JP2019515124A - 芳香族アミン系化合物が基質独立的に表面コーティングされたポリマー及びそのコーティング方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、芳香族アミン系化合物が基質独立的に表面コーティングされたポリマー及びその表面コーティング方法に関するものであり、より詳細には、ベンゼンにアミンがふたつ以上置き換えされた芳香族アミン系化合物が基質独立的に表面コーティングされたポリマー及びその表面コーティング方法に関するものであり、親核性作用基または親電子性作用基を有したポリマー基質の少なくとも一面に下記構造式の芳香族アミン系化合物を表面改質剤で反応させ、ポリマー基質の表面をコーティングすることを特徴とする芳香族アミン系化合物が基質独立的に表面コーティングされたポリマーを提供する。【選択図】図１
Description
本発明は、芳香族アミン系化合物が基質独立的に表面コーティングされたポリマー及びそのコーティング方法に関するものであり、より詳細には、ベンゼンにアミンがふたつ以上置き換えされた芳香族アミン系化合物が基質独立的に表面コーティングされたポリマー及びそのコーティング方法に関するものである。
ある基質の化学的改質(Chemical Modification)は化学、生物学または材料学、そして工学と応用技術分野で重要な成功要素である。そのような化学的改質に対する基本的な方法は、表面処理反応と異なる物理化学的技術を含むが、ここで望ましい化学的及び/または物理的特性らは、非機能的基質で作られる。主に、このような目的を遂行する分子種らは両端に化学的作用基を有するが、一側の端は基質に付着され、他側の端は基質表面に化学的機能性を付与する。
韓国公開特許公報第１０-２００３-０００９７３２号は、多重アミノエチル分子層で表面をコーティングした有機高分子基質に関するものであり、親核性作用基を含んだ多様な有機高分子、あるいはオリゴマーでなされた基質をアジリジン 、あるいはその誘導体と反応させて基質の表面上に高密度高分子の多重アミノエチル分子層を形成することで基質表面の理化学的特性を変化させた有機高分子基質及びその製造方法を提示している。前記技術は、アジリジン 化合物を有機高分子の基質と反応させることで基質の表面を改質する方法を提示している。
前記技術のように通常的な表面改質反応のために活用することができる基質らは、非常に限定される。これは順番どおり基質の化学改質に対して次のような問題らの原因になる。(１)表面改質しようとする化学成分と基質との間の化学的特異性が要求される点と、(２)基質大きさ/形状がたびたび制限される点と、(３)器具使用がたびたび要求される点と、(４)低い成功率と信頼性の結果をもたらす多段階工程が要求されるという点である。
このような問題点を解決するため、基質に独立的な表面改質技術が発明されたが、前記技術ではカテコールとアミン基すべてを含むドーパミンまたは、これと類似な化合物がアルカリ溶液下で使用される。前記方法は、自然的でありながら表面独立的な接着剤を作るためにい貝の生体模倣的メカニズムを適用する。い貝は実質的にすべてのタイプの無機、あるいは有機基質に接着することができるが、甚だしくはテフロン（登録商標）(ポリテトラフルオロエチレン:ＰＴＦＥで知られている)のような反接着性物質でも接着可能である。このような技術を土台で、下のような多様な表面改質適用例らが作られて来た。
アメリカ特許公報ＵＳ８、５４１、０６０号は表面独立的に表面改質することができる多機能コーティング及びその適用に対するものとして、ドーパミンまたはドーパミンと類似な化合物を表面改質剤で利用してアルカリ溶液で基質と接触させて表面改質するコーティング方法を提示している。
アメリカ特許公報ＵＳ８、９９９、４５２号は、表面独立的に表面改質することができる多機能コーティング及びその適用に対するものとして、ドーパミンのような表面改質剤をアルカリ状態で基質と接触させて基質表面を改質する方法を提示している。
しかし、ドーパミンに基礎した技術には次のような複数の技術的制限らがある。(１)前記技術はアルカリ条件下でばかり実行されることができる。大多数の実験らがトリスアミノメタン(trisaminomethane)緩衝溶液１０mM pH８．５で遂行されるが、前記値はおおよそpH９程度であるドーパミンのpKa(解離定数)値に近い。それによって、必要による反応度を制御し難い。(２)ドーパミン化合物のヒドロキシル基とアミン基の二つの他の反応基らが表面機能性を一定に制御し難くする。(３)化学的構造のためアミン基がたくさん存在することができないし、それによってアミン構造の改質を基礎とする後続適用例らの性能が制限される。
