JP7206612B2 - block copolymer - Google Patents
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Description
本発明は、疎水性基材の表面を親水化するブロック共重合体に関する。 The present invention relates to a block copolymer that hydrophilizes the surface of a hydrophobic substrate.
表面へ防曇性又は防汚性、帯電防止性、生体適合性といった機能を付与するために、疎水性基材の表面親水化が広く用いられている。その手法として、プラズマ処理、グロー放電処理、イオンエッチング等のような、疎水性ポリマー基材の表面に親水性の官能基を発生させる方法や、基材表面への界面活性剤の塗布もしくは基材への直接混練といった方法が用いられてきた(例えば、非特許文献1参照)。しかしながら、それらの方法は、厳しい条件で処理を行うため基材へダメージを与える点や、恒久的に親水性表面を保持することが難しい点といった問題点があった。 Surface hydrophilization of hydrophobic substrates is widely used to impart functions such as antifogging or antifouling properties, antistatic properties, and biocompatibility to surfaces. As a method, plasma treatment, glow discharge treatment, ion etching, etc., a method of generating hydrophilic functional groups on the surface of a hydrophobic polymer base material, a surface active agent coating on the base material surface or a base material A method such as direct kneading into the powder has been used (see, for example, Non-Patent Document 1). However, these methods have problems such as damage to the substrate due to treatment under severe conditions and difficulty in permanently maintaining the hydrophilic surface.
一方、光反応性ポリマーを用いて疎水性ポリマー基材表面を親水化する方法も提案されている(特許文献1、2、3参照。)。これらの方法は効率的かつ簡便であるが、用いている光反応性基の反応性が低く、高強度かつ比較的長時間紫外線を照射しないと均一な親水化が達成できないため、基材が紫外線に弱い場合、紫外線照射により基材がダメージを受けるといった問題点を有していた。さらに、ランダム共重合体のポリマーを用いているため、ポリマー分子内、ポリマー分子間で架橋してしまい、基材への固定化が十分でない問題があった。 On the other hand, a method of hydrophilizing the surface of a hydrophobic polymer substrate using a photoreactive polymer has also been proposed (see Patent Documents 1, 2 and 3). These methods are efficient and simple, but the reactivity of the photoreactive groups used is low, and uniform hydrophilization cannot be achieved without high-intensity UV irradiation for a relatively long time. In the case of weak resistance, there is a problem that the base material is damaged by ultraviolet irradiation. Furthermore, since a random copolymer is used, cross-linking occurs within or between polymer molecules, resulting in insufficient fixation to the substrate.
本発明の目的は、効率的かつ簡便に疎水性(基材の)表面を親水化することが可能なブロック共重合体およびこれを含む表面改質剤を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a block copolymer capable of efficiently and simply hydrophilizing a hydrophobic (substrate) surface, and a surface modifier containing the block copolymer.
本発明者は、上記課題を解決するべく鋭意検討を行った。その結果、親水性を有する官能基と、光反応性が高い官能基とを側鎖に有する、ブロック共重合体を見出し、また該ブロック共重合体を用いることで、疎水性ポリマー基材の表面を親水化できることを見出し、本発明を完成するに至った。 The inventor of the present invention made earnest studies to solve the above problems. As a result, a block copolymer having a hydrophilic functional group and a highly photoreactive functional group in the side chain was found. can be made hydrophilic, and have completed the present invention.
すなわち、本発明は、以下のとおりである。
[1]下記一般式(1)で示される構造を有し、数平均分子量が1,000~1,000,000であるブロック共重合体。
That is, the present invention is as follows.
[1] A block copolymer having a structure represented by the following general formula (1) and having a number average molecular weight of 1,000 to 1,000,000.
(式中、m及びnは互いに独立して1以上の整数を表し、Zは-O-又は-N(R3)-で示される基を表し、Aは-O-又は-CH2-で示される基を表し、R1、R2及びR3は互いに独立して水素原子又はC1~C6の炭化水素基を表し、R4はC3~C6の2価の炭化水素基を表し、R5はフッ素原子を表し、pは0~4の整数を表す。)
[2]前記一般式(1)において、Z及びAが-O-で示される基である[1]に記載のブロック共重合体。
[3]m/(m+n)の値が0.02~0.7である[1]又は[2]に記載のブロック共重合体。
(Wherein, m and n independently represent an integer of 1 or more, Z represents a group represented by —O— or —N(R 3 )—, A is —O— or —CH 2 — R 1 , R 2 and R 3 each independently represent a hydrogen atom or a C 1 -C 6 hydrocarbon group, R 4 represents a C 3 -C 6 divalent hydrocarbon group , R 5 represents a fluorine atom, and p represents an integer of 0 to 4.)
[2] The block copolymer according to [1], wherein in the general formula (1), Z and A are groups represented by -O-.
[3] The block copolymer according to [1] or [2], wherein the value of m/(m+n) is from 0.02 to 0.7.
以下、本発明を詳細に説明する。 The present invention will be described in detail below.
上記一般式(1)中、R1、R2及びR3で表されるC1~C6の炭化水素基としては特に限定されないが、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、シクロプロピル基、ブチル基、イソブチル基、sec-ブチル基、tert-ブチル基、シクロブチル基、ペンチル基、ネオペンチル基、イソペンチル基、1-メチルブチル基、1-エチルプロピル基、シクロブチルメチル基、シクロペンチル基、ヘキシル基、1-メチルペンチル基、4-メチルペンチル基、1-エチルブチル基、2-エチルブチル基、シクロヘキシル基、フェニル基が例示される。 In the above general formula (1), the C 1 to C 6 hydrocarbon groups represented by R 1 , R 2 and R 3 are not particularly limited, but methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, cyclopropyl group, butyl group, isobutyl group, sec-butyl group, tert-butyl group, cyclobutyl group, pentyl group, neopentyl group, isopentyl group, 1-methylbutyl group, 1-ethylpropyl group, cyclobutylmethyl group, cyclopentyl group, hexyl group, 1-methylpentyl group, 4-methylpentyl group, 1-ethylbutyl group, 2-ethylbutyl group, cyclohexyl group and phenyl group.
