DE10311163A1

DE10311163A1 - Surface modification to reduce adsorption of proteins, cells, bacteria and/or viruses involves use of dendritic or hyper-branched polymers, e.g. organosulfur- bonded polyglycerols

Info

Publication number: DE10311163A1
Application number: DE2003111163
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr. Haag; Conrad Siegers; Rolf Prof. Dr. Mülhaupt
Original assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2003-03-12
Filing date: 2003-03-12
Publication date: 2004-09-23
Also published as: DE10311163A8

Abstract

Surfaces are modified by dendritic or hyper-branched polymers of branching degree 10-100 (especially 50-100)%, the polymers being such that they: (a) include repeat or branched units of glycerol-derived ethers or etheralcohols and/or carbonate, ester, imine, amide, urethane and/or ethersulfone comonomer units; and (b) can reduce the adsorption of proteins, cells, bacteria and/or viruses.

Description

Die Erfindung beschreibt die Darstellung und Anwendung von dünnen, kovalent gebundenen, dendritischen und hyperverzweigten Polymerfilmen als proteinabweisendes Oberflächenmaterial. Weiterhin reduziert die vorgelegte Erfindung die unspezifische Adhäsion von biologischen Spezies wie Zellen, Bakterien oder Viren, und sie erlaubt die spezifische Anbindung von Biomolekülen, Bakterien, Zellen und Viren über geeignete Liganden.The invention describes the representation and application of thin, covalently bound, dendritic and hyperbranched polymer films as a protein-repellent surface material. Furthermore, the presented invention reduces the non-specific adhesion of biological species like cells, bacteria or viruses, and they allowed the specific connection of biomolecules, bacteria, cells and Viruses over suitable ligands.

Proteine, Bakterien, Zellen und Viren können an einer fest-flüssig Grenzfläche adsorbieren, wenn die Oberfläche Lösungen bzw. Suspensionen dieser Spezies ausgesetzt wird. Beispiele, bei denen dieses Phänomen ungewollt auftritt, sind die Adsorption von zellulären, biologischen Spezies an künstliche Oberflächen von medizinischen Geräten, an Materialien zum Transfer von Medikamenten, Impfstoffen und an Biosensoren (J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 3464-3473; Anal. Biochem. 1988, 168, 292-297). Komplikationen, die auf unspezifische Proteinadsorption an künstliche, in den menschlichen Körper eingebrachten Oberflächen [z.B. bei Kathetern (Langmuir 1995, 11, 4383-4385; J. Colloid Interface Sci. 1990, 139, 561-570), Implantaten (J. Biomed. Mater. Res. 1984, 18, 337-355) oder Prothesen (Dtsch. Zahnärztl. Z. 1988, 43, 719-727)] zurückgeführt werden können, sind Thrombosen, Infektionen oder Irritationen (Langmuir 2001, 17, 1225-1233; Chem. Rev. 1992, 92, 1799-1818). In Biosensoren führt die unspezifische Proteinadsorption zu einer Beeinträchtigung ihrer Funktionstüchtigkeit. Oben genannte Materialien können auch zur Vermeidung der Biofilmbildung, der Anreicherung von Bakterien, Schimmel oder Meeresorganismen an Schiffen und anderen Geräten, die Gewässern ausgesetzt sind, eingesetzt werden. Trotz ihrer großen Bedeutung für oben genannte Anwendungen sind bis jetzt nur wenige Beispiele für proteinabweisende Materialien bekannt.Proteins, bacteria, cells and viruses can on one solid-liquid interface adsorb when the surface solutions or suspensions of this species is exposed. Examples, at those of this phenomenon unwanted occurs, are the adsorption of cellular, biological Species of artificial surfaces of medical devices, on materials for the transfer of medicines, vaccines and on biosensors (J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 3464-3473; Anal. Biochem. 1988, 168, 292-297). Complications related to nonspecific protein adsorption artificial, brought into the human body surfaces [E.g. in catheters (Langmuir 1995, 11, 4383-4385; J. Colloid Interface Sci. 1990, 139, 561-570), implants (J. Biomed. Mater. Res. 1984, 18, 337-355) or prostheses (Dtsch. Zahnärztl. Z. 1988, 43, 719-727)] to be led back can, are thrombosis, infection or irritation (Langmuir 2001, 17, 1225-1233; Chem. Rev. 1992, 92, 1799-1818). The leads in biosensors unspecific protein adsorption to impair their functionality. Above materials can also to avoid the formation of biofilm, the accumulation of bacteria, mold or marine organisms on ships and other devices that waters are exposed. Despite its great importance for above The applications mentioned so far are only a few examples of protein-repellent Known materials.

