WO2011082706A9 - Oberflächenmodifizierungssystem für die beschichtung von substratoberflächen - Google Patents

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WO2011082706A9
WO2011082706A9 PCT/DE2011/000011 DE2011000011W WO2011082706A9 WO 2011082706 A9 WO2011082706 A9 WO 2011082706A9 DE 2011000011 W DE2011000011 W DE 2011000011W WO 2011082706 A9 WO2011082706 A9 WO 2011082706A9
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Ringo Grombe
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D7/00—Processes, other than flocking, specially adapted for applying liquids or other fluent materials to particular surfaces or for applying particular liquids or other fluent materials
    • B05D7/14—Processes, other than flocking, specially adapted for applying liquids or other fluent materials to particular surfaces or for applying particular liquids or other fluent materials to metal, e.g. car bodies
    • B05D7/16—Processes, other than flocking, specially adapted for applying liquids or other fluent materials to particular surfaces or for applying particular liquids or other fluent materials to metal, e.g. car bodies using synthetic lacquers or varnishes

Definitions

  • the invention relates to a surface modification system for the coating of substrate surfaces with a metallic character, wherein a dispersion of polymer-protected particles is used.
  • a dispersion of polymer-protected particles is used.
  • the interaction of the particles with the substrate surface and the anchoring of the polymer chains result in an adhesion promoter layer to which further target molecules can be bound by charge interaction.
  • Medical devices is the use of biocompatible polymers.
  • Nanoparticle layer has better adhesion to the metal surface of the electrode than the secondary
  • Nanoparticle layer which in turn forms a compound with the primary nanoparticle layer.
  • US2009087644 A1 discloses a method for coating substrates with a layer of functionalized nanoparticles, wherein the substrate is coated in a solution with a polymer binder containing the functionalized nanoparticles by immersion. Then another
  • Plastic packaging material for microelectronic products wherein a layer containing nanoparticles is in contact with the substrate.
  • various properties of the packaging material can be adjusted for the respective application.
  • US20040055420 describes the adsorption of dispersed polymer-stabilized nanoparticles on electrodes.
  • the deposition methods include electrophoretic as well
  • a subsequent etching process increases the surface roughness of the electrode and thus its efficiency.
  • Poly (vinylpyrrolidone), PVP is further described by Xia et al. (Angew Chem 2009, 121, 62-108). In addition, chemical and physical shape control in the synthesis of metal nanocrystals will be discussed. In addition, the interaction of nanoparticles of platinum or silver with iron, a
  • Further stabilizing substances for metallic nanoparticles are electron donor compounds in which the electron-rich groups are arranged in a manner favorable for the stabilization of nanoparticles.
  • Polyacrylic acid (Falletta et al J. Phys. Chem. C, 112 2008, 11758-11766), poly (meth) acrylic acid (Dubas et al., Talanta, 76, 2008, 29-33), or polyacrylamide (Bonini et al Langmuir 24, 2008, 12644-12650 ) called .
  • Charlot et al J Mater Chem, 19, 2009, p.
  • Rollercoating or sputtering strategies e.g., thermal spray, cold vapor deposition, ultrasonic technique, Parylene coating, PTFE coating, etc.
  • Chlorine-containing solvents chromium-phosphorus, salt and sulfur
  • alkaline media are used.
  • the metal surface is often provided with a phosphate coating. A variety of methods is available for this, but only a few to a homogeneous, extremely thin and
  • microcrystalline coating (G. Reinhard, Prog. Org. Coat., 15, 1987, p. 125).
  • the metal surfaces must be treated prior to application of coating reagents.
  • etchants or detergents are used, which increase the disposal costs of the respective processes.
  • the adhesion promoter is attributed to the DOPA copolymer used.
  • the silver nanoparticles are only used as a source of herbicides.
  • the object of the present invention is therefore to improve the adhesion promotion on a surface
  • the object is further achieved by a coated metal surface according to claim 15.
  • the object is achieved by a method for coating a substrate surface by means of dispersed particles.
  • the particles are first dispersed in a solvent with the aid of a stabilizing polymer. Thereafter, the substrate surface to be coated is stabilized with the
  • Particle solution wets, with a fixation of the polymer chains in the spaces between the metal surface and particles by a clamping mechanism. Theoretically, this substrate particle binding can be achieved by penetration / diffusion processes
  • Particles are formed in the surface.
  • additives such as free-radical initiators and / or crosslinkers and / or
  • IPN interpenetrating networks
  • the substrate surface may be part of a metallic article of different geometry (e.g.
  • the substrate surface may have a flat or structured surface, which allows the adhesion of the surface modification system.
  • Substrate surface can thereby one or more elements selected from the groups 3 to 16 and the lanthanides of the Periodic Table of the Elements, their isotopes, salts, as well as mixtures,
  • Reactions may be amenable to additions of radical initiators and / or crosslinkers. Additional options for such stabilization are provided by beta and gamma ray crosslinking steps.
  • Structural properties bring about to influence the surface roughness.
  • Such a structuring method can bring about an influence on the surface wetting.
  • Stabilization of the primer layer can be forced by rinsing the destabilizing with a particle LSM.
  • the rinse causes a collapse of the particles and thus increases the interaction in the clamping complex substrate-particle polymer.
  • metal particles / metal alloy particles / metal oxide particles The
  • Particles may contain one or more elements selected from groups 3 to 16 and the lanthanides of the Periodic Table of the Elements, their isotopes, salts, as well as mixtures,
  • the particles can be any suitable material. Alloys, etc. thereof.
  • the particles can be any suitable material.
  • EPD electrophoretic deposition
  • NPDS nano-particle deposition system
  • combinations of salts of reducible metals eg Au, Ag or Fe
  • reducing agents z for example, poly-8-hydroxyquinolines (Mahmoud et al 2009, Deraeve et al 2007) or Brunox epoxy with
  • Polymerization starters are used.
  • the particles are at least partially with one or more
  • Particles by the used colloid stabilizing polymers functionalization These functionalities can also be generated by a subsequent reaction step.
  • the functionalization is necessary to represent a stable and homogeneous coating with target molecules.
  • the dispersion of the inorganic particles is mixed with organic particles, for example of isobutyl cyanoacrylates or gelatin.
  • the polymer used is a biocompatible polymer or hydrogel-forming polymer
  • hydrophilic or bio-functional surfaces can be displayed on medical devices.
  • Interaction between adhesion promoter layer and target molecule of ionic, complex, chelated nature may be. Further interactions can be on interpenetrating networks (IPN), hydrogen bonds or other electrostatic
  • Interpenetrierenden networks whereby the stress susceptibility / cracking of the subsequently applied coating with target molecules is reduced.
  • IPNs interpenetrating networks
  • coated substrate surface for functionalization with biologically active molecules, e.g. Antibodies and nucleotides used.
  • biologically active molecules e.g. Antibodies and nucleotides used.
  • antiseptic monomers such as e.g.
  • coated substrate surface used for functionalization with organic (nano) particles If e.g. like those used in the pharmaceutical industry
  • Isobutyl cyanoacrylate particles used can be produced by their large specific surface area, antiseptic coatings at a significantly reduced material consumption. At the resulting surface further target molecules can be reacted.
