DE10216639A1

DE10216639A1 - Sternförmige Präpolymere für die Herstellung ultradünner, Hydrogelbildender Beschichtungen

Info

Publication number: DE10216639A1
Application number: DE2002116639
Authority: DE
Inventors: Claudia Mourron; Joachim Spatz; Martin Moeller; Haito Rong
Original assignee: SusTech GmbH and Co KG
Current assignee: Henkel AG and Co KGaA
Priority date: 2002-04-15
Filing date: 2002-04-15
Publication date: 2003-10-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von sternförmigen Polymeren mit hydrophilen Polymerarmen, die an ihren freien Enden eine reaktive funktionelle Gruppe R tragen, zur Herstellung ultradünner, Hydrogel-bildender Beschichtungen. Die dabei erhaltenen Hydrogel-bildenden Beschichtungen unterdrücken wirksam eine unspezifische Proteinabsorption auf damit ausgerüsteten Oberflächen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von sternförmigen Polymeren mit hydrophilen Polymerarmen, die an ihren freien Enden eine reaktive funktionelle Gruppe R tragen, zur Herstellung ultradünner, Hydrogel-bildender Beschichtungen. Die dabei erhaltenen Hydrogel-bildenden Beschichtungen unterdrücken wirksam eine unspezifische Proteinabsorption auf damit ausgerüsteten Oberflächen.
Die spezifische und unspezifische Wechselwirkung von Proteinen und Zellen mit künstlichen Oberflächen bildet die Grundlage vieler medizinischer, biochemischer und biotechnologischer Anwendungen. Zur Verhinderung unerwünschter Ablagerungen, auch als Biofouling und Plaque bezeichnet, sowie für die Stimulierung einer erwünschten Zellbesiedlung ist es notwendig, eine unspezifische Protein- und Zelladsorption zu unterbinden. Da biologische Systeme ihre Umgebung (Oberflächen) selbst aktiv modifizieren können, muss man zur Reduktion unspezifischer Protein- und Zelladsorption die Zellen daran hindern, ihre Umgebung durch Membranproteine oder extrazelluläre Matrixproteine in einer Weise zu konditionieren, die eine unspezifischen Zellbesiedlung vorbereitet.
Die Nutzung spezifischer Adsorptionsprozesse für die Analytik erfordert naturgemäß, Art, Menge und Konformation unspezifisch adsorbierter Moleküle genau zu kontrollieren oder besser noch eine unspezifische Adsorption ganz zu unterbinden. Für die Detektion von Biomolekülen, welche nur in extrem geringen Mengen vorliegen, muss sichergestellt sein, dass die nachzuweisenden Substanzen auf dem Weg zur Detektion nicht durch unspezifische Adsorption verloren gehen.

Die Unterdrückung einer unspezifischen Proteinadsorption und Zellbesiedlung im Bereich der Medizintechnik, z. B. bei Kathetern, Kontaktlinsen oder Prothesen ist ebenfalls wichtig. Für Prothesen und Implantate bildet die gezielte Unterdrückung unspezifischer Adsorptionsprozesse eine Voraussetzung, um über die Einbindung von Liganden, Signalstoffen und Wachstumsfaktoren eine spezifische Ankopplung von Molekülen und Zellen zu ermöglichen, welche die Heilung und das Einwachsen von biologischem Gewebe ermöglicht.

Weiterhin spielt die Verhinderung von biologischen Ablagerungen von Proteinen oder Bakterien eine wesentliche Rolle im Hygienebereich und bei der Reinhaltung von Oberflächen, welche nicht permanent rückstandsfrei gereinigt werden können. Ebenso stellen unerwünschte, biologische Ablagerungen auf extrem großen benetzten Oberflächen wie Schiffsrümpfen, Wasserbecken und dergleichen sowie Ablagerungen an unzugänglichen Stellen, wie großen Rohrsystemen, ein großes wirtschaftliches Problem dar. Die derzeit eingesetzten Antiplaquebeschichtungen sind meist giftige metallorganische Verbindungen oder verlieren ihre bakterizide Wirkung sehr schnell.

Plaquebildung und Biofouling stellen somit eine erhebliche wirtschaftliche und ökologische Belastung dar, die bislang noch nicht zufriedenstellend gelöst werden konnte.

Verschiedentlich wurden polymere, insbesondere Hydrogel-bildende Beschichtungen zur Vermeidung einer unspezifischen Proteinadsorption an Oberflächen vorgeschlagen. Hydrogel-bildende Beschichtungen sind Beschichtungen, die durch Wasser gequollen werden. So verringern Adsorbatschichten aus Polyethylenglykol (PEG) eine nachfolgende Adsorption von Proteinen aus biologischen Medien (siehe z. B.: Merrill E. W., in Poly(ethylene glycol) Chemistry, Herausgeber J. M. Harris, p. 199-220, Plenum Press, New York: 1992; C.-G. Gölander, Jamea N. Herron, Kap Lim, P. Claesson, P. Stenius, J. D. Andrade, in Poly(ethylene glycol) Chemistry, Herausgeber J. M. Harris, Plenum Press, New York: 1992). Ebenso wurden Polymeroberflächen, die mit Poly(ethylenoxid) zur Reduktion der Proteinadsorption auf Implantatmaterialien modifiziert wurden, in den letzten Jahren intensiv untersucht (Paine et al. Macromolecules 1990, 23, p. 3104).

Die US 5,993,890 beschreibt Triblockcopolymere, die einen Polysacharid-Block, z. B. einen Heparin- oder Dextranblock und hydrophobe Kohlenwasserstoffreste aufweisen. Die Polymere sind insbesondere zur Verhinderung der Proteinadsorption auf hydrophoben Oberflächen geeignet.

Die EP 272842 A2 beschreibt Beschichtungen mit geringer Affinität zu Proteinen, die durch Aufbringen von Zusammensetzungen aus Hydroxylgruppen aufweisenden Polymeren, z. B. Cellulosederivaten und Vernetzern, z. B. Copolymeren aus Acrylsäure und N-Methylolacrylamid, auf mikroporöse Substrate und anschließendes Vernetzen der Beschichtung hergestellt werden.

Die EP 335308 A2 beschreibt die Verwendung von Präpolymeren aus Polyethylenoxiddiolen und -triolen, deren terminale OH-Gruppen mit Polyisocyanaten umgesetzt wurden, für die Herstellung von Beschichtungen mit niedriger unspezifischer Proteinadsorption.

Aus der US 6,087,415 sind antimikrobielle Beschichtungen für biomedizinische Gegenstände wie Kontaktlinsen bekannt, die durch Kupplung von Carboxylgruppen aufweisenden Polymeren an die OH- bzw. NH₂- Gruppen auf der Oberfläche des biomedizinischen Gegenstands hergestellt werden.

Weiterhin werden in den US 6,150,459 und 6,207,749 für diesen Zweck synthetische Kammpolymere vorgeschlagen, die ein hydrophobes Polymerrückgrat, z. B. ein Polylactid oder ein von Methylmethacrylat abgeleitetes Polymer, und darauf gepfropfte hydrophile Polymerketten, die vorzugsweise von Polyethylenglykolen oder Polyacrylsäure abgeleitet sind, aufweisen.

J. Rühe et al. (Prucker O. and Rühe J. Langmuir 1998, 14 (24), 6893-6898; Macromolecules, 1998, 31 (3), 592-601; Macromolecules, 1998, 31 (3), 602-613.) beschreiben ein Beschichtungsverfahren, bei dem zunächst eine Oberfläche mit einer Monolage eines Initiator modifiziert wird. Dieser wird dann zur Auslösung einer radikalischen Polymerisation genutzt. Es ergeben sich sehr dichte Schichten, wobei die Schichtdicke bis zu mehreren hundert Nanometern dick anwachsen kann.

Cruise et al. (Biomaterials 1998, 19, 1287-1294) sowie und Han et al. (Macromolecules 1997, 30, 6077-6083.0) beschreiben die Verwendung von Acrylat-terminierten Präpolymeren, die entweder aus PEG-Diolen oder PEG-Triolen hergestellt wurden, zur Herstellung von Hydrogelschichten. Zur Anbindung an die Oberfläche wird das Acrylat-terminierte Präpolymer auf einem entsprechen vorbehandelten Substrat belichtet, wodurch das Präpolymer alleine oder mit Acrylat-terminierten Glyceroltriol unter Zugabe von Benzoldimethylketal zu einem Hydrogel vernetzen. Auf diese Weise werden Hydrogelschichten mit Schichtdicken zwischen 135 µm und 180 µm erhalten. Als Einsatzgebiete für diese Hydrogelschichten wird der in vivo Einsatz, z. B. zur Unterdrückung postoperativer Adhäsionsvorgängen, die Verwendung als Diffusionsbarriere, zur Verklebung oder Versiegelung von Geweben, die in vivo Medikamentierung oder die Verwendung als direktes Implantat, z. B. in Form einer Hydrogel-Zellsuspension, Peptid-Hydrogels oder eines Wachstumsfaktor-Hydrogels, vorgeschlagen.

Obwohl die aus dem Stand der Technik bekannten Hydrogel-bildenden Beschichtungen eine Verringerung der unspezifischen Zell- und Proteinadsorption bewirken, ist oftmals die Langzeitbeständigkeit der Beschichtungen nicht zufriedenstellend. In anderen Fällen wiederum ist die Barrierewirkung für Proteine unzureichend. In vielen Fällen verhindern komplizierte Herstellungsverfahren für diese Beschichtungen eine breite Anwendbarkeit, insbesondere auf unregelmäßig geformten Oberflächen. Es besteht daher ein Bedarf an geeigneten Verfahren zur Herstellung von extrem dünnen, Hydrogel-bildenden Beschichtungen, die reproduzierbar dichte und kontrollierbare Schichten bilden, eine genügend hohe Langzeitresistenz gegenüber Protein- und Zelladsorption zeigen und universell einsetzbar sind, also einem breiten Einsatz für Materialbeschichtungen erlauben. Weiterhin sollte es möglich sein, spezifische, funktionelle Moleküle definiert in die Schichten einzubinden, bzw. an der Oberfläche zu verankern. Wünschenswerterweise sollten die Beschichtungen in den angesprochenen Applikationsfeldern als ultradünne, molekular glatte Filme aufgebracht werden können. Ferner ist es erwünscht, in diese Beschichtungen definierte Funktionalitäten einzubringen. Darüber hinaus sollte das Beschichtungsverfahren vorteilhafterweise auch aus wässrigen Zubereitungen erfolgen können. Dabei sollten möglichst bestehende Verfahren für die Herstellung der Substrate und Bauteile durch die Verwendung von Hydrogelbeschichtungen nicht beeinträchtigt und die Applizierbarkeit in verschiedenen Einsatzfeldern möglich sein.

Es wurde gefunden, dass diese Aufgabe gelöst werden kann durch Beschichtungen auf Basis von untereinander vernetzten sternförmigen Präpolymeren, die im Mittel wenigstens vier Polymerarme A aufweisen, welche für sich gesehen in Wasser löslich sind und die an ihren freien Enden eine reaktive funktionelle Gruppe R tragen, die mit einer hierzu komplementären reaktiven funktionellen Gruppen R' oder mit sich selber unter Bindungsbildung reagiert.

Demnach betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung von sternförmigen Präpolymeren, die im Mittel wenigstens vier Polymerarme A aufweisen, welche für sich gesehen in Wasser löslich sind und an ihren freien Enden eine reaktive funktionelle Gruppe R tragen, die mit hierzu komplementären Gruppen R' oder mit sich selber unter Bindungsbildung reagieren, zur Herstellung ultradünner, Hydrogel-bildender Beschichtungen.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung ultradünner, Hydrogel-bildender Beschichtungen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man

a) eine Lösung eines sternförmigen Präpolymers, das im Mittel wenigstens vier Polymerarme A aufweist, die für sich gesehen in Wasser löslich sind und an ihren freien Enden eine reaktive funktionelle Gruppe R tragen, auf die zu beschichtende Oberfläche aufbringt und
b) anschließend eine Verknüpfungsreaktion der reaktiven Gruppen untereinander durchführt.

Unter einer Hydrogel-bildenden Beschichtung versteht der Fachmann solche Beschichtungen, die durch Wasser gequollen werden als Folge der Interkalation von Wassermolekülen in die Beschichtung.

