ES2275095T3

ES2275095T3 - Metodo para preparar capas polimericas.

Info

Publication number: ES2275095T3
Application number: ES03730061T
Authority: ES
Inventors: Carina Horn; Joachim Hoenes; Wolfgang-Reinhold Knappe
Original assignee: F Hoffmann La Roche AG
Current assignee: F Hoffmann La Roche AG
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2007-06-01
Anticipated expiration: 2023-05-16
Also published as: BR0309947B1; BR0309947A; KR20040106530A; MXPA04011220A; US8846132B2; EP1504116A1; CN1653190A; CA2493918C; US20050214891A1; EP1504113B1; DK1504113T3; CA2486950C; KR20040106531A; CN1653189B; MXPA04011103A; US7951581B2; JP4656938B2; JP2005528896A; CN1653189A; AU2003240260B2

Abstract

Método para preparar capas poliméricas sobre un soporte transparente, que comprende las siguientes etapas: (a) preparación de un soporte, (b) aplicación sobre el soporte de una composición líquida fotopolimerizable, (c) irradiación de la composición líquida fotopolimerizable a través del soporte, de tal modo que sobre el mismo se forme una capa polimérica de un grosor prefijado, y (d) eliminación del resto de composición líquida de la capa polimérica.

Description

Método para preparar capas poliméricas.

La presente invención se refiere a un método para preparar capas poliméricas sobre un soporte mediante la fotopolimerización de una composición líquida polimerizable, a un dispositivo adecuado para preparar capas poliméricas sobre un soporte y a un método para elaborar un sensor que contiene una capa polimérica con un indicador incorporado en ella.

La preparación de capas poliméricas sobre soportes es conocida. Para ello se aplica un líquido polimerizable sobre el soporte, dejando una capa de un espesor lo más uniforme posible, y se polimeriza totalmente. La polimerización puede desencadenarse mediante iniciadores químicos o irradiando el líquido.

Relacionadas con la elaboración de filmes de adhesivo, se conocen técnicas de polimerización consistentes en aplicar una mezcla de prepolímeros funcionalizados de acrilato sobre un soporte y curarla total o parcialmente por irradiación de la superficie de la masa polimérica. El espesor de película de la polimerización se controla regulando la intensidad y el tiempo de irradiación y mediante la propia absorción de los prepolímeros empleados.

La desventaja de los métodos del estado técnico es que a menudo se requiere mucho esfuerzo para ajustar el grosor de la capa polimérica sobre el soporte a un valor prefijado y uniforme. Además, con los métodos de polimerización convencionales frecuentemente se observa poca adherencia de la capa polimérica sobre el soporte.

La presente invención tenía por objeto evitar, al menos en parte, dichas desventajas del estado técnico. Sobre todo, proporcionando un método de preparación de capas poliméricas sobre un soporte, que permitiera elaborar las capas de polímero fácilmente, con un espesor prefijado y uniforme.

Contrariamente a los métodos del estado técnico descritos en relación con la fabricación de adhesivos - en los que se producen capas poliméricas hidrófobas cerradas - tienen que prepararse capas hidrófilas abiertas, capaces de absorber muestras líquidas y analitos de tipo acuoso.

Este objetivo se resuelve aplicando una composición líquida polimerizable sobre un soporte, que luego no se polimeriza por completo, sino solo en una capa de espesor prefijado directamente sobre el soporte. Así pueden elaborarse fácilmente capas uniformes que se adhieren muy bien al soporte.

Por consiguiente, un objeto de la presente invención es un método para preparar capas poliméricas sobre un soporte transparente, que comprende las siguientes etapas:

(a): preparación de un soporte,

(b): aplicación sobre el soporte de una composición líquida fotopolimerizable,

(c): irradiación de la composición líquida fotopolimerizable a través del soporte, de tal modo que solo tenga lugar una polimerización parcial de la composición líquida y sobre el soporte se forme una capa polimérica de grosor prefijado, y

(d): eliminación del resto de composición líquida de la capa polimérica.

El soporte empleado para preparar las capas poliméricas es ópticamente transparente, al menos en parte, por ejemplo un soporte de plástico, como una lámina de policarbonato, de acetato de celulosa, de poliéster o de poliéter, un soporte de vidrio o de cuarzo. También pueden utilizarse soportes de materiales compuestos. Cuando se usa un soporte de este tipo, al menos en parte ópticamente transparente, la irradiación de la composición líquida tiene lugar preferentemente a través del soporte. El espesor del soporte se elige favorablemente previendo que la capa polimérica tenga, por una parte, suficiente estabilidad mecánica y, por otra parte, una suficiente permeabilidad a la luz empleada para irradiar. Por ejemplo, se usan soportes con un grosor de 5 \mum hasta 20 mm. Asimismo se prefiere el empleo de soportes transparentes a la luz UV.

