DE4002513C1 - Modifying surface of membrane for e.g. dialysis - by coating with mono:functional polymer contg. at least one hydrophilic chain - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenmodifizierung von Substraten durch Aufbringen von Polymeren auf die Oberfläche der Substrate.The invention relates to a method for surface modification of substrates by applying polymers the surface of the substrates.
Im medizinischen und biologischen Bereich werden sowohl in der Forschung als auch in der routinemäßigen Prüfung Flüssigkeiten, welche proteinhaltiges Material als feste Partikel oder in gelöster bzw. gequollener Form enthalten, über Membrantrennprozesse untersucht bzw. aufbereitet. Ähnliche Systeme werden in der biotechnologischen Verfahrenstechnik ebenfalls über Membrantrennprozesse aufgearbeitet. Beispiele für solche Trennverfahren mittels Membranen wären etwa die Ultra- oder Mikrofiltration, die Dialyse, die Osmose oder die Reversosmose. Erwähnt werden sollen in diesem Zusammenhang auch die zahlreichen Enzymelektroden.In the medical and biological fields, both research as well as routine testing liquids, what proteinaceous material as solid particles or contained in dissolved or swollen form, about Membrane separation processes examined or prepared. Similar Systems are used in biotechnological process engineering also worked up via membrane separation processes. Examples for such separation processes using membranes would be about Ultra or microfiltration, dialysis, osmosis or reverse osmosis. In this context it should be mentioned also the numerous enzyme electrodes.
Obwohl die bei diesen Trennverfahren eingesetzten Membranen entsprechend dem jeweiligen Anwendungsfall aus unterschiedlichen Materialien bestehen und bzgl. ihrer Struktur sehr unterschiedlich aufgebaut sind, verfügen sie jedoch alle aufgrund ihres Fouling-Verhaltens und den damit verbundenen geringen Standzeiten nur über eine begrenzte Einsetzbarkeit bei proteinhaltigen Flüssigkeiten. Unter Fouling versteht man eine nichtspezifische Proteinadsorption an den Membranen, welche deren Permeabilität drastisch verringert. So wird z. B. bei der Filtration von Molke versucht, durch häufiges Rückspülen den Fouling-Belag auf den Membranen unter Kontrolle zu halten. Dies führt aber zu unerwünschten Unterbrechungen des Filtrationsprozessers. Z. T. werden auch Detergentien zum Rückspülen eingesetzt, was aber aus Verträglichkeitsgründen häufig nicht tolerierbar ist.Although the membranes used in these separation processes according to the respective application from different Materials exist and their structure is very are structured differently, but they all have because of their fouling behavior and the related short downtimes only due to limited usability for liquids containing protein. Under fouling a non-specific protein adsorption on the membranes, which drastically reduces their permeability. So z. B. tried in the filtration of whey, by frequent Backwash the fouling topping on the membranes To keep control. However, this leads to undesirable interruptions of the filtration processor. Sometimes detergents are also used used for backwashing, but for reasons of compatibility is often intolerable.
Diese Fouling-Probleme entstehen nicht nur bei Membran- Trennprozessen, sondern z. B. auch in der Medizin beim Einsatz von intra- bzw. extrakorpolaren Blutleitern und Kathetern, bei Blut- bzw. Insulinpumpen, bei künstlichen Organen, wie z. B. Niere oder Herz, sowie bei Herz-Lungen-Maschinen. Also überall dort, wo körperfremde Oberflächen mit proteinhaltigen Flüssigkeiten, wie z. B. Blut, in Kontakt kommen. Hierbei bilden sich durch Proteinablagerung nicht nur Fouling- Schichten, sondern durch diese Proteinablagerungen werden auch Gerinnungsprozesse ausgelöst, die zu Thrombosen oder Embolien führen können.These fouling problems do not only arise with membrane Separation processes, but z. B. also used in medicine of intra- or extracorpolar blood conductors and catheters, with blood or insulin pumps, with artificial organs, such as B. kidney or heart, as well as heart-lung machines. So wherever foreign surfaces with protein-containing Liquids such as B. blood come into contact. Protein deposition does not only form fouling Layers but through these protein deposits also triggered coagulation processes that lead to thrombosis or lead to embolism.
Proteinadsorption auf Sensormembranen und auf Membranen zur Probennahme aus Bioreaktoren verfälschen die Meßergebnisse und können die haftvermittelnden Schichten für zelluläre Ablagerungen und für Mikrobenbewuchs erzeugen.Protein adsorption on sensor membranes and on membranes sampling from bioreactors falsifies the measurement results and can use the adhesion-promoting layers for cellular Generate deposits and for microbial growth.
Besonders anfällig für Protein-Ablagerungen, vor allem an den Oberflächen, sind hydrophobe Membranen mit schlechter Benetzbarkeit, wie z. B. solche aus Polysulfonen oder aus Polyvinylidenfluorid. Vorteil dieser Polymere ist jedoch ihre thermische Stabilität, die garantiert, daß Membranen aus diesen Materialien gut sterilisierbar sind.Particularly susceptible to protein deposits, especially on the Surfaces, are hydrophobic membranes with poor wettability, such as B. those made of polysulfones or polyvinylidene fluoride. However, the advantage of these polymers is theirs thermal stability, which guarantees that membranes are made of these materials are easy to sterilize.
Da Membranen aus hydrophilen Polymeren, wie z. B. aus Cellulosederivaten, ein etwas verbessertes Anti-Fouling-Verhalten zeigen, hat man versucht, hydrophobe Polymere zu hydrophilisieren, z. B. durch Zusatz von hydrophilen Polymeren wie etwa Polyvinylacetat oder Polyvinylpyrrolidon (PVP) zu Polyvinylidenfluorid (EP 00 12 557 A1). Um jedoch gesteigerte hydrophile Effekte zu erreichen, müssen entweder so große Mengen an Polyvinylpyrrolidon zugesetzt werden, daß die mechanische Beständigkeit der resultierenden Membranen herabgesetzt wird, oder aber das Polyvinylacetat ist in einem zweiten aufwendigen Verfahrensschritt zu verseifen.Since membranes made of hydrophilic polymers, such as. B. from cellulose derivatives, a slightly improved anti-fouling behavior show, attempts have been made to hydrophilize hydrophobic polymers, e.g. B. by adding hydrophilic polymers such as Polyvinyl acetate or polyvinyl pyrrolidone (PVP) to polyvinylidene fluoride (EP 00 12 557 A1). However, in order to increase hydrophilic To achieve effects, either need such large amounts be added to polyvinylpyrrolidone that the mechanical Resistance of the resulting membranes reduced is, or the polyvinyl acetate is in a second to saponify complex process step.