Ein weit verbreiteter Ansatz zur Unterdrückung der Biofilmbildung, die auf die unspezifische Adsorption biologischer Spezies zurückzuführen sind, ist die Beschichtung einer Oberfläche mit einem Film proteinabweisender Materialien. Beispiele für solche Materialien sind Dextrane (Biomaterials 2000, 21, 957-966) oder Poly(ethyloxazoline) (Macromolecular Symposia 1999, 142, 1-12; Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition 1994, 6, 91-109). Weiterhin wurde eine große Auswahl an Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht und verschiedenen Funktionalitäten auf eine Gold-/Glasoberfläche aufgebracht und auf ihre proteinabweisenden Eigenschaften untersucht (Langmuir 2001, 17, 5605-5620; J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 8308-8304).A widespread approach to suppression of biofilm formation, which is based on the non-specific adsorption of biological Species are attributed coating a surface with a film is more protein-repellent Materials. Examples of such Materials are dextrans (Biomaterials 2000, 21, 957-966) or Poly (ethyloxazoline) (Macromolecular Symposia 1999, 142, 1-12; Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition 1994, 6, 91-109). Farther became a big one Selection of compounds with low molecular weight and various functionalities a gold / glass surface applied and examined for their protein-repellent properties (Langmuir 2001, 17, 5605-5620; J. At the. Chem. Soc. 2000, 122, 8308-8304).

Das gebräuchlichste Beispiel als Material zur Reduzierung der Proteinadsorption ist Poly(ethylenglycol) (EG)_n, ein linearer, flexibler, hydrophiler und wasserlöslicher Polyether. SAMs, die Oligo(ethylenglycol)-Einheiten an der Oberfläche präsentieren [wie bei HS(CH₂)₁₁-(EG)_nOH und -(EG)_nOCH₃] stellen ebenfalls eine proteinabweisende Oberfläche dar, sogar dann, wenn die Anzahl an Ethylenglykol-Einheiten größer gleich drei ist. PEG findet breite Anwendung als Material zur Beschichtung von biomedizinischen Geräten, hat jedoch den Nachteil der Oxidationsempfindlichkeit. Es wird entweder in Anwesenheit von Übergangsmetallionen durch O₂ oder in vivo enzymatisch zu entsprechenden Aldehyden und Säuren oxidiert (Langmuir 2001,17, 5605-5620).The most common example as a material for reducing protein adsorption is poly (ethylene glycol) (EG) _n , a linear, flexible, hydrophilic and water-soluble polyether. SAMs that present oligo (ethylene glycol) units on the surface [as with HS (CH ₂ ) ₁₁ - (EG) _n OH and - (EG) _n OCH ₃ ] are also a protein-repellent surface, even if the number of ethylene glycol units greater than or equal to three. PEG is widely used as a material for coating biomedical devices, but has the disadvantage of being sensitive to oxidation. It is oxidized either in the presence of transition metal ions by O ₂ or in vivo enzymatically to corresponding aldehydes and acids (Langmuir 2001, 17, 5605-5620).

Daraus resultiert ein Bedarf an proteinabweisenden Oberflächen, die nicht auf der Derivatisierung mit EG-Einheiten beruhen. Van der Heiden beschreibt eine Poly (ether urethan)-Oberfläche die mit Phosphorylcholin derivatisiert wurde und so gegenüber Protein- und Blutplättchenadsorption passiviert wurde (J. Biomed. Mater. Res. 1998, 40, 195-203). Deng et al. beschreibt SAM_s auf der Basis von Tri(propylensulfoxid)-Gruppen, denen auch Alkan-terminierten Ketten beigemischt werden können, zur Darstellung einer Oberfläche mit proteinabweisenden Eigenschaften (J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 5136-5137).This results in a need for protein-repellent surfaces that are not based on derivatization with EG units. Van der Heiden describes a poly (ether urethane) surface which has been derivatized with phosphorylcholine and has thus been passivated for protein and platelet adsorption (J. Biomed. Mater. Res. 1998, 40, 195-203). Deng et al. describes SAM _s on the basis of tri (propylene sulfoxide) groups, to which alkane-terminated chains can also be added, to produce a surface with protein-repellent properties (J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 5136-5137).

