DE10211562B4

DE10211562B4 - Antimikrobiell modifiziertes Substrat, Verfahren zu dessen Herstellung sowie dessen Verwendung

Info

Publication number: DE10211562B4
Application number: DE2002111562
Authority: DE
Inventors: Jörg Thome; Andreas Holländer; Werner Jaeger; Mathias Hahn; Iris Trick
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-03-15
Filing date: 2002-03-15
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2022-03-16
Also published as: DE10211562A1

Abstract

Antimikrobiell modifiziertes Substrat mit einem direkt oder über ein Kopplungsreagenz kovalent an das Substrat gebundenem antimikrobiellen Copolymer und/oder Polymer,
wobei das Copolymer mindestens eine quaternäre Ammoniumgruppe und mindestens eine kopplungsfähige Gruppe aufweist, und aus einem quaternären Diallyldialkylammoniumsalz der allgemeinen Formel I und einer Monomereinheit der allgemeinen Formel II

mit
R₁ = einem geradkettigen oder verzweigten Alkylrest mit 1 bis 12 C-Atomen,
R₂ = einem geradkettigen oder verzweigten Alkylrest mit 1 bis 3 C-Atomen,
R₃ = H oder Methyl,
X^– = einem geeigneten Gegenion,
a, b = 1 bis 99 Mol-%, jeweils bezogen auf den Anteil der Einheiten im Gesamtmolekül, und m = 0 oder 1 aufgebaut ist,
oder das Polymer ein Molekül der allgemeinen Formel IV

mit
R₅ = unabhängig voneinander Methyl oder Ethyl,
X^– = einem geeigneten Gegenion,
d = unabhängig voneinander 5 bis 99 und
n und...

Description

Die Erfindung betrifft ein antimikrobiell modifiziertes Substrat sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung, das die Ansiedlung und das Wachstum von Bakterien vermindert. Verwendung finden derartige Substrate in der Medizintechnik, Biotechnologie, Verpackungsindustrie, Textilindustrie sowie für weitere technische Zwecke.
Die Ansiedlung und die Vermehrung von Bakterien ist in vielen Fällen unerwünscht und kann unangenehme gesundheitliche Folgen haben. Das gilt insbesondere für Krankenhäuser und Altenheime, wo sensibilisierte Personen mit einer geschwächten Immunabwehr den Bakterien ausgesetzt sind. Eine Langzeitexposition kann dort durch die Ansiedlung von Bakterien in Filtern von Klimaanlagen auftreten. Erhöhte Infektionsgefahr be steht bei Textilien und medizinischen Instrumenten im Operationsbereich sowie auf Intensivstationen. Ein besonderer Schutz vor bakteriellen Infektionen ist auch bei Materialien für die Wundversorgung erforderlich.
Weiterhin bewirken Bakterien in oder auf Verpackungen den Verderb von Lebensmitteln und können beim Verbraucher gesundheitliche Probleme verursachen.
Sehr leicht breiten sich Bakterien auch auf Oberflächen in öffentlichen Bereichen aus, z.B. auf Sitzbezügen in öffentlichen Transportmitteln sowie in öffentlichen Toiletten.
Ein gebräuchliches Verfahren zur antimikrobiellen Ausrüstung ist das Imprägnieren mit Lösungen von niedermolekularen Bioziden. Diese Biozide wirken oft unspezifisch, sind auch für den menschlichen Körper toxisch oder reizend und können daher bei sensibilisierten Personen zu allergischen Reaktionen führen. Außerdem wurden bei solchen Bioziden bereits Resistenzentwicklungen von Bakterienstämmen nachgewiesen.
Ein weiteres bekanntes Verfahren zur antimikrobiellen Ausrüstung ist die Einarbeitung eines Wirkstoffs (z.B. von Silberionen) in eine Matrix. Voraussetzung für die antimikrobielle Wirkung ist in diesem Fall die Freisetzung des Wirkstoffs aus der Trägersubstanz. Daher verlieren diese Ausrüstungen mit der Zeit durch Auswaschen des Wirkstoffs ihre antimikrobielle Wirksamkeit.
Beiden Verfahren gemeinsam ist der Nachteil, dass sie eine beträchtliche Menge des antimikrobiellen Wirkstoffs erfordern.

