DE102004031938A1 - Use of star prepolymers with at least four water-soluble polymer arms having terminal reactive groups for producing a bacteriostatic finish on surfaces, e.g. medical equipment, implants or contact lenses - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von sternförmigen Polymeren mit hydrophilen Polymerarmen, die an ihren freien Enden eine reaktive funktionelle Gruppe R tragen, zur bakteriostatischen Ausrüstung von Oberflächen.The The present invention relates to the use of star-shaped polymers with hydrophilic polymer arms that are reactive at their free ends functional group R contribute to the bacteriostatic equipment of Surfaces.
Die bakteriostatische und bakterizide Ausrüstung von Oberflächen ist von besonderem Interesse für Gegenstände, deren Anwendung eine keimfreie Oberfläche voraussetzt, beispielsweise medizinische Gegenstände wie Operationsbesteck, Katheter, Spritzen, Kanülen, Atemmasken und dergleichen, sowie insbesondere Implantate und Kontaktlinsen. Üblicherweise erreicht man eine bakteriostatische oder bakterizide Ausrüstung von Oberflächen durch Ausrüstung der Oberfläche mit niedermolekularen Wirkstoffen (Biozide), die eine Abtötung von Bakterien, welche sich auf der Oberfläche ansiedeln, bewirken oder zumindest deren Vermehrung verhindern. Die bakterizide/bakteriostatische Wirkung der so ausgerüsteten Oberfläche beruht darauf, dass die Wirkstoffe, insbesondere bei Kontakt mit Körperflüssigkeiten, an die Umgebung abgegeben werden und so die in der Umgebung befindlichen Schadkeime abtöten oder ihre Vermehrung verhindern. Die Abgabe der Wirkstoffe an die Umgebung wird auch als „leaching" bezeichnet. Die bioziden Wirkstoffe sind jedoch häufig für den Menschen nicht gut verträglich und können Unverträglichkeitsreaktionen wie Allergien hervorrufen. Zudem verlieren die so ausgerüsteten Oberflächen aufgrund der permanenten Abgabe des Wirkstoffs mit der Zeit ihre bakterizide/bakteriostatische Wirkung. Erwünscht sind daher Oberflächen, die permanente bakterizide oder bakteriostatische Eigenschaften aufweisen, d. h. Oberflächen, auf denen eine Besiedelung mit Schadkeimen, insbesondere mit Bakterien, dauerhaft nicht auftritt oder wirksam verhindert wird. Zudem sollte diese Eigenschaft erreicht werden, ohne dass ein "leaching" der Wirkstoffe an die Umgebung auftritt.The bacteriostatic and bactericidal finishing of surfaces of particular interest for objects whose Application a germ-free surface requires, for example, medical items such as surgical instruments, Catheters, syringes, cannulas, Respiratory masks and the like, and in particular implants and contact lenses. Usually one reaches a bacteriostatic or bactericidal equipment of surfaces through equipment the surface with low molecular weight active substances (biocides), which is a killing of Bacteria, which settle on the surface, cause or at least prevent their multiplication. The bactericidal / bacteriostatic Effect of so equipped surface Based on the fact that the active ingredients, especially when in contact with Body fluids be delivered to the environment and so those in the area Kill harmful germs or prevent their reproduction. The delivery of the active ingredients to the Environment is also referred to as "leaching." The However, biocidal agents are often not well tolerated by humans and can intolerance reactions how to cause allergies. In addition, the so-equipped surfaces lose due to the permanent release of the drug over time their bactericidal / bacteriostatic Effect. He wishes are therefore surfaces, the permanent bactericidal or bacteriostatic properties have, d. H. Surfaces, on which a colonization with harmful germs, especially with bacteria, permanently does not occur or is effectively prevented. In addition, should This property can be achieved without requiring a "leaching" of the active ingredients the environment occurs.
Verschiedentlich wurde versucht, die Problematik des Leachings durch Immobilisierung von bekanntermaßen biozid wirkenden Substanzen auf Oberflächen zu umgehen. So beschreibt die WO 01/76594 eine bakteriostatische Ausrüstung von Oberflächen, worin die Oberfläche eine Vielzahl von immobilisierten Furanonen aufweist. Die Immobilisierung erfolgt mittels eines Polymers.on several occasions was trying to solve the problem of leaching by immobilization of knownness biocidal substances on surfaces. So describes WO 01/76594 discloses bacteriostatic finishing of surfaces in which the surface having a plurality of immobilized furanones. Immobilization takes place by means of a polymer.
Die WO 02/064183 schlägt als biozide Ausrüstung für Oberflächen immobilisierte kationische Proteine, z. B. Protamin, Mellitin, Cecroprin-A oder Nisin vor. Die Oberflächen können zusätzlich ein schwach vernetztes Hydrogel-bildendes Polymer umfassen.The WO 02/064183 proposes as biocidal equipment immobilized for surfaces cationic proteins, e.g. Protamine, Mellitin, Cecroprin-A or Nisin ago. The surfaces can additionally a weakly crosslinked hydrogel-forming polymer.
Aus
der
Aus
der
Die aus dem Stand der Technik bekannten polymer-basierten bakteriostatischen Ausrüstungen sind nicht zufriedenstellend. So ist oftmals die Langzeitbeständigkeit derartiger Ausrüstungen unzureichend und eine Stabilität bei mechanischer Belastung nicht in ausreichendem Maß gegeben. In vielen Fällen verhindern komplizierte Herstellungsverfahren für diese Ausrüstungen eine breite Anwendbarkeit, insbesondere bei Gegenständen mit unregelmäßig geformten Oberflächen. Es besteht daher ein Bedarf an geeigneten bakteriostatischen Ausrüstungen von Oberflächen, die eine genügend hohe Langzeitresistenz gegenüber einer Besiedelung durch Bakterien zeigen und universell einsetzbar sind, d. h. eine bakteriostatische Ausrüstung von unterschiedlichen Materialien und Oberflächen erlauben. Wünschenswerterweise sollte die bakteriostatische Ausrüstung die sonstige Funktionsweise der Gegenstände, deren Oberfläche bakteriostatisch ausgerüstet wurde, nicht beeinträchtigen. Darüber hinaus sollte das Verfahren zur Herstellung derartiger Ausrüstungen vorteilhafter Weise auch aus wässrigen Zubereitungen erfolgen können.The known from the prior art polymer-based bacteriostatic equipment are not satisfactory. This is often the long-term stability of such equipment inadequate and stability under mechanical stress is not given sufficiently. In many cases prevent complicated manufacturing processes for these equipments a broad applicability, especially with objects with irregular shaped Surfaces. There is therefore a need for suitable bacteriostatic equipments of surfaces, the one enough high long-term resistance show a colonization by bacteria and universally applicable are, d. H. a bacteriostatic equipment of different Materials and surfaces allow. Desirably the bacteriostatic equipment should work the other way the objects, their surface bacteriostatically equipped was, did not affect. About that In addition, the process for producing such equipment should advantageously also from aqueous Preparations can be made.
Es wurde gefunden, dass diese Aufgabe gelöst werden kann durch Hydrogelbildende Beschichtungen auf Basis von untereinander vernetzten sternförmigen Präpolymeren, die im Mittel wenigstens vier Polymerarme A aufweisen, welche für sich gesehen in Wasser löslich sind, wobei die Vernetzung über die Enden der Polymerarme A erfolgt. Aufgrund der sternförmigen Struktur der eingesetzten Präpolymere wird so ein dichtes Netzwerk hydrophiler Polymerketten erhalten, das durch Wasser quellbar, also Hydrogel-bildend ist. Man vermutet, dass auf diese Weise eine Besiedelung der Oberflächen durch Bakterien wirksam verringert oder gar vollständig unterdrückt wird.It has been found that this object can be achieved by hydrogel-forming coatings based on interconnected star-shaped prepolymers having on average at least four polymer arms A, which are soluble in water per se, wherein the crosslinking takes place via the ends of the polymer arms A. Due to the star-shaped structure of the prepolymers used, a dense network of hydrophilic polymer chains is obtained which can be swelled by water, ie hydrogel-forming. Man ver suggests that in this way a colonization of the surfaces by bacteria is effectively reduced or even completely suppressed.
Die Vernetzung erfolgt in der Regel durch Reaktion von reaktiven Gruppen R, die an den freien Enden der wasserlöslichen Polymerarme A angeordnet sind, untereinander oder mit hierzu komplementär-reaktiven Gruppen R' unter Bindungsbildung. Die komplementär-reaktiven Gruppen R' können dabei sowohl sich an den Enden der wasserlöslichen Arme A sternförmiger Präpolymere befinden als auch in davon verschiedenen Vernetzend wirkenden Substanzen.The Crosslinking usually takes place by reaction of reactive groups R, which are arranged at the free ends of the water-soluble polymer arms A. are, with each other or with complementary reactive groups R 'under bond formation. The complementary-reactive Groups R 'can do this both at the ends of the water-soluble arms A star-shaped prepolymers are as well as in various different cross-linking substances.
Demnach betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung von sternförmigen Präpolymeren, die im Mittel wenigstens vier Polymerarme A aufweisen, welche für sich gesehen in Wasser löslich sind und an ihren freien Enden eine reaktive funktionelle Gruppe R tragen, die mit hierzu komplementären Gruppen R' oder mit sich selber unter Bindungsbildung reagieren, zur bakteriostatischen Ausrüstung von Oberflächen.Therefore the present invention relates to the use of star-shaped prepolymers, which on average have at least four polymer arms A, which in themselves soluble in water are and at their free ends a reactive functional group R carry, with it to complementary groups R 'or with itself react under binding formation, to bacteriostatic equipment of Surfaces.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur bakteriostatischen Ausrüstung von Oberflächen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man eine Hydrogel-bildende Beschichtung, die aus untereinander vernetzten sternförmigen Präpolymeren aufgebaut sind, welche im Mittel wenigstens vier Polymerarme A aufweisen, die für sich gesehen in Wasser löslich sind, auf die zu beschichtende Oberfläche aufträgt, wobei die Vernetzung der sternförmigen Präpolymere über die Enden der Polymerarme A erfolgt.The The present invention also relates to a method for bacteriostatic equipment of surfaces, which is characterized in that one is a hydrogel-forming Coating consisting of interconnected star-shaped prepolymers are constructed, which have on average at least four polymer arms A, the for seen to be soluble in water are applied to the surface to be coated, wherein the crosslinking of the stellate Prepolymers over the Ends of the polymer arms A takes place.
Unter einer Hydrogel-bildenden Beschichtung versteht der Fachmann solche Beschichtungen, die durch Wasser gequollen werden als Folge der Interkalation von Wassermolekülen in die Beschichtung.Under a hydrogel-forming coating is understood by those skilled in the art Coatings that are swollen by water as a result of Intercalation of water molecules in the coating.