Unter sternförmigen Polymeren versteht man solche Polymere, die mehrere an eine niedermolekulare Zentraleinheit gebundene Polymerketten aufweisen, wobei die niedermolekulare Zentraleinheit in der Regel 4 bis 100 Gerüstatome wie C-Atome, N-Atome oder O-Atome aufweisen wird. Dementsprechend lassen sich die erfindungsgemäß zur Anwendung kommenden sternförmigen Polymere durch die nachfolgende allgemeine Formel I beschreiben:

Z(A-B-R)_n (I)

worin
n eine ganze Zahl ist, mit einem Wert von wenigstens 4, z. B. 4 bis 12, insbesondere 5 bis 12 und speziell 6 bis 8;
Z für einen niedermolekularen n-valenten organischen Rest als Zentraleinheit steht, der in der Regel 4 bis 100, vorzugsweise 5 bis 50 Gerüstatome, insbesondere 6 bis 30 Gerüstatome aufweist. Die Zentraleinheit kann sowohl aliphatische als auch aromatische Gruppen aufweisen. Sie steht beispielsweise für einen von einem wenigstens 4-wertigen Alkohol, z. B. einem 4- bis 12-wertigen, vorzugsweise einem wenigstens 5-wertigen, insbesondere einem 6- bis 8-wertigen Alkohol, z. B. Pentaerythrit, Dipentaerythrit, einen Zuckeralkohol wie Erythritol, Xylitol, Mannitol, Sorbitol, Maltitol, Isomaltulose, Isomaltit, Trehalulose, oder dergleichen abgeleiteten Rest;
A eine hydrophile Polymerkette, die als solche wasserlöslich ist;
B eine chemische Bindung oder ein zweiwertiger, niedermolekularer organischer Rest mit vorzugsweise 1 bis 20, insbesondere 2 bis 10 C-Atomen, beispielsweise eine C₂-C₁₀-Alkylengruppe, eine Phenylen- oder eine Naphthylengruppe oder eine C₅-C₁₀ -Cycloalkylengruppe, wobei die Phenylen-, Naphthylen und die Cycloalkylengruppe zusätzlich ein oder mehrere, z. B. 1, 2, 3, 4, 5, oder 6 Substituenten, z. B. Alkylgruppen mit 1 bis 4 C-Atomen, Alkoxygruppen mit 1 bis 4 C-Atomen oder Halogen aufweisen können; und
R eine reaktive Gruppe die mit einer hierzu komplementären reaktiven funktionellen Gruppen R' oder mit sich selber unter Bindungsbildung reagieren kann.

Reaktive Gruppen R in diesem Sinne sind solche, die mit Nucleophilen in einer Additions- oder Substitutionsreaktion reagieren, z. B. Isocyanat-Gruppen, (Meth)acrylgruppen, Oxiran-Gruppen, Oxazolingruppen, Carbonsäuregruppen, Carbonsäureester- und Carbonsäureanhydridgruppen, Carbonsäure- und Sulfonsäurehalogenid-Gruppen, aber auch die hierzu komplementären, als Nucleophil reagierenden Gruppen wie alkoholische OH-Gruppen, primäre und sekundäre Aminogruppen, Thiolgruppen und dergleichen. Als Beispiel für Carbonsäureestergruppen sind insbesondere sogenannte Aktivestergruppen der Formel -C(O)O-X bevorzugt, worin X für Pentafluorphenyl, Pyrrolidin-2,5-dion-1-yl, Benzo-1,2,3-triazol- 1-yl oder einen Carboxamidin-Rest steht.

Geeignet sind als reaktive Gruppen R auch radikalisch polymerisierbare C=C-Doppelbindungen, z. B. neben den oben genannten (Meth)acrylgruppen auch Vinylether- und Vinylestergruppen, weiterhin aktivierte C=C-Doppelbindungen, aktivierte C~C-Dreifachbindung und N=N-Doppelbindungen, die mit Allylgruppen im Sinne einer en-Reaktion oder mit konjugierten Diolefin-Gruppen im Sinne einer Diels-Alder- Reaktion reagieren. Beispiele für Gruppen, die mit Allylgruppen im Sinne einer en-Reaktion oder mit Dienen im Sinne einer Diels-Alder- Reaktion reagieren können, sind Maleinsäure- und Fumarsäure-Gruppen, Maleinsäureester- und Fumarsäureester-Gruppen, Zimtsäureestergruppen, Propiolsäure(ester)gruppen, Maleinsäureamid- und Fumarsäureamid- Gruppen, Maleinimid-Gruppen, Azodicarbonsäureester-Gruppen und 1,3,4- Triazolin-2,5-dion-Gruppen.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das sternförmige Präpolymer solche funktionellen Gruppen auf, die einer Additions- oder Substitutionsreaktion durch Nucleophile zugänglich sind. Hierzu zählen auch Gruppen, die im Sinne einer Michael-Reaktion reagieren. Beispiele sind insbesondere Isocyanat-Gruppen, (Meth)acrylgruppen (reagieren im Sinne einer Michael-Reaktion), Oxiran-Gruppen oder Carbonsäureestergruppen. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform betrifft sternförmige Präpolymere, die als reaktive Gruppen R Isocyanat- Gruppen aufweisen.

In einer anderen Ausführungsform weist das Präpolymer ethylenisch ungesättigte, radikalisch polymerisierbare Doppelbindungen als reaktive Gruppen R auf.

Zur Erreichung möglichst kompakter Schichten ist es erforderlich, dass das sternförmige Präpolymer im Mittel wenigstens 4, z. B. 4 bis 12, vorzugsweise wenigstens 5 und insbesondere 6 bis 8 Polymerarme aufweist. Das zahlenmittlere Molekulargewicht der Polymerarme liegt vorzugsweise im Bereich von 300 bis 3000 g/mol, und insbesondere im Bereich von 500 bis 2000 g/mol. Dementsprechend weist das sternförmige Präpolymer ein zahlenmittleres Molekulargewicht im Bereich von 2000 bis 20000 g/mol, insbesondere 2500 bis 15000 g/mol auf.

Die Bestimmung des Molekulargewichts kann in an sich bekannter Weise mittels Gelpermeationschromatographie erfolgen, wobei man auf handelsübliche Säulen, Detektoren und Auswertungssoftware zurückgreifen kann. Bei bekannter Anzahl von Endgruppen je Polymermolekül kann man das Molekulargewicht auch durch Titration der Endgruppen bestimmen, im Falle von Isocyanatgruppen z. B. durch Umsetzung mit einer definierten Menge eines sekundären Amins wie Dibutylamin und anschließende Titration des überschüssigen Amins mit Säure.

Die hinreichende Quellbarkeit der Beschichtung durch Wasser wird durch die Wasserlöslichkeit der Polymerarme A gewährleistet. Eine ausreichende Quellbarkeit der Beschichtung durch Wasser ist in der Regel dann gewährleistet, wenn der molekulare Aufbau, d. h. zumindest die Art der Wiederholungseinheiten, vorzugsweise auch das Molekulargewicht des Polymerarms, einem Polymeren entspricht, dessen Löslichkeit in Wasser wenigstens 1 Gew.-% und vorzugsweise wenigstens 5 Gew.-% (bei 25°C und 1 bar) beträgt.

Beispiele für derartige Polymere mit hinreichender Wasserlöslichkeit sind Poly-C₂-C₄-alkylenoxide, Polyoxazoline, Polyvinylalkohole, Homo- und Copolymere, die wenigstens 50 Gew.-% N-Vinylpyrrolidon einpolymerisiert enthalten, Homo- und Copolymere, die wenigstens 30 Gew.-% Hydroxyethyl(meth)acrylat, Hydroxypropyl(meth)acrylat, Acrylamid, Methacrylamid, Acrylsäure und/oder Methacrylsäure einpolymerisiert enthalten, hydroxilierte Polydiene und dergleichen.

In einer bevorzugten Ausführungsform leiten sich die Polymerarme A von Poly-C₂-C₄-alkylenoxiden ab und sind insbesondere ausgewählt unter Polyethylenoxid, Polypropylenoxid und Polyethylenoxid/Polypropylenoxid-Copolymeren, die eine Block- oder eine statistische Anordnung der Wiederholungseinheiten aufweisen können. Insbesondere bevorzugt sind sternförmige Präpolymere deren Polymerarme A von Polyethylenoxiden oder von Polyethylenoxid/Polypropylenoxid-Copolymeren mit einem Propylenoxid-Anteil von nicht mehr als 50% abgeleitet sind.

Die erfindungsgemäß zur Anwendung kommenden Präpolymere sind z. T. bekannt, z. B. aus der WO 98/20060, US 6,162,862 (Polyether-Sternpolymere), Chujo Y. et al., Polym. J. 1992, 24 (11), 1301-1306 (sternförmige Polyoxazoline), WO 01/55360 (sternförmige Polyvinylalkohole, sternförmige Vinylpyrrolidon enthaltende Copolymere) oder können nach den dort beschriebenen Methoden hergestellt werden.

Die Herstellung der erfindungsgemäß zur Anwendung kommenden sternförmigen Präpolymere erfolgt in der Regel durch Funktionalisierung geeigneter sternförmiger Präpolymer-Vorstufen, welche bereits die oben beschriebene Präpolymerstruktur, d. h. wenigstens 4 wasserlösliche Polymerarme, aufweisen und die an den Enden der Polymerarme je eine funktionelle Gruppe R" aufweisen, die in eine der vorgenannten reaktiven Gruppen R umgewandelt werden kann. Zu den Gruppen R" zählen an aliphatische oder aromatische C-Atome, vorzugsweise an ein primäres aliphatisches C-Atom gebundene Halogen-Atome, insbesondere Chlor, Brom oder Iod, an ein aliphatisches oder aromatisches und insbesondere an ein primäres, aliphatisches C-Atom gebundene OH-Gruppen, Thiol- Gruppen und NHR²-Gruppen mit R² = Wasserstoff oder C₁-C₄-Alkyl.

Derartige Präpolymervorstufen sind aus dem Stand der Technik bekannt, z. B. aus der US 3,865,806, US 5,872,086, US 6,162,862, Polym. J. 1992, 24 (11), 1301-1306, WO 01/55360 und im Handel erhältlich, z. B. im Falle sternförmiger Poly-C₂-C₄-alkylenoxide unter den Handelsbezeichnungen VORANOL®, TERRALOX®, SYNALOX® und DOWFAX® der Dow- Chemical Corporation, SORBETH® der Glyco-Chemicals Inc. und GLUCAM® der Amerchol Corp. oder können nach bekannten Verfahren der Polymerchemie durch Polymerisation geeigneter Monomere in Gegenwart polyfunktionelle Starter hergestellt werden, z. B. durch "lebende" Polymerisation (siehe hierzu: Hsieh, H. L.; Quirk, R. P. Anionic polymerization: Principles and Practical Applications, New York, Marcel Decker, 1996; Matyjaszewski, K. Controlled/Living radical polymerization: Progress in ATRP, NMP, and RAFT, Washington, DC: American Chemical Society, 2000) oder insbesondere im Falle ethylenisch ungesättigter Monomere durch Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) nach den in WO 98/40415 beschriebenen Verfahren.

Die Funktionalisierung der sternförmigen Präpolymer-Vorstufen kann grundsätzlich in Analogie zu bekannten Funktionalisierungsverfahren des Standes der Technik erfolgen.

Zur Herstellung von Präpolymeren, welche an den Enden der Polymerarme A Aminogruppen tragen, bieten sich als Ausgangsmaterialien insbesondere solche Präpolymer-Vorstufen an, die an den Enden der Polymerarme A OH-Gruppen aufweisen. Die Umwandlung von OH-Gruppen in Aminogruppen kann z. B. in Analogie zu der von Skarzewski, J. et al. Monatsh. Chem. 1983, 114, 1071-1077 beschriebenen Methode durchgeführt werden. Hierzu werden die OH-Gruppen in an sich bekannter Weise, (z. B. nach Organikum, 15. Aufl., VEB, Berlin 1981 S. 241 ff.; J. March, Advanced Organic Synthesis 3^rd ed. S. 382 ff.; siehe auch Beispiel 12) mit einem Halogenierungsmittel wie Thionylchlorid, Sulfurylchlorid, Thionylbromid, Phosphortribromid, Phosphoroxychlorid, Oxalylchlorid und dergleichen, gegebenenfalls in Gegenwart einer Hilfsbase wie Pyridin oder Triethylamin, in das entsprechende Halogenid, oder mit Methansulfonylchlorid in das entsprechende Mesylat überführt. Die so erhaltene Halogenverbindung, bzw. das Mesylat wird anschließend mit einem Alkalimetallazid, vorzugsweise in einem aprotisch polaren Lösungsmittel wie Dimethylsulfoxid, Dimethylformamid, Dimethylacetamid oder N- Methylpyrrolidon in die das entsprechende Azid überführt. Das Azid wird anschließend mit Wasserstoff in Gegenwart eines Übergangsmetallkatalysators oder mit einem Komplexhydrid wie Lithiumaluminiumhydrid in die Aminoverbindung überführt.

Die Herstellung von Präpolymeren, welche an den Enden der Polymerarme A Oxirangruppen tragen, gelingt beispielsweise durch Umsetzung von Präpolymer-Vorstufen, die an den Enden der Polymerarme A OH-Gruppen aufweisen, mit Glycidylchlorid.

Die Herstellung von Präpolymeren, welche an den Enden der Polymerarme A (Meth)acrylgruppen tragen, gelingt beispielsweise durch Veresterung von Präpolymer-Vorstufen, die an den Enden der Polymerarme A OH- Gruppen tragen, mit Acrylsäure bzw. Methacrylsäure oder durch Umsetzung der OH-Gruppen mit Acrylchlorid bzw. mit Methacrylchlorid in Analogie zu bekannten Verfahren. Alternativ kann man in Präpolymer- Vorstufen, die an den Enden der Polymerarme A NH₂-Gruppen tragen, die NH₂-Gruppen mit Acrylsäure bzw. Methacrylsäure oder mit deren Säurechloriden umsetzen. Die Herstellung (Meth)acrylat-terminierter Präpolymere kann z. B. in Analogie zu den von Cruise et al. Biomaterials 1998, 19, 1287-1294 und Han et al. Macromolecules 1997, 30, 6077-6083 für die Modifizierung von Polyetherdiolen und -triolen beschriebenen Methoden erfolgen.

Die Herstellung von Präpolymeren, welche an den Enden der Polymerarme A Thiolgruppen tragen, gelingt beispielsweise durch Umsetzung von Präpolymer-Vorstufen, die an den Enden der Polymerarme A Halogenatome tragen, mit Thioessigsäure und nachfolgender Hydrolyse in Analogie zu dem in Houben-Weyl, Methoden der Organischen Chemie, Ed. E. Müller, 4. Aufl., Bd. 9, S. 749, G. Thieme, Stuttgart 1955 beschriebenen Verfahren.