Bestimmte Polymere zeigen ebenfalls proteinabweisende Eigenschaften. U. S. Patent No. 4,241,682 [(Konstandt)] beschreibt die Verwendung einer Polymerlösung zur Beschichtung einer lackierten Oberfläche zur Erhöhung der Lebensdauer des Lacks. Die Lösung besteht aus Polyethylenimin und einem hydrophilen Acrylpolymer. U. S. Patent No. 5,312,873 beschreibt die Umsetzung der an der Oberfläche befindlichen Nitrit-Gruppen einer polymeren Membran zu Amid-Gruppen, was ihrem Verfaulen durch Absorption entgegenwirkt. U. S. Patent No. 4,925,698 (Klausner et al.) beschreibt eine chemische Modifizierung von polymeren Oberflächen, die eine Verbesserung der Resistenz der Oberfläche gegen Proteinadsorption bewirkt. Insbesondere ist an der chemischen Modifizierung eine Acylierung beteiligt. Ein Film aus linearem oder verzweigten Poly(ethylenimin), das über ein Carboxyl-terminiertes Thiol an eine Goldoberfläche angebracht wurde, wurde weiterhin mit Oligoethylenglykolcarbonsäuren derivatisiert und lieferte ein PEG-Analogon, dass proteinabweisende Eigenschaften zeigte (US patent no. 60/218,739; Langmuir 2001,17, 1225).Certain polymers also show protein-repellent properties. U.S. Patent No. 4,241,682 [(constant)] describes the use of a polymer solution for coating a painted surface to increase the life of the paint. The solution consists of polyethyleneimine and a hydrophilic acrylic polymer. U.S. Patent No. 5,312,873 describes the implementation of those on the surface Nitrite groups of a polymeric membrane to amide groups, what their Counteracts rotting by absorption. U.S. Patent No. 4,925,698 (Klausner et al.) Describes a chemical modification of polymers Surfaces, which improve the surface's resistance to protein adsorption causes. In particular, chemical modification involves acylation involved. A film of linear or branched poly (ethyleneimine), the above attached a carboxyl-terminated thiol to a gold surface was further derivatized with oligoethylene glycol carboxylic acids and provided a PEG analog that had protein-repellent properties showed (US patent no. 60 / 218,739; Langmuir 2001, 17, 1225).

Da es kein Material gibt, dass der Adsorption von Proteinen, Bakterien, Zellen und Viren völlig entgegenwirkt, besteht nach wie vor die Notwendigkeit der Entwicklung neuer Materialien mit proteinabweisenden Eigenschaften.Since there is no material that the Completely counteracts adsorption of proteins, bacteria, cells and viruses, there is still a need to develop new materials with protein-repellent properties.