  • glucan-like oligomers / polymers such as cellulose, starch,
  • Heparin, chitosan, hyaluronic acid, etc are used.
  • Coatings have a high degree of biocompatibility.
  • Target molecules hydrogel polymers; Drugs; peptides;
  • antimicrobial agents lipids; polysaccharides; biologically active molecules such as antibodies, nucleotides, enzymes,
  • Fig. 1 is a beispielhaf e strategy for coating
  • nanoparticulate metal dispersion to represent a
  • Bonding layer Due to the generation of ionic properties (bio) -active can be used in subsequent application steps
  • Substances are immobilized by ionic interaction.
  • 2 shows an exemplary strategy for coating
  • Adhesive layer wherein by subsequent
  • the substrate to be coated is stabilized
  • Dispersion may be room temperature.
  • the dispersion can also be heated.
  • the reaction time can vary over a period of 180 minutes.
  • colloidal polymer stabilized metal particles Figures 1, 104
  • adsorb to the metal substrate surface in the manner just described Figures 1, 100.
  • Aggregation and collapse (FIG. 1, step 101) of the metal structures results in an additional metal layer with polymer chains immobilized by clamping complexes (FIGS. 1, 105). This step results in a coating acting as a primer, which serves as the basis for further functional
  • Coatings serves. After removal of the substrate from the dispersion and prior to anchoring various target molecules on the modified substrate, washing is carried out with a suitable solvent. As shown in FIG. 1, step 102, a modification of the primer layer is performed. Is the
  • Metal particle dispersion with an amide polymer such as e.g. Polyvinylpyrrolidone, polyacrylamide stabilized, so in the alkaline medium by hydrolysis amino or
  • the substrate to be coated is stabilized
  • Dispersion may be room temperature.
  • the dispersion can also be heated.
  • the reaction time can vary over a period of 180 minutes. As shown in Fig. 2, adsorb ionic charged colloidal in just described approach
  • Coatings serves. After removal of the substrate from the dispersion and prior to anchoring various target molecules on the modified substrate, washing is carried out with a suitable solvent. If the metal particle dispersion is treated with a polymer, e.g.
  • PAA Polyacrylic acid
  • alkaline medium negatively charged functions such as
  • the surface modification system of the invention is used for therapeutic and analytical applications. Immobilization of hydrophilic / lubricious / antimicrobial / abrasion-resistant / heat-resistant resistant / corrosion-stable / fracture-resistant and / or other functional coatings. Immobilization may be directed to the objective of altering the physical properties of the substrate, such as waterproofness, mechanical strength, chemical resistance, light fastness, abrasion resistance, gas and moisture permeability, design, appearance, feel,
  • the method is therefore also suitable for solving technical problems through biologically inspired solutions (bionics).
  • the surface modification system according to the invention is used to decorate the
  • Substrate surface with charge carriers such as ionic biomolecules (e.g., glycosaminoglycans). So biocompatible or antifouling surfaces can be produced.
  • charge carriers such as ionic biomolecules (e.g., glycosaminoglycans). So biocompatible or antifouling surfaces can be produced.
  • Substrate surface with biologically active molecules such as e.g.
  • Substrate surface with fluorescence / Phophoreszenz molecules used for fluorescence / Phophoreszenzbeées systems.
  • the magnetic particle surface modification system of the present invention is used for medical imaging systems for malignant tissue examination.
  • the surface modification system according to the invention is used for the immobilization of lipid membrane viscoses (liposomes) or polymersomes
  • biocompatible / biodegradable drug carriers or biological membrane used on the substrate surface.
  • the surface modification system according to the invention is used for decoration of water pipes with antimicrobial agents for outdoor use for the disinfection of water. Compared to the prior art, e.g. Dissolution of Ag salt tablets in the drinking water will greatly simplify the process
  • Metal / polymer systems with defined structures used by laser chemical treatment of immobilized metal chelates.
  • the surface modification system according to the invention is used for embedding clay minerals or activated carbon for water treatment (detoxification).
  • the surface modification system according to the invention becomes further industrial
  • Paint or decorative design used for this novel or conventional paint systems may be considered.
  • the surface modification system according to the invention is used for embedding functional (nano) particles (magnetic, light-emitting, etc.); solid-state hosts (eg polyurethane / silica ORMOSILs) used to store LASER dyes, etc.
  • functional particles magnetic, light-emitting, etc.
  • solid-state hosts eg polyurethane / silica ORMOSILs
  • redox-capable systems eg iron particles
  • the stabilization of the iron oxide particles is achieved so far by a coating with polymers such as dextran (Ferridex ®), carboxydextran (Resovist ®), albumin and starch or a liposomal envelope.
  • Interactions such as e.g. interpenetrating networks (IPN) with a potential coating system.
  • IPN interpenetrating networks
  • the surface modification system according to the invention is used as a lubricant substitute in
  • the surface modification system according to the invention is used for coating
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • MMC metal matrix composites
  • the surface modification system of the invention is used to coat analytical equipment such as e.g. Chromatography columns used.
  • analytical equipment such as e.g. Chromatography columns used.
  • the surface modification system according to the invention is used for coating materials which are used in concrete constructions similar to the irons.
  • the surface modification system of the present invention is used to coat materials used in the testing of plastics materials (e.g., metal strips in natural rubber)
  • the surface modification system according to the invention is used for producing carbide / nitride or similar abrasion-resistant / oxidation-resistant materials.
  • stable / protective layers (such as time through, for example
  • the stabilizing polymer may be decomposed by (partial) decomposition e.g. serve as a carbon / nitrogen or other elemental source.
  • partial decomposition e.g. serve as a carbon / nitrogen or other elemental source.
  • additional additives for example by the method described in the publication DE102004014076B3.
  • the polymer phase can be used as an intermediate layer for stress absorption.
  • the abrasion resistant systems may e.g. at
  • Abrasion resistant layers are also interesting in terms of computer drives. An ever-increasing data density on hard disks requires better resolution and better mechanical stability of the surfaces. Abrasion-resistant surfaces are therefore of great interest in order to avoid damage to the drive.
  • the surface modification system according to the invention is used in combination with stimuli-responsive adhesion mediators (with stimuli such as temperature, electromagnetic radiation, etc.) for so-called on-demand adhesions.
  • stimuli-responsive adhesion mediators with stimuli such as temperature, electromagnetic radiation, etc.
  • on-demand adhesions Such may e.g. as adhesive joints on a car body replace the welds etc. and thus facilitate the recycle process.
  • Adhesion promoters are here for example hot melt adhesives such as polyamides and Micropearl F30 be called. React e.g. at the substrate surface aggregated Siblerpitate with a
  • the surface modification system according to the invention is used for coating
  • Semiconductor surfaces such as silicon wafer surfaces
  • the surface modification system according to the invention is used for the production of circuits. Defined structures with low space requirements can be created by the use of (laser) -optical methods,
  • the surface modification system according to the invention is used in electrical applications. Strongly adherent, elastic, homogeneous and defect-free insulation can be achieved, for example, by coating with paper fibers. Similar applications are conceivable for capacitors or transformers.
