DE10162435A1 - Verfahren zur Erzeugung von Oberflächenbeschichtungen, die die Adsorption von Proteinen bzw. die Adhäsion von Bakterien und/oder Zellen vermindern - Google Patents
Verfahren zur Erzeugung von Oberflächenbeschichtungen, die die Adsorption von Proteinen bzw. die Adhäsion von Bakterien und/oder Zellen vermindernInfo
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Abstract
Bei Verfahren zur Erzeugung von Oberflächenbeschichtungen, die die Adsorption von Proteinen bzw. die Adhäsion von Bakterien und/oder Zellen vermindert, wobei zumindest Teile des Gegenstandes mit einer funktionalisierten Polymerschicht versehen sind, wird vorgeschlagen, dass zur Herstellung der Polymerschicht aus den Ausgangsverbindungen der allgemeinen Struktur (1) bei Temperaturen zwischen 500 und 1000 DEG C und reduzierten Drücken kleiner 500 Pa im Wesentlichen Monomere in der Gasphase zu erzeugen und diese anschließend durch Abkühlung bei reduzierter Temperatur zu polymerisieren, mit: DOLLAR F1 R¶n¶ (n = 1, 2, 3, 4): Wasserstoff, Alkylgruppen, Arylgruppen, Ether, Ethylenglycol, cyclischer Ether, Krohnenether, Primäre Amide, Sekundäre Amide, Ethylenglycol enthaltende Primäre Amide, Ethylenglycol enthaltene Sekundäre Amide, Urethane, Ethylenglycol enthaltene Urethane, Carbamate, Ethylenglycol enthaltene Carbamate, Lactam, Imine, Hydrazone, Ester, Ethylenglycol enthaltende Ester, Anhydride, Nitroverbindungen, Amine, Thiole, CH¶2¶OMe, CH¶2¶OCOCH¶3¶, CH¶2¶OCOCF¶3¶, COCF¶3¶, CH¶2¶OH, (CH¶2¶OH)¶2¶, Bromid, Iodid, Chlorid, Lacton, Nitril, Pentafluorphenolester, Triflat. DOLLAR A Die gesamte oder auch nur ein Teil dieser funktionalisierten Polymerschicht kann per se protein- und/oder zellabweisend sein oder in einem weiteren Schritt mit einer immobilisierenden Beschichtung versehen werden, d. h. mit einer Schicht immobilisierter Moleküle, die protein- und/oder zellabweisende Eigenschaften ...
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Oberflächenbeschichtungen, die die Adsorption von Proteinen bzw. die Adhäsion von Bakterien und/oder Zellen vermindern, wobei zumindest Teile der Substratoberfläche mit einer funktionalisierten Polymerschicht versehen sind.
- In EP 665340B1 wird die Oberflächenmodifizierung eines Polymergerätes durch Einwirkung harscher Chemikalien beschrieben. Die derart erzeugten funktionellen Gruppen werden zur Anbindung von weiteren Molekülen genutzt. Weiterhin ist eine Oberflächenmodifizierung der Polymeroberfläche durch Plasmabehandlung denkbar. EP 0519087 und DE-OS 42 16 878 beschreiben Verfahren zur Erzeugung einer fünktionalisierten Polymerschicht auf medizinischen Gegenständen. In der EP 0519087 wird darüber hinaus vorgeschlagen, derartige funktionalisierte Plasmaschichten zur Immobilisierung von Biomolekülen verwendet werden können. Die Plasmapolymerisation ist jedoch nur bedingt zum Aufbringen einer Zwischenschicht im Hinblick auf eine nachfolgende biologische Beschichtung geeignet. Die Reaktionen, die im Plasma ablaufen, sind sehr komplex und daher weder vollständig verstanden noch vorhersehbar. Neben der erwünschten Beschichtung mit dem Polymer kommt es zur Oxidation der Oberfläche und zur Vernetzung oder zum Abbau von Polymerketten. Das führt zu einer topologischen und chemischen Inhomogenität der Oberfläche. Weiterhin kommt es zu einer Zerstörung, Umbildung und unvorhersehbaren Neubildung von funktionellen Gruppen. Insgesamt kann dies unter anderem dazu führen, dass funktionelle Gruppen nur in begrenztem Umfang gebildet werden und damit für eine kovalente Immobilisierung von bioaktiven Substanzen zu wenig funktionelle Gruppen vorliegen können. Weiterhin kann die Plasmapolymerisation von einer Inkorporation von Monomeren begleitet sein, die häufig toxische Wirkung besitzen oder mit den zu trennenden Biomolekülen wechselwirken, was beim Einsatz derart erzeugter Polymere als gravierender Nachteil zu werten ist. Ein alternativer Ansatz basiert auf der Adsorption von selbst-organisierenden Monolagen (selfassembled monolayers, SAM), die häufig auf Substraten, wie Gold, Silber, Silizium oder Platin abgeschieden werden. Die Anwendungen von SAMs beinhalten Biosensoren, biologische Testverfahren oder elektronische Bauteile. SAM's wurden auch dazu verwendet Oberflächen zu erzeugen, die die Adhäsion von Proteinen oder Bakterien vermindern.
