WO2004021001A1 - In kontaktbelichtung fotostrukturierbares hydrogel mit linkergruppen - Google Patents

In kontaktbelichtung fotostrukturierbares hydrogel mit linkergruppen

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WO2004021001A1
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hydrogel
linker groups
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Hans-Dieter Feucht
Walter Gumbrecht
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    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F220/00—Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical or a salt, anhydride ester, amide, imide or nitrile thereof
    • C08F220/02—Monocarboxylic acids having less than ten carbon atoms; Derivatives thereof
    • C08F220/52—Amides or imides
    • C08F220/54—Amides, e.g. N,N-dimethylacrylamide or N-isopropylacrylamide
    • C08F220/56—Acrylamide; Methacrylamide

Definitions

  • the present invention relates to photostructurable liquid compositions for producing hydrogels based on polyacrylamide.
  • Biochips are mostly planar carrier systems made of glass or plastic, the surface of which is equipped with a two-dimensional recognition layer, which comprises biological recognition molecules.
  • immobilization layers One problem with the technical implementation of corresponding immobilization layers is first of all the desire for an inexpensive method for applying the layers to the chips or to transducer systems.
  • the immobilization systems from liquid precursors are expediently dripped onto a suitable base, dispensed thereon, spun on or printed on.
  • To solidify the layers For example, thermal polymerization or crosslinking, drying processes or photochemical polymerization or crosslinking processes are selected.
  • Ph. Arquint describes a photocrosslinked hydrogel based on a crosslinked polyacrylamide ("Integrated Blood Gas Sensor for p02, pC02 and pH based on Silicon Technology (dissertation, Ph. Arquint, Uni Neuchatel, Switzerland, 1994).
  • Hydrogels play an important role in chemical and / or biochemical analysis and in particular in the implementation of chemo and bio sensors. They serve to create an aqueous environment in a mechanically stable form while at the same time guaranteeing the exchange of materials in a predominantly aqueous environment.
  • chemical composition such as network chemistry, mesh size and hydrophilicity, the water content, swelling behavior, mechanical stability, etc. of the hydrogels can be varied over a wide range.
  • Hydrogels are particularly attractive in their application in microstructure technology.
  • hydrogels in layer thicknesses of a few ⁇ m on transducer structures serve as microchemical reaction spaces in which aqueous chemistry can play out.
  • Transducer structures are understood to be electrical, e.g. B. thin-film precious metal electrodes on, for example, a silicon substrate, or optical transducers, such as. B. on glass or plastic surfaces.
  • Contact exposure means that the glass mask, the structure of which is to be transferred to the photosensitive layer during the photo process, is placed directly on this layer.
  • the photo-crosslinkable layer must therefore be such that the glass mask (glass coated with chrome) can be easily removed again from the exposed layer after the exposure process, without damaging the layer. This is not possible with the system described by Arquint.
  • hydrogel precursor Another disadvantage of the system described by Arquint, i.e. The hydrogel precursor can be seen in the fact that there are no reactive linker groups available in the crosslinked layer, with the aid of which chemical or biological recognition molecules are coupled in for analytical applications.
  • a hydrogel precursor for the generation of a hydrogel layer by means of photo structuring in contact exposure which also has reactive linker groups, is to be provided.
  • the present invention solves this problem by using the basic components of the polyacrylamide hydrogels described by Arquint, such as acrylamide, acrylic or methacrylic-based crosslinking molecules and photoinitiator, by introducing further components which are used to produce a tack-free hydrogel which can be photo-structured in contact exposure - Allow prepress with additional reactive linker groups.
  • Arquint such as acrylamide, acrylic or methacrylic-based crosslinking molecules and photoinitiator
  • the present invention accordingly relates to a photostructurable liquid composition for producing a hydrogel layer based on polyacrylamide, which is thereby is distinguished by the fact that, in addition to the monomer precursor of the polyacrylamide, the crosslinking agent and the photoinitiator, it comprises at least one film former, at least one comonomer with reactive linker groups and at least one plasticizer.
  • a water-swellable hydrogel which contains reactive linker groups for immobilizing chemical or biological recognition molecules for analytical applications and the
  • Mass exchange with a predominantly aqueous environment guaranteed.
  • the film former is preferably a water-soluble polymer and is selected from the group consisting of polyvinylpyrrolidone, polyacrylamide and / or polyhydroxyethyl methacrylate.
  • the comonomer with reactive linker groups is preferably selected from the group consisting of maleic anhydride and / or glycidyl (meth) acrylate. These structures are particularly useful for linking or coupling to functions of chemical and / or biological molecules.
  • the composition according to the invention preferably has a plasticizer which is selected from di- and / or triethylene glycol.
  • a plasticizer which is selected from di- and / or triethylene glycol.
  • composition is preferably in a polar, with Water-miscible solvent.
  • Dimethylformamide is particularly preferred.
  • the viscosity of the system can be adjusted by varying the solvent and / or the proportion of solvent.
  • hydrogel precursor composition As an example illustrating the invention, the following hydrogel precursor composition can be mentioned:
  • the solution can be spun onto a substrate, for example a silicon wafer, using a conventional paint spinner.
  • Conventional additives can be used to improve the adhesion, or the wafer can be pretreated (see Arquint, op. Cit.).
  • the spin-coated layer is then dried by a prebake step and exposed by directly placing the mask on in the conventional contact exposure process.
  • the development of non-networked areas as well as the extraction of networked structures, i.e. auxiliary components, uncrosslinked monomers and soluble photoinitiator products can be removed, for example, with water or with water-containing solvents.
  • the composition for producing a hydrogel layer has a miscibility of the components used in a widely variable mixing ratio, good adjustability of the viscosity, good spinability and good film formation.
  • a tack-free film surface is created.
  • the film layer has a photo initiation sufficient transparency for light.
  • the crosslinking density and the swellability in water can be set by the proportion of the crosslinking agent and by the proportion of the film former used.
  • the auxiliary components such as film formers and plasticizers can be easily washed out.
  • the adhesion to the substrate surface can be achieved using conventional adhesion promoter systems, e.g. B. on a silane basis.