Unter
sternförmigen
Polymeren versteht man solche Polymere, die mehrere an eine niedermolekulare Zentraleinheit
gebundene Polymerketten aufweisen, wobei die niedermolekulare Zentraleinheit
in der Regel 4 bis 100 Gerüstatome
wie C-Atome, N-Atome
oder O-Atome aufweisen wird. Dementsprechend lassen sich die erfindungsgemäß zur Anwendung
kommenden sternförmigen
Polymere durch die nachfolgende allgemeine Formel I beschreiben:
n
eine ganze Zahl ist, mit einem Wert von wenigstens 4, z. B. 4 bis
12, insbesondere 5 bis 12 und speziell 6 bis 8;
Z für einen
niedermolekularen n-valenten organischen Rest als Zentraleinheit
steht, der in der Regel 4 bis 100, vorzugsweise 5 bis 50 Gerüstatome,
insbesondere 6 bis 30 Gerüstatome
aufweist. Die Zentraleinheit kann sowohl aliphatische als auch aromatische
Gruppen aufweisen. Sie steht beispielsweise für einen von einem wenigstens 4-wertigen
Alkohol, z. B. einem 4- bis 12-wertigen, vorzugsweise einem wenigstens
5-wertigen, insbesondere einem 6- bis 8-wertigen Alkohol, z. B.
Pentaerythrit, Dipentaerythrit, einen Zuckeralkohol wie Erythritol,
Xylitol, Mannitol, Sorbitol, Maltitol, Isomaltulose, Isomaltit,
Trehalulose, oder dergleichen abgeleiteten Rest;
A eine hydrophile
Polymerkette, die als solche wasserlöslich ist;
B eine chemische
Bindung oder ein zweiwertiger, niedermolekularer organischer Rest
mit vorzugsweise 1 bis 20, insbesondere 2 bis 10 C-Atomen, beispielsweise
eine C2-C10-Alkylengruppe,
eine Phenylen- oder eine Naphthylengruppe oder eine C5-C10-Cycloalkylengruppe, wobei die Phenylen-,
Naphthylen und die Cycloalkylengruppe zusätzlich ein oder mehrere, z.
B. 1, 2, 3, 4, 5, oder 6 Substituenten, z. B. Alkylgruppen mit 1
bis 4 C-Atomen, Alkoxygruppen mit 1 bis 4 C-Atomen oder Halogen
aufweisen können;
und
R eine reaktive Gruppe die mit einer hierzu komplementären reaktiven
funktionellen Gruppen R' oder
mit sich selber unter Bindungsbildung reagieren kann.Star-shaped polymers are understood as meaning those polymers which have a plurality of polymer chains bonded to a low molecular weight central unit, the low molecular weight central unit generally having from 4 to 100 framework atoms, such as C atoms, N atoms or O atoms. Accordingly, the star-shaped polymers used according to the invention can be described by the following general formula I:
n is an integer having a value of at least 4, e.g. 4 to 12, especially 5 to 12 and especially 6 to 8;
Z is a low molecular weight n-valent organic radical as the central unit, which generally has 4 to 100, preferably 5 to 50, skeletal atoms, in particular 6 to 30 skeletal atoms. The central unit can have both aliphatic and aromatic groups. It is for example one of an at least 4-valent alcohol, for. B. a 4- to 12-valent, preferably an at least 5-valent, especially a 6- to 8-valent alcohol, for. Pentaerythritol, dipentaerythritol, a sugar alcohol such as erythritol, xylitol, mannitol, sorbitol, maltitol, isomaltulose, isomaltitol, trehalulose, or the like;
A is a hydrophilic polymer chain which is water-soluble as such;
B is a chemical bond or a divalent, low molecular weight organic radical having preferably 1 to 20, in particular 2 to 10, carbon atoms, for example a C 2 -C 10 -alkylene group, a phenylene or a naphthylene group or a C 5 -C 10 -cycloalkylene group wherein the phenylene, naphthylene and the cycloalkylene group additionally one or more, for. B. 1, 2, 3, 4, 5, or 6 substituents, for. B. alkyl groups having 1 to 4 carbon atoms, alkoxy groups having 1 to 4 carbon atoms or halogen; and
R is a reactive group which can react with a complementary reactive functional groups R 'or with itself under bond formation.
Reaktive Gruppen R in diesem Sinne sind solche, die mit Nucleophilen in einer Additions- oder Substitutionsreaktion reagieren, z. B. Isocyanat-Gruppen, (Meth)acrylgruppen, Oxiran-Gruppen, Oxazolingruppen, Carbonsäuregruppen, Carbonsäureester- und Carbonsäureanhydridgruppen, Carbonsäure- und Sulfonsäurehalogenid-Gruppen, aber auch die hierzu komplementären, als Nucleophil reagierenden Gruppen wie alkoholische OH-Gruppen, primäre und sekundäre Aminogruppen, Thiolgruppen und dergleichen. Als Beispiel für Carbonsäureestergruppen sind insbesondere sogenannte Aktivestergruppen der Formel -C(O)O-X bevorzugt, worin X für Pentafluorphenyl, Pyrrolidin-2,5-dion-1-yl, Benzo-1,2,3-triazol-1-yl oder einen Carboxamidin-Rest steht.reactive Groups R in this sense are those with nucleophiles in one Addition or substitution reaction react, for. B. isocyanate groups, (Meth) acrylic groups, oxirane groups, oxazoline groups, carboxylic acid groups, carboxylate and carboxylic anhydride groups, carboxylic acid and sulfonic acid halide groups, but also the complementary, nucleophile-reactive groups such as alcoholic OH groups, primary and secondary Amino groups, thiol groups and the like. As an example of carboxylic acid ester groups are in particular so-called active ester groups of the formula -C (O) O-X preferably, wherein X is for Pentafluorophenyl, pyrrolidine-2,5-dione-1-yl, benzo-1,2,3-triazol-1-yl or a carboxamidine residue.
Geeignet sind als reaktive Gruppen R auch radikalisch polymerisierbare C=C-Doppelbindungen, z. B. neben den oben genannten (Meth)acrylgruppen auch Vinylether- und Vinylestergruppen, weiterhin aktivierte C=C-Doppelbindungen, aktivierte C=C-Dreifachbindung und N=N-Doppelbindungen, die mit Allylgruppen im Sinne einer en-Reaktion oder mit konjugierten Diolefin-Gruppen im Sinne einer Diels-Alder-Reaktion reagieren. Beispiele für Gruppen, die mit Allylgruppen im Sinne einer en-Reaktion oder mit Dienen im Sinne einer Diels-Alder-Reaktion reagieren können, sind Maleinsäure- und Fumarsäure-Gruppen, Maleinsäureester- und Fumarsäureester-Gruppen, Zimtsäureestergruppen, Propiolsäure(ester)gruppen, Maleinsäureamid- und Fumarsäureamid-Gruppen, Maleinimid-Gruppen, Azodicarbonsäureester-Gruppen und 1,3,4-Triazolin-2,5-dion-Gruppen.Also suitable as reactive groups R are free-radically polymerizable C =C double bonds, eg. B. in addition to the abovementioned (meth) acrylic groups, vinyl ether and vinyl ester groups, furthermore activated C =C double bonds, activated C =C triple bond and N =N double bonds, with allyl groups in the sense of an ene reaction or with conjugated diolefin groups react in the sense of a Diels-Alder reaction. Examples of groups which can react with allyl groups in the sense of an ene reaction or with dienes in the sense of a Diels-Alder reaction are maleic acid and fumaric acid groups, maleic acid ester and fumaric acid ester groups, cinnamic acid ester groups, propiolic acid (ester) groups, Maleic acid amide and fumaric acid amide groups, maleimide groups, azodicarboxylic ester groups and 1,3,4-triazoline-2,5-dione groups.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das sternförmige Präpolymer solche funktionellen Gruppen auf, die einer Additions- oder Substitutionsreaktion durch Nucleophile zugänglich sind. Hierzu zählen auch Gruppen, die im Sinne einer Michael-Reaktion reagieren. Beispiele sind insbesondere Isocyanat-Gruppen, (Meth)acrylgruppen (reagieren im Sinne einer Michael-Reaktion), Oxiran-Gruppen oder Carbonsäureestergruppen. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform betrifft sternförmige Präpolymere, die als reaktive Gruppen R Isocyanat-Gruppen aufweisen.In a preferred embodiment has the star-shaped prepolymer those functional groups that undergo an addition or substitution reaction accessible by nucleophiles are. Which includes also groups that react in the sense of a Michael reaction. Examples are in particular isocyanate groups, (meth) acrylic groups (react in the sense of a Michael reaction), oxirane groups or carboxylic acid ester groups. A particularly preferred embodiment concerns star-shaped prepolymers having as reactive groups R isocyanate groups.
In einer anderen Ausführungsform weist das Präpolymer ethylenisch ungesättigte, radikalisch polymerisierbare Doppelbindungen als reaktive Gruppen R auf.In another embodiment indicates the prepolymer ethylenically unsaturated, radically polymerizable double bonds as reactive groups R up.
Erfindungsgemäß weisen die sternförmigen Präpolymere im Mittel wenigstens 4, vorzugsweise wenigstens 5 und insbesondere wenigstens 6 Polymerarme, häufig jedoch nicht mehr als 16, insbesondere nicht mehr als 12 und speziell nicht mehr als 10 Polymerarme auf. Besonders bevorzugt weisen die sternförmigen Präpolymere 6 bis 8 Polymerarme A auf. Das zahlenmittlere Molekulargewicht der Polymerarme liegt in der Regel im Bereich von 200 bis 20000 Dalton, vorzugsweise im Bereich von 300 bis 15000 Dalton, insbesondere im Bereich von 500 bis 10000 Dalton und speziell im Bereich von 1000 bis 8000 Dalton.According to the invention the star-shaped prepolymers on average at least 4, preferably at least 5 and in particular at least 6 polymer arms, often but not more than 16, especially not more than 12 and especially not more than 10 polymer arms. Particularly preferred are the Star shaped prepolymers 6 to 8 polymer arms A on. The number average molecular weight of Polymer arms are typically in the range of 200 to 20,000 daltons, preferably in the range of 300 to 15,000 daltons, in particular in Range from 500 to 10,000 daltons and especially in the range of 1000 up to 8,000 daltons.
Dementsprechend weist das sternförmige Präpolymer ein zahlenmittleres Molekulargewicht im Bereich von in der Regel wenigstens 1500 Dalton, vorzugsweise 2000 bis 100000 Dalton, insbesondere 3000 bis 80000 Dalton und speziell 6000 bis 60000 Dalton auf.Accordingly has the star-shaped prepolymer a number average molecular weight in the range of usually at least 1500 daltons, preferably 2000 to 100,000 daltons, in particular 3000 to 80,000 daltons and specifically 6000 to 60,000 daltons.