R4で表されるC3~C6の2価の炭化水素基としては特に限定されないが、-(CH2)3-、-(CH2)4-、-(CH2)5-、-(CH2)6-、フェニレン基等が例示される。R4で示される2価の炭化水素基の炭素数が2以下であると、ブロック共重合体のガラス転移温度が上昇し側鎖の分子運動性が低下するためか、アジド基から生成するニトレンが基材との反応よりブロック共重合体間の架橋反応に消費され、基材表面へのブロック共重合体固定化率が低下してしまうため好ましくない。一方、R4で示される2価の炭化水素基の炭素数が6を超えると、ブロック共重合体中のアジド基濃度が低下し、架橋点が減少して基材表面へのブロック共重合体固定化率が低下してしまうため好ましくない。 The C 3 to C 6 divalent hydrocarbon group represented by R 4 is not particularly limited, but may be -(CH 2 ) 3 -, -(CH 2 ) 4 -, -(CH 2 ) 5 -, - (CH 2 ) 6 —, phenylene group and the like are exemplified. If the number of carbon atoms in the divalent hydrocarbon group represented by R 4 is 2 or less, the glass transition temperature of the block copolymer increases and the molecular mobility of the side chain decreases. is consumed in the cross-linking reaction between the block copolymers rather than in the reaction with the substrate, and the rate of immobilization of the block copolymer on the surface of the substrate decreases. On the other hand, when the carbon number of the divalent hydrocarbon group represented by R 4 exceeds 6, the azide group concentration in the block copolymer decreases, the cross-linking points decrease, and the block copolymer to the substrate surface It is not preferable because the fixation rate is lowered.
上記一般式(1)で示される構造を有するブロック共重合体において、m及びnは互いに独立して1以上の整数を表す。ここで、m/(m+n)の値は、0.02~0.7であることが好ましく、より好ましくは、0.05~0.5である。この範囲であれば、基材への接着性とタンパク質の吸着抑制効果の両立という点で優れる。 In the block copolymer having the structure represented by the general formula (1), m and n each independently represent an integer of 1 or more. Here, the value of m/(m+n) is preferably 0.02 to 0.7, more preferably 0.05 to 0.5. Within this range, it is excellent in terms of compatibility between the adhesion to the substrate and the effect of inhibiting protein adsorption.
一般式(1)中に含まれる、下記一般式(2) The following general formula (2) included in the general formula (1)
で表される2-メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリンが好ましい。 2-methacryloyloxyethylphosphorylcholine represented by is preferred.
一般式(1)中に含まれる、下記一般式(3) The following general formula (3) included in the general formula (1)
(式中、R2、R4、R5、A、Z、m及びpは前記と同じ意味を表す。)で表される構造単位としては、特に限定されないが、3-(4-アジドフェノキシ)プロピルメタクリレート、4-(4-アジドフェノキシ)ブチルメタクリレート、5-(4-アジドフェノキシ)ペンチルメタクリレート、6-(4-アジドフェノキシ)ヘキシルメタクリレート、3-(4-アジド-2,3,5,6-テトラフルオロフェノキシ)プロピルメタクリレート、4-(4-アジドフェニル)ブチルメタクリレート、4-(4-アジド-2,3,5,6-テトラフルオロフェニル)ブチルメタクリレート、3-(4-アジドフェノキシ)プロピルアクリレート、4-(4-アジドフェニル)ブチルアクリレート、3-(4-アジドフェノキシ)プロピルメタクリルアミド、3-(4-アジド-2,3,5,6-テトラフルオロフェノキシ)プロピルメタクリルアミド、3-(4-アジドフェノキシ)プロピルアクリルアミド、4-(4-アジドフェニル)ブチルメタクリルアミド、4-(4-アジドフェニル)ブチルアクリルアミド等のモノマーに由来する構造単位が例示され、アジドの光分解速度の点から、3-(4-アジドフェノキシ)プロピルメタクリレートに由来する構造単位が好ましい。 (Wherein, R 2 , R 4 , R 5 , A, Z, m and p have the same meanings as defined above). ) propyl methacrylate, 4-(4-azidophenoxy)butyl methacrylate, 5-(4-azidophenoxy)pentyl methacrylate, 6-(4-azidophenoxy)hexyl methacrylate, 3-(4-azido-2,3,5, 6-tetrafluorophenoxy)propyl methacrylate, 4-(4-azidophenyl)butyl methacrylate, 4-(4-azido-2,3,5,6-tetrafluorophenyl)butyl methacrylate, 3-(4-azidophenoxy) Propyl acrylate, 4-(4-azidophenyl)butyl acrylate, 3-(4-azidophenoxy)propyl methacrylamide, 3-(4-azido-2,3,5,6-tetrafluorophenoxy)propyl methacrylamide, 3 Structural units derived from monomers such as -(4-azidophenoxy)propylacrylamide, 4-(4-azidophenyl)butylmethacrylamide, 4-(4-azidophenyl)butylacrylamide are exemplified, From this point of view, structural units derived from 3-(4-azidophenoxy)propyl methacrylate are preferred.
一般式(2)で表される構造単位と一般式(3)で表される構造単位との配列はブロック構造である。ブロック構造を有することにより、ポリマー中に親水性セグメントと疎水性セグメントが導入されて界面活性が発現し、疎水性基材表面には疎水性構造単位が選択的に吸着および固定化する。ランダム構造では、ポリマー分子間およびポリマー分子内での架橋反応が進行するため、基材表面への固定化量が低下する。また、基材への固定化後は一部の疎水性構造単位が最表面に露出するため好ましくない。 The arrangement of the structural unit represented by general formula (2) and the structural unit represented by general formula (3) is a block structure. By having a block structure, a hydrophilic segment and a hydrophobic segment are introduced into the polymer to exhibit surface activity, and the hydrophobic structural units are selectively adsorbed and immobilized on the surface of the hydrophobic substrate. In the random structure, cross-linking reactions between polymer molecules and within polymer molecules proceed, so that the amount immobilized on the substrate surface is reduced. Also, after immobilization on the substrate, some of the hydrophobic structural units are exposed on the outermost surface, which is not preferable.