Die Herstellung von Präpolymeren, welche an den Enden der Polymerarme A Isocyanat tragen, gelingt bevorzugt durch Addition eines niedermolekularen Diisocyanats an Präpolymer-Vorstufen, die an den Enden der Polymerarme A OH-, SH-, oder NHR"-Gruppen aufweisen (R' = H, oder eine aliphatische Rest). Vorzugsweise werden sternförmige Polyole mit OH-Endgruppen eingesetzt.

Als Diisocyanate kommen sowohl aromatische Diisocyanate wie Toluol- 2,4-diisocyanat, Toluol-2,6-diisocyanat, kommerzielle erhältliche Mischung von Toluol-2,4- und -2,6-diisocyanat (TDI), m-Phenylendiisocyanat, 3,3'-Diphenyl-4,4'-biphenylendiisocyanat, 4,4'-biphenylendiisocyanat, 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat, 3,3'-Dichlor-4,4'- biphenylendiisocyanat, Cumen-2,4-diisocyanat, 1,5-Napthalindiisocyanat, p-Xylylendiisocyanat, p-Phenylendiisocyanat, 4-Methoxy- 1,3-phenylendiisocyanat, 4-Chloro-1,3-phenylendiisocyanat, 4-Bromo- 1,3-phenylendiisocyanat, 4-Ethoxy-1,3-phenylendiisocyanat, 2,4- Dimethyl-1,3-phenylendiisocyanat, 5,6-Dimethyl-1,3-phenylendiisocyanat, 2,4-Diisocyanatodiphenylether, Benzidindiisocyanat, 4,6- Dimethyl-1,3-phenylendiisocyanat, 9,10-Anthracendiisocyanat, 4,4'- Diisocyanatodibenzyl, 3,3'-Dimethyl-4,4'-diisocyanatodiphenylmethane, 2,6-Dimethyl-4,4'-diisocyantodiphenyl, 2,4-Diisocyanatostilben, 3,3'- Dimethoxy-4,4'-diisocyantodiphenyl, 1,4-Anthracenediisocyanat, 2,5- Fluorendiisocyanat, 1,8-Naphtalindiisocyanat, 2,6-Diisocyanatobenzofuran, als auch aliphatische und cycloaliphatische Diisocyanate wie Isophorondiisocyanat (IPDI), Ethylendiisocyanat, Ethylidendiisocyanat, Propylen-1,2-diisocyanat, Cyclohexylen-1,2-diisocyanat, Cyclohexylen-1,4-diisocyanat, 1,6-Hexamethylendiisocyanat, 1,4- Tetramethylendiisocyanat, 1,10-Decamethylendiisocyanat und Methylendicyclohexyldiisocyanat.

Bevorzugt sind Diisocyanate, deren Isocyanatgruppen sich in ihrer Reaktivität zu unterscheiden, wie Toluol-2,4-diisocyanat, Toluol-2,6- diisocyanat, sowie Mischung von Toluol-2,4- und -2,6-diisocyanat und cis- und trans-Isophorondiisocyanat.

Besonders bevorzugt sind sternförmige Präpolymere mit aliphatischen Diisocyanatendgruppen, insbesondere solchen wie sie durch Addition von IPDI auf die Kettenenden von OH-Gruppenterminierten sternförmigen Präpolymervorstufen erhalten werden.

Die Sternpolymere werden naturgemäß so mit dem Diisocyanat umgesetzt, dass an jedes Kettenende der Sternmoleküle eine Diisocyanateinheit addiert wird, wobei die zweite Isocyanatgruppe des Diisocyanats frei bleibt. Auf diese Weise wird jede Endgruppe der Sternmoleküle über eine Urethanverknüpfung mit einer freien Isocyanatgruppe versehen. Verfahren hierzu sind z. B. aus den US 5,808,131, WO 98/20060 und US 6,162,862 sowie Bartelink C. F. et al. J. Polymer Science 2000, 38, 2555-2565 bekannt.

In der Regel wird man zu diesem Zweck die Präpolymervorstufe zur Vermeidung der Bildung von multimeren Addukten, d. h. Addukte, in denen zwei oder mehrere Präpolymere über Diisocyanateinheiten miteinander verknüpft sind, zu einem Überschuss des Diisocyanats geben. In der Regel beträgt der Überschuss wenigstens 10 Mol-%, bezogen auf die Stöchiometrie der Reaktion, d. h. man setzt wenigstens 1,1 Mol, vorzugsweise wenigstens 2 Mol und insbesondere wenigstens 5 Mol Diisocyanat und speziell wenigstens 10 Mol Diisocyanat pro Mol funktioneller Gruppe in der Präpolymervorstufe ein. Vorzugsweise erfolgt die Reaktion unter kontrollierten Reaktionsbedingungen, d. h. die Zugabe der Präpolymervorstufe erfolgt unter Reaktionsbedingungen so langsam, dass eine Erwärmung des Reaktorinhalts um mehr als 20 K vermieden wird. Vorzugsweise erfolgt die Umsetzung der Präpolymervorstufe mit dem Diisocyanat in Abwesenheit eines Lösungs- oder Verdünnungsmittels.

Die Umsetzung kann in Abwesenheit oder in Gegenwart geringer Mengen üblicher Katalysatoren, welche die Bildung von Urethanen fördern, erfolgen. Geeignete Katalysatoren sind beispielsweise tertiäre Amine wie Diazabicyclooctan (DABCO) und zinnorganische Verbindungen, z. B. Dialkylzinn(IV)salze von aliphatischen Carbonsäuren wie Dibutylzinndilaurat und Dibutylzinndioctoat. Die Menge an Katalysator beträgt in der Regel nicht mehr als 0,5 Gew.-%, bezogen auf die Präpolymer-Vorstufe, z. B. 0,01 bis 0,5 Gew.-%, insbesondere 0,02 bis 0,3 Gew.-%. In einer bevorzugten Vorgehensweise wird kein Katalysator eingesetzt.

Die erforderlichen Reaktionstemperaturen hängen naturgemäß von der Reaktivität der eingesetzten Präpolymervorstufe, des Diisocyanats, und sofern eingesetzt von der Art und Menge des verwendeten Katalysators ab. Sie liegt in der Regel im Bereich von 20 bis 100°C und insbesondere im Bereich von 35 bis 80°C. Es versteht sich von selbst, dass die Umsetzung der Präpolymervorstufe mit dem Diisocyanat in Abwesenheit von Feuchtigkeit (< 2000 ppm, vorzugsweise < 500 ppm) erfolgt.

Die Aufarbeitung der so erhaltenen Reaktionsmischung erfolgt in der Regel durch Abdestillieren des überschüssigen Diisocyanats, vorzugsweise bei vermindertem Druck. Die erhaltenen Reaktionsprodukte enthalten zu einem überwiegenden Anteil das sternförmige Präpolymer, das an den Enden der Polymerarme Isocyanatgruppen aufweist. Der Anteil des sternförmigen Präpolymeren beträgt in der Regel wenigstens 70 Gew.-%, vorzugsweise wenigstens 80 Gew.-% des Reaktionsprodukts. Die übrigen Bestandteile des Reaktionsproduktes sind im Wesentlichen Dimere und in geringen Anteilen Trimere, die in diesen Mengen ebenfalls zur Herstellung der erfindungsgemäßen Beschichtungen geeignet sind.

Die mit den erfindungsgemäßen sternförmigen Präpolymeren zu beschichtenden Substraten unterliegen grundsätzlich keinen Einschränkungen. Die Substrate können regelmäßig oder unregelmäßig geformte, glatte oder poröse Oberflächen aufweisen. Beispiele für geeignete Oberflächenmaterialien sind oxidische Oberflächen, z. B. Silikate wie Glas, Quarz, Siliciumdioxid wie in Silicagelen, oder Keramik, weiterhin Halbmetalle wie Silicium, Halbleitermaterialien, Metalle und Metalllegierungen wie Stahl, Polymere wie Polyvinylchlorid, Polyethylen, Polymethylpentene, Polypropylen, Polyester, Fluorpolymere (z. B. Teflon®), Polyamide, Polyurethane, Poly(meth)acrylate, Blends und Komposite der vorgenannten Materialien Oberflächen, auch Zellulose und natürliche Fasern wie Baumwollfasern und Wolle. Bei den Polymeren kann es sich um verwebtes oder nichtverwebtes Material handeln.

Die Herstellung der ultradünnen, Hydrogel-bildenden Beschichtungen erfolgt erfindungsgemäß durch Abscheiden der sternförmigen Präpolymere auf der zu beschichtenden Oberfläche aus einer Lösung der Präpolymere nach an sich bekannten Verfahren und anschließendes Vernetzen der reaktiven Gruppen der Präpolymere. Die Schritte der Abscheidung und der Vernetzung können gewünschtenfalls wiederholt durchgeführt werden. Man gelangt auf diese Weise zu dickeren Schichten.

Beispiele für Abscheidungsverfahren sind die Immersion der zu beschichtenden Oberfläche in der Lösung des Präpolymeren sowie das Spincoating - hierbei wird die Lösung des Präpolymeren auf die mit hoher Geschwindigkeit rotierende zu beschichtende Oberfläche aufgebracht. Es versteht sich von selbst, dass man zur Herstellung ultradünner Beschichtungen die Beschichtungsmaßnahmen in der Regel unter staubfreien Bedingungen durchführt.

Bei dem Immersionsverfahren taucht man die Substrate in eine Lösung des Sternpolymers in einem geeigneten Lösungsmittel und lässt anschließend die Lösung ablaufen, so dass ein dünner Flüssigkeitsfilm mit möglichst einheitlicher Dicke auf dem Substrat verbleibt. Dieser wird anschließend eingetrocknet. Die resultierende Filmdicke hängt von der Konzentration der Sternpolymer-Lösung ab. Anschließend wird die Vernetzung ausgelöst.

Beim Spincoating wird in der Regel das zunächst nicht rotierende Substrat mit der Lösung des sternförmigen Präpolymeren vollständig benetzt. Anschließend wird das zu beschichtende Substrat mit hohen Umdrehungszahlen, vorzugsweise oberhalb 1000 U/min, z. B. 1000 bis 10000 U/min in Rotation versetzt, wobei die Lösung weitgehend abgeschleudert wird und ein dünner Beschichtungsfilm auf der Oberfläche des Substrats verbleibt. Anschließend wird auch hier eine Vernetzung ausgelöst.

Die Konzentration des Präpolymeren in der Lösung wird in der Regel einen Wert von 100 mg/ml, vorzugsweise 50 mg/ml und insbesondere 20 mg/ml nicht überschreiten. Üblicherweise beträgt die Konzentration wenigstens 0,001 mg/ml, vorzugsweise wenigstens 0,005 und insbesondere wenigstens 0,01 mg/ml. Über die Konzentration lässt sich naturgemäß die Dicke der Beschichtung steuern, wobei sehr geringe Konzentration in der Regel zu Monolagen der Sternpolymere auf den beschichteten Oberflächen führen.

In der Regel wird man die Beschichtungsmaßnahmen so wählen, dass die Beschichtungsdicke (gemessen mittels Ellipsometrie nach dem in Guide to using WVASE 32^TH, J. A. Woollam Co. Ind., Lincoln NE USA 1998 beschriebenen Verfahren) einen Wert von 500 nm, vorzugsweise 200 nm und insbesondere 100 nm nicht überschreitet. Das Verfahren ermöglicht auch die Herstellung von Monolagen, die Dicken unterhalb 2 nm, z. B. 0,5 bis 2 nm, aufweisen. Für viele Anwendungszwecke sind Schichtdicken im Bereich von 1 bis 100 nm, insbesondere im Bereich von 2 bis 50 nm bevorzugt.

Als Lösungsmittel sind grundsätzlich alle Lösungsmittel geeignet, welche keine oder nur eine geringe Reaktivität gegenüber den funktionellen Gruppen R des Präpolymeren aufweisen. Hierunter sind solche bevorzugt, die einen hohen Dampfdruck aufweisen und sich somit leicht entfernen lassen. Bevorzugt sind daher solche Lösungsmittel die bei Normaldruck eine Siedetemperatur unterhalb 150°C und vorzugsweise unterhalb 120°C aufweisen. Beispiele für geeignete Lösungsmittel sind aprotische Lösungsmittel, z. B. Ether wie Tetrahydrofuran (THF), Dioxan, Diethylether, tert.-Butylmethylether, aromatische Kohlenwasserstoffe wie Xylole und Toluol, weiterhin Acetonitril, Propionitril und Mischungen dieser Lösungsmittel. Im Falle von Präpolymeren mit OH-, SH-, Carboxyl-, (Meth)acryl- und Oxirangruppen sind auch protische Lösungsmittel wie Wasser oder Alkohole, z. B. Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol, n-Butanol und tert.-Butanol, sowie deren Mischungen mit aprotischen Lösungsmitteln geeignet. Im Falle von Präpolymeren mit Isocyanat-Gruppen sind neben den vorgenannten aprotischen Lösungsmitteln überraschenderweise auch Wasser sowie Mischungen von Wasser mit aprotischen Lösungsmitteln geeignet, da vermutlich der Abbau der Isocyanatgruppen in den Präpolymeren vergleichsweise langsam erfolgt.

Die Art der Vernetzung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird man in der Regel den mit dem unvernetzten Präpolymeren beschichteten Gegenstand mit einem Vernetzungsmittel behandeln.