  • the surface modification system according to the invention is used for the homogeneous coating of metal foam.
  • Ferrous metal foams are very interesting for osteosurgical application.
  • the integration of these components is enhanced by pre-immobilized apatites.
  • the surface modification system of the present invention can stabilize such systems by compensating for any shear forces due to the combination of surface roughness and polymer chain mobility.
  • Hot air corrosion resistance in e.g. Increase automotive catalytic converters.
  • inventive Surface modification system with water glass as described for example in DE4040153A1, coated.
  • water- and fire-stable surfaces can be produced, which are break-stabilized by the stress-absorbing effect of the particle-protecting polymers.
  • the surface modification system according to the invention is used to display analytical surfaces. Possible applications are in screening analysis such as e.g. To find SPR spectroscopy.
  • the immobilized by means of the clamping mechanism polymers completely novel surface functionalities can be displayed, which corresponds to a wider range of applications.
  • the surface modification system according to the invention for the diamond coating is used and so abrasion-stable, corrosion-resistant layers combined with lubricious surfaces.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Oberflächenmodifizierungssystem für die Beschichtung von Substratoberflächen mit metallischem Charakter, wobei eine Dispersion polymergeschützter Partikel verwendet wird. Die Wechselwirkung der Partikel mit der Substratoberfläche und die Verankerung der Polymerketten ergeben eine Haftvermittlerschicht, an welche weitere Targetmoleküle durch Ladungswechselwirkung angebunden werden können.

Description

Oberflächenmodifizierungssystem für die Beschichtung von
Substratoberflächen
Die Erfindung betrifft ein Oberflächenmodifizierungssystem für die Beschichtung von Substratoberflächen mit metallischem Charakter, wobei eine Dispersion polymergeschützter Partikel verwendet wird. Die Wechselwirkung der Partikel mit der Substratoberfläche und die Verankerung der Polymerketten ergeben eine Haftvermittlerschicht, an welche weitere Targetmoleküle durch Ladungswechselwirkung angebunden werden können. Von besonderem Interesse für z.B.
Medizinprodukte ist die Verwendung von biokompatiblen Polymeren.
Stand der Technik
Die Benutzung von Nanopartikeln zur Beschichtung von Elektroden ist in WO2009046382 A2 beschrieben. Hier wird die Herstellung einer primären und sekundären Nanopartikelschicht auf
Metalloberflächen beschrieben, wobei die primäre
Nanopartikelschicht bessere Adhäsionseigenschaften gegenüber der Metalloberfläche der Elektrode aufweist als die sekundäre
Nanopartikelschicht, welche wiederum eine Verbindung mit der primären Nanopartikelschicht eingeht.
Die US2009087644 AI offenbart ein Verfahren zur Beschichtung von Substraten mit einer Schicht mit funktionalisierten Nanopartikeln, wobei das Substrat in eine Lösung mit einem Polymerbindemittel enthaltend die funktionalisierten Nanopartikeln durch Untertauchen beschichtet wird. Anschließend erfolgt ein weiterer
Beschichtungsvorgang mit einer zweiten Lage funktionalisierter Nanopartikel , wodurch ein Gradient hinsichtlich einer gewünschten Materialeigenschaft ausgebildet wird. Die US2007036510 AI offenbart Verfahren zur Herstellung eines
Plastikverpackungsmaterials für Mikroelektronikerzeugnisse, wobei eine Schicht, welche Nanopartikel enthält, im Kontakt zum Substrat steht. Über die Verwendung von Nanopartikeln lassen sich hierbei verschiedene Eigenschaften des Verpackungsmaterials für den jeweiligen Anwendungszweck einstellen. In US20040055420 wird die Adsorption von dispergierten polymerstabilisierten Nanopartikeln an Elektroden beschrieben. Die Depositionsmethoden umfassen elektrophoretische als auch
thermische Vorgänge. Ein anschließender Ätzprozess erhöht die Oberflächenrauhigkeit der Elektrode und damit deren Effizienz.
Prinzipielle Mechanismen der elektrophoretischen Partikelablagerung an Substratoberflächen werden in dem Buch von Aldo R. Boccaccini, Jan B. Talbot et al (Electrophoretic deposition, fundamentale and applications , Electrochemical Society.
Electrodeposition Division, United Engineering Foundation U.S., 2002) beschrieben.
Das Gebiet der Silbernanopartikel wird schon über mehr als ein Jahrhundert (M. Faraday, Philos. Trans. R. Soc. London 1857, 147, 145) bearbeitet. Die Stabilisierung von Silbernanopartikeln durch
Poly (vinylpyrrolidon) , PVP, wird weiterhin durch Xia et al . (Angew Chem 2009, 121, 62 - 108) beschrieben. Außerdem werden die chemische und physikalische Formkontrolle bei der Synthese von Metallnanokristallen diskutiert. Zudem wird die Wechselwirkung von Nanopartikeln aus Platin oder Silber mit Eisen, einem
Hauptbestandteil von rostfreiem Stahl beschrieben.
Weitere Stabilisierungssubstanzen für metallische Nanopartikel sind Elektronendonor-verbindungen in welchen die elektronenreichen Gruppen in für die Stabilisierung von Nanopartikeln günstigen Weise angeordnet sind. Beispielhaft seien die Derivate der
Polyacrylsäure (Falletta et al J. Phys . Chem. C, 112 2008, 11758- 11766), Poly (meth-) acrylsäure (Dubas et al Talanta 76 2008 29-33) oder Polyacrylamid (Bonini et al Langmuir 24 2008 12644-12650) genannt . In einer Arbeit von Charlot et al (J Mater Chem, 19, 2009, S.
4117) wird der Einsatz von 3 , 4-dihydroxyphenylalanine (DOPA) stabilisierten Silbernanopartikeln zur Beschichtung von rostfreiem Stahl beschrieben.
Aus der oben genannten Literatur geht ebenfalls hervor, dass eine Dispersion von Metallpartikeln in verschiedensten Medien (wässrig oder organisch) vorliegen kann. Um Metallwerkstoffe für industrielle Anwendungen oder für die Medizintechnik zu funktionalisieren werden verschiedenste Methoden angewandt. Hauptsächlich kommen Anstriche, dip-, flow- und
Rollercoating oder Bedampfungsstrategien (z.B. thermal spray, Kaltdampfablagerung, Ultraschalltechnik, Parylene-Beschichtung, PTFE-Beschichtung, etc.) zum Einsatz.