Die Bestimmung des Molekulargewichts der sternförmigen Polymere kann in an sich bekannter Weise mittels Gelpermeationschromatographie erfolgen, wobei man auf handelsübliche Säulen, Detektoren und Auswertungssoftware zurückgreifen kann. Bei bekannter Anzahl von Endgruppen je Polymermolekül kann man das Molekulargewicht auch durch Titration der Endgruppen R bestimmen, im Falle von Isocyanatgruppen z. B. durch Umsetzung mit einer definierten Menge eines sekundären Amins wie Dibutylamin und anschließende Titration des überschüssigen Amins mit Säure.The Determination of the molecular weight of the star-shaped polymers can in in known manner by gel permeation chromatography, taking on commercial Columns, Detectors and evaluation software can fall back. At known Number of end groups per polymer molecule can be the molecular weight also determine by titration of the end groups R, in the case of isocyanate groups z. B. by reaction with a defined amount of a secondary amine such as dibutylamine and subsequent titration of the excess amine with acid.
Die hinreichende Quellbarkeit der Beschichtung durch Wasser wird durch die Wasserlöslichkeit der Polymerarme A gewährleistet. Eine ausreichende Quellbarkeit der Beschichtung durch Wasser ist in der Regel dann gewährleistet, wenn der molekulare Aufbau, d. h. zumindest die Art der Wiederholungseinheiten, vorzugsweise auch das Molekulargewicht des Polymerarms, einem Polymeren entspricht, dessen Löslichkeit in Wasser wenigstens 1 Gew.-% und vorzugsweise wenigstens 5 Gew.-% (bei 25 °C und 1 bar) beträgt.The sufficient swellability of the coating by water is through the water solubility the polymer arms A guaranteed. Sufficient swellability of the coating by water is usually then ensures if the molecular structure, d. H. at least the type of repeat units, preferably also the molecular weight of the polymer arm, a polymer corresponds to its solubility in water at least 1% by weight and preferably at least 5% by weight (at 25 ° C and 1 bar).
Beispiele für derartige Polymere mit hinreichender Wasserlöslichkeit sind Poly-C2-C4-alkylenoxide, Polyoxazoline, Polyvinylalkohole, Homo- und Copolymere, die wenigstens 50 Gew.-% N-Vinylpyrrolidon einpolymerisiert enthalten, Homo- und Copolymere, die wenigstens 30 Gew.-% Hydroxyethyl(meth)acrylat, Hydroxypropyl(meth)acrylat, Acrylamid, Methacrylamid, Acrylsäure und/oder Methacrylsäure einpolymerisiert enthalten, hydroxilierte Polydiene und dergleichen.Examples of such polymers with sufficient water solubility are poly-C 2 -C 4 -alkylene oxides, polyoxazolines, polyvinyl alcohols, homopolymers and copolymers which contain at least 50 wt .-% of N-vinylpyrrolidone in copolymerized form, homopolymers and copolymers containing at least 30 wt. % Hydroxyethyl (meth) acrylate, hydroxypropyl (meth) acrylate, acrylamide, methacrylamide, acrylic acid and / or methacrylic acid in copolymerized form, hydroxylated polydienes and the like.
In einer bevorzugten Ausführungsform leiten sich die Polymerarme A von Poly-C2-C4-alkylenoxiden ab und sind insbesondere ausgewählt unter Polyethylenoxid, Polypropylenoxid und Polyethylenoxid/Polypropylenoxid-Copolymeren, die eine Block- oder eine statistische Anordnung der Wiederholungseinheiten aufweisen können. Insbesondere bevorzugt sind sternförmige Präpolymere deren Polymerarme A von Polyethylenoxiden oder von Polyethylenoxid/Polypropylenoxid-Copolymeren mit einem Propylenoxid-Anteil von nicht mehr als 50 % abgeleitet sind.In a preferred embodiment, the polymer arms A are derived from poly-C 2 -C 4 -alkylene oxides and are in particular selected from polyethylene oxide, polypropylene oxide and polyethylene oxide / polypropylene oxide copolymers, which may have a block or a random arrangement of the repeat units. Particular preference is given to star-shaped prepolymers whose polymer arms A are derived from polyethylene oxides or from polyethylene oxide / polypropylene oxide copolymers having a propylene oxide content of not more than 50%.
Die
erfindungsgemäß zur Anwendung
kommenden Präpolymere
sind z. T. bekannt, z. B. aus der WO 98/20060,
Die Herstellung der erfindungsgemäß zur Anwendung kommenden sternförmigen Präpolymere erfolgt in der Regel durch Funktionalisierung geeigneter sternförmiger Präpolymer-Vorstufen, welche bereits die oben beschriebene Präpolymerstruktur, d. h. wenigstens 4 wasserlösliche Polymerarme, aufweisen und die an den Enden der Polymerarme je eine funktionelle Gruppe R'' aufweisen, die in eine der vorgenannten reaktiven Gruppen R umgewandelt werden kann. Zu den Gruppen R'' zählen an aliphatische oder aromatische C-Atome, vorzugsweise an ein primäres aliphatisches C-Atom gebundene Halogen-Atome, insbesondere Chlor, Brom oder Iod, an ein aliphatisches oder aromatisches und insbesondere an ein primäres, aliphatisches C-Atom gebundene OH-Gruppen, Thiol-Gruppen und NHR2-Gruppen mit R2 = Wasserstoff oder C1-C4-Alkyl.The star-shaped prepolymers used in accordance with the invention are generally prepared by functionalizing suitable star-shaped prepolymer precursors which already have the above-described prepolymer structure, ie at least 4 water-soluble polymer arms and which each have a functional group R "at the ends of the polymer arms , which can be converted into one of the aforementioned reactive groups R. The groups R "include aliphatic or aromatic C atoms, preferably halogen atoms bound to a primary aliphatic carbon atom, in particular chlorine, bromine or iodine, an aliphatic or aromatic and in particular a primary, aliphatic carbon atom bonded OH groups, thiol groups and NHR 2 groups with R 2 = hydrogen or C 1 -C 4 alkyl.
Derartige
Präpolymervorstufen
sind aus dem Stand der Technik bekannt, z. B. aus der
Die Funktionalisierung der sternförmigen Präpolymer-Vorstufen kann grundsätzlich in Analogie zu bekannten Funktionalisierungsverfahren des Standes der Technik erfolgen.The Functionalization of the star-shaped Prepolymer precursors can basically in analogy to known functionalization processes of the prior art the technique done.
Zur Herstellung von Präpolymeren, welche an den Enden der Polymerarme A Aminogruppen tragen, bieten sich als Ausgangsmaterialien insbesondere solche Präpolymer-Vorstufen an, die an den Enden der Polymerarme A OH-Gruppen aufweisen. Die Umwandlung von OH-Gruppen in Aminogruppen kann z. B. in Analogie zu der von Skarzewski, J. et al. Monatsh. Chem. 1983, 114, 1071-1077 beschriebenen Methode durchgeführt werden. Hierzu werden die OH-Gruppen in an sich bekannter Weise, (z. B. nach Organikum, 15. Aufl., VEB, Berlin 1981 S. 241ff.; J. March, Advanced Organic Synthesis 3rd ed. S. 382 ff) mit einem Halogenierungsmittel wie Thionylchlorid, Sulfurylchlorid, Thionylbromid, Phosphortribromid, Phosphoroxychlorid, Oxalylchlorid und dergleichen, gegebenenfalls in Gegenwart einer Hilfsbase wie Pyridin oder Triethylamin, in das entsprechende Halogenid, oder mit Methansulfonylchlorid in das entsprechende Mesylat überführt. Die so erhaltene Halogenverbindung, bzw. das Mesylat wird anschließend mit einem Alkalimetallazid, vorzugsweise in einem aprotisch polaren Lösungsmittel wie Dimethylsulfoxid, Dimethylformamid, Dimethylacetamid oder N-Methylpyrrolidon in die das entsprechende Azid überführt. Das Azid wird anschließend mit Wasserstoff in Gegenwart eines Übergangsmetallkatalysators oder mit einem Komplexhydrid wie Lithiumaluminiumhydrid in die Aminoverbindung überführt.For the preparation of prepolymers which carry amino groups on the ends of the polymer arms A, suitable starting materials are in particular those prepolymer precursors which have OH groups at the ends of the polymer arms. The conversion of OH groups into amino groups can, for. In analogy to that of Skarzewski, J. et al. Monatsh. Chem. 1983, 114, 1071-1077. To this end, the OH groups in a conventional manner (such. As to Organikum, 15th ed., VEB, Berlin 1981 S. 241ff .; J. March, Advanced Organic Synthesis 3rd ed. P 382 ff) with a halogenating agent such as thionyl chloride, sulfuryl chloride, thionyl bromide, phosphorus tribromide, phosphorus oxychloride, oxalyl chloride and the like, optionally in the presence of an auxiliary base such as pyridine or triethylamine, into the corresponding halide, or with methanesulfonyl chloride in the corresponding mesylate. The halogen compound or mesylate thus obtained is then converted into the corresponding azide with an alkali metal azide, preferably in an aprotic polar solvent such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, dimethylacetamide or N-methylpyrrolidone. The azide is then converted into the amino compound with hydrogen in the presence of a transition metal catalyst or with a complex hydride such as lithium aluminum hydride.
Die Herstellung von Präpolymeren, welche an den Enden der Polymerarme A Oxirangruppen tragen, gelingt beispielsweise durch Umsetzung von Präpolymer-Vorstufen, die an den Enden der Polymerarme A OH-Gruppen aufweisen, mit Glycidylchlorid.The Production of prepolymers, which carry oxirane groups at the ends of the polymer arms, succeed for example, by reacting prepolymer precursors attached to the ends of the polymer arms A have OH groups, with glycidyl chloride.
Die Herstellung von Präpolymeren, welche an den Enden der Polymerarme A (Meth)acrylgruppen tragen, gelingt beispielsweise durch Veresterung von Präpolymer-Vorstufen, die an den Enden der Polymerarme A OH-Gruppen tragen, mit Acrylsäure bzw. Methacrylsäure oder durch Umsetzung der OH-Gruppen mit Acrylchlorid bzw. mit Methacrylchlorid in Analogie zu bekannten Verfahren. Alternativ kann man in Präpolymer-Vorstufen, die an den Enden der Polymerarme A NH2-Gruppen tragen, die NH2-Gruppen mit Acrylsäure bzw. Methacrylsäure oder mit deren Säurechloriden umsetzen. Die Herstellung (Meth)acrylatterminierter Präpolymere kann z. B. in Analogie zu den von Cruise et al. Biomaterials_1998, 19, 1287-1294 und Han et al. Macromolecules 1997, 30, 6077-6083 für die Modifizierung von Polyetherdiolen und -triolen beschriebenen Methoden erfolgen.The preparation of prepolymers which carry (meth) acrylic groups at the ends of the polymer arms, for example, by esterification of prepolymer precursors which carry OH groups at the ends of the polymer arms A, with acrylic acid or methacrylic acid or by reaction of the OH Groups with acrylic chloride or with methacryl chloride in analogy to known methods. Alternatively, in prepolymer precursors which carry NH 2 groups at the ends of the polymer arms, the NH 2 groups can be reacted with acrylic acid or methacrylic acid or with their acid chlorides. The preparation of (meth) acrylate-terminated prepolymers may, for. For example, in analogy to the Cruise et al. Biomaterials_1998, 19, 1287-1294 and Han et al. Macromolecules 1997, 30, 6077-6083 for the modification of polyether diols and triols described methods.