一般式(1)で示される構造を有するブロック共重合体の数平均分子量は1,000~1,000,000の範囲で選択できるが、コーティング時の粘度や溶解性、ポリマー層の機械的強度の観点から10,000~500,000の範囲が好ましい。また、質量平均分子量(Mw)と数平均分子量(Mn)との比で表される多分散度(Mw/Mn)は、特に限定されるものではないが、例えば疎水性基材への接着性や塗膜の安定性の観点から1~5程度が好ましい。 The number average molecular weight of the block copolymer having the structure represented by general formula (1) can be selected in the range of 1,000 to 1,000,000. from the viewpoint of 10,000 to 500,000 is preferable. In addition, the polydispersity (Mw/Mn), which is represented by the ratio of the weight average molecular weight (Mw) and the number average molecular weight (Mn), is not particularly limited. It is preferably about 1 to 5 from the viewpoint of the stability of the coating film.
上記一般式(1)で示される構造を有するブロック共重合体は、本発明の効果を逸脱しない範囲において、他のモノマー由来の構造単位を有してもかまわない。他のモノマー由来の構造単位としては、特に限定されないが、ポリスチレン、ポリ(α-メチルスチレン)、ポリビニルベンジルクロライド、ポリビニルアニリン、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム、ポリビニル安息香酸、ポリビニルリン酸、ポリビニルピリジン、ポリジメチルアミノメチルスチレン、ポリビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロライド等のスチレン系ポリマー;ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブタジエン、ポリブテン、ポリイソプレン等のポリオレフィン;ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のポリ(ハロゲン化オレフィン);ポリ酢酸ビニル、ポリプロピオン酸ビニル等のポリビニルエステルやそのケン化物であるポリビニルアルコール;ポリアクリロニトリル等のニトリル系ポリマー;ポリメタクリル酸、ポリパーフルオロアルキルメタクリレート、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸、ポリジメチルアミノエチルアクリレート等の(メタ)アクリル系ポリマー;ポリアクリルアミド、ポリメタクリルアミド、ポリジメチルアミノプロピルアクリルアミド、等の(メタ)アクリルアミド系ポリマー等が例示される。 The block copolymer having the structure represented by the general formula (1) may have structural units derived from other monomers within the scope of the effects of the present invention. Structural units derived from other monomers include, but are not limited to, polystyrene, poly(α-methylstyrene), polyvinylbenzyl chloride, polyvinylaniline, sodium polystyrenesulfonate, polyvinylbenzoic acid, polyvinylphosphoric acid, polyvinylpyridine, polydimethyl Styrenic polymers such as aminomethylstyrene and polyvinylbenzyltrimethylammonium chloride; Polyolefins such as polyethylene, polypropylene, polybutadiene, polybutene and polyisoprene; Poly(halogenated olefins) such as polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride and polytetrafluoroethylene; Polyvinyl esters such as polyvinyl acetate and polyvinyl propionate, and polyvinyl alcohol which is a saponified product thereof; nitrile-based polymers such as polyacrylonitrile; polymethacrylic acid, polyperfluoroalkyl methacrylate, polyethyl acrylate, polyacrylic acid, polydimethyl Examples include (meth)acryl-based polymers such as aminoethyl acrylate; (meth)acrylamide-based polymers such as polyacrylamide, polymethacrylamide, polydimethylaminopropylacrylamide, and the like.
本発明のブロック共重合体は、例えば、Z及びAが-O-で示される基である、下記一般式(4)で示される構造を有するブロック共重合体であるものが挙げられる。 Examples of the block copolymer of the present invention include block copolymers having a structure represented by the following general formula (4), wherein Z and A are groups represented by —O—.
(式中、m、n及びR4は前記と同じ意味を表す。)
上記一般式(1)で示される構造を有するブロック共重合体は、モノマー化合物の調製及びそれらの重合を含め、基本的には当業者の技術水準に基づき、常法により製造することができる。例えば、使用するモノマーとしては特に限定されないが、2-メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリンと、3-(4-アジドフェノキシ)プロピルメタクリレート、4-(4-アジドフェノキシ)ブチルメタクリレート、5-(4-アジドフェノキシ)ペンチルメタクリレート、6-(4-アジドフェノキシ)ヘキシルメタクリレート、3-(4-アジド-2,3,5,6-テトラフルオロフェノキシ)プロピルメタクリレート、4-(4-アジドフェニル)ブチルメタクリレート、4-(4-アジド-2,3,5,6-テトラフルオロフェニル)ブチルメタクリレート、3-(4-アジドフェノキシ)プロピルアクリレート、4-(4-アジドフェニル)ブチルアクリレート、3-(4-アジドフェノキシ)プロピルメタクリルアミド、3-(4-アジド-2,3,5,6-テトラフルオロフェノキシ)プロピルメタクリルアミド、3-(4-アジドフェノキシ)プロピルアクリルアミド、4-(4-アジドフェニル)ブチルメタクリルアミド、4-(4-アジドフェニル)ブチルアクリルアミド等のモノマーを用いる。
(In the formula, m, n and R4 have the same meanings as above.)