Zur Abscheidung von Metallen oder kolloidalen Stoffen (z.B.
wasserlöslichen Farbstoffen) an Metallsubstraten wird die auf elektrophoretischen Effekten basierende Methode der Galvanisierung eingesetzt (S. Paul, Surface Coating, Science and Technology, J . Wiley Ltd, 1996, S. 497) . Mit dieser können Metallbausteine unterschiedlichster und komplexester Geometrie unter geringen Materialverlusten bearbeitet werden. Weiterhin reduziert der Einsatz von wasserlöslichen Farben den Lösungsmittelausstoß. Die Stabilität und Homogenität der Beschichtung wird im hohen Maße durch die Reinheit der Metalloberfläche bestimmt. Daher werden meist Wasch- oder Ätzschritte in die Beschichtungsmethode
integriert. Dabei kommen chlorhaltige Lösungsmittel, (Chrom- Phosphor-, Salz- und Schweiel- ) Säuren oder alkalische Medien zum Einsatz. Zur Vorbereitung von Methoden der Elektroablagerung wird die Metalloberfläche oft mit einer Phosphatschicht versehen. Eine Vielzahl von Methoden steht hierfür zur Verfügung, wobei jedoch nur wenige zu einer homogenen, extrem dünnen und
mikrokristallienen Beschichtung führen (G. Reinhard, Prog. Org. Coat., 15, 1987, S. 125).
Die Herstellung der primären und sekundären Nanopartikelschicht auf Metalloberflächen wie in WO2009046382 A2 beschrieben, erfolgt ohne die Herbeiführung einer stabilen Haftvermittlerschicht durch einen Einklemmenmechanismus zwischen Substrat, Partikelschicht und Stabilisierungspolymeren.
Von den in den Druckschriften US2009087644 AI und US2007036510 AI beschriebenen Verfahren kann keine direkte Schlussfolgerung zu der hier beschriebenen Erfindung gezogen werden. Keine der Dokumente enthält Angaben oder Hinweise, welche eine mögliche Verbesserung der Haftvermittlung zu Targetmolekülschichten mittels
Nanopartikelpräsenz aufzeigen. Die in US20040055420 beschriebenen Verfahren dienen ausschließlich der Vergrößerung der Oberflächenrauhigkeit von Elektroden. Eine Verwendung der Oberflächenmodifizierung zur Immobilisierung von Targetmolekülen wird in der Druckschrift nicht beansprucht. Bei Anstrichen oder Bedampfungsstrategien kommen Substanzen zum Einsatz, welche vom ökologischen Standpunkt her fraglich oder komplizierter Darstellungsart sind. Der Einsatz von Acrylaten, Epoxiden, Ethylenen, Vinylenen ist zwar weit verbreitet, bringt aber die Frage der Immobilisierung/Abreaktion der funktionellen Gruppen und der Sensibilisierung von Anwendern mit sich. Zudem sind Bedampfungsmethoden mit einem komplexen Instrumentenaufbau verbunden .
Weiterhin müssen die Metalloberflächen bei herkömmlichen Methoden vor dem Auftragen von Beschichtungsreagenzien behandelt werden. Hierfür werden entweder Ätzmittel oder Detergentien eingesetzt, die die Entsorgungskosten der jeweiligen Prozesse erhöhen.
Der Nachteil der Galvanisierung ist, dass bei der anodischen Reaktion erhebliche Mengen Basen benötigt werden, um die
notwendigen negativen Ladungen an den verwendeten Makromolekülen zu erzeugen (CA. May JPT 43, 1971, S.43). Ebenfalls hat die
Entstehung von Sauerstoff einen nachteiligen Effekt auf die
Leistungsfähigkeit des entstehenden Coatings (M.R. Sullivan 38, 1966, S.424) . Zusammen mit der Gasentstehung stellen
Entladungsphänomene Probleme bei der kathodischen Galvanisierung dar (J.R.Smith, D.W.Boyed JCT 60, 1988, S.77) .
Die von Charlot et al beschriebene Methode basiert auf der
Erklärung, dass die Haftvermittlung dem eingesetztem DOPA- Copolymer zugeschrieben wird. Wobei die Silbernanopartikel lediglich als Herbizidquelle genutzt werden. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin eine Verbesserung der Haftvermittlung an einer Oberfläche mit
metallischen Charakter durch Beschichtungsreagenzien und die weitere Funktionalisierung der Haftvermittlerschicht anzugeben. Durch die chemische und physikalische Beschaffenheit von
Metalloberflächen ist die Benetzung und Adhäsion durch
Haftvermittler und damit die homogene und stabile Beschichtung problembehaftet. Außerdem stellt die Umweltverträglichkeit und der gesundheitliche Schutz eine Herausforderung dar.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den anhängigen
Ansprüchen angegeben. Die Aufgabe wird weiterhin durch eine beschichtete Metalloberfläche gemäß Anspruch 15 gelöst.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch ein Verfahren zur Beschichtung einer Substratoberfläche mittels dispergierter Partikel. Die Partikel werden zuerst in einem Lösungsmittel mit Hilfe eines stabilisierenden Polymer dispergiert. Danach wird die zu beschichtende Substratoberfläche mit der stabilisierten
Partikellösung benetzt, wobei eine Fixierung der Polymerketten in den Zwischenräumen zwischen Metalloberfläche und Partikel durch einen Klemmmechanismus erfolgt. Theoretisch kann diese Substrat - Partikelbindung durch Penetrierungs -/Diffusionprozesse der
Partikel in die Oberfläche ausgebildet werden. Durch Kollabieren und Aggregieren des kolloidalen Systems wird eine stabile
Partikelschicht auf der Substratoberfläche ausgebildet.
In einem Folgeschritt werden nach Beendigung des
Beschichtungsvorganges die nicht gebundenen Partikel durch Waschen mit einem Lösungsmittel entfernt. Ist eine weitere Stabilisierung des Oberflächenmodifikationsystems gewünscht, so können
stabilisierende Reaktionen durchgeführt werden. Hierfür können Additive wie Radikalstarter und/oder Vernetzern und/oder
Komplexbildnern und/oder Tenside hilfreich sein. Weiterhin kann eine Stabilisierung durch die Ausbildung von interpenetrierenden Netzwerken (IPN) herbeigeführt werden.
Um Wechselwirkungszentren für die nachfolgende Beschichtung mit Targetmolekülen zu schaffen, kann nun eine Generation von
ionischen Ladungen an der beschichteten Substratoberfläche erfolgen. Diese können mittels chemischer Reaktionen, die dem
Fachmann aus der organischen oder polymer-analogen Chemie bekannt sind, dargestellt werden. Alternativ können auch Partikelsysteme mit ionisch geladenen Stabilisierungspolymeren verwendet werden. Eine weitere Möglichkeit zur Immobilisierung von Targetmolekülen ist die Anwendung der Stereo-Komplexierung . Derartige Komplexe entstehen aus der Wechselwirkung von (D,L) Stereoisomeren. Eine weitere Möglichkeit zur Immobilisierung von Targetmolekülen ist die Anwendung von Wasserstoffbrückenbindungen . Wasserstoffbrückenbindungen spielen auch in thermoreversiblen Hydrogelen eine große Rollen. Durch die Systemkollabierung bei Temperaturerhöhung können unter Verwendung vön thermoreversiblen Hydrogelen, Όη-demand' Haftvermittlerschichten erzeugt werden. Der abschließende Schritt ist die Trocknung der beschichteten Substratoberfläche .
Unter einer Substratoberfläche mit metallischem Charakter wird im Sinne der Erfindung eine elektrisch leitfähige Oberfläche
verstanden. Die Substratoberfläche kann dabei Bestandteil eines metallischen Gegenstandes unterschiedlichster Geometrie (z.B.
