JP2021513579A

JP2021513579A - 接着剤

Info

Publication number: JP2021513579A
Application number: JP2020535223A
Authority: JP
Inventors: ウィルカー，ジョナサン，ジェームス; マツォッタ，マイケル，ガブリエル; ノース，マイケル; パットナム，アメリア
Original assignee: Purdue Research Foundation
Current assignee: Purdue Research Foundation
Priority date: 2017-12-31
Filing date: 2017-12-31
Publication date: 2021-05-27
Also published as: US20210017431A1; CA3084142A1; US11884757B2; EP3732263A4; CA3084142C; EP3732263B1; US20240166786A1; AU2017445170B2; WO2019133023A1; EP3732263A1; AU2017445170A1

Abstract

本発明は、イガイ接着タンパク質を模倣する生体模倣接着組成物に関する。本接着組成物において、コポリマーの複数鎖は、特定の水素結合および／またはリガンド−金属−リガンド結合を介して相互連結され、これら易壊性結合は、機械的応力が印加されたときに犠牲的な易壊性結合として機能し、それにより、機械的エネルギーが効率的に放散されるようになる。その結果、延性および強度に改善が施された強化接着剤組成物を得ることが可能となる。【選択図】図１

Description

本発明は、有利な強度および延性を同時に呈する生体模倣コポリマー系をベースとした接着剤組成物、ならびにその製造方法に関する。

具体的には、本発明は、イガイ接着タンパク質を模倣する生体模倣接着剤組成物に関する。本接着剤組成物は、易壊性結合を含むコモノマーが組み込まれており、接着接合部に機械的応力が印加されたときにエネルギーを散逸させるものである。

接着剤組成物の分野では、高延性および高強度の両方を兼備した接着剤を開発することに対して、常に関心が寄せられてきた。延性が重要とされるのは、機械的応力を縁端部に集中させるというよりも寧ろ、結合部全体に分散させるための手段となるものであるからである。そのような応力分散によって、突発的な付着破壊が防止されるが、しかしながら、この特性は材料の強度を犠牲にするのが、通例である。そのような低弾性率の材料は、壊れ易い傾向がある。接着剤は、靭性の特徴である強度および延性の両方を具備したものが、理想的とされる。これらのパラメータは一見、相互に矛盾しているように見える。そのため、技術的なギャップを埋めるための努力が或る程度は為されてきたが、それほど多くはない。ゴムを介して頑健化されたエポキシベースの接着剤は、或る程度の靭性を呈し得るが、ゴム部分とエポキシポリマー部分とを隔離させ、処方を制限してしまっている。更になお、パフォーマンスが最大限に高まるのはどのような場合かを見出すことを目的として、強度および延性を接着剤に体系的に組み込んだ研究は、未だ存在していない。

２つの古典的な事例とは対照的に、２つの基板が重ね剪断で接着され、破壊されるまで引き離される、力対伸長のプロットを示したのが、図１である。左側のポリスチレンベースの接着剤は、高強度でありながら脆弱でもある系の実施例である。具体的には、そのようなポリ［（３，４−ジヒドロキシスチレン）−ｃｏ−スチレン］ポリマー、いわば、イガイ接着タンパク質をエミュレートする簡易型の生体模倣系は、かなりの強度を具備した接着剤であり、場合によっては「スーパーグルー」のような市販の接着剤の接着剤を凌駕することさえあることが、実証されてきた。しかしながら、この高強度は、材料が脆弱であることを意味する。プロットＡから明らかにされるように、接合強度が非常に高い値（およそ７０Ｎ）に達し後、突然急激に低下して、接合部が破壊されることを示唆している。他方、右側に示されている接着剤組成物は、国際公開第２０１７／００４１７４（Ａ１）号に開示されているような、例示的なアクリル酸塩ベースの接着剤ポリマーである。前述のターポリマー系では、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）の短鎖を使用して、柔軟性および延性を付与する一方で、ポリマー弾性率を低減させる。ＰＥＧの組み込みは、接合部全体に機械的応力を分散し、ひいては接着力を増強する一助となる反面、ＰＥＧの量が多すぎて延性が高いと、接着剤系全体の粘着力が弱まるため、性能が比較的低くて貧弱な接着剤が生成される。対応するプロットＢから実証されるように、低接着力（およそ１８Ｎ）では付着破壊が発生するにしても、その発生ははるかに緩慢になり、所要時間が長くなり、且つ基質間の伸長が増大する。そのような状況では、基板が牽引されて接触しなくなった後でも、各基板に対し接着剤が結合された状態のままに維持されることがしばしばある（右下を参照）。

接着剤は、高強度および高延性を同時的に兼備した接合部である曲線Ｃの特性を具備し、高い靭性を呈するものが、理想的とされる。そのような材料は、接着強度の高い結合を生ずることも場合もあれば、高い付着力（すなわち、曲線Ｃの下の面積）を生ずる場合もある。

しかしながら、上記の延性と強度の二律背反関係を考慮すると、理想的な強靭な接着剤は、未だ存在していない。したがって、靭性の向上が見られる（すなわち、接着強度と延性を兼備した）接着剤組成物を提供すること、理想的には、化学的アプローチにより、強靭な接着剤を作製することが所望されており、これにより、そのような概念を他のいくつかの接着剤系に適用することを可能にし得るものと見込まれる。

