DE69314136T3

DE69314136T3 - Nanopartikeln von funktionalisierten polymeren, deren verfahren zur herstellung und deren verwendung

Info

Publication number: DE69314136T3
Application number: DE69314136T
Authority: DE
Inventors: Chantal Larpent; Jo Residence Mermoz - Bat. G Richard; Sophie Vaslin-Reimann
Original assignee: Prolabo SA
Current assignee: Prolabo SA
Priority date: 1992-06-04
Filing date: 1993-06-04
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2013-06-05
Also published as: DE69314136D1; EP0598091B2; FR2691969A1; NO940362L; DE69314136T2; ES2109504T3; ATE158593T1; WO1993024534A1; EP0598091A1; DK0598091T3; EP0598091B1; GR3025404T3; CA2114941A1; NO302177B1; FR2691969B1; DK0598091T4; CA2114941C; NO940362D0; JPH06509606A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polymerpartikeln, die eine Größe in der Größenordnung von etwa zehn Nanometer aufweisen und an ihrer Oberfläche ionogene oder reaktive Gruppen besitzen.
Die wässrigen Dispersionen von Polymerpartikeln, häufiger als Latex bezeichnet, werden traditionell in der Farbstoff-, in der Klebstoff-, in der Papier- und in der Textilindustrie verwendet.
Diese Dispersionen werden herkömmlicherweise durch Emulsionspolymerisation erhalten, wobei diese Technik es ermöglicht, Partikel mit einer bestimmten Größe von im allgemeinen größer als 0,1 Mikron herzustellen. Diese Eigenschaften verschaffen ihnen eine große, spezifische Oberfläche, die in vorteilhafter Weise bei jeder Anwendung, die den Teilchencharakter des Latex berücksichtigt, ausgenutzt werden kann.
In letzter Zeit hat sich die Verwendung von Laticen auf biomedizinisches Gebiet erstreckt und insbesondere auf immunologische Bestimmungsverfahren, wie die Diagnostika, die Adsorption von Proteinen und die Immobilisierung von Enzymen. Bei dieser Art der Anwendung besitzen die Latexpartikel herkömmlicherweise an ihrer Oberfläche reaktive Gruppen, welche geeignet sind in Kopplungsreaktionen mit biologischen Molekülen, wie z. B. Antikörpern, eine Rolle zu spielen.
Zahlreiche Arbeiten werden heute durchgeführt, um die Leistung und insbesondere die Empfindlichkeit der Bestimmung bei diesen Techniken in biologischen Bestimmungsverfahren zu erhöhen. Die Größe der in immunologische Bestimmungsverfahren einbezogenen Partikel ist sicherlich einer der Faktoren, die einen Einfluß auf die Empfindlichkeitsschwelle haben.
So ist z. B. bei optischen Bestimmungsverfahren, wie bei der Nephelometrie, wobei Licht durch die bei der Bildung von Antigen – Antikörper – Komplexen aggregierten Partikel gestreut und bei einer bestimmten Wellenlänge und einem bestimmten Messwinkel erfasst wird, die Intensität des durch eine bestimmte Suspension von Partikeln gestreuten Lichts von der Zahl und der Größe dieser Partikel abhängig. Je kleiner die Größe der Streuzentren am Anfang ist, desto mehr kann ihre Konzentration angehoben werden, um eine gleiche Intensität des gestreuten Lichts zu erzielen. Im extremen Fall von Partikeln mit einem sehr geringen Durchmesser von etwa 20 nm, kann ihre Streuungsintensität sogar vernachlässigt werden. Sobald die immunologische Reaktion beginnt und sich somit die Partikel zu Dubletten, Tripletten usw. zusammenfügen, wird das Licht in signifikanter Weise gestreut, was die quantitative Erfassung der Reaktion ermöglicht.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von Latexpartikeln, die eine geringe Größe aufweisen, d. h. eine Größe von etwa 10 Nanometer und zum Einsatz bei biologischen Bestimmungsverfahren geeignet sind.
In Bezug auf die angestrebte Anwendung ist es evident, dass diese Polymerpartikel im übrigen eine enge Granulometrie aufweisen müssen, um eine erhöhte Empfindlichkeit bei der Bestimmung zu erzielen, und dass sie an ihrer Oberfläche im Hinblick auf die biologischen Moleküle die zu bestimmen sind reaktive Gruppen aufweisen müssen.