Zusammenfassende Beschreibung der ErfindungSummary Description of the invention

Dieses Patent beschreibt die Darstellung und Anwendung von hyperverzweigten und dendritischen Polymerfilmen, die proteinabweisende Eigenschaften zeigen und das Ausmaß der Adhäsion von Zellen und/oder Bakterien an Oberflächen reduziert. Diese Polymere beinhalten Polyether, Polyimine, Polyamide, Polyester und/oder Polyethersulfone als Struktureinheiten. Vorzugsweise beinhalten sie Polyether, besonders bevorzugt dendritische und hyperverzweigte Polyglycerine. Polyglycerin-Derivate mit reaktiven, funktionellen Gruppen wurden dargestellt und sowohl kovalent als auch über nicht-kovalente Wechselwirkungen auf eine Oberfläche aufgepfropft; beispielsweise an Goldoberflächen über Organoschwefel-Gruppen, an Silicium-Oberflächen über geeignete Silan-Linker oder an geladene Oberflächen wie SiO₂, TiO₂ und anderen Metalloxiden über Polyelektrolyt-Ankergruppen, die jeweils kovalent an das proteinabweisende Polymer gebunden sind. Das Ausmaß der Proteinadsorption an diese Polyglycerin-modifizierten Oberflächen wurde durch Oberflächenplasmonen-Spektroskopie (SPR-Spektroskopie) quantifiziert. Es war bedeutend niedriger als jenes an eine unbehandelte Referenzoberfläche. Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass ein Film aus hyperverzweigtem Polyglycerin, das eine große Zahl an freien Wasserstoffbrückenbindungs-Donorgruppen aufweist und an einer Gold/Glas-Oberfläche immobilisiert ist, im gleichen Ausmaß proteinabweisend ist wie Monolagen aus Oligoethylenglycoleinheiten. Letztgenannte Oberflächen weisen die besten, bisher bekannten proteinabweisenden Eigenschaften auf. Zuvor durchgeführte Studien an methylierten Zuckerderivaten schlossen darauf, dass proteinabweisende Eigenschaften mit der Abwesenheit von Wasserstoffbrückenbindungs-Donorgruppen in Zusammenhang stehen (J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 8308). Auch zeigten lineare, modifizierte Polyamin-Filme bessere proteinabweisende Eigenschaften als ihre verzweigten Analoga (Langmuir 2001, 17, 1225). Überraschenderweise zeigten unsere Ergebnisse, dass ein vollständig methyliertes Polyglycerin mit einer Thioctinsäure-Gruppe zur Immobilisierung keinerlei proteinabweisende , Eigenschaften auf der Goldoberfläche besitzt, und dass dendritische und hyperverzweigte Polymere mit einem Verzweigungsgrad von über 10%, vorzugsweise von über 50%, besonders bevorzugt jene mit OH-Gruppen an der Oberfläche, zur Oberflächenmodifizierung von Materialien und Geräten herangezogen werden können, und dadurch die unspezifischen Adsorption biologischer Spezies (z.B. Proteine, Bakterien, Zellen und Viren) reduzieren.This patent describes the preparation and use of hyperbranched and dendritic polymer films which show protein-repellent properties and reduce the extent of adhesion of cells and / or bacteria to surfaces. These polymers include polyethers, polyimines, polyamides, polyesters and / or polyether sulfones as structural units. They preferably contain polyethers, particularly preferably dendritic and hyperbranched polyglycerols. Polyglycerol derivatives with reactive, functional groups were prepared and grafted onto a surface both covalently and via non-covalent interactions; for example on gold surfaces via organosulfur groups, on silicon surfaces via suitable silane linkers or on charged surfaces such as SiO ₂ , TiO ₂ and other metal oxides via polyelectrolyte anchor groups, each of which is covalently bound to the protein-repellent polymer. The extent of protein adsorption on these polyglycerol-modified surfaces was quantified by surface plasmon spectroscopy (SPR spectroscopy). It was significantly lower than that on an untreated reference surface. Surprisingly, it has now been found that a film made from hyperbranched polyglycerol, which has a large number of free hydrogen bond donor groups and is immobilized on a gold / glass surface, is protein-repellent to the same extent as monolayers made from oligoethylene glycol units. The latter surfaces have the best protein-repellent properties known to date. Previous studies on methylated sugar derivatives concluded that protein-repellent properties are related to the absence of hydrogen bond donor groups (J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 8308). Linear, modified polyamine films also showed better protein-repellent properties than their branched analogues (Langmuir 2001, 17, 1225). Surprisingly, our results showed that a fully methylated polyglycerol with a thioctic acid group for immobilization has no protein-repellent properties on the gold surface, and that dendritic and hyperbranched polymers with a degree of branching of more than 10%, preferably more than 50%, particularly preferably those with OH groups on the surface can be used to modify the surface of materials and devices, thereby reducing the non-specific adsorption of biological species (e.g. proteins, bacteria, cells and viruses).