- Insbesondere die Anbindung von Polyethylenglycolen (PEG) findet breite Anwendung, um Protein- und oder Zelladhäsion zu unterbinden. Obwohl PEGs im Bereich der Biomaterialforschung intensive untersucht wurden, bleibt unklar, ob diese wirkliche die beste Gruppen im Hinblick auf Verminderung von Proteinadsorption, Bakterien- oder Zelladhäsion, Thrombozytenadhäsion oder anderer ungewollter Merkmale einer Bio-Inkompatibilität sind. PEGs haben als Polyether die Eigenschaft In Gegenwart von Sauerstoff und/oder Übergangsmetallen zu autooxidieren. In vivo wird die terminale Alkoholgruppe von dem Enzym Alkoholdehydrogenase zu Aldehyden umgewandelt, welche dann von dem Enzym Aldehyddehydrogenase weiteroxidiert werden. Insbesondere die Verwendung von SAMs mit kurzen Ethylenglycol-Einheiten (EG)n (n = 3-6) widerstehen der Protein- bzw. Bakterienadhäsion. Kürzlich wurde ein Ansatz beschrieben, bei dem dünne Polymerfilme kovalent an eine SAM aufgebracht wurde (Whitesides et al., Langmuir 2001). Diese Filme zeigten ebenfalls Protein- bzw. Bakterien-abweisende Eigenschaften. Die Oberflächen wurden wie folgt hergestellt: (i) Eine SAM bestehend aus Mercaptohexadekansäure wurde auf Gold abgeschieden, (ii) Die Säuregruppen wurden durch chemische Reaktion in Anhydridgruppen überführt, (iii) die Reaktion mit polymeren Aminen resultierte in einem dünnen Polymerfilm, (iv) die Aminogruppen wurden acyliert, um auf diese Weise Gruppen zu erzeugen, die Protein- bzw. Bakterienadhäsion vermindern. Alternativ wurden PEGs oder Polysaccharide mit Polyaminen umgesetzt und dann auf Polymeren adsorbiert. Polyurethane wurden ebenfalls intensive als Kathedermaterialien verwendet. Allen diesen Ansätzen zur Erzeugung von Oberflächen, die die Adsorption von Proteinen bzw. die Adhäsion von Bakterien und/oder Zellen vermindern, ist gemeinsam, dass sie umständlich in Mehrstufenschritten auf ein Substrat aufgebracht werden müssen und dass ihr Anwendung im Allgemeinen auf ein bestimmtes Substratmaterial, eine Substratmaterialklasse und/oder eine gegebenen (meist flache) Substratgeometrie beschränkt sind. Weiterhin können die oben beschriebenen Verfahren von einer Inkorporation von Reagenzien oder Lösungsmittelmolekülen begleitet sein, die häufig toxische Wirkung besitzen, was beim Einsatz derart erzeugter Polymere im biologischen System als gravierender Nachteil zu werten ist.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiter zu entwickeln, dass auf einfache Weise den gezielten Aufbau einer funktionalisierten Polymerschicht gestattet, die die Adsorption von Proteinen bzw. die Adhäsion von Bakterien und/oder Zellen vermindern.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass zur Herstellung der Polymerschicht aus den Ausgangsverbindungen der allgemeinen Struktur (1) bei Temperaturen zwischen 500 und 1000°C und reduzierten Drücken kleiner 500 Pa im wesentlichen Monomere in der Gasphase erzeugt und diese anschließend durch Abkühlung bei reduzierter Temperatur polymerisiert werden, mit:
Rn (n = 1, 2, 3, 4): Wasserstoff, Alkylgruppe, Arylgrupe, Ether, Ethylenglycol, cyclischer Ether, Krohnenether, Primäre Amide, Sekundäre Amide, Ethylenglycol enthaltente Primäre Amide, Ethylenglycol enthaltene sekundäre Amide, Urethane, Ethylenglycol enthaltene Urethane, Carbamate, Ethylenglycol enthaltene Carbamate, Lactam, Imine, Hydrazone, Ester, Ethylenglycol enthaltende Ester, Nitroverbindungen, Nitril. - Je nach den verwendeten Ausgangsverbindungen liegen die zur Herstellung der Monomere benötigten Temperaturen bzw. Drücke zwischen 400 und 1000°C und kleiner 500 Pa.
- Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Beschichtung von Substraten mit Protein- bzw. Zell-abweisenden Polymeren lässt sich im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren eine erhöhte Konzentration an Protein- bzw. Zell-abweisenden Gruppen in genau definiertem und einstellbarem Verhältnis auf der Oberfläche des gesamten Gerätes oder auch nur eines Abschnittes davon darstellen. Die Beschichtung erfolgt als Einschrittverfahren, eine weitere Modifizierung der Beschichtung ist nach diesem Merkmal der Erfindung nicht notwendig, da die Protein- bzw. Zell-abweisenden Gruppen im bereits im Monomeren eingebracht wurden und auf das Polymere übergehen.
- Weiterhin können gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung zur Herstellung der Polymerschicht aus den Ausgangsverbindungen der allgemeinen Struktur (1) bei Temperaturen zwischen 500 und 1000°C und reduzierten Drücken kleiner 500 Pa im wesentlichen Monomere in der Gasphase erzeugt und diese anschließend durch Abkühlung bei reduzierter Temperatur polymerisiert werden, mit:
Rn (n = 1, 2, 3, 4): Wasserstoff, Alkylgruppe, Arylgruppe, Anhydride, Amine, Thiole, CH2OMe, CH2OCOCH3, CH2OCOCF3, COCF3, CH2OH, (CH2OH)2, Bromid, Iodid, Chlorid, Lacton, Pentafluorphenolester, Triflat. aufgebracht werden. - Es hat sich gezeigt, dass sich aus Dimere der allgemeinen Struktur (1), die bei Temperaturen zwischen 400 und 900°C und Drücken kleiner 150 Pa zu Monomeren gespalten werden und anschließend bei Temperaturen kleiner 160°C polymerisiert werden, eine besonders wirksame funktionalisierte Polymeroberfläche erzeugt werden kann. An diese derart erzeugte Oberfläche lassen sich nunmehr direkt oder durch weitere Aktivierung Moleküle anbinden, die Protein- bzw. Zellabweisend sind. Die Beschichtung ist erfindungsgemäß auf Gegenstände unterschiedlicher Beschaffenheit anwendbar, wie z. B. Polymer, Keramik, Glas oder Metall. In diesem Fall müssen die Polymerbeschichtungen nicht unmittelbar Protein- und/oder Zellabweisend sein, besitzen jedoch funktionelle Gruppen, die mit Protein- und/oder Zellabweisenden Molekülen, wie z. B. PEG (unverzweigt, verzweigt oder dentitisch), EG, Polyamine (unverzweigt, verzweigt oder dentitisch), Amine (unverzweigt, verzweigt oder dentitisch), Oligoamine (unverzweigt, verzweigt oder dentitisch), Polysaccharide, Oligosaccharide, Saccharide, Proteinen, DNA, Metallen, Übergangsmettalen, Phosolipiden, Lipiden, Stereoiden, Antibiotika, Interleukinen, Prostagladinen, Polyurethanenen, Urethanen, Polyester, Ester, Polycarbonaten, Carbonaten, Krohnenethern, Ether, Polyether (unverzweigt, verzweigt oder dentitisch) etc. Regieren können.
- Erfindungsgemäß eignet sich das hier beschriebene Verfahren jedoch auch zur Anbindung von künstlichen oder natürlich vorkommenden Molekülen, die grundlegend die Oberflächeneigenschaften verändern oder die Gesamtoberfläche erhöhen. Geeignet sind zum Beispiel hydrophobe Materialien oder hydrophile Materialien wie Hydrogele. Insbesondere auch temperatursensitive Materialien wie Propylenoxid-Ethylenoxid Blockoligomere (Pluronic©), Peptidsequenzen oder Poly-N-isopropylakrylamide können über die funktionellen Gruppen an die Polymerbeschichtung gebunden werden.