本発明は、本明細書中に定義されている特許請求の範囲の主題により、これらの目的を解決するものである。本発明の利点は、下掲の節で更に詳細に説明されている。本発明の開示を考慮すれば、更なる利点が当業者に明らかとなるであろう。

本発明者らの発見によれば、そのような理想的な接着剤を作製するための戦略は、コポリマー系に低エネルギーの「易壊性」結合を組み込むことであった。コポリマー系が破壊された後、接着結合に応力が印加されると、主要な共有結合によってポリマーが形成され、結果として、機械エネルギーが放散され、２つの基板が互いに接着したままの状態に維持される。この目的に合わせて、水素結合および金属−リガンド結合が想定されている。

ゆえに、本発明は、全般的に、ドーパミンメタクリルアミド、３，４−ジヒドロキシフェニルアラニンまたは３，４−ジヒドロキシスチレンのいずれか１つから選択される第１のコモノマーと、ペンダントの第１の官能基を含む第２のコモノマーとを備える、コポリマーの複数鎖を具備した、接着剤組成物に関するものであり、異なるコポリマー鎖を有する第１の官能基のうちの少なくとも２つは、中性水素結合か、第２の官能基と第３の官能基とを含む第１の添加剤であって、これら官能基の各々は異なるコポリマー鎖を有する前述の第１の官能基と中性水素結合を形成する第１の添加剤か、あるいは、金属イオンである第２の添加剤であって、リガンド−金属−リガンド結合を介して異なるコポリマー鎖を有する第１の官能基が結合され、この第１の官能基がリガンドを形成する第２の添加剤、を介して相互連結され、水素結合供与体および受容体の両方として機能する能力を有する官能基間に、中性水素結合を形成する。

この系では、中性水素結合を介して、または金属とリガンドとの間の相互作用を介して、易壊性結合が生ずる。この易壊性結合は、接着接合部に機械的応力が印加されたときに、犠牲的な所定の破壊点として機能する。

本発明の更なる態様は、接着剤組成物の製造方法に関するものであり、本製造方法は、ドーパミンメタクリルアミド、３，４−ジヒドロキシフェニルアラニンまたは３，４−ジヒドロキシスチレンのうちの１種から選択される第１のコモノマーと、ペンダントの第１の官能基を含む第２のコモノマーとを共重合させるステップと、第２の官能基と第３の官能基とを含む第１の添加剤を溶解するステップであって、これら官能基の各々が異なるコポリマー鎖を有する第１の官能基との中性水素結合を形成する能力を有し、水素結合供与体および受容体の両方として機能する能力を有する官能基間に、中性水素結合を形成する、溶解ステップと、コポリマーの溶液を混合するステップ、または異なるコポリマー鎖を有する第１の官能基をリガンド−金属−リガンド結合により連結する能力を有する金属イオンである第２の添加剤を、コポリマー溶液に添加するステップであって、第１の官能基がリガンドを形成する、添加ステップと、を含む。

本発明による製剤の好ましい実施形態、および本発明の他の態様は、下記の説明および特許請求の範囲に記載されている。

図１は、強力でありながら脆弱でもある接着剤（Ａ）、延性を備えながら軟弱でもある接着剤（Ｂ）、および理想的とされる強靭な接着剤（Ｃ）の、特性力対伸びのプロット曲線を表したグラフを示す。図２Ａは、比較例１による接着剤組成物の、力対伸長のプロットを示す。図２Ｂは、本発明の実施例１による接着剤組成物の、力対伸長のプロットを示す。図３Ａは、比較例３による接着剤組成物の、力対伸長のプロットを示す。図３Ｂは、本発明の比較例４による接着剤組成物の力対伸長のプロットを示す。図３Ｃは、比較例５による接着剤組成物の、力対伸長のプロットを示す。

本発明に関する理解がいっそう徹底されることを期して、ここで、その例証的な実施形態の下記説明について言及する。

第１の実施形態では、本発明は、ドーパミンメタクリルアミド、３，４−ジヒドロキシフェニルアラニンまたは３，４−ジヒドロキシスチレンのうちの１種から選択される第１のコモノマーと、ペンダントの第１の官能基を含む第２のコモノマーとのコポリマーの複数鎖を含む接着剤組成物に関する。本接着剤組成物において、異なるコポリマー鎖を有する第１の官能基のうちの少なくとも２つは、中性水素結合か、第２および第３の官能基を含む第１の添加剤であって、これら官能基の各々は異なるコポリマー鎖を有する前述の第１の官能基との水素結合を形成する第１の添加剤か、あるいは、金属イオンである第２の添加剤であって、リガンド−金属−リガンド結合を介して異なるコポリマー鎖を有する前述の第１の官能基が結合され、この第１の官能基がリガンドを形成する第２の添加剤、を介して相互連結され、水素結合供与体および受容体の両方として機能する能力を有する官能基間に、中性水素結合を形成する。