Die benötigte Wirkstoffmenge lässt sich deutlich reduzieren, indem man nur die Substratoberfläche antimikrobiell beschichtet. Die DE 198 18 958 beschreibt ein Verfahren, bei dem man in Gegenwart eines antimikrobiellen Polymers ein langkettiges Polyethylen- oder Polypropylenglykol-Derivat mit zwei reaktionsfähigen Gruppen auf die aktivierte Substratoberfläche einwirken lässt. Dabei bildet der Polyether mit dem antimikrobiellen Netzwerk ein interpenetrierendes Netzwerk (IPN). Dieses Verfahren hat verschiedene Nachteile: Das antimikrobielle Polymer ist nicht chemisch auf der Substratoberfläche gebunden. Die Ankopplung des Polyetherderivats erfordert entweder eine Reaktionstemperatur von ca. 60°C oder UV-Bestrahlung. Außerdem haben interpenetrierende Netzwerke häufig nur eine begrenzte thermische Stabilität.

Bei einem weiteren Verfahren zur antimikrobiellen Beschichtung von Polymeroberfächen wird ein hydrophiles oder hydrophiliertes Polymersubstrat zunächst mit einem Polyalkylenimin als Haftvermittler oder mit einem Ammoniakplasma behandelt. Dann wird aus einer wässrigen Lösung ein antimikrobielles Copolymer mit Carboxylgruppen und/oder Sulfonsäuregruppen und/oder sauren Schwefelsäureestergruppen aufgebracht ( DE 198 27 871 ). Ein Nachteil des Verfahrens liegt darin, dass das antimikrobielle Polymer nicht kovalent, sondern nur ionisch durch Ausbildung von Ammoniumcarboxylat-, Ammoniumsulfonat- oder Ammoniumsulfat-Strukturen gebunden ist. Außerdem erfolgt die antimikrobielle Beschichtung des hydrophilen Substrats nicht in einem Reaktionsschritt, sondern in einem Zweistufenprozess aus Aminofunktionalisierung und Aufbringen des Copolymers.

Eine festere Verankerung des antimikrobiellen Wirk stoffs lässt sich durch kovalente Immobilisierung auf dem Substrat erzielen. Die DE 198 44 892 beschreibt ein Verfahren zur Verminderung der Bakterienadhäsion durch eine Polyethylenoxid-Beschichtung. Dabei wird das Polymersubstrat zunächst aktiviert, dann ein aminogruppenhaltiger Spacer (z.B. Polyethylenimin) angekoppelt und schließlich durch eine Ethoxylierung Polyethylenoxid als bakterienabweisende Beschichtung aufpolymerisiert. Das Verfahren weist mehrere Nachteile auf: Die Beschichtung der aktivierten Substrate erfolgt in einem Zweistufenprozess aus Aminofunktionalisierung und Ethoxylierung. Das Verfahren ist zeitaufwendig, da das Substrat vor der Ethoxylierung getrocknet werden muss und eine ausreichende bakterienabweisende Wirkung der Polyethylenoxid-Schichten erst nach Ethoxylierungszeiten von 2 bis 4 Stunden gefunden wurde. Zudem muss die Ethoxylierung entweder in einem inerten, d.h. wasserfreien Lösungsmittel oder in der Gasphase in einem Autoklaven durchgeführt werden.

Andere bekannte Verfahren beruhen auf der Pfropfpolymerisation von antimikrobiellen Monomeren auf einem entsprechend aktivierten Polymersubstrat. Kohnen et al. berichten in ZBI. Bakt. Suppl. 26, Gustav Fischer Verlag, Stuttgart – Jena – New York, 1994, Seiten 408 bis 410, dass die Adhäsion von Staphylococcus epidermidis auf einem Polyurethanfilm vermindert wird, indem der PUR-Film durch eine Glimmentladung in Gegenwart von Sauerstoff vorbehandelt und dann mit Acrylsäure als Wirkstoff gepfropft wird. Pfropfpolymerisationen wurden auch mit antimikrobiellen Acrylat- oder Methacrylat-Monomeren mit Aminogruppen und/oder quaternären Ammoniumgruppen (z.B. DE 199 55 992 ), mit Aminopropylvinylether ( DE 199 40 023 ), acrylsubstituierten Alkylsulfonsäuren ( DE 100 14 726 ) sowie mit Allyltriphenylphosphoniumsalzen ( DE 100 08 177 ) durchgeführt. Die Pfropfpolymerisationen wurden dabei durch elektromagnetische Strahlung (z.B. UV-Strahlung), durch Plasmabehandlung (z.B. Argonplasma) oder thermisch induziert.