- Außerdem besteht die Möglichkeit, zur immobilisierenden biologischen Beschichtung der funktionalisierten Polymerschicht Spacersysteme, wie z. B. Diisocyante, Dicarbonsäurechloride, Diole, Diamine oder Dicarbonsäuren oder deren Aktiveester zu verwenden. Unter einem Spacersystem ist dabei ein Molekül zu verstehen, das zu einer chemischen Verknüpfung zwischen der Polymeroberfläche und der bioaktiven Substanz geeignet ist. Die Anbindung der Spacer erfolgt über funktionelle Gruppen, z. B. Hydroxy-, Amino- oder Carboxylgruppen der Polymeroberfläche bzw. der bioaktiven Substanz. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass bei Wahl einer geeigneten Beschichtung, wie z. B. einer solchen, die Anhydridgruppen oder Pentafluorophenolgruppen enthält, keine weiteren Spacer benötigt werden.
- Da bei dem schonenden Beschichtungsverfahren Nebenreaktionen nur in untergeordnetem Maße stattfinden, gelingt es, eine homogene und wohl definierte Polymeroberfläche zu erzeugen. Des weiteren ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren in einfacher Weise durch Wahl geeigneter Monomere die gezielte Darstellung verschiedener funktioneller Gruppen nebeneinander. Dies erweist sich vor allem im Hinblick auf eine gleichzeitige Immobilisierung verschiedener bioaktiver Substanzen in Kombination mit einem Protein- und/oder Zell-abweisenden Hintergrund als vorteilhaft, da die unterschiedlichen funktionelle Gruppen selektiv zur Immobilisierung aktiviert werden können. Des weiteren ist das vorgeschlagene Verfahren dazu geeignet, bei zu beschichtenden Gegenständen, die aus verschiedenen Materialien bestehen, eine homogene Oberfläche zu schaffen.
- In einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, die Oberflächenbeschichtungen, die die Adsorption von Proteinen bzw. die Adhäsion von Bakterien und/oder Zellen vermindert, aus eine Kopolymeren aufzubauen, dass sowohl funktionelle Gruppen besitzt, die die Adsorption von Proteinen bzw. die Adhäsion von Bakterien und/oder Zellen vermindert (Mehrheit) als auch solche, die eine weitere funktionelle Gruppe tragen. Diese funktionelle Gruppe erlaubt die Anbindung von Biomolekülen, wie z. B. Liganden, Rezeptoren, Antikörper, Haptene, Lektine, Kohlenhydrate, DNA, RNA, künstliche Rezeptoren etc. ein. Eine Vielzahl von Möglichkeiten sind dem Fachmann bekannt und werden z. B. in WO 00/04390 beschrieben. Diese Ausgestaltung der Erfindung ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn das Substrat Bestandteil eines Testverfahrens für Biomoleküle sein soll. Dabei kommt ein wesentlicher synergistischer Vorteil zum Tragen: Die funktionellen Gruppen (Mehrheit der funktionellen Gruppen), die die Adsorption von Proteinen bzw. die Adhäsion von Bakterien und/oder Zellen vermindern, unterbinden ungewollte Wechselwirkungen des Analysates mit der Oberfläche, wie z. B. ungewollte Adsorption von Biomolekülen, während die verbleibenden funktionellen Gruppen (Minderheit der funktionellen Gruppen) zur Anbindung von Biomolekülen genutzt werden können und dann zur Analyse des Analysates, welches zu anlysierende Biomoleküle enthält, herangezogen werden können. Der Bindungsvorgang der immobilisierten bindenden Moleküle mit einer Biomolekülsorte der Analyselösung dient der Charakterisierung des Moleküls aus der Lösung. Daher sind nur solche bindenden Biomoleküle geeignet, die selektiv bestimmte Biomolekülsorten im Analysegemisch binden. Geeignete Bindungspaare können u. a. sein: Antikörper/Antigen, Antikörper/Hapten, Enzym/Substrat, Trägerprotein/Substrat, Lektin/Kohlenhydrat, Rezeptor/Hormon, Rezeptor/Cytokin, Protein/DNA, Protein/RNA, Peptid/DNA, Peptid/RNA, zwei DNA-Einzelstränge, DNA/RNA, wobei wahlweise einer der Partner des jeweiligen Paares als bindendes Biomolekül dient.
- Des weiteren kann die Funktionalisierung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Polymeroberfläche durch anschließende Plasmaätzung mit Gasplasmen, wie z. B. Sauerstoff-, Wasser-, Ammoniak-, Argon-, Schwefeldioxid-, Stickstoffplasma oder Mischungen davon, ergänzt bzw. weiter optimiert werden.
- Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird vorgeschlagen, zur Erzeugung der funktionalisierten Polymerschicht Monomere der Struktur (2) und/oder (3) mit den Monomeren aus den Ausgangsverbindungen der Struktur (1) co-zu-polymerisieren. Auch derartige Co-Polymere erweisen sich zur Immobilisierung von bioaktiven Substanzen geeignet. Sie liefern weiterhin die Möglichkeit, Topologie, Konsistenz und mechanische Eigenschaften der Oberfläche in einem breiten Rahmen zu variieren und den jeweiligen Anforderungen anzupassen.
Rn: Wasserstoffatome, Halogenatome, Alkylgruppen bzw. substituierte Alkylgruppen, Arylgruppen bzw. substituierte Arylgruppen, organische Reste oder Radikale, Gruppen der allgemeinen Struktur CO(O-M-A) (mit M: aliphatische oder aromatische Gruppen und A: z. B. Wasserstoff, Hydroxyl-, Amino-, Carboxylgruppen), metallierte Gruppen, Hydroxylgruppen, Aminogruppen, Carbonsäuregruppen, Säurehalogenidgruppen, Estergruppen, Ethergruppen, Isocyanatgruppen, schwefelhaltige Gruppen (z. B. Sulfonsäure-, Thioether-, Schwefelsäuregruppen), stickstoffhaltige Gruppen (z. B. Nitril-, Amid-, Nitro-, Nitrosamingruppen), phosphorhaltige Gruppen (z. B. Phosphorsäureester-, Phosphonatgruppen), siliziumhaltige Gruppen (z. B. Silyl-, Silyloxygruppen) - Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann es sich zudem als vorteilhaft erweisen, durch Plasmabehandlung mit Gasplasmen, wie z. B. Kohlenwasserstoff-, Schwefeldioxid-, Sauerstoff-, Wasser-, Ammoniak-, Argon-, Stickstoffplasma oder Mischungen davon, eine Voraktivierung der Oberfläche der zu behandelnden medizinischen Gegenstände durchzuführen. Auf diese Weise lässt sich die Haftung der funktionalisierten Polymerschicht auf dem zu behandelnden Gegenstand verbessern.
- Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann es vorteilhaft sein, nur bestimmte Bereiche der Substratoberfläche mit einen Protein- und/oder Zell-abweisenden Beschichtung zu versehen. In einer Ausführung der Erfindung kann Poly(para-xylylenpentafluorophenolester- co-para-xylylen) als Beschichtung verwendet werden. Die Beschichtung ist grundsätzlich für alle Substrate anwendbar, die im Vakuum stabil sind. Der Einfachheit halber schlagen wir den Begriff "reaktive Polymerbeschichtung" für dieses Polymere vor. Durch die reaktive Polymerbeschichtung wird das Substrat mit Aktivestergruppen ausgerüstet, die zur direkten Anbindung von Aminogruppen tragenden Liganden befähigen. Als Anwendungsbeispiel diente das Mikrokontakdrucken (µKD) eines Ethylenglycols. Eine Bewertung des Mikrostrukturierungsverfahrens erfolgte durch die räumlich strukturierte Selbstorganisation von Fluoreszein-markiertem Streptavidin.
- [2.2]Paracyclophan-4-pentafluorophenolester wurde durch dreistufige Synthese ausgehend vom [2.2]Paracyclophan dargestellt. Friedel-Crafts-Acylierung von [2.2]Paracyclophan mit 4 Trifluoressigsäureanhydrid und einem Überschuss an AlCl3 ergab 4- Trifluoracetyl[2.2]paracyclophan in Ausbeuten von 92%. Dessen Hydrolyse zu 4- Carboxy[2.2]paracyclophan (Ausbeute: 93%) und dessen anschließende Umsetzung mit Pentafluorphenoltrifluoracetat führte zum Endprodukt.