Grundlage der vorliegenden Erfindung ist die einzigartige Struktur der dendritischen und hyperverzweigten Polymere als proteinabweisende Filme. Die kovalente Bindung der Polymere an die Oberfläche eines Substrats liefert eine im Vergleich zu physisorbierten Filmen robustere und stabilere proteinabweisende Beschichtung. Die Synthesestrategie basiert auf der kontrollierten Darstellung dendritischer und hyperverzweigter Polymere, die oberflächenaktive Funktionalitäten tragen: (i) der Synthese von hyperverzweigten und dendritischen Polymeren in Lösung ausgehend von einem Initiator, der eine oberflächenaktive Gruppe beinhaltet oder (ii) durch die Modifizierung des betreffenden Bulk-Polymer mit einer reaktiven Gruppe. Beispiele zur Darstellung von Polyglycerinen zur Oberflächenmodifizierung umfassen die Polymerisation von Glycidol ausgehend von einem Thiol-funktionalisierten Initiator oder die Umwandlung seiner OH-Gruppen in oberflächenaktive Organoschwefelgruppen. Diese Derivate wurden schließlich zur Beschichtung einer Oberfläche, die mit einer dünnen Goldschicht versehen wurde, durch Selbstanordnung herangezogen (1). In ähnlicher Weise können Polyglycerin-Derivate mit Ankergruppen zur Anbindung an Metalloxid-Oberflächen und Copolymere des Typs Polyglycerin-g-polyelektrolyt, die an geladene Oberflächen adsorbieren, dargestellt werden. Die oben genannten Strategien erlauben die Präparation von Materialoberflächen mit proteinabweisenden Eigenschaften, die ebenfalls das Ausmaß der Adhäsion von weiteren biologischen Spezies wie Zellen, Bakterien und/oder Viren reduzieren. Die dendritischen und hyperverzweigten Polymerfilme können ebenso als Träger für weiterer proteinabweisender Gruppen oder Liganden, die spezifisch Biomoleküle, Zellen, Bakterien oder Viren binden, dienen. Um die Proteinresistenz der oben genannten, mit kovalent gebundenem Polyglycerin modifizierten Oberflächen zu bestätigen wurden selbstanordnende Monolagen aus hyperverzweigtem Polyglycerin auf Gold dargestellt und das Ausmaß der Proteinadsorption an diese Oberflächen über SPR-Spektroskopie analysiert. Die Kontrolle der Oberflächenchemie eines semitransparenten, 50 nm dicken Goldfilms wurde über SAM-Bildung mit Organoschwefel-Derivaten des Polyglycerins erreicht (1). Die Menge an adsorbiertem Protein wurde relativ zu einer Referenzoberfläche bestimmt, indem die beschichteten Oberflächen innerhalb eines SPR-Spektrometers einer Proteinlösung ausgesetzt wurden (2).The basis of the present invention is the unique structure of the dendritic and hyperbranched polymers as protein-repellent films. The covalent binding of the polymers to the surface of a substrate provides a more robust and stable protein-repellent coating compared to physisorbed films. The synthesis strategy is based on the controlled display of dendritic and hyperbranched polymers which carry surface-active functionalities: (i) the synthesis of hyperbranched and dendritic polymers in solution starting from an initiator which contains a surface-active group or (ii) by modifying the bulk in question Polymer with a reactive group. Examples of the preparation of polyglycerols for surface modification include the polymerization of glycidol starting from a thiol-functionalized initiator or the conversion of its OH groups into surface-active organosulfur groups. These derivatives were eventually used to self-assemble a surface coated with a thin layer of gold ( 1 ). In a similar way, polyglycerol derivatives with anchor groups for binding to metal oxide surfaces and copolymers of the polyglycerol-g-polyelectrolyte type, which adsorb on charged surfaces, can be prepared. The strategies mentioned above allow the preparation of material surfaces with protein-repellent properties, which also reduce the extent of adhesion of other biological species such as cells, bacteria and / or viruses. The dendritic and hyperbranched polymer films can also serve as carriers for further protein-repellent groups or ligands that specifically bind biomolecules, cells, bacteria or viruses. In order to confirm the protein resistance of the above-mentioned surfaces modified with covalently bound polyglycerol, self-assembling monolayers made of hyperbranched polyglycerol on gold were shown and the extent of protein adsorption on these surfaces was analyzed by SPR spectroscopy. The control of the surface chemistry of a semitransparent, 50 nm thick gold film was achieved through SAM formation with organosulfur derivatives of polyglycerol ( 1 ). The amount of protein adsorbed was determined relative to a reference surface by exposing the coated surfaces to a protein solution within an SPR spectrometer ( 2 ).

