekt kann ebenfalls auf den höheren Fragmentierungsgrad durch eine höhere mittlere Leistung während der Plasmapolymerisation bei Probe 3 zurückgeführt werden. Der hohe Fragmentierungsgrad bedingt einen hohen Vernetzungsgrad, was sich in der Schichtdichte und somit in der Absorption und im Brechungsindex widerspiegelt. Das Referenzbeispiel zeigt, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Beschichtungen mit maßgeschneiderten optischen Eigenschaften auf überraschend einfache Weise zugänglich sind.
• In einem zweiten Experiment wurde die Schichtdicke des abgeschiedenen Polymerisats variiert. 2 zeigt die Korrelation von Schichtdicke und yellowness Index Y_I . Hierbei wurden auf zwei Substraten unter gleichen Bedingungen Tetraglyme-Schichten abgeschiedenen, wobei die Schichtdicke der ersten Probe 50 nm und die Schichtdicke der zweiten Probe 200 nm beträgt. Zusätzlich ist in 2 als Referenz der yellowness Index Y_I des unbeschichteten Substrates angegeben. Der yellowness Index Y_I wurde dabei gemäß ASTM D 1925-70 bestimmt. In 2 ist deutlich die Abhängigkeit des yellowness Indexes Y_I von der Schichtdicke zu erkennen. Während der yellowness Index Y_I bei einem Laminat mit einer Schichtdicke von 50 nm bei 0,8 liegt und damit im wesentlichen mit dem Y_I der Referenzprobe von 0,7 vergleichbar ist, führt eine Erhöhung der Schichtdicke auf 200 nm zu einem Y_I um 3,0.
• In einem dritten Experiment wurde die Dauer der Plasmavorbehandlung variiert. 3 zeigt den yellowness Index Y_I eines unbeschichteten Substrates aus Borosilikatglas in Abhängigkeit zur Vorbehandlungszeit sowie als Referenz ein unbehandeltes Substrat. Hier steigt der yellowness Index Y_I merklich mit der Dauer der Plasmavorbehandlung.
• In einem zweiten Referenzbeispiel erfolgt eine erfindungsgemäße Beschichtung eines polymeren Substrates zur Herstellung von Pharmaverpackungen. Hierzu werden zwei Kunstoffbehälter aus COC (cyclic olefinic copolymer), hier Topas 6013, mit einem Füllvolumen von 10 mL wie im ersten Referenzbeispiel beschrieben beschichtet. Im Unterschied zum ersten Referenzbeispiel wird jedoch bei einer Temperatur unterhalb der Glastemperatur T_g von Topas von 130°C abgeschieden, um eine Deformation des Substrates zu vermeiden. Die abgeschiedene Schicht zeigt dabei mit dem ersten Referenzbeispiel vergleichbare Eigenschaften wie eine entsprechend auf einem Glassubstrat abgeschiedene Beschichtung, insbesondere vergleichbare optische Eigenschaften wie Brechungsindex, Transparenz oder yellowness Index Y_I . In einer weiteren Ausgestaltung des zweiten Referenzbeispiel wird ein Spritzenkörper aus Topas 6013 mit einem Volumen von 1 mL innenseitig beschichtet. Die Beschichtung mittels PICVD erfolgt analog zur oben beschriebenen Beschichtung des Kunststoffbehälters, wobei hier die Plasmapolymerisation in einem Reaktor mit nur einer Kammer durchgeführt wird. Die Eigenschaften der abgeschiedenen Schicht entsprechen denen der Beschichtung des Kunststoffbehälters.
• Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind, und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne die Erfindung zu verlassen. Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind auch einzelnen wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind.