Die Herstellung von Präpolymeren, welche an den Enden der Polymerarme A Thiolgruppen tragen, gelingt beispielsweise durch Umsetzung von Präpolymer-Vorstufen, die an den Enden der Polymerarme A Halogenatome tragen, mit Thioessigsäure und nachfolgender Hydrolyse in Analogie zu dem in Houben-Weyl, Methoden der Organischen Chemie, Ed. E. Müller, 4. Aufl., Bd. 9, S. 749, G. Thieme, Stuttgart 1955 beschriebenen Verfahren.The Production of prepolymers, which carry thiol groups at the ends of the polymer arms A succeed for example, by reacting prepolymer precursors attached to the ends of the polymer arms A carry halogen atoms, with thioacetic acid and subsequent hydrolysis in analogy to that in Houben-Weyl, Methods of Organic Chemistry, Ed. E. Müller, 4th ed., Vol. 9, p. 749, G. Thieme, Stuttgart 1955 described Method.
Die Herstellung von Präpolymeren, welche an den Enden der Polymerarme A Isocyanat tragen, gelingt bevorzugt durch Addition eines niedermolekularen Diisocyanats an Präpolymer-Vorstufen, die an den Enden der Polymerarme A OH-SH-, oder NHR''-Gruppen aufweisen (R' = H, oder eine aliphatische Rest). Vorzugsweise werden sternförmige Polyole mit OH-Endgruppen eingesetzt.The preparation of prepolymers which carry isocyanate at the ends of the polymer arms, succeeds preferably by addition of a low molecular weight diisocyanate to prepolymer precursors which have OH-SH- or NHR "groups at the ends of the polymer arms A (R '= H, or an aliphatic radical). Preferably star-shaped polyols are used with OH end groups.
Als Diisocyanate kommen sowohl aromatische Diisocyanate wie Toluol-2,4-diisocyanat, Toluol-2,6-diisocyanat, kommerzielle erhältliche Mischung von Toluol- 2,4- und -2,6-diisocyanat (TDI), m-Phenylendiisocyanat, 3,3'-Diphenyl-4,4'-biphenylendiisocyanat, 4,4'-biphenylendiisocyanat, 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat, 3,3'-Dichlor-4,4'-biphenylendiisocyanat, Cumen-2,4-diisocyanat, 1,5-Napthalindiisocyanat, p-Xylylendiisocyanat, p-Phenylendiisocyanat, 4-Methoxy-1,3-phenylendiisocyanat, 4-Chloro-1,3-phenylendiisocyanat, 4-Bromo-1,3-phenylendiisocyanat, 4-Ethoxy-1,3-phenylendiisocyanat, 2,4-Dimethyl-1,3-phenylendiisocyanat, 5,6-Dimethyl-1,3-phenylendiisocyanat, 2,4-Diisocyanatodiphenylether, Benzidindiisocyanat, 4,6-Dimethyl-1,3-phenylendiisocyanat, 9,10-Anthracendiisocyanat, 4,4'-Diisocyanatodibenzyl, 3,3'-Dimethyl-4,4'-diisocyanatodiphenylmethane, 2,6-Dimethyl-4,4'-diisocyantodiphenyl, 2,4-Diisocyanatostilben, 3,3'-Dimethoxy-4,4'-diisocyantodiphenyl, 1,4-Anthracenediisocyanat, 2,5-Fluorendiisocyanat, 1,8-Naphtalindiisocyanat, 2,6-Diisocyanatobenzofuran, als auch aliphatische und cycloaliphatische Diisocyanate wie Isophorondiisocyanat (IPDI), Ethylendiisocyanat, Ethylidendiisocyanat, Propylen-1,2-diisocyanat, Cyclohexylen-1,2-diisocyanat, Cyclohexylen-1,4-diisocyanat, 1,6-Hexamethylendiisocyanat, 1,4-Tetramethylendiisocyanat, 1,10-Decamethylendiisocyanat und Methylendicyclohexyldiisocyanat.When Diisocyanates come both aromatic diisocyanates such as toluene-2,4-diisocyanate, toluene-2,6-diisocyanate, commercially available Mixture of toluene-2,4- and 2,6-diisocyanate (TDI), m-phenylene diisocyanate, 3,3'-diphenyl-4,4'-biphenylene diisocyanate, 4,4'-biphenylene diisocyanate, 4,4'-diphenylmethane diisocyanate, 3,3'-dichloro-4,4'-biphenylene diisocyanate, Cumene-2,4-diisocyanate, 1,5-naphthalene diisocyanate, p-xylylene diisocyanate, p-phenylene diisocyanate, 4-methoxy-1,3-phenylene diisocyanate, 4-chloro-1,3-phenylene diisocyanate, 4-bromo-1,3-phenylene diisocyanate, 4-ethoxy-1,3-phenylene, 2,4-dimethyl-1,3-phenylene diisocyanate, 5,6-dimethyl-1,3-phenylene diisocyanate, 2,4-diisocyanatodiphenyl ether, benzidine diisocyanate, 4,6-dimethyl-1,3-phenylene diisocyanate, 9,10-anthracene diisocyanate, 4,4'-diisocyanatodibenzyl, 3,3'-dimethyl-4,4'-diisocyanatodiphenylmethanes, 2,6-dimethyl-4,4'-diisocyantodiphenyl, 2,4-diisocyanatostilbene, 3,3'-dimethoxy-4,4'-diisocyanate diphenyl, 1,4-anthracene diisocyanate, 2,5-fluorene diisocyanate, 1,8-naphthalene diisocyanate, 2,6-diisocyanatobenzofuran, as well as aliphatic and cycloaliphatic diisocyanates such as isophorone diisocyanate (IPDI), ethylene diisocyanate, ethylidene diisocyanate, propylene-1,2-diisocyanate, Cyclohexylene-1,2-diisocyanate, Cyclohexylene-1,4-diisocyanate, 1,6-hexamethylene diisocyanate, 1,4-tetramethylene diisocyanate, 1,10-decamethylene diisocyanate and methylenedicyclohexyl diisocyanate.
Bevorzugt sind Diisocyanate, deren Isocyanatgruppen sich in ihrer Reaktivität zu unterscheiden, wie Toluol-2,4-diisocyanat, Toluol-2,6-diisocyanat, sowie Mischung von Toluol-2,4- und -2,6-diisocyanat und cis- und trans-Isophorondiisocyanat.Prefers are diisocyanates whose isocyanate groups differ in their reactivity, such as toluene-2,4-diisocyanate, toluene-2,6-diisocyanate, as well as mixture toluene-2,4- and 2,6-diisocyanate and cis and trans isophorone diisocyanate.
Besonders bevorzugt sind sternförmige Präpolymere mit aliphatischen Diisocyanatendgruppen, insbesondere solchen wie sie durch Addition von IPDI auf die Kettenenden von OH-Gruppen-terminierten sternförmigen Präpolymervorstufen erhalten werden.Especially preferred are star-shaped prepolymers with aliphatic diisocyanate end groups, in particular those such by addition of IPDI to the chain ends of OH group-terminated stellate Präpolymervorstufen to be obtained.
Die
Sternpolymere werden naturgemäß so mit
dem Diisocyanat umgesetzt, dass an jedes Kettenende der Sternmoleküle eine
Diisocyanateinheit addiert wird, wobei die zweite Isocyanatgruppe
des Diisocyanats frei bleibt. Auf diese Weise wird jede Endgruppe
der Sternmoleküle über eine
Urethanverknüpfung
mit einer freien Isocyanatgruppe versehen. Verfahren hierzu sind
z.B. aus den US 5,808,131, WO 98/20060 und
In der Regel wird man zu diesem Zweck die Präpolymervorstufe zur Vermeidung der Bildung von multimeren Addukten, d. h. Addukte, in denen zwei oder mehrere Präpolymere über Diisocyanateinheiten miteinander verknüpft sind, zu einem Überschuss des Diisocyanats geben. In der Regel beträgt der Überschuss wenigstens 10 Mol-%, bezogen auf die Stöchiometrie der Reaktion, d. h. man setzt wenigstens 1,1 Mol, vorzugsweise wenigstens 2 Mol und insbesondere wenigstens 5 Mol Diiso-cyanat und speziell wenigstens 10 Mol Diisocyanat pro Mol funktioneller Gruppe in der Präpolymervorstufe ein. Vorzugsweise erfolgt die Reaktion unter kontrollierten Reaktionsbedingungen, d. h. die Zugabe der Präpolymervorstufe erfolgt unter Reaktionsbedingungen so langsam, dass eine Erwärmung des Reaktorinhalts um mehr als 20 K vermieden wird. Vorzugsweise erfolgt die Umsetzung der Präpolymervorstufe mit dem Diisocyanat in Abwesenheit eines Lösungs- oder Verdünnungsmittels.In Typically, for this purpose, the prepolymer precursor will be avoided the formation of multimeric adducts, d. H. Adducts in which two or more prepolymers via diisocyanate units linked together are, in a surplus of the diisocyanate. As a rule, the excess is at least 10 mol%, based on the stoichiometry the reaction, d. H. it is at least 1.1 mol, preferably at least 2 moles and especially at least 5 moles of diisocyanate and especially at least 10 moles of diisocyanate per mole of functional group in the prepolymer precursor one. Preferably, the reaction is carried out under controlled reaction conditions, d. H. the addition of the prepolymer precursor takes place under reaction conditions so slowly that a heating of the Reactor content is avoided by more than 20 K. Preferably takes place the implementation of the prepolymer precursor with the diisocyanate in the absence of a solvent or diluent.
Die Umsetzung kann in Abwesenheit oder in Gegenwart geringer Mengen üblicher Katalysatoren, welche die Bildung von Urethanen fördern, erfolgen. Geeignete Katalysatoren sind beispielsweise tertiäre Amine wie Diazabicyclooctan (DABCO) und zinnorganische Verbindungen, z. B. Dialkylzinn(IV)salze von aliphatischen Carbonsäuren wie Dibutylzinndilaurat und Dibutylzinndioctoat. Die Menge an Katalysator beträgt in der Regel nicht mehr als 0,5 Gew.-%, bezogen auf die Präpolymer-Vor-stufe, z. B. 0,01 bis 0,5 Gew.-%, insbesondere 0,02 bis 0,3 Gew.-%. In einer bevorzugten Vorgehensweise wird kein Katalysator eingesetzt.The Reaction can be more usual in the absence or presence of small amounts Catalysts that promote the formation of urethanes occur. Suitable catalysts are, for example, tertiary amines such as Diazabicyclooctane (DABCO) and organotin compounds, e.g. B. Dialkyltin (IV) salts of aliphatic carboxylic acids such as dibutyltin dilaurate and dibutyltin dioctoate. The amount of catalyst is usually not more than 0.5% by weight, based on the prepolymer precursor, e.g. B. 0.01 to 0.5 wt .-%, in particular 0.02 to 0.3 wt .-%. In a preferred procedure no catalyst is used.