Diese Verfahren haben jedoch mehrere Nachteile. Pfropfpolymerisationen liefern im allgemeinen eine geringe Pfropfausbeute sowie eine schlechte Reproduzierbarkeit und erfordern oft eine aufwendige Substratvorbehandlung. Ein weiterer Nachteil von Polyacrylat- und Polymethacrylat-Schichten ist ihre geringe Alkalibeständigkeit.

Bei einem weiteren bekannten Verfahren zur bakterienabweisenden Beschichtung von Polymersubstraten wird ein Terpolymer, bestehend aus einem sulfonsäuregruppenhaltigen Monomer, einem carboxylgruppenhaltigen Monomer und einem Monomer mit einer NCO-reaktiven Gruppe (Polyol, Aminoalkohol oder Polyamin) durch Umsetzung mit einem Polyisocyanat kovalent auf hydrophilen Polymeroberflächen gebunden ( DE 197 26 738 ). Ein Nachteil des Verfahrens besteht darin, dass die Kopplungsreaktion mit dem Polyisocyanat in einem inerten Lösungsmittel durchgeführt werden muss oder die Isocyanatgruppen vor einer Kopplung in wässrigem Medium erst (z.B. mit Methylethylketoxim) geschützt werden müssen. Zudem erfordert das Verfahren hohe Reaktionstemperaturen von 120 bis 200°C und kann daher nicht für Polymersubstrate mit Glastemperaturen unter 120°C, wie z.B. Polyethylen, angewendet werden.

Die DE 199 21 894 beschreibt ein Verfahren zur antimikrobiellen Beschichtung von Polymersubstraten, bei dem ein antimikrobielles Polymer zunächst durch Auftragen einer Lösung auf dem Substrat physisorbiert und dann durch Aktivierung des Substrats mittels Plasmabehandlung, elektromagnetischer Strahlung oder Coronabehandlung kovalent gebunden wird. Ein Nachteil des Verfahrens liegt darin, dass beim Auftragen der Polymerlösung ein dicker Flüssigkeitsfilm aufgebracht wird und die benötigte Wirkstoffmenge daher relativ groß ist. Außerdem wird die kovalente Kopplung des antimikrobiellen Polymers statisch, d.h. ohne Agitation der Polymerlösung, durchgeführt und ist daher wahrscheinlich unvollständig.

Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Verfahren zu beseitigen und ein Verfahren zu entwickeln, mit dem reaktionsfähige Substrate in wässrigem Medium in einem Prozessschritt bei Raumtemperatur kovalent antimikrobiell beschichtet werden können, wobei eine sehr geringe Menge des antimikrobiellen Wirkstoffs verbraucht wird.

Diese Aufgabe wird durch das Substrat mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Verfahren zu dessen Herstellung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. In den Ansprüchen 17 und 18 wird die Verwendung der erfindungsgemäßen Substrate beschrieben.

Erfindungsgemäß wird ein antimikrobiell modifiziertes Substrat bereitgestellt, wobei die Modifizierung mit einem direkt oder über ein Kopplungsreagenz kovalent an das Substrat gebundenen antimikrobiellen Polymer und/oder Copolymer erfolgt. Das Polymer und/oder Copolymer weist dabei mindestens eine quaternäre Ammoniumgruppe und mindestens eine kopplungsfähige Gruppe auf.

Das erfindungsgemäße Substrat weist dabei den Vorteil auf, dass eine sehr geringe Menge des antimikrobiellen Polymers nötig ist.

Vorzugsweise wird ein Copolymer aus einem Monomer mit mindestens einer quaternären Ammoniumgruppe und einem Monomer mit mindestens einer primären und/oder sekundären Aminogruppe verwendet. Besonders bevorzugt ist dabei die Verwendung eines Copolymers, das aus einem quaternären Diallyldialkylammoniumsalz I und einem Monomer mit einer primären oder sekundären Aminogruppe mit der allgemeinen Formel II besteht.

Hierbei bedeuten

R₁: = geradkettiger oder verzweigter Alkylrest mit 1–12 C-Atomen,
R₂: = geradkettiger oder verzweigter Alkylrest mit 1–3 C-Atomen,
R₃: = H oder Methyl,
X^–: = geeignetes Gegenion,
a, b: = 1–99 Mol-%, jeweils bezogen auf den Anteil der Einheit im Gesamtmolekül, und
m: = 0 oder 1.

