SE467309B - Hydrofiliserad fast yta, foerfarande foer dess framstaellning samt medel daerfoer - Google Patents

Description

$> C:\ Un CH MD därefter adsorbera en katjonisk polymer, polyetylenimin, till ytan och slutligen reagera ett reaktivt polyetylenglykol- derivat till tillgängliga skiktet. Detta tillvägagångssätt har beskrivits i Prog. Colloid Polym. Sci. 74, 113-ll9(l987). Vid ningen, aminogrupper i polyetylenimin- syraets- som utföres med kaliumpermanganat i koncentrerad svavelsyra, bildas karboxylsyra- och sulfonsyragrupper liksom svavelsyraestrar på ytan. Till denna starkt negativt laddade polymeryta binds den katjoniska polyetyleniminen mycket starkt genom elektrostatiska krafter. Det är dessutom sanno- likt att saltbildningar mellan aminogrupper i polyetylen- iminen och karboxylat- och sulfonatgrupper på ytan vid torkning efter hand övergår till amidbindningar, vilket leder till en ännu stabilare förankring av polyetyleniminen till ytan. Även om hydrofiliserade ytor framställda med den i artikeln beskrivna. metoden ger en förbättrad avvisning av biopolymerer, är ändå adsorptionen därav besvärande hög för ett flertal applikationsområden.

Enligt föreliggande uppfinning har det nu visat sig möjligt att ytterligare förbättra inbindning av hydrofila polymerkedjor till den fasta ytan än vad som erhålles med den tidigare beskrivna metoden, där polyetylenglykol binds in till en yta, som gjorts aminofunktionell genom adsorption av polyetylenimin. Som följd av den mer effektiva ympningen av hydrofila polymerkedjor uppnås med föreliggande metod en betydligt bättre proteinavvisning från ytan och därmed ett mer effektivt förhindrande av biofouling. Enligt uppfinningen framställs en fast yta med ett hydrofilt ytterskikt av hydrofila polymerkedjor genom att en fast yta med anjoniska grupper, som är reaktiva gentemot aminogrupper, bringas att reagera med en polyetylenimin, vars aminogrupper delvis är substituerade med hydrofila nonjoniska polymerkedjor, varvid vikten av de hydrofila polymerkedjorna är minst 50% av polyetyleniminens vikt. Företrädesvis har polymerkedjorna en sådan molekylvikt och föreligger i sådant antal att det -w s467 309 hydrofila ytterskiktet har en tjocklek av minst 100Å.

Den överraskande effekten tros hänga samman med att det är svårt att binda in hydrofila polymerer med god tätpackning till en yta, eftersom de enskilda hydrofila polymermoleky- lerna repellerar varandra. Samma repulsion finns även då polyetylenimin omsättes med hydrofila polymerer i lösning.

Genom att först generera en polyetyleniminförening med hydrofila polymersvansar i lösning och sedan låta denna ympsampolymer adsorbera till den negativt laddade ytan tvingas emellertid de hydrofila polymerkedjorna över mot vattensidan. Tätheten och tjockleken av det hydrofila skikt som de hydrofila polymerkedjorna bildar ökas väsentligt i jämförelse med känd teknologi. Enligt detta synsätt utgör föreliggande förfarande ett sätt att åstadkomma en tätare packning av hydrofila polymerkedjor på ytan än vad som är energetiskt fördelaktigt med avseende på interaktionen mellan de repellerande hydrofila polymerkedjorna. Denna interaktion uppvägs dock av att den elektrostatiska attraktionen mellan polyetyleniminen och ytan är energimässigt starkare än repulsionen mellan de hydrofila polymerkedjorna, när dessa tvingas packa sig tätare.

Polyetyleniminen med de hydrofila polymerkedjorna består av ett polyetyleniminskelett med en molekylvikt av 10 000-1 000 000, företrädesvis från 50 000 till 500 000, vilket till minst 90 viktprocent är uppbyggt av enheterna -c H NH- , -c H N/ och -CZH 2 4 2 4 *~ än 20% av imino- och aminogruppernas reaktiva väten är 4NH2, där företrädesvis mindre substituerade med hydrofila polymerkedjor och eventuellt andra substituenter, såsom alkylgrupper, hydroxylgruppinne- hållande grupper, amidinnehållande grupper eller funktionella grupper, som utnyttjas vid inympning av de hydrofila polymer- kedjorna. De hydrofila polymerkedjorna härstammar lämpligen från nonjoniska polymerer såsom polyetylenglykol eller slumpvis anlagrade eller blockanlagrade polyalkylenglykoler mellan etylenoxid och alkylenoxider med 3-4 kolatomer eller tetrahydrofuran. Andra grupper av lämpliga polymerer är addukter av etylenoxid, eventuellt i kombination med högre $ß O\ alkylenoxider eller tetrahydrofuran, med en dihydroxi- eller polyhydroxiförening, såsom glycerol och pentaerytritol.