Die erforderlichen Reaktionstemperaturen hängen naturgemäß von der Reaktivität der eingesetzten Präpolymervorstufe, des Diisocyanats, und sofern eingesetzt von der Art und Menge des verwendeten Katalysators ab. Sie liegt in der Regel im Bereich von 20 bis 100 °C und insbesondere im Bereich von 35 bis 80 °C. Es versteht sich von selbst, dass die Umsetzung der Präpolymervorstufe mit dem Diisocyanat in Abwesenheit von Feuchtigkeit (< 2000 ppm, vorzugsweise < 500 ppm) erfolgt.The naturally required reaction temperatures depend on the Reactivity the prepolymer precursor used, of the diisocyanate and, if used, the type and amount of used catalyst. It is usually in the range of 20 to 100 ° C and in particular in the range of 35 to 80 ° C. It goes without saying that the implementation of the prepolymer precursor with the diisocyanate in the absence of moisture (<2000 ppm, preferably <500 ppm).
Die Aufarbeitung der so erhaltenen Reaktionsmischung erfolgt in der Regel durch Abdestillieren des überschüssigen Diisocyanats, vorzugsweise bei vermindertem Druck. Die erhaltenen Reaktionsprodukte enthalten zu einem überwiegenden Anteil das sternförmige Präpolymer, das an den Enden der Polymerarme Isocyanatgruppen aufweist. Der Anteil des sternförmigen Präpolymeren beträgt in der Regel wenigstens 70 Gew.-%, vorzugsweise wenigstens 80 Gew.-% des Reaktionsprodukts. Die übrigen Bestandteile des Reaktionsproduktes sind im Wesentlichen Dimere und in geringen Anteilen Trimere, die in diesen Mengen ebenfalls zur Herstellung der erfindungsgemäßen Beschichtungen geeignet sind.The work-up of the reaction mixture thus obtained is generally carried out by distilling off the excess diisocyanate, preferably at reduced pressure. The resulting reaction products ent For the most part, the star-shaped prepolymer has isocyanate groups at the ends of the polymer arms. The proportion of the star-shaped prepolymer is generally at least 70 wt .-%, preferably at least 80 wt .-% of the reaction product. The remaining constituents of the reaction product are essentially dimers and in minor proportions trimers which are likewise suitable in these amounts for the preparation of the coatings according to the invention.
Die erfindungsgemäß auszurüstenden Oberflächen unterliegen grundsätzlich keinen Einschränkungen. Die Oberflächen können regelmäßig oder unregelmäßig geformt, glatt oder poröse sein. Beispiele für geeignete Oberflächenmaterialien sind oxidische Oberflächen, z. B. Silikate wie Glas, Quarz, Siliciumdioxid wie in Silicagelen, oder Keramik, weiterhin Halbmetalle wie Silicium, Halbleitermaterialien, Metalle und Metalllegierungen wie Stahl, Polymere wie Polyvinylchlorid, Polyethylen, Polymethylpentene, Polypropylen, Polyester, Fluorpolymere (z. B. Teflon®), Polyamide, Polyurethane, Poly(meth)acrylate, Blends und Komposite der vorgenannten Materialien. Geeignete Oberflächen sind auch Fasermaterialen, beispielsweise natürliche Fasern wie Zellulosefasern, Seide, Baumwollfasern und Wolle sowie Kunstfasern wie PE und PP-Fasern, Polyesterfasern, Polyamidfasern, Acrylfasern und dergleichen. Die Fasern können in Form von Garnen, Geweben, Gewirken und als Nonwovens vorliegen.The surfaces to be finished according to the invention are fundamentally subject to no restrictions. The surfaces may be regular or irregularly shaped, smooth or porous. Examples of suitable surface materials are oxidic surfaces, e.g. Silicates such as glass, quartz, silica as in silica gels, or ceramics, furthermore semimetals such as silicon, semiconductor materials, metals and metal alloys such as steel, polymers such as polyvinyl chloride, polyethylene, polymethylpentenes, polypropylene, polyesters, fluoropolymers (eg Teflon® ) , Polyamides, polyurethanes, poly (meth) acrylates, blends and composites of the aforementioned materials. Suitable surfaces are also fiber materials, for example natural fibers such as cellulose fibers, silk, cotton fibers and wool, as well as synthetic fibers such as PE and PP fibers, polyester fibers, polyamide fibers, acrylic fibers and the like. The fibers may be in the form of yarns, fabrics, knits and nonwovens.
Die bakteriostatische Ausrüstung erfolgt in der Regel durch Abscheiden der sternförmigen Präpolymere auf der auszurüstenden Oberfläche und anschließendes Vernetzen der reaktiven Gruppen R der Präpolymere. Die Schritte der Abscheidung und der Vernetzung können gewünschtenfalls wiederholt durchgeführt werden. Man gelangt auf diese Weise zu dickeren Schichten.The bacteriostatic equipment is usually done by depositing the star-shaped prepolymers on the equipped surface and subsequent Crosslinking of the reactive groups R of the prepolymers. The steps of Deposition and networking can if desired be carried out repeatedly. You get in this way to thicker layers.
In der Regel umfasst dieses Verfahren die folgenden Schritte:
- i. Aufbringen einer Lösung wenigstens eines sternförmigen Präpolymers, das im Mittel wenigstens vier Polymerarme A aufweist, die für sich gesehen in Wasser löslich sind und an ihren freien Enden eine reaktive funktionelle Gruppe R tragen, auf die zu beschichtende Oberfläche und
- ii. anschließend Durchführen einer Verknüpfungsreaktion der reaktiven Gruppen untereinander.
- i. Applying a solution of at least one star-shaped prepolymer having on average at least four polymer arms A, which in themselves are soluble in water and carry at their free ends a reactive functional group R, on the surface to be coated and
- ii. then performing a linking reaction of the reactive groups with each other.
Die Vernetzung erfolgt in der Regel durch Reaktion von reaktiven Gruppen R, die an den freien Enden der wasserlöslichen Polymerarme A angeordnet sind, untereinander oder mit hierzu komplementär-reaktiven Gruppen R' unter Bindungsbildung. Die komplementär-reaktiven Gruppen R' können dabei sowohl sich an den Enden der wasserlöslichen Arme A sternförmiger Präpolymere befinden als auch in davon verschiedenen Vernetzend wirkenden Substanzen.The Crosslinking usually takes place by reaction of reactive groups R, which are arranged at the free ends of the water-soluble polymer arms A. are, with each other or with complementary reactive groups R 'under bond formation. The complementary-reactive Groups R 'can do this both at the ends of the water-soluble arms A star-shaped prepolymers are as well as in various different cross-linking substances.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden auf der Oberfläche Hydrogelbildendende Beschichtungen erhalten, die aus untereinander verknüpften, sternförmigen Präpolymeren aufgebaut sind und die abhängig von dem Herstellungsverfahren auf ihrer Oberfläche die ursprünglich im Präpolymer enthaltenen reaktiven Gruppen R aufweisen können. Die Beschichtungen können an ihrer Oberfläche auch solche reaktiven Gruppen R aufweisen, die in Folge der Vernetzungsreaktion entstanden sind.By the inventive method be on the surface Hydrogelbildendende coatings obtained from each other linked, stellate prepolymers are built and dependent of the manufacturing process on its surface originally in the prepolymer contained reactive groups R can have. The coatings can on their surface also have such reactive groups R, as a result of the crosslinking reaction have arisen.
Beispiele für Abscheidungsverfahren sind die Immersion der zu beschichtenden Oberfläche in der Lösung des Präpolymeren sowie das Spincoating – hierbei wird die Lösung des Präpolymeren auf die mit hoher Geschwindigkeit rotierende zu beschichtende Oberfläche aufgebracht. Es versteht sich von selbst, dass man zur Herstellung ultradünner Beschichtungen die Beschichtungsmaßnahmen in der Regel unter staubfreien Bedingungen durchführt.Examples for deposition processes are the immersion of the surface to be coated in the solution of the prepolymers as well as the spincoating - here becomes the solution of the prepolymer applied to the rotating at high speed surface to be coated. It goes without saying that you can make ultra-thin coatings the coating measures usually carried out under dust-free conditions.
Bei dem Immersionsverfahren taucht man die Substrate in eine Lösung des Sternpolymers in einem geeigneten Lösungsmittel und lässt anschließend die Lösung ablaufen, so dass ein dünner Flüssigkeitsfilm mit möglichst einheitlicher Dicke auf dem Substrat verbleibt. Dieser wird anschließend eingetrocknet. Die resultierende Filmdicke hängt von der Konzentration der Sternpolymer-Lösung ab. Anschließend wird die Vernetzung ausgelöst.at the immersion process immersed the substrates in a solution of Star polymer in a suitable solvent and then drain the solution, making a thinner liquid film with as possible uniform thickness remains on the substrate. This is then dried. The resulting film thickness depends from the concentration of the star polymer solution. Subsequently, will the networking triggered.
Beim Spincoating wird in der Regel das zunächst nicht rotierende Substrat mit der Lösung des sternförmigen Präpolymeren vollständig benetzt. Anschließend wird das zu beschichtende Substrat mit hohen Umdrehungszahlen, in der Regel wenigstens 50 U/min, häufig wenigstens 500 U/min, z.B. 500 bis 30000 U/min, vorzugsweise oberhalb 1000 U/min, z. B. 1000 bis 10000 U/min, und besonders bevorzugt 3000 bis 6000 U/min, in Rotation versetzt, wobei die Lösung weitgehend abgeschleudert wird und ein dünner Beschichtungsfilm auf der Oberfläche des Substrats verbleibt. Anschließend wird auch hier eine Vernetzung ausgelöst.At the Spincoating usually becomes the initially non-rotating substrate with the solution of the star-shaped prepolymers Completely wetted. Subsequently is the substrate to be coated with high numbers of revolutions, in usually at least 50 rpm, often at least 500 rpm, e.g. 500 to 30,000 rpm, preferably above 1000 rpm, z. From 1000 to 10,000 rpm, and more preferably 3000 to 6000 rev / min, set in rotation, the solution largely is thrown off and a thinner Coating film on the surface of the substrate remains. Then, here is a networking triggered.
Üblicherweise beträgt die Konzentration wenigstens 0,001 mg/ml, vorzugsweise wenigstens 0,1, insbesondere wenigstens 1 mg/ml, besonders bevorzugt wenigstens 0,1 mg/ml, ganz besonders bevorzugt wenigstens 10 mg/ml. Die Konzentration des Präpolymeren in der Lösung wird in der Regel einen Wert von 500 mg/ml, vorzugsweise 250 mg/ml und insbesondere 100 mg/ml nicht überschreiten. Über die Konzentration lässt sich naturgemäß die Dicke der Beschichtung steuern.Usually, the concentration is at least 0.001 mg / ml, preferably at least 0.1, in especially at least 1 mg / ml, more preferably at least 0.1 mg / ml, most preferably at least 10 mg / ml. The concentration of the prepolymer in the solution will usually not exceed a value of 500 mg / ml, preferably 250 mg / ml and especially 100 mg / ml. Naturally, the concentration of the coating can be controlled via the concentration.