Als Vernetzungsmittel sind grundsätzlich alle polyfunktionellen Verbindungen geeignet, deren funktionelle Gruppen mit den funktionellen Gruppen des Präpolymeren unter Bindungsbildung reagieren. Diese funktionellen Gruppen werden im Folgenden auch als komplementäre funktionelle Gruppen R' bezeichnet. Eine Übersicht über komplementäre funktionelle Gruppen R' gibt die Tabelle 1, wobei die Reaktiven Gruppen R des Präpolymeren in der ersten Zeile und die hierzu komplementären Gruppen R' in der ersten Spalte angegeben sind: Tabelle 1 Komplementäre funktionelle Gruppen

Demnach betrifft eine Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren, bei dem man die Verknüpfung der reaktiven Gruppen R durch Zugabe einer Verbindung V1 auslöst, die wenigstens zwei reaktive Gruppen R' pro Molekül aufweist, die mit den reaktiven Gruppen R des sternförmigen Präpolymers unter Bindungsbildung reagiert.

Bei den polyfunktionellen Verbindungen V1 kann es sich um niedermolekulare Verbindungen handeln, z. B. um aliphatische oder cycloaliphatische Diole, Triole und Tetraole, z. B. Ethylenglykol, Butandiol, Diethylenglykol, Triethylenglykol, Trimethylolpropan, Pentaerythrit und dergleichen, aliphatische oder cycloaliphatische Diamine, Triamine oder Tetramine, z. B. Ethylendiamin, Diethylentriamin, Triethylentetramin, Tetraethylenpentamin, 1,8-Diamino-3,6-dioxaoctan, Diaminocyclohexan, Isophorondiamin und dergleichen, Aminoalkohole wie Ethanolamin, Diethanolamin, aliphatische oder cycloaliphatische Dithiole, um Dicarbonsäuren oder Tricarbonsäuren wie Sebazinsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, Phthalsäure, Isophthalsäure, oder um die vorgenannten Diisocyanate, je nachdem welche Art von reaktiven Gruppen das Präpolymer aufweist. Die niedermolekularen polyfunktionellen Verbindungen weisen im Unterschied zu den Präpolymeren in der Regel ein Molekulargewicht < 500 g/mol auf.

Die polyfunktionelle Verbindung V1 kann bereits in der Lösung des Präpolymeren enthalten sein, die zur Beschichtung eingesetzt wird. In der zunächst entstehende Beschichtung aus weitgehend unvernetzten Präpolymeren reagieren dann, z. B. beim Trocknen oder beim Erwärmen der Beschichtung, die reaktiven Gruppen R' des Vernetzungsmittels mit den reaktiven Gruppen R des Präpolymeren und bilden auf diese Weise eine Schicht aus miteinander vernetzten Präpolymeren.

Wenn es sich bei den reaktiven Gruppen R des Präpolymeren um konjugierte Diene handelt, wird die Verbindung V1 dementsprechend wenigstens zwei dienophile Gruppen aufweisen und umgekehrt. Wenn die Präpolymere reaktive Gruppen aufweisen, die eine en-Reaktion eingehen, wird die Verbindung V1 wenigstens zwei allylische Doppelbindungen aufweisen. In der Regel wird man bei derartigen Systemen zur Herstellung der Beschichtungen Lösungen verwenden die sowohl das Präpolymer als auch die Verbindungen V1 enthalten. Die Vernetzung erfolgt dann beim Trocknen der primär erhaltenen Beschichtung, gegebenenfalls nach Erwärmen.

Als polyfunktionelle Verbindungen V1 sind grundsätzlich auch Präpolymere geeignet, die wenigstens vier Polymerarme A aufweisen, welche für sich gesehen in Wasser löslich sind und an ihren freien Enden eine reaktive funktionelle Gruppe R' aufweisen, die mit den reaktiven Gruppen R des Präpolymeren unter Bindungsbildung reagieren. Mit anderen Worten, für das erfindungsgemäße Verfahren können auch Lösungen von wenigstens zwei unterschiedlichen Präpolymeren eingesetzt werden, worin das eine Präpolymer reaktive Gruppen R und das andere dazu komplementäre reaktive Gruppen R' aufweist. Auch auf diese Weise wird eine Schicht aus miteinander vernetzten Präpolymeren erhalten.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Verknüpfung der reaktiven Gruppen R ausgelöst, indem man eine ausreichende Menge einer Verbindung V2 zugibt, die mit einem Teil der reaktiven Gruppen R unter Bildung reaktiver Gruppen R' reagiert, welche mit den verbliebenen reaktiven Gruppen R unter Bindungsbildung reagiert. Im Falle von Präpolymeren mit Isocyanatgruppen kann man beispielsweise die Vernetzung auslösen, indem man den beschichteten Gegenstand mit Wasser behandelt, z. B. durch Lagern in einer feuchten Atmosphäre oder unter Wasser. Hierbei reagiert ein Teil der Isocyanatgruppen unter Bildung von Aminogruppen ab, die ihrerseits mit den verbleibenden Isocyanatgruppen unter Bindungsbildung reagieren, wobei eine Schicht aus miteinander vernetzten Präpolymeren entsteht. Das Vernetzungsmittel V2 ist hier somit Wasser.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Gruppe R ausgewählt unter ethylenisch ungesättigten, radikalisch polymerisierbaren Doppelbindungen. Die Vernetzung erfolgt in diesem Fall auf thermische oder photochemische Weise, d. h. durch Bestrahlen mit UV- Strahlung oder mit Elektronenstrahlung. Im Falle der photochemischen Vernetzung durch UV-Strahlung wird man der Lösung des Präpolymeren in der Regel geeignete Photoinitiatoren zusetzen. Die Art und Menge an Photoinitiator, die zur Auslösung einer photochemischen Vernetzung erforderlich ist, ist dem Fachmann aus der Technologie strahlungshärtenden Lacke geläufig.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird man zunächst in der oben beschriebenen Weise ein sternförmiges Präpolymer, vorzugsweise als Monoschicht, auf der zu beschichtenden Oberfläche aufbringen, gegebenenfalls eine partielle Vernetzung der reaktiven Gruppen R durchführen und anschließend wenigstens ein weiteres sternförmiges Präpolymer 2 auf die so behandelte Oberfläche aufbringt, das wenigstens vier Polymerarme A aufweist, die für sich gesehen in Wasser löslich sind und an ihren freien Enden eine reaktive funktionelle Gruppe R' aufweisen, welche eine zu den reaktiven Gruppen R des Präpolymeren 1 komplementäre Reaktivität aufweisen. Gegebenenfalls führt man im Anschluss daran eine erneute Vernetzung der verbliebenen reaktiven Gruppen R' durch. Dieser Vorgang kann ein oder mehrmals wiederholt werden. Auf diese Weise gelingt es gezielt mehrschichtige Beschichtungen herzustellen. Diese Vorgehensweise wird im Folgenden auch als Schicht-für-Schicht-Verfahren bezeichnet. Das Schicht-für-Schicht- Verfahren kann in besonders eleganter Weise mit solchen Präpolymeren realisiert werden, die reaktive Gruppen R aufweisen, welche mit Verbindungen V2 zu reaktiven Gruppen R' abreagieren, die eine zu den Gruppen R komplementäre Reaktivität aufweisen. Beispiele für Gruppen R sind Isocyanatgruppen. Die Verbindung V2 ist in diesem Fall Wasser. Als komplementär reaktive Gruppen R' entstehen dann NH₂-Gruppen. Wird nämlich die Vernetzung der ersten Schicht mit der Verbindung V2 ausgelöst, weist die erhaltene Beschichtung an ihrer Oberfläche freie Gruppen R' (z. B. Aminogruppen) auf. Diese reagieren dann mit den Gruppen R (z. B. Isocyanatgruppen) der in einem zweiten Beschichtungsvorgang aufgebrachten Präpolymeren unter Bindungsbildung. Vorzugsweise wird auch der zweite Beschichtungsvorgang so gesteuert, dass eine Monolage an Präpolymeren auf der ersten Beschichtung abgeschieden wird. Vernetzung der zweiten Schicht mittels Verbindung V2 (z. B. Wasser) und Wiederholung dieser Vorgehensweise erlaubt somit die Herstellung hochvernetzter, hochgeordneter Schichten, insbesondere dann, wenn die Beschichtungsmenge in den einzelnen Beschichtungsstufen jeweils so gewählt wurde, dass Monoschichten erhalten werden.

Die Beschichtungen können auch mit Mischungen aus sternförmigen Präpolymeren und wasserlöslichen Polysacchariden, wie Hyaluronaten, Heparinen, Alginaten oder z. B. Dextran hergestellt werden. Bei Verwendung von Präpolymeren mit gegenüber OH-Funktionen reaktiven funktionellen Gruppen, z. B. Isocyanatgruppen wirkt dann das Polysacharid als Vernetzer.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt auch die gezielte Inkorporation von Fremdmaterialen, also Materialien, die keine Hydrogelbildenden Beschichtungen bilden, in die Beschichtung. Hierzu zählen bioaktive Materialien wie Medikamente, Oligonucleotide, Peptide, Proteine, Signalstoffe, Wachstumsfaktoren, Zellen, Kohlehydrate und Lipide, anorganische Komponenten wie Apatite und Hydroxyapatide, quartäre Ammoniumsalzverbindungen, Verbindungen aus Bisguanidinen, quartäre Pyridinumsalzverbindungen, Verbindungen aus Phosphoniumsalzen, Thiazoylbenzimidazolen, Sulfonylverbindungen, Salicylverbindungen oder metallorganische Verbindungen. Der Einbau erfolgt vorzugsweise durch Coadsorption aus Lösungen, die das Präpolymer und den Fremdbestandteil enthalten. Außerdem können die Präpolymere mit den genannten bioaktiven Materialien vor Adsorption umgesetzt werden oder als Mischung mit nicht modifizierten Präpolymeren auf der Oberfläche zur Reaktion gebracht werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, gezielt durch Physisorption oder Chemisorption auf das fertige Hydrogel-Beschichtung aufzubringen.

Bei Beschichtung nach dem Schicht-für-Schicht-Verfahren können biologische Komponenten auch in Form einer nicht vollständig deckenden Zwischenschicht eingebracht werden.

Hierzu wird genutzt, dass die oberste Schicht der sternförmigen Präpolymere in der Regel noch reaktive Gruppen trägt, welche auch unter milden Bedingungen (in wässriger Lösung, bei Raumtemperatur) spezifisch mit häufig vorkommenden chemischen Gruppen von Biomolekülen reagieren. Beispiele sind die Reaktion von auf der Oberfläche der Polymerschicht befindlichen NCO-Gruppen mit Alkohol-, Thiol- oder Aminogruppen, die in Proteinen und Peptiden vorhanden sind oder die nach Methoden des Standes der Technik leicht in viele Biomoleküle eingeführt werden können. Ein weiteres Beispiel ist die Michaeladdition von Thiol- oder Aminogruppen an Acrylate und Acrylamide in der obersten Schicht der Beschichtung. Ein weiteres Beispiel ist die Umsetzung von aktivierten Estern in der obersten Schicht der Beschichtung mit Alkohol- oder Aminogruppen der Biomoleküle.

Beispiele für geeignete biologische Komponenten, die in die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Hydrogel-Beschichtungen eingebracht werden können, sind Medikamente, z. B. Heparine, Antibiotika wie Streptomycin, Gentomycin, Penicillin, Neomycin, Acriflavin, Ampillicin, Chitin, Chitosan und deren Derivate, sowie andere bakterizide Substanzen, weiterhin Wachstumsfaktoren wie BMPs (bone morphogenic proteins), HGHs (human growth hormons), GMCSF (Macrophage colony stimulating factors), an Heparin bindende Faktoren wie FGFs, VGF, TGFs, kommunikations- und architekturvermittelnde Signalstoffe wie BHL, HHL, OHL, DHLs, OHHL, OOHL, ODHL, OdDHL, HBHL, HtDHL und andere, Integrin vermittelnde Signalmoleküle, Proteine wie Fibronectin, Laminin, Vitronectin, Collagen, Thrombospondin und andere adhäsionsvermittelnde Proteine, mechanisch oder anders physikalisch modulierte Proteine wie gerecktes Fibronectin, adhäsionsvermittelnde Peptidsequenzen wie RGD, RGDS, RGDV, RDT, LRGDN, LDV, REDV, IKVAV, YIGSR, PDSGR, DGEA, Peptidsequenzen, die sich lediglich durch eine Änderung in der Konformation unterscheiden, z. B. zyklische Peptidsequenzen Aminosäuresequenzen und Oligonukleotide, die eine molekulare Erkennung ermöglichen wie Sequenzen aus der RNA oder DNA, Kohlenhydrate und Lipide, wie Zucker und langkettige Kohlenwasserstoffverbindungen, die eine Wechselwirkung mit der Zellmembran erlauben, Zellen oder Zellverbände von Fibroblasten, Osteoblasten, Chondrozyten und anderen Zellarten, aber auch pluripotentes Zellmaterial.

Häufig ist es vorteilhaft, die zu beschichtende Oberfläche in einer Weise vorzubehandeln, dass sie eine erhöhte Anzahl (Flächendichte) an funktionellen Gruppen R' aufweist, die mit den funktionellen Gruppen R des Präpolymeren unter Bindungsbildung reagieren können.