Es stellen sich besondere Anforderungen, diese drei Merkmale gleichzeitig zu erhalten, denn dafür ist es erforderlich, funktionelle polare Monomere einzusetzen, welche teilweise in Wasser löslich sind und zunehmend die Neigung haben, in der wässrigen Phase zu polymerisieren, dies kann zu einer Destabilisierung der Dispersion führen, was eine Zunahme der mittleren Größe der Partikel durch Koaleszenz bewirkt sowie eine erhebliche Verbreiterung der granulometrischen Verteilung.
Die Aufgabe, die im Rahmen der Erfindung gestellt und gelöst wurde, ist somit die Bereitstellung eines neuen Verfahrens zur Herstellung dieses Typs von Latexpartikeln die gleichzeitig drei Voraussetzungen erfüllen, nämlich die geringe Größe, die enge Granulometrie und die Funktionalisierung.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer wässrigen Dispersion von Polymer-Nanopartikeln mit einem Polymergehalt von 1 bis 25% ihres Gewichts an Nanopartikeln, ausgedrückt als Trockenextrakt des die Partikel bildenden Polymeren, wobei die Polymer-Nanopartikel eine enge granulometrische Verteilung und eine Größe von 10 bis 50 Nanometer aufweisen und an ihrer Oberfläche ionogene oder reaktive Gruppen, die gleich oder verschieden sein können, ausgewählt aus OH, SO₃H, SO₃R, SO₄R, COOH, CHO, PhCH₂Cl, NH₂, NR₂, NR₃, wobei R ein Alkylrest mit C₁ bis C₃ ist, CONH₂, NH-NH₂, CN, CO₂(CH₂)nOH, wobei n eine ganze Zahl von 1 bis 8 darstellt, sowie den Estern von N-Hydroxyimid aufweisen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man eine direkte Mikroemulsion vom Öl-in-Wasser-Typ polymerisiert und die wässrige Dispersion nach Ablauf der Polymerisation gewinnt, wobei die direkte Mikroemulsion vom Öl-in-Wasser-Typ am Anfang durch Titration mit Hilfe einer wirksamen Menge eines copolymerisierbaren oder nicht-copolymerisierbaren Co-Tensids, erhalten wird aus einer direkten Emulsion des Öl-in-Wasser-Typs, die eine wässrige Dispersion eines oder mehrerer Monomerer vom Vinyl-, Acryl-, vinylaromatischen Typ und insbesondere von Vinylestern, Alkylestern von α,β-ungesättigten Säuren, Estern von ungesättigten Carbonsäuren, Vinylchlorid, Vinylidenchlorid und/oder Dienen, enthält.
Unter den Polymeren, die die Partikel bilden können, kann man die Homopolymere oder die Copolymere erwähnen, welche Einheiten aufweisen, die von Vinyl-, Acryl-, Vinylaromaten-, Vinylester-, Alkylester- von α und β ungesättigten Säuren, Ester- von ungesättigten Carbonsäuren, Chlorvinyl-, Chlorvinyliden- und/oder Dien-Monomeren stammen.
Beispielhaft kann man insbesondere die nachfolgenden Monomeren erwähnen:

– Styrol und dessen Derivate (Vinyltoluol, Ethylvinylbenzol)
– die Ester, Hydroxyester und Amide der (Meth)acrylsäure wie z. B. Methylmethacrylat, Butylacrylat, (Meth)acrylamid),
– die Vinylester (Vinylacetat, Vinylpropionat),
– Vinylchlorid und Vinylidenchlorid,
– die Vinylpyridine (2-Vinylpyridin, 4-Vinylpyridin, 2-Methyl-5-vinylpyridin),
– die Di-(ethyl)-amino-alkyl-(meth)-acrylate,
– die Di-(ethyl)-amino-alkyl-(meth)-acrylamide,
– Allylamin,
– Ethylenimin,
– (Meth)acrylnitril,
– N-Vinylimidazol,
– die Dialkylaminomethylstyrole,
– Vinylpyrrolidon,
– Divinylbenzol und dessen Derivate,
– die konjugierten Diene (Butadien ...),
– die Poly-allylderivate (Tetra-allylethylen ...),
– die (Meth)acrylate von Polyolen (Ethylenglycol-dimethacrylat ...),
– Methylen-bis(acrylamid),
– Bis-(acrylamido)-essigsäure.