ドーパミンメタクリルアミドまたは３，４−ジヒドロキシフェニルアラニンまたは３，４−ジヒドロキシスチレンから選択される第１のコモノマー（これらのうちでは、ドーパミンメタクリルアミドが好ましい）は、イガイ接着タンパク質に由来する生体模倣架橋性モノマーであり、本生体模倣架橋性モノマーは主として、結果として得られた組成物における接着を提供する。

好ましい実施形態において、第１のコモノマーは、コポリマー中に存在するコモノマーの総モル量を基準にして約１０モル％〜約５０モル％の割合にて、好ましくは約２０モル％〜約４０モル％の割合にて、更に好ましくは約２８モル％〜約３６モル％の割合にて存在する。

好ましい実施形態において、第２のコモノマーは、コポリマー中に存在するコモノマーの総モル量を基準にして約５０モル％〜約９０モル％の割合にて、好ましくは約６０モル％〜約８０モル％の割合にて、更に好ましくは約６４モル％〜約７２モル％の割合にて存在する。

水素結合は一般的に、凝集相互作用Ｄ−Ｈ…Ａとして定義される。式中：Ｈ（水素）は正に帯電し、Ａ（すなわち、水素結合（ＨＢ）受容体）は負（部分的または完全）に帯電し、且つＤ（すなわち、水素結合供与体）はＨよりも負に帯電する。

限定されるものではないが、水素結合供与体および受容体の両方として機能する能力を有する官能基は、典型的に、ヘテロ原子における１つ以上の孤立電子対（水素結合受容性）と、ヘテロ原子に結合した水素原子（水素結合供与性）と、を含んだ、官能基を具備する。その具体例としては、限定されるものではないが、カルボン酸基、ヒドロキシル基、第一級または第二級アミド、チオ尿素、尿素、チオール、およびグアニジニウム基が挙げられる。

本明細書中に用いられている「中性水素結合」という用語は、ＡおよびＤが完全には荷電されていない水素結合を示す。この水素結合としては、二重電荷支援水素結合を挙げることができる。ただし、プロトン移動の際に形成される完全なイオン結合のほか、イオン化（または２価）水素結合（例：⁻Ｄ：…Ｈ−Ａ^＋）は除く。異なるＨＢ供与体と受容体の間に形成された水素結合が中性結合またはイオン化結合を形成するかどうかの予測を可能にする概念の基盤となったのが、Ｇｉｌｌｉらによって開発された、いわゆる「ｐＫ_ａ計算尺」（例えば、Ｐ．Ｇｉｌｌｉｅｔａｌ．，Ａｃｃ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ．２００９，４２（１），３３−４４を参照）である。本文献には、酸塩基特性に基づき水素結合の強さおよび品質が記載されている。

第１の近似において、中性水素結合が得られるのは、次の関係を満たした場合である：ΔｐＫ_ａ＝ｐＫ_ａ（ＤＨ）−ｐＫ_ａ（ＡＨ^＋）＞０（式中：ｐＫ_ａ（ＤＨ）は、水素結合供与体のｐＫ_ａ値であり、且つｐＫ_ａ（ＡＨ^＋）は、水素結合受容体のｐＫ_ａ値である（室温の水溶液中にて）。他方、強いＨＢ供与体と強いＨＢ受容体との間の相互作用に対応するΔｐＫ_ａが負の場合、２価の水素結合が形成される傾向がある。例えば、カルボン酸は通常、ｐＫ_ａ（ＤＨ）が２〜５の範囲内にあることを呈する。アルコールとの水素結合（ｐＫ_ａ（ＡＨ^＋）＝−５〜−２）の場合、ΔｐＫ_ａは約４〜１０の範囲内となる。他方、カルボン酸とアミンとの組み合わせ（ｐＫ_ａ（ＡＨ^＋）＝１０〜１１）の場合、負のΔｐＫ_ａ（例えば、カルボン酸アンモニウム結合の形成）に帰結する。概して、ｐＫ_ａ値は、当業者に公知の方法により算定することが可能である。

限定されるものではないが、例示的な官能基間に形成される水素結合の２〜３の例、すなわち、二量体カルボン酸（ａ）、添加剤を介して形成される酸−酸結合（ｂ）、およびカルボン酸モノマーとジオール添加剤の間に形成される水素結合（ｃ）は、次式に例証されている通りである。式中：指数ｙ、ｎ、および基Ｒは、当業者が適切に選択することができる。

概して、水素結合は、エネルギーを散逸させる程度に十分強くなければならない反面、延性と強度とのバランスを良好化するには、ポリマーを形成する主要な共有結合よりも弱くなければならない。この目的に合わせて、ΔｐＫ_ａを２〜１８のいずれか、特に好ましくは３〜１６のいずれかとすることが所望される。