Man hatte versucht, diesen Nachteil zu beheben, indem man das PVP durch energiereiche Strahlung auf PVDF-Membranen aufpropft (A. Niemöller und G. Ellinghorst, Die Angewandte Makromolekulare Chemie 151, Nr. 2489, 49-67 (1987)). Es ist jedoch bekannt, daß die Pfropfung sowohl einen technisch aufwendigen Prozeß darstellt, als auch zu einer ungleichmäßigen Verteilung des aufgepfropften Polymers führt. Durch diese Pfropfung von PVP auf PVDF-Membranen erfolgt zwar eine Hydrophilierung (Erhöhung der Wasseraufnahme um 45 Gew.-%), doch ist dieser Effekt an einen ganz bestimmten, nur schwer einstellbaren, engen Pfropfungsgrad gebunden. Wird dieser überschritten, so treten gegenteilige Effekte auf.Attempts had been made to remedy this disadvantage by the PVP through high-energy radiation on PVDF membranes grafted on (A. Niemöller and G. Ellinghorst, Die Angewandte Macromolecular Chemistry 151, No. 2489, 49-67 (1987)). It is however, it is known that grafting is both a technical represents complex process, as well as an uneven Distribution of the grafted polymer leads. By this grafting of PVP on PVDF membranes takes place Hydrophilization (increase in water absorption by 45% by weight), but this effect is very difficult on a certain one adjustable, tight degree of grafting. Will this the opposite effects occur.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Oberflächen von Substraten verschiedenster Art, wie z. B. von Membranen oder von medizinischen Geräten, wie etwa von Blutleitern oder von Kathetern, derart modifiziert und ausgerüstet werden können, daß deren Anti- Fouling-Verhalten gegenüber Proteinen, Mikroorganismen und Zellfragmenten drastisch verbessert wird und nur eine minimale Proteinablagerung in der Größenordnung einer submolekularen Schicht entsteht, ohne jedoch gleichzeitig deren physikalischen Eigenschaften, wie etwa deren Stabilität, nachteilig zu verändern. Dieses Verfahren soll unabhängig vom Substratmaterial und unabhängig von der Struktur der Substrate anzuwenden sein. The object of the invention is to provide a method with which the surfaces of different substrates Kind of like B. of membranes or medical devices, such as blood lines or catheters, such can be modified and equipped so that their anti Fouling behavior against proteins, microorganisms and Cell fragments are dramatically improved and only minimal Protein deposition on the order of a submolecular Layer arises, but without its physical Properties, such as their stability, disadvantageous to change. This procedure is intended to be independent of Substrate material and regardless of the structure of the substrates be applicable.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß man monofunktionelle Polymere, die eine oder mehrere hydrophile, lineare oder verzweigte Ketten enthalten, wobei innerhalb jeder Kette der hydrophile Charakter deren hydrophoben überwiegt, oder Mischungen dieser monofunktionellen Polymere, jeweils über die funktionelle Gruppe der Polymere und über reaktive Gruppen an der Oberfläche der Substrate durch chemische Bindungen an der Oberfläche der Substrate fixiert, so daß das eine Ende der hydrophilen Ketten fixiert ist, und die Beweglichkeit des(r) anderen Ende(n) der hydrophilen Ketten ganz oder teilweise erhalten ist. Überraschenderweise wurde gefunden, daß man zu einer drastischen Verbesserung des Anti-Fouling- Verhaltens von Substraten, wie z. B. von Membranen oder von medizinischen Geräten, wie etwa Blutleiter oder Katheter, kommt, wenn man die Oberfläche der Substrate in dieser Weise modifiziert. Die Anbindung der monofunktionellen Polymere an die verschiedensten Oberflächen erfolgt in der Weise, daß die hydrophilen Polymerketten mit einem Ende an der zu schützenden Oberfläche angebunden werden, so daß sie mit dem(n) anderen Ende(n) frei in der Lösung "baumeln". Überraschenderweise wurde gefunden, daß ein "Rasen" von hydrophilen Polymerketten, die nur mit einem Ende an der Oberfläche der Substrate fixiert sind, so daß das andere Ende der hydrophilen Polymerketten in Flüssigkeiten frei beweglich ist, eine drastische Verringerung der Adsorption von Proteinen, Mikroorganismen oder Zellfragmenten bewirkt. Dadurch daß die hydrophilen Polymerketten nicht nur durch Adhäsionskräfte, sondern durch echte chemische Bindungen an der Oberfläche der Substrate fixiert sind, ist eine dauerhafte Beschichtung, d. h. eine dauerhafte Modifizierung der Substratoberflächen gegeben. Die hydrophilen Polymerketten können also nicht von der Substratoberfläche gespült werden.This task is solved by being monofunctional Polymers containing one or more hydrophilic, linear or contain branched chains, with within each chain the hydrophilic character whose hydrophobic predominates, or mixtures of these monofunctional polymers, each via the functional group of the polymers and via reactive groups on the surface of the substrates through chemical bonds the surface of the substrates fixed so that one end of the hydrophilic chains is fixed, and mobility the other end (s) of the hydrophilic chains entirely or partially preserved. Surprisingly, it was found that a drastic improvement in anti-fouling Behavior of substrates such. B. of membranes or medical devices, such as blood lines or catheters, comes when you look at the surface of the substrates in this way modified. The connection of the monofunctional polymers the most varied of surfaces takes place in such a way that the hydrophilic polymer chains with one end to the protective surface to be tied, so that it with "dangle" the other end (s) freely in the solution. Surprisingly was found to be a "turf" of hydrophilic Polymer chains with only one end on the surface the substrates are fixed so that the other end of the hydrophilic polymer chains freely movable in liquids is a drastic reduction in the adsorption of Proteins, microorganisms or cell fragments. Because the hydrophilic polymer chains not only through Adhesive forces, but by real chemical bonds the surface of the substrates are fixed is permanent Coating, d. H. a permanent modification of the Given substrate surfaces. The hydrophilic polymer chains cannot be rinsed off the substrate surface.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß die proteinabweisende Wirkung der hydrophilen Polymerketten in der Weise von der Belegungsdichte abhängt, daß bei hohen Belegungsdichten die besten Wirkungen erzielt werden. Bei Flüssigkeiten, die ein bestimmtes Protein in dominierender Menge enthalten, ist eine Anpassung der Kettenlänge möglich, da überraschenderweise festgestellt wurde, daß die optimale Kettenlänge auch von der Art des Proteins abhängig ist.Surprisingly, it was found that the protein-repellent Effect of the hydrophilic polymer chains in the manner of the occupancy density depends on that at high occupancy densities the best effects are achieved. For liquids that contain a certain protein in a dominant amount an adjustment of the chain length possible, because surprisingly it was found that the optimal chain length too depends on the type of protein.
Nach herrschender Meinung wird an Oberflächen die Adsorption von Proteinen, die Anlagerung von Blutbestandteilen, die Thrombogenität, d. h. die Neigung, die Bildung von Blutgerinnung zu induzieren, deste geringer, je hydrophiler die Oberfläche ist, d. h. je kleiner der mit Wasser gemessene Randwinkel auf der Oberfläche ist. Überraschenderweise wurde gefunden, daß mit einer Oberflächenmodifizierung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Verminderung der Proteinadsorption erreicht wird, die nicht mit dem Wasserrandwinkel korreliert ist. Auf die Oberfläche eines Polyhydrogenmethylsiloxans wurden entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren Polyethylenglykoletherketten aufgepfropft und die Adsorption von Fibrinogen aus einer vorbeiströmenden Lösung (1,5 g/l Fibrinogen, 0,1 M NaCl, 0,01 M Phosphatpuffer; pH=7; v=0,5 ml/min bei 1 mm Zuführungsschlauch-Durchmesser) untersucht. Hierbei zeigte sich überraschenderweise, daß mit zunehmender Kettenlänge des Polyethylenglykolethers (Formel 6) die adsorbierte Proteinmenge geringer wurde, obwohl zwischen n=7 und n=113 sowohl der Vorrück- als auch der Rückzug-Randwinkel fast konstant blieben oder eher leicht zunahmen.According to the prevailing opinion, adsorption occurs on surfaces of proteins, the accumulation of blood components, the Thrombogenicity, d. H. the tendency to form blood clotting to induce, the less, the more hydrophilic the Surface is d. H. the smaller the measured with water Contact angle is on the surface. Surprisingly found that with a surface modification according to the method according to the invention a reduction in protein adsorption is achieved that is not with the water rim angle is correlated. On the surface of a polyhydrogenmethylsiloxane were according to the invention Grafted polyethylene glycol ether chains and the Adsorption of fibrinogen from a flowing solution (1.5 g / l fibrinogen, 0.1 M NaCl, 0.01 M phosphate buffer; pH = 7; v = 0.5 ml / min with 1 mm feed hose diameter) was examined. It was surprisingly found that with increasing Chain length of the polyethylene glycol ether (formula 6) the amount of protein adsorbed decreased, although between n = 7 and n = 113 both the advancing and retreating contact angles remained almost constant or increased slightly.
Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwenden Polymere der allgemeinen Formeln (1) bis (4) oder Mischungen davon.Preferred embodiments of the method according to the invention use polymers of the general formulas (1) to (4) or mixtures thereof.
R¹-[(X¹-R³-)k-(X²-R⁴-)l]m-R-[(R⁵-X³-)o-(R⁶-X⁴-)p]n-R² (1)R¹ - [(X¹-R³-) k - (X²-R⁴-) l ] m -R - [(R⁵-X³-) o - (R⁶-X⁴-) p ] n -R² (1)
R¹-(X¹-R³-)m-R-(R⁴-X²-)n-R² (2)R¹- (X¹-R³-) m -R- (R⁴-X²-) n -R² (2)
R¹-[(R³-X¹-)k-(R⁴-X²-)l]n-R² (3)R¹ - [(R³-X¹-) k - (R⁴-X²-) l ] n -R² (3)
R-(R³-X¹-)n-R² (4)R- (R³-X¹-) n -R² (4)
R bedeutet die funktionelle Gruppe, über die man die Polymere (1) bis (4) an der Oberfläche der Substrate fixiert, R¹ bzw. R² sind unpolare, polare nicht ionische oder ionische Gruppen, mit R³ bis R⁶=Alkyl (C₁ bis C₆), Aryl, Alkaryl oder Aralkyl, jeweils linear oder verzweigt, X=O oder S, und k bis p=1 bis 400, vorzugsweise n und/oder m=5 bis 300. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit kann man Polymere der allgemeinen Formeln (1) bis (4) einsetzen, wobei R¹ bzw. R² z. B. Alkyl- (substituiert oder unsubstituiert, z. B. Trifluormethyl-), Carboxy-, Sulfonsäure-, Sulfonamid-, Nitro- oder quatäre Ammonium-Gruppen sein können.R means the functional group through which the polymers (1) to (4) fixed to the surface of the substrates, R¹ or R² are non-polar, polar non-ionic or ionic Groups with R³ to R⁶ = alkyl (C₁ to C₆), aryl, alkaryl or aralkyl, each linear or branched, X = O or S, and k to p = 1 to 400, preferably n and / or m = 5 to 300. Polymers can be used without restriction of generality of the general formulas (1) to (4), where R¹ or R² z. B. alkyl (substituted or unsubstituted, e.g. Trifluoromethyl), carboxy, sulfonic acid, sulfonamide, Nitro or quaternary ammonium groups can be.
Besonders gute Ergebnisse erhält man, wenn man als Polymere Polyether der allgemeinen Formel (5) verwendet,You get particularly good results when you look at polymers Polyether of the general formula (5) used,
R-[(CH₂)m-O-]n-R¹ (5)R - [(CH₂) m -O-] n -R¹ (5)
wobei R die funktionelle Gruppe bedeutet, über die man die Polymere (5) an der Oberfläche der Substrate fixiert, mit R¹= Alkyl (C₁ bis C₆), m=1-6 und n=3-300. Solche Polyether können z. B. Polyethylenoxide der allgemeinen Formel (6) sein,where R is the functional group through which the Polymers (5) fixed on the surface of the substrates, with R¹ = Alkyl (C₁ to C₆), m = 1-6 and n = 3-300. Such polyethers can e.g. B. polyethylene oxides of the general formula (6) be
R-(CH₂-CH₂-O-)n-CH₃ (6)R- (CH₂-CH₂-O-) n -CH₃ (6)
wobei R wieder die funktionelle Gruppe bedeutet, über die man die Polymere (6) an der Oberfläche der Substrate fixiert, mit n=3-250.where R again denotes the functional group via which the polymers (6) are fixed on the surface of the substrates, with n = 3-250.
Die funktionellen Gruppen R könnenThe functional groups R can
sein, wobei R⁷ eine nicht hydrolysierbare Gruppe und R¹³ eine Gruppe mit geeigneter Funktionalität für die Anbindung an das Polymer bedeutet, Y eine hydrolysierbare Gruppe ist, wie z. B. ein Halogen, eine Alkoxy-, Acyloxy- oder eine Amino-Gruppe, und q die Werte 0, 1 oder 2 annehmen kann. Unter Abspaltung des(r) Substituenten Y wird das Polymer an die Oberfläche gebunden.be, where R⁷ is a non-hydrolyzable group and R¹³ a group with suitable functionality for the connection to the polymer means Y is a hydrolyzable group, such as B. a halogen, an alkoxy, acyloxy or a Amino group, and q can have the values 0, 1 or 2. With the elimination of the (r) substituent Y, the polymer becomes bound the surface.
Die Anknüpfung der funktionellen Gruppen (R) an die Polymere erfolgt durch übliche chemische Reaktionen, bei denen ausgehend z. B. vom Polymeralkohol (R=OH) die OH-Gruppe in die funktionelle Gruppe R übergeführt wird, in dem der Polymeralkohol z. B. mit Allylbromid, Allylglycidylether, Hexamethylendiisocyanat, DMSO plus Essigsäureanhydrid, Phosgen, Cyanurchlorid oder 1,1′-Carbonyldiimidazol umgesetzt wird. Dies wird am Beispiel des Polyethylenglycols (PEG) (vergleiche Formel (6)) näher erläutert.Linking the functional groups (R) to the polymers takes place through usual chemical reactions, in which starting e.g. B. from the polymer alcohol (R = OH) the OH group in the functional group R is transferred in which the polymer alcohol e.g. B. with allyl bromide, allyl glycidyl ether, hexamethylene diisocyanate, DMSO plus acetic anhydride, phosgene, cyanuric chloride or 1,1'-carbonyldiimidazole is implemented. This is using the example of polyethylene glycol (PEG) (compare Formula (6)) explained in more detail.
Aus dem Alkohol wird durch Umsetzung mit Natrium in Toluol das Alkoholat erzeugt, welches dann mit Allylbromid den gewünschten, monofunktionellen Polyether (9) ergibt. Analog erfolgt die Umsetzung mit Allylglycidylether.The alcohol is converted into toluene by reaction with sodium generates the alcoholate, which is then mixed with allyl bromide to produce the desired monofunctional polyether (9) results. Analogue the reaction takes place with allyl glycidyl ether.
Geeignete PEG′e sind z. B. die folgenden Produkte der Firma Aldrich mit der allgemeinen FormelSuitable PEG's are e.g. B. the following company products Aldrich with the general formula
HO-(CH₂-CH₂-O-)n-CH₃.HO- (CH₂-CH₂-O-) n -CH₃.
PEG₅₀₀₀ (n=113), PEG₂₀₀₀ (n=45), PEG₇₅₀ (n=16), PEG₅₅₀ (n=12) und PEG₃₅₀ (n=7).PEG₅₀₀₀ (n = 113), PEG₂₀₀₀ (n = 45), PEG₇₅₀ (n = 16), PEG₅₅₀ (n = 12) and PEG₃₅₀ (n = 7).
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Oberflächen aller Substrate modifiziert werden, die an der Oberfläche reaktive Gruppen tragen, die zur Reaktion mit den funktionellen Gruppen (R) der Polymere befähigt sind. Solche Substrate bestehen z. B. aus Silicium, aus Silicatkeramiken oder aus Silicatgläsern, da diese an der Oberfläche Si-OH-Gruppen tragen, die mit den funktionellen Gruppen (R) der Polymere, wie z. B. den R⁷qY(3-q)Si- oder den R⁷qY(3-q)SiR¹³-Gruppen über eine Kondensationsreaktion, z. B. durch Abspaltung von HY, die gewünschte Fixierung an der Oberfläche durch chemische Bindungen ergeben.With the method according to the invention, the surfaces of all substrates can be modified which have reactive groups on the surface which are capable of reacting with the functional groups (R) of the polymers. Such substrates exist e.g. B. from silicon, from silicate ceramics or from silicate glasses, since these carry on the surface Si-OH groups, with the functional groups (R) of the polymers, such as. B. the R⁷ q Y (3-q) Si or the R⁷ q Y (3-q) SiR¹³ groups via a condensation reaction, for. B. by splitting off HY, the desired fixation on the surface by chemical bonds.