Hierzu wird man die Oberflächen inerter Materialien häufig vor der Beschichtung chemisch aktivieren. Dies kann beispielsweise durch Behandlung der zu beschichtenden Oberfläche mit Säure oder Laugen, durch Oxidation (Abflammen), durch Elektronenbestrahlung oder durch eine Plasmabehandlung mit einem sauerstoffhaltigen Plasma erfolgen wie sie von P. Chevallier et al. J. Phys. Chem. B 2001, 105 (50), 12490-12497; in JP 09302118 A2; in DE 100 11 275; oder von D. Klee. et al. Adv. Polym. Sci. 1999, 149, 1-57, beschrieben wurde.

Man kann die zu beschichtende Oberfläche auch mit Verbindungen behandeln, die bekanntermaßen eine gute Haftung zu den Oberfläche aufweisen und die außerdem funktionelle Gruppen R' aufweisen, die mit den funktionellen Gruppen R des sternförmigen Präpolymeren komplementär sind. Geeignete Gruppen R' sind, abhängig von der reaktiven Gruppe R des Präpolymeren: Isocyanat-, Amino-, Hydroxyl- und Epoxygruppen, weiterhin Gruppen, die im Sinne einer Michael-Addition reagieren, dienophile Gruppen, die Diels-Alder Additionsreaktionen eingehen, elektronenarme Doppelbindungen, die in einer Diels-Alder Addition oder En-Reaktion mit allylischen Doppelbindungen reagieren; aktivierten Estergruppen; Oxazolingruppen; sowie Vinylgruppen und Thiole, die spezifisch eine freie Radikaladdition eingehen.

Die Art der Gruppe, die eine Haftung auf der zu beschichteten Oberfläche bewirkt, hängt naturgemäß von der chemischen Natur der zu beschichtenden Oberfläche ab. Im Fall von oxidischen, wie keramischen und glasartigen Oberflächen, sowie im Falle metallischer Oberflächen haben sich Verbindungen bewährt, die als haftungsvermittelnde Gruppen Silangruppen, insbesondere Trialkoxysilangruppen aufweisen. Beispiele für derartige Verbindungen sind Trialkoxyaminoalkylsilane wie Triethoxyaminopropylsilan und N[(3-Triethoxysilyl)propyl]ethylendiamin, Trialkoxyalkyl-3-glycidylethersilane wie Triethoxypropyl-3- glycidylethersilan, Trialkoxyalkylmercaptane wie Triethoxypropylmercaptan, Trialkoxyallylsilane wie Allyltrimethoxysilan sowie Trialkoxysilylacryloxyalkane und -acrylamidoalkane wie 1-Triethoxysilyl-3- acryloxypropan. Für oxidische Materialien und Kunststoffmaterialien sind als haftungsvermittelnde Gruppen auch polyfunktionalen Polyammoniumgruppen geeignet. Beispiele für derartige Verbindungen sind Polyammoniumverbindung mit freien primären Amingruppen wie sie z. B. von J. Scheerder, J. F. J Engbersen, und D. N. Reinhoudt, Recl. Trav. Chim. Pays-Bas 1996, 115 (6), 307-320, und von Decher, Science 1997, 277, 1232-1237 zu diesem Zweck beschrieben werden.

Bevorzugt werden die vorgenannten Verbindungen als Monolage auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht. Derartige Monolagen lassen sich in an sich bekannter Weise durch Behandeln der zu beschichtenden Oberflächen mit verdünnten Lösungen der Verbindungen erreichen, z. B. nach dem oben beschriebenen Immersionsverfahren oder mittels Spincoating. Lösungsmittel und Konzentrationen entsprechen dabei den für das Aufbringen der Präpolymere gemachten Angaben. Häufig empfiehlt es sich, die Oberflächen mit den vorgenannten Verbindungen behandeln, die bekanntermaßen eine gute Haftung auf den Oberfläche aufweisen, im Anschluss an eine Aktivierung durch Abflammen, durch Elektronenbestrahlung oder durch Plasmabehandlung durchzuführen.

Die gemäß dieser Erfindung beschichteten Oberflächen quellen im direkten Kontakt mit Wasser, wässrigen Lösungen und feuchten Gasen unter Bildung von sehr stabilen Hydrogelen. Die Beschichtungen sind im Unterschied zu vielen Hydrogel-bildenden Beschichtungen des Standes der Technik auch bei längerem Kontakt mit wässrigen Lösungen stabil können mehrmals verwendet werden, da sich die Ablagerungen durch einfaches Spülen mit Wasser entfernen lassen. Die erfindungsgemäß erhaltenen Beschichtungen verhindern wirksam die unspezifische Adsorption von Proteinen und Zellen über einen langen Zeitraum und sind in diesem Punkt den Hydrogelbeschichtungen des Standes der Technik überlegen. Die Beschichtungen sind aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung biokompatibel und nicht toxisch.

Die Verwendung der sternförmigen Präpolymere mit reaktiven Endgruppen ermöglicht vorteilhafterweise den Einsatz einfacher Beschichtungsverfahren wie Immersion, Spincoating (Rotationsschleuderprozesse) und insbesondere einen Aufbau Schicht für Schicht.

Die Besonderheit der sternförmigen Präpolymere mit reaktiven Endgruppen erlaubt es weiterhin, in sehr einfacher und kontrollierter Weise, dünne bis ultradünne Hydrogelbeschichtungen mit einer Schichtdicke unter 100 nm, vorzugsweise unter 50 nm und wenn gewünscht unter 10 nm herzustellen. Die Beschichtungen verhindern eine unspezifische Proteinadsorption sowie die Adhäsion von Zellen und können so eine Bakterienbesiedlung verhindern. Die geringe Dicke der Beschichtung ist dabei von besonderem Vorteil, da die makroskopischen Eigenschaften und die Erscheinung des unterliegenden Materials praktisch unverändert bleiben.

Die Verwendung sternförmiger Präpolymere mit reaktiven Endgruppen erlaubt es weiterhin in einfacher Weise, geordnete Mono- und Multischichten zu erzeugen, deren Struktur und Eigenschaften wie Wasseraufnahme, Durchdringbarkeit und Flexibilität für die jeweilige Anwendung sehr genau eingestellt werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt weiterhin in einzigartiger Weise, unterschiedlichste Funktionen z. B. biologische Wirkstoffe, Funktionszentren, Signalstoffe, Wachstumsfaktoren, etc. in die einzelnen Hydrogellagen einzulagern und somit eine biofunktionelle Beschichtung auf Substrate zu übertragen. Die Unterdrückung einer unspezifischen bakteriellen Besiedlung kann durch den Einbau von Bakteriziden, biologischen Signalstoffen und von kolloidalen Teilchen mit einem Durchmesser vorzugsweise unter 100 nm verstärkt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren eröffnet andererseits auch die Möglichkeit, durch die Einbindung von biologischen Signalmolekülen und Liganden eine Besiedlung mit spezifischen Bakterien und Zellen gezielt zu fördern.

Aufgrund der Eigenschaften der erfindungsgemäß erhaltenen Beschichtungen ist eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Mikrosensoren und Mikroanalysesystemen, zur Beschichtung von Mikrokanülen für die Einbringung von genetischem Material in Zellen und von Kapillarsystemen, bei denen die Adsorption von biologischen Verbindungen an den Kapillaroberflächen ein großes Problem darstellt und die analytische Empfindlichkeit erheblich beinträchtigen kann, möglich. Mit anderen Worten, die Verwendung sternförmiger Präpolymere zur Herstellung von Hydrogel-Beschichtungen eröffnet Anwendungsbereiche, in den konventionelle Polymere und Hydrogele keine Anwendung finden können oder aufgrund ihrer ungenügende Proteinresistenz nicht angewendet wurden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere auch zur Beschichtung von Gegenständen geeignet, die in direktem Kontakt mit lebender Materie stehen wie beispielsweise Implantate. Die Beschichtungen können auf vielerlei Laborutensilien, medizinischen Produkten und Instrumenten, aber auch im halbtechnischen Bereich auf Oberflächen aufgetragen werden, die extrem sauber, also möglichst protein- und zellfrei gehalten werden müssen oder die für Reinigungsschritte schwer zugänglich sind.

Die erfindungsgemäß erhältlichen Beschichtungen sind außerdem besonders dort vorteilhaft, wo nur extrem dünne Beschichtungen möglich sind. Beispielweise kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung ultradünner Beschichtungen auf den Innenwänden von Schlauch- und Röhrensystemen eingesetzt werden, die ihrerseits nur einen besonders geringen Durchmesser, z. B. im µm-Bereich, besitzen (implantierbare Pumpsysteme, dünne Katheter, mikrobiologische und gentechnologische Laborgeräte). Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber auch zur Beschichtung von extrem großen Flächen (Schiffsrümpfe, technische Rohrsysteme, Schwimmbäder, Operationssäle usw.) geeignet.

Fig. 1 zeigt die ellipsometrisch bestimmte Schichtdicke einer erfindungsgemäßen Beschichtung in Abhängigkeit von der Anzahl der Beschichtungsvorgänge.

Fig. 2 zeigt die Zunahme der Dicke einer getrockneten erfindungsgemäßen Beschichtung, die Luftfeuchtigkeit ausgesetzt ist (ellipsometrisch bestimmt).

Fig. 3 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme eines erfindungsgemäß beschichteten Glasplättchens (Dicke der Beschichtung etwa 50 nm), das mit einer Fibroblasten-Suspension inkubiert worden war.

Fig. 4a und 4b zeigen lichtmikroskopische Aufnahmen von Glasplättchen, die auf der einen Hälfte eine erfindungsgemäße Beschichtung und auf der anderen Hälfte eine Polystyrol- Beschichtung aufweisen und die mit einer Fibroblasten-Suspension inkubiert waren.

Fig. 5 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme eines Glasplättchens, das zur Hälfte mit einer Mischung aus Stern-Präpolymeren und Dextran (1 : 1) beschichtet und auf der anderen Hälfte unbeschichtet war und die mit einer Fibroblasten-Suspension inkubiert war.

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung weiter erläutern.

I. Herstellungsbeispiele 1. Sechsarmige Isocyanat-terminierte Polyether

Als Isocyanat diente in allen Fällen ein handelsübliches Isophorondiisocyanat (IPDI: 72% cis- und 28% trans-Isomer)

Bei den eingesetzten Präpolymervorstufen handelt es sich um handelsübliche 6-armige Polyalkylenether (im Folgenden Polyole), die durch anionische ringöffnende Polymerisation aus Ethylenoxid und/oder Propylenoxid unter Verwendung von Sorbitol als Initiator hergestellt wurden. Das eingesetzte Polyol wurde vor Einsatz auf einen Restwassergehalt von weniger als 350 ppm getrocknet. Reste des für die Herstellung der Polyole eingesetzten Alkalihydroxids wurden durch Neutralisieren mit Phosphorsäure gebunden.

Das Polyol wurde in allen Herstellungsbeispielen über eine Pumpe langsam zugegeben (ca. 80 ml/h), so dass die Reaktionstemperatur nicht mehr als 10 K von der angegebene Temperatur abwich.

Die Bestimmung des Molekulargewichts (angegeben ist jeweils das Zahlenmittel) erfolgte durch Gelpermeationschromatographie bei Raumtemperatur an drei in Reihe geschalteten Säulen (Säule 1: Waters µ-Styragel 1000 Angström, l = 30 cm; Säule 2: Waters µ- Styragel 100 Angström, l = 30 cm; Säule 3: PSS SDV 50 Angström, l = 60 cm) unter Verwendung von Tetrahydrofuran als Eluenten, einen Refraktometrie-Detektor (Waters RI 2410) und unter Verwendung der Auswertungssoftware PSS Win-GPC V 4.02. Die Elutionsdiagramme wurden zur Auswertung an zwei Gausskurven angepasst, wobei über die Flächenverhältnisse der Anteil an Bi-/Trimer bestimmt wurde.

Die Charakterisierung der Endgruppen funktionalisierter Präpolymere sowie die Funktionalisierungsausbeute erfolgte, wo angegeben, zudem elementaranalytisch (Schwefel, Stickstoff), mittels IR-Spektroskopie (V SH, C=O, NH) oder mittels Titration (nicht umgesetzte OH-Gruppen).

Die Bestimmung der nicht umgesetzten OH-Gruppen erfolgte durch Umsetzung der Präpolymere mit Acetanhydrid in Pyridin und Titration überschüssiger Säure (Hydrolyse des nicht umgesetzten Acetanhydrids) mit NaOH.

Herstellungsbeispiel 1

Das verwendete Polyol ist ein 6-armiges statistisches Poly(ethylen/propylenoxid) mit einem EO/PO-Verhältnis von 80/20 mit einem Molekulargewicht von 3100 g/mol. Vor der Umsetzung gab man 0,05 Gew.-% Phosphorsäure zu dem Polyol und erwärmte unter Rühren 1 h auf 80°C im Vakuum.

In einem Reaktor legte man 262 g IPDI (1,18 Mol) vor und erwärmte unter Schutzgas-Atmosphäre auf 50°C. Danach gab man unter heftigem Rühren das getrocknete und entgaste Polyol (50 g, 0,016 Mol) mit Hilfe einer peristaltischen Pumpe langsam zu (ca. 80 ml/h). Nach Beendigung der Zugabe wurde das Reaktionsgemisch bei 50°C für weitere 60 Stunden gerührt. Überschüssiges IPDI wurde bei 130°C und einem Druck von 0,025 mbar mit Hilfe einer Dünnschichtdestillationsapparatur vollständig abdestilliert.