Claims (25)

1. Verfahren zur Herstellung eines Laminats aus einem Substrat und zumindest einer darauf abgeschiedenen organischen, transparenten Beschichtung mittels gepulstem PCVD, gekennzeichnet dadurch, dass mittels einer Plasmapolymerisation mit den Schritten Fragmentation eines Polyethers als Precursor im Plasma und Rekombination der reaktiven Fragmente auf der Substratoberfläche ein Polymerisat bestehend aus den Elementen C, H und O mit einem Verhältnis α = c(O)/c(C) mit 0,2 ≤ α ≤ 1,0 und einem Verhältnis β = c(H)/c(C) mit 0,5 ≤ β ≤ 10 abgeschieden wird, wobei Zusammensetzung, Vernetzungsgrad und Verteilung der strukturellen Einheiten des Polymers

   

   sowie Brechungsindizes n_B im Bereich von 1,2 bis 2,0, Transmissionswerte τ mit τ > 80%, Extinktionskoeffizienten ε mit ε ≤ 0,1, infrarot-aktive H-O-Schwingungen in Wellenzahlenbereichen von 4800 cm^-1 bis 5300 cm^-1, von 3600 cm^-1 bis 3200 cm^-1 und Kontaktwinkel δ für Wasser von δ ≤ 80° sowie repulsive Wechselwirkungen des Polymerisats mit polaren Makromolekülen eingestellt werden, indem Werte für die Pulsleistung P_Puls > 100 W, für das Verhältnis der Pulspause tpp zur Gasaustauschzeit t_G $$\mathrm{0,0015}<{\text{t}}_{\text{pp}}/{\text{t}}_{\text{G}}<100$$

   

   und für die mittlere Leistungsdichte π $$\mathrm{0,0001}\text{W}/{\text{cm}}^3\le \mathrm{\pi }\le 500\text{W}/{\text{cm}}^3$$

   

   gewählt werden.
2. Verfahren gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei zur Plasmaerzeugung eine gepulste Mikrowellenquelle verwendet wird.
3. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Verfahrensparameter Massenfluss, Depositionstemperatur T_Dep sowie Druck p während des Abscheideprozesses konstant sind.
4. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei Deposition und Vernetzung simultan in einem Schritt während der Abscheidung erfolgen.
5. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei als Precursor lineare Polyether, bevorzugt lineare Polyether mit Ethylenglycol-Monomereinheiten, besonders bevorzugt Tetraethylenglycoldimethylether verwendet werden.
6. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei Zusammensetzung, Verteilung der strukturellen Einheiten, Vernetzungsgrad und Dichte δ des abgeschiedenen Polymerisats durch Variation maximal zweier Parameter, bevorzugt durch Variation eines Parameters eingestellt werden.
7. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Pulsleistung größer als 500W, bevorzugt größer als 1000 W, besonders bevorzugt größer als 1200 W ist.
8. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Abscheiderate k_Dep 0,001 nm/s bis 100 nm/s, bevorzugt 0,02 nm/s bis 30 nm/s und besonders bevorzugt 0,04 nm/s bis 5 nm/s beträgt.
9. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Beschichtung bei einer Temperatur abgeschieden wird, die mindestens 10°C unter der Glastemperatur T_g des Substrats liegt und/oder ein positiver Temperaturgradient angelegt wird, bei dem die Temperatur vom Gaseinlass bis zur Substratoberfläche zunimmt.
10. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Substrat vor dem Abscheideprozess für einen Zeitraum von 10 bis 100 s einer Plasmabehandlung unterzogen wird.
11. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verhältnis t_pp/t_G der Pulspause tpp zur Gasaustauschzeit t_G 0,04 bis 4 beträgt.
12. Laminat aus einem transparenten Substrat und zumindest einer darauf abgeschiedenen organischen, transparenten Beschichtung, hergestellt mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet dadurch, dass die Beschichtung ein vernetztes Polymer bestehend aus den Elementen C, H und O und einem Verhältnis der atomaren Konzentrationen von Sauerstoff zu Kohlenstoff α mit α = c(O)/c(C) mit 0,2 ≤ α ≤ 1,0 und einem Verhältnis der atomaren Konzentrationen von Wasserstoff zu Sauerstoff β mit β = c(H)/c(C) mit 0,5 ≤ β ≤ 10 enthält, infrarot-aktive H-O-Schwingungen bei Wellenzahlenbereichen von 4800 cm^-1 bis 5300 cm^-1 und von 3600 cm^-1 bis 3200 cm^-1, einen Brechungsindex n_B im Bereich von 1,2 bis 2,0, eine Transmission τ > 80%, einen Extinktionskoeffizienten ε ≤ 0,1, einen Kontaktwinkel δ für Wasser von δ ≤ 80° aufweist, und das Polymer folgende strukturelle Einheiten umfasst,