Analoges gilt auch für alle Substrate aus Metall (M), die an der Oberfläche M-OH-Gruppen tragen, welche aus der Oxid- Schicht MOx entstanden sind.The same applies analogously to all substrates made of metal (M) which carry on the surface M-OH groups which have formed from the oxide layer MO x .
Bei Substraten, die an der Oberfläche keine oder nur sehr wenige reaktiven Gruppen tragen, wurde überraschenderweise festgestellt, daß eine Beschichtung der Substrate mit linearen oder verzweigten Polyhydrogenorganosiloxanen, vor dem Aufbringen der monofunktionellen Polymere, die für die chemische Fixierung der monofunktionellen Polymere notwendigen reaktiven Gruppen liefert, da man die monofunktionellen Polymere nun über die Si-H-Gruppen der Polyhydrogenorganosiloxane chemisch an der Oberfläche der Substrate fixieren kann. Als erfindungswesentlich ist hier die Kombination einer Beschichtung der Oberfläche der Substrate mit linearen oder verzweigten Polyhydrogenorganosiloxanen mit der anschließenden chemischen Fixierung der hydrophilen Polymerketten an der Oberfläche der Substrate über die Si-H-Gruppen der Polyhydrogenorganosiloxane. Besonders vorteilhaft bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Tatsache, daß man die Belegungsdichte der Oberfläche mit den hydrophilen Polymerketten nun über die Dichte der Si-H-Gruppen der eingesetzten Polyhydrogenorganosiloxane steuern kann. In Abhängigkeit vom Anwendungsfall kann man nun die Oberfläche der Substrate mit einem dünnen oder einem dichten "Rasen" von hydrophilen Polymerketten belegen.For substrates that have no or only very little on the surface surprisingly, few reactive groups found that a coating of the substrates with linear or branched polyhydrogen organosiloxanes the application of the monofunctional polymers for the chemical fixation of the monofunctional polymers necessary reactive groups because the monofunctional Polymers now via the Si-H groups of the polyhydrogenorganosiloxanes chemically on the surface of the substrates can fix. The combination is essential to the invention coating the surface of the substrates with linear or branched polyhydrogen organosiloxanes with the subsequent chemical fixation of the hydrophilic Polymer chains on the surface of the substrates over the Si-H groups of the polyhydrogenorganosiloxanes. Especially advantageous in this embodiment of the invention The procedure is the fact that the occupancy density of the Surface with the hydrophilic polymer chains now over the Density of the Si-H groups used Can control polyhydrogen organosiloxanes. Depending on Use case you can now use the surface of the substrates a thin or dense "lawn" of hydrophilic Occupy polymer chains.
Es können z. B. auf keramischen Materialien oder auf Kunststoffen Beschichtungen mit Polyhydrogenorganosiloxanen mit Dicken von nur wenigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern aufgebracht werden, so daß auf diese Weise eine Vielzahl von Materialien mit einer proteinabweisenden Schicht versehen werden können. Solche Polyhydrogenorganosiloxan-Schichten haften besonders gut auf Oberflächen mit Silanol-Gruppen, wie z. B. auf Glas, Quarz oder Silicium. Gegebenenfalls kann vor der Beschichtung eine Ätzung der Oberfläche erforderlich sein.It can e.g. B. on ceramic materials or on plastics Coatings with polyhydrogenorganosiloxanes with Thicknesses from just a few nanometers to a few micrometers be applied so that a variety of Provide materials with a protein-repellent layer can be. Such polyhydrogen organosiloxane layers adhere particularly well to surfaces with silanol groups, such as B. on glass, quartz or silicon. If necessary etching of the surface required before coating be.
Besonders gute Resultate erzielt man, wenn man Polyhydrogenorganosiloxane der allgemeinen Formel (7) verwendet,Particularly good results are achieved when using polyhydrogen organosiloxanes of the general formula (7) used
mit R⁸ bis R¹¹=Alkyl, Aryl, Aralkyl oder Alkaryl, R¹²=H, r=2-∞. Die Darstellung der Substituenten R11, 12 bedeutet, daß an den Silicium-Atomen in nicht näher definierter Weise entweder H-Atome (=R¹²) oder die Substituenten R¹¹ sitzen können. Der prozentuale Anteil der H-Atome (=R¹²) an der Summe der Substituenten R¹¹+R¹² kann in einem weiten Bereich variiert werden, nämlich von 1% bis 100%. Besonders bevorzugt ist ein Anteil von 20 bis 100%. Auf diese Weise kann die Belegungsdichte der Substratoberfläche mit den hydrophilen Polymerketten gesteuert werden. Die Werte für r können zwischen 2 und ∞ liegen. Die Schreibweise "∞" soll verdeutlichen, daß die Obergrenze der technisch möglichen Kettenlängen nicht bekannt ist. Mit Sicherheit kann r Werte <1000 annehmen. Beispiele für solche Polyhydrogenorganosiloxane sind Polyhydrogenmethylsiloxane der allgemeinen Formel (8), mit R¹¹=CH₃, R¹²=H und r=1 bis ∞.with R⁸ to R¹¹ = alkyl, aryl, aralkyl or alkaryl, R¹² = H, r = 2-∞. The representation of the substituents R 11, 12 means that either H atoms (= R 12) or the substituents R 11 can be attached to the silicon atoms in an unspecified manner. The percentage of the H atoms (= R 12) in the sum of the substituents R 11 + R 12 can be varied within a wide range, namely from 1% to 100%. A proportion of 20 to 100% is particularly preferred. In this way, the coverage density of the substrate surface can be controlled with the hydrophilic polymer chains. The values for r can be between 2 and ∞. The spelling "∞" should clarify that the upper limit of the technically possible chain lengths is not known. R can certainly assume values <1000. Examples of such polyhydrogen organosiloxanes are polyhydrogenmethylsiloxanes of the general formula (8), with R¹¹ = CH₃, R¹² = H and r = 1 to ∞.
Kommerziell erwerbbare Polyhydrogenmethylsiloxane der allgemeinen Formel (8) sind z. B. die folgenden Produkte der Firma Petrach Systems, wobei "H-%" den prozentualen H-Anteil bedeutet und die Werte für r ca-Angaben sind.Commercially available polyhydrogenmethylsiloxanes of the general Formula (8) are e.g. B. the following company products Petrach Systems, where "H%" is the percentage of H means and the values for r are approximate.
Substrate, deren Oberflächen durch diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens modifiziert werden können, können z. B. aus Metallen, aus Silicium, aus Keramiken, aus Gläsern (mineralisch, organisch) oder Polymeren bestehen.Substrates, the surfaces of which by this embodiment of the method according to the invention can be modified e.g. B. from metals, from silicon, from ceramics, from glasses (mineral, organic) or polymers.
Die Beschichtung der Substrate kann durch Tauchbeschichtung, z. B. im Vakuum oder in Inertgasatmosphäre (N₂, Ar oder andere Edelgase) bei 120°C erfolgen. Nicht genügend fest an die Oberfläche gebundene Anteile werden durch Spülen unter Rückfluß mit einem organischen Lösungsmittel, z. B. mit Cyclohexan, entfernt. The substrates can be coated by dip coating, e.g. B. in vacuum or in an inert gas atmosphere (N₂, Ar or others Noble gases) at 120 ° C. Not tight enough to the Surface bound portions are refluxed by rinsing with an organic solvent, e.g. B. with cyclohexane, away.