Als Gegenion sind beispielsweise F^–, Cl^–, Br^–, I^–, SO₄ ^2–, SO₃ ^2–, CH₃CO₂ ^–, HCO₃ ^–, PO₄ ^3–, CN^–, SCN^– und ClO₄ ^– geeignet.

Als Monomere mit quaternärer Ammoniumgruppe eignen sich auch Vinylpyridiniumsalze sowie Vinylbenzylammoniumsalze. Weiterhin können auch Acryloyl- und Methacryloylmonomere mit quaternärer Ammoniumgruppe verwendet werden. Als Monomerbaustein mit sekundärer Aminogruppe eignet sich beispielsweise N-Methylethylenamin.

Alternativ dazu kann als antimikrobielles Polymer ein Ionen der allgemeinen Formel IV

verwendet werden. Hierbei bedeuten

R⁵: = unabhängig voneinander Methyl oder Ethyl,
X^–: = geeignetes Gegenion und
d: = unabhängig voneinander 5–99 sowie
n und o: = 6, 10 oder 12.

Vorzugsweise weist das Copolymer zusätzlich eine Monomereinheit der allgemeinen Formel III auf.

Hierbei bedeuten

R₂: = geradkettiger oder verzweigter Alkylrest mit 1 bis 3 C-Atomen,
R₃: = H oder Methyl,
R₄: = H oder geradkettiger oder verzweigter Alkylrest mit 1 bis 3 C-Atomen,
a, b, c: = 1 bis 99 und a + b + c = 100 Mol-%, jeweils bezogen auf den Anteil der jeweiligen Einheit im Gesamtmolekül, und
m: = 0 oder 1.

Erfolgt die Ankopplung des antimikrobiellen Polymers über ein Kopplungsreagenz, so eigenen sich hierfür Kopplungsreagenzien, die mindestens eine Azid- oder N-Hydroxysuccinimidgruppe aufweisen. Ebenso ist es möglich, ein Carbodiimid, ein Carbonsäuredichlorid, ein bi- oder trifunktionalisiertes Aziridin, einen Succinimidester, einen Imidoester oder ein Maleinimid zu verwenden. Besonders bevorzugt wird als Kopplungsreagenz erfindungsgemäß 1-Ethyl-3,3-dimethylaminopropyl-carbodiimid verwendet.

Als Substrate können beliebige Materialien modifiziert werden.

Hierzu zählen synthetische Homo- und Copolymere, bei spielsweise Polyolefine, wie Polyethylen (HDPE und LDPE), Polypropylen, Polyisobutylen, Polybutadien, Polyisopren, Polymere und Copolymere aus vinylaromatischen Monomeren, wie Polystyrol, Poly(styrol-co-acrylnitril), Poly(styrol-co-butadien-co-acrylnitril) (ABS-Copolymere), halogenhaltige Polymere, wie Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Polychloropren, Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyvinylidenfluorid; Polykondensate, beispielsweise Polyester, wie Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat; Polyamide, wie Polycaprolactam, Polykondensate aus Hexamethylendiamin und Adipinsäure; Polyacrylate und Polymethacrylate, wie Polymethylmethacrylat; Polycarbonate, Polyether, Polyetherketone, Polyacrylnitril, Polyurethane, Polyimide und Silicone.

Als Substratmaterialien eignen sich weiterhin natürliche Polymere, wie Naturkautschuk, Cellulose, Cellulosederivate, wie Celluloseacetate, und Stärke, des weiteren Glassubstrate, Silizium, Metalle, wie Aluminium und Titan, sowie metallische Legierungen, wie Edelstähle und Messing.

Das Substrat kann dabei sowohl durch Beschichtung der Oberfläche antimikrobiell modifiziert werden, als auch, bei porösen Substratmaterialien, durch eine Modifizierung der Poren.

Die erfindungsgemäß beschichteten Substrate sind hydrophil (Wasserkontaktwinkel: 30–40°) und bakterienabweisend. Aufgrund ihres hydrophilen Verhaltens haben die Beschichtungen Anti-Beschlag-Eigenschaften, d.h., sie verhindern ein Beschlagen der Oberfläche in feuchter Atmosphäre. Zudem vermindern die Beschichtungen den Reibungskoeffizienten des Substrats. Die Beschichtungen zeigen eine sehr gute Beständigkeit gegen Umgebungseinflüsse einschließlich von organischen Lösungsmitteln und konzentrierter Salzsäure.

Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur antimikrobiellen Modifizierung von Substraten durch eine direkte oder über ein Kopplungsreagenz erfolgende kovalente Ankopplung eines antimikrobiellen Polymers und/oder Copolymers an das Substrat bereitgestellt. Die Kopplung erfolgt dadurch, dass ein mindestens eine quaternäre Ammoniumgruppe aufweisendes Polymer und/oder Copolymer über mindestens eine kopplungsfähige Gruppe an das Substrat angekoppelt wird, wobei die Kopplung direkt oder über ein zusätzliches Kopplungsreagenz erfolgen kann.

Bevorzugt wird ein Copolymer aus einem Monomer mindestens eines quaternären Diallyldialkylammoniumsalzes der allgemeinen Formel I und einem Monomer mit mindestens einer sekundären Aminogruppe der allgemeinen Formel II und/oder ein Polymer der allgemeinen Formel IV angekoppelt. Alternativ kann das Copolymer zusätzlich Monomereinheiten der allgemeinen Formel III aufweisen.

Das Polymer und/oder Copolymer wird dabei vorzugsweise in einer Konzentration zwischen 0,5 und 5 Gew.-% eingesetzt.

Bei Verwendung eines Kopplungsreagenzes werden vorzugsweise die bereits zuvor genannten Kopplungsreagenzien verwendet. Diese werden vorzugsweise in einer Konzentration zwischen 0,1 und 0,5 Gew.-% eingesetzt.

Erfindungsgemäß wird das Verfahren durchgeführt, indem das antimikrobielle Polymer und gegebenenfalls auch das Kopplungsreagenz in einem geeigneten Lösungsmittel, z.B. Ethanol, Methanol, Dimethylsulf oxid, N-Methylpyrrolidon, Dimethylformamid, Dimethylacetamid und insbesondere Wasser gelöst wird.

Die Ankopplung wird vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 10 und 100°C, bevorzugt zwischen 20 und 30°C durchgeführt. Besonders bevorzugt ist die Durchführung bei Raumtemperatur.

Die Behandlungsdauer hängt vom Substrat, vom Kopplungsreagenz, vom antimikrobiellen Polymer und von der Reaktionstemperatur ab. Üblicherweise liegt die Behandlungszeit bei 5 bis 30 min.

Es wurde überraschenderweise gefunden, dass die antimikrobiellen Polymere mit primären oder sekundären Aminogruppen in einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens direkt, d.h. ohne Kopplungsreagenz auf der Substratoberfläche immobilisiert werden können.

Das Verfahren kann mit den aus dem Stand der Technik bekannten Auftragungstechniken erfolgen. Hierzu zählen beispielsweise Tauchen, Rakeln, Besprühen, Lackieren oder Spin-Coating.

Während Substratmaterialien mit reaktionsfähigen Gruppen, wie Hydroxyl-, Amino-, Carbonyl- oder Carboxylgruppen, direkt für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden, können Materialien wie Polyolefine, die ursprünglich keine reaktionsfähigen Gruppen tragen, nach einer Oberflächenaktivierung für das Verfahren eingesetzt werden. Als Aktivierungsmethoden für die Substratoberfläche eignen sich beispielsweise:

(1) Die Aktivierung der Substratoberfläche kann erfindungsgemäß durch ein Radiofrequenz (RF)- Niederdruckplasma in einer Sauerstoff-, Argon-, Argon/Sauerstoff-, Ammoniak- oder Stickstoff-Atmosphäre erreicht werden. Die Behandlungszeiten betragen im allgemeinen 0,1 Sekunden bis 3 Minuten, bevorzugt 2 bis 30 Sekunden. Weiterhin lässt sich erfindungsgemäß eine Glimmentladung bei Atmosphärendruck (Atmospheric Pressure Glow Discharge, APGD) in Luft einsetzen.
(2) Weiterhin eignet sich auch eine Korona- oder Barriereentladung zur Substrataktivierung.
(3) Die Substratoberfläche kann auch durch Beflammen oder Fluorierung aktiviert werden.
(4) Die Aktivierung von Polymeren ohne UV-strahlungssensitive Gruppen kann auch durch UV-Strahlung erfolgen. Besonders effizient ist die Aktivierung von stabilen Polymeren, wie Polyolefinen, im Vakuum-UV-Bereich (Wellenlängen < 200 nm). Als UV-Strahlungsquelle eignet sich z.B. ein UV-Excimer-Gerät von Heraeus Noblelight, Hanau, Deutschland mit einer Wellenlänge von 172 nm.
(5) Weiterhin lassen sich die Substratoberflächen auch durch nasschemische Behandlung aktivieren. Hierfür eignet sich insbesondere die Behandlung mit Oxidationsmitteln, konzentrierten Säuren oder mit Alkalihydroxiden in Wasser.

