In Vesikeln verkapselte Aktivatormetalle oder an Vesikeln haftende Metallcluster und Verfahren zu deren Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft mit einer Metallcluster-Suspension, mit Vorstufen hiervon oder mit ionogenen Aktivatoren gefüllte und/oder auf ihrer Außenseite mit Metallclustern beladene Membrankompartimente (Vesikel), die sich z.B. für naßchemische, außenstromlose Verfahren zum kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Erzeugen dünner metallischer Schichten auf Substratträgerwerkstoffen eignen. Dieses Abscheideverfahren umfaßt eine metallbasierte Aktivierung der Werkstoffe in Vorbereitung der nachfolgenden
Metallisierung, die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vesikel erfolgen kann. Weiterhin betrifft die Erfindung Verfahren zum Herstellen der genannten Vesikel.
In sogenannten Additiv- und Semiadditivtechniken der Metallisierung von leitenden oder nichtleitenden Substraten, insbesondere den Oberflächen von organischen Polymeren, Keramiken oder Halbleitermaterialien, kommen chemische (stromlose) Metallisierungsverfahren zum Einsatz, die allgemein als chemische oder chemisch reduktive Verfahren bezeichnet werden. Hierfür sind die gewöhnlich reaktionsträgen Oberflächen der zu metallisierenden Substrate zu aktivieren, wenn es sich um nichtaktive Materialien wie Polymere oder Keramiken handelt. Die Aktivierung umfaßt, ggf. nach Aufrauhen des Substrats, den Auftrag von katalytisch wirksamen Substanzen oder die Bildung solcher Substanzen an benetzten Schichten der Oberfläche im Kontakt mit entsprechenden Lösungen und Suspensionen (siehe z.B. Fundamentals of Microfabrication, Marc Madou, CRC Ress LLC, N.Y., 1997, S.117). Diese Substanzen werden auch als Aktivatoren bezeichnet. Um die Aktivierung zu bewirken, werden die Oberflächen in Kontakt mit einer Lösung geeigneter Metallionen gebracht, die anschließend reduziert und als Metallkeime (Atomcluster) abgelagert werden. Hierfür wird z.B. Zinn und sehr häufig Palladium eingesetzt.
Der Auftrag der Aktivatorlösung auf das zu aktivierende Substrat erfolgt üblicherweise durch Tauchen in eine den Aktivator oder eine seiner Vorstufen enthaltende Lösung oder Suspension. Sich anschließende Tauchschritte mit weiteren Lösungen führen letzlich zur Erzeugung der genannten Metallkeime (Metallcluster) (z.B. mit dem SnO- Pd-Sol-Gel-Verfahren) oder zur Anhaftung der ionogenen Aktivatoren auf den für die
Metallisierung vorgesehenen Arealen. Ebenso ist eine Oberflächenaktivierung durch Inkubation direkt in Edelmetallkolloiden und deren Destabilisierung auf der Oberfläche des behandelten Substrates möglich. Allerdings müssen solche Kolloide stabilisiert sein, weil ansonsten die einzelnen Metallatome bzw. Cluster aggregieren und in Klümpchen, Körnern oder Schichten ausfallen würden. Die DE 197 40 431 C1 beschreibt ein Verfahren unter Einsatz eines Edelmetallkolloids, das aus einer Mischung einer entsprechenden Edelmetallverbindung, einem Reduktionsmittel und einem Schutzkolloid abgeschieden wird. In der US 3,958,048 ist eine Aktivatorsuspension offenbart, die eine Metallverbindung eines unedlen Metalls, ein Hydrid als Reduktionsmittel für das Metall und ein organisches Dispersionsmittel enthält, wobei bei der Reduktion der Metallverbindung zu katalytisch aktiven Teilchen spezifische pH-Werte eingehalten werden müssen. Kolloidale Pd- oder Pt-Lösungen sind in der US 5,332,646 beschrieben; sie werden durch Reduktion von metallorganischen Salzen (eigentlich: Komplexsalzen) in Gegenwart von Dispersionsmittel hergestellt, das den Teilchen eine Ladung verleiht und sie dabei stabilisiert. Zwischen den einzelnen Tauchschritten muß eine Entfernung überschüssiger Komponenten durch Zwischentauchgänge (Waschschritte) erfolgen. Nur so wird die Verschleppung von Metallkeimen in die Tauchlösungen verhindert, eine Koagulation des Kolloids vermieden und die Standzeit der Bäder ausreichend lang gehalten.
Eine Stabilisierung in situ erzeugter Metallkolloide oder -cluster ist auch aus anderen Gebieten der Technik bekannt. So fand man, daß Platin-Nanopartikel, die in Gegenwart von Latex-Dispersionen durch Reduktion mit Natriumborhydrid erzeugt wurden, vom Latex adsorbiert und damit stabilisiert wurden (A. Mayer et al., J. Polym. Sei. (B) 1997, 35, 1207-16). Auch der Schutz von Palladium- oder Platin-Nanokatalysatoren durch kationische Polyelektrolyte ist bekannt (A. Mayer et al., J. Polym. Sei. (A) 1997, 35, 3151-60).
Um eine Strukturierung der Oberflächen zu erreichen, können klassische
Druckverfahren genutzt werden. Die möglichen Rastermaße reichen bis hinunter auf etwa 200-250 μm. Bekannte Drucktechniken sind die Schablonendrucktechnik (stencil printing), bei der Lotdepots (solder bumps, wafer bumping) auf eine Substratoberfläche aufgebracht und durch Umschmelzen geformt werden (Kloeser, J. et al., Pan Pacific
Microelectronics Symposium and Tabletop Exhibition, Mauna Lani (USA), Feb. 10-13, 1998). Bei der Entwicklung von (sieb-)druckfähigen Loten werden Mikropartikel in eine Polymermatrix eingebracht und erlangen so die für den Druck erforderliche Konsistenz. Die hier üblicherweise eingesetzten Metallpartikel eignen sich jedoch nicht als Aktivatoren für eine (naß-)chemische Metallabscheidung.