Kabel, Platte, Stab, Rohr, Kugel, Gewebe, Stent-ähnliche
Konstrukte) , eines porösen Wafers, eines Faserverbundwerkstoff oder ähnlichem bestehen. Die Substratoberfläche kann dabei eine ebene oder strukturierte Oberfläche aufweisen, welche die Adhäsion des Oberflächenmodifizierungssystems ermöglicht. Die
Substratoberfläche kann dabei ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus den Gruppen 3 bis 16 und der Lanthanaide des Periodensystems der Elemente, deren Isotopen, Salzen, als auch Mischungen,
Legierungen, etc. davon aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann eine
Stabilisierung der Haftvermittlerschicht durch Initiierung von Vernetzungsschritten erfolgen. Hierzu werden dem
Haftvermittlersystem Vernetzer und Polymerisationsinitiatoren zugesetzt. Zur Initiierung von Polymerisationsreaktionen (z. B. Radikal- oder Kondensationsreaktion) als auch polymeranalogen
Reaktionen (z.B. nukleophile oder elektrophile Reaktionen) können Zusätze von Radikalstartern und/oder Vernetzern hilfreich sein. Zusätzliche Möglichkeiten für eine solche Stabilisierung bieten Vernetzungsschritte mittels Beta- und Gammastrahlen. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können
Technologien (wie z.B. Ätztechniken aus litographischen Prozessen) eingesetzt werden, um mehr oder weniger gezielte
Struktureigenschaften zur Beeinflussung der Oberflächenrauhigkeit herbei zuführen. Eine solche Strukturierungsmethode kann eine Beeinflussung der Oberflächenbenetzung mit sich bringen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann eine
Stabilisierung der Haftvermittlerschicht durch Spülen des mit einem Partikel destabilisierenden LSM erzwungen werden. Das Spülen bewirkt ein Kollabieren der Partikel und verstärkt damit die Wechselwirkung im Klemmkomplex Substrat-Partikel-Polymer.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die
verwendeten Partikel
etallpartikel/ etalllegierungspartikel/Metalloxidpartikel . Die
Partikel können dabei ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus den Gruppen 3 bis 16 und der Lanthanaide des Periodensystems der Elemente, deren Isotopen, Salzen, als auch Mischungen,
Legierungen, etc. davon aufweisen. Die Partikel können
verschiedenste Formen und strukturierte Oberflächen aufweisen. Um die nötigen Prozesse zur Darstellung eines gewünschten
Oberflächenmodifikationsystems und eine genügende Stabilität der Dispersion zu ermöglichen, bewegt sich die Dimensionen der verwendeten Partikel im Mikron- /Submikron- oder Nanometerbereich . Partikel dieser Größe lassen sich für Oberflächenpenetrierungs - /diffusionprozesse einsetzten und lassen sich leichter
dispergieren und durch Stabilisierungsreagenzien wie z.B. Polymere vor vorzeitiger Koagulation schützen. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können neben der elektrophoretischen Ablagerung (z.B. EPD) auch chemische in situ Ablagerung (z.B. in situ nano-particle deposition System (NPDS) , Kombinationen von Salzen reduzierbarer Metalle (z.B. Au, Ag oder Fe) und Reduktionsmitteln z. B. Poly- 8 -Hydroxyquinoline (Mahmoud et al 2009, Deraeve et al 2007) oder Brunox Epoxy mit
Polymerisationsstartern) zum Einsatz kommen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Partikel zumindest teilweise mit einem oder mehreren
kolloidstabilisierenden Polymeren beschichtet. So kann eine differenzierte Modifikation z.B. an den nicht beschichteten
Partikelabschnitten ermöglicht werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die
Partikel durch die verwendeten kolloidstabilisierenden Polymere eine Funktionalisierung auf. Diese Funktionalitäten können auch durch einen nachgeschalteten Reaktionsschritt erzeugt werden. Die Funktionalisierung ist notwendig um eine stabile und homogene Beschichtung mit Targetmolekülen darzustellen. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Dispersion der anorganischen Partikel mit organischen Partikeln, aus z.B. Isobutylcyanoacrylaten oder Gelatine, versetzt. Durch eine derartige FormulierungsZusammensetzung kann eine Co- Immobilisierung von Partikeln unterschiedlichster chemischer
Eigenschaften ermöglicht und verschiedenste funktionale Schichten kreiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das verwendete Polymer ein biokompatibles Polymer oder hydrogel-bildendes
Polymer. Dies ist insbesondere für die Anwendung im
biomedizinischen und biotechnologischen Bereich von Interesse. Beispielsweise können so hydrophile oder biologisch- funktionale Oberflächen auf Medizingeräten dargestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt nach ; der Beschichtung der Substratoberfläche mit den funktionalisierten Partikel eine Beladung mit Targetmolekülen, wobei die
Wechselwirkung zwischen Haftvermittlerschicht und Targetmolekül ionischer, komplexartiger, chelatischer Natur sein kann. Weitere Wechselwirkungen können auf interpenetrierenden Netzwerken (IPN) , Wasserstoffbrückenbindungen oder anderen elektrostatischen
Effekten beruhen. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine
Kombination von kollabierten Partikeln und Interpenetrierenden Netzwerken verwendet, wodurch die Stressanfälligkeit/Cracking der nachfolgend aufgebrachten Beschichtung mit Targetmolekülen verringert wird. Zusätzlich zu den Ladung-Ladung-Wechselwirkungen können interpenetrierende Netzwerke (IPN) zu einer höheren
Flexibilität an der Phasengrenze Haftvermittler/Targetmolekül führen. Zudem wirken die kollabierten Partikel als Zentren der Stressrelaxation und verringern dadurch die
Stressanfälligkeit/Cracking der nachfolgend aufgebrachten
Beschichtung mit Targetmolekülen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden zur
Ankopplung von Targetmolekülen so genannte ' Pfropf '-Reaktionen, wie beispielhaft in den Druckschriften US2010087343A1,
US2009123772A1 oder US6369168B1 beschrieben genutzt. Dadurch können an den Polymerwerkstoffen z.B. funktionale Schichten wie Gleitfilme erzeugt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die
beschichtete Substratoberfläche zur Funktionalisierung mit biologisch aktiven Molekülen wie z.B. Antikörpern und Nukleotiden verwendet. Weiterhin können antiseptische Monomere, wie z.B.
Isobutylcyanoacrylat , an der Oberfläche abreagiert werden. Durch weiterführende polymeranaloge Reaktionen können zusätzliche
Oberflächeneigenschaften dargestellt werden. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die
beschichtete Substratoberfläche zur Funktionalisierung mit organischen (Nano- ) partikeln verwendet. Werden z.B. wie die in der pharmazeutischen Industrie eingesetzten
Isobutylcyanoacrylatpartikel verwendeten, können durch deren große spezifische Oberfläche, antiseptische Beschichtungen bei einem erheblich reduziertem Materialverbrauch produziert werden. An der entstehenden Oberfläche können weiter Targetmoleküle abreagiert werden .