Zur Erzielung der gewünschten bakteriostatischen Eigenschaften wird die Hydrogelbeschichtung in der Regel eine Schichtdicke von wenigstens 2 nm, vorzugsweise wenigstens 5 nm und insbesondere wenigstens 10 nm aufweisen (gemessen mittels Ellipsometrie nach dem in Guide to using WVASE 32TH, J. A. Woollam Co. Ind., Lincoln NE USA 1998 beschriebenen Verfahren). In der Regel wird man Beschichtungsdicken 1 μm, insbesondere 500 nm und speziell 200 nm nicht überschreiten, um die Funktion der Gegenstände, welche die erfindungsgemäße bakteriostatische Ausrüstung aufweisen nicht zu beeinträchtigen. Selbstverständlich geht die bakteriostatische Wirkung derartiger Hydrogelbeschichtungen bei größeren Schichtdicken nicht verloren, so dass erfindungsgemäße bakteriostatische Ausrüstungen Schichtdicken von beispielsweise bis 200 μm oder bis 150 μm aufweisen können.In order to achieve the desired bacteriostatic properties, the hydrogel coating will generally have a layer thickness of at least 2 nm, preferably at least 5 nm and in particular at least 10 nm (measured by ellipsometry according to the method described in Guide to using WVASE 32 TH , JA Woollam Co. Ind. Lincoln NE USA 1998 described method). As a rule, one will not exceed coating thicknesses of 1 .mu.m, in particular 500 nm and especially 200 nm in order not to impair the function of the articles which comprise the bacteriostatic composition according to the invention. Of course, the bacteriostatic effect of such hydrogel coatings is not lost at greater layer thicknesses, so that bacteriostatic equipment according to the invention can have layer thicknesses of, for example, up to 200 μm or up to 150 μm.
Zur Herstellung der Lösungen der Präpolymere sind grundsätzlich alle Lösungsmittel geeignet, welche keine oder nur eine geringe Reaktivität gegenüber den funktionellen Gruppen R des Präpolymeren aufweisen. Hierunter sind solche bevorzugt, die einen hohen Dampfdruck aufweisen und sich somit leicht entfernen lassen. Bevorzugt sind daher solche Lösungsmittel die bei Normaldruck eine Siedetemperatur unterhalb 150 °C und vorzugsweise unterhalb 120 °C aufweisen. Beispiele für geeignete Lösungsmittel sind aprotische Lösungsmittel, z. B. Ether wie Tetrahydrofuran (THF), Dioxan, Diethylether, tert.-Butylmethylether, aromatische Kohlenwasserstoffe wie Xylole und Toluol, weiterhin Acetonitril, Propionitril und Mischungen dieser Lösungsmittel. Im Falle von Präpolymeren mit OH-, SH-, Carboxyl-, (Meth)acryl- und Oxirangruppen sind auch protische Lösungsmittel wie Wasser oder Alkohole, z. B. Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol, n-Butanol und tert.-Butanol, sowie deren Mischungen mit aprotischen Lösungsmitteln geeignet. Im Falle von Präpolymeren mit Isocyanat-Gruppen sind neben den vorgenannten aprotischen Lösungsmitteln überraschenderweise auch Wasser sowie Mischungen von Wasser mit aprotischen Lösungsmitteln geeignet, da vermutlich der Abbau der Isocyanatgruppen in den Präpolymeren vergleichsweise langsam erfolgt.to Production of the solutions the prepolymer are basically all solvents suitable, which no or only a low reactivity with respect to functional groups R of the prepolymer exhibit. Among them, those having a high vapor pressure are preferable have and thus can be easily removed. Preferred are therefore such solvents at normal pressure, a boiling temperature below 150 ° C and preferably below 120 ° C exhibit. examples for suitable solvents are aprotic solvents, z. As ethers such as tetrahydrofuran (THF), dioxane, diethyl ether, tert-butyl methyl ether, aromatic hydrocarbons such as xylenes and toluene, further Acetonitrile, propionitrile and mixtures of these solvents. In the case of prepolymers with OH, SH, carboxyl, (meth) acrylic and oxirane groups are also protic solvents such as water or alcohols, eg. Methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol and tert-butanol, as well as their mixtures with aprotic solvents suitable. In the case of prepolymers with isocyanate groups are surprisingly also in addition to the aforementioned aprotic solvents Water and mixtures of water with aprotic solvents suitable, since probably the degradation of the isocyanate groups in the prepolymers comparatively slowly.
Die Art der Vernetzung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Beispielsweise kann man den mit dem unvernetzten Präpolymeren beschichteten Gegenstand mit einem Vernetzungsmittel behandeln. Als Vernetzungsmittel sind grundsätzlich alle polyfunktionellen Verbindungen geeignet, deren funktionelle Gruppen mit den funktionellen Gruppen des Präpolymeren unter Bindungsbildung reagieren. Diese funktionellen Gruppen werden im Folgenden auch als komplementäre funktionelle Gruppen R' bezeichnet. Eine Übersicht über komplementäre funktionelle Gruppen R' gibt die Tabelle 1, wobei die reaktiven Gruppen R des Präpolymeren in der ersten Zeile und die hierzu komplementären Gruppen R' in der ersten Spalte angegeben sind: Tabelle 1: Komplementäre funktionelle Gruppen The type of networking can be done in different ways. For example, the article coated with the uncrosslinked prepolymer may be treated with a crosslinking agent. As crosslinking agents, in principle all polyfunctional compounds are suitable whose functional groups react with the functional groups of the prepolymer to form bonds. These functional groups are also referred to below as complementary functional groups R '. An overview of complementary functional groups R 'is given in Table 1, wherein the reactive groups R of the prepolymer are indicated in the first row and the groups R' complementary thereto in the first column: Table 1: Complementary functional groups
Demnach erfolgt gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung die Bereitstellung der bakteriostatischen Ausrüstung durch ein Verfahren, bei dem man die Verknüpfung der reaktiven Gruppen R durch Zugabe einer Verbindung V1 auslöst, die wenigstens zwei reaktive Gruppen R' pro Molekül aufweist, die mit den reaktiven Gruppen R des sternförmigen Präpolymers unter Bindungsbildung reagiert.Therefore takes place according to a first embodiment The invention provides the provision of bacteriostatic equipment a process that involves linking the reactive groups R by addition of a compound V1, the at least two reactive Having groups R 'per molecule, those with the reactive groups R of the star-shaped prepolymer under bond formation responding.
Bei den polyfunktionellen Verbindungen V1 kann es sich um niedermolekulare Verbindungen handeln, z. B. um aliphatische oder cycloaliphatische Diole, Triole und Tetraole, z. B. Ethylenglykol, Butandiol, Diethylenglykol, Triethylenglykol, Trimethylolpropan, Pentaerythrit und dergleichen, aliphatische oder cycloaliphatische Diamine, Triamine oder Tetramine, z. B. Ethylendiamin, Diethylentriamin, Triethylentetramin, Tetraethylenpentamin, 1,8-Diamino-3,6-dioxaoctan, Diaminocyclohexan, Isophorondiamin und dergleichen, Aminoalkohole wie Ethanolamin, Diethanolamin, aliphatische oder cycloaliphatische Dithiole, um Dicarbonsäuren oder Tricarbonsäuren wie Sebazinsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, Phthalsäure, Isophthalsäure, oder um die vorgenannten Diisocyanate, je nachdem welche Art von reaktiven Gruppen das Präpolymer aufweist. Die niedermolekularen polyfunktionellen Verbindungen weisen im Unterschied zu den Präpolymeren in der Regel ein Molekulargewicht < 500 g/mol auf.at the polyfunctional compounds V1 may be low molecular weight Act connections, z. B. to aliphatic or cycloaliphatic Diols, triols and tetraols, e.g. As ethylene glycol, butanediol, diethylene glycol, Triethylene glycol, trimethylolpropane, pentaerythritol and the like, aliphatic or cycloaliphatic diamines, triamines or tetramines, z. Ethylenediamine, diethylenetriamine, triethylenetetramine, tetraethylenepentamine, 1,8-Diamino-3,6-dioxaoctane Diaminocyclohexane, isophoronediamine and the like, aminoalcohols such as Ethanolamine, diethanolamine, aliphatic or cycloaliphatic Dithiols to dicarboxylic acids or tricarboxylic acids like sebacic acid, glutaric, adipic acid, phthalic acid, isophthalic acid, or the aforementioned diisocyanates, depending on which type of reactive groups the prepolymer having. The low molecular weight polyfunctional compounds have unlike the prepolymers usually a molecular weight <500 g / mol.
Die polyfunktionelle Verbindung V1 kann bereits in der Lösung des Präpolymeren enthalten sein, die zur Beschichtung eingesetzt wird. In der zunächst entstehende Beschichtung aus weitgehend unvernetzten Präpolymeren reagieren dann, z. B. beim Trocknen oder beim Erwärmen der Beschichtung, die reaktiven Gruppen R' des Vernetzungsmittels mit den reaktiven Gruppen R des Präpolymeren und bilden auf diese Weise eine Schicht aus miteinander vernetzten Präpolymeren.The Polyfunctional compound V1 can already be found in the solution of prepolymers be included, which is used for coating. In the first resulting Coating of largely uncrosslinked prepolymers then react, for. B. when drying or heating the coating, the reactive groups R 'of the crosslinking agent with the reactive Groups R of the prepolymer and thus form a layer of interconnected ones Prepolymers.
Wenn es sich bei den reaktiven Gruppen R des Präpolymeren um konjugierte Diene handelt, wird die Verbindung V1 dementsprechend wenigstens zwei dienophile Gruppen aufweisen und umgekehrt. Wenn die Präpolymere reaktive Gruppen aufweisen, die eine en-Reaktion eingehen, wird die Verbindung V1 wenigstens zwei allylische Doppelbindungen aufweisen. In der Regel wird man bei derartigen Systemen zur Herstellung der Beschichtungen Lösungen verwenden die sowohl das Präpolymer als auch die Verbindungen V1 enthalten. Die Vernetzung erfolgt dann beim Trocknen der primär erhaltenen Beschichtung, gegebenenfalls nach Erwärmen.If the reactive groups R of the prepolymer are conjugated dienes Accordingly, the connection V1 becomes at least two have dienophilic groups and vice versa. When the prepolymers have reactive groups that undergo an ene reaction is the compound V1 have at least two allylic double bonds. In general, such systems are used to produce the Coatings solutions use both the prepolymer and the compounds V1 included. The networking then takes place when drying the primary obtained coating, optionally after heating.