Die Entwicklung neuer Drucktechniken findet man von allem im Bereich von (färb-) bildgebenden Prozessen wie Lichtsatz-Techniken und Hochtemperatur- Tintenstrahldruck. Während die durch Belichtung bestimmten Verfahren von der Körnung der sensitiven Schicht und der Wellenlänge des jeweils verwendeten Lichtes (ggf. Laser) abhängen, sind bei letztgenannter (Electroprinting-) Technik die bei handelsüblichen Tintenstrahldruckern erreichbare Auflösung von 600 dpi zu veranschlagen (was bei 25 Punkten/mm minimal realisierbaren Punktabständen von jeweils 40 μm entspricht).
Liposomen sind als Mikroreaktionskompartimente auch für Metallkomplexe bekannt. Han et al., Cancer Chemother Pharmacol 1996, 39, 17-24 beschreiben die intraliposomale Umwandlung eines Aminoplatin(ll)-Komplexes, der über lipophile Liganden verfügt und über diese in der Lipiddoppelschicht der Liposomen interkaliert vorliegt, in den entsprechenden Chlorokomplex. In der DE 197 47 377 A1 ist ein Vorbereitungsverfahren für das Metallisieren von Oberflächen mit Hilfe von Lipidvesikeln offenbart. Diese enthalten in ihrem Innern reduzierbare Metallkomplexe, und in ihrer Lipidmembran ist Bacteriorhodopsin eingebaut. Werden sie auf der Substratoberfläche belichtet, so werden bei gerichtetem Einbau des Bacteriorhodopsins Protonen gegen das Konzentrationsgefälle in das Vesikelinnere gepumpt und bewirken eine Reduktion des Metallkomplexes zu elementarem Metall. Anschließend werden die Vesikel z.B. durch einen Trocknungsschritt geöffnet, und das Metall kann die gewünschte katalytische Aktivität, z.B. bei einer konventionellen chemischen Metallisierung, entfalten. Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß die eingesetzten Liposomen nicht den katalytisch wirkenden Aktivator selbst enthalten, sondern eine Vorstufe davon, die erst nach Abscheiden der Liposomen auf der zu metallisierenden Oberfläche in einem gesonderten Schritt (Belichtung) in den Aktivator überführt werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Metallkolloide (auch als Metallcluster bezeichnet) oder ionogene Aktivatoren, die sich direkt als Aktivatoren für die genannten Metallabscheideverfahren eignen, in einer derartigen Form bereitzustellen, daß die vorgenannten Verfahren mit drucktechnischen Methoden ausgeführt werden können, und dabei insbesondere, Druckpasten mit hierfür geeigneten, ggf. anpaßbaren
Viskositäten bereitzustellen. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gute Lagerfähigkeit und Lebensdauer der Druckpasten oder deren Vorstufen zu gewährleisten, auch wenn sie Metallkolloide enthalten, die ohne zusätzliche Maßnahmen leicht aggregieren und dabei ihre Aktivator-Eigenschaft verlieren würden. Und schließlich soll die Erfindung Verfahren bereitstellen, mit denen die wesentlichen Bestandteile der genannten Druckpasten erhältlich sind.
Die Erfindung stellt Vesikel und damit bereitete Suspensionen zur Verfügung, die den für das einzusetzende Verfahren geeigneten Aktivator (auch als Aktivatormetall bezeichnet) in verkapselter Form und/oder angeheftet auf ihrer Außenseite enthalten, sowie Verfahren, mit denen diese Vesikel und damit bereitete Druckpasten hergestellt werden können. Überraschenderweise konnte festgestellt werden, daß ggf. auch eine Vorstufe des Aktivators verkapselt und erst in den in Suspension vorliegenden Vesikeln in den Aktivator selbst überführt werden kann, ohne daß es dabei, z.B. im Fall der Erzeugung einer Metallclustersuspension innerhalb der Vesikel, zur Destabilisierung und damit Inaktivierung des Aktivators kommt. Überraschenderweise konnte außerdem festgestellt werden, daß Vesikel auf ihrer Außenseite stabil mit Metallclustern belegt werden können, wodurch es gelingt, Metallcluster in Suspension verfügbar und gleichzeitig stabil zu halten. Die Erfindung stellt daher insbesondere auch Metallcluster- Suspensionen bereit, die über längere Zeit in stabiler Form transport- und lagerfähig gehalten werden können, obwohl auf die Beigabe weiterer Stabilisatoren, Schutzkolloide oder dgl. ggf. weitgehend oder ganz verzichtet werden kann.