第１の添加剤が添加されている場合、水素結合はカルボン酸を介して形成されるのが好ましい。該カルボン酸は第１、第２および第３の官能基として使用される場合もある。同様に好ましい実施形態は、カルボン酸を第１の官能基とし、且つ第２および第３の官能基が、好ましくは、ヒドロキシル、尿素、チオ尿素、アミド、グアニジニウム、カルボン酸およびチオールのいずれかから独立に選択されることを条件とした実施形態である。代替的に、第１の官能基が、ヒドロキシル、尿素、チオ尿素、アミド、グアニジニウム、カルボン酸およびチオールのいずれかから選択され、且つ第２および第３の官能基がカルボン酸であることを条件とするのが、好ましい場合もある。結果として得られたΔｐＫ_ａ、およびこうして得られた強化強度と延性を考慮すれば、カルボン酸を補完する官能基群でより好ましいのは、アルコール、尿素、チオ尿素、グアニジニウムおよびアミドである。更に好ましい実施形態において、第１の官能基はカルボン酸であり、第２および第３の官能基はヒドロキシル基であるか、または第１の官能基はヒドロキシル基であり、且つ第２および第３の官能基はカルボン酸である。第２および第３の官能基としてヒドロキシル基を有する第１の添加剤の例としては、ポリオール、好ましくは炭素原子１〜１２個を含むジオール、例えばエチレングリコールを挙げることができる。

カルボン酸基を提供するために上記の第１の添加剤と併用することの可能な、好ましい第２のコモノマーとしては、メタクリル酸またはアクリル酸を挙げることができ、そのうちで特に好ましいのはアクリル酸である。

異なるコポリマー鎖を有する第１の官能基のうちの少なくとも２つが中性水素結合を介して相互連結されている場合、第１の官能基は、水素結合供与体および受容体の両方として機能する能力を有する（例えば、カルボン酸、例えば、カルボン酸二量体を形成する能力を有する）ことが、好ましい。加えて、ここで確実に行う必要があるのは、コポリマーの硬化形態において、異なるコポリマー鎖を有する前述の第１の官能基を相互に十分に接近させることによって、水素結合の形成を可能にすることである。このことは、第２のコモノマー中の適切なスペーサー基（例えば、限定されるものではないが、例えば、アルキル鎖を含む）によって達成することが可能である。

異なるコポリマー鎖を有する前述の第１の官能基を、水素結合の代わりに、リガンド−金属−リガンド結合を介して結合させ、第１の官能基がリガンドを形成する第２の添加剤を添加するという手段により、リガンド−金属−リガンド相互作用を確立してもよい。

限定されるものではないが、そのような結合の２〜３の例、すなわち、カルボン酸塩−金属−カルボン酸塩結合（ｄ）、アクリルアミド型複合結合（ｅ）、およびアミン型複合結合（ｆ）は、次式に例証されている通りである。式中：添え字ｙ、電荷ｎ、および基Ｒは、本開示を考慮すれば、当業者が適切に選択することが可能である。

前述の第２の添加剤は、好ましくは、アルカリ土類金属イオンまたは遷移金属イオンから選択される金属イオン、更に好ましくは、Ｃｕ、Ｃｄ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ａｇ、ＭｎまたはＣｒのイオンのうちのいずれか１種から選ばれたものであり、塩の水溶液としてコポリマー組成物に添加することも可能であるし、当業者が適切に選択することが可能である。

限定されるものではないが、前述の第２の添加剤と併用される第１の官能基は、好ましくはカルボキシレート基、ヒドロキシル基、アミド基またはアミン基から選択され、好ましくはカルボキシレート基を表す。

概して、共重合体の数平均分子量（Ｍｎ）は、有利なバルク接着性の観点からすれば、少なくとも５０００ｇ・ｍｏｌ^−１であることが好ましく、５５００〜１５０００ｇ・ｍｏｌ^−１であることが更に好ましい。

コポリマーの多分散性指数（ＰＤＩ）は、特に限定されるものではないが、１．３〜２．０、好ましくは１．４〜１．９の範囲とされる。

当然のことながら、易壊性結合を導入するという上記概念は、単一の接着剤組成物において、または単一のコポリマーにおいてさえ、任意の組み合わせにて統合することが可能である。

更になお、本コポリマーは、上記で定義された第１および第２のコモノマー以外の更なるコモノマーを含み得るが、実施形態においては、上記の第１および第２のコモノマーからなるコポリマーの方が好ましい場合のあることが、理解される。

最後に、接着剤組成物は、当該技術分野において公知の更なる従来の添加剤を含む場合がある。例えば、乳化剤、顔料、充填剤、硬化剤、増粘剤、保湿剤、湿潤剤、殺生物剤、接着促進剤、着色剤、粘着付与樹脂、ＵＶ安定剤、ワックス、抗酸化剤、およびそれらに類するものである。

第２の実施形態において、本発明は、接着剤組成物の製造方法に関するものであり、本製造方法は、ドーパミンメタクリルアミド、３，４−ジヒドロキシフェニルアラニンまたは３，４−ジヒドロキシスチレンのうちの１種から選択される第１のコモノマーと、ペンダントの第１の官能基を含む第２のコモノマーとを共重合させるステップと、第２の官能基と第３の官能基とを含む第１の添加剤を溶解するステップであって、これら官能基の各々が異なるコポリマー鎖を有する第１の官能基との中性水素結合を形成する能力を有する、溶解ステップと、コポリマーの溶液を混合するステップ、または異なるコポリマー鎖を有する第１の官能基をリガンド−金属−リガンド結合により連結する能力を有する金属イオンである第２の添加剤を添加するステップであって、第１の官能基がリガンドを形成する、添加ステップと、を含む。