Bevorzugte Aktivierungsmethoden sind die unter (1), (2) und (3) beschriebenen Methoden.

Nach der Modifizierung kann eine Nachbehandlung des Substrats, z.B. zur Entfernung eventueller Restmengen von nicht kovalent gebundenem antimikrobiellem Polymer und/oder Kopplungsreagenz durchgeführt werden. Hierfür hat sich das Waschen der Substrate mit einem geeigneten Lösungsmittel, insbesondere Wasser, bei 20°C für 15 bis 30 min bewährt. Nach dem Waschen werden die beschichteten Substrate dann getrocknet.

Verwendung finden die antimikrobiell ausgerüsteten Substrate als Folien, Textilien, Vliese, Membran, Pappe, Papier und Metallgegenstände. Außerdem ist die Verwendung für lebensmittel-, medizin- und biotechnische Werkstoffe vorgesehen. Zu den medizintechischen Erzeugnissen gehören beispielsweise Katheter, Schläuche, chirurgische Instrumente, Materialien für die Wundversorgung, Filter, Kontaktlinsen, des weiteren Textilien für Krankenhäuser, Arztpraxen und medizinische Laboratorien, wie z.B. Handschuhe, Mundschutz, Kittel und Bezüge für Krankenliegen. Ebenso finden die Substrate Verwendung für die Herstellung von Hygieneartikeln, beispielsweise als Komponenten von Sanitäreinrichtungen, Badezimmer- und Toilettenartikel sowie Windeln. Zu Hygieneartikeln können auch Erzeugnisse gezählt werden, mit denen viele Menschen in Berührung kommen, wie Sitzbezüge oder Haltegriffe in öffentlichen Verkehrsmitteln. Lebensmitteltechnische Erzeugnisse sind insbesondere Verpackungsmaterialien, wie z.B. Folien, Wellpappe und Papier.

Anhand der folgenden Beispiele und der Figur soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf diese Ausführungsbeispiele einzuschränken.

Beispiel 1
Eine 50 μm dicke Polyethylen (PE)-Folie wird 5 min mit Ethanol im Ultraschallbad gereinigt, an Luft getrocknet und anschließend durch eine 30 sekündige Radiofrequenz (RF)-Niederdruck-Plasmabehandlung in einer Sauerstoffatmosphäre aktiviert. Die aktivierte Folie wird bei 20°C für 5 min in eine 0,5-gewichtsprozentige wässrige Lösung eines Copolymers aus Diallyldimethylammoniumchlorid und N-Methylethylenamin (67:33 mol%) und des Kopplungsreagenzes 1-Ethyl-3,3-dimethylaminopropyl-carbodiimid im Gewichtsverhältnis 5:1 getaucht. Die beschichtete Folie wird in einer Schüttelmaschine bei 20°C 15 min in Wasser gewaschen und dann getrocknet.
Beispiel 2
Ein dreidimensionaler Körper aus Polypropylen wird durch eine 30 sekündige Radiofrequenz (RF)-Niederdruck-Plasmabehandlung in einer Sauerstoffatmosphäre aktiviert. Der aktivierte PP-Körper wird bei 20°C für 5 min in eine 0,5-gewichtsprozentige wässrige Lösung eines Copolymers aus Diallyldimethylammoniumchlorid und N-Methylethylenamin (67:33 mol%) und des Kopplungsreagenzes 1-Ethyl-3,3-dimethylaminopropylcarbodiimid im Gewichtsverhältnis 5:1 getaucht. Der beschichtete Körper wird in einer Schüttelmaschine bei 20°C 15 min in Wasser gewaschen und dann getrocknet.
Beispiel 3
Eine 50 μm dicke Polyethylen-Folie wird durch eine Gleichspannungs-Glimmentladung bei Atmosphärendruck (APGD) an Luft aktiviert. Die aktivierte Folie wird bei 20°C für 30 min in eine 2-gewichtsprozentige wässrige Lösung eines 6,10-Ionens mit einer endständigen primären Aminogruppe (2 mol% NH₂-Gruppen) ohne Kopplungsreagenz getaucht. Die beschichtete Folie wird in einer Schüttelmaschine bei 20°C 15 min in Wasser gewaschen und dann getrocknet.
Beispiel 4
Eine 50 μm dicke Polyethylenterephthalat (PET)-Folie wird durch eine 30 sekündige Radiofrequenz (RF)-Niederdruck-Plasmabehandlung in einer Argon/Sauerstoff-Atmosphäre aktiviert. Die aktivierte Folie wird bei 20°C für 30 min in eine 2 gewichtsprozentige wässrige Lösung eines 6,10-Ionens mit einer endständigen primären Aminogruppe (2 mol% NH₂-Gruppen) und des Kopplungsreagenzes 1-Ethyl-3,3-dimethylaminopropyl-carbodiimid im Gewichtsverhältnis 20:1 getaucht. Die beschichtete Folie wird in einer Schüttelmaschine bei 20°C 15 min in Wasser gewaschen und dann getrocknet.
Beispiel 5
Untersuchung der Bakterienadhäsion der erfindungsgemäß beschichteten Substrate
Die mikrobiologische Bewertung der antimikrobiell beschichteten Materialien erfolgte mit mehreren Unter suchungsmethoden.
Als Bioindikatoren wurden dazu exemplarisch Gram positive (Micrococcus luteus) und Gram negative Bakterien (Escherichia coli) ausgewählt.
Verwendete Nährmedien:

E. coli: Pepton aus Fleisch, 5,0 g, Fleischextrakt, 3,0 g auf 1000 ml Wasser. PH-Wert 7,0.
M. luteus: Pepton aus Casein, 5,0 g, Hefeextrakt, 2,5 g, Glucose, 1,0 g auf 1000 ml Wasser. pH-Wert 7,0.

Die Testmethoden sind im folgenden kurz charakterisiert:

1. Bakterielle Adhäsion in Flüssignährmedium: Die Mikroorganismen wurden 20 min oder 24 Stunden in Nährlösung gehalten, nicht adhärierte Zellen wurden mit sterilem Wasser abgewaschen, die Zellen präpariert und rasterelektronenmikroskopisch auf Adhäsion oder Wachstum geprüft. Visuell kann gezeigt werden (1), dass auf Proben mit antimikrobiell wirksamer Beschichtung keine oder nur vereinzelt Bakterienzellen nachweisbar sind.
2. Vermehrungsfähigkeit von Bakterien auf modifiziertem Substrat in feuchtigkeitsgesättigter Luft Eine definierte Zellzahl von Testorganismen wurde angezüchtet, durch Zentrifugation geerntet und aus Nährlösung auf die zu untersuchende Probe aufgesprüht. Die Proben wurden bei Optimumstemperatur bei > 90 % Luftfeuchte inkubiert und durch Ermittlung der Zellzahl mit Kontaktagarplatten auf Vermehrungsfähigkeit geprüft. Bei einer Ausgangszellzahl von 10⁶/Probe wurden nach entsprechender Inkubationsdauer von mindestens 24 Stunden bis 120 Stunden bei antimikrobiell wirksamen Beschichtungen keine Zellen gezählt oder nur vereinzelt Kolonien beobachtet.
3. Vermehrungsfähigkeit der Bakterien nach Überschichtung der Proben mit agarverfestigtem Nährmedium Eine definierte Zellzahl von Testorganismen wurde angezüchtet, durch Zentrifugation geerntet und aus Nährlösung auf die zu untersuchende Probe aufgesprüht. Die Proben wurden anschließend mit einer sehr dünnen Schicht agarverfestigten Nährmediums überschichtet und anhand der sich entwickelnden Kolonien auf die Zellzahl der nicht inaktivierten Organismen geschlossen. Bei einer Ausgangszellzahl von 10⁶/Probe wurden nach entsprechender Inkubationsdauer von mindestens 24 Stunden bis 120 Stunden bei antimikrobiell wirksamen Beschichtungen keine Zellen gezählt oder nur vereinzelt Kolonien beobachtet.