Unter "AktivatormetaH" sollen hier Metalle und Metallverbindungen verstanden werden, die eine solche chemische und/oder physikalische Struktur bzw. Umgebung aufweisen, daß sie nach Aufbringen auf eine Oberfläche katalytische Aktivität in chemischen, stromlosen Metallisierungsbädern besitzen und damit - katalytisch - die Abscheidung von Metallen aus diesen Bädern bewirken können. Eine wichtige Gruppe umfaßt die bereits in chemisch gebundener Form als Ionen oder Komplexverbindungen wirksamen
Modifikatoren fester Oberflächen, die als ionogene Aktivatoren bezeichnet werden und bekannt sind. Insbesondere als ionogene Aktivatoren geeignet sind Übergangsmetalle, die leicht reduziert werden können (z.B. von Pd(ll) nach Pd(0)) und mit redoxempfindlichen Liganden wie Nitrit oder anderen Oxo-, ambidenten oder mehrzähnigen Liganden komplexiert sind. Beispiele für mehrzähnige Liganden sind ringbildende Diamine oder Diketonate. Weiterhin geeignet sind z.B. Komplexe mit Metallionen, die bereits in der Oxidationsstufe "null" vorliegen wie z.B. manche Phosphankomplexe. Eine weitere, zumindest teilweise andere Aktivator-Gruppe umfaßt die in chemisch-elementarer Form vorliegenden, als atomare Cluster auf Oberflächen wirkenden Metalle. Der Ausdruck "Metallcluster" soll vorliegend besagen, daß eine Ansammlung mehrerer (bevorzugt mindestens 10, stärker bevorzugt mindestens 25, besonders bevorzugt etwa 50 bis 600) Atome in einem Verbund mit Metallcharakter organisiert sind. Dabei kann es sich bevorzugt um Atome mit der formalen Wertigkeit null handeln, es können aber auch Cluster mit Ladungsanteilen auf dem Metall eingesetzt werden. Ergänzend sei hierzu auch auf L.H. Gade, Koordinationschemie (Verlag Wiley-VCH, Weinheim 1998) verwiesen. Auf S. 528 werden dort Metallcluster abgehandelt als Moleküle, die eine endliche Zahl von Metallatomen enthalten, die zu einem signifikanten Anteil durch Metall-Metall-Bindungen verknüpft sind. Aus den Erläuterungen dazu geht auch hervor, daß die dort beschriebenen Metallcluster, bei denen es sich um mit Liganden stabilisierte Cluster handelt, bei höheren Metallatom- Zahlen auch als "Metallkristallite" in einer Ligandenhülle oder als ligandenstabilisierte Kolloide betrachtet werden können. Auf Seite 543 werden Metallcluster aus der Reihe gezeigt, die aufgrund der Packungsstruktur der Metalle bestimmte, bevorzugte Metallatomzahlen aufweisen, sog. "magische Zahlen". Es sollte aber klar sein, daß für die vorliegende Erfindung nur solche Metallcluster von Bedeutung sind, die bei
Abscheidung auf einem Substrat wie oben erwähnt katalytische Aktivität in chemischen, stromlosen Metallisierungsbädern besitzen. Der Verweis soll sich daher nur auf die Zahl und Struktur der Metallatome beziehen.
Die Metalle oder Metallverbindungen, die in den genannten Clustern oder ionogenen Verbindungen einsetzbar sind, werden in Hinblick auf das abzuscheidende Material ausgewählt; dem Fachmann sind sie bekannt. Beispiele sind Zinn, Edelmetalle oder Übergangsmetalle (z.B: der VIII. Gruppe wie Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os. Ir, Pt, der V. Gruppe wie Nb oder der I. Gruppe mit Cu, Ag, Au). Als ionogene Verbindungen eignen
sich beispielsweise Chloro- oder Nitrokomplexe wie Tetranitropalladat mit Kalium-, Natrium-, Lithium- oder Ammoniumionen als Gegenionen sowie Palladiumchlorid.
Unter "Vorstufen des Aktivatormetalls" sollen vorliegend solche Substanzen verstanden werden, die durch Reaktion mit einem geeigneten Reaktionspartner am vorgesehenen Wirkungsort auf der Substratoberfläche oder bereits zuvor innerhalb der Vesikel in Aktivatormetall überführt werden können, beispielsweise chelatisierte Metalle, die durch den Reaktionspartner entchelatisiert werden, komplexierte Metalle, die durch den Reaktionspartner reduziert werden (z.B. solche, die als Ausgangs-Materialien für stabilisierte Cluster-Suspensionen in der Literatur beschrieben sind), oder Metallionen, die durch lonenaustausch, pH-Wert-Änderung oder dgl. reduziert werden. Der Reaktionspartner kann dementsprechend ein Reduktionsmittel, z.B. ein in der Farboder Schwarzweiß-Fotografie gebräuchliches Reduktionsmittel sein, z.B. 1 ,4- Benzenediamin, 1 ,2,3-Benzenetriol, m-Hydrochinon, p-Hydrochinon oder p- Hydroxyphenylglycin. Besonders bevorzugt ist es, als Reaktionspartner einen solchen auszuwählen, der in Abhängigkeit von einer anderen chemischen Eigenschaft wie dem Vorhandensein bestimmter Ionen (insbesondere von pH-Wert) die Reduktion der Vorstufe des Aktivatormetalls bewirkt. Dieses System stellt ein Redoxsystem dar, bei dem die Potentiale der Reaktionspartner von der genannten chemischen Eigenschaft, insbesondere vom pH-Wert abhängen. Ein Beispiel für ein solches Redox-System ist die Kombination Palladium(ll)-Amminkomplex/Formiat.
