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Die Erfindung betrifft neue Polymere mit amphoteren Eigenschaften. Dabei
handelt es sich um Verbindungen, die innerhalb des umgrenzten pH-Bereiches
zwischen 4 und 9 das Vorzeichen ihrer Nettoladung ändern. Die Polymere
besitzen einen isoelektrischen Punkt innerhalb des besagten pH-Bereiches,
bei dem die Nettoladung Null ist. Die erfindungsgemäßen Verbindungen können
zur Herstellung von pH-schaltbaren Nanokapseln oder pH-sensitiven
Polyelektrolytschichten oder -multischichten eingesetzt werden.
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Es ist dem Fachmann bekannt, dass sich die Nettoladung eines Polyampholyten
aus der Summe der Teilladungen der einzelnen funktionellen Gruppen ergibt.
Die Abhängigkeit dieser Nettoladung vom pH des Mediums beschreibt die
Gleichung
Z = Σ ni.((qi - 1) + (10(pKi-pH)/(1 + 10(pKi-pH))))
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Darin ist
z die absolute Anzahl der Ladungen an einem Polymermolekül
ni die Anzahl der funktionellen Gruppen mit einem dazugehörigen pKi und
qi die absolute Ladung der einzelnen ionischen Gruppe unterhalb ihres pK
(Bsp. Carboxyl = 0, einfache Stickstoffbase = 1, Phosphatgruppe der zweiten
Dissoziationsstufe = -1 etc.)
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Polyampholyte mit den oben geforderten Eigenschaften entstehen, wenn
mindestens einer der Ladungsträger einen pK im gewünschten Bereich
aufweist.
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Die US 3,929,743 beschreibt die Herstellung von Polyampholyten, umfassend
bis zu 40 mol% eines Monomers mit freier Carboxylgruppe und weiteren
nichtionischen Monomeren, wobei ein Teil der Carboxylgruppen durch
Umsetzung mit einer Aziridinylkomponente umgeladen wird. Das Verhältnis der
Ladungsträger soll zwischen 19 : 1 und 0,25 : 1 (Carboxyl zu
Carboxylaminoester) liegen. Nachteilig ist die Beschränkung der
funktionellen Gruppen auf insgesamt 40% der Monomereneinheiten im Polymer.
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Die WO 00/39176 beschreibt die Herstellung von hydrophilen Polyampholyten,
umfassend eine grosse Zahl möglicher anionischer oder kationischer
Monomere, wobei die kationischen Monomere bevorzugt im Überschuss
eingesetzt werden. Nur für diese Verbindungen werden die vorteilhaften
Eigenschaften in der Offenbarung ausgeführt.
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Die genannten Offenbarungen erfüllen zwar eine Reihe der oben genannten
Bedingungen, geben jedoch keine Vorgabe für eine gezielte Auswahl solcher
Polymere mit einem isoelektrischen Punkt zwischen 4 und 9 und beschreiben
eine solche Auswahl auch nicht als vorteilhaft. Nachteilhaft ist es
ebenfalls, dass die funktionellen Gruppen innerhalb der Polymere
statistisch angeordnet sind und gleichzeitig sowohl kationische als auch
anionische Gruppen mit pK-Werten ausserhalb des Bereiches von 4 bis 9
vorhanden sein können. Dadurch wird die Bildung intramolekularer
Salzbrücken favorisiert und nur ein geringer Teil der Ladungsträger steht
zur Interaktion mit anderen Molekülen zur Verfügung.
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Es bestand daher die erfindungsgemäße Aufgabe, Polymere herzustellen,
- - die einen isoelektrischen Punkt zwischen 4 und 9 aufweisen
- - eine grosse Anzahl funktioneller Gruppen umfassen und
- - eine geringe intramolekulare Salzbildung haben.
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Weitere Aufgaben der Erfindung bestanden darin, dass die Verbindungen
einfach zugänglich sein sollen. Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung war
es, Polyampholyte herzustellen, die biologisch abbaubar sind.
Erfindung
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Die gestellten Aufgaben werden gelöst durch Polyampholyte, von deren
ladungstragende Strukturelementen mehr als 50% als Zwitterionen aufzufassen
sind, wobei schon diese Strukturelemente einen isoelektrischen Punkt
zwischen 4 und 9 besitzt.