共重合は、当該技術分野において公知の方法に従って実施できる。

限定されるものではないが、本組成物を、被着体に塗布した後に、例えば室温にて、または、例えば３０〜８０℃の高温にて放置するといったような手段により、接着剤組成物を硬化させることが可能である。

全般的に見れば、上記に指定された第１および第２の実施形態の好ましい特徴は、本特徴の少なくともいくつかが相互に排他的である組み合わせ以外の任意の組み合わせにて兼備し得ることが、認識されるであろう。

ポリマーの特性評価は、^１Ｈ−ＭＮＲ分光法およびゲル浸透クロマトグラフィー（ＧＰＣ）を使用して実施した。バックボーン内のモノマーのパーセンテージは、初期のモノマー供給量に対応していた。芳香族領域（σ６．２〜６．７ｐｐｍ）を統合し、ドーパミンメタクリルアミド含有量、およびアクリル酸含有量のバックボーン領域（σ０〜２．４ｐｐｍ）を与えることにより、ポリマーのモノマー比を算定した。溶離液テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）を用いたＰｏｌｙｍｅｒＬａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓＰＲ−ＧＰＣ２０を使用して、ＧＰＣにより、分子量を算定した。重ね剪断測定は、ＡＳＴＭＤ１００２に従って実施することができる。

比較例１
ドーパミンメタクリルアミドとアクリル酸ｔｅｒｔ−ブチルとのラジカル重合、続いてｔｅｒｔ−ブチルエステルのトリフルオロ酢酸を介した加水分解により、接着性コポリマーを得た。対象とされたドーパミンメタクリルアミドモノマーは、概算で３３モル％であった。

ポリ｛［ドーパミンメタクリルアミド］−ｃｏ−［アクリル酸ｔｅｒｔ−ブチル］｝の合成
ドーパミンメタクリルアミド（３．０ｇ、１３．５ミリモル）、アクリル酸ｔｅｒｔ−ブチル（４．０ｍＬ、２７．３ミリモル）およびＡＩＢＮ（３１．６ｍｇ、０．１９２ミリモル）を、火炎乾燥されたシュレンクフラスコ内のジメチルホルムアミド（２４ｍＬ）中に溶解した。アルゴンを室温にて１５分間散布した後、フラスコを７０℃の油浴中に２日間入れた。反応混合物は粘稠な溶液になった。油浴からフラスコを取り外し、メタノール１ｍＬを添加して反応を停止させた。冷却された反応物に対し、希釈用のジクロロメタン（およそ１０ｍＬ）を添加した。次いで、本溶液を過剰量のエーテル（およそ２００ｍＬ）中に注ぎ、白色のポリマーを析出させた。生成物をジクロロメタン／エーテルで更に２回再析出させた。ポリマーを可溶化するためには、最小限のメタノールを用いた超音波処理を要したことが頻繁にあった。生成物を２晩真空乾燥させ、純粋なポリマー５．８ｇ（７８％）を得た。

ポリ｛［ドーパミンメタクリルアミド］−ｃｏ−［アクリル酸］｝の合成
ポリ｛［ドーパミンメタクリルアミド］−ｃｏ−［ｔｅｒｔ−ブチルアクリル酸塩］｝（２．２ｇ、１３．９ミリモル）をシュレンクフラスコ内のジクロロメタン（およそ３０ｍＬ）中に溶解させた。室温でアルゴンにより１５分間スパージングした後、トリフルオロ酢酸１０ｍＬを滴下して添加し、アルゴン下、周囲温度にて１日間撹拌した。ポリマー析出物の固体塊を生じ、溶液をデカントすることにより回収した。生成物をメタノール中に溶解させ、エーテルで析出させた。生成物を、メタノール／エーテルで更に２回再析出させた。生成物を真空中で２晩乾燥させ、純粋なポリマー１．６ｇ（９６％）を得た。

ＶａｒｉａｎＩｎｏｖａ３００ＭＨｚ分光計を使用して、^１Ｈ−ＮＭＲスペクトルを記録した。芳香族領域（σ６．２〜６．７ｐｐｍ）を統合し、ドーパミンメタクリルアミド含有量、およびアクリル酸含有量のバックボーン領域（σ０〜２．４ｐｐｍ）を与えることにより、モノマー比を算定した。溶離液テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）を用いたＰｏｌｙｍｅｒＬａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓＰＬ−ＧＰＣ２０を使用して、ゲル浸透クロマトグラフィー（ＧＰＣ）により、分子量を算定した。シグマアルドリッチ社（ＳｉｇｍａＡｌｄｒｉｃｈ）から購入されたモノマーであるアクリル酸ｔｅｒｔ−ブチルを、アルミナカラムを用いて精製した。トリフルオロ酢酸も同様にシグマアルドリッチ社から購入し、不使用期間中はアルゴン下で保管した。使用された他の全ての化学物質は、シグマアルドリッチ社から購入されたもので、受領時の状態のまま使用された。ドーパミンメタクリルアミドモノマーの合成は、公開されている手順に従って、１Ｈ−ＮＭＲ分光法により、特性評価された。全てのポリマーは、典型的なシュレンク管操作法（Ｓｃｈｌｅｎｋｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）を用いて、不活性アルゴン雰囲気下にてフリーラジカル重合により、調製された。ラジカル開始剤であるアゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）をメタノールから再結晶させ、使用前に真空乾燥させた。反応の開始に先立って、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）溶媒を、バブリングアルゴンで少なくとも１５分間脱気させた。