Detaillierte Beschreibung der Erfindungdetailed Description of the invention

Zur Darstellung von hyperverzweigten Polyglycerin-Derivaten, die zur Oberflächenmodifikation eingesetzt werden konnten, wurden zwei verschiedene Syntheserouten verfolgt: (i) Die Polymerisation von Glycidol ausgehend von 4-Methoxybenzyl-geschütztem 3-Mercaptopropan-l,2-diol [Schema 1, Initiator = (MBz)MethoxybenzylS-CH₂-CHOR-CH₂OH], wie es bereits für ein weiteres Substrat beschrieben wurde (Macromolecules 2000, 33, 253), und anschließender Freisetzung der Thiol-Gruppe oder (ii) die Kupplung einer Disulfid-Gruppe an mehrere, bevorzugt eine OH-Gruppe pro Polyglycerin-Molekül.To prepare hyperbranched polyglycerol derivatives that could be used for surface modification, two different synthetic routes were followed: (i) The polymerization of glycidol starting from 4-methoxybenzyl-protected 3-mercaptopropane-1,2-diol [Scheme 1, initiator = (MBz) methoxybenzylS-CH ₂ -CHOR-CH ₂ OH], as has already been described for another substrate (Macromolecules 2000, 33, 253), and subsequent release of the thiol group or (ii) the coupling of a disulfide group to several, preferably one OH group per polyglycerol molecule.

Mono-Thiol funktionalisiertes Polyglycerin. Die Polymerisation von Glycidol (Macromolecules 2000, 33, 253) ausgehend von MBz-geschütztem 3-Mercaptopropan-l,2-diol analog zu Schema 1 lieferte Polyglycerine, die das erwünschte Initiatormolekül in das Polymerrückgrat inkorporiert hatten, was durch MALDI-TOF-Spektren klar nachgewiesen werden konnte. Die Freisetzung der Thiol-Gruppe im Initiatorrest gelang durch Rühren des Polyglycerin-SMBz in Trifluoroessigsäure (Schema 1).Mono-thiol functionalized polyglycerin. The polymerization of glycidol (Macromolecules 2000, 33, 253) starting from MBz-protected 3-mercaptopropan-1,2-diol analogous to Scheme 1 yielded polyglycerols that had incorporated the desired initiator molecule into the polymer backbone, as evidenced by MALDI-TOF spectra clearly demonstrated who could. The thiol group in the initiator residue was released by stirring the polyglycerol SMBz in trifluoroacetic acid (Scheme 1).

Disulfid funktionalisiertes Polyglycerin. Zusätzlich zu den mono-thiolfunktionalisierten Polyglycerinen wurde ein zweiter Ansatz ausgehend von unfunktionalisiertem Polyglycerin verfolgt. Dabei wurden durch partielle Veresterung mit Thioctinsäure in einem Schritt disulfid-funktionalisierte Polyglycerine erhalten (Schema 2). Es wurde von Polyglycerinen mit verschiedenen Initiatoreinheiten ausgegangen und verschiedene Funktionalisierungsgrade eingestellt. Die Funktionalisierung wurde durch Veresterung mittels DCC und DMAP in wasserfreiem DMF bei 0 – 25 °C über Nacht durchgeführt. Filtration und Dialyse der Reaktionsmischungen in MeOH erlaubte eine effektive Abtrennung der Nebenprodukte vom erwünschten, polymeren Produkt. Die kovalente Anbindung der Thioctinsäure an Polyglycerin wurde durch ¹H-NMR-Signale im Produkt bewiesen. Ein experimenteller Wert für den Funktionalisierungsgrad wurde aus dem Quotienten der Intensitäten der ¹H-NMR-Signale von Thioctinsäure und Polymerrückgrat erhalten. Durch die beiden beschriebenen Synthesestrategien war es möglich verschiedene Polyglycerin-Derivate darzustellen, die weiterhin zur Modifikation von Goldoberflächen eingesetzt werden konnten. Diese Verfahren wurden ebenfalls zur Immobilisierung von überwiegend methylierten Polyglycerin-Derivaten verwendet.Disulfide functionalized polyglycerin. In addition to the mono-thiol-functionalized polyglycerols, a second approach based on unfunctionalized polyglycerol was pursued. Partial esterification with thioctic acid gave disulfide-functionalized polyglycerols in one step (Scheme 2). It was assumed that polyglycerols with different initiator units and different degrees of functionalization were set. The functionalization was carried out by esterification using DCC and DMAP in anhydrous DMF at 0-25 ° C. overnight. Filtration and dialysis of the reaction mixtures in MeOH allowed an effective separation of the by-products from the desired polymeric product. The covalent attachment of thioctic acid to polyglycerol was proven by ¹ H-NMR signals in the product. An experimental value for the degree of functionalization was obtained from the quotient of the intensities of the ¹ H-NMR signals of thioctic acid and polymer backbone. The two synthetic strategies described made it possible to prepare various polyglycerol derivatives that could continue to be used to modify gold surfaces. These methods were also used to immobilize predominantly methylated polyglycerol derivatives.