    

    sowie repulsive Wechselwirkungen mit polaren makromolekularen Verbindungen zeigt.
13. Laminat gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das in der Beschichtung enthaltene Polymer ein Verhältnis α = c(O)/c(C) von 0,3 ≤ α ≤ 0,8, bevorzugt von 0,4 ≤ α ≤ 0,65 aufweist.
14. Laminat gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das in der Beschichtung enthaltene Polymer ein Verhältnis β = c(H)/c(C) von 1 ≤ β ≤ 5, bevorzugt von 1,8 ≤ β ≤ 2,6 aufweist.
15. Laminat gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Beschichtung eine Dichte ρ im Bereich von 0,3 g/cm³ ≤ ρ ≤ 5 g/cm³, bevorzugt im Bereich 0,6 g/cm³ ≤ ρ≤ 3 g/cm³ und besonders bevorzugt 0,8 g/cm³ ≤ ρ ≤ 2 g/cm³ aufweist.
16. Laminat gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schichtdicke der Beschichtung 0,5 bis 1000 nm, bevorzugt 1 bis 200 nm und besonders bevorzugt 2 bis 100 nm beträgt.
17. Laminat gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Laminat einen Extinktionskoeffizienten ε ≤ 0,05, bevorzugt ε ≤ 0,03 und/oder eine Transmission größer als 90% aufweist.
18. Laminat gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei für den yellowness Index Y_I 0 ≤ Y_I ≤ 4, bevorzugt 0 ≤ Y_I ≤ 2 und besonders bevorzugt 0 ≤ Y_I ≤ 1 gilt.
19. Laminat gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Laminat einem Kontaktwinkel δ für Wasser von 10° ≤ δ ≤ 70°, bevorzugt von 20° ≤ δ ≤ 60° zeigt.
20. Laminat gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei dem Substrat um Glas, insbesondere um Borsilikatglas handelt.
21. Laminat gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei dem Substrat um ein Polymer wie COC, COP, PET, PP, PC, HDPE, LDPE, IIR oder BIIR handelt.
22. Laminat gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei für die Differenz zwischen den Brechungsindizes des Substrates n_S und der Beschichtung n_B |n_s - n_B| < 0,25, bevorzugt |n_s - n_B| < 0,20 und ganz besonders bevorzugt |n_s - n_B| < 0,15 gilt.
23. Laminat gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei dem Substrat um ein Pharmapackmittel handelt und das Substrat innenseitig mit der Beschichtung versehen ist.
24. Laminat gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Beschichtung eine mehrlagige Beschichtung mit zumindest einer organischen Schicht B1 und einer weiteren organischen Schicht B2 ist.
25. Laminat gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich um eine mehrlagige Beschichtung mit zumindest einer organischen Schicht B1 und einer weiteren organischen Schicht B2 handelt, wobei diese Schichten unterschiedliche Brechungsindizes n_B1 und n_B2 aufweisen und die Beziehungen |n_B1-n_B2|/n_B1 > 0,005, bevorzugt |n_B1-n_B2|/n_B1 > 0,01 und besonders bevorzugt | n_B1-n_B2 |/n_B1 > 0,02 gelten.

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