概して、ポリマーの特性評価は、ＮＭＲ分光法およびゲル浸透クロマトグラフィー（ＧＰＣ）を使用して実施した。バックボーン内のモノマーのパーセンテージは、初期のモノマー供給量に対応していた。メタクリル酸ドーパミン含有量は、２８〜３７モル％の範囲であった。数平均分子量（Ｍｎ）は、６，０００ｇ・ｍｏｌ^−１〜１４，０００ｇ・ｍｏｌ^−１の範囲であり、全ての試験済みポリマーの多分散性指数（ＰＤＩ）は１．４〜１．９であった。

アルミニウム基板の接着研究
重ね剪断試験では、ファーマーズコッパー（Ｆａｒｍｅｒ’ｓＣｏｐｐｅｒ）で購入されたアルミニウム６０６１−Ｔ６のシートからの８．８９ｃｍ×１．２７ｃｍ×０．３１８ｃｍの被着体を、ウォータージェット系を用いて精密に切断した。ドリルプレスを使用して、直径０．６３３ｃｍの穴を上部から０．８０ｃｍ穿設した。被着体は、ＡＳＴＭＤ２６５１標準法に従って洗浄し、続いて、沸騰した脱イオン水およびメタノールで洗浄した。接着試験では、多くの場合、超音波処理機を使用して、ポリマーをメタノール中に０．１５ｇポリマーｇ・ｍＬ^−１にて溶解させた。ポリマー溶液（４５μＬ）を被着体上に堆積させ、次いで（１．２×１．２ｃｍで）重ね合わせて、単一のラップジョイント構成を形成した。オーバーラップ領域の一貫性が確保され、且つジョイントの位置合わせが確実に為されるように、自作の治具を使用した。接合部の両側にある２つのテフロンブロックを一緒に押して、接合された基板を精密に位置合わせした。試験前に、試験片を室温にて１時間、続いて７０℃にて２２時間、その後、室温にて１時間硬化させた。接着力は、故障時の最大負荷を、接着剤で被覆された基板のオーバーラップ領域で除算した値として定義される。

実施例１
実施例１の調製および試験は、比較例１に従い、ただし、被着体への堆積時にエチレングリコール溶液１５μＬをポリマー溶液に添加して行った。結果として、エチレングリコールのモル量は（アクリル酸に対して）４５モル％に達した。

比較例１および実施例１の組成物を用いた重ね剪断試験の結果を、図２Ａおよび図２Ｂに示す。同図には、生データから生じた曲線が描かれている。図中、接着された基板対は、牽引されて、遂には破壊されるに至る。接着性コポリマーの重ね剪断接着試験から得られた力対伸長曲線によって明らかにされるように、ポリマー単独、すなわち比較例１では、脆性破壊が見られる。理由は、おそらく、ドーパミンメタクリルアミドによる立体障害（図２Ａ）の観点からすれば、アクリル酸のカルボキシル基は、易壊性結合を介して相互連結されることがないからである。他方、エチレングリコール分子を組み込むことにより、アクリル酸モノマー間の水素結合の形成が可能となり、結果として、系内に延性が誘導される（図２Ｂ）。こうした脆性から延性への遷移に加えて、ポリマー単独の場合の機械的強度（１．２２±０．２７ＭＰａ）を、エチレングリコールを添加した場合（２．６０±０．５２Ｍｐａ）と比較することによって示唆されるように、材料全体の強度が大幅に向上している。ゆえに、これまでに明らかにされてきたように、材料の機械的強度を犠牲にしてはじめて延性を組み込むことが可能であった従来の接着剤系とは異なり、材料の機械的強度を損なうことなしに、延性を誘発することが可能となった。

比較例２
比較例２の調製は、実施例１に従って行ったが、ただし、その際、エチレングリコールを添加する代わりに、ヒドロキシル基を有さないエチレングリコールの類似体である４５モル％ジメトキシエタンを添加した。このポリマーを添加したにもかかわらず、機械的強度（１．３４±０．４９ＭＰａ）は本質的に全く増加しなかった。脆性破壊から延性破壊への移行が観られなかったことから示唆されるように、水素結合受容基としてのみ機能するジメトキシエタンのエーテル基は、接着剤組成物の延性および強度を増加させるうえで必要とされる易壊性結合をもたらすことができない。

比較例３
ジオール基とカルボキシレート基との間の該水素結合が材料の機械的特性に対して及ぼす影響度に関して洞察が得られるようにする目的から、対照実験の実施には、ポリ｛［ドーパミンメタクリルアミド］−ｃｏ−［アクリル酸メチル］｝ポリマーが使用された。メチルエステル類似体は、アクリル酸モノマーの特徴であるカルボン酸基を欠くことから、水素結合は発生し難いことが予期され、ひいては、エチレングリコールの効果が低下することも予期された。