A block copolymer having a structure represented by the above general formula (1) can be produced by a conventional method basically based on the technical level of those skilled in the art, including preparation of monomer compounds and polymerization thereof. For example, although the monomers to be used are not particularly limited, 2-methacryloyloxyethylphosphorylcholine, 3-(4-azidophenoxy)propyl methacrylate, 4-(4-azidophenoxy)butyl methacrylate, 5-(4-azidophenoxy) Pentyl methacrylate, 6-(4-azidophenoxy)hexyl methacrylate, 3-(4-azido-2,3,5,6-tetrafluorophenoxy)propyl methacrylate, 4-(4-azidophenyl)butyl methacrylate, 4-( 4-azido-2,3,5,6-tetrafluorophenyl)butyl methacrylate, 3-(4-azidophenoxy)propyl acrylate, 4-(4-azidophenyl)butyl acrylate, 3-(4-azidophenoxy)propyl methacrylamide, 3-(4-azido-2,3,5,6-tetrafluorophenoxy)propylmethacrylamide, 3-(4-azidophenoxy)propylacrylamide, 4-(4-azidophenyl)butylmethacrylamide, 4 A monomer such as -(4-azidophenyl)butylacrylamide is used.
重合については特に制約はなく、リビング重合法であれば、ラジカル重合、イオン重合、配位重合のいずれを用いても良いが、操作の簡便性の点から、リビングラジカル重合が好ましく用いられる。リビングラジカル重合法としてはATRP法(原子団移動リビングラジカル重合)や、RAFT(可逆的付加開裂連鎖移動)重合が挙げられる。ATRP法は金属銅又は銅化合物及び配位子から成る銅錯体が触媒として用いられる、有機ハロゲン化合物を重合開始剤とするラジカル重合法であり、重合中のポリマー成長末端が、ラジカルを有する「活性種」とラジカルがハロゲン原子にキャップされた「ドーマント種」の間で平衡にあり、この平衡がドーマント種の側に大きく偏っていて反応系中のラジカル濃度が低く保たれるため、ラジカル同士が反応してしまう二分子停止反応が抑えられ、ポリマー鎖の揃った重合が可能な方法である。RAFT重合は適切な連鎖移動剤の存在下で、可逆的な連鎖移動反応によって重合反応が進行し、高い鎖末端官能基率のポリマーを合成することができる。これらのリビングラジカル重合法はブロック共重合体を合成するのに有用であるが、ポリマー分子末端が嵩高くないハロゲン原子であるATRP法が好ましい。 There are no particular restrictions on polymerization, and any of radical polymerization, ionic polymerization, and coordination polymerization may be used as long as it is a living polymerization method, but living radical polymerization is preferably used from the viewpoint of simplicity of operation. Examples of the living radical polymerization method include ATRP (group transfer living radical polymerization) and RAFT (reversible addition-fragmentation chain transfer) polymerization. The ATRP method is a radical polymerization method in which a copper complex consisting of metallic copper or a copper compound and a ligand is used as a catalyst, and an organohalogen compound is used as a polymerization initiator. There is an equilibrium between the "seed" and the "dormant species" in which the radical is capped by a halogen atom, and this equilibrium is greatly biased toward the dormant species, and the radical concentration in the reaction system is kept low. It is a method that suppresses the bimolecular termination reaction that causes a reaction and enables the polymerization of uniform polymer chains. In the presence of an appropriate chain transfer agent, RAFT polymerization proceeds by a reversible chain transfer reaction, and can synthesize a polymer with a high chain end functional group ratio. These living radical polymerization methods are useful for synthesizing block copolymers, but the ATRP method, in which the end of the polymer molecule is a halogen atom that is not bulky, is preferred.
ATRP法の重合開始剤としては、有機ハロゲン化物であれば特に限定されないが、エチル2-ブロモイソブチレート、メチル2-ブロモプロピオネート、2-ヒドロキシエチル2-ブロモイソブチレート、α?ブロモプロピオニトリル、エチル2-クロロイソブチレート、メチル2-クロロプロピオネート、2-ヒドロキシエチル2-クロロイソブチレート、α-クロロプロピオニトリル及び2-ブロモイソブチル酸等が挙げられる。これらのハロゲン化物は単独で用いてもよく、または組合せて用いてもよい。 The ATRP polymerization initiator is not particularly limited as long as it is an organic halide, but ethyl 2-bromoisobutyrate, methyl 2-bromopropionate, 2-hydroxyethyl 2-bromoisobutyrate, α? Bromopropionitrile, ethyl 2-chloroisobutyrate, methyl 2-chloropropionate, 2-hydroxyethyl 2-chloroisobutyrate, α-chloropropionitrile and 2-bromoisobutyric acid. These halides may be used alone or in combination.
ATRP法の触媒のうち、金属銅は粉末銅、銅箔等の銅単体である。銅化合物については塩化物、臭素化物、ヨウ素化物、シアン化物、酸化物、水酸化物、酢酸化物、硫酸化物、硝酸化物等が例として挙げられるが、それらに限定されたものではない。銅原子は電子状態によって0価、1価、2価の価数をとりうるが、価数は限定されるものではない。配位子として使用される多座アミンを以下に例示するが、これらに限られるものではない。配位子は、2,2’-ビピリジン、4,4’-ジ-(5-ノニル)-2,2’-ビピリジン、N-(n-プロピル)ピリジルメタンイミン、N-(n-オクチル)ピリジルメタンイミン、N,N,N’,N’’,N’’-ペンタメチルジエチレントリアミン、N-プロピル-N,N-ジ(2-ピリジルメチル)アミン、ヘキサメチルトリス(2-アミノエチル)アミン、N,N-ビス(2-ジメチルアミノエチル)-N,N’-ジメチルエチレンジアミン、2,5,9,12-テトラメチル-2,5,9,12-テトラアザテトラデカン、2,6,9,13-テトラメチル-2,6,9,13-テトラアザテトラデカン、4,11-ジメチル-1,4,8,11-テトラアザビシクロヘキサデカン、N’,N’’-ジメチル-N’,N’’-ビス((ピリジン-2-イル)メチル)エタン-1,2-ジアミン、トリス[(2-ピリジル)メチル]アミン、2,5,8,12-テトラメチル-2,5,8,12-テトラアザテトラデカン、N,N,N’,N’’,N’’’,N’’’’,N’’’’-ヘプタメチルテトラエチレンテトラミン、N,N,N’,N’-テトラキス(2-ピリジルメチル)エチレンジアミン、ポリエチレンイミンなどが挙がられるが、これらに限られるものではない。 Among the catalysts for the ATRP method, metallic copper is pure copper such as powdered copper or copper foil. Examples of copper compounds include, but are not limited to, chlorides, bromides, iodides, cyanides, oxides, hydroxides, acetates, sulfates, nitrates, and the like. A copper atom can have a valence of 0, 1, or 2 depending on its electronic state, but the valence is not limited. Polydentate amines used as ligands are exemplified below, but are not limited to these. Ligands are 2,2'-bipyridine, 4,4'-di-(5-nonyl)-2,2'-bipyridine, N-(n-propyl)pyridylmethanimine, N-(n-octyl) pyridylmethanimine, N,N,N',N'',N''-pentamethyldiethylenetriamine, N-propyl-N,N-di(2-pyridylmethyl)amine, hexamethyltris(2-aminoethyl)amine , N,N-bis(2-dimethylaminoethyl)-N,N′-dimethylethylenediamine, 2,5,9,12-tetramethyl-2,5,9,12-tetraazatetradecane, 2,6,9 ,13-tetramethyl-2,6,9,13-tetraazatetradecane, 4,11-dimethyl-1,4,8,11-tetraazabicyclohexadecane, N′,N″-dimethyl-N′,N ''-bis((pyridin-2-yl)methyl)ethane-1,2-diamine, tris[(2-pyridyl)methyl]amine, 2,5,8,12-tetramethyl-2,5,8, 12-tetraazatetradecane, N,N,N',N'',N''',N'''',N''''-heptamethyltetraethylenetetramine, N,N,N',N'- Examples include, but are not limited to, tetrakis(2-pyridylmethyl)ethylenediamine, polyethyleneimine, and the like.