したがって、このような問題を解決するため、基質独立的な表面改質方法が要求される。
前記のような問題点を解決するため、本発明はアミンが２以上で置き換えされた芳香族アミン系化合物を使って基質と関係なく固形基質の表面を化学的に改質することができるコーティング方法を提示することを目的とする。
また、本発明はアミンがふたつ以上置き換えされた芳香族アミン系化合物がコーティングされたポリマーを提供することを特徴とする。
前記の目的を達成するために本発明は、親核性作用基または親電子性作用基を有したポリマー基質の少なくとも一面に下記構造式の芳香族アミン系化合物を表面改質剤で反応させ、ポリマー基質の表面を改質することを特徴とする芳香族アミン系化合物が基質独立的に表面コーティングされたポリマーを提供する。
本発明で表面改質は、水溶液に前記芳香族アミン系化合物を投入し、前記水溶液で前記芳香族アミン系化合物が酸化されて前記ポリマー基質の親核性作用基と反応することで、基質表面が下記の構造に改質されることを特徴とする。
本発明で改質された基質表面の芳香族アミン系化合物が他の芳香族アミン系化合物と重合反応で重合されて高分子化されることを特徴とする。
本発明でポリマー基質は、ビード(bead)、平板(plate)、チューブ(tube)または球形のうちで何れか一つでなされた固形体であることを特徴とする。
本発明で改質された基質の表面にリンカー分子を利用して細胞、タンパク質、核酸または合成高分子を含む生化学的物質を固定させることを特徴とする。
また、本発明は下記構造式の芳香族アミン系化合物が酸化還元反応をするように水溶液に投入する段階と、前記芳香族アミン系化合物が投入された水溶液を親核性作用基または親電子性作用基を有したポリマー基質の少なくとも一面と一定時間接触させ、前記芳香族アミン系化合物を表面改質剤としてポリマー基質の表面を改質する段階と、前記表面改質された基質を洗滌する段階と、及び前記洗滌された基質を乾燥する段階と、でなされることを特徴とする芳香族アミン系化合物が基質独立的に表面コーティングされたポリマー基質のコーティング方法を提供する。
ここで、R１はH、NH２、NH-acylのうちで一つが選択される。
本発明の水溶液は、酸性溶液、中性溶液またはアルカリ溶液のうちで何れかひとつであることを特徴とする。
本発明でポリマー基質は、ビード(bead)、平板(plate)、チューブ(tube)または球形のうちで何れか一つでなされた固形体であることを特徴とする。
本発明で表面を改質する段階には、改質された基質表面の芳香族アミン系化合物が水溶液内の他の芳香族アミン系化合物と重合反応で重合されて高分子化されることを特徴とする。
本発明で表面改質された基質の表面にリンカー分子を利用して細胞、タンパク質、核酸または合成高分子を含む生化学的物質を固定させることを特徴とする。
本発明は、アミンが２以上に置き換えされた芳香族アミン系化合物を使って基質と関係なく固形基質の表面を化学的に改質することができるため大量生産が可能であるという長所がある。
また、本発明はアミンが置き換えされて置き換えされたアミンの数によって生化学的物質を固定させることができるため生化学物質の分離収率及び信頼性が高いという効果を有する。
また、本発明は酸性、中性またはアルカリ溶液どこでも反応が起きるため作業性がすぐれた長所を有する。
また、本発明は反応性作用基であるアミン基を大量で有する構造であるため、生化学物質の分離による時間が画期的に短縮されるという効果を有する。
本発明を実施するための最善の形態は、親核性作用基または親電子性作用基を有したポリマー基質の少なくとも一面に芳香族アミン系化合物を表面改質剤で反応させ、ポリマー基質の表面を改質することを特徴とする芳香族アミン系化合物が基質独立的に表面コーティングされたポリマーである。
以下、添付した図面を参照して、本発明の望ましい実施例に対する構成及び作用を詳しく説明すれば次のようである。