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die
beschichtete Substratoberfläche zur Funktionalisierung mit glukanähnlichen Oligomeren/Polymeren wie Zellulose, Stärke,
Heparin, Chitosan, Hyaluronsäure, etc verwendet. Derartige
Beschichtungen weisen einen hohen Grad an Biokompatibilität auf.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die
beschichtete Substratoberfläche zur Immobilisierung von
funktionalen Beschichtungen (z.B. nicht-reflektierend,
antifouling, Gleitfilm, etc) ; synthetischen/natürlichen
Targetmolekülen, Hydrogelpolymeren; Arzneistoffen; Peptiden;
antimikrobiellen Agentien; Lipiden; Polysacchariden; biologisch aktiven Molekülen wie Antikörper, Nukleotiden, Enzymen,
Signalpeptiden, Fluoreszenz/Phosphoreszenz-Farbstoffen,
Mineralstoffen, Nanopartikeln; Tonmineralen oder Aktivkohle z.B. zur Wasseraufbereitung; Clathraten; Cyclodextrin und anderen Supramolekülen, wie etwa zur Entgiftung oder Endotoxinbefreiung; elektrisch leitenden Metalloberflächen, photoelektrisch aktiven Oberflächen etc. verwendet. Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele eingehender erläutert werden. Es zeigen in:
Fig. 1 eine beispielhaf e Strategie zur Beschichtung von
Oberflächen mit metallischem Charakter mit Hilfe einer
nanopartikulären Metalldispersion zur Darstellung einer
Haftvermittlerschicht. Durch die Erzeugung ionischer Eigenschaften können in nachfolgenden Applikationsschritten (bio) -aktive
Substanzen durch ionische Wechselwirkung immobilisiert werden. Fig. 2 eine beispielhafte Strategie zur Beschichtung von
Metalloberflächen mit Hilfe einer nanopartikulären
Metalldispersion zur Darstellung einer ionisch geladenen
Haftvermittlerschicht, wobei durch nachfolgende
Applikationsschritte (bio) -aktive Substanzen durch ionische
Wechselwirkung immobilisiert werden.
Ausführungsbeispiel 1 :
Das zu beschichtende Substrat wird in eine stabilisierte
Dispersion von Metallpartikeln getaucht. Die Temperatur der
Dispersion kann Raumtemperatur betragen. Die Dispersion kann aber auch erhitzt werden. Die Reaktionszeit kann im Zeitraum von 180 min variieren. Wie in Fig. 1 gezeigt, adsorbieren bei eben beschriebener Vorgehensweise kolloidale polymerstabilisierte Metallpartikel (Fig. 1, 104) an die Metallsubstratoberfläche (Fig. 1, 100) . Durch Aggregation und Kollabieren (Fig. 1, Schritt 101) der Metallstrukturen resultiert eine zusätzliche Metallschicht mit durch Klemmkomplexe immobilisierten Polymerketten (Fig. 1, 105) . Dieser Schritt resultiert in eine als Haftvermittler fungierende Beschichtung, welche als Basis für weitere funktionelle
Beschichtungen dient. Nach der Entnahme des Substrates aus der Dispersion und vor der Verankerung verschiedener Targetmoleküle auf dem modifizierten Substrat, wird mit einem geeigneten Lösungsmittel gewaschen. Wie in Fig. 1, Schritt 102 dargestellt, wird eine Modifizierung der Haftvermittlerschicht durchgeführt. Ist die
Metallpartikeldispersion mit einem amidischen Polymer wie z.B. Polyvinylpyrrolidon, Polyacrylamid stabilisiert, so können im alkalischem Medium durch Hydrolyse Amino- oder
Carboxylatfunktionen (Fig. 1, 106) erzeugt werden. Durch pH Variation kann auch die Ladung der Oberfläche geändert werden. Letztendlich können entgegengesetzt geladene Targetmoleküle immobilisiert werden (Fig. 1, Schritt 103). Anschließend erfolgt die Trocknung der aufgebrachten Beschichtung (Fig. 1, 107) . Ausführungsbeispiel 2:
Das zu beschichtende Substrat wird in eine stabilisierte
Dispersion von Metallpartikeln getaucht. Die Temperatur der
Dispersion kann Raumtemperatur betragen. Die Dispersion kann aber auch erhitzt werden. Die Reaktionszeit kann im Zeitraum von 180 min variieren. Wie in Fig. 2 dargestellt, adsorbieren bei eben beschriebener Vorgehensweise ionisch geladene kolloidale
polymerstabilisierte Metallpartikel (Fig. 2, 203) an die
Metallsubstratoberfläche (Fig. 2, 200). Durch Aggregation und Kollabieren (Fig. 2, Schritt 201) der Metallstrukturen resultiert eine zusätzliche Metallschicht mit durch Klemmkomplexe
immobilisierten Polymerketten (Fig. 2, 204) . Dieser Schritt resultiert in eine als Haftvermittler fungierende ionisch geladene Beschichtung, welche als Basis für weitere funktionelle
Beschichtungen dient . Nach der Entnahme des Substrates aus der Dispersion und vor der Verankerung verschiedener Targetmoleküle auf dem modifizierten Substrat, wird mit einem geeigneten Lösungsmittel gewaschen. Ist die Metallpartikeldispersion mit einem Polymer wie z.B.
Polyacrylsäure (PAA) - stabilisiert, so können im genügend
alkalischem Medium negativ geladene Funktionen wie
Carboxylatfunktionen erzeugt und geladene Targetmoleküle
immobilisiert werden (Fig. 2, Schritt 202). Anschließend erfolgt die Trocknung der aufgebrachten Beschichtung (Fig. 2, 205) .
In einem weiteren Ausführungsbeispiel stellen die
erfindungsgemäßen Oberflächenmodifizierungen die Möglichkeit der Einbindung von Arzneistoffssystemen oder Kopplung spezifischer Liganden dar. Auf diesem Weg lassen sich biokompatible Oberflächen kreieren .
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem für therapeutische und analytische Anwendungen verwendet. Dabei erfolgt eine Immobilisierung von hydrophilen/gleitfähigen/antimikrobiellen/abriebfesten/hitze- beständigen/korrosionsstabilen/bruchstabilen und/oder anderer funktionaler Beschichtungen. Die Immobilisierung kann dem Ziel der Veränderung der physikalischen Eigenschaften des Trägermaterials, wie beispielsweise die Wasserdichtheit, mechanische Festigkeit, Chemikalienbeständigkeit, Lichtechtheit, Abriebfestigkeit, Gas- und Feuchtigkeitsdurchlässigkeit, Design, Aussehen, Haptik,
Oberflächengestaltung und Volumengebung folgen. Die Methode eignet sich daher auch zur Lösung technischer Probleme durch biologisch inspirierte Lösungen (Bionik) . In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem zur Dekoration der
Substratoberfläche mit Ladungsträgern wie ionischer Biomoleküle (z.B. Glycosaminoglycane) verwendet. So können biokompatible oder antifouling Oberflächen erzeugt werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem zur Funktionalisierung der
Substratoberfläche mit biologisch aktiven Molekülen wie z.B.