重合溶媒としては、例えば、水、THF、ジオキサン、アセトン、2-ブタノン、酢酸エチル、酢酸イソプロピル、ベンゼン、トルエン、DMF、DMSO、メタノール、エタノール、イソプロパノールやその混合物等の公知のラジカル重合溶媒を使用すればよく、例えば、モノマー濃度が0.01~5mol/L、重合開始剤濃度が1~100mmol/Lになるように希釈し、0~80℃で1~72時間反応を行うことにより製造できる。また、重合形態としては特に制約はなく、例えば、バルク重合、溶液重合、懸濁重合、乳化重合、分散重合、沈殿重合が例示され、操作の簡便性から溶液重合が好ましく用いられる。 As the polymerization solvent, for example, known radical polymerization solvents such as water, THF, dioxane, acetone, 2-butanone, ethyl acetate, isopropyl acetate, benzene, toluene, DMF, DMSO, methanol, ethanol, isopropanol and mixtures thereof are used. For example, it can be produced by diluting the monomer concentration to 0.01 to 5 mol/L and the polymerization initiator concentration to 1 to 100 mmol/L, and reacting at 0 to 80° C. for 1 to 72 hours. . The polymerization mode is not particularly limited, and examples thereof include bulk polymerization, solution polymerization, suspension polymerization, emulsion polymerization, dispersion polymerization, and precipitation polymerization. Solution polymerization is preferably used because of the simplicity of operation.
本発明のブロック共重合体は、表面親水化およびタンパク質吸着抑制等の各種表面改質に使用することができる。本発明のブロック共重合体の使用方法の詳細については後述する。 The block copolymer of the present invention can be used for various surface modifications such as surface hydrophilization and suppression of protein adsorption. The details of how to use the block copolymer of the present invention will be described later.
本発明によれば、効率的且つ簡便であり、耐久性に優れた、疎水性基材表面の親水化およびタンパク質吸着抑制できるブロック共重合体を提供することができる。本発明のブロック共重合体を用いることにより、各種疎水性ポリマー基材の表面を効率的且つ簡便に親水化することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a block copolymer that is efficient, simple, excellent in durability, and capable of hydrophilizing the surface of a hydrophobic substrate and suppressing protein adsorption. By using the block copolymer of the present invention, the surface of various hydrophobic polymer substrates can be efficiently and easily hydrophilized.
以下に、本発明を更に詳細に実施例に基づき説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail below based on examples, but the present invention is not limited to these examples.
以下の実施例において、各物性の測定及び評価は次の方法で行った。
(1)ブロック共重合体組成比
核磁気共鳴測定装置(日本電子製、JNM-ECZ400S)を用いたプロトン核磁気共鳴分光(1H-NMR)スペクトル分析により求めた。重溶媒として重水を用いて測定した。
(2)ブロック共重合体の物性
ブロック共重合体の重量平均分子量(Mw)、数平均分子量(Mn)および重量平均分子量(Mw)と多分散度(Mw/Mn)は、ゲル・パーミエーション・クロマトグラフィー(GPC)によって測定した。GPC装置としては東ソー製 HLC-8320GPCを用い、カラムとしては、東ソー製 TSKgel GMHHR-Lを用い、カラム温度を40℃に設定し、溶離液としてテトラフルオロエタノールを用いて測定した。標準サンプルとしてポリメチルメタクリレート(PMMA)を用いて、PMMA換算にて分子量換算を行った。
(3)親水性
ブロック共重合体を固定化することによる、基材の親水性に及ぼす影響を、水中接触角測定により評価した。この接触角測定は、水中でフィルム表面に気泡を接触させるcaptive bubble法を用いて測定した接触角θから求めた対水接触角(180-θ)にて評価した。実際の測定は、測定サンプルを一晩純水中に浸漬したのち、触角計を用い、室温、常圧のもとで気泡を水中で表面に接触させ、接触角を測定した。
In the following examples, the physical properties were measured and evaluated by the following methods.
(1) Block copolymer composition ratio It was determined by proton nuclear magnetic resonance spectroscopy ( 1 H-NMR) spectroscopy using a nuclear magnetic resonance spectrometer (JNM-ECZ400S, manufactured by JEOL Ltd.). Measurement was performed using heavy water as a heavy solvent.