ポリ｛［ドーパミンメタクリルアミド］−ｃｏ−［アクリル酸メチル］｝の合成
ドーパミンメタクリルアミド（３．０ｇ、１３．５ミリモル）、アクリル酸メチル（２．６ｍＬ、２９．０ミリモル）およびＡＩＢＮ（３１．６ｍｇ、０．１９２ミリモル）を、火炎乾燥されたシュレンクフラスコ内のジメチルホルムアミド（２４ｍＬ）中に溶解させた。アルゴンを室温にて１５分間散布した後、フラスコを７０℃の油浴中に２日間入れた。反応混合物は粘稠な溶液になった。

油浴からフラスコを取り外し、メタノール１ｍＬを添加して反応を停止させた。冷却された反応物に対し、希釈用のジクロロメタン（およそ１０ｍＬ）を添加した。次いで、溶液を１％ＨＣｌ水溶液（およそ１００ｍＬ）中に注ぎ、白色のポリマーを析出させた。生成物をジクロロメタン／エーテルで更に３回再析出させた。ポリマーを可溶化するためには、最小限のメタノールを用いた超音波処理を要したことが頻繁にあった。生成物を真空中で２晩乾燥させ、純粋なポリマー４．５ｇ（５８％）を得た。

結果として得られたポリマーの試験は、比較例１に従って、ただし、その際には添加剤を添加せずに行った。力対伸展試験の結果は、図３Ａのグラフに示されている。
図５に図示されているように、添加剤を含まないポリマーは、比較例１のアクリル酸ポリマー系と同様に、特徴的な脆性破壊が見られる。

比較例４
比較例４の調製および試験は、比較例３に従い、ただし、被着体への堆積時にエチレングリコール溶液１５μＬをポリマー溶液に添加して行った。結果として、エチレングリコールのモル量は（アクリル酸メチルに対して）４５モル％に達した。

図３Ｂに図示されているように、４５％エチレングリコールを添加すると、曲線が丸みを帯びるようになり、延性の高い材料への移行が示唆される。ただし、機械的強度は、見かけ上、エチレングリコールを添加したことによる影響が見られない。ポリマー単独の場合の強度（１．８６±０．４５ＭＰａ）は、エチレングリコールが添加された後の強度（２．０３±０．５９ＭＰａ）に極度に近似しているからである。ここで想定し得るのは、エチレングリコールと水素結合受容性（水素結合供与性とは異なる）メチルエステル基との間に発生する水素結合が最小限に抑えられ、材料を強化することなしに、脆性から延性への移行が可能になるという点である。

比較例５
比較例５の調製および試験は、比較例４に従い、ただし、被着体への堆積時にジメトキシエタン溶液（エチレングリコールの代替物）１５μＬを、ポリマー溶液中に添加した。結果として、ジメトキシエタンのモル量は（アクリル酸メチルに対して）４５モル％に達した。

図３Ｃに例証されているように、ジメトキシエタンは水素結合する能力を有さないため、ポリ｛［ドーパミンメタクリルアミド］−ｃｏ−［メチルメタクリル酸塩］｝ポリマーにジメトキシエタンを添加しても、効果はほとんどなかった。材料の強化は全く観られず（２．３７±１．０５ＭＰａ）、且つ本材料の力対伸張曲線の挙動における変化も観られなかった。観察されたのは脆性破壊であり、結果として、材料の特性への影響は最小限に抑えられた。

比較例６
ポリアミンであるスペルミンの添加を利用して、比較例１で合成されたポリ｛［ドーパミンメタクリルアミド］−ｃｏ−［アクリル酸］｝ポリマーの接着に対して及んだ影響を調査し、それによって、アクリルカルボン酸とスペルミンのアミン残基との間の相互作用を研究した。比較例６の調製および試験は、比較例１に従い、ただし、被着体への堆積時にスペルミン溶液（エチレングリコールの代替物）１５μＬをポリマー溶液に添加して行った。結果として、スペルミンのモル量は（アクリル酸に対して）４５モル％に達した。

スペルミンを添加したにもかかわらず、エチレングリコールと同じ効果は得られなかった。材料の強度は増加した（２．２４±０．２７ＭＰａ）が、材料において観察されたのは脆性破壊であった。ここで想定し得るように、プロトン移動を介したカルボン酸アンモニウム結合が形成された結果として、延性挙動に比べて脆性が高まる。

上記に明らかにされているように、易壊性結合を特徴とする新規な生体模倣コポリマーを使用して接着性ポリマーの延性および強度を同時に向上させるという戦略は、こうして同定されてきた。