Als die für die Erfindung geeignete Vinyl- und Acrylmonomere, kann man insbesondere solche nennen, die sich von Styrol, Acrylsäure, den Acrylestern vom Typ Acrylester von N-Hydroxysuccinimid wie N-Acryloyloxysuccinimid und N-Acryloyloxyphthalimid, Methacrylsäure, Monobenzylmaleat, 2-Vinylpyridin, Styrolmethylsulfonat, Chlormethylstyrol, Hydroxypropylmethacrylat, Hydroxybutylacrylat, Hydroxyethylacrylat, Acrylnitril und/oder Acrolein ableiten.
Die ionogenen oder reaktiven Gruppen, die auf der Oberfläche der Partikel vorhanden sind, sind insbesondere die vorstehend erwähnten Substituenten der Monomeren, welche die Bestandteile der Polymere bilden, die die Nanopartikel darstellen.
Es handelt sich bevorzugt um Gruppen, ausgewählt aus OH, SO₃H, SO₃R, SO₄R, COOH, CHO, PhCH₂Cl, NH₂, NR₂, NR₃, wobei R ein Alkylrest mit C₁-C₃ darstellt, CONH₂, NH-NH₂, CN, CO₂(CH₂)nOH, wobei n eine ganze Zahl zwischen 1 und 8 darstellt, sowie die Ester von N-Hydroxyimid.
Die auf der Oberfläche der Nanopartikel vorhandenen Funktionen können ebenfalls als Produkt bei der letzten chemischen Umsetzung entstehen, z. B. durch eine nukleophile Substitution von einer oder verschiedenen reaktiven Gruppen, welche von der polymeren Kette, die die Nanopartikel bildet, getragen werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt das Polymer, das die Nanopartikel bildet, eine Glasübergangstemperatur Tg von mehr als etwa 20°C.
Die Nanopartikel, die nach dem Verfahren der Erfindung erhalten werden, weisen eine enge granulometrische Verteilung auf. Diese Monodispersität der Teilchengröße macht es möglich, genau die Adsorptionsoberfläche der Nanopartikel und somit deren optimale Bindungskapazität bei den immunologischen Bestimmungsverfahren zu erhalten.
Man betrachtet jede granulometrishe Verteilung als eng, deren Standardabweichung 30% oder weniger und vorzugsweise in der Größenordnung von 20% beträgt; dies bedeutet, dass 2/3 der Partikel (bezogen auf Gewicht) im Falle einer Gaußschen Verteilung einen Durchmesser von zwischen dmσ und dm + σ (dm: mittlere Durchmesser, σ: Standardabweichung) aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung von Nanopartikeln durch Polymerisation einer direkten Mikroemulsion des oder der entsprechenden Monomeren. Mit dem Begriff Mikroemulsion will man eine thermodynamisch stabile Emulsion bezeichnen, im Gegensatz zu einer lediglich kinetisch stabilen Emulsion, die nach einem bestimmten Zeitraum koalesziert.
Es handelt sich um wässrige Dispersionen die etwa 1 bis 25% und mehr, insbesondere zwischen etwa 5 und 20% ihres Gewichts an Nanopartikeln enthalten (ausgedrückt als Trockenextrakt des die Partikel bildenden Polymeren).
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Polymerisation einer direkten Mikroemulsion und die Gewinnung der bei der Polymerisation entstandenen wässrigen Dispersion, wobei die direkte Mikroemulsion vorher dadurch erhalten wird, dass eine durch mindestens ein ionisches Tensid stabilisierte Emulsion mit Hilfe einer wirksamen Menge eines ionischen Tensids titriert wird und die Emulsion, die sogenannte Primäremulsion, aus mindestens einem Monomer in wässriger Dispersion gebildet wird.
Die so erhaltene wässrige Emulsion der Nanopartikel kann außerdem gegebenenfalls einem Reinigungsverfahren unterworfen werden,
Das Verfahren bezieht sich also in einem ersten Abschnitt auf die Bildung dieser direkten Mikroemulsion.
Nach diesem Verfahren wird oder werden das bzw, die Monomeren in einer wässrigen Phase dispergiert, um so eine direkte Emulsion zu erhalten, welche außerdem als Stabilisator eine wirksame Menge mindestens eines ionischen Emulgators enthält, Die Gewichtsprozente Öl/Wasser sind bevorzugt in der Größenordnung von 5% bis 6%, Diese Emulsion wird anschließend durch Zugabe eines Cotensids titriert, wobei das Cotensid copolymerisierbar sein kann oder nicht, bis man eine durchscheinende direkte Mikroemulsion vom Typ Öl in Wasser erhält, welche stabil und gering viskos ist.