Ein Beispiel für Polyglycerin-g-polyelektrolyt Pfropfcopolymere ist jenes aus Poly-L-lysin (PLL) und Polyglycerin. Dieses Copolymer wurde nach einer modifizierten Vorschrift von Kenausis et al. (J. Phys. Chem. B 2000, 104, 3298) zur Darstellung von PLL-g-PEG Copolymeren erhalten.An example of polyglycerol-g-polyelectrolyte graft copolymers is that of poly-L-lysine (PLL) and polyglycerol. This copolymer was based on a modified regulation by Kenausis et al. (J. Phys. Chem. B 2000, 104, 3298) for the preparation of PLL-g-PEG copolymers receive.

Die dargestellten schwefelfunktionalisierten Polymere bildeten selbstanordnende Monolagen auf einer Goldoberfläche (1). Die Quantifizierung der Proteinadsorption an diese Oberflächen und an eine hydrophobe Referenzoberfläche (Monoschicht aus Hexadecanthiol auf Gold) basierte auf Oberflächenplasmonen-Spektroskopie. Diese Methode erlaubt die Menge an adsorbiertem Protein zeitaufgelöst, relativ zur Referenz zu ermitteln. Nach der Exposition der jeweiligen Oberfläche mit einer Proteinlösung (z.B. Fibrinogen) und anschließender Spülung betrug die verbleibende Menge an Protein auf Polyglycerin-beschichteten Oberflächen weniger als 3% im Vergleich zur Referenzoberfläche (2). Überraschenderweise und im Gegensatz zu früheren Studien an Zuckerderivaten (J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 8308) zeigte ein überwiegend methyliertes Polyglycerin mit einer Thioctinsäure-Gruppe zur Immobilisierung keinerlei proteinabweisende Eigenschaften auf der Goldoberfläche. Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, dass die proteinabweisenden Eigenschaften von Polyglycerin seiner einzigartigen Architektur und der Anwesenheit freier Wasserstoffbrückenbindungs-Donor-Gruppen zuzuschreiben sind.The sulfur-functionalized polymers shown formed self-assembling monolayers on a gold surface ( 1 ). The quantification of protein adsorption on these surfaces and on a hydrophobic reference surface (monolayer of hexadecanethiol on gold) was based on surface plasmon spectroscopy. This method allows the amount of protein adsorbed to be determined in terms of time, relative to the reference. After exposure of the respective surface with a protein solution (e.g. fibrinogen) and subsequent rinsing, the remaining amount of protein on polyglycerol-coated surfaces was less than 3% compared to the reference surface ( 2 ). Surprisingly and in contrast to previous studies on sugar derivatives (J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 8308), a predominantly methylated polyglycerol with a thioctic acid group for immobilization did not show any protein-repellent properties on the gold surface. These results suggest that the protein-repellent properties of polyglycerin can be attributed to its unique architecture and the presence of free hydrogen-bond donor groups.

BeispieleExamples

Beispiel 1. Modifizierung von hyperverzweigtem Polyglycerin mit ThioctinsäureExample 1. Modification of hyperbranched polyglycerol with thioctic acid