- Ein dünner Film des Polymeren wurde auf dem Substrat durch CVD-Polymerisation abgeschieden. Dabei wurde hochreines [2.2]Paracyclophan-4-pentafluorophenolester bei einem Druck von 0.2 mbar und Temperaturen zwischen 120 and 130°C sublimiert. Dieses wurde anschließend in die Pyrolysekammer überführt, die auf eine Temperatur von 600°C erhitzt worden war, um die Spaltung der C-C-Brücken, gleichbedeutend mit der Bildung der entsprechenden Chinodimethane, zu gewährleisten. Im letzten Schritt wurden die Monomere auf dem Substrat bei Temperaturen um 45°C adsorbiert, was zu ihrer spontanen Polymerisation führte. Durch die CVD-Polymerisation von [2.2]Paracyclophan-4-pentafluorophenolester wurden transparente und topologisch gleichmäßige Polymerfilme mit Schichtdicken zwischen 90 and 600 nm hergestellt. Die Schichtdicke wird im Wesentlichen durch die Einwaage [2.2]Paracyclophan-4-pentafluorophenolester bestimmt, die für die Polymerisation verwendet wurde. Die Schichtdicke eines Polymerfilms, der durch die Abscheidung von 30 mg [2.2]Paracyclophan-4-pentafluorophenolester dargestellt wurde, wurde durch spektroskopische Ellipsometrie (SE) auf 190.0(±5.8) nm bestimmt. Die Rasterkraftmikroskopie wurde zur Untersuchung der Oberflächentopologie verwendet: Die standardisierte Rauhigkeit für einen 1 µm2 großen Ausschnitt war 0.4 nm. In einer trockenen Luftatmosphäre erwies sich die reaktive Beschichtung als chemisch stabil. Proben, die mehrere Wochen in einer trockenen Atmosphäre gelagert wurden, zeigten im Vergleich zum Ausgangszustand keine signifikanten Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung. Die Elementzusammensetzung der Reaktiven Beschichtung wurde mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) bestimmt und war in guter Übereinstimmung mit der theoretisch erwarteten Zusammensetzung. Eine Zersetzung der Pentafluorophenolestergruppe war vernachlässigbar, sofern die Pyrolysetemperatur unter 600°C und der Arbeitsdruck zwischen 0.1 and 0.2 mbar gewählt wurden. Bei höheren Pyrolysetemperaturen wurde jedoch mittels XPS ein signifikanter Verlust an Fluor infolge der Zersetzung der Pentafluorphenolestergruppe gefunden. Das IR- Spektrum der reaktiven Beschichtung zeigte bei einer Wellenlänge von 1762 cm-1 die für die Estergruppe charakteristische Carbonylbande. Weiterhin wurde die Intaktheit der Estergruppe durch die charakteristischen Banden der C-F-Deformationsschwingungen bei Wellenlängen zwischen 997 und 1036 cm-1 und durch die Banden der symmetrischen und asymmetrischen C-O-C-Deformationsschwingungen bei Wellenlängen von 1176 und 1246 cm-1 bestätigt. Die reaktive Beschichtung zeigte sehr gute Adhäsion auf unterschiedlichen Materialien, wie z. B. Polydimethylsiloxan (PDMS), Polytetrafluorethylen, Polycarbonat, Chromnitrid, Gold und Silizium. In Übereinstimmung damit zeigte die reaktive Beschichtung sehr gute Haftung nach sechsstündiger Soxhlet-Extraktion in Aceton. Die Haftung der reaktiven Beschichtung auf dem Goldsubstrat wurde mit Hilfe eines 1 cm2 großen selbsthaftenden Klebebandes untersucht, das vorsichtig gegen die Polymeroberfläche gepresst wurde. Nachdem das Klebeband entfernt worden war, wurde der verbleibende Polymerfilm durch optische Mikroskopie und Infrarotspektroskopie bewertet. Er war mechanisch und chemisch intakt.
- 2-(Aminoethoxy)ethanol wurde als protein- und/oder Zell-abweisendes Molekül verwendet, um durch µKD verschiedene Strukturen auf mit der Reaktiven Beschichtung beschichteten Goldsubstraten zu erzeugen. Zur Verifizierung der Mikrostrukturen wurde Fluoreszeinmarkiertes Streptavidin verwendet. Eine mikroskopisch große Druckvorlage wurde aus PDMS durch Reproduktion eines photolithographisch modifizierten Siliziumwafers gefertigt. Die PDMS-Druckvorlage wurde unmittelbar vor Gebrauch in einem Sauerstoffplasma oxidiert. 2- (Aminoethoxy)ethanol wurde mit Hilfe der PDMS-Druckvorlage bei einer Kontaktdauer von 60 s auf die mit der Reaktiven Beschichtung beschichtete Substratoberfläche gedruckt. Verbleibende funktionell Gruppen wurden mit Wasser umgesetzt um die unbedruckten Bereiche der Oberfläche zu passivieren. Das Design von Mikrostrukturen auf der Substratoberfläche, die alternierend adhäsionsfördernden oder adhäsionsbehindernden Charakter besitzen, sollte zu einer räumlich kontrollierten Selbstorganisation von Streptavidin führen. Daher wurden strukturierte Substrate in einer Lösung von Fluoreszein-markiertem Streptavidin in PBS-Puffer (pH = 7.4) inkubiert, der 0.1% (w/v) bovines Serumalbumin und 0.02% (v/v) Tween 20 enthielt. Die mikrostrukturierten Oberflächen wurden mittels Fluoreszenzmikroskopie bewertet. Die Adsorption des Fluoreszein-markierte Streptavidin erfolgte ausschließlich auf Bereichen, die zuvor nicht mit 2-(Aminoethoxy)ethanol beschichtet wurden. Ein scharfer Kontrast zwischen beschichteten und unbeschichteten Bereichen ist zu erkennen.