(2) Physical properties of block copolymer Measured by chromatography (GPC). As the GPC apparatus, Tosoh HLC-8320GPC was used, and as the column, Tosoh TSKgel GMH HR -L was used, the column temperature was set at 40° C., and tetrafluoroethanol was used as the eluent. Using polymethyl methacrylate (PMMA) as a standard sample, molecular weight conversion was performed in terms of PMMA.
(3) Hydrophilicity The effect of immobilizing the block copolymer on the hydrophilicity of the substrate was evaluated by underwater contact angle measurement. This contact angle measurement was evaluated by the water contact angle (180−θ) obtained from the contact angle θ measured using the captive bubble method in which air bubbles are brought into contact with the film surface in water. In the actual measurement, after immersing the measurement sample in pure water overnight, the contact angle was measured by contacting the surface with air bubbles in water at room temperature and normal pressure using a feeler gauge.
実施例1 [ブロック共重合体の合成]
ガラス製の200mL2口フラスコに2-メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン(2.0g,6.7mmol)、エタノール14mL、臭化銅(II)(3.0mg,0.014mmol)、2,2’-ビピリジン(25.4mg,0.16mmol)、臭化銅(I)(9.6mg,0.07mmol)を加え撹拌した。窒素バブリングを30分行った後にエチル2?ブロモイソブチレート(9.96μL,0.07mmol)を添加し、40℃で4時間重合した。この段階でのポリマーはMn=24,000、Mw/Mn=1.3であった。その後、エタノール6mLに3-(4-アジドフェノキシ)プロピルメタクリレート(0.39g,1.47mmol)を溶解させた溶液を加え、50℃で10時間重合を続けた。重合反応液を200mLのTHF中に滴下し、再沈殿を行い、析出したポリマーをTHF/メタノール10/1(容量比)の溶液で洗浄した。その後、メタノールに溶解させシリカゲルで銅触媒の吸着除去を行い、減圧乾燥により黄茶色紛体のブロック共重合体を得た。得られたブロック共重合体は、Mn=27,000、Mw/Mn=1.4であった。組成比は、1H-NMRの積分比から決定し、下記構造式(7)において、m/(m+n)の値が0.07であった。
ブロック共重合体の構造式(5)
Example 1 [Synthesis of block copolymer]
2-Methacryloyloxyethylphosphorylcholine (2.0 g, 6.7 mmol), ethanol 14 mL, copper (II) bromide (3.0 mg, 0.014 mmol), 2,2'-bipyridine (25 .4 mg, 0.16 mmol) and copper (I) bromide (9.6 mg, 0.07 mmol) were added and stirred. After 30 minutes of nitrogen bubbling, ethyl 2? Bromoisobutyrate (9.96 μL, 0.07 mmol) was added and polymerized at 40° C. for 4 hours. The polymer at this stage had Mn=24,000 and Mw/Mn=1.3. After that, a solution of 3-(4-azidophenoxy)propyl methacrylate (0.39 g, 1.47 mmol) dissolved in 6 mL of ethanol was added, and polymerization was continued at 50° C. for 10 hours. The polymerization reaction solution was dropped into 200 mL of THF for reprecipitation, and the precipitated polymer was washed with a THF/methanol 10/1 (volume ratio) solution. After that, it was dissolved in methanol, the copper catalyst was removed by adsorption with silica gel, and dried under reduced pressure to obtain a block copolymer of yellow-brown powder. The obtained block copolymer had Mn=27,000 and Mw/Mn=1.4. The composition ratio was determined from the integral ratio of 1 H-NMR, and the value of m/(m+n) in the following structural formula (7) was 0.07.
Structural formula of block copolymer (5)
実施例2 [疎水性ポリマーフィルム表面への固定化]
4cm×4cmに切り出したポリフッ化ビニリデン(PVDF)フィルム(GLサイエンス製、スマートバッグ2F)に、実施例1で合成したブロック共重合体の2質量%含有溶液(溶媒:メタノール)を調製することにより作製した表面改質剤を、2000rpmで一分間スピンコートした後、高圧水銀灯(東芝ライテック製H400P)により、2秒間UV照射(21mJ/cm2)を行った。その後、メタノールおよび水を用いて掛け洗いし、表面が改質されたフィルム基材を得た。
Example 2 [Immobilization on hydrophobic polymer film surface]
By preparing a solution containing 2% by mass of the block copolymer synthesized in Example 1 (solvent: methanol) on a polyvinylidene fluoride (PVDF) film (manufactured by GL Sciences, Smart Bag 2F) cut into 4 cm × 4 cm. After spin-coating the prepared surface modifier at 2000 rpm for 1 minute, UV irradiation (21 mJ/cm 2 ) was performed for 2 seconds using a high-pressure mercury lamp (H400P manufactured by Toshiba Lighting & Technology Co., Ltd.). After that, the film substrate was spray-washed with methanol and water to obtain a film substrate with a modified surface.
実施例3 [水中接触角測定による表面の親水性(ぬれ性)評価]
実施例2で調製したブロック共重合体が固定化されたフィルム基材の接触角は5.4°であり、親水性が高かった。
Example 3 [Evaluation of surface hydrophilicity (wettability) by underwater contact angle measurement]
The contact angle of the film substrate on which the block copolymer prepared in Example 2 was immobilized was 5.4°, indicating high hydrophilicity.