図１は、本発明による芳香族アミン系化合物の酸化還元反応を示した図面であり、図２は本発明による芳香族アミン系化合物と親核性基質との反応過程を示した図面であり、図３は本発明による親核性基質と結合した芳香族アミン系化合物の重合反応を示した図面であり、図４は本発明による親核性基質と結合した芳香族アミン系化合物の重合された状態を示した図面であり、図５は本発明による芳香族アミン系化合物と親電子性基質との反応過程を示した図面であり、図６は本発明による親電子性基質と結合した芳香族アミン系化合物の重合反応を示した図面で、図７は本発明による親電子性基質と結合した芳香族アミン系化合物の重合された状態を示した図面である。
図１に示されたように、本発明で使用される表面改質剤は、芳香族アミン系化合物である。図１は、表面改質剤で使用されるベンゼンジアミン(１)とベンゼンジイミン(２)の酸化還元反応を示したものである。図面に示されたように、ベンゼンジアミン(１)が酸化されてベンゼンジイミン(２)になって、ベンゼンジイミン(２)が還元されてベンゼンジアミン(１)になる酸化還元反応を示している。ベンゼンジアミンの酸化反応はpKaが大きいほどよく起きる。したがって、ベンゼンジアミン(１)の酸化反応はアミンの化学的特性によって水溶液の状態が酸性からアルカリに行くほど酸化反応がよく起きるようになる。すなわち、イオン化度によってアミンが酸化される程度が異なるためイオン化度が低い酸性溶液でも酸化されることができるが、イオン化度が大きいアルカリ溶液でアミンの酸化反応は早めになることができる。表面改質剤であるベンゼンジアミン(１)またはベンゼンジイミン(２)のアルキル基(Ｒ１)には水素(H)、アミン(NH２)またはアシルイミン(NH-acyl)が置き換えされることができる。本発明で使用される基質は基質独立的と言えるが、前記基質は少なくとも親核性または親電子性の化学的結合が可能な作用基を有していなければならない。親核性作用基ではアミン基(-NH２)、チオール基(-SH)、水酸基(-OH)などを挙げることができる。以下ではベンゼンジアミン(１)を表面改質単位体(monomer)で表現することにする。
図２は、表面改質単位体１のアミンがイミンに酸化された状態２で基質１０の親核性作用基と炭素原子が反応して非公有電子対と共有しながら、表面改質単位体１に還元されて基質に結合される過程を示している。このような過程は一つの表面改質単位体１に対するものであり、ポリマーの表面に複数の表面改質単位体１が複数の親核性基質と反応して結合する場合、ポリマーの表面は複数の表面改質単位体１によって反応基であるアミン基を有した基質に改質される。
図３及び図４は、表面改質単位体１が重合反応を通じて高分子化される過程を示している。図面に示されたように、基質に結合された表面改質単位体１の窒素原子は他の酸化された自由状態の表面改質単位体２の炭素原子と親核性反応をするようになって、それによって表面改質単位体２がお互いに重合されて高分子化され、図４のような状態をなすようになる。それによって重合物３に作用基であるアミン基が濃縮形成されて生化学的物質と反応することができるようになるし、アミン基の数によって生化学的物質を固定または分離することができる収率が大幅で増加することができるようになる。よって、ポリマー表面に複数の表面改質単位体１または表面改質重合体３が形成され、それによって生化学的物質を分離及び抽出することができる時間は大幅で減るようになる。また、アルキル基(Ｒ１)にアミン(-NH２)またはアシルイミン(NH-acyl)が置き換えされている場合にはさらに多い作用基を有することができるから、生化学的物質の分離及び抽出機能は分離時間及び収率面でずっと向上することができる。
図５は、親電子性基質１０'と表面改質単位体１が反応することを示した図面である。図面に示されたように、親電子性基質１０'の反応基(Ｒ３)にはアミン基をなす窒素の非公有電子対が関与する。１番アミン基の窒素の非公有電子対は親電子性基質の反応基(Ｒ３)と反応して電子を渡して親電子性基質１０'と結合する。また、２番アミン基の窒素の非公有電子対も親電子性基質１０'の反応基(Ｒ３)と反応して電子を渡して親電子性基質１０'と結合する。よって、親電子性基質１０'に二つのアミン基が付着され、残りアルキル基(Ｒ１)にアミン基が置き換えされて生化学的物質と反応して分離及び抽出することができるようになる。よって、親電子性基質１０'に作用する表面改質単位体１には少なくとも三つのアミン基が置き換えされなければならない。よって、アルキル基(Ｒ１)のうちで何れか一つはアミン基(NH２)に置き換えされなければならないし、残りは水素、アミンまたはアシルイミンのうちで何れか一つならば良い。