Als polyfunktionelle Verbindungen V1 sind grundsätzlich auch Präpolymere geeignet, die wenigstens vier Polymerarme A aufweisen, welche für sich gesehen in Wasser löslich sind und an ihren freien Enden eine reaktive funktionelle Gruppe R' aufweisen, die mit den reaktiven Gruppen R des Präpolymeren unter Bindungsbildung reagieren. Mit anderen Worten, zur Bereitstellung der bakteriostatischen Ausrüstung können erfindungsgemäß auch Lösungen von wenigstens zwei unterschiedlichen Präpolymeren eingesetzt werden, worin das eine Präpolymer reaktive Gruppen R und das andere dazu komplementäre reaktive Gruppen R' aufweist. Auch auf diese Weise wird eine Schicht aus miteinander vernetzten Präpolymeren erhalten.When Polyfunctional compounds V1 are in principle also prepolymers suitable, which have at least four polymer arms A, which in itself soluble in water are and at their free ends a reactive functional group R ', the with the reactive groups R of the prepolymer under bond formation react. In other words, to provide the bacteriostatic equipment can According to the invention also solutions of at least two different prepolymers are used, wherein the one prepolymer reactive groups R and the other complementary reactive Groups R 'has. Also In this way, a layer of cross-linked prepolymers receive.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Verknüpfung der reaktiven Gruppen R ausgelöst, indem man eine ausreichende Menge einer Verbindung V2 zugibt, die mit einem Teil der reaktiven Gruppen R unter Bildung reaktiver Gruppen R' reagiert, welche mit den verbliebenen reaktiven Gruppen R unter Bindungsbildung reagiert. Im Falle von Präpolymeren mit Isocyanatgruppen kann man beispielsweise die Vernetzung auslösen, indem man den beschichteten Gegenstand mit Wasser behandelt, z. B. durch Lagern in einer feuchten Atmosphäre oder unter Wasser. Hierbei reagiert ein Teil der Isocyanatgruppen unter Bildung von Aminogruppen ab, die ihrerseits mit den verbleibenden Isocyanatgruppen unter Bindungsbildung reagieren, wobei eine Schicht aus miteinander vernetzten Präpolymeren entsteht. Das Vernetzungsmittel V2 ist hier somit Wasser.In another embodiment The invention is the link the reactive groups R are triggered, by adding a sufficient amount of a compound V2, the with a portion of the reactive groups R to form reactive groups R 'reacts, which reacts with the remaining reactive groups R to form bonds. In the case of prepolymers With isocyanate groups, for example, the crosslinking can be initiated by one treats the coated article with water, for. B. by Store in a humid atmosphere or under water. Here, a part of the isocyanate groups reacts to form amino groups, which in turn with the remaining Isocyanate groups react to form bonds, with a layer from cross-linked prepolymers arises. The crosslinking agent V2 is thus here water.
In einer Variante dieser Ausführungsform setzt man Lösungen des Präpolymeren in Wasser oder in einem Gemisch aus Wasser mit einem oder mehreren mit Wasser mischbaren Lösungsmitteln ein. Beispiele für geeignete, mit Wasser mischbare Lösungsmittel sind insbesondere solche, die mit den Isocyanatgruppen nicht oder nur sehr viel langsamer als Wasser eine Reaktion eingehen. Beispiele hierfür sind cyclische Ether wie Tetrahydrofuran und Dioxan, weiterhin N-Alkylamide wie N-Methylpyrrolidon, Dimethylformamid und Dimethylacetamid. Das Mischungsverhältnis Wasser:Lösungsmittel liegt in der Regel im Bereich von 1:100 bis 1:100, vorzugsweise im Bereich von 50:1 bis 1:10 und speziell im Bereich 20:1 bis 1:1. Diese Variante eignet sich insbesondere zur Herstellung dickerer Schichten. Die Konzentration an Präpolymer liegt dann vorzugsweise im Bereich von 1 bis 500 mg/ml, insbesondere im Bereich von 5 bis 200 mg/ml und speziell im Bereich von 10 bis 100 mg/ml.In a variant of this embodiment you put solutions of the prepolymer in water or in a mixture of water with one or more water-miscible solvents one. examples for suitable, water-miscible solvents are in particular those which are not or only very much slower with the isocyanate groups as water enter into a reaction. Examples are cyclic ones Ethers such as tetrahydrofuran and dioxane, furthermore N-alkylamides such as N-methylpyrrolidone, Dimethylformamide and dimethylacetamide. The mixing ratio of water: solvent is usually in the range of 1: 100 to 1: 100, preferably in the range of 50: 1 to 1:10 and especially in the range 20: 1 to 1: 1. This variant is particularly suitable for producing thicker Layers. The concentration of prepolymer is then preferably in the range of 1 to 500 mg / ml, especially in the range of 5 to 200 mg / ml and especially in the range of 10 to 100 mg / ml.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Gruppe R ausgewählt unter ethylenisch ungesättigten, radikalisch polymerisierbaren Doppelbindungen. Die Vernetzung erfolgt in diesem Fall auf thermische oder photochemische Weise, d. h. durch Bestrahlen mit UV-Strahlung oder mit Elektronenstrahlung. Im Falle der photochemischen Vernetzung durch UV-Strahlung wird man der Lösung des Präpolymeren in der Regel geeignete Photoinitiatoren zusetzen. Die Art und Menge an Photoinitiator, die zur Auslösung einer photochemischen Vernetzung erforderlich ist, ist dem Fachmann aus der Technologie strahlungshärtenden Lacke geläufig.In a further embodiment of the invention, the group R is selected from ethylenically unsaturated, radically polymerizable double bonds. The networking takes place in this case, in a thermal or photochemical manner, d. H. by Irradiation with UV radiation or with electron radiation. In the event of the photochemical crosslinking by UV radiation is the solution of the prepolymers usually add suitable photoinitiators. The type and quantity on photoinitiator, which triggers a photochemical crosslinking is required, is the expert radiation-hardening technology Paints common.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird man zunächst in der oben beschriebenen Weise eine Lösung eines sternförmigen Präpolymers, beispielsweise als Monoschicht, auf die zu beschichtende Oberfläche aufbringen, gegebenenfalls eine partielle Vernetzung der reaktiven Gruppen R durchführen und anschließend wenigstens ein weiteres sternförmiges Präpolymer 2 auf die so behandelte Oberfläche aufbringt, das wenigstens vier Polymerarme A aufweist, die für sich gesehen in Wasser löslich sind und an ihren freien Enden eine reaktive funktionelle Gruppe R' aufweisen, welche eine zu den reaktiven Gruppen R des ersten Präpolymeren komplementäre Reaktivität aufweisen. Gegebenenfalls führt man im Anschluss daran eine erneute Vernetzung der verbliebenen reaktiven Gruppen R' durch. Dieser Vorgang kann ein oder mehrmals wiederholt werden. Auf diese Weise gelingt es gezielt mehrschichtige Beschichtungen herzustellen. Diese Vorgehensweise wird im Folgenden auch als Schicht-für-Schicht-Verfahren bezeichnet. Das Schicht-für-Schicht-Verfahren kann in besonders eleganter Weise mit solchen Präpolymeren realisiert werden, die reaktive Gruppen R aufweisen, welche mit Verbindungen V2 zu reaktiven Gruppen R' abreagieren, die eine zu den Gruppen R komplementäre Reaktivität aufweisen. Beispiele für Gruppen R sind Isocyanatgruppen. Die Verbindung V2 ist in diesem Fall Wasser. Als komplementär reaktive Gruppen R' entstehen dann NH2-Gruppen. Wird nämlich die Vernetzung der ersten Schicht mit der Verbindung V2 ausgelöst, weist die erhaltene Beschichtung an ihrer Oberfläche freie Gruppen R' (z. B. Aminogruppen) auf. Diese reagieren dann mit den Gruppen R (z. B. Isocyanatgruppen) der in einem zweiten Beschichtungsvorgang aufgebrachten Präpolymeren unter Bindungsbildung.In a further embodiment of the invention, a solution of a star-shaped prepolymer, for example as a monolayer, is first applied to the surface to be coated, if desired, and partial crosslinking of the reactive groups R is carried out, followed by at least one further star-shaped prepolymer 2 so treated surface having at least four polymer arms A, which are individually soluble in water and having at their free ends a reactive functional group R ', which have a complementary to the reactive groups R of the first prepolymer reactivity. If appropriate, a subsequent crosslinking of the remaining reactive groups R 'is then carried out. This process can be repeated one or more times. In this way, it is possible to selectively produce multilayer coatings. This procedure is also referred to below as layer-by-layer method. The layer-by-layer method can be realized in a particularly elegant manner with prepolymers which have reactive groups R which react with compounds R 2 to form reactive groups R 'which have a reactivity which is complementary to the groups R. Examples of R groups are isocyanate groups. The compound V2 is water in this case. As complementary reactive groups R 'then arise NH 2 groups. If, in fact, the crosslinking of the first layer with the compound V2 is triggered, the resulting coating has on its surface free groups R '(for example amino groups). These then react with the groups R (for example isocyanate groups) of the prepolymers applied in a second coating process to form bonds.
Neben den vernetzten sternförmigen Präpolymeren können die Hydrogelbildenden Beschichtungen wasserlösliche Polysacharide, wie Hyaluronate, Heparine, Alginaten oder z. B. Dextrane enthalten. Die Herstellung derartiger Beschichtungen erflogt durch gemeinsames Abscheiden von Präpolymer und wasserlöslichem Polysacharid auf der auszurüstenden Oberfläche. Bei Verwendung von Präpolymeren mit gegenüber OH-Funktionen reaktiven funktionellen Gruppen R, z. B. Isocyanatgruppen, wirkt dann das Polysacharid als Vernetzer. Polysacharid und Präpolymer bilden dann gemeinsam die Hydrogelbildende Beschichtung. Das Gewichtsverhältnis von Polysacharid zu sternförmigem Präpolymer in der Beschichtung wird in der Regel einen Wert von 1:1 nicht überschreiten und liegt beispielsweise im Bereich von 1:1000 bis 1:1 und speziell im Bereich von 1:100 bis 1:2.In addition to the crosslinked star-shaped prepolymers, the hydrogel-forming coatings can be water-soluble polysaccharides, such as hyaluronates, heparins, alginates or z. B. dextrans. The preparation of such coatings is accomplished by co-depositing prepolymer and water-soluble polysaccharide on the surface to be finished. When using prepolymers with opposite OH functions reactive functional groups R, z. As isocyanate groups, then the polysaccharide acts as a crosslinker. Polysaccharide and prepolymer then together form the hydrogel-forming coating. The weight ratio of polysaccharide to star-shaped prepolymer in the coating will usually not exceed a value of 1: 1 and is for example in the range of 1: 1000 to 1: 1 and especially in the range of 1: 100 to 1: 2.