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Abstract

Fotostrukturierbare liquide Zusammensetzung zur Erzeugung einer Hydrogelschicht auf Basis von Polyacrylamid, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung neben der Monomer-Vorstufe des Polyacrylamids, dem Vernetzungsmittel und Fotoinitator wenigstens einen Filmbildner, wenigstens ein Comonomer mit reaktiven Linkergruppen und wenigstens einen Weichmacher umfasst.

Description

Beschreibung
In Kontaktbelichtung fotostrukturierbares Hydrogel mit Linkergruppen
Die vorliegende Erfindung betrifft fotostrukturierbare liquide Zusammensetzungen zur Erzeugung von Hydrogelen auf Basis von Polyacrylamid.
In der modernen biologischen Analysentechnik sowie in der medizinischen Diagnostik werden in zunehmenden Maße sogenannte Biochips eingesetzt. Biochips sind meist planare Trägersysteme aus Glas oder Kunststoff, deren Oberfläche mit einer zwei- dimensionalen Erkennungsschicht, welche biologische Er- kennungsmoleküle umfasst, ausgerüstet sind. Ein bekanntes
Beispiel für einen derartigen Biochip ist der optisch auslesbare DNA-Chip, welcher von F. Hänel, H.P. Saluz in BlOforum 9/99, Seiten 504-507 beschrieben ist.
Zur Steigerung der Empfindlichkeit derartiger Biochips sowie zur Optimierung der Reproduzierbarkeit der Messergebnisse ist der Einsatz dreidimensionaler Immobilisierungsschichten für die biologischen Erkennungsmoleküle sinnvoll. So verwendet die Firma Schleicher & Schuell GmbH eine dreidimensionale Im- obilisierungsschicht für ein Produkt mit de Namen FAST™
Südes DNA-Chips, in denen Fänger-Oligos in einer dreidimensionalen Nitrocellulose-Membran immobilisiert sind (Schleicher & Schuell, BioMolecular Screening, Catalog 2001 (int. Edt . ) ) .
Ein Problem bei der technischen Realisierung entsprechender Immobilisierungsschichten ist zunächst der Wunsch nach einer kostengünstigen Methode zum Aufbringen der Schichten auf die Chips oder auf Transducersysteme . Günstigerweise werden die Immobilisierungssysteiue aus flüssigen Vorstufen auf eine geeignete Unterlage aufgetropft, darauf dispensiert, aufgeschleudert oder aufgedruckt. Zum Verfestigen der Schichten werden zum Beispiel thermische Polymerisation bzw. Vernetzung, Trocknungsvorgänge oder fotochemische Polymerisierungs- bzw. Vernetzungsvorgänge gewählt.
Ph. Arquint beschreibt für eine solche Anwendung ein fotover- netztes Hydrogel auf Basis eines vernetzten Polyacrylamids ("Integrated Blood Gas Sensor for p02, pC02 und pH based on Silicon Technology (Dissertation, Ph. Arquint, Uni Neuchatel, Schweiz, 1994) .
Hydrogele spielen eine bedeutende Rolle in der chemischen und/oder biochemischen Analytik sowie insbesondere bei der Realisierung von Chemo- und Bio-Sensoren. Sie dienen dazu, ein wässriges Milieu in mechanisch stabiler Form bei gleich- zeitiger Gewährleistung des Stoffaustausches mit einer überwiegend wässrigen Umgebung zu realisieren. Durch Wahl der chemischen Zusammensetzung, wie Netzwerk-Chemie, Maschenweite und Hydrophilie, können Wassergehalt, Quellverhalten, mechanische Stabilität, etc. der Hydrogele über weite Bereiche va- riiert werden.
Besonders attraktiv sind Hydrogele in ihrer Anwendung in der Mikrostrukturtechnik. Hier dienen Hydrogele in Schichtdicken von wenigen μm auf Transducerstrukturen als mikrochemische Reaktionsräume, in denen sich wässrige Chemie abspielen kann. Unter Transducerstrukturen versteht man elektrische, wie z. B. Dünnfilm-Edelmetall-Elektroden auf beispielsweise einem Silicium-Substrat, oder optische Transducer, wie z. B. auf Glas- oder Kunststoff-Flächen.
Ph. Arquint beschreibt in seiner Dissertation eine Methode, bei welcher Polyacrylamid-Hydrogele mit Hilfe einer annähernd halbleiterkompatiblen Methode auf Silicium-Wafern aufgebracht und fototechnisch strukturiert werden. Bei der beschriebenen Technologie liegt jedoch ein entscheidendes Problem vor:
Die auf den Siliciu -Wafer aufgebrachte Schicht der Hydrogel- Vorstufe ist zum Zeitpunkt der Belichtung noch flüssig bzw. sogar stark klebrig, so dass eine in der Halbleitertechnik übliche, direkte Methode der Kontaktbelichtung nicht möglich ist. Kontaktbelichtung bedeutet, dass die Glasmaske, deren Struktur beim Fotoprozess auf die fotosensitive Schicht übertragen werden soll, direkt auf diese Schicht aufgelegt wird. Die fotovernetzbare Schicht muss deshalb so beschaffen sein, dass sich die Glasmaske (Glas mit Chrom beschichtet) nach dem Belichtungsvorgang wieder leicht von der belichteten Schicht entfernen lässt, ohne die Schicht zu beschädigen. Das ist mit dem von Arquint beschriebenen System nicht möglich.
Ein weiterer Nachteil des von Arquint beschriebenen Systemes, d.h. der Hydrogel-Vorstufe, ist darin zu sehen, dass in der vernetzten Schicht keine reaktiven Linkergruppen zur Verfügung stehen, mit deren Hilfe chemische oder biologische Erkennungs oleküle für analytische Anwendungen eingekoppelt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die im Stand der
Technik vorhandenen Nachteile zu beseitigen. Es soll eine Hydrogel-Vorstufe zur Erzeugung einer Hydrogelschicht mittels Fotostrukturierung in Kontaktbelichtung, welche darüber hinaus über reaktive Linkergruppen verfügt, bereitgestellt wer- den.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe unter Nutzung der Basiskomponenten der von Arquint beschriebenen Polyacry- lamid-Hydrogele, wie Acrylamid, Acryl- oder Methacryl-ba- sierte Vernetzermoleküle und Fotoinitiator, durch Einführung weiterer Komponenten, die die Herstellung einer klebfreien, in Kontaktbelichtung fotostrukturierbaren Hydrogel-Vorstufe mit zusätzlichen reaktiven Linkergruppen ermöglichen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demnach eine foto- strukturierbare liquide Zusammensetzung zur Erzeugung einer Hydrogelschicht auf Basis von Polyacrylamid, die sich dadurch auszeichnet, dass sie neben der Monomer-Vorstufe des Po- lyacrylamids, dem Vernetzungsmittel und dem Fotoinitiator wenigstens einen Filmbildner, wenigstens ein Comonomer mit reaktiven Linkergruppen und wenigstens einen Weichmacher u - fasst.
Nach Schichtherstellung und Fotostrukturierung wird ein mit Wasser quellbares Hydrogel erhalten, das reaktive Linkergruppen zur Immobilisierung chemischer oder biologischer Erken- nungsmoleküle für analytische Anwendungen enthält und den
Stoffaustausch mit einer überwiegend wässrigen Umgebung gewährleistet.
Vorzugsweise ist der Filmbildner ein wasserlösliches Polymer und aus der Gruppe ausgewählt, die aus Polyvinylpyrrolidon, Polyacrylamid und/oder Polyhydroxyethylmethacrylat besteht.
Durch Variation des Anteils des Filmbildners in der Zusammensetzung wird ein Parameter zur Einstellung der Maschenweite des Hydrogeles zur Verfügung gestellt.
Das Comonomer mit reaktiven Linkergruppen ist vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt, die aus Maleinsäureanhydrid und/oder Glycidyl (meth) acrylat besteht. Diese Strukturen sind insbesondere zur Anknüpfung bzw. Ankoppelung an Funktionen chemischer und/oder biologischer Moleküle sinnvoll.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Zusammensetzung einen Weichmacher auf, der aus Di- und/oder Triethylenglykol ausge- wählt ist. Durch Optimierung des Di- und/oder Triethylengly- kol-Anteils kann die getrocknete Vorstufenschicht in ihrem Polymerisierungsverhalten verbessert werden, ohne dass die Schicht klebt. Das Polyacrylamidgerüst basiert auf Acrylsäu- reamid, Methylenbisacrylamid und/oder Dimethacrylsäureester, wie Tetraethylenglycoldimethacrylat
Die Zusammensetzung liegt vorzugsweise in einem polaren, mit Wasser mischbaren Lösungsmittel vor. Besonders bevorzugt ist Dimethylformamid. Durch Variation des Lösungsmittels, und/oder des Lösungsmittelsanteils kann die Viskosität des Systemes eingestellt werden.