図６は、親電子性基質に表面改質単位体１が結合された後酸化された他の自由表面改質単位体２と重合反応を開始することを示している。図面に示されたように、表面改質単位体１のアミン基は酸化された他の自由表面改質単位体２の炭素と親核性反応を進行するようになって、それによって図７のような重合物３'が得られるようになる。よって、作用基のアミン基が濃縮されて生化学物質の固定及び抽出を早い時間以内に処理することができるようになる。また、濃縮されたアミン基によってDNAなどの生化学的物質を抽出し出すことができる収率が大幅を増加するようになる。
前記で説明されたように、本発明に使用される芳香族アミン系化合物は、主に１、２、４-ベンゼントリアミン(Bezene-Triamine)や１、２、４、５-ベンゼンテトラアミン(Bezene-Tetraamine:BTA)が主に使用される。１、２、４、５-ベンゼンテトラアミンは１、２、４、５-テトラアミンベンゼンとしても知られている。ベンゼントリアミンの場合はアミン基が三個の場合であるので、アルキル基(Ｒ１)のうちで一つはアミン基に置き換えされて他の一つは水素の状態である。また、ベンゼンテトラアミンはアルキル基(Ｒ１)がすべてアミン基に置き換えされた場合である。
本発明によるポリマー基質に表面改質単位体をコーティングする方法を詳しく説明することにする。ポリマー基質は有機高分子化合物でなされたものであり、親核性作用基(Ｒ２)または親電子性作用基(Ｒ３)を有している固形体ポリマー基質でなければならない。先ず、水溶液に一定濃度の表面改質単位体１を投入してよく交ぜる。水溶液で親核性作用基(Ｒ２)を有したポリマー基質とは表面改質単位体１がイミンに酸化されて反応し、親電子性作用基(Ｒ３)を有したポリマー基質とは表面改質単位体１がアミンに還元されて反応するようになる。前記水溶液は酸性、中性、アルカリ溶液すべて可能である。但し、アルカリ溶液である場合イオン化度が大きいため早い反応が起きることができるが、これに限定されない。表面改質単位体１が酸化還元反応をする水溶液に固形体基質をつけるか、または固形体基質に表面改質単位体１が投入された水溶液を満たす。前記状態で一定時間を置いて固形体基質と反応するように放置する。結合を活性化するために加熱するか、または撹拌することができる。また、触媒を使用することができる場合には反応を促進させるための触媒を投入することもできる。一定時間経過後固溶体基質を洗滌して結合または重合されない表面改質単位体１や不純物を除去する。重合体コーティングの場合は親水性または疎水性特性を有した基質に付着されない物質を何回の洗滌段階を通して除去するようになる。基質に結合または重合されない単位体１や不純物が除去されれば乾燥し、乾燥が完了すれば真空包装をして製品の準備を完了する。前記の固形体ポリマー基質は、ビード(Bead)、平板(Plate)、チューブ(Tube)または球形など多様な形態が可能であり、これに限定されない。
以下では、本発明による表面改質されたポリマー基質を利用してDNAなどの生化学的物質を固定して分離することを説明する。先ず、表面改質単位体１が複数結合したか、または重合物にコーティングされた固形体ポリマー基質に酸性溶液を投入する。酸性溶液下で基質表面のアミン基は陽性子を得るようになって陽電荷に帯電される。酸性溶液が投入された状態でDNAなどの生化学的物質が含まれたサンプルを投入する。陽電荷に帯電された固形体基質表面は与えられたサンプル混合物から電子に帯電されたDNAと結合するようになって、DNAなどの生化学的物質の選択的捕獲が可能になる。次に、DNAが捕獲された状態でサンプルの残りは除去する。次に、固形体基質にアルカリ溶液を投入する。アルカリ状態下で、ポリマー基質表面のアミンが陽性子を失うことで捕獲されたDNA分子がコーティングされた表面から離されるようになる。このような過程からサンプル混合物でDNAなどの選択的な精製が可能になる。
また、アミンはリンカー分子を利用した標準リンカー反応を通じて改質化されて細胞、タンパク質、核酸と合成分子らのような多様な生物学的/化学的物質らを固定させることができる。結果的に特定ターゲット分解物質の精製、分離または感知のために適用されることができる。
以上説明したように、本発明は上述した実施例に限定されなくて、請求範囲で請求される本発明の技術的思想に脱することなしに当該発明が属する技術分野で通常の知識を有した者によって自明な変形実施が可能であり、このような変形実施は本発明の範囲に属する。