La composición líquida fotopolimerizable lleva al menos una sustancia fotopolimerizable, es decir una sustancia polimerizable por radiación (si es necesario, en presencia de un fotoiniciador). Ejemplos preferidos de tales sustancias son los monómeros fotopolimerizables, como p.ej. las sustancias olefínicamente insaturadas, es decir sustancias con un enlace C=C. Otros ejemplos de sustancias fotopolimerizables idóneas son los oligómeros o polímeros funcionalizados que reticulan al irradiarlos con luz. Estos grupos funcionales fotoactivos comprenden p.ej. acrilatos, azidas, carbazidas, sulfonazidas, diazocetonas, dimetilmaleinimidas, radicales fotociclables (p.ej. chalconas) y derivados de benzofenona. Oligómeros o polímeros adecuados son p.ej. los poliuretanos, poli(vinil-alcoholes), poliésteres, poliéteres, polivinilpirrolidonas, poliacrilatos u oligosacáridos. Se prefieren sobre todo las sustancias fotopolimerizables escogidas entre los monómeros acrílicos, como la acrilamida, ésteres acrílicos como p.ej. el diacrilato de polietilenglicol, monómeros vinílicos aromáticos como p.ej. el ácido 4-vinilbencenosulfónico, polivinilpirrolidonas funcionalizadas y cualquier combinación de una o más de dichas sustancias.

En una forma de ejecución preferida se utiliza una composición acuosa polimerizable, en la cual están disueltos los monómeros que polimerizan. Por tanto, en esta forma de ejecución se usan por conveniencia monómeros hidrófilos que posean una solubilidad suficientemente alta en un disolvente acuoso.

La polimerización en la composición líquida se inicia irradiándola con luz. La composición contiene preferentemente uno o varios fotoiniciadores para arrancar la polimerización. Son ejemplos de fotoiniciadores apropiados los de tipo radicalario, p.ej. benzofenonas, bencilos, antraquinonas, ácidos tiosulfónicos, compuestos azoicos; o iónico, p.ej. sales de triarilsulfonio, hexafluoroantimonatos de arilio.

La composición se irradia a través del soporte, con lo cual la polimerización empieza en la superficie del soporte y - según el ajuste de las condiciones de la polimerización - termina a una cierta distancia predeterminada por encima de la superficie del soporte, debido a la absorción de luz en el interior del líquido polimerizable. Las deformaciones o las desviaciones de la posición horizontal del soporte no pueden influir en el espesor de la capa polimérica. Las tolerancias mecánicas quedan ampliamente suprimidas.

El espesor de la capa polimérica puede ajustarse dentro de un amplio margen, tomando medidas adecuadas. Concretamente el espesor de capa del polímero se puede regular variando la intensidad de la radiación, el tiempo de irradiación o/y la adición de inhibidores de polimerización, p.ej. de sustancias absorbentes de UV a la composición líquida. También cabe la posibilidad de regularlo mediante el grosor o/y el material del soporte. El espesor de las capas poliméricas es preferentemente \leq 500 \mum y sobre todo \leq 100 \mum. Para el empleo de las capas poliméricas como sensores, sobre todo como biosensores, también suelen prepararse espesores de capa menores, preferentemente
\leq 50 \mum, sobre todo \leq 5 \mum.

Si la capa polimérica debe formar parte de un sensor, conviene que, además de los mencionados componentes, contenga un indicador, p.ej. un indicador óptico o/y electroquímico, capaz de reaccionar a los parámetros del medio que circunda la capa polimérica. El indicador puede incorporarse a la composición líquida fotopolimerizable
o - particularmente cuando se trata de una molécula más pequeña - difundirse en la capa polimérica ya terminada. Si la capa polimérica debe contener varios indicadores, también cabe la posibilidad de combinar las medidas anteriormente citadas.