Erfindungsbeschreibung
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Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch Polyampholyte mit einem
hohen Anteil an geladenen Strukturelementen. Als Strukturelement wird die
kleinste sich wiederholende Gruppierung eines Polymers verstanden
(S. Hauptmann, Organische Chemie, Leipzig 1985).
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Die zwitterionischen Strukturelemente können durch weitere Strukturelemente
unterbrochen sein, so dass insbesondere alternierende oder statistische
Copolymere entstehen.
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Unter den geladenen Strukturelementen sind zwitterionische Komponenten mit
einem isoelektrischen Punkt zwischen 4 und 9 bevorzugt. Verbindungen, die
diese Bedingung erfüllen umfassen mindestens eine anionische funktionelle
Gruppe und mindestens eine kationische funktionelle Gruppe, wobei der pK-
Wert dieser Gruppen zwischen 3,5 und 9,5 liegt. Besonders bevorzugt sind
zwitterionische Monomere, bei denen alle pK-Werte ladungstragender Gruppen
nicht mehr als 3 Einheiten auseinander liegen. Ganz besonders bevorzugt
sind zwitterionische Monomere, bei denen alle pK-Werte ladungstragender
Gruppen nicht mehr als 1,5 Einheiten auseinander liegen.
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Bevorzugte anionische Gruppen sind Carboxylgruppen.
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Ihrer chemischen Natur nach sind die bevorzugten Kationen Stickstoffbasen
wie beispielsweise Piperazine, Imidazole und Morpholine oder
Thiomorpholine, Purine oder Pyrimidine.
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Bevorzugt sind solche Molekülfragmente, wie sie in biologischen Systemen
vorkommen, also beispielsweise 4-Imidazole (Histamin), 2-, 6- oder 9-Purine
(Adenine, Guanine, Adenosine oder Guanosine), 1-, 2- oder 4-Pyrimidine
(Uracile, Thymine, Cytosine, Uridine, Thymidine, Cytidine) oder auch
Pyridin-3-carbonsäuren (Nicotinsäureester oder -amide).
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Stickstoffbasen mit bevorzugten pKa-Werten entstehen auch durch einfache
oder mehrfache Substitution des Stickstoffatoms mit Niederalkanhydroxylen,
etwa Hydroxymethyl- oder Hydroxyethylgruppen. Geeignete organische Basen
aus dieser Gruppe sind beispielsweise Aminopropandiole, Triethanolamine,
Tris-(hydroxymethyl)methylamine, Bis-(hydroxymethyl)methylamine, Tris-
(hydroxyethyl)methylamine, Bis-(hydroxyethyl)methylamine oder die
entsprechend substituierten Ethylamine.
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Die Natur der Polymerbindung ist zunächst nicht wesentlich für die
Ausführung der Erfindung. Sie hat aber grossen Einfluss auf deren
Hydrolysestabilität und auf die biologische Abbaubarkeit der entstehenden
Verbindungen.
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Geeignete Bindungen sind beipsielsweise C-C-Bindungen, wie sie bei der
Polymerisation ethylenisch ungesättigter Verbindungen entstehen, weiterhin
-(C=O)-O-Bindungen in Polyestern; -(C=O)-NH-Bindungen in Polyamiden oder
Peptiden; -NH-(C=O)-O-Bindungen in Polyurethanen und andere mehr.
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Polyzucker wie beispielsweise Alginate oder Dextrane gehören ebenfalls zu
den geeigneten Polymeren.
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Die folgende Tabelle gibt beispielhaft Ausführungen für ethylenisch
ungesättigte Monomere, ohne das die Erfindung auf diese Ausführungsformen
zu beschränken ist.
Acrylamido-Histidine
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Der Rest R1 kann
Wasserstoff, Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl,
Hydroxymethyl, Hydroxyethyl, Hydroxypropyl oder
Hydroxyisopropyl sein.
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Anstelle der Acrylsäure kann sinngemäss auch
Crotonsäure stehen.
N-(Acrylamido)-Diaminobenzoesäuren
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Für den Rest
R1 und die ethylenisch ungesättigte Gruppe gelten
die oben gemachten Ausführungen. R2 ist unabhängig
davon Wasserstoff, Methyl, Ethyl, Propyl,
Isopropyl, Hydroxymethyl, Hydroxyethyl,
Hydroxypropyl oder Hydroxyisopropyl oder eine
Kombination dieser Reste.