本発明は、ベンゼンにアミンがふたつ以上置き換えされた芳香族アミン系化合物が基質独立的に表面コーティングされたポリマー及びそのコーティング方法に関するものであり、アミンが置き換えされて置き換えされたアミンの数によって生化学的物質を固定させることができるため生化学物質の分離収率及び信頼性が高い産業上利用可能性が大きい発明である。
Claims (12)
- 親核性作用基または親電子性作用基を有したポリマー基質の少なくとも一面に下記構造式の芳香族アミン系化合物を表面改質剤で反応させ、ポリマー基質の表面を改質することを特徴とする芳香族アミン系化合物が基質独立的に表面コーティングされたポリマー。
ここで、Ｒ１はH、NH２、NH-acylのうちで一つが選択される。 - 前記表面改質は、水溶液に前記芳香族アミン系化合物を投入し、前記水溶液で前記芳香族アミン系化合物が酸化されて前記ポリマー基質の親核性作用基と反応することで、基質表面が下記の構造に改質されることを特徴とする請求項１に記載の芳香族アミン系化合物が基質独立的に表面コーティングされたポリマー。
- 前記表面改質は、水溶液に前記芳香族アミン系化合物を投入し、前記水溶液から前記構造式に還元された前記芳香族アミン系化合物が前記ポリマー基質の親電子性作用基と反応することで、基質表面が下記構造に改質されることを特徴とする請求項１に記載の芳香族アミン系化合物が基質独立的に表面コーティングされたポリマー。
- 前記水溶液は、酸性溶液、中性溶液またはアルカリ溶液のうちで何れかひとつであることを特徴とする請求項２または３に記載の芳香族アミン系化合物が基質独立的に表面コーティングされたポリマー。
- 前記改質された基質表面の芳香族アミン系化合物が他の芳香族アミン系化合物と重合反応で重合されて高分子化されることを特徴とする請求項２または３に記載の芳香族アミン系化合物が基質独立的に表面コーティングされたポリマー。
- 前記ポリマー基質は、ビード(bead)、平板(plate)、チューブ(tube)または球形のうちで何れか一つでなされた固形体であることを特徴とする請求項１に記載の芳香族アミン系化合物が基質独立的に表面コーティングされたポリマー。
- 前記改質された基質の表面にリンカー分子を利用して細胞、タンパク質、核酸または合成高分子を含む生化学的物質を固定させることを特徴とする請求項２または３に記載の芳香族アミン系化合物が基質独立的に表面コーティングされたポリマー。
- 下記構造式の芳香族アミン系化合物が酸化還元反応をするように水溶液に投入する段階と、
前記芳香族アミン系化合物が投入された水溶液を親核性作用基または親電子性作用基を有したポリマー基質の少なくとも一面と一定時間接触させて、前記芳香族アミン系化合物を表面改質剤にしてポリマー基質の表面を改質する段階と、
前記表面改質された基質を洗滌する段階と、及び
前記洗滌された基質を乾燥する段階と、
でなされることを特徴とする芳香族アミン系化合物が基質独立的に表面コーティングされたポリマーコーティング方法。
ここでＲ１はH、NH２、NH-acylのうちで一つが選択される。 - 前記水溶液は、酸性溶液、中性溶液またはアルカリ溶液のうちで何れかひとつであることを特徴とする請求項８に記載の芳香族アミン系化合物が基質独立的に表面コーティングされたポリマーコーティング方法。
- 前記ポリマー基質は、ビード(bead)、平板(plate)、チューブ(tube)または球形のうちで何れか一つでなされた固形体であることを特徴とする請求項８に記載の芳香族アミン系化合物が基質独立的に表面コーティングされたポリマーコーティング方法。
- 前記表面を改質する段階には、前記改質された基質表面の芳香族アミン系化合物が前記水溶液内の他の芳香族アミン系化合物と重合反応で重合されて高分子化されることを特徴とする請求項８に記載の芳香族アミン系化合物が基質独立的に表面コーティングされたポリマーコーティング方法。
- 前記表面改質された基質の表面にリンカー分子を利用して細胞、タンパク質、核酸または合成高分子を含む生化学的物質を固定させることを特徴とす請求項８に記載のる芳香族アミン系化合物が基質独立的に表面コーティングされたポリマーコーティング方法。
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