上記の開示を想到すれば、他の多くの特徴、修正、および改善が、当業者に明らかになるであろう。

Claims

ドーパミンメタクリルアミド、３，４−ジヒドロキシフェニルアラニンまたは３，４−ジヒドロキシスチレンのうちの１種から選択される第１のコモノマーと、ペンダントの第１の官能基を含む第２のコモノマーとを含んだコポリマーの、複数鎖を含む接着剤組成物であって、
異なるコポリマー鎖を有する、前記第１の官能基のうちの少なくとも２つが、
中性水素結合、
第２の官能基と第３の官能基とを含む第１の添加剤であって、前記官能基の各々が異なるコポリマー鎖を有する前記第１の官能基と中性水素結合を形成する、第１の添加剤、あるいは
金属イオンである第２の添加剤であって、リガンド−金属−リガンド結合を介して異なるコポリマー鎖を有する前記第１の官能基が結合され、前記第１の官能基が前記リガンドを形成する、第２の添加剤、を介して相互連結され、
前記中性水素結合が、水素結合供与体および受容体の両方として機能する能力を有する官能基間に形成される、接着剤組成物。
ドーパミンメタクリルアミドまたは３，４−ジヒドロキシフェニルアラニンまたは３，４−ジヒドロキシスチレンの前記いずれか１つが、約１０モル％〜約５０モル％の割合にて、好ましくは約２０モル％〜約４０モル％の割合にて、更に好ましくは約２８モル％〜約３６モル％の割合にて存在する、請求項１に記載の接着剤組成物。
前記第１のコモノマーが、ドーパミンメタクリルアミドである、請求項１または２に記載の接着剤組成物。
前記第２のコモノマーが、約５０モル％〜約９０モル％の割合にて、好ましくは約６０モル％〜約８０モル％の割合にて、更に好ましくは約６４モル％〜約７２モル％の割合にて存在する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の接着剤組成物。
前記中性水素結合が、次式：ΔｐＫ_ａ＝ｐＫ_ａ（ＤＨ）−ｐＫ_ａ（ＡＨ^＋）＞０（式中：ｐＫ_ａ（ＤＨ）は前記水素結合供与体のｐＫ_ａ値であり、且つｐＫ_ａ（ＡＨ^＋）は前記水素結合受容体のｐＫ_ａ値である）の関係を満たす、請求項１〜４のいずれか一項に記載の接着剤組成物。
ΔｐＫ_ａが２〜１８、好ましくは３〜１５である、請求項５に記載の接着剤組成物。
前記第１の官能基がカルボン酸であり、且つ前記第２および第３の官能基が、ヒドロキシル、尿素、チオ尿素、グアニジニウム、アミド、カルボン酸およびチオールのいずれかから独立に選択されるか、または前記第１の官能基が、ヒドロキシル、尿素、チオ尿素、アミド、グアニジニウム、カルボン酸およびチオールのいずれかから選択され、且つ前記第２および第３の官能基がカルボン酸である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の接着剤組成物。
前記第１の官能基がカルボン酸であり、且つ前記第２および第３の官能基はヒドロキシル基であるか、または前記第１の官能基がヒドロキシル基であり、且つ前記第２および第３の官能基がカルボン酸である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の接着剤組成物。
前記第１の官能基がカルボン酸である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の接着剤組成物。
前記第１の添加剤が、ポリオール、好ましくは１〜６個の炭素原子を含むジオール、更に好ましくはエチレングリコールである、請求項１〜９のいずれか一項に記載の接着剤組成物。
前記第１の添加剤を含み、前記第２のコモノマーが、メタクリル酸またはアクリル酸、好ましくはアクリル酸である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の接着剤組成物。
前記第１の添加剤のうちの１つが、前記第２のコモノマーのモル量に対し約１０モル％〜約７０モル％の割合にて、好ましくは約２０モル％〜約６０モル％の割合にて、更に好ましくは約３５モル％〜約５５モル％の割合にて存在する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の接着剤組成物。
前記第２の添加剤が、アルカリ土類金属イオンまたは遷移金属イオンから選択される金属イオン、好ましくはＣｕ、Ｃｄ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ａｇ、ＭｎまたはＣｒのイオンのうちのいずれか１種から選択される金属イオンである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の接着剤組成物。
前記第１の官能基が、カルボキシレート基、ヒドロキシル基、アミド基またはアミン基から選択され、好ましくはカルボキシレート基を表すものである、請求項１２または１３に記載の接着剤組成物。
接着剤組成物の製造方法であって、
ドーパミンメタクリルアミド、３，４−ジヒドロキシフェニルアラニンまたは３，４−ジヒドロキシスチレンのうちの１種から選択される第１のコモノマーと、ペンダントの第１の官能基を含む第２のコモノマーとを共重合するステップと、
前記コポリマーを溶解するステップと、
第２の官能基と第３の官能基とを含む第１の添加剤を溶解するステップであって、前記官能基の各々が異なるコポリマー鎖を有する前記第１の官能基との中性水素結合を形成する能力を有し、前記中性水素結合は、水素結合供与体および受容体の両方として機能する能力を有する官能基間で形成される、溶解するステップと、前記コポリマーの溶液を混合するステップ、または、
異なるコポリマー鎖を有する前記第１の官能基をリガンド−金属−リガンド結合により連結する能力を有する、金属イオンである第２の添加剤を、前記コポリマー溶液に添加するステップであって、前記第１の官能基が前記リガンドを形成する、添加するステップと、を含む、製造方法。