実施例4 [PVDF製多孔質膜への固定化]
PVDF製多孔質膜(マイクロダイン・ナディア社製MV020)を実施例1で合成したブロック共重合体の2質量%含有溶液(溶媒:メタノール)に5分間浸漬させた後、室温下、窒素雰囲気下で2時間放置し乾燥させた。次いで、高圧水銀灯(東芝ライテック製H400P)により、2秒間UV照射(21mJ/cm2)を行った。その後、室温下、超純水、メタノール中で各2秒間超音波を照射することにより洗浄した。これにより、表面が改質されたPVDF製多孔質膜を得た。
Example 4 [Immobilization on PVDF porous membrane]
A PVDF porous membrane (MV020 manufactured by Microdyne Nadia) was immersed in a solution containing 2% by mass of the block copolymer synthesized in Example 1 (solvent: methanol) for 5 minutes, then at room temperature under a nitrogen atmosphere. and left to dry for 2 hours. Then, UV irradiation (21 mJ/cm 2 ) was performed for 2 seconds using a high-pressure mercury lamp (H400P manufactured by Toshiba Lighting & Technology Co., Ltd.). After that, it was washed by irradiating ultrasonic waves for 2 seconds each in ultrapure water and methanol at room temperature. As a result, a surface-modified PVDF porous membrane was obtained.
実施例5 [タンパク質吸着量抑制効果の確認]
インスリン(和光純薬製)をサンプルタンパク質として使用した。実施例4で調製した表面改質した多孔質膜を1cm×1cmに切り出した。インスリン溶液(0.1mg/mL、PBSで希釈、5mL)中、室温下で2時間振とう(80rpm)させた後、PBSで洗浄した。φ12×105の試験管に試料を入れ、Thermo scientific製のBCA試薬を1mL、ドデシル硫酸ナトリウムの4重量%PBS溶液を1mL加え、1時間60℃で加熱した。その後、分光光度計(株式会社日立ハイテクサイエンス製、UH5300)を用いて波長562nmにおける抽出液の吸光度を測定することにより、膜へ吸着したインスリンの量を定量したところ、0.1μg/cm2だった。表面改質した多孔質膜表面では、PEGMAユニットのタンパク質吸着抑制能が効果的に機能していることが示された。
Example 5 [Confirmation of protein adsorption amount suppression effect]
Insulin (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) was used as a sample protein. A 1 cm×1 cm piece of the surface-modified porous membrane prepared in Example 4 was cut. After shaking (80 rpm) for 2 hours in an insulin solution (0.1 mg/mL, diluted with PBS, 5 mL) at room temperature, the cells were washed with PBS. A sample was placed in a φ12×10 5 test tube, 1 mL of BCA reagent manufactured by Thermo Scientific and 1 mL of 4 wt % sodium dodecyl sulfate in PBS were added and heated at 60° C. for 1 hour. After that, the absorbance of the extract at a wavelength of 562 nm was measured using a spectrophotometer (UH5300, manufactured by Hitachi High-Tech Science Co., Ltd.) to quantify the amount of insulin adsorbed to the membrane, which was 0.1 μg/cm 2 . rice field. It was shown that the ability of the PEGMA unit to suppress protein adsorption was effectively functioning on the surface-modified porous membrane surface.
実施例6 [ブロック共重合体の合成]
ガラス製の50mL2口フラスコに2-メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン(1.1g,3.8mmol)、エタノール8mL、臭化銅(II)(1.7mg,0.008mmol)、2,2’-ビピリジン(14.4mg,0.09mmol)、臭化銅(I)(5.5mg,0.04mmol)を加え撹拌した。窒素バブリングを30分行った後にエチル2-ブロモイソブチレート(5.68μL,0.04mmol)を添加し、40℃℃で4時間重合した。この段階でのポリマーはMn=22,700、Mw/Mn=1.3であった。その後、エタノール6mLに3-(4-アジドフェノキシ)プロピルメタクリレート(0.66g,2.53mmol)、2,2’-ビピリジン(464mg,2.97mmol)、臭化銅(I)(181mg,1.26mmol)を溶解させた溶液を加え、50℃で7.5時間重合を続けた。重合反応液を200mLのTHF中に滴下し、再沈殿を行い、析出したポリマーをTHF/メタノール10/1(容量比)の溶液で洗浄した。その後、メタノールに溶解させシリカゲルで銅触媒の吸着除去を行い、減圧乾燥により黄茶色紛体のブロック共重合体を得た。得られたブロック共重合体は、Mn=28,700、Mw/Mn=1.2であった。組成比は、1H-NMRの積分比から決定し、下記構造式(6)において、m/(m+n)の値が0.15であった。
ブロック共重合体の構造式(6)
Example 6 [Synthesis of block copolymer]
2-methacryloyloxyethylphosphorylcholine (1.1 g, 3.8 mmol), ethanol 8 mL, copper (II) bromide (1.7 mg, 0.008 mmol), 2,2'-bipyridine (14 .4 mg, 0.09 mmol) and copper (I) bromide (5.5 mg, 0.04 mmol) were added and stirred. After nitrogen bubbling for 30 minutes, ethyl 2-bromoisobutyrate (5.68 μL, 0.04 mmol) was added and polymerized at 40° C. for 4 hours. The polymer at this stage had Mn=22,700 and Mw/Mn=1.3. Then, 3-(4-azidophenoxy)propyl methacrylate (0.66 g, 2.53 mmol), 2,2′-bipyridine (464 mg, 2.97 mmol), copper (I) bromide (181 mg, 1.5 mmol) was added to 6 mL of ethanol. 26 mmol) was added, and the polymerization was continued at 50° C. for 7.5 hours. The polymerization reaction solution was dropped into 200 mL of THF for reprecipitation, and the precipitated polymer was washed with a THF/methanol 10/1 (volume ratio) solution. After that, it was dissolved in methanol, the copper catalyst was removed by adsorption with silica gel, and dried under reduced pressure to obtain a block copolymer of yellow-brown powder. The resulting block copolymer had Mn=28,700 and Mw/Mn=1.2. The composition ratio was determined from the integral ratio of 1 H-NMR, and the value of m/(m+n) in the following structural formula (6) was 0.15.
Structural formula of block copolymer (6)
実施例7 [疎水性ポリマーフィルム表面への固定化]
実施例6で合成したブロック共重合体を用いた以外は、実施例2と同様にしてフィルムへの表面改質を行った。
Example 7 [Immobilization on hydrophobic polymer film surface]
The film was surface-modified in the same manner as in Example 2, except that the block copolymer synthesized in Example 6 was used.