Monomere umfassend Acrylsäure und Imidazol-(4,5)-
dicarbonsäure
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Der Rest R1 kann Wasserstoff,
Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Hydroxymethyl,
Hydroxyethyl, Hydroxypropyl oder Hydroxyisopropyl
sein.
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Anstelle der Acrylsäure kann sinngemäss auch
Crotonsäure stehen.
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Die beiden funktionellen Elemente sind über einen
Spacer miteinander verbunden. X und Y sind
bevorzugt unabhängig voneinander Stickstoff oder
Sauerstoff, die zwischen den beiden Heteroatomen
liegende Alkylkette hat 0 bis 8 C-Atome und ist
linear oder verzweigt oder zyklisch geschlossen
und kann weitere Hydroxylfunktionen enthalten. Der
Spacer kann auch ein Polyethylenglykol sein.
Maleinsäuremonoimidazole oder -morpholine oder
-thiomorpholine
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Der Rest R3 kann Wasserstoff,
X Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Hydroxymethyl,
Hydroxyethyl, Hydroxypropyl oder Hydroxyisopropyl
sein. Der Rest R3 kann auch eine weitere
Carbonsäurefunktion umfassen, insbesondere kann
anstelle der Maleisäure Aconitsäure stehen.
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X ist Sauerstoff oder Stickstoff, die zwischen X
und dem kationischen Rest liegende Alkylkette hat
0 bis 8 C-Atome und ist linear oder verzweigt oder
zyklisch geschlossen und kann weitere
Hydroxylfunktionen enthalten. ( )n kann auch ein
Polyethylenglykol sein.
Itaconsäuremonoimidazole oder -morpholine oder
-thiomorpholine
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X ist Sauerstoff oder Stickstoff, die zwischen X
und dem kationischen Rest liegende Alkylkette hat
0 bis 8 C-Atome und ist linear oder verzweigt oder
zyklisch geschlossen und kann weitere
Hydroxylfunktionen enthalten. ( )n kann auch ein
Polyethylenglykol sein.
Aconitsäuremonopiperazine
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X ist Sauerstoff oder Stickstoff, die zwischen X
und dem Piperazin liegende Alkylkette hat 0 bis 8
C-Atome und ist linear oder verzweigt oder
zyklisch geschlossen und kann weitere
Hydroxylfunktionen enthalten. ( )n kann auch ein
Polyethylenglykol sein.
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Das Piperazin kann an der N'-Position weiter
substituiert sein, insbesondere mit einem Methyl,
Ethyl, Propyl, Isopropyl, Hydroxymethyl,
Hydroxyethyl, Hydroxypropyl oder
Hydroxyisopropylrest.
Additionsprodukt aus Aminoethylpiperazin und Poly-
(alt-Maleinsäure/Butadien)
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Anstelle des
Piperazins können auch Morpholin, Thiomorpholin
oder Imidazol stehen.
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Gegenstand der Erfindung sind solche Polyampholyte, wie sie durch Einbau
der oben dargestellten Monomere in Polymerketten entstehen.
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Die Polyampholyte können in ihrer Ladungscharakteristik verändert sein,
wenn sie weitere geladene Monomere umfassen. Solche Monomere sind aus dem
Stand der Technik bekannt, anhand der eingangs erwähnten Formel können die
theoretisch erwarteten Ladungscharakteristiken berechnet werden. Bevorzugte
geladene Monomere sind monovalent. Besonders bevorzugte Monomere haben
ihren pK im Bereich zwischen 4 und 9. Die gleichzeitige Anwesenheit
komplementär geladener Monomere mit einem pK kleiner 4 bzw. größer 9 ist
nachteilig. Eine beispielhafte nachteilige Komposition umfasst gleichzeitig
Acrylamidosulfonsäuren und Acrylamidoammoniumverbindungen.
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Die Polyampholyte können weitere, insbesondere nichtionische Monomere
enthalten. Besonders bevorzugte Ausführungsformen sind:
- - statistische oder alternierende Copolymerisate der Acrylate oder
Crotonate mit Acrylamid.
- - alternierende Copolymerisate der Maleate, Itaconate oder Aconitate mit
Ethylen oder Butadien.
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Weitere Modifizierungen der Polymereigenschaften sind durch den Einbau
funktioneller Monomere zu erreichen, die etwa hydrophobe oder vernetzende
Eigenschaften aufweisen. Solche Modifizierungen sind aus dem Stand der
Technik bekannt.