- Ein neuartiges und im Prinzip substratunabhängiges Verfahren zur Erzeugung von strukturierten Mikroumgebungen wurde entwickelt. Die resultierenden Oberflächen haben potentielle Anwendungen in biomedizinischen Bereichen, wie z. B. dem künstlichen Gewebeersatz, der Wirkstoffentwicklung oder der molekularen Diagnostik.
Claims (19)
1. Verfahren zur Erzeugung von Oberflächenbeschichtungen, die die Adsorption von
Proteinen bzw. die Adhäsion von Bakterien und/oder Zellen vermindern, wobei zumindest
Teile des Substrates mit einer Polymerschicht versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass
zur Herstellung der Polymerschicht aus den Ausgangsverbindungen der allgemeinen Struktur
(1) bei Temperaturen zwischen 500 und 1000°C und reduzierten Drücken kleiner 500 Pa im
wesentlichen Monomere in der Gasphase erzeugt und diese anschließend durch Abkühlung
bei reduzierter Temperatur polymerisiert werden, mit:
Rn (n = 1, 2, 3, 4): Wasserstoff, Alkylgruppen, Arylgruppen, Ether, Ethylenglycol, cyclischer Ether, Krohnenether, Primäre Amide, Sekundäre Amide, Ethylenglycol enthaltente Primäre Amide, Ethylenglycol enthaltene sekundäre Amide, Urethane, Ethylenglycol enthaltene Urethane, Carbamate, Ethylenglycol enthaltene Carbamate, Lactam, Imine, Hydrazone, Ester, Ethylenglycol enthaltende Ester, Anhydride, Nitroverbindungen, Amine, Thiole, CH2OMe, CH2OCOCH3, CH2OCOCF3, COCF3, CH2OH, (CH2OH)2, Bromid, Iodid, Chlorid, Lacton, Nitril, Pentafluorphenolester, Triflat.
Rn (n = 1, 2, 3, 4): Wasserstoff, Alkylgruppen, Arylgruppen, Ether, Ethylenglycol, cyclischer Ether, Krohnenether, Primäre Amide, Sekundäre Amide, Ethylenglycol enthaltente Primäre Amide, Ethylenglycol enthaltene sekundäre Amide, Urethane, Ethylenglycol enthaltene Urethane, Carbamate, Ethylenglycol enthaltene Carbamate, Lactam, Imine, Hydrazone, Ester, Ethylenglycol enthaltende Ester, Anhydride, Nitroverbindungen, Amine, Thiole, CH2OMe, CH2OCOCH3, CH2OCOCF3, COCF3, CH2OH, (CH2OH)2, Bromid, Iodid, Chlorid, Lacton, Nitril, Pentafluorphenolester, Triflat.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Dimere der Struktur (1) bei
Temperaturen zwischen 600 und 900°C und Drücken kleiner 100 Pa zu Monomeren
gespalten werden, und die anschließende Polymerisation bei Temperaturen kleiner 150°C
durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur weiteren
Oberflächenbeschichtungen, die die Adsorption von Proteinen bzw. die Adhäsion von
Bakterien und/oder Zellen vermindern Spacersysteme vorgesehen werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Oberflächenbeschichtungen, die die Adsorption von Proteinen bzw. die Adhäsion von
Bakterien und/oder Zellen vermindern, derart erfolgt, dass zunächst eine
funktionalisierende Beschichtung aufgebracht wird und anschließend die funktionellen
Gruppen zur Anbindung Molekülen genutzt wird, die die Adsorption von Proteinen bzw.