Polysackarider, såsom dextran och stärkelse; cellulosaetrar, såsom metylcellulosa, metylhydroxipropylcellulosa etylhydroxietylcellulosa; och eller polyvinylalkohol är andra lämpliga hydrofila polymerer. De hydrofila polymerkedjorna är vattenlösliga och deras molekylvikt är vanligtvis från 400 till 200 000, företrädesvis från 1 000 till 100 000.

Enligt uppfinningen kan polyetyleniminen med ympade hydrofila polymerkedjor framställas genom att polyetylen- iminen bringas att reagera med en reaktiv hydrofil polymer i en vattenbaserad lösning. Förhållandet mellan reaktiva aminogrupper i polyetyleniminen och reaktiva ändgrupper i den hydrofila polymeren anpassas så, att den hydrofila polymeren företrädesvis binds in via endast sin ena ända. Exempel på reaktiva hydrofila polymerderivat är sådana derivat, som innehåller epoxider, aldehyder, sulfonsyraestrar, som tresylat, mesylat och tosylat, cyanurklorider, karbonyl- imidazoler och aktiva karboxylsyraestrar. Efter avslutad reaktion mellan det hydrofila polymerderivatet och polyetyl- eniminen kan kvarvarande reaktiva grupper i ändarna på de hydrofila polymerkedjorna avlägsnas genom reaktion med t ex 2-merkaptoetanol och 2-aminoetanol. Ett annat sätt att införa hydrofila polymerkedjor på polyetyleniminen är att förse den senare med reaktiva grupper som kan reagera med den hydrofila polymerens hydroxylgrupper.

Ett annat alternativt sätt att föra in hydrofila polymerkedjor på polyetyleniminen är att till den anlagra etylenoxid eventuellt i kombination med propylen- Senare eller butylenoxid eller tetrahydrofuran.

Det bildade bringas sedan att adsorbera till en negativt laddad fast yta. vattenlösliga polyetyleniminderivatet Exempel på lämpliga ytor är de som har en naturlig negativ nettoladdning, t ex silika och glas, eller sådana där nega- tiva laddningarna har genererats på kemisk eller fysikalisk väg. Negativa laddningar kan induceras på organiska polymer- ytor, t ex genom syraetsning, dvs behandling med kalium- Vi). s 467 309 permanganat i koncentrerad svavelsyra eller genom plasma- eller stålningsinducerad ympning av t.ex. akrylsyra Weller metakrylsyra. Exempel på organiska polymerer lämpliga för detta ändamål är polystyren, polyvinylklorid, polyeten, polymetylmetakrylat, polykarbonat, polysulfon och cellulosa- acetat. Uppfinningen illustreras ytterligare av följande utföringsexempel.

Exempel l En polystyrenskiva med dimensionen 2 X 1 cm tvättades i 70%-ig etanol under 3 minuter i ultraljusbad. Provytan fick 4, så att karboxylsyra- och sulfonsyragrupper bildades. Polystyren- lufttorka och oxiderades sedan i 30 sek i KMnO4/HZSO skivan sköljdes noga med vatten. 5 g av en polyetylenglykol- diepoxid med molekylvikten 4 000 löstes i 45 ml karbonat- buffert, pH 9,5, varefter 0,43 g polyetylenimin (Polymin SN) med molekylvikten 500 000 tillsattes och blandningen fick reagera under 3 timmar vid 45OC under omrörning. Den behand- lade polystyrenskivan lades ned i lösningen innehållande polyetyleniminderivatet, vilket absorberades till den oxide- rade polystyrenytan under 2 timmar vid 40oC.

För jämförelse belades en på ovanstående sätt aktiverad polystyrenskiva med polyetyleniminen ur en 10%-ig lösning under 2 timmar vid 40oC och pH 9,5. Den erhållna polyetylen- iminbelagda polystyrenytan sköljdes därefter upprepade gånger med vatten och fick sedan reagera med en 10%-ig lösning av polyetylenglykol-diepoxiden under 20 timmar vid 40OC och pH 9,5. i Tjockleken hos det nonjoniska, hydrofila skiktet utvär- derades med ellipsometri, varvid dimensionerna för såväl polyetylenglykol-polyetyleniminskiktet som för enbart poly- etyleniminskiktet bestämdes. Tjockleken för polyetylenglykol- skiktet erhölls genom att subtrahera det senare värdet från det förra.