Die Anknüpfung der hydrophilen Polymerketten an die Polyhydrogenorganosiloxane erfolgt in einer Hydrosylilierungsreaktion, z. B. mit allylterminierten Polymeren. Die Verwendung von Platinkatalysatoren für die Anlagerung von Silanen oder Siloxanen mit Si-H-Gruppen an Verbindungen mit olefinischen Doppelbindungen ist bekannt und z. B. in der DE-OS 26 46 726 bzw. in der DE-PS 31 33 869 beschrieben. Bevorzugt wird als Katalysator H₂PtCl₆ · 6H₂O. Die einzusetzende Menge an Platin- Katalysator beträgt 10-4 bis 10-6 Mol pro Mol SiH-Gruppen im Siloxan.The hydrophilic polymer chains are linked to the polyhydrogenorganosiloxanes in a hydrosylation reaction, e.g. B. with allyl-terminated polymers. The use of platinum catalysts for the addition of silanes or siloxanes with Si-H groups to compounds with olefinic double bonds is known and z. B. in DE-OS 26 46 726 or in DE-PS 31 33 869 described. H₂PtCl₆ · 6H₂O is preferred as the catalyst. The amount of platinum catalyst to be used is 10 -4 to 10 -6 moles per mole of SiH groups in the siloxane.
Am Beispiel eines mit Polyhydrogenmethylsiloxan (8) beschichteten Substrates und eines allylterminierten Polyethylenglycols (PEG) als hydrophile Polymerkette wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Man setzt einen Überschuß der mit den Allyl-Endgruppen versehenen Polyethylenglycole ein, um sicherzustellen, daß die im Siloxan enthaltenen SiH-Gruppen möglichst quantitativ reagieren. Bei der Durchführung der Reaktion werden das allylterminierte PEG und der Katalysator in einem in bezug auf die Reaktionspartner inerten Lösungsmittel bei einer Temperatur knapp unterhalb dessen Siedepunktes vorgelegt. Die Anknüpfung der hydrophilen Polymerketten auf die mit dem Polyhydrogenmethylsiloxan beschichteten Oberflächen erfolgt dann in der oben beschriebenen Reaktionslösung unter Stickstoffatmosphäre innerhalb von 20 bis 24 Stunden bei Temperaturen um 100°C. Bei Verwendung eines PEG mit einem Molekulargewicht von 750 D wurde mit dem im Beispiel beschriebenen Verfahren eine Belegungsdichte von 80%, bezogen auf die SiH-Stellen, erreicht. Randwinkelmessungen mit Wasser ergaben gegenüber Oberflächen aus Polydimethylsiloxan eine Verringerung der Randwinkel um ca. 50° (Vorrückrandwinkel) bzw. ca. 70° (Rückzugsrandwinkel). Wenn die Oberfläche einer langsam (laminar) strömenden Proteinlösung ausgesetzt wird, ist die Proteinadsorption auf der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren modifizierten Oberfläche um bis zu einem Faktor 10 reduziert im Vergleich zur unmodifizierten Polydimethylsiloxan- Oberfläche, bei einer Fibrinogenlösung (1,5 g/l) um ca. den Faktor 4.Using the example of a coated with polyhydrogenmethylsiloxane (8) Substrate and an allyl-terminated polyethylene glycol (PEG) as a hydrophilic polymer chain is the invention Procedure explained in more detail. You put an excess of the polyethylene glycols provided with the allyl end groups to ensure that those contained in the siloxane React SiH groups as quantitatively as possible. In the Carrying out the reaction will be the allyl-terminated PEG and the catalyst in one with respect to the reactants inert solvents at a temperature just below submitted to its boiling point. The connection of the hydrophilic Polymer chains on those with the polyhydrogenmethylsiloxane coated surfaces then takes place in the above described reaction solution under a nitrogen atmosphere within from 20 to 24 hours at temperatures around 100 ° C. When using a PEG with a molecular weight of 750 D was an occupancy density using the method described in the example of 80%, based on the SiH sites. Contact angle measurements with water showed Polydimethylsiloxane surfaces reduce the Edge angle by approx. 50 ° (advancing edge angle) or approx. 70 ° (Retreat edge angle). If the surface of a slow (laminar) exposed to flowing protein solution is the Protein adsorption on the according to the inventive method modified surface reduced by a factor of 10 compared to the unmodified polydimethylsiloxane Surface, with a fibrinogen solution (1.5 g / l) by approx Factor 4.
Auf Oberflächen, auf denen eine Polyhydrogenorganosiloxan- Schicht nicht gut haftet, wurde überraschenderweise gefunden, daß eine feste Haftung dadurch herbeigeführt werden kann, wenn man diese Oberflächen mit einer sehr dünnen (0.1 bis 10 nm) Silicium-Schicht ausrüstet. Dies kann z. B. durch Sputtern (Kathodenzerstäuben, Ionenzerstäuben), durch Plasmadeposition, durch Bedampfen oder durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase (CVD), ausgehend von Silanen oder von siliciumorganischen Verbindungen erfolgen. Sputterschichten werden mit großen Erfolgen auf die verschiedensten Materialien aufgebracht, wie z. B. auf keramische Materialien, wodurch eine ausgezeichnete Haftung der proteinabweisenden Schicht auf den verschiedensten Materialien erzielt werden kann. Analoges gilt für Metalle, die leicht oxidieren und deren Oxide an der Oberfläche der Substrate OH-Gruppen bilden können. Auch diese können mit den oben genannten Verfahren mit guten Resultaten auf die verschiedensten Materialien aufgebracht werden.On surfaces on which a polyhydrogen organosiloxane Layer does not adhere well, was surprisingly found that a firm liability can be brought about can, if these surfaces with a very thin (0.1 up to 10 nm) silicon layer. This can e.g. B. by Sputtering (cathode sputtering, ion sputtering), by plasma deposition, by vapor deposition or by chemical deposition from the vapor phase (CVD), starting from silanes or of organosilicon compounds. Sputter layers with great success on the most diverse Applied materials such. B. on ceramic materials, which ensures excellent adhesion of the protein-repellent Layer on various materials achieved can be. The same applies to metals that oxidize easily and their oxides on the surface of the substrates OH groups can form. These can also be done with the above mentioned methods with good results on a wide variety of materials be applied.
Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die Oberfläche der Substrate, vor der Beschichtung mit den Polyhydrogenorganosiloxanen bzw. vor dem Ankoppeln der hydrophilen Polymerketten, eine dünne Schicht Silicium oder eines Metalles (M), welches leicht oxidiert und dessen Oxid OH-Gruppen bilden kann, nach den oben beschriebenen Techniken aufgebracht, so daß an der Oberfläche der Substrate zunächst eine SiOx- bzw. MOx-Schicht entsteht, welche dann an der Oberfläche der Substrate Si-OH- bzw. M-OH-Gruppen ausbildet. Alternativ dazu kann bei der Beschichtung der Substrate auch direkt vom SiOx bzw. vom MOx ausgegangen werden. Die so vorbehandelten Substrate werden dann entweder mit den Polyhydrogenorganosiloxanen beschichtet, an die dann die hydrophilen Polymerketten angekoppelt werden, ober aber an die Oberfläche der so vorbehandelten Substrate erfolgt die Ankopplung der hydrophilen Polymerketten direkt über deren funktionelle Gruppen (R), wie z. B. über die R⁷qY(3-q)Si- oder über die R⁷yY(3-q)SiR¹³-Gruppen, ohne Zwischenbeschichtung mit Polyhydrogenorganosiloxanen. Auf diese Weise können die Oberflächen von Substraten aus nahezu allen Materialien modifiziert werden, da es eine Reihe von Verfahren gibt, mit denen auf Oberflächen dünne Schichten erzeugt werden können. So können z. B. auf diese Weise die Oberflächen nahezu aller metallischer, keramischer oder polymerer Substrate modifiziert werden. Ganz besonders geeignet ist diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Modifizierung von Polymer-Membranen, von keramischen oder von metallischen Membranen, sowie von Blutleitern und Kathetern.In a further embodiment of the method according to the invention, a thin layer of silicon or a metal (M), which is easily oxidized and whose oxide forms OH groups, is applied to the surface of the substrates, before coating with the polyhydrogenorganosiloxanes or before coupling the hydrophilic polymer chains can be applied according to the techniques described above, so that an SiO x or MO x layer is initially formed on the surface of the substrates, which then forms Si-OH or M-OH groups on the surface of the substrates. Alternatively, SiO x or MO x can also be used as a starting point for coating the substrates. The substrates pretreated in this way are then either coated with the polyhydrogenorganosiloxanes to which the hydrophilic polymer chains are then coupled, but the hydrophilic polymer chains are coupled directly to the surface of the substrates pretreated in this way via their functional groups (R), such as, for. B. on the R⁷ q Y (3-q) Si or on the R⁷ y Y (3-q) SiR¹³ groups, without intermediate coating with polyhydrogen organosiloxanes. In this way, the surfaces of substrates can be modified from almost all materials, since there are a number of methods with which thin layers can be produced on surfaces. So z. B. the surfaces of almost all metallic, ceramic or polymeric substrates can be modified in this way. This embodiment of the method according to the invention is very particularly suitable for modifying polymer membranes, ceramic or metallic membranes, and blood conductors and catheters.
Als besonders vorteilhaft erwies sich die Beschichtung mit Silicium oder mit geeigneten Metallen und anschließender Beschichtung mit Polyhydrogenorganosiloxanen, an die dann die hydrophilen Polymerketten fixiert werden, bzw. die Beschichtung mit Silicium oder mit geeigneten Metallen und anschließender Fixierung der hydrophilen Polymerketten. Erfindungswesentlich ist somit die Kombination der Beschichtung der Substrate mit Silicium bzw. mit geeigneten Metallen, verbunden mit einer Beschichtung aus Polyhydrogenorganosiloxanen und anschließender chemischen Fixierung der hydrophilen Polymerketten, bzw. die Kombination der Beschichtung der Substrate mit Silicium bzw. mit geeigneten Metallen, und anschließender chemischer Fixierung der hydrophilen Polymerketten. The coating also proved to be particularly advantageous Silicon or with suitable metals and subsequent Coating with polyhydrogenorganosiloxanes, to which then the hydrophilic polymer chains are fixed, or the Coating with silicon or with suitable metals and subsequent fixation of the hydrophilic polymer chains. Essential to the invention is thus the combination of Coating the substrates with silicon or with suitable ones Metals combined with a coating of Polyhydrogenorganosiloxanes and subsequent chemical Fixation of the hydrophilic polymer chains, or the combination coating the substrates with silicon or with suitable metals, and subsequent chemical fixation the hydrophilic polymer chains.
Bei metallischen Substraten, bei Substraten aus Metalloxiden und bei Substraten, die mit einer dünnen Metall- bzw. Metalloxidschicht bedeckt sind, also bei Substraten, deren Oberflächen mit Metall-OH-Gruppen belegt sind, kann die Fixierung der hydrophilen Polymerketten über Koppelreagenzien erfolgen, wie z. B. über γ-Aminopropyl-triethoxysilan ((EtO)₃Si(CH₂)₃NH₂), unter Abspaltung von Ethanol. Die Anknüpfung der hydrophilen Polymerketten erfolgt dann im vorliegenden Fall über die Amino-Gruppe des Koppelreagenzes und über geeignete funktionelle Gruppen (R) der Polymere. Im Falle des vorliegenden Koppelreagenzes ist es auch möglich, beide H-Atome der NH₂-Gruppe durch hydrophile Polymerketten zu ersetzen. Diese Methode eignet sich ganz besonders gut für die Modifizierung der Oberflächen von Metallen oder von Metalloxiden. Da es aber auch möglich ist, die Metalloxid- Basisschicht als haftvermittelnde dünne Schicht auf unterschiedlichste Materialien aufzubringen, ist damit eine weitere, universell anwendbare Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gegeben. Als Verfahren zur Aufbringung dieser Metalloxid-Schichten eignen sich sowohl die o. g. Verfahren wie Sputtern etc., als auch die Abscheidung aus metallorganischen Verbindungen oder aus Metallhydriden aus der Gasphase (CVD=chemical vapor deposition).For metallic substrates, for substrates made of metal oxides and for substrates with a thin metal or metal oxide layer are covered, i.e. with substrates whose The surfaces can be covered with metal OH groups of the hydrophilic polymer chains via coupling reagents take place such. B. on γ-aminopropyl-triethoxysilane ((EtO) ₃Si (CH₂) ₃NH₂), with the elimination of ethanol. The The hydrophilic polymer chains are then linked in the in the present case via the amino group of the coupling reagent and via suitable functional groups (R) of the polymers. in the If the coupling reagent is present, it is also possible to both H atoms of the NH₂ group through hydrophilic polymer chains to replace. This method is particularly well suited for the modification of the surfaces of metals or of Metal oxides. However, since it is also possible to Base layer as an adhesion-promoting thin layer on various Applying materials is another universally applicable embodiment of the invention Given procedure. As a method of application of these metal oxide layers are both the above. method such as sputtering etc., as well as the deposition from organometallic Compounds or from metal hydrides from the Gas phase (CVD = chemical vapor deposition).
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Oberfläche der Substrate mit funktionellen Gruppen versehen, z. B. mit Amino-Gruppen, an die dann die hydrophilen Polymerketten über geeignete funktionelle Gruppen (R) der Polymere chemisch fixiert werden. Diese Ausstattung der Oberflächen mit funktionellen Gruppen kann z. B. bei Kunststoffen durch bekannte, naßchemische Verfahren erfolgen oder mittels plasmachemischer Reaktionen, wie z. B. in einem N₂/H₂-Niederdruckplasma. Weitere Beispiele sind in der DE-PS 33 37 763 enthalten. Damit ist eine chemisch feste, stabile Anbindung der hydrophilen Polymerketten gewährleistet. Eine Vielzahl der unterschiedlichsten Materialien kann an der Oberfläche durch naßchemische Verfahren, durch Plasmadeposition, durch CVD- oder durch PVD-Techniken, wie z. B. Aufdampfen, Ionenplattieren oder Sputtern, mit reaktiven Gruppen versehen werden, so daß auf diese Weise ein weiter Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens gegeben ist.In a further embodiment of the method according to the invention the surface of the substrates with functional Provide groups, e.g. B. with amino groups to which then hydrophilic polymer chains via suitable functional groups (R) the polymers are chemically fixed. This equipment the surfaces with functional groups can e.g. B. at Plastics are made by known wet chemical processes or by means of plasma chemical reactions, such as. B. in one N₂ / H₂ low pressure plasma. Further examples are in DE-PS 33 37 763 included. This is a chemically solid, stable Connection of the hydrophilic polymer chains guaranteed. A Many different materials can be used on the Surface by wet chemical processes, by Plasma deposition, by CVD or by PVD techniques, such as e.g. B. evaporation, ion plating or sputtering, with reactive Groups are provided so that a further scope of the method according to the invention given is.
Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Oberfläche der Substrate mit einer Polymer-Schicht bedeckt und dann die Oberfläche dieser Polymer-Schicht durch naßchemische Verfahren, durch CVD- Technik, durch Plasmadeposition oder durch PVD-Technik mit reaktiven Gruppen versehen, über welche dann die hydrophilen Polymerketten über deren funktionelle Gruppen durch chemische Bindungen fixiert werden.In a further embodiment of the invention The surface of the substrates is treated with a Polymer layer covered and then the surface of this Polymer layer by wet chemical processes, by CVD Technology, by plasma deposition or by PVD technology with reactive groups, over which then the hydrophilic Polymer chains via their functional groups by chemical Bindings are fixed.
Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Oberfläche der Substrate durch Plasmapolymerisation mit einer Polymer-Schicht bedeckt, z. B. mit einer Polyolefin-, einer Polyfluorcarbon- oder einer Polysiloxan-Schicht, und an die an der Oberfläche dieser Polymer-Schicht befindlichen langlebigen Radikale durch Reaktion mit funktionelle Gruppen bildenden Agentien, wie z. B. mit Ammoniak, reaktive Gruppen geschaffen. Diese sind im Falle der Reaktion mit Ammoniak H₂N-Gruppen. An diese reaktiven Gruppen werden dann die hydrophilen Polymerketten chemisch fixiert.In a further embodiment of the invention Process the surface of the substrates by plasma polymerization covered with a polymer layer, e.g. B. with a polyolefin, a polyfluorocarbon or one Polysiloxane layer, and on the surface of this Polymeric layer located by long-lived radicals Reaction with functional group forming agents, such as e.g. B. with ammonia, reactive groups created. These are in the case of reaction with ammonia H₂N groups. To this reactive groups then become the hydrophilic polymer chains chemically fixed.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Membranen unterschiedlichster Art ausgerüstet werden. Bei Mikrofiltrationsmembranen wird durch die geringe Schichtdicke der hydrophilen Polymerketten der Porenradius nur unmerklich verringert, um ca. 8 bis 20 nm, was durch Verwendung einer Ausgangsmembran mit etwas größerem Porenradius berücksichtigt werden kann. Bei Ultrafiltrationsmembranen, deren Ausschlußgrenze unterhalb der Molekulargewichte der in Frage kommenden Proteine liegt, bei Molke z. B. unterhalb von 20 000, wird die Trenncharakteristik ebenfalls nur unmerklich durch die Ausrüstung mit hydrophilen Polymerketten beeinflußt, und man kann durch Verwendung von UF-Membranen mit etwas höherer Ausschlußgrenze die Trenncharakteristik anpassen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch Gastrennmembranen, z. B. Pervaporationsmembranen, modifiziert werden. Ferner können Polymermembranen sowie Metall- oder Keramikmembranen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren modifiziert werden. Weitere Anwendungsbereiche sind Schläuche und andere Teile für Probennahmesysteme, Rohrleitungen und andere (Bio-)Reaktorbauteile.With the method according to the invention, membranes can be of the most varied types Be equipped. For microfiltration membranes is due to the low layer thickness of the hydrophilic Polymer chains the pore radius is only slightly reduced, around 8 to 20 nm, which is achieved by using a starting membrane with a slightly larger pore radius can. For ultrafiltration membranes, their exclusion limit below the molecular weights of the proteins in question is whey z. B. below 20,000, the Separation characteristics also imperceptible due to the equipment influenced with hydrophilic polymer chains, and man can be achieved by using UF membranes with slightly higher Adjust the cut-off characteristic to the exclusion limit. With the Processes according to the invention can also use gas separation membranes, e.g. B. pervaporation membranes can be modified. Further can polymer membranes as well as metal or ceramic membranes be modified with the inventive method. Further Areas of application are hoses and other parts for Sampling systems, pipelines and other (bio) reactor components.
Die herabgesetzte Neigung zur Proteinadsorption macht die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren modifizierten Oberflächen auch geeignet für den Kontakt mit Blut, da die Neigung zur Bildung von Blutgerinnseln (Thromben, Embolien) und zu Ablagerungen aus dem Blut verringert wird. Mögliche Anwendungen sind Blutleiter, wie z. B. künstliche Arterien oder Venen, Blutfilter, Membranen, Schläuche und Pumpeninnenflächen im extrakorporalen Einsatz (künstliche Niere, Oxygenatoren), sowie Katheter und Implantate für den vorrübergehenden oder permanenten intrakorporalen Einsatz, wie z. B. Blutpumpen oder Insulinpumpen.The reduced tendency towards protein adsorption makes that surfaces modified by the process according to the invention also suitable for contact with blood since the inclination for the formation of blood clots (thrombi, emboli) and Deposits from the blood are reduced. Possible applications are blood conductors, such as B. artificial arteries or Veins, blood filters, membranes, tubing and pump inner surfaces in extracorporeal use (artificial kidney, oxygenators), as well as catheters and implants for the temporary or permanent intracorporeal use, such as. B. Blood pumps or insulin pumps.
Eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Bereitstellung von Säulenmaterial für die stationäre Phase bei der Flüssigphasenchromatographie. So sollte z. B. bei der Affinitätschromatographie ein proteinneutrales Material als Säulenmaterial verwendet werden, auf das die als Haftstellen wirkenden funktionellen Gruppen aufgepfropft werden. Another application of the method according to the invention is the provision of column material for the stationary Phase in liquid phase chromatography. So z. B. a protein-neutral material in affinity chromatography can be used as column material to which the as Functional groups grafted to traps will.
Die Brauchbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im folgenden anhand von Vergleichsversuchen belegt. Dazu wird ein Meßverfahren verwendet, das den zeitlichen Verlauf der Bildung und Auflösung von Adsorptionsschichten bzw. Ablagerungen in einer Strömungszelle erfaßt. Dafür wurde die Methode der fouriertransformierten Infrarotspektroskopie in eingeschränkter Totalreflexion angewendet (FTIR-ATR, ATR= attenuated total reflection). Die Polymere, an denen die Proteinadsorption untersucht wird, werden als dünne Schicht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf Germanium-Prismen aufgebracht. Für die Untersuchungen an modifizierten Polysiloxanen (Polyhydrogenorganosiloxan+Polyether) dient als Referenzoberfläche ein Polydimethylsiloxan (PDMSO).The usability of the method according to the invention is described in the following based on comparative experiments. This will uses a measurement method that shows the time course of the Formation and dissolution of adsorption layers or deposits detected in a flow cell. That’s why Fourier transform infrared method in restricted total reflection applied (FTIR-ATR, ATR = attenuated total reflection). The polymers on which the Protein adsorption is examined as a thin layer according to the inventive method on germanium prisms upset. For the investigations on modified Polysiloxanes (polyhydrogenorganosiloxane + polyether) is used a polydimethylsiloxane (PDMSO) as a reference surface.
Die so präparierten Prismen werden nacheinander in genauen Zeitabständen beidseitig in Kontakt mit laminar fließenden Lösungen von Phosphatpuffer, Protein, Phosphatpuffer und destilliertem Wasser gebracht. Dabei werden laufend IR- Spektren aufgenommen. Über die ins benachbarte Medium übertretende evaneszente Welle wird der zum Detektor hin austretende Strahl durch die optische Absorption im Grenzflächenbereich geschwächt. Auf diese Weise kann beispielsweise adsorbiertes Protein über seine Absorptionsbanden nachgewiesen werden.The prisms prepared in this way are sequentially in exact Intervals on both sides in contact with laminar flowing Solutions of phosphate buffer, protein, phosphate buffer and distilled water. IR- Spectra recorded. Via the into the neighboring medium The evanescent wave that crosses becomes the toward the detector emerging beam through the optical absorption in the interface area weakened. In this way, for example adsorbed protein over its absorption bands be detected.