Antikörpern und Nukleotiden verwendet. Dies ist insbesondere in der analytischen Medizintechnik von Interesse. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem zur Funktionalisierung der
Substratoberfläche mit Fluoreszenz/Phophoreszenz-Molekülen für Fluoreszenz-/Phophoreszenz-bestimmungssysteme verwendet .
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem für magnetische Partikel für medizinische imaging-Systeme zur Untersuchung auf malignantes Gewebe verwendet .
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem zur Immobilisierung von Lipid- Membranvisikeln (Liposomen) oder Polymersomen als
biokompatile/bioabbaubare Wirkstoffträger oder biologische Membran auf der Substratoberfläche verwendet .
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem zur Immobilisierung von
Tensidoligomeren zusammen mit Lecithin, zur Solubilisierung von Cholesterol auf der Substratoberfläche verwendet. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem zum Aufbringen eines drug-release coatings auf der Substratoberfläche mit einer definierten
Freisetzungsgeschwindigkeit verwendet . In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem zur Immobilisierung von
superparamagnetische Eisenoxid-Partikel zur Metastasen- Eliminierung auf der Substratoberfläche verwendet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem zur Dekoration von Wasserleitungen mit antimikrobiellen Agentien für den Einsatz im Außenbereich zur Desinfektion von Wasser verwendet. Im Vergleich zum Stand der Technik, z.B. Auflösung von Ag-Salz Tabletten im zu trinkenden Wasser, wird so eine erhebliche Vereinfachung der
Wasseraufbereitung erreicht.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem zur Darstellung von
Metall/Polymer-Systemen mit defininierten Strukturen durch laserchemische Behandlung von immobilisierten Metallchelaten verwendet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem zum Einbetten von Tonmineralen oder Aktivkohle zur Wasseraufbereitung (Entgiftung) verwendet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem zur weiteren industriellen
Lackierung oder dekorativen Gestaltung verwendet. Hierzu können neuartige oder konventionelle Anstrichsysteme in Betracht kommen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem zum Einbetten von
Brennstoffzellen-Komponenten verwendet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem zum Einbetten von funktionalen (Nano) partikeln (magnetisch, light emitting, etc.); solid-state Hosts (z.B. Polyurethan/Silica ORMOSILs) zur Einlagerung von LASER-Farbstoffen, etc. verwendet. Die Einarbeitung von Redox-befähigten Systemen (z.B. Eisen- Partikel) kann zu Redoxpolymerisation an der Oberfläche befähigen. Die Stabilisierung der Eisenoxid-Partikel wird bisher durch eine Beschichtung mit Polymeren wie Dextran (Ferridex®) , Carboxydextran (Resovist®) , Albumin und Stärke oder eine liposomale Umhüllung erreicht. Diese stellen eine Möglichkeit zur Ausbildung von
Wechselwirkungen wie z.B. interpenetrierende Netzwerke (IPN) mit einem potentiellem Beschichtungssystem dar.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem als Gleitmittelersatz in
Kugellagern verwendet .
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem zur Beschichtung von
Kompositwerkstoffen mit einer hinreichenden Leitfähigkeit, wie beispielsweise rußverstärkte Polymersubstrate, kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) , kurzfaserverstärkte Metalle, sog. Metall Matrix Composites (MMC) verwendet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem zur Beschichtung von analytischen Gerätschaften wie z.B. Chromatographiesäulen verwendet. Hierdurch können neuartige Füllsysteme kreiert werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem zur Haftvermittlung zwischen
Bauteilen gleicher oder unterschiedlicher Stoff-/Oberflächen- eigenschaften eingesetzt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem zur Beschichtung von Werkstoffen verwendet, welche ähnlich dem Moniereisen in Betonkonstruktionen eingesetzt werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem zur Beschichtung von Werkstoffen verwendet, welche in der Bewährung von Plastikwerkstoffen (z.B. Metallstreifen in Naturkautschuk) eingesetzt werden
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem zur Herstellung von Carbid- /Nitrid- oder ähnlichen abriebfesten/oxidations- stabilen/schützenden Schichten (wie der Zeit z.B. durch
physikalischen Dampfphasenablagerung dargestellt) eingesetzt.
Hierbei kann das stabilisierende Polymer durch (Teil- ) Zersetzung z.B. als Kohlenstoff-/Stickstoff- oder anderer Elementarquelle dienen. Festigkeitsverstärkende Stoffe könne aber auch durch zusätzliche Additive erhalten werden, so etwa nach der in der Druckschrift DE102004014076B3 beschriebenen Art.. Weiterhin kann die Polymerphase als eine Zwischenschicht zur Stressabsorption verwendet werden. Die abriebfesten Systeme können z.B. an
metallischen Schneidewerkzeugen eingesetzt werden, welche nach der entsprechenden Behandlung keramikähnliche Eigenschaften an der Oberfläche aufweisen. Abriebfeste Schichten sind auch in Hinblick auf Rechnerlaufwerke interessant. Eine immer weiter steigende Datendichte auf Festplatten erfordert eine bessere Auflösung und bessere mechanische Stabilität der Oberflächen. Abrasionsstabile Oberflächen sind daher von hohem Interesse, um Laufwerkschäden zu vermeiden .
In einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem in Kombination mit stimuli- responsive Adhäsionvermittlern (mit Stimuli wie z.B. Temperatur, elektromagnetische Strahlung, etc) für so genannte 'on-demand' Haftungen eingesetzt. Solche können z.B. als Klebeverbindungen an einer Autokarosse die Schweißstellen etc ersetzen und so den recycle-Vorgang erleichtern. Als stimuli-responsive
Adhäsionvermittlern sollen hier beispielsweise Heissschmelzkleber wie Polyamide and Micropearl F30 genannt werden. Reagieren z.B. an der Substratoberfläche aggregierte Siblerpartikel mit einem
Komplexbildner wie z.B. Kochsalzlösung oder schwefelhaltigen Verbindungen, so kann das erfindungsgemäße
Oberflächenmodifizierungssystem selbst als stimuli-responsive Adhäsionvermittlern wirken. Auf diesem Weg lässt sich die
Haftstärke und damit die Haftvermittlung beeinflussen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem zur Beschichtung von
Halbleiteroberflächen (wie z.B. Siliziumwaferoberflächen)
verwendet. So kann beispielsweise durch die Plasmonresonanz von immobilisierten Metallnanopartikeln eine Erhöhung des
Wirkungsgrades der Solarzellen erreicht werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem zur Herstellung von Schaltkreisen verwendet. Definierte Strukturen mit geringem Raumbedarf können durch den Einsatz von (laser) -optischen Methoden,
Elektronenbeschuß, Ionenbeschuß oder anderen Ätzmethoden
realisiert werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem in zahntechnischen oder
orthopädischen Anwendungen zum Einsatz gebracht. Durch eine
Beschichtung von z.B. Titanbauteilen, kann somit eine verbesserte Kompatibilität zum Körpergewebe erreicht werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem in elektrischen Anwendungen zum Einsatz gebracht. Eine stark haftende, elastische, homogene und defektfreie Isolation kann beispielsweise durch die Beschichtung mit Papierfasern erreicht werden. Ähnliche Anwendungen sind für Kondensatoren oder Transformatoren denkbar.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem für die homogene Beschichtung von Metallschaum verwendet. Bioresorbierbare Komponenten aus
eisenhaltigen Metallschäumen, sind für osteochirurgische Anwendung sehr interessant. Die Integration dieser Komponenten wird durch pre-immobilisierte Apatite verstärkt. Jedoch sind auf Grund unterschiedlicher Materialeigenschaften zwischen Metall und
Mineralstoff solche Systeme mechanisch und thermisch instabil. Das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem kann solche Systeme stabilisieren, in dem es auftretende Scherkräfte durch die Kombination Oberflächenrauhigkeit und Polymerkettenmobilität kompensiert . In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem für die Fertigung von
Schutzüberzügen auf z.B. Stählen verwendet. Durch Sinterung von immobilisierten pulvergefüllten Pasten können z.B. Aluminid- Schutzüberzüge hergestellt werden, welche den
Heißluftkorrosionswiderstand in z.B. Automobilkatalysatoren erhöhen .