Die erfindungsgemäßen Vesikel können aus beliebigen geeigneten amphiphilen Molekülen wie Lipiden oder anionischen, kationischen oder insbesondere nichtionischen Tensiden (engl.: "surfactants") natürlichen oder synthetischen Ursprungs in wäßrigen oder nichtwäßrigen Flüssigkeiten gebildet werden. So ist die membranbildende Eigenschaft von Fettsäuren, längerkettigen Alkoholen und Lecithin oder von Phospholipiden bekannt. Bevorzugt ist der Einsatz üblicher Lipidvesikel (Liposomen) aus z.B. Phospholipid-Doppelschichten; die Wahl der geeigneten Stoffe ist jedoch nicht kritisch und daher nicht hierauf beschränkt. Viele Phospholipide kommen in kleineren oder größeren Mengen in der Natur vor. So finden sich Phosphatidylcholine in Eigelb. Die meisten Phospholipide fallen in zwei Hauptgruppen, deren eine ein derivatisiertes Glycerinmolekül umfaßt, und deren andere ein Sphingosin-Rückgrat besitzt. Für die vorliegende Erfindung können natürliche, aber auch synthetische
Phospholipide eingesetzt werden. Neben Phosphatidylcholinen sind z.B. Phosphatidylethanolamin, Phosphatidylserin oder Phosphatidylglycerin, aber auch das synthetische Tensid Cetylpyridinium-Chlorid geeignet. Aus Kostengründen bieten sich Eilecithin oder aus Pflanzen gewonnene Phospholipide wie z.B. Sojabohnenlecithin an, aber auch Cholesterin oder Glykolipide. Die Liposomen können neben Lipiden bzw. Lipidmischungen außerdem weitere Bestandteile enthalten. So können in einer Lipidmembran Substanzen wie Cholesterin oder andere hydrophobe oder hydrophobe Bereiche aufweisende Substanzen eingelagert sein, die z.B. die Permeabilität und Fließfähigkeit der Membran beeinflussen. Es ist jedoch nicht vorgesehen, daß die Membran ein ggf. als Protonenpumpe fungierendes Protein wie Bacteriorhodopsin enthält. Wenn in der vorliegenden Anmeldung der Ausdruck "Liposomen" verwendet wird, soll dies keine Beschränkung auf Lipidvesikel bedeuten; vielmehr sollen alle Vesikel, auch solche aus anderen Materialien, z.B. die aus nichtionischen Tensiden gebildeten "Niosomen"1, davon umfaßt sein. Als Beispiel für synthetische Amphiphile seien Tetraalkylammoniumverbindungen genannt; Vertreter dieser Verbindungen sind die Dialkyl-dimethyl-ammoniumhalogenide (-Chloride, -bromide), aus denen sich für die Erfindung geeignete Vesikel herstellen lassen.
Um die Eigenschaften von Vesikelpräparationen der vorliegenden Erfindung zu variieren, können die membranbildenden Substanzen außerdem geladene oder ungeladene Kopfgruppen tragende synthetische Verbindungen und Substanzen natürlichen Ursprungs mit einer oder mehreren langkettigen (C6-C20, vorzugsweise C12- C18) gesättigten oder auch einfach oder mehrfach ungesättigten Seitenketten umfassen. Die Kopfgruppe kann beispielsweise ein über eine Phosphorsäureesterbindung gekoppeltes Amin sein (Cholin, Ethanolamin usw.).
Die Kristallinität (Phasenübergang Flüssigkristall - Gel) und die Ladung der Membran sind die entscheidenden Größen, die für die Adsorption von Metallclustern auf der Vesikeloberfläche und auch für ihr weiteres Wachstum verantwortlich sind. Die Nukleation (der lokal einsetzende Wachstumsprozeß) von Metallclustern auf
Oberflächen durch Koaleszenz einzelner Atome erfolgt hier auf einer flüssigkristallinen Oberfläche. Dabei beeinflussen unter anderem die jeweils typischen Charakteristika der
1 Der Begriff "Niosomen" leitet sich aus einer Zusammenziehung der Begriffe "nonionic" und " (lipo) somes" ab.
(als Liposomengrundlage, engl. "liposome base" eingesetzten) Membranbildner die Charakteristika der auf der Vesikeloberfläche aufwachsenden Cluster. Ein wesentlicher Faktor zur gezielten Beeinflussung des Ordnungsgrades/der Beweglichkeit von so typischen Membranbildnern, wie sie Phospholipide darstellen, ist die Temperatur, aber auch die Gegenwart von Membran-Domänen bildenden Faktoren (z.B. Eiweiße oder Cholesterin).
Die erfindungsgemäßen Vesikel besitzen bevorzugt einen Durchmesser von 10 nm bis 1 μm, vorzugsweise von etwa 30 bis 500 nm und typischerweise von etwa 50-200 nm. Neben ihrer Befüllung mit Aktivatormetall oder einer Vorstufe davon können sie alternativ oder zusätzlich auch auf ihrer Außenseite mit dem Aktivatormetall beladen sein.
Die Verkapselung einer Lösung von ionogenem Aktivatormetall oder einer Metallsuspension kann nach bekannten Verfahren erfolgen. Beispielsweise werden das für die Vesikel vorgesehene Lipid oder dgl., das ggf. in einem lipophilen Lösungsmittel gelöst vorliegt, sowie der ionogene Aktivator in Form eines Metallsalzes, ggf. unter Zusatz weiterer Salze/Komponenten, etwa von Kalium- oder Natriumsalzen zur Einstellung der zur Stabilität der Vesikel erforderlichen lonenstärke oder von geladenen Tensiden zum Zwecke einer definierten Ladung der Vesikel, in Wasser gegeben, und mit Hilfe einer Ultraschallbehandlung oder anderer gängiger Verfahren wird eine Liposomensuspension erzeugt. Der dabei nicht eingekapselte Aktivator kann, wenn gewünscht, durch Waschen oder Filtrieren der Suspension oder durch säulenchromatographisches Abtrennen oder durch ein Dialyseverfahren aus der Suspension entfernt werden.
Weiterhin ist es z.B. möglich, das zu verkapselnde Material zusammen mit dem Lipid oder dgl. und ggf. einem Emulgator in bekannter Weise zu einer homogenen Suspension zu verarbeiten.