die Adhäsion von Bakterien und/oder Zellen vermindern.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtungen,
die die Adsorption von Proteinen bzw. die Adhäsion von Bakterien und/oder Zellen
vermindern, aus Polymeren bestehen, die sowohl funktionelle Gruppen enthalten, die die
Adsorption von Proteinen bzw. die Adhäsion von Bakterien und/oder Zellen vermindern,
und aus funktionellen Gruppen bestehen, die die Anbindung von Biomolekülen erlauben.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionelle Gruppen, die
die Adsorption von Proteinen bzw. die Adhäsion von Bakterien und/oder Zellen
vermindern, in der Mehrheit vorliegen und die funktionellen Gruppen, die die Anbindung
von Biomolekülen erlauben, in der Minderheit vorliegen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionelle Gruppen, die
die Adsorption von Proteinen bzw. die Adhäsion von Bakterien und/oder Zellen
vermindern zu über 90% vorliegen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein
Teil der funktionellen Gruppen der funktionalisierenden Polymerschicht zur Anbindung
von Molekülen genutzt wird, die die Oberflächenbenetzbarkeit und/oder die aktive
exponierte Fläche verändert.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionellen Gruppen zur
Anbindung hydrophober Moleküle erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionellen Gruppen zur
Anbindung hydrophiler Moleküle wie Hydrogele erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionellen Gruppen zur
Anbindung temperatursensitiver Moleküle erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte
Polymerschicht vor der Beschichtung, die die Adsorption von Proteinen bzw. die Adhäsion
von Bakterien und/oder Zellen vermindert, einer zusätzlichen Plasmabehandlung zur
Erzeugung weiterer funktioneller Gruppen unterzogen wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte
Polymerschicht vor der Beschichtung, die die Adsorption von Proteinen bzw. die Adhäsion
von Bakterien und/oder Zellen vermindert, einer zusätzlichen Behandlung mit reaktiven
Gasen zur Erzeugung weiterer funktioneller Gruppen unterzogen wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur
Erzeugung der der Beschichtung, die die Adsorption von Proteinen bzw. die Adhäsion von
Bakterien und/oder Zellen vermindert, Monomere der Struktur (2) oder (3) mit den
Monomeren aus den Ausgangsverbindungen der Struktur (1) co-polymerisiert werden, mit:
Rn: Wasserstoffatome, Halogenatome, Alkylgruppen bzw. substituierte Alkylgruppen, Arylgruppen bzw. substituierte Arylgruppen, organische Reste oder Radikale, Gruppen der allgemeinen Struktur CO(O-M-A) (mit M: aliphatische oder aromatische Gruppen und A: z. B. Wasserstoff, Hydroxyl-, Amino-, Carboxylgruppen), metallierte Gruppen, Hydroxylgruppen, Aminogruppen, Carbonsäuregruppen, Säurehalogenidgruppen, Estergruppen, Ethergruppen, Isocyanatgruppen, schwefelhaltige Gruppen (z. B. Sulfonsäure-, Thioether-, Schwefelsäuregruppen), stickstoffhaltige Gruppen (z. B. Nitril-, Amid-, Nitro-, Nitrosamingruppen), phosphorhaltige Gruppen (z. B. Phosphorsäureester-, Phosphonatgruppen), siliziumhaltige Gruppen (z. B. Silyl-, Silyloxygruppen)
Rn: Wasserstoffatome, Halogenatome, Alkylgruppen bzw. substituierte Alkylgruppen, Arylgruppen bzw. substituierte Arylgruppen, organische Reste oder Radikale, Gruppen der allgemeinen Struktur CO(O-M-A) (mit M: aliphatische oder aromatische Gruppen und A: z. B. Wasserstoff, Hydroxyl-, Amino-, Carboxylgruppen), metallierte Gruppen, Hydroxylgruppen, Aminogruppen, Carbonsäuregruppen, Säurehalogenidgruppen, Estergruppen, Ethergruppen, Isocyanatgruppen, schwefelhaltige Gruppen (z. B. Sulfonsäure-, Thioether-, Schwefelsäuregruppen), stickstoffhaltige Gruppen (z. B. Nitril-, Amid-, Nitro-, Nitrosamingruppen), phosphorhaltige Gruppen (z. B. Phosphorsäureester-, Phosphonatgruppen), siliziumhaltige Gruppen (z. B. Silyl-, Silyloxygruppen)
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die
Oberfläche des zu behandelnden Gegenstandes durch Behandlung mit einem Gasplasma
voraktiviert wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Teil
des Gegenstandes mit der der Beschichtung, die die Adsorption von Proteinen bzw. die
Adhäsion von Bakterien und/oder Zellen vermindert, versehen ist.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Teile des
Gegenstandes mit mehreren unterschiedlichen funktionalisierenden Beschichtung versehen
ist, wobei zumindest eine eine Beschichtung ist, die die Adsorption von Proteinen bzw. die
Adhäsion von Bakterien und/oder Zellen vermindern.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine
räumliche Differenzierung der Oberfläche durch Bedrucken im Mikrokontaktverfahren
erfolgt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine
räumliche Differenzierung der Oberfläche durch Verwendung von Mikroflusssystemen
erfolgt.
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