Als ein die Erfindung veranschaulichendes Beispiel kann die folgende Zusammensetzung einer Hydrogel-Vorstufe genannt werden:
750 mg Acrylsäureamid
25 mg Methylenbisacrylamid
300 mg Glycidylmethacrylat
25 mg 2, 2, -Dimethoxy-2-phenylacetophenon
500 mg Polyvinylpyrrolidon
150 mg Triethylenglykol
1 ml Dimethylformamid. ,
Die Lösung kann mit einer herkömmlichen Lackschleuder auf ein Substrat, beispielsweise einen Siliciuiα-Wafer, aufgeschleudert werden. Zur Verbesserung der Haftung können herkömmliche Zusätze verwendet werden, bzw. der Wafer kann einer Vorbehandlung unterworfen werden (siehe Arquint, a.a.O.). Anschließend wird die aufgeschleuderte Schicht durch einen Pre- bake-Schritt getrocknet und durch direktes Auflegen der Maske im herkömmlichen Kontaktbelichtungsverfahren belichtet. Die Entwicklung nicht vernetzter Bereiche sowie die Extraktion vernetzter Strukturen, d.h. die Entfernung von Hilfskomponenten, unvernetzten Monomeren und löslichen Fotoinitiator-Produkten, kann beispielsweise mit Wasser oder mit wasserhaltigen Lösungsmitteln erfolgen.
Die Zusammensetzung zur Erzeugung einer Hydrogelschicht, wie sie hier beansprucht wird, weist eine Mischbarkeit der eingesetzten Komponenten in einem breit variierbaren Mischungsverhältnis, eine gute Einstellbarkeit der Viskosität, eine gute Schleuderfähigkeit sowie eine gute Filmbildung auf. Nach dem Trocknen der Hydrogelfilme entsteht eine klebfreie Filmoberfläche. Die Filmschicht weist eine zur Fotoinitiierung aus- reichende Transparenz für Licht auf. Die Vernetzungsdichte und die Quellbarkeit in Wasser ist durch den Anteil des Vernetzungsmittels und durch den Anteil des eingesetzten Filmbildners einstellbar. Nach der Fotostrukturierung lassen sich die Hilfskomponenten, wie Filmbildner und Weichmacher leicht auswaschen. Die Haftung zur Substratoberfläche kann mittels üblicher Haftvermittlersysteme, z. B. auf Silanbasis, verstärkt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Fotostrukturierbare liquide Zusammensetzung zur Erzeugung einer Hydrogelschicht auf Basis von Polyacrylamid, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung neben der Monomer-Vorstufe des Polyacrylamids, dem Vernetzungsmittel und Fotoinitiator wenigstens einen Filmbildner, wenigstens ein Comonomer mit reaktiven Linkergruppen und wenigstens einen Weichmacher umfasst.
2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fil bildner ein wasserlösliches Polymer ist.
3. Zusammensetzung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wasserlösliche Polymer als Filmbildner aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polyvinylpyrrolidon, Polyacrylamid und/oder Polyhydroxyethylmethacrylat besteht.
4. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Comonomer mit reaktiven Linkergruppen aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Maleinsäureanhydrid und/oder Glycidyl (meth) acrylat besteht.
5. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Weichmacher aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mono-, Di- und/oder Triethy- lenglykol besteht.
6. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyacrylamidgerüst auf Acrylsäureamid, Methylenbisacrylamid und/oder Dimethac- rylsäureester basiert.
7. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem polaren, mit Wasser mischbaren Lösungsmittel vorliegt.
8. Verwendung einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 2 bis 7 zur Erzeugung eine Hydrogels mittels Fotostrukturierung durch Kontaktbelichtung.
9. Verwendung einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Erzeugung einer Iinmobilisierungsschicht für Biomoleküle auf einer Transduceroberflache.
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