Umlaufendes Lösungsmittel: 0,1 M NaCl+0,01 M Phosphatpuffer
(pH 7);
Proteinlösung: 10 ml Pufferlösung (Fibrinogenkonz. 1,5 g/l)+
20 µl¹²⁵ Jod markiertes Human-Fibrinogen (1,09 mg/ml, 100 µC/ml,
3,7 MBq, am Kalibrierungstermin, Fa. Amersham Nr. IM 53 PG);
Fließgeschwindigkeit 0,5 ml/min.Circulating solvent: 0.1 M NaCl + 0.01 M phosphate buffer (pH 7);
Protein solution: 10 ml buffer solution (fibrinogen concentration 1.5 g / l) + 20 µl¹²⁵ iodine-labeled human fibrinogen (1.09 mg / ml, 100 µC / ml, 3.7 MBq, on the calibration date, from Amersham No. IM 53 PG); Flow rate 0.5 ml / min.
Die ATR-Messung liefert eine Überlagerung der Spektren des Adsorbens und des Adsorbendums (Protein aus wäßriger Lösung). Zur Auswertung werden Differenzspektren zwischen den Spektren bei Umströmung mit reiner Phosphatpufferlösung und mit Proteinlösung gebildet. Die Menge an adsorbiertem Protein zu einem bestimmten Zeitpunkt wird durch Integration seiner charakteristischen Absorptionsbanden ermittelt. (z. B. "Amid-II-Bande" um 1550 cm-1).The ATR measurement provides a superimposition of the spectra of the adsorbent and the adsorbendum (protein from aqueous solution). Difference spectra between the spectra when flowing around with pure phosphate buffer solution and with protein solution are formed for evaluation. The amount of protein adsorbed at a given time is determined by integrating its characteristic absorption bands. (e.g. "Amide II band" around 1550 cm -1 ).
Zur Auswertung der Bandenintensitäten werden in Anlehnung an das Lambert-Beersche Gesetzt folgende Beziehungen verwendet:To evaluate the band intensities are based on the Lambert-Beers law uses the following relationships:
A - integrale Absorption (AE*cm-1)
ν₁, ν₂ - Absorptionsbereich der betr. IR-Bande
I, I₀ - IR-Intensität mit bzw. ohne Flußzelle
R - Reflexionskoeffizient
ε - molarer Absorptionskoeffizient
c - molare Konzentration
deff - effektive optische WeglängeA - integral absorption (AE * cm -1 )
ν₁, ν₂ - absorption range of the IR band concerned
I, I₀ - IR intensity with or without a flow cell
R - reflection coefficient
ε - molar absorption coefficient
c - molar concentration
d eff - effective optical path length
Durch Auftragen dieser Größen über die Zeit ergeben sich dann die Kurven, welche den Verlauf der Proteinadsorption und -desorption an präparierten Oberflächen aufzeigen, und in Fig. 1 dargestellt sind. By plotting these quantities over time, the curves result which show the course of protein adsorption and desorption on prepared surfaces and are shown in FIG. 1.
Fig. 1 zeigt die Flächenintegrale der Amid-II-Adsorptionsbanden als Funktion der Zeit in der Adsorptions- (0 bis ca. 100 min) und Desorptionsphase (ca. 100 bis 220 min). Kurve 1 beschreibt die Proteinadsorption an der Referenzoberfläche (PDMSO), Kurve 2 an einer modifizierten Polysiloxanoberfläche (Poly-(H)-Organosiloxan mit PEG₅₀₀₀-Ketten gepfropft), sowie die partielle Desorption nach Austausch der jeweiligen Lösungen. Fig. 1 shows the surface integrals of the amide II absorption bands as a function of time in the adsorption (0 to 100 min) and desorption (approx 100 to 220 min). Curve 1 describes the protein adsorption on the reference surface (PDMSO), curve 2 on a modified polysiloxane surface (poly- (H) -organosiloxane grafted with PEG₅₀₀₀ chains), and the partial desorption after exchange of the respective solutions.
Bei der modifizierten Oberfläche zeigt sich eine deutlich verminderte Fibrinogenadsorption.One shows clearly on the modified surface decreased fibrinogen adsorption.
Durch Verwendung einer radioaktiv markierten Proteinlösung und eines in der Strömungszelle gegenüber dem ATR-Prisma eingelegten Germaniumplättchens mit jeweils gleicher Beschichtung wurde die IR-Meßmethode durch nachträgliche Bestimmung der ¹²⁵Jod-Aktivität des Plättchens geeicht.By using a radioactively labeled protein solution and one in the flow cell opposite the ATR prism inserted germanium platelets, each with the same The IR measuring method was coated by subsequent Determination of the ²² iodine activity of the plate calibrated.
Nach Desorption und Trocknung wird die in der Flußzelle auf dem beschichteten Germanium-Plättchen verbliebene Radioaktivität in einem speziell abgeschirmten γ-Detektor gemessen und kann mit dem nach Spülung mit N₂ gemessenen Amid-IR- Signal verglichen werden.After desorption and drying, it is opened in the flow cell radioactivity remaining on the coated germanium plate measured in a specially shielded γ detector and can be measured with the amide IR after rinsing with N₂ Signal can be compared.
Die "irreversibel" absorbierte Menge von Protein wird unter Zugrundelegung der Annahme stöchiometrisch gleicher Verhältnisse von markiertem und nicht markiertem Protein in der Lösung und auf den Oberflächen berechnet.The "irreversible" amount of protein absorbed is under On the basis of the assumption of stoichiometrically identical relationships of labeled and unlabeled protein in the Solution and calculated on the surfaces.
Dabei ergabe sich für die hier verwendeten Absorptionseinheiten etwa 1,6 µg/cm² pro Einheit als Maß für die Belegungsdichte an Fibrinogen.This results in the absorption units used here about 1.6 µg / cm² per unit as a measure of the occupancy density on fibrinogen.
Claims (19)
R die funktionelle Gruppe bedeutet, über die man die Polymere an der Oberfläche der Substrate fixiert, und R¹ bzw. R² unpolare, polare nichtionische oder ionische Gruppen, mit R³ bis R⁶=Alkyl (C₁ bis C₆), Aryl, Alkaryl oder Aralkyl, X= O oder S, und k bis p=1-400, vorzugsweise n, m=5-300.2. The method according to claim 1, characterized in that polymers of the general formula R¹ - [(X¹-R³-) k (X²-R⁴-) l ] m -R - [(R⁵-X³-) o - (R⁶- X⁴-) p ] n -R² (1) and / orR¹- (X¹-R³-) m -R- (R⁴-X²-) n -R² (2) and / orR - [(R³-X¹-) k - (R⁴-X²-) l ] n -R² (3) and / or R- (R³-X¹-) n -R² (4), where
R is the functional group via which the polymers are fixed on the surface of the substrates, and R¹ or R² are nonpolar, polar nonionic or ionic groups, with R³ to R⁶ = alkyl (C₁ to C₆), aryl, alkaryl or aralkyl, X = O or S, and k to p = 1-400, preferably n, m = 5-300.
R die funktionelle Gruppe, über die man die Polymere an der Oberfläche der Substrate fixiert, bedeutet, mit R¹=Alkyl (C₁ is C₆), m=1-6 und n=3-300.4. The method according to claim 2, characterized in that the polymers used are polyethers of the general formula R - [(CH₂) m -O-] n -R¹ (5), where
R is the functional group via which the polymers are fixed on the surface of the substrates, with R¹ = alkyl (C₁ is C₆), m = 1-6 and n = 3-300.
R die funktionelle Gruppe bedeutet, über die man die Polymere an der Oberfläche der Substrate fixiert, mit n=3- 250.5. The method according to claim 4, characterized in that the polymers used are preferably polyethylene oxides of the general formula R- (CH₂-CH₂-O-) n -CH₃ (6), wherein
R is the functional group by means of which the polymers are fixed on the surface of the substrates, with n = 3-250.
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