Herstellungsbeispiel 2

Das verwendete Polyol entspricht dem Polyol des Herstellungsbeispiels 1.

In einem Reaktor legte man 210 g IPDI (0,94 Mol) und 0,06 g (0,1 Gew.-%) Diazabicyclooctan (DABCO) vor und erwärmte unter Schutzgas-Atmosphäre auf 50°C. Danach gab man unter heftigem Rühren das getrocknete und entgaste Polyol (58 g, 0,019 Mol) mit Hilfe einer peristaltischen Pumpe langsam zu (ca. 80 ml/h). Nach Beendigung der Zugabe wurde das Reaktionsgemisch bei 50°C weitere 60 Stunden gerührt. Überschüssiges IPDI wurde bei 130°C und einem Druck von 0,025 mbar mit Hilfe einer Dünnschichtdestillationsapparatur abdestilliert.

Herstellungsbeispiel 3

Das verwendete Polyol ist ein 6-armiges statistisches Poly(ethylen/propylenoxid) mit einem EO/PO-Verhältnis von 80/20 mit einem Molekulargewicht von 10000 g/mol. Vor der Umsetzung gab man 0,05 Gew.-% Phosphorsäure zu dem Polyol und erwärmte unter Rühren 1 h auf 80°C im Vakuum.

IPDI (100 g, 0,45 Mol) wurde in einem Reaktor vorgelegt und unter Schutzgas-Atmosphäre gerührt auf 50°C ausgeheizt. Dazu gab man unter heftigem Rühren das getrocknete und entgaste Polyol (50 g, 0,005 Mol) mit Hilfe einer peristaltischen Pumpe langsam zu (ca. 80 ml/h). Nach Beendigung der Zugabe wurde das Reaktionsgemisch bei 50°C für weitere 60 Stunden gerührt. Nach der Dünnschicht-Destillation (100°C, 0,025 mbar) erhielt man die Isocyanat-terminierten Stern-Präpolymere.

Herstellungsbeispiel 4

Das verwendete Polyol ist ein 6-armiges Polypropylenoxid mit einem Molekulargewicht von 3000 g/mol. Vor der Umsetzung gab man 0,05 Gew.-% Phosphorsäure zu dem Polyol und erwärmte 1 h bei 80°C im Vakuum.

480 g (0,154 Mol) des Polyols wurden unter Schutzgas-Atmosphäre mit Hilfe einer peristaltischen Pumpe langsam (80 ml/h) zu einer bei 50°C ausgeheizten, heftig gerührten Mischung von 840 g IPDI (3,78 Mol) und 0,99 g Dibutylzinn-Dilaurat (DBTL) gegeben. Nach der Beendigung der Zugabe wurde das Reaktionsgemisch bei 50°C für weitere 48 Stunden gerührt. Nach der Dünnschicht- Destillation (160°C, 0,01 mbar) erhielt man die Isocyanat- terminierten Stern-Präpolymere.

Analog Herstellungsbeispiel 1 wurden die Präpolymere der Herstellungsbeispiele Nr. 5, 6, 7 und 9 hergestellt. Analog Herstellungsbeispiel 2 wurden die Präpolymere der Herstellungsbeispiele 8 und 10 hergestellt. Das Molverhältnis von Diisocyanat zu OH-Gruppen im Polyol (NCO/2/OH) ist in Tabelle 2 angegeben. In Tabelle 2 sind außerdem die Anteile an monomolekularen sternförmigen Polymeren (Mono-Stern) und an bi- und trimolekularen Reaktionsprodukten (Bi- und Tri-Stern) angegeben, wie sie mittels Gelpermeationschromatographie bestimmt wurden.

Herstellungsbeispiel 11

Analog Herstellungsbeispiel 1 wurden 30 g eines 6-armigen statistischen Poly(ethylenoxid/propylenoxids) mit einem EO/PO- Verhältnis von 80/20 mit einem zahlenmittleren Molekulargewicht von 12000 mit 50 g (0,23 Mol) IPDI umgesetzt. Nach Dünnschichtdestillation (100°C/0,001 mbar) erhielt man das Isocyanat- terminierte Stern-Präpolymer. Tabelle 2 Herstellungsbeispiele

2. Herstellung von Sternpolymeren mit Thiol-, Acrylat-, Acrylamid oder NH₂-Gruppen Herstellungsbeispiel 12 Thiol-terminierter Stern-Polyether

Ein handelsübliches 6-armiges Polyethylenoxid, das an den Enden der Polyetherketten OH-Gruppen aufwies wurde nach einem üblichen Verfahren mit PBr₃ bromiert (Mills et al., J. Chem. Soc. Perkin Trans. 2, (4), 697-706, 1995, siehe auch Tetrahedron 44 (5), 1988, S. 1553-1558 sowie Inorg. Chim. Acta 97 (2) 1985, S. 143-150 und allgemein J. March, Advances in Organic Synthesis 3rd ed. J. Wiley & Sons, New York 1985, S. 383), wobei man ein 6- armiges Polyethylenoxid erhielt, das an den Enden der Polyetherketten Bromatome aufwies. Dieses wurde in der für Beispiel 1 beschriebenen Weise vorgetrocknet. Anschließend tropfte man hierzu langsam bei 100°C eine Lösung von 15 eq. Thioessigsäure in 200 ml Ethanol mit 15 eq. Natriumethanolat. Nach weiteren 24 h wurde das Thioacetat mit 1 N wässriger HCl hydrolysiert. Nach Hydrolyse des intermediär erhaltenen Thioacetats wurde die Lösung unter Stickstoff weitere zwei Stunden bei 78°C gerührt. Das gewünschte Thiolgruppen-haltige Produkt wurde über eine Dünnschicht-Destillationsapparatur unter Luftausschluss abgetrennt.

Ein IR-Spektrum des erhaltenen Produkts zeigte eine schwache Bande bei 2558 cm^-1, die der SH-Schwingung zuzuordnen ist. Der elementaranalytisch bestimmte Schwefelgehalt entspricht einem Funktionalisierungsgrad von 5,1.

Herstellungsbeispiel 13 Acrylat-terminierter Stern-Polyether

Eine Lösung von 40 g (12,9 mmol) des in Herstellungsbeispiel 1 eingesetzten, vorgetrockneten Polyethers in 400 ml Dichlormethan wurde auf 0°C gekühlt und über mehrere Stunden mit einer Lösung von 465 mmol Pyridin und 465 mmol Acryloylchlorid in 30 ml Dichlormethan versetzt. Die Reaktionslösung wurde weitere sechs Stunden bei 0°C und anschließend weitere 30 h bei Raumtemperatur gerührt. Das ausgefallene Salz wurde abfiltriert und das Filtrat wurde zunächst mit verdünnter Salzsäure und dann mit wässeriger Natriumhydrogencarbonat-Lösung gewaschen. Die organische Phase wurde über Magnesiumsulfat getrocknet. Das Produkt wurde durch Zugabe von Diethylether gefällt, abfiltriert und im Vakuum getrocknet.

Ein IR-Spektrum des Präpolymers zeigte eine intensive charakteristische Bande bei 1730 cm^-1, die der C=O-Schwingung zuzuordnen ist. Titrimetrische Bestimmung des OH-Gruppen-Gehalts ergab einen Funktionalisierungsgrad von > 5.

Herstellungsbeispiel 14 Amin-terminierter Stern-Polyether

Eine gesättigte Lösung von 100 g (32,3 mmol) des in Herstellungsbeispiel 1 eingesetzten, vorgetrockneten Polyethers in 400 ml Dichlormethan wurde unter Stickstoffatmosphäre auf 0°C abgekühlt. Hierzu gab man zunächst sehr langsam 580 mmol Pyridin und anschließend 580 mmol Methansulfonylchlorid. Nach 24 h wurde der ausgefallene Niederschlag abfiltriert und das entstandene Mesylat durch Zugabe von Diethylether gefällt. Das erhaltene Mesylat wurde in Dimethylformamid gelöst und mit 1,16 Mol Natriumazid bei 60°C 24 Stunden gerührt. Nach dem Abkühlen wurde die Mischung mit Wasser verdünnt und mit Dichlormethan extrahiert. Anschließend trocknete man die organische Phase über Magnesiumsulfat, fällte das Produkt durch Zugabe von Diethylether, filtrierte und trocknete das Produkt im Vakuum. Den so gewonnenen mit Azid-Gruppen funktionalisierten Polyether löste man in trockenem Tetrahydrofuran und tropfte die Lösung zu einer Suspension von 290 mmol LiAlH₄ in Tetrahydrofuran. Die Mischung wurde 16 h bei 60°C gerührt und nach dem Abkühlen langsam mit 15%iger Natronlauge versetzt bis ein weißer körniger Niederschlag entstand. Danach wurde über Kieselerde filtriert. Aus der so erhaltenen Lösung wurde der Amin-terminierte Polyether durch Zugabe von Diethylether gefällt und im Vakuum getrocknet.

Im IR-Spektrum des Präpolymers ist eine scharfe Bande bei 3310 cm^-1 zu erkennen, die der NH-Schwingung zuzuordnen ist. Der elementaranalytisch bestimmte Stickstoffgehalt entspricht einem Funktionalisierungsgrad > 5.

Herstellungsbeispiel 15 Acrylamid-terminierter Stern-Polyether

Eine Lösung von 30 g (ca. 9,6 mmol) des vorgetrockneten Amin- terminierten Polyethers aus Herstellungsbeispiel 14 in 300 ml Toluol wurde unter Stickstoffatmosphäre auf 0°C abgekühlt und mit Dichlormethan verdünnt, bis eine klare Lösung entstand. Hierzu gab man 320 mmol Pyridin und anschließend über mehrere Stunden 320 mmol Acryloylchlorid. Nach Beendigung der Zugabe wurde die Mischung mit BHT stabilisiert, mindestens für weitere 6 Stunden bei 0°C unter Lichtausschluss gerührt und auf 200 ml eingeengt. Das ausgefallene Salz wurde abfiltriert und das Filtrat in 500 ml kalten Diethylether gegeben. Hierbei fiel ein Feststoff an, der in 200 ml destilliertem Wasser gelöst wurde. Die Lösung wurde mit 10 g NaCl versetzt. Durch Zugabe von 1 N Na- OH wurde der pH-Wert auf 7 eingestellt und die neutralisierte Lösung mehrfach mit Dichlormethan extrahiert. Die organischen Phasen werden vereint mit Diethylether versetzt, wobei ein Feststoff ausfiel. Dieser wurde ein zweites Mal in Dichlormethan aufgenommen, mit einem Stabilisator versetzt und erneut in 500 ml kaltem Diethylether gefällt, abfiltriert und im Vakuum getrocknet. Auf diese Weise erhielt man den mit Acrylamidgruppen terminierten Stern-Polyether.

Im IR-Spektrum ist eine starke Bande bei 1670 cm^-1 zu erkennen, die der Amid-EO-Gruppe zugeordnet werden kann. Der mittels Elementaranalyse bestimmte Stickstoffwert entspricht einem Funktionalisierungsgrad > 5.

II. Herstellung der Hydrogel-Beschichtungen

Als Substrate wurden Glasplättchen (flotiertes Glas, Quarzglas, Standardglas) und hydrophile Silizium-Wafer eingesetzt (Si [100]). Die Substrate wurden vor der Beschichtung im Ultraschallbad zunächst in Aceton, dann in Millipore-Wasser und anschließend in Isopropanol gereinigt. Alle Substrate wurden grundsätzlich zur Vermeidung einer Kontamination durch Staub und Fetttröpfchen aus der Luft in geeigneten Schutzbehältern unter einer Flüssigkeitsschicht aufbewahrt.

Das verwendete Wasser wurde grundsätzlich entsalzt (18 MΩ-cm oder besser). Alle Lösungen wurden mit einem 0,05 µ-Filter von Staub und partikulären Verunreinigungen gereinigt. Filtriertes entionisiertes Wasser wird im Folgenden auch als Millipore- Wasser bezeichnet.

Beschichtungen unter Ausschluss von Wasser wurden in einer Handschuhbox (Braun) unter einer Atmosphäre mit einem Wassergehalt von weniger als 1 ppm H₂O/O₂ durchgeführt.

1. Aminofunktionalisierung der Substrate

1. 1.1. Die gereinigten Substrate wurden in einer Plasmaanlage des Typs TePla 100-E der Firma Plasma Systeme 10 Minuten im Sauerstoffplasma behandelt (Druck: 0,15 mbar). Die so behandelten Substrate wurden anschließend in entsalztem Wasser aufbewahrt.
Zur Aminofunktionalisierung wurde die Substratoberfläche zunächst mit einer Aminosilian-Monolage als Promoter beschichtet. Hierzu wurde die aus dem Wasser entnommene und mit Stickstoff trockengeblasene Probe in eine Glovebox transferiert. Dort wurden die Substrate in einer 0,4%igen (v/v) Lösung von N-(3- (Trimethoxysilyl)propyl)ethylendiamin in trockenem Toluol 16 h gelagert, anschließend mit Toluol gründlich gewaschen und vor Benutzung unter Stickstoffatmosphäre in der Glovebox mittels eines gefilterten Stickstoffstroms getrocknet.
2. 1.2 Alternativ wurden die Substrate unter einer 40 W UV-Lampe für 10 min mit Sauerstoff behandelt (Abstand zwischen Substratoberfläche und Lichtquelle 2 mm) und anschließend in Millipore- Wasser (MP-H₂O) eingelegt. Die aus dem MP-H₂O entnommene und mit Stickstoff trockengeblasene Probe wurde anschließend wie unter 1.1 mit (Trimethoxysilyl)propyl)ethylendiamin behandelt.