El indicador también puede ser una macromolécula, por ejemplo con un peso molecular \geq 10 kD y sobre todo \geq 20 kD. Como indicador se emplea preferentemente una sustancia catalítica, por ejemplo un enzima que, dado el caso, puede estar en forma de un complejo enzima-coenzima. Ejemplos especialmente preferidos de enzimas son las óxidorreductasas, sobre todo deshidrogenasas, por ejemplo la glucosa-deshidrogenasa (E.C.1.1.1.47), o las oxidasas. Los coenzimas son preferentemente moléculas orgánicas unidas a un enzima mediante enlace covalente o no covalente y modificadas, por ejemplo oxidadas o reducidas, por la reacción con un substrato del enzima. Son ejemplos preferentes de coenzimas los derivados flavínicos, nicotínicos, quinónicos, como FAD, FADH_{2}, NAD^{+}, NADH/H^{+}, NADP^{+}, NADPH/H^{+} o PQQ.

Además de enzimas y, dado el caso, coenzimas, la capa polimérica también puede contener mediadores, es decir sustancias capaces de regenerar coenzimas. En tal caso el enzima actúa como indicador catalítico, es decir, puede transformar varias moléculas de un substrato, por ejemplo de un analito presente en una muestra añadida, como por ejemplo glucosa en sangre.

Según una forma de ejecución especialmente preferida la capa polimérica lleva un complejo enzima-coenzima como componente reactivo estequiométrico para un substrato enzimático a detectar. En este caso el coenzima reacciona una vez y no se regenera. En esta forma de ejecución el empleo de mediadores, relacionado con el uso de complejas mezclas de reacción poco estables y propensas a alteraciones, ya no es necesario.

Cuando se usan sustancias macromoleculares como indicadores, reticulando adecuadamente el polímero (p.ej. mediante el empleo de monómeros bi o/y polifuncionales), se puede preparar una capa polimérica reticulada que incluya la sustancia indicadora macromolecular en forma inmovilizada, mientras que las sustancias de bajo peso molecular, como el coenzima, el substrato enzimático, etc., pueden difundirse en la capa.

La preparación de la capa polimérica se puede realizar como proceso continuo, formando constantemente una capa de polímero dentro de una composición líquida fotopolimerizable aplicada sobre un soporte. Para la polimerización continua, la composición líquida fotopolimerizable se aplica continuamente en una primera posición sobre un soporte móvil y se irradia continuamente en una segunda posición. Evidentemente también se puede mantener el soporte estacionario y mover las posiciones de aplicación e irradiación del líquido. También son imaginables los métodos discontinuos para preparar los filmes de polímero. Estas formas de ejecución tienen en común que la irradiación de la composición líquida fotopolimerizable a través del soporte permite efectuar una polimerización del líquido iniciada directamente sobre el soporte y no completada.

Otro aspecto de la presente invención es un dispositivo para preparar capas poliméricas, que comprende

(a): elementos para recoger y, dado el caso, transportar un soporte,

(b): elementos para aplicar una composición líquida fotopolimerizable sobre el soporte y

(c): elementos para irradiar la composición líquida fotopolimerizable a través del soporte, para formar una capa polimérica de espesor prefijado sobre el soporte, y

(d): si es preciso, elementos para eliminar de la capa polimérica la composición líquida no polimerizada.

El método y el dispositivo se pueden usar para elaborar un sensor, integrando un indicador en la capa polimérica, por ejemplo una biomolécula, como un enzima. El indicador puede hallarse en forma inmovilizada dentro de la capa polimérica. Con especial preferencia, el indicador es un enzima, dado el caso en forma de un complejo enzima-coenzima. El sensor puede ser por ejemplo de tipo óptico o/y electroquímico. Con especial preferencia, el sensor es de tipo fluorescente.

Otro objeto de la presente invención es un método para elaborar un sensor, que comprende las siguientes etapas:

(a): preparación de un soporte,

(b): aplicación sobre el soporte de una composición líquida fotopolimerizable que contiene al menos un indicador,

(c): irradiación de la composición líquida fotopolimerizable a través del soporte, de manera que se forme una capa polimérica de un espesor prefijado sobre el soporte,

(d): eliminación del resto de composición líquida de la capa polimérica, e

(e): integración del soporte con la capa polimérica, incluyendo el indicador, en un sensor que contiene elementos para detectar la reacción del indicador con un analito contenido en una muestra.

Los medios de detección son en concreto de tipo óptico o/y electroquímico. Se prefieren especialmente los detectores ópticos que incluyen una fuente de luz para irradiar la capa polimérica y un detector para captar la luz procedente de la capa polimérica. La fuente de luz, p.ej. un láser o un LED, está prevista preferentemente para irradiar la luz a través del soporte en la capa polimérica. El detector está previsto preferentemente para captar radiación lumínica, p.ej. emisión de fluorescencia, de la capa polimérica.