Es ist klar, dass die Auswahl des Cotensids nach seiner Fähigkeit um, ausgehend von der direkten Emulsion, eine Mikroemulsion zu bilden sowie auch seine Geeignetheit, zusammen mit dem ionischen Emulgator Micele zu bilden, vorgenommen werden muss.
Als mögliche nicht copolymerisierbare Cotenside kann man insbesondere die linearen oder verzweigten aliphatischen Alkohole mit C2 bis C8 erwähnen und bevorzugt diejenigen, abgeleitet von Butanol oder Pentanol und als copolymerisierbares Surfactant die Derivate der Hydroxyalkylacrylate und Hydroxyalkylmethacrylate mit C2 bis C8.
Als ionischen Emulgator kann man insbesondere Cetyltrimethylammoniumbromid, Natriumdodecylsulfat oder Natriumdodecylbenzolsulfonat verwenden.
Die eingesetzten Mengen an Emulgator sind deutlich niedriger und es ergeben sich des weiteren durch die Art dieser Emulgatoren nachher keine Probleme in Bezug auf ihre Entfernung. Die Alkohole vom Typ Pentanol werden im Vergleich zu den Nonylphenolpolyethoxylaten-Derivaten sehr einfach mittels Dialyse entfernt.
Außerdem stellt sich das Problem der Eliminierung im speziellen Fall der Hydroxyalkylacrylate oder Hydroxyalkylmethacrylate nicht mehr, da dieser Emulgator durch Copolymerisation in die Struktur des Polymeren, das die Formulierung der Nanopartikel bildet, eingebaut wird, In diesem Fall bleibt alleine der ionische Emulgator in der Mikroemulsion anwesend.
Des weiteren löst man sich endgültig von jedem Verfahren zur Endreinigung, wenn man als ionischen Emulgator ein kationisches Surfactant wie Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB) oder ein anionisches Surfactant wie Natriumlaurylsulfat (SDS) auswählt, da sowohl CTAB wie SDS am Ende der Polymerisation bei Umgebungstemperatur bzw. bei einer Temperatur unter 15°C ausfallen und sie somit auf einfache Weise durch einfaches Abzentrifugieren oder Abfiltrieren eliminiert werden können.
Einen zusätzlichen Vorteil bei diesem Weg Mikrolatices zu erhalten stellt die Tatsache dar, dass die Mikroemulsion direkt erhalten werden kann. Wenn die Formulierungen hergestellt sind, können die Mikroemulsionen durch unmittelbares Vermischen sämtlicher Bestandteile hergestellt werden. Diese Einfachheit bei der Durchführung ist von besonderem Interesse bei industrieller Anwendung.
Im allgemeinen weisen die erfindungsgemäßen Nanopartikel eine Konzentration an Emulgator von weniger als etwa 3% auf.
Die Herstellung der Mikroemulsionen wird vorzugsweise bei einer Temperatur ähnlich der Umgebungstemperatur und immer unterhalb der Temperatur, bei welcher die Primäremulsion gebrochen wird, dufchgeführt, typischerweise bei einer Temperatur in der Größenordnung von 40°C.
Die Größe der Partikel von dieser Mikroemulsion liegt in der Größenordnung von 5 bis 8 nm.
Die spätere Polymerisation dieser Mikroemulsionen mit Hilfe geeigneter Initiatoren und unter schonenden Bedingungen ermöglicht es, Latices zu erhalten, deren Partikelgröße sich unter 50 nm befindet und deren granulometrische Verteilung sehr eng ist.
Was diesen Schritt der Polymerisation der Mikroemulsionen betrifft, ist die Durchführbarkeit sowohl mit wasserlöslicher, wie auch mit in organischen Lösungsmitteln löslichen Initiatoren festgestellt worden, welche Initiatoren bei niedrigen Temperaturen benutzbar sind, bevorzugt bei einer Temperatur von 40°C oder darunter. Es betrifft entweder Redoxpaare (Persulfat/Diamin, Wasserstoffperoxid/Ascorbinsäure) oder AIBN oder eines von dessen in Wasser löslichen Derivate oder DMPA (Dimethoxyacetophenon), welche alle photochemisch (UV-Strahlung) abbaubar sind, Je nach der Art des Initiatorsystems und der Reaktionstemperatur liegt die Zeitdauer der Polymerisation typischerweise zwischen 1 und 3 Stunden. Da diese sogenannten thermischen, photochemischen oder chemischen Polymerisationstechniken dem Fachmann sehr geläufig sind, werden sie hier nicht in Einzelheiten besprochen.