In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung werden die Liposomen mit Hilfe eines Hochgeschwindigkeitsverfahrens (Homogenisation bei Hochdruckentspannung oder Mikrofluidisation) hergestellt. Hierdurch lassen sich extrem kleine Liposomen erzeugen, mit denen besonders feinstrukturierte Metallisierungen möglich sind. Ein weiterer Vorteil
ergibt sich bei der Anwendung dieses Verfahrens zur Verkapselung von Metallcluster- Suspensionen, die in situ hergestellt wurden. Da solche Suspensionen wie oben erwähnt nicht stabil sind, müssen sie noch während oder unmittelbar nach ihrer Erzeugung stabilisiert werden. Durch die Verkapselung mit Hilfe des Hochgeschwindigkeitsverfahrens während oder unmittelbar nach dem Entstehen der Cluster durch Reduktion kann dabei weitgehend oder völlig auf andere Stabilisatoren verzichtet werden, da die große Oberfläche der Cluster durch das schnelle Verkapseln vor unerwünschten Reaktionen geschützt wird.
Hochgeschwindigkeitsverfahren zum Erzeugen von Liposomensuspensionen sind an sich bekannt, z.B. aus der Lebensmitteltechnologie und der Pharmazie. Brandl et al., Chemistry and Physics of Lipid, 87 (1997) 65-72, beschreiben die Herstellung halbfester wäßriger Dispersionen von Soja-Phosphatidylcholin mit Hilfe eines Hochdruck-Homogenisators. Obwohl damit keine "klassischen" Liposomen- Dispersionen erhalten werden, liefere das Verfahren Vesikel, die je nach Lipidgehalt sehr homogen, klein und nur eine Schicht aufweisend bis zu uneinheitlicher bezüglich der Größe und Schichtstruktur sein können (Brandl et al., Advanced Drug Delivery Reviews 24 (1997), 161-164). Ein weiteres Beispiel für mit diesem Verfahren in Vesikeln verpackbare Substanzen ist Taxol (siehe DE 44 30 593 A1).
Ein wesentliches Element für die Hochdruckhomogenisation ist das Auftreten von Scherkräften, teilweise auch bei partiell erhöhten Drücken (bis 400 - 2500 bar) im zu homogenisierenden flüssigen Material. Die zur Homogenisation genutzten technischen Vorrichtungen und Geräte können unterschiedlichen Art sein; sie sind im Stand der Technik bekannt. So ist eine für die Hochdruckhomogenisierung geeignete Vorrichtung in der US 5,498,075 erläutert. Die erfindungsgemäßen Liposomen können beispielsweise mit Hilfe des Gaulin-Homogenisators Micron Lab40 der Fa. APV Deutschland hergestellt werden, wobei eine Mischung aus der amphiphilen Substanz und der frisch, ggf. gleichzeitig bereiteten Metallcluster-Suspension oder einer Lösung des ionogenen Aktivators oder einer Vorstufe des Aktivators zusammengegeben und aufeinanderfolgend bei geeigneten Drücken (z.B. 250 bar, 250 bar, 1600 bar und 1600 bar) durch ein keramisches Ventil gepreßt und die sich bildende Suspension jeweils im dafür vorgesehenen Behälter aufgefangen wird. Mit Hilfe der Homogenisationszyklenzahl und dem gewählten Homogenisationsdruck ist es für den
Fachmann möglich, die Größe der sich bildenden Vesikel zu steuern; so lassen sich beispielsweise mit diesem Verfahren Liposomen im Größenbereich von etwa 30 - 100 nm erhalten.
Wenn die Metallcluster-Suspension in den Vesikeln erzeugt werden soll, bietet sich z.B. das folgende Verfahren an: Eine das Metall in einer Oxidationsstufe > 0 in Salz- oder Komplexform aufweisende Lösung oder Suspension und ein potentielles Reduktionsmittel für das Metall (Aktivator-Vorstufe und Reaktionspartner) werden unter Bedingungen, bei denen die Redoxreaktion zwischen Metall und Reduktionsmittel gehemmt ist, z.B. bei einem pH-Wert, der die Redoxreaktion verhindert, mit der amphiphilen Substanz zusammengegeben, und aus der gebildeten Mischung werden das Metall in Salz- oder Komplexform sowie das Reduktionsmittel enthaltende Vesikel erzeugt, entweder mit dem vorgenannten Hochdruckverfahren oder einem anderen üblichen Verfahren zum Erzeugen einer Vesikelsuspension (z.B. Behandeln mit Ultraschall). Im Anschluß daran werden die Vesikel mit einer chemischen Umgebung in Kontakt gebracht, durch die ein vektorielles Gefälle einer chemischen Eigenschaft zwischen dem Inneren der Vesikel und der Umgebung ausgebildet wird. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß die kontinuierliche Phase der Suspension von den Vesikeln abgetrennt und gegen eine andere Phase ausgetauscht wird, die einen anderen pH-Wert oder eine gewünschte Konzentration geeigneter, membrangängiger Ionen aufweist. Der pH-Wert oder die Konzentration der geeigneten Ionen kann auch durch Titration der kontinuierlichen Phase verschoben werden. Infolge des so erzeugten Gefälles der chemischen Eigenschaft folgen die membrangängigen Ionen (z.B. die Protonen) dem Gradienten (passiv) und treten durch die Vesikelmembran hindurch. Die Richtung des lonentransports durch die Vesikelmembran hängt vom eingestellten Gradienten ab; beide Richtungen sind möglich. Durch die Konzentrationszu- oder -abnähme der genannten Ionen im Innern der Vesikel werden Bedingungen so verschoben, daß die Redox-Reaktion stattfinden kann, die die Reduktion des Metalls durch das Reduktionsmittel induziert und die Ausbildung der Metallcluster-Suspension bewirkt wird.