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Es ist für den Gedanken der Erfindung nicht wesentlich, ob die Polymere
durch Polymerisation der genannten Monomere oder durch nachträgliche
Umsetzung von vorgeformten Polymeren mit den funktionellen Gruppen
hergestellt werden. In beiden Fällen sind Methoden zur Herstellung bekannt.
So können beispielweise Poly-(alt-Maleinsäureanhydrid/Ethylen) oder Poly-
(alt-Maleinsäureanhydrid/Butadien) oder Polyacryloylchlorid oder
Polyacrylsäureanhydrid leicht mit den Amino- oder Hydrofunktionen der
geladenen Gruppen umgesetzt werden.
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Die bisher genannten Polymere aus ethylenisch ungesättigten Monomeren sind
zumindest in ihrem Rückgrat nicht biologisch abbaubar. Die funktioneller.
Gruppen sind aber der Hydrolyse zugänglich und werden daher zuerst
entfernt.
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Sollen diese Polymere bei pharmazeutischen Anwendungen in den Körper
gebracht werden, so ist deren Akkumulation nur durch Ausscheidung zu
verhindern. Solche Polymere haben bevorzugt eine Molmasse von weniger als
100 kDa, besonders bevorzugt weniger als 30 kDa. Für ihre Funktionaliätt beim
Aufbau von Polyelektrolytmultischichten sind Molmassen von mehr als 10 kDa
vorteilhaft.
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Biologisch abbaubare Polymere sind aus den Polyzuckern zugänglich.
Vorteilhaft ist die Modifizierung von mindestens 20% bis zu 80% der
Carboxylgruppen eines Alginats durch kationische Komponenten mit einem pK
im Bereich zwischen 3,5 und 9,5. Geeignete Ladungsträger sind oben genannt.
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Die folgende Tabelle gibt beispielhaft Ausführungen für vorteilhafte
Strukturelemente in Polyzuckern, ohne das die Erfindung auf diese
Ausführungsformen zu beschränken ist.
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Die erfindungsgemässen Polyampholyte werden bevorzugt zur Herstellung von
Polyelektrolytmultischichten verwendet. Diese Schichten können planar oder
sphärisch geschlossen sein.
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Die Herstellung solcher Schichten ist wiederholt im Stand der Technik
beschrieben, so etwa in der DE 198 12 083, der WO 00/28972 oder WO 00/03797
oder auch in Decher& Schienoff, "Sequentially Assembled Thin Films", WILEY-
VCH, 2002.
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Polyelektrolytmultischichten nach dem Stand der Technik bestehen unabhängig
von ihrem Templat aus wasserlöslichen Polymeren, die durch ionische
Wechselwirkungen zusammengehalten werden. Wesentlich für ihre Struktur ist
das Vorhandensein einer Vielzahl von wechselwirkenden Gruppen an den
verwendeten Polymeren. Durch die beim Aufbau stattfindende Vernetzung wird
eine hohe Stabilität der Gesamtstruktur erzeugt. In den bisher offenbarten
Herstellungsvarianten oder Anwendungen wird der Abbau dieser Strukturen
nicht beschrieben, eher verweisen die Beispiele auf die extrem hohe
Stabilität der Multischichten. In einer Reihe von Fällen wird diese durch
chemische Vernetzung noch weiter erhöht.
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Es war daher nicht naheliegend, dass Multischichten von ausgesuchter
Zusammensetzung, insbesondere solche, die auch Polyampholyte umfassen, sich
im Unterschied zu der allgemeinen Beobachtung relativ leicht durch geringe
Änderungen des Milieus auflösen lassen. Solche Strukturen sind daher
besonders geeignet, Wirkstoffe zu transportieren und selektiv wieder
freizusetzen.
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Polyelektroyltmultischichten nach der erfinderischen Lehre werden
hergestellt, indem
- a) ein Templat in wäßriger Lösung mit einem ersten pH-Wert vorgelegt und
- b) verschieden geladene Polymere auf dem Templat abgeschieden werden,
wobei mindestens eines der Polymere ein Polyampholyt ist.
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Die erfindungsgemäßen Multischichten können nach ihrer Herstellung
aufgelöst werden, indem
- a) ein zweiter pH-Wert so eingestellt wird, dass eine Entladung
oder Umladung des Polyampholyten erfolgt.