Hydrofiliseringseffekten utvärderades även genom pro- teinadsorptionsmätningar med s.k. ELISA-teknik. Mängden ad- _sorberat protein är proportionell mot adsorbansen vid 490 nm. 467 309 6 Tabell l Skikt- Viktför tjock- hållande Produkt lek (nm) OD 495 nm PEG/PEI, % Obehandlad polystyren 51,254 - - Polystyren hydro- filiserad enligt uppfinningen 0,107 42 87 Polystyren hydro- filiserad enligt jämförelsen 0,500 1,6 13 PEG = polyetylenglykol; PEI = polyetylenimin Ovanstående resultat visar att polyetylenglykolskiktet pá den enligt uppfinningen behandlade ytan sträcker sig långt ut i vattenfasen, medan endast ett tunt skikt, där kedjorna sannolikt ligger mot den fasta ytan, bildas på jämförelse- produkten. Tabellen visar också att den hydrofiliserade ytan enligt uppfinningen har väsentligt mycket bättre protein- avvisning än jämförelseprodukten.

Exempel 2 , Bitar av LD-polyeten, PVC och polystyren rengjordes i 70%-ig etanol och sulfaterades med KMnO4/HZSO4 enligt Exempel 1. En grenad polyetylenglykol framställdes genom anlagring av 320 mol etylenoxid till di-trimetyolpropan och gjordes reaktiv genom reaktion med cyanurklorid. 5 g av den erhållna produkten löstes i 45 ml karbonatbuffert (pH 9,5), 0,12 g polyetylenimin tillsattes och blandningen fick reagera under 3 timmar vid 450C. Den erhållna polyetyleniminaddukten fick därefter reagera med de aktiverade polymerytorna under 2 timmar i 40oC. Därefter sköljdes dessa noggrant med avjoni- serat vatten. -w f! wlr 467 309 Som jämförelse framställdes en hydrofiliserad produkt genom att låta polyetylenimin absorberas i form av en 5%-ig lösning i karbonatbuffert (pH 9,5) till de aktiverade poly- merytorna under 10 min. Därefter fick det ovanstående grenade polyetylenglykolderivatet reagera med de aminofunktionella ytorna i form av en 10%-ig lösning under 5 timmar vid 4000.

Bitarna sköljdes slutligen noggrant i avjoniserat vatten.

Försöket utvärderades med ESCA. Följande resultat erhölls.

Tabell 2 Viktförhållande Produkt o/_c N_/_ç_ c-o/c-c PEG/PEI , % LD-PE enligt uppfinningen 0,43 0,04 3,92 85 LD-PE enligt jämförelsen 0,34 0,06 2,43 12 PVC enligt upp- finningen 0,38 0,07 3,82 78 PVC enligt jäm- förelsen 0,29 0,11 1,71 10 PS enligt upp- finningen 0,41 0,06 3,55 90 PS enligt jäm- förelsen _ 0,34 0,15 1,55 16 PEG = polyetylenglykol; PEI = polyetylenimin Av tabellen framgår att produkterna enligt uppfinningen har ett betydligt bättre skikt av polyetylenglykolkedjor än produkten framställd enligt känd teknik. Speciellt intressant är värdena il kolumnen C-O/C-C, vilka anger förhållandena mellan kolatomerna i polyetylenglykolkedjan och kolatomerna i respektive LD-PE, PVC och PS-yta. Ett högre värde anger således en bättre yttäckning.

Exempel 3 Bitar av polyeten (PE) och polyvinylklorid (PVC) tvätta- des i 70%-ig etanol och ympades med krotonsyra under bestràl- ning med UV-ljus av våglängden 350 nm i närvaro av bensofenon En 10%-ig lösning av polyetylenglykol-dikarbonylimidazol med molvikten som iniator för införande av karboxylgrupper. 4 000 fick reagera med 0,24% polyetylenimin vid pH 8,0 i 3 timmar. De karboxylfunktionella provbitarna behandlades med 40°c, derivaten adsorberades irreversibelt till ytorna. polyetyleniminderivatet under 2 timmar vid varvid För jämförelse preparerades provytor av polyeten och polyvinylklorid. De fick polyetylenimin i form av en 10%-ig lösning under 2 timmar vid aktiverade ytorna reagera med 40OC och pH 9,5. Provytorna sköljdes upprepade gånger' med vatten och fick reagera med en 9%-ig lösning av polyetylen- glykoldikarbonylimidazol med molekylvikten 4 000 40°C och pH 8,0. Hydrofiliseringseffekten utvärderades genom proteinadsorptionsmätningar med s k ELISA- teknik. Följande resultat erhölls. under 8 timmar vid Tabell 3 Viktförhållande Produkt OD 490 nm PEG/PEI, % PE enligt uppfinningen 0,057 81 PE enligt jämförelsen 0,312 11 PVC enligt uppfinningen 0,3 71 PVC enligt jämförelsen 1,005 9 PEG = polyetylenglykol; PEI = polyetylenimin Ovanstående resultat visar att betydligt bättre protein- avvisande förmåga erhölls då hydrofiliseringen utförts enligt uppfinningen.