2. Beschichtung der Substrate

Alle Maßnahmen erfolgten unter staubfreien Bedingungen (Reinraumbedingungen).

2.1 Beschichtung durch Immersion Allgemeine Vorschrift a)

Die nach der Vorschrift unter 1.1 aminofunktionalisierten Substrate werden in eine Lösung des jeweiligen Präpolyolymers in trockenem THF (0,05 mg/ml bis 5 mg/ml) eingetaucht. Man lässt die Lösung sorgfältig ablaufen, so dass ein dünner Flüssigkeitsfilm einheitlicher Dicke auf dem Substrat verbleibt. Dieser wird getrocknet. Die resultierende Filmdicke hängt von der Konzentration der Sternpolymer-Lösung ab. Danach werden die Proben, geschützt vor Staub, aus der Glovebox ausgeschleust und in einer feuchten Atmosphäre ausreagiert. Die Proben werden bis zur Verwendung/Untersuchung in MP-H₂O eingelegt.

Allgemeine Vorschrift b)

Die nach der Vorschrift unter 1.1 aminofunktionalisierten Substrate werden in eine frisch hergestellte Lösung des Präpolymers (0,005 mg/ml bis 20 mg/ml in 1 : 1 THF : MP-H₂O) eingetaucht. Man lässt die Lösung sorgfältig ablaufen, so dass ein dünner Flüssigkeitsfilm einheitlicher Dicke auf dem Substrat verbleibt, der eingetrocknet wird. Nachdem der Film ausreagiert ist werden die Proben bis zur Verwendung in MP-H₂O eingelegt.

Tabelle 3 listet Versuche und resultierenden Schichtdicken die durch eine Immersionsbeschichtung erhalten wurden. Die Schichtdicken wurden durch Ellipsometrie ("Guide to using WVASE32 TM", J. A. Woollam Co., Ind., Lincoln, NE, USA, 1998) bestimmt. Tabelle 3

2.2 Beschichtung mittels Spincoating (Rotationsschleuderverfahren) einer dünnen Polymerschicht (allgemeine Vorschrift)

Die Beschichtung nach 1 hergestellten Amin-funktionalisierten Substrate erfolgte mit Hilfe eines Spincoaters (Modell: WS-400A- 6TFM/lite von der Firma: SPS). Hierzu wird zunächst das nicht rotierende, getrocknete Substrat mit der Präpolymerlösung (0,05 mg/ml bis 5 mg/ml Sternpolymer in THF) vollständig benetzt, bevor die Lösung bei der Beschleunigungsstufe "5" und einer Endgeschwindigkeit von 5000 U/min für 40 Sekunden abgeschleudert wird. Danach ist die Probe trocken. Die so beschichteten Substrate wurden unter Staubausschluss über Nacht bei einer Luftfeuchtigkeit von 50 bis 80% gelagert. Die so behandelten Proben können dann sofort der gewünschten Anwendung zugeführt oder in MP-H₂O bis zur Verwendung eingelegt werden.

In einer Variante des oben beschrieben Verfahrens wird das nach 1 hergestellten Amin-funktionalisierten Substrat auf dem Spincoater unter Rotation (3000 rpm) mit salzfreiem Wasser abgespült bevor die Beschichtung mit einer frisch angesetzten wasserhaltigen Sternpolymerlösung in THF erfolgt. Auf diese Weise erreicht man eine bessere Benetzung des Substrats und einen sehr dünnen Polymerfilm.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 zusammengefasst. Die Schichtdicke wurde ellipsometrisch bestimmt. Tabelle 4

3. Beschichtung Schicht für Schicht 3.1 Allgemeine Vorschrift für die Herstellung von Monolagen mittels Spincoating

Die nach Punkt 1 aminofunktionalisierten und gewaschenen Substrate werden auf dem Spincoater in einem gefiltertem Stickstoffstrom vorsichtig trockengeblasen. Dabei wird das Substrat mit dem auf 50°C vorgeheiztem Stickstoffstrom leicht erwärmt, bevor unter Ausschluss von Feuchtigkeit eine Lösung des Präpolymers aus Herstellungsbeispiel 1 (in THF; 0,5 bis 5 mg/ml, siehe III-1) aufgeschleudert wird (Spincoater-Modell: WS-400A- 6TFM/lite von der Firma: SPS, Beschleunigungsstufe "2" und einer Geschwindigkeit von 1500 U/min). Noch bevor der Film ganz eingetrocknet ist, wird die Oberfläche des noch rotierenden Substrats mehrmals durch Aufbringen eines Tropfens wasserfreien Dichlormethan gewaschen, um überschüssiges Präpolymer zu entfernen. Um einen dichten Monofilm zu erreichen wird die Prozedur wiederholt. Anschließend wird die so beschichtete Probe durch Einlegen in MP-H₂O vernetzt. Die Vorgehensweise wird entsprechend der Anzahl der aufzubringenden Monoschichten wiederholt.

3.2 Allgemeine Vorschrift für die Herstellung von Monolagen mittels Immersion

Die nach Punkt 1 vorbehandelten Substrate werden für eine Stunde unter Ausschluss von Feuchtigkeit in einer Lösung des Präpolymers in wasserfreiem THF eingelegt. Anschließend werden die Proben zum Abspülen von nicht chemisch gebundenen Präpolymermolekülen mehrmals mit wasserfreiem THF gewaschen. Danach werden die Proben für eine Stunde in MP-H₂O eingelegt. Die Probe wird getrocknet und anschließend zur Entfernung von Wasser aus der Beschichtung in ein THF-Bad gelegt. Dann werden die Proben in staubfreier Atmosphäre oder in einem gefilterten Stickstoffstrom getrocknet. Zum Aufbringen eines weiteren Monofilms wird diese Vorgehensweise, beginnend mit dem Eintauchen der Probe in die wasserfreie Lösung des Präpolymers in THF, wiederholt. Die so beschichteten Proben können sofort der gewünschten Anwendung zugeführt oder bis zur Verwendung in MP-H₂O eingelegt werden.

III. Untersuchung der Polymerfilme 1. Untersuchung der Konzentrationsabhängigkeit der Dicke einer Monolage

Silizium-Wafer, die nach der Vorschrift unter II-1. vorbehandelt waren, wurden in eine Lösung des Präpolymers aus Herstellungsbeispiel 1 in wasserfreiem THF eingelegt. Nach Immersion wurden die Proben mehrmals mit wasserfreiem THF gewaschen. Nach dem anschließenden einstündigen Einlegen in MP-H₂O wurden sie entnommen und wie unter II-3.2 beschrieben getrocknet. Die Schichtdicke der erhaltenen Hydrogelfilme wurde mittel Ellipsometrie bestimmt. Die Werte sind in Tabelle 5 angegeben: Tabelle 5

Die Werte in Tabelle 5 zeigen, dass die Schichtdicke mit zunehmender Konzentration der Präpolymerlösung zuerst stark zunimmt und sich bei hoher Konzentration (z. B. 5 mg/ml) einem Grenzwert annähert. Man nimmt an, dass bei niedriger Konzentration aufgrund des geringeren Oberflächenbedeckungsgrades mehr NCO- Gruppen mit reaktiven Gruppen an der Oberfläche kovalente Bindungen eingehen. Im Gegensatz dazu führt eine höhere Konzentration vermutlich zu einer dichtgepackten Adsorbatschicht von Sternmolekülen mit geringerer Anbindung über die NCO-Gruppen an die Oberfläche.

2. Untersuchung Schichtdicke als Funktion der Zahl der aufgebrachten Schichten

Hierzu wurde zunächst wie unter 1. beschrieben eine Monolage hergestellt, wobei man eine Lösung des Präpolymeren aus Herstellungsbeispiel 1 in THF mit einer Konzentration 1,0 mg/ml verwendete. Anschließend wurde das so beschichte Substrat in eine Lösung des gleichen Präpolymers in wasserfreiem THF (Konzentration 1,0 mg/ml) eingelegt. Danach wurde die Probe mehrmals mit wasserfreiem THF gewaschen. Nach dem anschließenden einstündigen Einlegen in MP-H₂O wurden sie entnommen und wie oben beschrieben getrocknet. Diese Vorgehensweise wurde insgesamt fünfmal wiederholt, wobei man nach jedem Aufbringen einer weiteren Lage die Schichtdicke mittels Ellipsometrie bestimmte. Die Ergebnisse sind in Fig. 1 dargestellt.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, nimmt die Schichtdicke mit zunehmender Schichtanzahl linear zu, die Steigung der Ausgleichsgeraden beträgt ca. 4.7 Å/Schicht, was der Dicke einer Monolage entspricht.

3. Bestimmung der Wasserquellung einer dünnen Hydrogel-Schicht

Das Quellverhalten wurde mittels Ellipsometrie an einer dünnen Beschichtung untersucht. Die Schichtdickenänderung, die das Quellverhalten der Hydrogelschicht direkt widerspiegelt, wurde in-situ gemessen.

Die Proben wurden wie unter II.-1 beschrieben vorbehandelt. Nach dem Trocknen der Probe im gefilterten Stickstoffstrom wurde mittels Spincoating eine Lösung des Polymeren aus Herstellungsbeispiel 1 (5 mg/ml in trockenem THF) bei einer Geschwindigkeit von 6000 U/min. (40 sek.) wie unter II-2.2 beschrieben aufgetragen. Die so hergestellte Probe wurde dann eine Stunde in Wasser gelagert und nach dem Trocknen im gefilterten Stickstoffstrom 30 Minuten bei 90°C/0,1 getrocknet. Die getrocknete Probe wurde dann der Laboratmosphäre (20°C, 60% relative Luftfeuchtigkeit) ausgesetzt und die durch Wasseraufnahme verursachte Schichtdickenänderung wurde in-situ mittels Ellipsometrie untersucht. Die Ergebnisse der Untersuchung sind in Fig. 2 dargestellt.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, nimmt die Schichtdicke der getrockneten Probe durch den Kontakt mit der feuchten Luft zunächst kontinuierlich zu. Nach ca. 10 h ist keine weitere Schichtdickenzunahme mehr zu erkennen. Die gesamte relative Schichtdickenzunahme liegt bei ca. 2%, was einer absoluten Zunahme von einigen Angström entspricht.

4. Untersuchung der Adsorption von Biopolymeren durch Beobachtung der Diffusion von Einzelmolekülen

Als Substrate wurden Glas-Objektträger mit einer Vertiefung als auch Deckgläschen (d = 170 µm) verwendet und zunächst wie unter II-1. beschrieben vorbehandelt. Anschließend wurden die verwendeten Substrate mit dem Präpolymer aus Herstellungsbeispiel 3 in der für II-2.2 beschriebenen Weise beschichtet (Spincoating einer Lösung 5 mg/ml Präpolymer in trockenem THF bei einer Geschwindigkeit von 5000 U/min).

Die Untersuchung erfolgte mittels konfokaler Lasermikroskopie und mittels konfokaler Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) unter Verwendung des Fluoreszenzfarbstoffs MR 121. Der Farbstoff wurde in PBS-Puffer (140 mM NaCl, 10 mM KCl, 6,4 mM Na₂HPO₉ × 2H₂O, 2 mM KH₂PO₄) auf eine Konzentration von 10^-10 M verdünnt. 120 µl der Lösung wurden in die ca. 100 µl fassende Vertiefung des oben genannten Objektträgers pipettiert und mit dem 170 µm dicken beschichteten Deckgläschen abgedeckt. Als Referenz wurden ein unbeschichteter Glas-Objektträger und ein unbeschichtetes Deckgläschen verwendet.

Für die konfokale Lasermikroskopie wurde der Objektträger mit der Probe mit dem Deckgläschen nach unten über dem Mikroskopobjektiv positioniert. Durch Verschieben des Objektivs wurde der Laserfokus ca. 10 µm oberhalb des Deckgläschens in die Probelösung fokussiert.

Auf diese Weise konnten die Wechselwirkung des Farbstoffs (MR121), aber auch die mit dem Farbstoff markierten Oligonucleotide (MR 121-IPs) in Lösungen von 10^-9-10^-10 M in einem Volumen von ca. 1 µm³ direkt an der Glasoberfläche beobachtet werden. Um die Verhältnisse direkt an der Oberfläche zu beobachten, wurde das Anregungslicht des Lasers so auf die Glasoberfläche fokussiert, dass der Reflex, der durch den Glas-Wasser-Übergang verursacht wird, maximal war. Es zeigte sich, dass bei der Referenz die markierten Oligonucleotide aus der PBS (zusätzlich mit 5 mM MgCl₂) Lösung adsorbieren und dann nicht mehr frei beweglich waren. In den mikroskopischen Bildern konnten dann an der Oberfläche die einzelnen Moleküle lokalisiert werden. In dem erfindungsgemäß beschichteten Probenraum sind die Oligonukleotide demgegenüber - ähnlich wie in Lösung - frei beweglich und können wie in Lösung nicht lokalisiert werden, so dass für das gesamte Bild eine erhöhte Untergrundfluoreszenz gemessen wurde.