Alternativ ist es in manchen Fällen auch möglich, die Redoxreaktion durch Energieeintrag (z.B. thermisch oder mittels elektromagnetischer Strahlung) in Gang zu setzen.
Ist vorgesehen, die Außenseite der Vesikeln mit Metallclustern zu belegen, erfolgt die Abscheidung der Metallatome auf der Vesikeloberfläche aus vorzugsweise wäßrigen Lösungen entsprechender Metalle durch Reduktion nach bekannten Methoden. Unter Umständen kann deren innere Oberfläche ebenfalls mit Metallclustern belegt sein.
Zur Variation der Eigenschaften einer solchen Vesikelpräparation (z.B. hinsichtlich der vorherrschenden Ladung und damit vermutlich korreliert auch der Bindungsfähigkeit) trägt unter anderem auch die lonenstärke des verwendeten, vorzugsweise wäßrigen Dispersionsmittels bei. Dabei gilt: Je höher die lonenstärke, desto langsamer läuft die Metallabscheidung auf der Oberfläche der Vesikel ab. Wählt man eine langsame Abscheidung, kann der Beladungszustand der Vesikel sehr genau eingestellt werden. Daher betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum selektiven Herstellen und Stabilisieren von Metallclustern.
Mit der Erfindung wurde die überraschenden Beobachtung gemacht, daß die Reduktion von Metallsalzen aus wäßriger Lösung in Gegenwart von Vesikeln verlangsamt werden kann und damit einer Feinregulation zugänglich wird. Es ist dabei anzunehmen, daß der zugrundeliegende Mechanismus ein anderer ist als der, der die Stabilisierung von Metallclustern mit niedermolekularen Stabilisatoren wie Citronensäure oder hochmolekularen Polymeren wie PVP oder PVA bewirkt. Die stabilisierende Wirkung der Vesikel basiert wahrscheinlich auf der Adsorptionskapazität von innerhalb der Vesikelmembran (lateral) frei diffundierenden Ladungsträgern für Cluster-Vorstufen (Komplex-)lonen) und/oder wachsende Atomcluster.
Auch die quantitativen Verhältnisse Liposomen - Reaktionsansatz bestimmen die Charakteristika der auf der Vesikeloberfläche aufwachsenden Metallcluster. Neben der Konzentrationen (der lonenstärke) beeinflussen die Ionen-Art (z.B. Wertigkeit) und der pH-Wert des wäßrigen Mediums die effektive Oberflächenladung (wie auch das Zeta- Potential) von dispergierten Mikropartikeln, so auch von Liposomen und anderen Vesikeln. Diese Parameter können daher gezielt eingesetzt werden, um das Aufwachsen der Metallcluster auf den Vesikeloberflächen zu steuern.
Die Metallcluster werden vorzugsweise dadurch auf die Vesikeloberfläche aufgebracht, daß diese mit einer Lösung einer entsprechenden Metallverbindung in Kontakt gebracht wird, worauf die Metallatome entweder durch Reduktion oder durch Freisetzung der Metallatome aus bereits in der formalen Oxidationsstufe "0" vorliegenden Metallatom- Komplexen in einen Zustand versetzt werden, aus dem sie zu Clustern aggregieren. Beispiele für hierfür geeignete Metallverbindungen sind diejenigen, die voranstehend unter "Vorstufen des Aktivatormetalls" ausführlich beschrieben wurden, also alle diejenigen Substanzen, die auch durch Reaktion mit einem geeigneten Reaktionspartner am vorgesehenen Wirkungsort oder bereits zuvor innerhalb der Vesikel in Aktivatormetall überführt werden können. Diese eignen sich auch zur Verwendung in Lösungen, in denen die Vesikel auf ihrer Außenseite mit Metallclustern beladen werden können, und zwar unabhängig davon, ob die Vesikel in ihrem Inneren ebenfalls Metall in irgendeiner Form enthalten oder nicht.
Da einerseits die Suspensionen aus Vesikeln und Lösung der Metallverbindung als solche in der Regel stabil sind, andererseits Metallcluster ab einer kritischen Größe von etwa 5 Atomen nicht mehr zerfallen, kann die entsprechende Reaktion zu einem beliebigen Zeitraum "angeschaltet" und meist durch Umkehrung der chemischen Verhältnisse auch wieder "abgeschaltet" werden. Dadurch läßt sich die gewünschte abzuscheidende Menge an Metall und damit auch die Clustergröße bzw. -menge sehr gut steuern, insbesondere auch, da wie oben erwähnt die Geschwindigkeit der Reaktion über die lonenstärke der Suspension regelbar ist. Am Beispiel der oben erwähnten Reduktion von Pd durch Formiat läßt sich dies gut ablesen: Die Reaktion kann über den pH-Wert gesteuert werden. Säurezugabe zu der neutralen Suspension von Vesikeln in der Palladiumkomplexlösung läßt die Reduktion anspringen, Basenzusatz bringt sie zum Erliegen. Der Zusatz von Salzen verlangsamt sie.
Suspensionen solcher Vesikel in einem geeigneten Suspensionsmittel, häufig einem wäßrigen Suspensionsmittel, stellen stabilisierte Systeme kolloidaler Metalle dar. Sie eignen sich daher als Suspension für Zwecke der stromlosen Metallabscheidung.
Die voranstehend beschriebenen, auf ihrer Außenseite mit Metallclustern beladenen Vesikel entstehen, wie oben erwähnt, in der Regel in Suspensionen von unbeladenen Vesikeln in entsprechender chemischer Umgebung. Sie lassen sich leicht aus solchen
Suspensionen abtrennen, zum Beispiel durch Sedimentation, Zentrifugation, Filtration. Sie lassen sich aber auch wieder leicht resuspendieren.