El sensor se puede utilizar para determinar cualquier analito, por ejemplo parámetros físico-químicos como temperaturas, presiones parciales de gases como O_{2}, CO_{2}, NO_{x}, etc., o parámetros bioquímicos, como analitos en muestras biológicas, p.ej. en líquidos corporales.

Seguidamente la presente invención se explica por medio de figuras y ejemplos.

La figura 1 representa una primera forma de ejecución de un sensor elaborado mediante el método de la presente invención. Sobre un soporte ópticamente transparente (1) está aplicada una capa polimérica (2) con un indicador, p.ej. con un reactivo para detectar una reacción enzimática. Sobre la capa polimérica se deposita una muestra (3), p.ej. sangre. La determinación de la reacción enzimática entre el analito contenido en la muestra (3) y el reactivo detector contenido en la capa polimérica (2) tiene lugar por métodos ópticos. Luz procedente de una fuente lumínica (4), p.ej. de un láser o de un LED, se irradia desde abajo (a través del soporte) sobre la capa de reactivo (2). En un detector (5) se capta la luz absorbida o fluorescente reflejada por la muestra. Si es preciso - sobre todo para captar la luz fluorescente - se coloca un elemento óptico filtrante antes del detector, con el fin de bloquear un solapamiento con la luz de excitación de la fluorescencia.

La figura 2 representa la elaboración de una capa polimérica según la presente invención. Sobre un soporte ópticamente transparente (11), como p.ej. una lámina de plástico, se aplica un reactivo líquido (12) por ejemplo en una primera posición (13). El reactivo líquido (12) se irradia por debajo a través del soporte (11), en una segunda posición, con luz procedente de una fuente (14). El soporte se mueve al mismo tiempo según la dirección marcada por la flecha (15). Sobre el soporte (11) se forma inmediatamente una capa de reactivo polimerizado (16). Sobre la capa polimérica (16) hay reactivo líquido sobrante. El espesor de la capa de reactivo polimerizado (16) se puede regular mediante la composición del reactivo, el tiempo e intensidad de la irradiación lumínica, así como mediante las propiedades del soporte (11).

La figura 3 muestra una forma de ejecución de un sensor basado en la fluorescencia, visto desde abajo. Una capa polimérica que lleva un indicador, preparada por ejemplo mediante el proceso continuo de la figura 2, se puede recortar e integrar en un sensor (21), empleando técnicas conocidas. Después de aplicar la muestra sobre la cara superior, se irradia por debajo con luz de excitación (23) procedente de una fuente lumínica, p.ej. de luz UV. La fluorescencia (24), p.ej. luz azul, producida por la reacción del analito con el reactivo de detección en la capa polimérica (22) se capta mediante un detector.

También se pueden aplicar varios reactivos (iguales o distintos) sobre un soporte. En la figura 4 está representado un ejemplo de esta ejecución, en forma de un disco. Sobre el soporte ópticamente transparente (31) se han dispuesto varios puntos de reactivo (32) formados por capas poliméricas con indicadores.

Ejemplos Ejemplo 1 Detección de glucosa en el sistema glucosa-deshidrogenasa (GlucDH)NAD^{+} en un film polimérico

En un tubo de ensayo de plástico se mezcló una suspensión de las sustancias siguientes.

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Receta 1

1

Se mezclaron 0,5 ml de esta suspensión con 0,5 ml de una solución de GlucDH (100 mg/ml) y la mezcla se homogenizó en un baño de ultrasonidos, eliminando las burbujas de aire.

La solución transparente se vertió sobre una lámina (?) con tratamiento de corona y se irradió a través del soporte, durante 20 min., con un aparato de iluminación convencional (dispositivo iluminador Isel-UVa 2). La lámina se lavó brevemente con agua y luego se secó al aire.

El espesor de capa resultante fue < 2 \mum. Una solución de glucosa/NAD^{+} recién preparada (solución GKL-3, 300 mg/dl de glucosa, 1 ml/6,4 mg de NAD^{+}) se depositó sobre el film. Enseguida se hizo visible una intensa fluorescencia bajo la lámpara UV.

Ejemplo 2 Modificación del espesor de capa mediante la adición de un absorbente de UV

Se preparó una capa polimérica que llevaba un colorante azul (máximo de absorción \approx 650 nm) para reconocerla mejor (receta 2). En otro ensayo, como absorbente de UV se agregó un colorante amarillo a la receta de partida
(receta 3).

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Receta 2

2

La mezcla se homogenizó por agitación y tratamiento en un baño de ultrasonidos, se extendió con una pipeta sobre una lámina de Pokalon de 140 \mum (con tratamiento corona, fase 4) y se expuso durante 1 minuto en un aparato de iluminación UV (Actina U4, W. Lemmen GmbH).