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Geeignete Template nach i) sind anorganische oder organische Mikro- und
Nanopartikel, die kolloidal gelöst in wäßrigen Medien vorliegen. Diese
Gruppe umfasst insbesondere Mikropartikel einer Größe von weniger als 10 µm
und mehr als 20 nm, bevorzugt weniger 5 µm und mehr als 50 nm und besonders
bevorzugt weniger als 1 µm und mehr als 70 nm. Besonders geeignete Template
sind organische Partikel wie etwa Polymer-Latizes, aber auch Zellen oder
Zellbestandteile. Ganz besonders geeignete Template sind Liposomen oder Öl-
in Wasser-Emulsionen. Andere geeignete Template sind Kristalle. Weitere
geeignete Template sind planare Oberflächen, wie sie im Stand der Technik
beschrieben sind (Decher& Schienoff, "Sequentially Assembled Thin Films",
WILEY-VCH, 2002).
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Die Herstellung solcher Multischichten ist dem Fachmann bekannt, die
verschiedenen Herstellungsmethoden sind für die erfindungsgemäße Verwendung
nicht kritisch. Liposomen und Emulsionen oder auch Kristalle als bevorzugte
Template zeichnen sich dadurch aus, dass sie sehr leicht, etwa durch
Einwirkung von Detergenzien oder Lösungsvermittlern aus den Strukturen zu
entfernen sind. Sie eigenen sich daher zur Herstellung templatfreier
sphärisch geschlossener Multischichten (Nano- oder Mikrokapseln).
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Die Verwendung der mit den erfindungsgemässen Polyampholyten hergestellten
Multischichten erfolgt mit Vorteil bei der kontrollierten Freisetzung von
Wirkstoffen im oder am menschlichen Körper.
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So können beispielhaft Multischichten aus Polyampholyten (pI ca. 5) und
einem Polyanion bei einem pH-Wert von 4 hergestellt werden. Diese
Multischichten zerfallen bei pH-Werten grösser 5 und können für ein orales
Delivery von Wirkstoffen eingesetzt werden. Die Aufnahme erfolgt dabei in
leicht saurer Suspension, die Multischichten sind bei dem niedrigen pH des
Magens stabil und zerfallen aber beim Eintritt in das Duodenum.
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In einer anderen vorteilhaften Ausführung werden Polyampholyte (pI ca. 6)
und Polykationen zu Multischichten bei einem pH von 7 oder höher
verarbeitet. Diese Multischichten zerfallen bei pH-Werten kleiner 6 und
können für topische Applikationen eingesetzt werden, da der pH der Haut
etwa 5,5 beträgt.
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Dem Fachmann ist es ohne weiteres möglich, unter Nutzung der oben gegebenen
Auswahlkritierien solche Polyampholyte zu konstruieren, die für einen
bestimmten Verwendungszweck optimale Schalteigenschaften aufweisen.
Beispiel 1
Synthese eines Polyampholyten 1
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5 g Poly-(alt-ethylene/maleic anhydride), 100 kDa, werden in 100 ml trockenem
Dioxan gelöst. Dazu wird langsam 50 ml einer Lösung von 60 mMol 2-
Aminoethylmorpholin in Dioxan gegeben. Die Lösung wird 2 Stunden bei 50°C
gerührt und am Rotationsverdampfer auf 50 ml eingeengt. Dem Produkt werden
500 ml Wasser zugesetzt und der pH-Wert wird auf 7 eingestellt. Dioxan und
überschüssiges Aminoethylmorpholin werden durch Ultrafiltration entfernt,
das Polymer wird auf 100 ml eingeengt und anschließend lyophilisiert.
Beispiel 2
Synthese eines Polyampholyten 2
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2 g Dextran (70 kDa) werden in 100 ml Puffer (10 mM HEPES, 150 mN NaCl pH 8,0)
gelöst. Zur Lösung werden unter Rühren nacheinander 50 mMol L-Histidin und
20 mMol Natriumperiodat gegeben, es wird 5 Stunden bei 60°C gerührt. Dabei
wird der pH-Wert in einem Bereich zwischen 7 und 8 gehalten.
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Nach dem Abkühlen werden 50 mMol Natriumborhydrid zugegeben, die Mischung
wird dann über Nacht weiter gerührt.
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Die Reinigung des Polymers erfolgt wie oben durch Ultrafiltration, zur
Lagerung wird das Produkt lyophilisiert.