Exempel 4 En polystyrenplatta med dimensionen 6 x 1 cm aktiverades med KMn04/HZSO4 såsom beskrivs i Exempel 1. En 2%-ig vatten- 1.-, 4)) 467 309 lösning av den nonjoniska polysackariden etylhydroxietyl- cellulosa behandlades med 0,3 M NaIO4 under 2 timmar vid ZOOC, varvid aldehydgrupper genererades på polysackariden.

Till 50 ml av polysackaridlösningen sattes 0,4 g av en 30%-ig lösning av' polyetylenimin med molvikten 500 000 och 0,2 g natriumcyanoborhydrid. Efter 2 timmars reaktion vid ZOOC och pH 7,0 lades den aktiverade polystyrenytan ned i lösningen. pH höjdes till 9,5 och inbindningsreaktionen fick pågå under 2 timmar vid 40oC.

Tjockleken hos det nonjoniska, hydrofila skiktet liksom proteinadsorptionen utvärderades såsom i Exempel 1. Av nedanstående tabell framgår klart att polysackaridskiktet på den enligt uppfinningen hydrofiliserade ytan sträcker sig långt ut i lösningen och ger en. mycket effektiv protein- avvisning.

Tabell 4 Skikt- Viktför- tjock- hållande Produkt lek (nm) OD 495 nm EHEC/PEI, % Obehandlad polystyren - 1,390 - Polystyren hydrofiliserad enligt uppfinningen 23 0,095 180% EHEC = Etylhydroxietylcellulosa; PEI = polyetylenimin

Claims (10)

$> sa ud C3 \O 10 PATENTKRAV » "

1. Sätt att framställa en fast yta med ett biopolymer- avvisande, hydrofilt ytterskikt av hydrofila polymerkedjor, k ä n n e t e c k n a t därav, att en fast yta med anjoniska grupper, som är reaktiva gentemot aminogrupper, bringas att reagera med en polyetylenimin, som delvis är substituerad med hydrofila, nonjoniska polymerkedjor med en molekylvikt av 400-200 000.

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att vikten av de hydrofila nonjoniska polymerkedjorna är minst 50% av polyetyleniminens vikt.

3. Sätt enligt krav 1 eller 2, därav, att de k ä n n e t e c k n a t nonjoniska hydrofila polymerkedjorna är hydrofila polyalkylenglykolkedjor här- stammande från etylenoxid eller från propylenoxid, butylen- oxid och/eller tetrahydrofuran, eller i block.

4. Sätt enligt krav 1 eller 2 därav, åtminstone delvis vilka anlagrats slumpvis k ä n n e t e c k n a t att de nonjoniska, hydrofila polymerkedjorna här- stammar från vattenlösliga, nonjoniska cellulosaetrar.

5. Sätt enligt krav 1-4 k ä n n e t e c k n a t därav, att den fasta ytan är en aktiverad, organisk polymeryta och att den osubstituerade polyetyleniminen har en molekylvikt av 10 000-100 000.

6. En fast yta med ett biopolymeravvisande, hydrofilt ytterskikt bestående av nonjoniska polymerkedjor, vilka i sin ena ände är kovalent bundna till en polyetylenimin, som i sin tur är bunden till den fasta ytan via anjoniska grupper, som är reaktiva med aminogrupper i polyetyleniminen, k ä n n e - t e c k n a d därav, att vikten av de nonjoniska polymer- kedjorna är minst 50% av polyetyleniminens vikt.

7. Yta enligt krav 6 k ä n n e t e c k n a d därav, att de nonjoniska polymerkedjorna utgöres av polyalkylen- glykolkedjor Ahärstammande från etylenoxid eller etylenoxid och propylenoxid, och/eller butylenoxid tetrahydrofuran anlagrad slumpvis eller i block. f) 467 509 11

8. Yta enligt krav 7 k ä n n e t e c k n a d därav, att de nonjoniska polymerkedjorna är härledda från non- joniska, vattenlösliga cellulosaetrar.

9. Yta enligt krav 6 k ä n n e t e c k n a d därav, att den fasta ytan är en aktiverad, organisk polymer yta och att polyetyleniminen har en molekylvikt av l 000-100 000.

10. Medel för utförande av förfarandet enligt krav l k ä n n n e t e c k n a t därav, att det utgöres av en polyetylenimin substituerad med nonjoniska, hydrofila polymerkedjor, varvid viktmängden av polymerkedjorna är minst 50% av den osubstituerade polyetyleniminen.