El espesor de capa resultante se midió con un tornillo micrométrico y dio 240,5 \mum.

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Receta 3

3

Del modo descrito anteriormente, la mezcla se extendió sobre una lámina y después se polimerizó. El espesor de capa obtenido se midió con un tornillo micrométrico y dio 79,3 \mum.

Este experimento demuestra que es posible influir en el espesor de capa. En las mismas condiciones de reacción, pero sin absorbente de UV, el espesor de capa es de 240,5 \mum (ver arriba); con un absorbente de UV (colorante amarillo Mordant yellow 7) es solo de 79,3 \mum.

Claims

1. Método para preparar capas poliméricas sobre un soporte transparente, que comprende las siguientes etapas:

(a): preparación de un soporte,

(c): irradiación de la composición líquida fotopolimerizable a través del soporte, de tal modo que sobre el mismo se forme una capa polimérica de un grosor prefijado, y

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque se utiliza un soporte ópticamente transparente, al menos en parte.

3. Método según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque se utiliza un soporte con un espesor de al menos
5 \mum.

4. Método según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se utiliza un soporte elegido entre uno de plástico, uno de vidrio o uno de cuarzo.

5. Método según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se usa una composición líquida fotopolimerizable que lleva al menos una sustancia fotopolimerizable.

6. Método según la reivindicación 5, caracterizado porque se usan monómeros elegidos entre los de tipo acrílico, vinil-aromático, polivinilpirrolidonas funcionalizadas y cualquier combinación de ellos.

7. Método según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se usa una composición líquida fotopolimerizable que contiene al menos un fotoiniciador.

8. Método según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el grosor de capa del polímero se regula variando

(i): la intensidad de irradiación,

(ii): el tiempo de irradiación o/y

(iii): la adición de sustancias que absorben la luz de polimerización.

9. Método según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se prepara una capa polimérica con un grosor \leq 500 \mum, sobre todo \leq 5 \mum.

10. Método según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se prepara una capa polimérica que contiene al menos un indicador.

11. Método según la reivindicación 10, caracterizado porque como indicador se emplea una sustancia macromolecular.

12. Método según la reivindicación 10 o 11, caracterizado porque como indicador se usa una sustancia catalítica, sobre todo un enzima.

13. Método según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se prepara una capa polimérica reticulada.

14. Método según la reivindicación 13, caracterizado porque se integra una macromolécula en la capa polimérica reticulada.

15. Método según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la irradiación se efectúa con luz UV.

16. Método según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la polimerización se lleva a cabo como proceso continuo.

17. Método según la reivindicación 16, caracterizado porque la composición líquida fotopolimerizable se aplica continuamente sobre una primera posición de un soporte en movimiento y se irradia continuamente en una segunda posición.

18. Dispositivo para preparar capas poliméricas, que comprende

(a): elementos para recoger y, dado el caso, transportar un soporte,

19. Empleo del método según una de las reivindicaciones 1 hasta 17 o del dispositivo según la reivindicación 18, para elaborar un sensor, de modo que la capa polimérica contenga al menos un indicador.

20. Empleo según la reivindicación 19, caracterizado porque el indicador se halla en forma inmovilizada dentro de la capa polimérica.

21. Empleo según la reivindicación 19 o 20, caracterizado porque la capa polimérica contiene un enzima, dado el caso en forma de un complejo enzima-coenzima.

22. Empleo según una de las reivindicaciones 19 a 21, caracterizado porque el sensor se escoge entre los de tipo óptico o/y electroquímico.

23. Método para elaborar un sensor, que comprende las etapas siguientes:

(a): preparación de un soporte transparente,

(d): eliminación del resto de composición líquida de la capa polimérica,

24. Método según la reivindicación 23, caracterizado porque el indicador es un enzima, dado el caso en forma de un complejo enzima-coenzima.

25. Método según la reivindicación 24, caracterizado porque el dispositivo de detección incluye detectores de tipo óptico o/y electroquímico.

26. Método según la reivindicación 25, caracterizado porque los detectores ópticos comprenden una fuente lumínica para la irradiación de la capa polimérica y un detector para captar la luz procedente de la capa polimérica.

27. Método según la reivindicación 26, caracterizado porque la fuente lumínica está prevista para irradiar luz a través del soporte en el interior de la capa polimérica.

28. Método según la reivindicación 26 o 27, caracterizado porque se prevé un detector para captar la emisión de fluorescencia procedente de la capa polimérica.