Claims

Antimikrobiell modifiziertes Substrat mit einem direkt oder über ein Kopplungsreagenz kovalent an das Substrat gebundenem antimikrobiellen Copolymer und/oder Polymer, wobei das Copolymer mindestens eine quaternäre Ammoniumgruppe und mindestens eine kopplungsfähige Gruppe aufweist, und aus einem quaternären Diallyldialkylammoniumsalz der allgemeinen Formel I und einer Monomereinheit der allgemeinen Formel II
mit R₁ = einem geradkettigen oder verzweigten Alkylrest mit 1 bis 12 C-Atomen, R₂ = einem geradkettigen oder verzweigten Alkylrest mit 1 bis 3 C-Atomen, R₃ = H oder Methyl, X^– = einem geeigneten Gegenion, a, b = 1 bis 99 Mol-%, jeweils bezogen auf den Anteil der Einheiten im Gesamtmolekül, und m = 0 oder 1 aufgebaut ist, oder das Polymer ein Molekül der allgemeinen Formel IV
mit R₅ = unabhängig voneinander Methyl oder Ethyl, X^– = einem geeigneten Gegenion, d = unabhängig voneinander 5 bis 99 und n und o = 6, 10 oder 12 ist.
Antimikrobiell modifiziertes Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Copolymer aufgebaut ist aus den Verbindungen der allgemeinen Formel I und II und zusätzlich einen Monomerbaustein der allgemeinen Formel III
mit R₂ = einem geradkettigen oder verzweigten Alkylrest mit 1 bis 3 C-Atomen, R₃ = H oder Methyl, R₄ = H oder einem geradkettigen oder verzweigten Alkylrest mit 1 bis 3 C-Atomen, a, b, c = 1 bis 99 und a + b + c = 100 Mol-%, jeweils bezogen auf den Anteil der jeweiligen Einheit im Gesamtmolekül, und m = 0 oder 1 enthält.
Antimikrobiell modifiziertes Substrat nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungsreagenz mindestens eine Azid- oder N-Hydroxysuccinimidgruppe aufweist oder ein Carbodiimid, ein Carbonsäuredichlorid, ein bi- oder trifunktionalisiertes Aziridin, ein Succinimidester, ein I midoester oder ein Maleinimid ist.
Antimikrobiell modifiziertes Substrat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungsreagenz 1-Ethyl-3,3-dimethylaminopropyl-carbodiimid ist.
Antimikrobiell modifiziertes Substrat nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein synthetisches oder natürliches Homo- oder Copolymer, ein Glas, ein Metall oder dessen Legierung oder ein Halbleiter ist.
Antimikrobiell modifiziertes Substrat nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat an der Oberfläche antimikrobiell beschichtet ist.
Antimikrobiell modifiziertes Substrat nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat porös ist und die Poren antimikrobiell ausgerüstet sind.
Verfahren zur antimikrobiellen Modifizierung von Substraten durch eine direkte oder über ein Kopplungsreagenz erfolgende kovalente Ankopplung eines antimikrobiellen Polymers und/oder Copolymers nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 an das Substrat, wobei in einem ersten Schritt eine Lösung eines Polymers und/oder Copolymers hergestellt und dann eine Ankopplung des in Lösung vorliegenden Polymers und/oder Copolymers an das Substrat durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankopplung in einem Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe Ethanol, Methanol, Dimethylsulfoxid, N-Methylpyrrolidon, Dimethylformamid, Dimethylacetamid und insbesondere Wasser durchgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankopplung bei einer Temperatur zwischen 10 und 100°C, insbesondere zwischen 20 und 30°C durchgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankopplung durch Tauchen, Rakeln, Besprühen, Lackieren oder Spincoating erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat vor der Ankopplung aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierung durch Plasmabehandlung, Coronabehandlung, elektromagnetische Strahlung, Beflammung oder nass-chemische Behandlung erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Modifizierung eine Nachbehandlung, z.B. ein Waschen und Trocknen des Substrats, erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer und/oder Copolymer in einer Konzentration zwischen 0,5 und 5 Gew.-% eingesetzt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungsreagenz in einer Konzentration zwischen 0,1 und 0,5 Gew.-% eingesetzt wird.
Verwendung des antimikrobiell modifizierten Substrats herstellbar nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 16 als lebensmittel-, medizin- und biotechnische Werkstoffe und Hygieneartikel.
Verwendung des antimikrobiell modifizierten Substrats herstellbar nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 16 für Folien, Textilien, Vliese, Membranen, Pappe, Papier oder Metallgegenstände.