実施例8 [水中接触角測定による表面の親水性(ぬれ性)評価]
実施例7で表面を改質したフィルムを用いた以外は実施例3と同様にして接触角の測定を行ったところ、対水接触角は7.1°であった。
Example 8 [Evaluation of surface hydrophilicity (wettability) by water contact angle measurement]
When the contact angle was measured in the same manner as in Example 3 except that the film whose surface was modified in Example 7 was used, the contact angle to water was 7.1°.
実施例9 [多孔質膜への固定化]
実施例6で合成したブロック共重合体を用いた以外は、実施例4と同様の操作により、表面が改質されたPVDF製多孔質膜を得た。
Example 9 [Immobilization to porous membrane]
A surface-modified PVDF porous membrane was obtained in the same manner as in Example 4, except that the block copolymer synthesized in Example 6 was used.
実施例10 [タンパク質吸着量抑制効果の確認]
実施例9で調製したPVDF製多孔質膜を用いた以外は実施例5と同様の操作によりインスリン吸着量を測定したところ、0.16μg/cm2だった。
Example 10 [Confirmation of protein adsorption amount suppression effect]
The amount of insulin adsorbed was measured in the same manner as in Example 5 except that the PVDF porous membrane prepared in Example 9 was used, and it was 0.16 μg/cm 2 .
比較例1 [ランダム共重合体の合成]
ガラス製の50mL2口フラスコに2-メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン(2.0g,6.8mmol)および3-(4-アジドフェノキシ)プロピルメタクリレート(0.18g,0.68mmol)、重合開始剤として、2,2’-アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)(5.5mg)を秤量した。メタノール12.6mLを加え溶解させたのち、十分に溶液中の酸素を窒素で除去後、反応はウォーターバスを用いて60度で5時間行った。反応終了後、メタノール10mLを加え希釈し、THF240mL中に添加し、再沈殿法により未反応のモノマーを除去した。減圧乾燥により、淡黄白色紛体として1.58gのランダム共重合体を得た。得られたポリマーは、Mn=207,400、Mw/Mn=2.3であった。組成比は、1H-NMRの積分比から決定し、下記構造式(7)において、m/(m+n)の値が0.09であった。
Comparative Example 1 [Synthesis of random copolymer]
2-methacryloyloxyethylphosphorylcholine (2.0 g, 6.8 mmol) and 3-(4-azidophenoxy) propyl methacrylate (0.18 g, 0.68 mmol) were placed in a glass 50 mL two-necked flask, and 2, 2'-Azobisisobutyronitrile (AIBN) (5.5 mg) was weighed. After 12.6 mL of methanol was added and dissolved, the oxygen in the solution was sufficiently removed with nitrogen, and the reaction was carried out at 60° C. for 5 hours using a water bath. After completion of the reaction, the mixture was diluted with 10 mL of methanol, added to 240 mL of THF, and unreacted monomers were removed by a reprecipitation method. By drying under reduced pressure, 1.58 g of a random copolymer was obtained as pale yellowish white powder. The resulting polymer had Mn=207,400 and Mw/Mn=2.3. The composition ratio was determined from the integral ratio of 1 H-NMR, and the value of m/(m+n) in the following structural formula (7) was 0.09.
ランダム共重合体の構造式(7) Structural formula of random copolymer (7)
比較例2 [疎水性ポリマーフィルム表面への固定化]
比較例1で合成したランダム共重合体を用いた以外は、実施例2と同様にしてフィルムへの表面改質を行った。
Comparative Example 2 [Immobilization on Hydrophobic Polymer Film Surface]
A film was surface-modified in the same manner as in Example 2, except that the random copolymer synthesized in Comparative Example 1 was used.
比較例3 [水中接触角測定による表面の親水性(ぬれ性)評価]
比較例2で表面を改質したフィルムを用いた以外は実施例3と同様にして接触角の測定を行ったところ、対水接触角は12.0°であった。
Comparative Example 3 [Evaluation of surface hydrophilicity (wettability) by water contact angle measurement]
When the contact angle was measured in the same manner as in Example 3 except that the film whose surface was modified in Comparative Example 2 was used, the contact angle to water was 12.0°.
比較例4 [多孔質膜への固定化]
比較例1で合成したランダム共重合体を用いた以外は、実施例4と同様の操作により、表面が改質されたPVDF製多孔質膜を得た。
Comparative Example 4 [Immobilization to porous membrane]
A surface-modified PVDF porous membrane was obtained in the same manner as in Example 4, except that the random copolymer synthesized in Comparative Example 1 was used.
比較例5 [タンパク質吸着量抑制効果の確認]
比較例4で調製したPVDF製多孔質膜を用いた以外は実施例5と同様の操作によりインスリン吸着量を測定したところ、0.7μg/cm2だった。
Comparative Example 5 [Confirmation of protein adsorption amount suppression effect]
The amount of insulin adsorbed was measured in the same manner as in Example 5, except that the PVDF porous membrane prepared in Comparative Example 4 was used.
疎水性フィルムの表面を効率的かつ簡便に親水性へと改質することができ、フィルムに様々な機能、例えば、電解質溶液に対するぬれ性の付与、タンパク質の吸着抑制、バイオファウリングの発生防止、薬効成分の吸着防止、抗血栓性、生体親和性、帯電防止等を付与することができる。このような特性は、長期間高い機能性を維持する耐久性が要求される農業用途、土木建築用途、水処理用途、光学用途において特に有用であり、本用途分野において幅広く用いることができる。 The surface of a hydrophobic film can be efficiently and easily modified to be hydrophilic, and the film has various functions, such as imparting wettability to electrolyte solutions, suppressing protein adsorption, preventing biofouling, Adsorption prevention of medicinal ingredients, antithrombogenicity, biocompatibility, antistatic properties, etc. can be imparted. Such properties are particularly useful in agricultural applications, civil engineering and construction applications, water treatment applications, and optical applications that require durability to maintain high functionality for a long period of time, and can be widely used in this field of application.
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