Die Reaktionen der Homo- oder Copolymerisation führen zu Partikeln, die eine enge granulometrische Verteilung und eine Größe in der Größenordnung von 10 bis 50 nm aufweisen, Sie können filmbildend sein oder nicht, Die Monomere, welche für die Herstellung der Nanopartikel verwendet werden können, sind bereits vorstehend ausgeführt.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Nanopartikel können in vorteilhafter Weise in den biologischen Bestimmungsverfahren benutzt werden, im biologisch aktive Verbindungen (Proteine wie Antikörper, Enzyme ..., Antigene, Arzneimittel ...) mittels Adsorption oder Kopplung zu fixieren oder zu immobilisieren.
Die Kopplungsreaktion kann gemäß bekannten Verfahren durchgeführt werden, z. B.:

– unter Anwendung von Agentien zur Kopplung (wie Glutaraldehyd, wasserlösliches Carbodiimid, N-Hydroxybenzotriazol, Spacers vom Typ 1– 6-Diaminohexan, Polysaccharide ...)
– durch die Aktivierung der Funktionen des Polymeren (z. B. durch Diazotieren, durch Einwirken von Bromcyanid, von Tosylchlorid ...) danach Reaktion mit dem zu bindenden Molekül
– durch unmittelbare Reaktion der Funktionen des Polymeren wie z. B. der aktivierten Acrylestergruppen von N-Hydroxysuccinimid mit Aminderivaten (Enzyme, Aminosäuren, Aminozucker usw,) in der Suspension mit einem etwa neutralen pH-Wert,
– durch nukleophile Substitutionsreaktion an den Chlormethyl-Gruppen an der Oberfläche immer direkt in der Suspension, bei neutralem pH-Wert für die anionischen Nukleophile (Sulfit, Thiocyanat usw,) oder bei basischem pH-Wert für die Amine (primäre Amine, Aminosäuren, Aminoalkohole, Diamine)
– usw,

Diese Nanopartikel können ebenfalls als Träger in diagnostischen Tests (Agglutination "RIA" Radioimmunological Assay – "IRMA" Immunoradiometric – "EIA" Enzyme Immuno Assay – "ELISA" Enzyme Linked Immunosorbent Assay) als enzymatischer Katalysator in der Biotechnologie oder als Träger in Zellkulturen benutzt werden.
Natürlich sind die Nanopartikel und die entsprechenden wässrigen Dispersionen im Hinblick auf ihre sehr geringe Größe gleichermaßen geeignet, in vorteilhafter Weise in weiteren industriellen Bereichen benutzt zu werden, insbesondere in solchen Industriezweigen wo Beschichtungen eine Rolle spielen, wie der Farbstoffindustrie, der Klebstoffindustrie, der Textilindustrie, der Papierindustrie.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf jede Anwendung der nach dem beanspruchten Verfahren erhaltenen Nanopartikel, insbesondere solche biologischer und medizinischer Fachgebiete, eingeschlossen die biologischen Bestimmungsverfahren.
Die nachstehenden Beispiele ermöglichen es, weitere Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung zu belegen ohne jedoch ihre Reichweite zu beschränken.
Die in den folgenden Beispielen erhaltenen Latices sind in Bezug auf die Granulometrie entweder durch pCS ("Photon Correlation Spectroscopy": quasielastische Lichtstreuung) oder durch TEM (Transmission Electron Microscopy) dargestellt und in Bezug auf die Bestimmung der Funktionen an der Oberfläche im Falle von sauren Gruppen durch conductimetrische Titration der Oberflächenfunktionen oder durch UV Bestimmung im Falle von Imidfunktionen,
Einige der Latices sind ebenfalls durch Infrarot-Spektroskopie und NMR charakterisiert, wenn ihre Löslichkeit dies erlaubt und durch Elementaranalyse für die Copolymere die z. B. Halogene enthalten.