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem mit Wasserglas, wie z.B. in DE4040153A1 beschrieben, beschichtet. Dadurch können wasser- und feuerstabile Oberflächen erzeugt werden, welche durch die stressabsorbierende Wirkung der partikelschützenden Polymere bruchstabilisiert werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem zur Darstellung von analytischen Oberflächen eingesetzt. Mögliche Anwendung sind in der Screening- Analytik wie z.B. SPR Spektroskopie zu finden. Durch die mittels des Klemmmechanismus immobilisierten Polymere können völlig neuartige Oberflächenfunktionalitäten dargestellt werden, was einer größeren Anwendungsbreite entspricht .
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierungssystem für die Diamantbeschichtung verwendet und so abrasionstabile, korrosionstabile Schichten mit gleitfähigen Oberflächen kombiniert.
Bezuqszeichenliste
100 metallisches Substrat
101 Reaktion zwischen polymergeschützten Partikeln und Substratoberfläche
102 Derivatiesierung der Oberflächenmodifizierung zur
Erzeugung von ionischen Ladungen
103 Beschichtung mit Targetmolekülen
104 kolloidale polymerstabilisierte Metallpartikel
105 Metallschicht mit immobilisierten Polymerketten
(Klemmkomplexe)
106 ionisch geladene Haftvermittlerschicht
107 funktionale Beschichtung
200 metallisches Substrat
201 Reaktion zwischen polymergeschützten gelandenen
Partikeln und Substratoberfläche
202 Beschichtung mit Targetmolekülen
203 ionisch geladene, kolloidale polymerstabilisierte
Metallpartikel
204 Metallschicht mit immobilisierten Polymerketten
(Klemmkomplexe)
205 funktionale Beschichtung

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Beschichtung einer Substratoberfläche mittels Partikeln umfassend die folgenden Schritte:
Dispergieren der Partikel in einem Lösungsmittel,
Stabilisierung der kolloidalen Partikel mit einem Polymer oder mehreren Polymeren und/oder zusätzlichen
Additiven/Tensiden
Benetzung der zu beschichtenden metallischen Oberfläche mit der stabilisierten Partikellösung, wobei eine Fixierung der Polymerketten in den Zwischenräumen zwischen
Metalloberfläche und Partikel durch einen Klemmmechanismus erfolgt und eine Substrat -Partikelbindung durch Diffusions- /Penetrierungsvorgänge ausgebildet wird, wobei sich durch Kollabieren und Aggregieren des kolloidalen Systems eine stabile Partikelschicht auf der Substratoberfläche
ausbildet,
Entfernen der nicht gebundenen Partikel nach Beendigung des Beschichtungsvorganges durch Waschen mit einem
Lösungsmittel,
Generation von ionischen Ladungen an der beschichteten
Metalloberfläche und abschließende Trocknung der beschichteten Metalloberfläche.
Verfahren nach Anspruch 1> dadurch gekennzeichnet, dass eine Stabilisierung der Haftvermittlerschicht durch Initiierung von Vernetzungsschritten erfolgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Partikel
Metallpartikel/Metalllegierungspartikel/Metalloxidpartikel und ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus den Gruppen 3 bis 16 und der Lanthanaide des Periodensystems der Elemente, deren Isotopen, Salzen, als auch Mischungen, Legierungen, etc. davon aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel verschiedenste Formen und strukturierte Oberflächen aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel eine Dimensionen im Mikron- /Submikron- oder Nanometerbereich aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Ablagerungsstrategien, wie elektrophoretischen Ablagerung und chemische in situ
Ablagerung in Kombination und separat eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel durch die verwendeten kolloidstabilisierenden Polymere/Additive/Tenside eine
Funktionalisierung aufweisen.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Dispersionen verwendet werden, die polymerstabilisierte Partikel und/oder eine oder mehrere Oligomer-/Polymerkomponenten und/oder weitere Additive/Tenside aufweisen, welche systemstabilisierende Vernetzungsreaktionen ermöglichen.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur zusätzlichen Stabilisierung der modifizierten Oberflächen weitere Vernetzungsreaktionen durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Polymer ein
dispersionsstabilisierendes z.B. biokompatibles Polymer oder hydrogel -bildendes Polymer ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am dispersionsstabilisierenden Polymer durch einen Reaktionsschritt ionische Ladungen erzeugt werden wobei durch pH Variation die ionische Ladung der modifizierten Oberfläche verändert wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Beschichtung der
Metalloberfläche mit den funktionalisierten Partikel eine Beladung mit Targetmolekülen erfolgt, wobei die Wechselwirkung zwischen Haftvermittlerschicht und Targetmolekül auf
stereokomplex-artigen, elektrostatischen Effekten oder
Wasserstoffbrückenbindungen basier .
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kombination von kollabierten
Partikeln und Interpenetrierenden Netzwerken verwendet wird, wodurch die Stressanfälligkeit der nachfolgend aufgebrachten Beschichtung mit Targetmolekülen verringert wird.
14. Beschichtete Substratoberfläche hergestellt nach einem
Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 13.
15. Verwendung einer beschichteten Metalloberfläche gemäß Anspruch 14 zur Immobilisierung von funktionellen Beschichtungen, wie etwa nicht-reflektierend, antifouling, Schmierfilm, etc;
synthetischen/natürlichen Targetmolekülen, Hydrogelpolymeren; Arzneistoffen; Peptiden; antimikrobiellen Agentien; Lipiden; Polysacchariden; biologisch aktiven Molekülen wie Antikörper, Nukleotiden, Enzymen, Signalpeptiden,
Fluoreszenz/Phosphoreszenz-Färbstoffen, MineralStoffen,
Nanopartikeln; Tonmineralen oder Aktivkohle etwa zur
Wasseraufbereitung; Clathraten; Cyclodextrtin und anderen . Supramolekülen, wie etwa zur Entgiftung oder
Endotoxinbefreiung; Isolationsoberflächen, photoelektrisch aktiven Oberflächen, biomimetischen Oberflächen etc.
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