In einem Schlenkkolben wurden unter Argon Polyglycerin (3.9 g, M_n = 2500), Thioctinsäure (0.32 g) und eine katalytische Menge DMAP vorgelegt. Nach vollständigem Lösen der Edukte in DMF (absolut., 10 ml) wurde der Ansatz auf 0°C gekühlt. Dicyclohexylcarbodiimid (DCC: 0.35 g in 1.5 ml DMF) wurde zugegeben. Nach 1 h wurde das Kühlbad entfernt. Der Ansatz wurde weitere 18 h bei RT gerührt. Die Reaktionsmischung wurde filtriert, der Rückstand wurde mehrmals mit DMF und MeOH gewaschen. Das Filtrat wurde am Vakuum eingeengt. Dialyse des Rückstandes in MeOH, Einengen des Schlauchinhalts und Trocknen am Hochvakuum lieferte die Titelverbindung als schwachgelbe, viskose Masse. Die Reinheit und der Funktionalisierungsgrad wurde über ¹H-NMR-Spektroskopie bestimmt.Polyglycerol (3.9 g, M _n = 2500), thioctic acid (0.32 g) and a catalytic amount of DMAP were placed in a Schlenk flask under argon. After the starting materials had been completely dissolved in DMF (absolute., 10 ml), the mixture was cooled to 0 ° C. Dicyclohexylcarbodiimide (DCC: 0.35 g in 1.5 ml DMF) was added. The cooling bath was removed after 1 h. The mixture was stirred at RT for a further 18 h. The reaction mixture was filtered, the residue was washed several times with DMF and MeOH. The filtrate was concentrated in vacuo. Dialysis of the residue in MeOH, concentration of the tube contents and drying under high vacuum gave the title compound as a pale yellow, viscous mass. The purity and the degree of functionalization was determined by ¹ H-NMR spectroscopy.

Beispiel 2. OberflächenmodifikationExample 2. Surface modification

Zur kovalenten Anbindung der Polyglycerin-Derivate wurde ein Glassubstrat, auf dass ein dünner Gold-Film (50 nm) aufgedampft wurde, einer 1 M Lösung der schwefelfunktionalisierten Polymere in Methanol über einen Zeitraum von 18 h ausgesetzt. Nach gründlichem Spülen mit MeOH und Wasser wurde die Proteinadsorption an die modifizierte Glasoberfläche mittels SPR-Spektroskopie nach der Vorschrift von Whitesides et al. (Langmuir 2001, 17, 1225) verfolgt.For covalent attachment of the polyglycerol derivatives was a glass substrate on which a thin gold film (50 nm) was evaporated a 1 M solution of the sulfur-functionalized polymers in methanol over a Exposed for 18 h. After rinsing thoroughly with MeOH and water protein adsorption on the modified glass surface SPR spectroscopy according to the Whitesides et al. (Langmuir 2001, 17, 1225).

Claims

Surfaces, those with dendritic or hyperbranched polymers of the degree of branching 10 - 100%, preferably 50-100%, were modified, the polymers being derived from glycerol Ethers and / or ether alcohols as repeating or branching units and / or carbonate, ester, imine, amide, urethane and / or ether sulfone comonomer units involve, and continue the adsorption of proteins, cells, Reduce bacteria and / or viruses.

As in claim 1, wherein the proportion of glycerol units Exceeds 10 mol%, the proportion of terminal units exceeds 30% and the content of Wasserstofibrückenbindungs donors (e.g. OH groups) exceeds 3 mol / kg, preferably 10 mol / kg.

As in claims 1-2, such surfaces by means of covalent or noncovalent grafting of the dendritic or hyperbranched polymer film on the surface.

As in claims 1-3, where the functional units of the polymer with poly or Oligoethylene glycol, phosphatidylcholine and / or other hydrophilic on amides, amide derivatives, cyclic esters, sugar derivatives, Amino acids, amino acid derivatives and / or oligonitrile based groups are derivatized and reduce the adsorption of proteins, cells, bacteria and / or viruses, such that the relative adsorption (with respect to a hydrophobic Reference surface, e.g. Mono layer of hexadecanethiol on gold) of fibrinogen 5% below.

As in claims 1-4, the surface with a thin one Gold film was documented.

As in claims 1-5, wherein the adsorbed polymer film is cross-linked.

As in claims 1-6, the surface being one Metal oxide, a polymer or an adsorbent for chromatography equivalent.

As in claims 1-7, the surface part of a biochip within a microfluidic system.

As in claims 1-8 based using the protein repellent coating on one or more layers of the protein-repellent material in an application in the medical or life science area.

As in claims 1-9, the surface part an implant.

As in claims 1-10, the material as a filter or membrane coating in filtration technology is used.

The use of polymer films as in claims 1-11 for coupling ligands to the functional groups of the polymer and generation of specific protein interactions.