Beispiel 1
Herstellung einer wässrigen Dispersion von filmbildenden Nanopartikeln, funktionalisiert durch Hydroxylgruppen.
Eine wässrige Mikroemulsion von Hydroxyethylacrylat und Styrol wird wie folgt hergestellt:
Man löst in einem 250 ml Becherglas mit einem mechanischen Rühren 2,5 g Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB) in 7,6 g Hydroxyethylacrylat. Zu der so erhaltenen Lösung fügt man unter Rühren 2,3 g Styrol. Die Mikroemulsion wird daraufhin unter Rühren durch Hinzufügen von 87,6 g Wasser in die Mischung gebildet.
Diese Mikroemulsion wird anschließend in einem 250 ml-Dreihalskolben mit Rührer und Stickstoffzufuhr gebracht. Sie wird 20 min. lang unter Stickstoff von Luft befreit, danach unter Inertatmosphäre gehalten. Sie wird unter Rühren in ein Eisbad von 0°C gebracht. Anschließend werden 82 mg Ammoniumpersulfat in 1 ml Wasser mit Hilfe einer Spritze zugesetzt, danach 107 mg Tetramethyldiaminoethan (TMDAM). Nach zwei Stunden wird die Stickstoffzirkulation beendet und die Reaktion wird bei Umgebungstemperatur während vier Stunden fortgesetzt, Man beobachtet ein Ausfällen von CTAB, das durch Zentrifugation aus der polymerisierten Mikroemulsion entfernt wird. Man erhält eine wässrige Dispersion von Nanopartikeln, welche 10 Gew.-% festes Material enthält.
Charakterisierung der Partikel
Die Größe der Partikel wird mittels PCS bestimmt. Sie beträgt 50 nm ± 15 nm. Die Partikel zeigen eine enge Verteilung.
Nach Trocknung bei 35°C über drei Stunden auf einer Platte aus Glas oder Polystyrol bilden die Partikel einen Film aus homogenem Polymer.
Beispiel 2:
Herstellung einer wässrigen Dispersion von nicht filmbildenden Nanopartikeln, funktionalisiert durch Hydroxylgruppen.
Um die wässrige Mikroemulsion herzustellen, löst man anfangs in einem 250 ml Becherglas 9,3 g Natriumdodecylsulfat (SDS) in 84,75 ml Wasser. 3,39 g Styrol werden hinzugefügt. Nachdem alles gerührt ist, erscheint eine weiße milchig trübe Emulsion. Man fügt ihr mit der Bürette unter ständigem Rühren 2,54 g Hydroxybutylacrylat zu. Die endgültige Lösung ist durchscheinend.
Die so erhaltene Mikroemulsion wird anschließend nach der im Beispiel 1 beschriebenen Weise polymerisiert. Man erhält eine wässrige Dispersion von Nanopartikeln, welche 15,2 Gew.-% an festem Material enthält.
Charakterisierung der Partikel
Die Größe der Partikel wird mittels PCS bestimmt und beträgt 20 nm ± 5 nm.
Reinigung des Latex durch Dialyse.
Der Latex wird in statischer Weise über einer Membran mit Poren mit einem Durchmesser zwischen 1,5 und 3 nm (Dialyseschläuche Visking^® vertrieben durch die Firma ROTH) dialysiert, was durch den Austausch mit entionisiertem Wasser über mehrere Tage ermöglicht wird. Es ist möglich 95 des Natriumdodecylsulfats mit dieser Methode zu entfernen und dabei ständig einen vollkommen stabilen Latex zu bewahren.
Beispiel 3
Herstellung einer wässrigen Dispersion von Nanopartikeln, funktionalisiert durch Hydroxylgruppen, leicht reinigbar durch Kristallisation.
Die Arbeitsweise ist analog an derjenigen vom Beispiel 2. Die Art der eingesetzten Verbindungen und ihre Mengen sind wie folgt; Lösung S1:

Styrol 3,37 g

SDS 9,27 g

H2O 84,23 g

Lösung S2:

HPMA (Hydroxypropylmethacrylat) 3,14
Die so erhaltene Mikroemulsion wird anschließend auf die im Beispiel 1 beschriebene Weise polymerisiert.
Man erhält eine wässrige Dispersion von Nanopartikeln, welche 15,7 Gew.-% an Feststoffen enthält.