Wenn die Liposomen durch einen der vorgenannten Schritte oder aus anderen
5 Gründen aus ihrer Suspension abgetrennt wurden, können sie anschließend in dieser Form aufbewahrt oder resuspendiert werden. Die Viskosität der so erhaltenen Suspension ist bei Raumtemperatur leicht einstellbar. Dies kann z.B. durch das Einstellen des Verhältnisses von Liposomen zu Suspensionsmittel erfolgen. Gegebenenfalls kann die Suspension durch übliche Verfahren aufkonzentriert, z.B. ιo eingeengt oder gefriergetrocknet werden, um ihre Viskosität auf einen Wert zu bringen, der sie als Druckpaste (z.B. für Offsetdruck-, Siebdruck- oder Tiefdruck- bzw. Flexodrucktechniken) geeignet macht. Alternativ kann der Suspension ein Verdickungsmittel zugesetzt werden, zum Beispiel ein solches, das Vinylgruppen enthält, wie Polyvinylpyrrolidon oder Polyvinylalkohol. Die Liposomenkonzentration wird
15 dabei vom Fachmann in geeigneter Weise gewählt und liegt üblicherweise im Bereich zwischen 0,1 und 50 Gew./Vol.-%. Günstig ist es, die erhaltene Liposomensuspension auf eine zu konventionellen Offsetfarben ähnliche, leicht ölige (streichfähige) Konsistenz zu bringen, die die Anpassung bestehender Verfahren und Maschinen an ein Druckverfahren unter Zuhilfenahme der erfindungsgemäßen Vesikel erlaubt. Diese
2o kann dann beispielsweise für die Schichtabscheidung in der Mikroelektronik adaptiert werden. Die Liposomen können aber auch ohne Suspensionsmittel aufbewahrt werden.
Nach dem Auftragen der Liposomenpaste wird diese zur Fixierung getrocknet, wobei sich die Wahl der Trocknungs-Parameter (Temperatur, Zeit) in geeigneter Weise an
_5 den Eigenschaften der Liposomen orientiert. Der Trocknungsschritt kann so angelegt werden, daß dabei bereits der Liposomeninhalt freigegeben wird. Dies ist zum Beispiel durch eine Inkubation des mit der Liposomenpaste versehenen Substrats bei etwa 60- 80°C möglich. Eine derartige Inkubation ist bei kommerziell erhältlichen Metallisierungsbädern (z.B. NiP, NiB oder auch Kupferbad) ein üblicher Schritt. Daher
30 ist es vorteilhaft, wenn die zur Präparation der Liposomen genutzten Lipide eine Phasenübergangstemperatur unterhalb des für die Metallisierung erforderlichen Temperaturbereichs aufweisen und der Inkubation im Metallisierungsbad übliche konditionierende Spülbäder vorausgehen, die eine Öffnung der Liposomen bewirken. Alternativ kann die aufgedruckte Liposomenpaste mit einem membranlytischen Medium
gespült werden. Zahlreiche oberflächenaktive Substanzen (Tenside) wie z.B. Saponine (Menger, F.M. et al., Angew. Chemie 1998, 110, 3621-3624) oder organische Lösungsmittel sind für ihre membranlytischen Eigenschaften bekannt und in biochemischen Arbeitstechniken gebräuchlich. Als weitere Maßnahmen zur Lyse der Vesikel sind deren Exposition gegenüber elektromagnetischer Strahlung (UV, IR) oder Behandlung im (reduzierenden) Niederdruckplasma geeignet. Die genannten lytischen Maßnahmen können ggf. auch in geeigneter weise kombiniert werden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Beispiel 1
L-α-Phosphatidylcholin Typ ll-S aus Sojabohnen, Sigma-Katalog Nr. P5638 wird in einer Konzentration von etwa 5% in einer wäßrigen Lösung von 10 mM K2[Pd(NO2)4] und 0,2M K2SO4 vorgequollen. Die Mischung wird einer Ultraschallbehandlung oder Homogenisation unterworfen, wobei Lipidvesikel entstehen, in deren Innenraum der Metallaktivator eingeschlossen ist.
Die Lipidvesikel werden mit Hilfe einer NAP-25 Fertiggel-Kartusche (Amersham Pharmacia Biotech)auf dem Wege der Gelchromatographie von Kaliumnitropalladat befreit.
Dünne Scheiben oder Folien glasfaserverstärktes Eoxidharz-Polymerisat (sog. FR4) werden bei Raumtemperatur 5 Minuten lang in einer 20%igen wäßrigen Lösung des Haftvermittlers LUPASOL SK (BASF AG) inkubiert, um die Haftung zu verbessern. Die wie oben hergestellte Liposomenpaste wird mit Hilfe eines Stempels auf das trockene Substrat aufgetragen. Zur Fixierung erfolgt sodann eine 1-2minütige Trocknung bei 80°C, wobei sich die Liposomenmembran öffnet. Die anschließende Abscheidung einer elektrisch leitfähigen Metallschicht erfolgt stromlos in einem handelsüblichen autokatalytischen Metallisierungsbad (z.B. Chemisch-Nickel 604, Firma Herbert Schmidt GmbH & Co. Deutschland).
Nach der für derartige Bäder jeweils vorgeschriebenen Inkubationszeit entsteht an den mit der Liposomenpaste bedruckten Stellen eine gleichmäßig haftende Nickelschicht, die je nach beabsichtigtem Einsatzgebiet für eine anschließende Weiterbehandlung (z.B. zur Abscheidung einer Kupfer- oder einer Goldschicht) zur Verfügung steht.