Durch die konfokale Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) kann die Wechselwirkung des Farbstoff-Oligonucleotide (MR 121- IPs) von 10^-9-10^-10 M mit der Oberfläche quantitativ gemessen werden (siehe auch M. Sauer et al., Anal. Chem. 2000, 72, 3717-3724). FCS-Kurven von homogenen Lösungen, das heißt alle Fluorophore verhalten sich gleich und können unter Vernachlässigung von Triplettermen durch einen sigmoidalen Fit beschrieben werden. Dessen Wendepunkt entspricht einer mittleren Diffusionszeit für die Bewegung eines Fluorophors durch das Detektionsvolumen. Je höher die mittlere Diffusionszeit, desto geringer ist die Wechselwirkung des Fluorophors mit seiner Umgebung oder, je höher die Diffusionszeiten des Fluorophors, desto stärker ist die Adhäsion des markierten Moleküls an den untersuchten Oberflächen. Dies kann als Qualitätsmerkmal einer nichtadhäsiven Beschichtung herangezogen werden.

Beschreibt man die FCS-Kurve für die Probe von MR 121-IP (T30) im Bereich der unbeschichteten Glasoberfläche (Glas, fokussiert auf 0 µm) mit einer sigmoidalen Kurve, erhält man einen Wendepunkt von ca. 1 Sekunde. Dies weist auf eine sehr starke Wechselwirkung des Farbstoffs mit der Glasoberfläche hin. Die FCS-Kurve für eine Probe von MR 121-IP (T30) auf erfindungsgemäß beschichtete Oberfläche (Hydrogel, fokussiert auf 0 µm) dagegen besitzt einen Wendepunkt bei 238 µs, was nahezu dem eines frei diffundierenden MR 121-IP entspricht. Wird das Detektionsvolumen 4 µm in die Lösung verschoben, kann im Falle des erfindungsgemäß beschichteten Glases kein Oberflächeneinfluss mehr festgestellt werden. Im Falle der Glasoberflächen kann man erkennen, dass die FCS-Kurve (Glas, fokussiert auf 4 µm) bei 23,5 ms einen Wendepunkt zeigt, was wiederum auf noch sehr deutliche Wechselwirkungen des fluoreszensmarkierten Oligonucleotids mit der Oberfläche hinweist. Erst wenn das Detektionsvolumen um 40 µm in die Lösung verschoben wurde nähern sich beide Kurven dem frei beweglichen MR 121-IP. Die erhaltenen Diffusionszeiten sind für MR 121- IP (T30) in Tabelle 6 zusammengefasst. Tabelle 6 Mittlere Diffusionszeiten von MR 121 auf und in verschiedenen Höhen über einer Glas- bzw. Hydrogeloberfläche

5. Zelladhäsionsexperimente

Die Zelladhäsionsexperimente wurden mit GFP-Actin 3T3 Fibroblasten (chicken) und MC3T3-E1 Osteoblasten (chicken) durchgeführt. Die Zellen wurden in 50 ml PMMA Zellkulturboxen bei 37°C und 5% CO₂ in einer wasserdampfgesättigten Atmosphäre in einem Inkubator aufbewahrt und repliziert. Die verwendeten Zellmedien sind Standardzellmedien. Für Fibroblasten bestand das Zellmedium aus einer wässrigen Lösung von 88 Vol% DMEM (Dulbecco's modified eagle's medium, Biochrom KG) mit 10 Vol% fetalem Kälberserum (FCS, Invitrogen), 1 Vol% Penecillinlösung (penstrep, Sigma), 1 Vol% Glutamin (Invitrogen) und 0,5 mg/ml Antibiotikum, Geneticin (Sigma), während für die Osteoblasten das Zellmedium aus einer wässrigen Lösung von 94 Vol% α-MEM (α- modified eagle's medium) mit 5 Vol% Kälberserum (FCS, Invitrogen) und 1 Vol% Glutamin (Invitrogen) hergestellt wurde. Die Zellen wurden regelmäßig gesplittet, um maximales Wachstum zu garantieren und die GFP Expression zu erhalten.

Adhäsionsexperimente wurden in sterilen PS Petrischalen (50 mm Durchmesser) durchgeführt. Vor der Zugabe der Zellen in die Petrischalen wurden diese mit 2 ml Trypsin pro Petrischale aus den Zellkulturboxen entfernt und anschließend in einer Zentrifuge (10 min. bei 1000 U/min.) als Bodensatz abgeschieden. Erneut mit Medium verdünnt, wurde die Zellsuspension anschließend mittels Pipetten auf die Substrate aufgebracht und anschließend inkubiert. Sofern die Zellen auf dem Substrat haften, bilden sie eine gleichmäßige Schicht, die im Lichtmikroskop gut zu erkennen ist. Wenn die Zellen sich nicht auf dem Substrat festsetzen können, also die Adhäsion der Zelle zum Substrat unterdrückt ist, sterben die Zellen ab und sind als kleine, runde Zellhaufen auf der Oberfläche zu erkennen.

Als Substrat diente in Versuch 1 ein erfindungsgemäß beschichtetes Glasplättchens das durch Spincoating nach der in II-2.2 angegeben Vorschrift mit einer Lösung des Präpolymeren aus Herstellungsbeispiel 3 (5,0 mg/ml) eines nach II-1. vorbehandelten Glasplättchen hergestellt wurde. Die Dicke der Beschichtung betrug etwa 50 nm. Die Probe wurde anschließend in der oben beschriebenen Weise mit der Zellsuspension behandelt und im Lichtmikroskop untersucht. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigt Fig. 3.

Fig. 3 zeigt, dass die Beschichtung zellresistent ist, denn die Zellen sind abgestorben und als kleine, runde Zellhaufen auf der Oberfläche zu erkennen. Die Oberfläche zeigt auch nach 120 h keinen Zellbewuchs, was die Langzeitwirkung und Stabilität der Beschichtung belegt. Ähnliche Ergebnisse findet man auch bei dünneren Beschichtungen, die eine Dicke von etwa 5 nm aufweisen.

Als Substrat diente in Versuch 2 und 2a jeweils Glasplättchen die durch Spincoating nach der in II-2.2 angegebenen Vorschrift mit einer Lösung des Präpolymeren aus Herstellungsbeispiel 3 (5,0 mg/ml bzw. 1 mg/ml) beschichtet worden waren (d = 15 nm bzw. d = 5 nm). Anschließend wurde eine Hälfte mittels Dipcoating mit Polystyrol (1,0 mg/ml bzw. 2,5 mg/ml in THF) beschichtet. Die Probe wurde anschließend in der oben beschriebenen Weise mit der Zellsuspension behandelt und im Lichtmikroskop untersucht. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen die Fig. 4a und 4b.

Aus den Fig. 4a und 4b geht hervor, dass die Zellen auf der mit Polystyrol behandelten Oberfläche kolonialisieren und auf der erfindungsgemäß beschichteten Oberfläche absterben.

Als Substrat diente in Versuch 3 Glasplättchen das auf der einen Hälfte durch Dipcoating nach der in II-2.1b angegebenen Vorschrift mit einer Mischung aus Präpolymeren aus Herstellungsbeispiel 3 (5,0 mg/ml) und Dextran gelöst in Wasser (20 mg/ml, d = 30 nm) beschichtet worden war. Die Probe wurde anschließend in der oben beschriebenen Weise mit der Zellsuspension behandelt und im Lichtmikroskop untersucht. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigt Fig. 5.

Aus Fig. 5 geht hervor, dass die Zellen auf der unbehandelten Oberfläche kolonialisieren und auf der erfindungsgemäß beschichteten Oberfläche absterben.

Claims

1. Verwendung von sternförmigen Präpolymeren, die im Mittel wenigstens vier Polymerarme A aufweisen, welche für sich gesehen in Wasser löslich sind und an ihren freien Enden eine reaktive funktionelle Gruppe R tragen, die mit hierzu komplementär reaktiven funktionellen Gruppen R' oder mit sich selber unter Bindungsbildung reagieren können, zur Herstellung ultradünner, Hydrogel-bildender Beschichtungen.

2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Gruppe R ausgewählt ist unter Isocyanat-Gruppen, (Meth)acrylgruppen, Oxiran-Gruppen, Carbonsäureestergruppen und die reaktive Gruppe R' ausgewählt ist unter primären und sekundären Aminogruppen, Thiolgruppen, Carboxylgruppen und Hydroxylgruppen.

3. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Gruppe R ausgewählt ist unter ethylenisch ungesättigten, radikalisch polymerisierbaren Doppelbindungen.

4. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das sternförmige Präpolymer im Mittel 6 bis 8 Polymerarme aufweist.

5. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das sternförmige Präpolymer ein zahlenmittleres Molekulargewicht im Bereich von 2000 bis 20000 g/mol aufweist.

6. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Polymerarme ein zahlenmittleres Molekulargewicht im Bereich von 300 bis 3000 g/mol aufweisen.

7. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Polymerarme A ausgewählt sind unter Poly-C₂-C₄-alkylenoxiden, Polyoxazolidonen, Polyvinylalkoholen, Homo- und Copolymeren, die wenigstens 50 Gew.-% N-Vinylpyrrolidon einpolymerisiert enthalten, Homo- und Copolymeren, die wenigstens 30 Gew.-% Acrylamid und/oder Methacrylamid einpolymerisiert enthalten, Homo- und Copolymeren, die wenigstens 30 Gew.-% Acrylsäure und/oder Methacrylsäure einpolymerisiert enthalten.

8. Verwendung nach Anspruch 7, wobei die Polymerarme A ausgewählt sind unter Polyethylenoxid, Polypropylenoxid und Polyethylenoxid/Polypropylenoxid-Blockcopolymeren.

9. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das sternförmige Präpolymer in Form einer wässrigen Zubereitung vorliegt.

10. Verfahren zur Herstellung ultradünner, Hydrogel-bildender Beschichtungen, dadurch gekennzeichnet, dass man

a) eine Lösung eines sternförmigen Präpolymers, das im Mittel wenigstens vier Polymerarme A aufweist, die für sich gesehen in Wasser löslich sind und an ihren freien Enden eine reaktive funktionelle Gruppe R tragen, auf die zu beschichtende Oberfläche aufbringt und

b) anschließend eine Verknüpfungsreaktion der reaktiven Gruppen untereinander durchführt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Oberfläche aufgebrachte Menge an Präpolymer so gewählt ist, dass eine Beschichtung in einer Stärke von weniger als 50 nm resultiert.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration an Präpolymer in der Lösung 0,001 mg/ml bis 100 mg/ml beträgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zu beschichtende Oberfläche in einer Weise vorbehandelt wurde, dass eine erhöhte Anzahl funktioneller Gruppen R' aufweist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche in einem Sauerstoff-haltigen Plasma behandelt wurde.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche mit einer Silanverbindung, die eine funktionelle Gruppe R' aufweist, vorbehandelt wurde.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass man die Verknüpfung der reaktiven Gruppen R durch Zugabe einer Verbindung V1 auslöst, die wenigstens zwei reaktive Gruppen R' pro Molekül aufweist, die mit den reaktiven Gruppen R des sternförmigen Polymers unter Bindungsbildung reagiert.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass man die Verknüpfung der reaktiven Gruppen R auslöst, indem man eine ausreichende Menge einer Verbindung V2 zugibt, die mit einem Teil der reaktiven Gruppen R unter Bildung reaktiver Gruppen R' reagiert, welche mit den verbliebenen reaktiven Gruppen R unter Bindungsbildung reagieren.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktiven Gruppen R Isocyanat-Gruppen sind und Verbindung V2 Wasser.

19. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppe R ausgewählt ist unter ethylenisch ungesättigten, radikalisch polymerisierbaren Doppelbindungen und die Vernetzung thermisch oder photochemisch ausgelöst wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass man

a) zunächst ein sternförmiges Präpolymer 1, das wenigstens vier Polymerarme A aufweist, die für sich gesehen in Wasser löslich sind und an ihren freien Enden eine reaktive funktionelle Gruppe R aufweisen, auf der zu beschichtenden Oberfläche aufbringt, gegebenenfalls eine partielle Vernetzung der reaktiven Gruppen R durchführt, wobei man eine Beschichtung erhält, die an ihrer Oberfläche noch reaktive Gruppen R aufweist,

b) anschließend wenigstens ein weiteres sternförmiges Präpolymer 2, das wenigstens vier Polymerarme A aufweist, die für sich gesehen in Wasser löslich sind und an ihren freien Enden eine reaktive funktionelle Gruppe R' aufweisen, die mit den reaktiven Gruppen R des sternförmigen Polymers unter Bindungsbildung reagieren, auf die so behandelte Oberfläche aufbringt, gegebenenfalls eine Vernetzung der Gruppen R' auslöst

und gegebenenfalls die die Schritte a) und b) ein oder mehrfach wiederholt.

21. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass man

a) ein sternförmiges Präpolymer 1, das wenigstens vier Polymerarme A aufweist, die für sich gesehen in Wasser löslich sind und an ihren freien Enden eine reaktive funktionelle Gruppe R aufweisen, auf der zu beschichtenden Oberfläche aufbringt,

b) eine ausreichende Menge einer Verbindung V2 zugibt, die mit einem Teil der reaktiven Gruppen R unter Bildung reaktiver Gruppen R' reagiert, welche mit den verbliebenen reaktiven Gruppen R unter Bindungsbildung reagieren, wobei man eine Beschichtung erhält, die an ihrer Oberfläche funktionelle Gruppen R' aufweist,

c) anschließend wenigstens ein weiteres sternförmiges Präpolymer 1 auf die so behandelte Oberfläche aufbringt und erneut eine Vernetzung der Gruppen R durch Zugabe einer Verbindung V2 auslöst

und gegebenenfalls die Schritte b) und c) ein- oder mehrfach wiederholt.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass man in die Beschichtung ein biologisch aktives Material und/oder Zellmaterial inkorporiert.