Reinigung des Latex durch Kristallisation von Natriumdodecylsulfat (SDS)
Da die kritische Mecelbildungs-Temperatur (Krafft-Punkt) von SDS relativ hoch ist (16°C), ist es möglich, die Verbindung einfach durch Filtrieren nach Kristallisation in der Kälte zu entfernen. Mit dieser Behandlung ist es möglich nach zwei Zyklen von Kühlen/Filtrieren 72% des anfänglich vorhandenen SDS zu entfernen, ohne die Suspension der Nanopartikel zu destabilisieren.
Dieses Reinigungsverfahren kann anschließend durch eine Dialyse des Latex ergänzt werden, was in Anbetracht der geringen restlichen Konzentration an SDS zügig abläuft (24 h).
Beispiel 4:
Herstellung einer wässrigen Dispersion von nicht filmbildenden Nanopartikeln, funktionalisiert durch Hydroxylgruppen.
In der gleichen Weise wie in Beispiel 1 löst man in einem 250 ml Becherglas mit einem Rühren 1 g Cetyltrimethylammonium (CTAB) in 3,2 g Hydroxyethylacrylat. 6,9 g Styrol sowie danach 88,9 g Wasser werden unter Rühren zugesetzt.
Die so erhaltene Mikroemulsion wird in einen 250 ml Dreihalskolben mit Rührer und Stickstoffzufuhr gebracht, Sie wird 20 Minuten unter Stickstoff entlüftet, danach unter Rühren in einem Eisbad von 0°C unter Inertatmosphäre gehalten. Mit Hilfe einer Spritze werden 82 mg Ammoniumpersulfat, verdünnt in 1 ml Wasser, hinzugefügt, danach 107 mg Tetramethyldiaminoethan (TMDAM). Nach zwei Stunden wird die Stickstoffzufuhr beendet und man läßt die Reaktion etwa 4 Stunden bei Umgebungstemperatur ablaufen. Man stellt ein Ausfällen von CTAB fest, welches durch Zentrifugieren entfernt wird. Die wässrige Dispersion von Nanopartikeln enthält 10 Gew,-% an festem Material.
Charakterisierung der Partikel
Die Größe der Partikel wird mittels PCS bestimmt und beträgt 25 nm ± 7 mn, Sie stellen eine enge Verteilung dar,
Beispiel 5 (Vergleichsbeispiel)
Herstellung einer wässrigen Dispersion von Nanopartikeln, welche leicht mittels Dialyse gereinigt werden kann
Herstellung der Mikroemulsion [Öl] in Wasser
Man löst 8,3 g SDS in 75,7 g Wasser in einem 250 ml Becherglas mit Rührer und mit Bürette. Nach Homogenisation werden 8,9 g Styrol unter Rühren der Mischung zugefügt.
Die Titration der Emulsion wird mit Hilfe von 7,1 g 1-Pentanol durchgeführt, wobei dieses tropfenweise unter Rühren dem Inhalt des Becherglases zugeführt wird.
Die Reaktionsmischung, welche anfangs milchig trüb ist, geht in eine Gelphase über und klärt sich zunehmend auf um anschließend zu einer durchsichtigen Lösung zu führen. Die Polymerisation wird nach dem vorgehen in Beispiel 4 beschriebenen Verfahren durchgeführt. Charakterisierung der Partikel

Konzentration des Latex 17,1
Verteilung der Größe der Partikel mittels PCS bestimmt: 20 nm ± 6 nm. Enge Verteilung
Reinigung des Latex durch Dialyse
Der Latex wird wie im vorgehenden Beispiel dialysiert. Die Entfernung des Cotensids (1 -Pentanol) ist nach 20 h komplett, die des Tensids (SDS) tritt nach 48 h ein.
Durch dieses Verfahren werden somit 97% des emulgierenden Systems entfernt, was in keiner Weise die Stabilität des Latex verändert.
Beispiel 6
Reaktion an der Oberfläche von durch Chlormethylgruppen funktionalisierten Nanopartlkeln.
Mit dem Ziel, funktionalisierte Nanopartikel zu erhalten, wurde eine nukleophile Substitutionsreaktion an den Chlormethylgruppen eines Copolymeren Styrol/VCB (Vinylbenzylchlorid) durchgeführt;
Nukleophile Substitution:
Die nukleophile Substitutionsreaktion wird direkt auf dem nicht dialysierten, chlormethylierten Latex durchgeführt, wobei 7,3 g des Nucleophils, L-Alanin, zugefügt werden.