Figur 1 zeigt einen im Nickelbad verstärkten Stempelabdruck einer gemäß Beispiel 1 hergestellten Liposomenpaste auf Leiterplattenbasismaterial FR4.
Beispiel 2
Eine Lösung, die 2 mM Tetramminopalladiumdichlorid und 200 mM Kaliumformiat enthält und einen pH-Wert von 8 aufweist, wird mit Lipid in einer Menge von 0,2 bis 40 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Lösung, versetzt. Die Mischung wird mit Ultraschall behandelt, wobei mit Lösung gefüllte Lipidvesikel entstehen. Nach dem Abtrennen der äußeren Lösung und Austausch gegen eine osmotisch gleichwertige, vom Redoxsystem freie Lösung (osmotischer Ausgleich durch Kaliumsulfat oder Glucose) wird das chemische Gleichgewicht des Redoxsystems durch Zugabe einer geeigneten Säure (langsames Zutropfen von 0,5M Schwefelsäure, bis der pH-Wert auf 5 gesunken ist) auf die Seite der Palladium-Reduktion verschoben. Dabei bilden sich feindisperse Palladium-Partikel, die durch die Lipidmembranen der sie umhüllenden Liposomen abgegrenzt und am weiteren Zusammenlagern behindert werden.
Die so erhaltene Liposomensuspension ist stabil. Ihre Konsistenz (Viskosität) hängt von der eingesetzten Menge Lipid ab. Sie reicht von dünnflüssig-wäßrig (0,2 bis 5 Gew.-% Lipid) bis zu fädig-viskos (etwa 40 Gew.-% Lipid) und kann direkt zum Stempelauftrag konditioniert werden. Nach dem Antrocknen des Stempelaufdrucks ist das Substrat zur selektiven Abscheidung von Metallschichten wie oben beschrieben einsetzbar.
Beispiel 3
Eine Einwaage von 3 g Asolectin (L-α-Phosphatidylcholin, Typ ll-S aus Sojabohnen, SIGMA-Katalog Nr. P5638) wird in einer wäßrigen Lösung, die 200 mM K2SO4 und 10 mM MgSO4 gemeinsam mit 10 mM K2[Pd(NO2)4] enthält, vorgequollen.
Diese Suspension wird im Gaulin-Homogenisator Micron Lab40 der Fa. APV Deutschland bei aufeinanderfolgend 250 bar, 250 bar, 1600 bar und 1600 bar Homogenisationsdruck entsprechend der Betriebsanleitung durch ein keramisches Ventil gepreßt und jeweils im dafür vorgesehenen Behälter aufgefangen. Die erhaltene Liposomensuspension ist stabil. Der Liposomendurchmesser liegt bei durchschnittlich etwa 100 nm.
Beispiele 4-6
Eine Liposomendispersion wurde mittels der dafür gängigen Verfahren
(Ultraschallgenerator des Typs „Bransson Sonifier 450, Output stufe 3, duty cycle 30%) aus Sojabohnenlecithin (ll-S „Asolectin" der Firma SIGMA-Aldrich, Katalog-Nummer P- 5638) und wässrigen Salz-Lösungen unterschiedlicher Konzentration: A1 : 0 Mol/I K2SO4 in dest. Wasser A2: 100 mMol/l K2SO4 in dest. Wasser A3: 500 mMol/l K2SO4. in dest. Wasser erzeugt. Dazu wurden 500 mg Lipid in 20 ml der wässrigen Salzlösung etwa 1 h unter Rühren vorgequollen und danach 10 Minuten im Reagenzglas beschallt.
Weiterhin wurden Stammlösungen von
B: 50 mMol/l Tetraamminpalladium (II) Chlorid ([Pd(NH3)4]CI2) in dest. Wasser und
C: 5 Mol/I Kalium-Formiat (HCOOK) hergestellt. Danach wurden jeweils 18 ml der Liposomen in Lösung A1 oder A2 oder A3 mit 3 ml dest. Wasser, 6 ml der Lösung B und 3 ml der Lösung C bei Raumtemperatur unter stetigem Rühren (Magnetrührer) versetzt.
Der pH-Wert der homogenen Dispersion (nach Ansatz pH 7,85) wurde nun mit (etwa 3 ml) einer 0,1 Mol/I H2SO4 auf pH 4,8 eingestellt. Der Ansatz wurde sodann im Wasserbad bei 35 °C kontinuierlich gerührt (Magnetrührer). Mit Einsetzen der
Metallcluster-Bildung, kenntlich z.B. an einer allmählichen Bräunung des Gemisches, wurden in Zeitabständen von 5 Minuten Aliquote entnommen und darin mittels Zusatz von jeweils 0,1 Mol/I wässriger KOH ein pH-Wert von 8,0 eingestellt. Je nach dem
gewählten Zeitpunkt des Reaktionsabbruches durch Rückstellen des pH-Wertes im Reaktionsansatz auf pH > 8,0 können so unterschiedlich große Metallcluster erhalten werden. Dabei ergibt sich folgendes Bild: Die Menge des auf der Oberfläche der Liposomen aufwachsenden Metalls in Clusterform nimmt mit dem zeitlichen Verlauf der Reaktion zu. Bei gleicher Reaktionsdauer nimmt die Menge mit zunehmender Salzkonzentration der Lösungen A ab. Die Umsetzung mit Lösung A3 ist demnach am besten geeignet, um eine genaue Einstellung der abgeschiedenen Metallmenge durch Festlegung der entsprechenden Reaktionsdauer zu bewirken.