Die Reaktion findet in einem 1 L Kolben statt, unter leichtem mechanischem Rühren bei 30°C während 48 Stunden in basischem Milieu (pH 10). Der pH-Wert wird mittels einiger Tropfen 0,1 M NaOH eingestellt.
Charakterisierung des Nanolatex:
Der Substitutionsgrad wird mittels Elementaranalyse gemessen, nachdem die Polymeren ausgeflockt und die Tenside durch mehrmaliges Waschen mit Wasser unter Rückfluss entfernt sind.
Die Konzentration des Substituenten beträgt im vorliegenden Fall 40%, Die Größe der Partikel mittels PCS und TEM bestimmt beträgt 32 nm ± 6 nm.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer wässrigen Dispersion von Polymer-Nanopartikeln mit einem Polymergehalt von 1 bis 25% ihres Gewichts an Nanopartikeln, ausgedrückt als Trockenextrakt des die Partikel bildenden Polymeren, wobei die Polymer-Nanopartikel eine enge granulometrische Verteilung und eine Größe von 10 bis 50 Nanometer aufweisen und an ihrer Oberfläche ionogene oder reaktive Gruppen, die gleich oder verschieden sein können, ausgewählt aus OH, SO₃H, SO₃R, SO₄R, COOH, CHO, PhCH₂Cl, NH₂, NR₂, NR₃, wobei R ein Alkylrest mit C, bis C₃ ist, CONH₂, NH-NH₂, CN, CO₂(CH₂)nOH, wobei n eine ganze Zahl von 1 bis 8 darstellt, sowie den Estern von N-Hydroxyimid aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass man eine direkte Mikroemulsion vom Öl-in-Wasser-Typ polymerisiert und die wässrige Dispersion nach Ablauf der Polymerisation gewinnt, wobei die direkte Mikroemulsion vom Öl-in-Wasser-Typ am Anfang durch Titration mit Hilfe einer wirksamen Menge eines copolymerisierbaren oder nicht-copolymerisierbaren Co-Tensids, erhalten wird aus einer direkten Emulsion des Öl-in-Wasser-Typs, die eine wässrige Dispersion eines oder mehrerer Monomerer vom Vinyl-, Acryl-, vinylaromatischen Typ und insbesondere von Vinylestern, Alkylestern von α,β-ungesättigten Säuren, Estern von ungesättigten Carbonsäuren, Vinylchlorid, Vinylidenchlorid und/oder Dienen, enthält,
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht-copolymerisierbare Co-Tensid ein linearer oder verzweigter aliphatischer C₂ bis C₈ Alkohol ist, wobei sich die Alkohole vorzugsweise von Butanol oder Pentanol herleiten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das copolymerisierbare Surfactant ein Hydroxyalkylacrylat oder Hydroxyalkylmethacrylat mit C₂ bis C₈, vorzugsweise Hydroxypropylmethacrylat ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Co-Tensid zu der Emulsion hinzugefügt wird, bis man eine stabile und durchscheinende direkte Emulsion erhält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Monomere(n), die in der Anfangsemulsion enthalten sind, ausgewählt werden zur Erzielung von Polymer-Nanopartikeln, die Gruppen enthalten, die sich von der Homopolymerisation oder Copolymerisation von Styrol, Acrylsäure, einem Acrylester vom Typ Acrylester von N-Hydroxysuccinimid, wie N-Acryloyloxysuccinimid und N-Acryloyloxyphthalimid, Methacrylsäure, Monobenzylmaleat, 2-Vinylpyyridin, Styrolmethylsulfonat, Chlormethylstyrol, Hydroxyethylacrylat, Hydroxypropylmethacrylat, Hydroxybutylacrylat, Acrylnitril und/oder Acrolein herleiten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerisation der direkten Mikroemulsion photochemisch, chemisch oder thermisch mit Hilfe eines wasserlöslichen oder geeignet organolöslichen Initiators durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Initiator vorzugsweise ein Redoxpaar vom Typ Persulfat/Diamin, Wasserstoffperoxid/Ascorbinsäure, AIBN oder eines von dessen wasserlöslichen Derivaten ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man eine wässrige Dispersion von Nanopartikeln herstellt, die einen Gehalt an Emulgiermitteln von unter etwa 3 aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Dispersion von Nanopartikeln nach ihrer Gewinnung einer Reinigung unterzogen wird.