Die
bakteriostatische Wirkung der erfindungsgemäß ausgerüsteten Oberflächen kann
dadurch gesteigert werden, dass man in die aus den vernetzten Präpolymeren
aufgebaute Beschichtung zusätzlich
Bestandteile einarbeitet, die bekanntermaßen als Biozide und/oder Bakterizide
wirken. Hierzu zählen
insbesondere Antibiotika, wie Streptomycin, Gentomycin, Penicillin,
Neomycin, Acriflavin, Ampillicin, Cu-Salze, Silbersalze, Zinksalze,
wobei die Salze in homogener Verteilung in der Schicht vorliegen
können
oder als fein verteilte Partikel, z. B. in Form kolloidaler Metalloxide
wie beispielsweise kolloidales Zinkoxid, wie es in
Der Einbau der zur Wirkungssteigerung verwendeten bioziden/bakteriziden Substanzen in die erfindungsgemäße Ausrüstung erfolgt vorzugsweise durch Coadsorption aus Lösungen, die das Präpolymer und die biozide/bakterizide Substanz enthalten. Außerdem können die Präpolymere mit den genannten bioziden/bakteriziden Substanzen vor Adsorption umgesetzt werden oder als Mischung mit nicht modifizierten Präpolymeren auf der Oberfläche der Beschichtung zur Reaktion gebracht werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, sie gezielt durch Physisorption oder Chemisorption auf das fertige Hydrogel-Beschichtung aufzubringen. Die bioziden/bakteriziden Substanzen werden insbesondere dadurch in die erfindungsgemäße Ausrüstung eingearbeitet, dass man sie in der Lösung der Präpolymeren suspendiert oder löst. Bei der anschließend ausgelösten Vernetzung werden diese Substanzen in die Beschichtung in einer Weise eingebaut, dass sie nicht oder nur in sehr geringem Ausmaß an die Umgebung abgegeben werden. Ein sonst übliches Leaching wird nicht beobachtet.Of the Incorporation of the biocidal / bactericidal agents used to increase the effect Substances in the equipment according to the invention takes place preferably by coadsorption from solutions containing the prepolymer and the biocidal / bactericidal substance. In addition, the prepolymers with the said biocidal / bactericidal substances before adsorption be reacted or as a mixture with unmodified prepolymers on the surface the coating are reacted. Of course it is it also possible targeted by physisorption or chemisorption on the finished Apply hydrogel coating. Biocidal / bactericidal substances be incorporated in particular by the inventive equipment that one she in the solution the prepolymer suspended or dissolved. In the subsequently triggered networking these substances are incorporated into the coating in a manner that they are not or only to a very limited extent released to the environment become. An otherwise usual Leaching is not observed.
Neben den bioziden/bakteriziden Fremdbestandteilen können auch weitere Fremdmaterialen, also Materialien, die keine Hydrogel-bildenden Beschichtungen bilden, in die erfindungsgemäße Ausrüstung eingearbeitet werden. Hierzu zählen bioaktive Materialien wie Medikamente, z.. antineoplastische Mittel, Lokalanaesthetika, Hormone, antiangiogene Mittel, Neurotransmitter, weiterhin Oligonucleotide, DNA, RNA, natürliche und synthetische Peptide, natürliche und synthetische Proteine, Wachstumsfaktoren wie BMPs (bone morphogenic proteins), HGHs (human growth hormons), GMCSF (Macrophage colony stimulating factors), an Heparin bindende Faktoren wie FGFs, VGF, TGFs, kommunikations- und architekturvermittelnde Signalstoffe wie BHL, HHL, OHL, DHLs, OHHL, OOHL, ODHL, OdDHL, HBHL, HtDHL und andere, Integrin vermittelnde Signalmoleküle, Proteine wie Fibronectin, Laminin, Vitronectin, Collagen, Thrombospondin und andere adhäsionsvermittelnde Proteine, mechanisch oder anders physikalisch modulierte Proteine wie gerecktes Fibronectin, Cyclodextrine, Lipide, synthetische Polymere, beispielsweise perfluorierte Polymere, Homo und Copolymere des Maleinsäureanhydrids, anorganische Komponenten, z. B. Apatite und Hydroxyapatide, Metalle in Partikelform, insbesondere in Form von Nanopartikeln, quartäre Ammoniumsalzverbindungen oder metallorganische Verbindungen, Marker z. B. organische Farbstoffe und Fluoreszenzfarbstoffe sowie radioaktive Substanzen.Next The biocidal / bactericidal impurities may also contain other foreign materials, that is, materials that do not form hydrogel-forming coatings, incorporated into the inventive equipment become. Which includes bioactive materials such as medicines, eg .. antineoplastic agents, Local anesthetics, hormones, antiangiogenic agents, neurotransmitters, furthermore oligonucleotides, DNA, RNA, natural and synthetic peptides, natural and synthetic proteins, growth factors such as BMPs (bone morphogenic proteins), HGHs (human growth hormone), GMCSF (Macrophage colony stimulating factors), heparin-binding factors such as FGFs, VGF, TGFs, communication and architecture-conveying signaling materials such as BHL, HHL, OHL, DHL, OHHL, OHL, ODHL, OdDHL, HBHL, HtDHL and others, Integrin-mediating signaling molecules, proteins such as fibronectin, Laminin, vitronectin, collagen, thrombospondin and other adhesion promoting agents Proteins, mechanically or otherwise physically modulated proteins such as stretched fibronectin, cyclodextrins, lipids, synthetic polymers, for example perfluorinated polymers, homo and copolymers of maleic anhydride, inorganic components, e.g. Apatites and hydroxyapatides, metals in particulate form, in particular in the form of nanoparticles, quaternary ammonium salt compounds or organometallic compounds, markers z. B. organic dyes and fluorescent dyes and radioactive substances.
Das Gewichtsverhältnis von Fremdbestandteil zu Präpolymer (gerechnet als Einsatzstoff) wird in der Regel einen Wert von 1:1 nicht überschreiten. Sofern ein Fremdbestanteil eingebaut werden soll, beträgt das Gewichtsverhältnis von Fremdbestandteil zu Präpolymer in der Regel wenigstens 1:1000 und insbesondere wenigstens 1:100.The weight ratio from foreign constituent to prepolymer (calculated as starting material) is usually a value of 1: 1 do not exceed. If an external component is to be installed, the weight ratio of Foreign constituent to prepolymer usually at least 1: 1000 and in particular at least 1: 100.
Häufig ist es vorteilhaft, die auszurüstende Oberfläche in einer Weise vorzubehandeln, dass sie eine erhöhte Anzahl (Flächendichte) an funktionellen Gruppen R' aufweist, die mit den funktionellen Gruppen R des Präpolymeren unter Bindungsbildung reagieren können.Frequently it is advantageous to equip the surface pretreat in a way that they have an increased number (area density) having functional groups R ', those with the functional groups R of the prepolymer under bond formation can react.
Hierzu
wird man die Oberflächen
inerter Materialien häufig
vor der eigentlichen Ausrüstung
chemisch aktivieren. Dies kann beispielsweise durch Behandlung der
zu beschichtenden Oberfläche
mit Säure
oder Laugen, durch Oxidation (Abflammen), durch Elektronenbestrahlung
oder durch eine Plasmabehandlung mit einem sauerstoffhaltigen Plasma
erfolgen wie sie von P. Chevallier et al. J. Phys. Chem. B 2001,
105(50), 12490-12497; in
Man kann die auszurüstende Oberfläche auch mit Verbindungen behandeln, die bekanntermaßen eine gute Haftung zu den Oberfläche aufweisen und die außerdem funktionelle Gruppen R' aufweisen, die mit den funktionellen Gruppen R des sternförmigen Präpolymeren komplementär sind. Geeignete Gruppen R' sind, abhängig von der reaktiven Gruppe R des Präpolymeren: Isocyanat-, Amino-, Hydroxyl- und Epoxygruppen, weiterhin Gruppen, die im Sinne einer Michael-Addition reagieren, dienophile Gruppen, die Diels-Alder Additionsreaktionen eingehen, elektronenarme Doppelbindungen, die in einer Diels-Alder Addition oder En-Reaktion mit allylischen Doppelbindungen reagieren; aktivierten Estergruppen; Oxazolingruppen; sowie Vinylgruppen und Thiole, die spezifisch eine freie Radikaladdition eingehen.you can be equipped surface also treat with compounds that are known to have good adhesion to the surface and that also have functional groups R ', which are complementary to the functional groups R of the star-shaped prepolymer. Suitable groups R 'are, dependent from the reactive group R of the prepolymer: isocyanate, amino, Hydroxyl and epoxy groups, furthermore groups which in the sense of a Michael addition dienophilic groups, the Diels-Alder addition reactions undergo electron-deficient double bonds in a Diels-Alder Addition or ene reaction react with allylic double bonds; activated ester groups; oxazoline; as well as vinyl groups and thiols, which specifically enter into a free radical addition.
Die Art der Gruppe, die eine Haftung auf der Oberfläche bewirkt, hängt naturgemäß von der chemischen Natur dieser Oberfläche ab. Im Fall von oxidischen, wie keramischen und glasartigen Oberflächen, sowie im Falle metallischer Oberflächen haben sich Verbindungen bewährt, die als haftungsvermittelnde Gruppen Silangruppen, insbesondere Trialkoxysilangruppen aufweisen. Beispiele für derartige Verbindungen sind Trialkoxyaminoalkylsilane wie Triethoxyaminopropylsilan und N[(3-Triethoxysilyl)propyl]ethylendiamin, Trialkoxyalkyl-3-glycidylethersilane wie Triethoxypropyl-3-glycidylethersilan, Trialkoxyalkylmercaptane wie Triethoxypropylmercaptan, Trialkoxyallylsilane wie Allyltrimethoxysilan sowie Trialkoxysilylacryloxyalkane und -acrylamidoalkane wie 1-Triethoxysilyl-3-acryloxypropan. Für oxidische Materialien und Kunststoffmaterialien sind als haftungsvermittelnde Gruppen auch polyfunktionalen Polyammoniumgruppen geeignet. Beispiele für derartige Verbindungen sind Polyammoniumverbindung mit freien primären Amingruppen wie sie z. B. von J. Scheerder, J.F.J Engbersen, und D.N. Reinhoudt, Recl. Trav. Chim. Pays-Bas 1996, 115(6), 307-320, und von Decher, Science 1997, 277, 1232-1237 zu diesem Zweck beschrieben werden.The Nature of the group that causes adhesion to the surface, of course, depends on the chemical nature of this surface from. In the case of oxidic, such as ceramic and glassy surfaces, as well in the case of metallic surfaces have connections proven, the adhesion-promoting groups silane groups, in particular Having trialkoxysilane groups. Examples of such compounds are trialkoxyaminoalkylsilanes such as triethoxyaminopropylsilane and N [(3-triethoxysilyl) propyl] ethylenediamine, Trialkoxyalkyl-3-glycidyl ether silanes such as triethoxypropyl-3-glycidyl ether silane, Trialkoxyalkylmercaptans such as triethoxypropylmercaptan, trialkoxyallylsilanes such as allyltrimethoxysilane and trialkoxysilylacryloxyalkanes and -acrylamidoalkanes such as 1-triethoxysilyl-3-acryloxypropane. For oxidic Materials and plastic materials are considered adhesion-promoting Groups also suitable polyfunctional polyammonium groups. Examples for such compounds are polyammonium compound with free primary amine groups as z. By J. Scheerder, J.F.J Engbersen, and D.N. Reinhoudt, Recl. Trav. Chim. Pays-Bas 1996, 115 (6), 307-320, and Decher, Science 1997, 277, 1232-1237 for this purpose.
Bevorzugt werden die vorgenannten Verbindungen als Monolage auf die auszurüstende Oberfläche aufgebracht. Derartige Monolagen lassen sich in an sich bekannter Weise durch Behandeln der zu beschichtenden Oberflächen mit verdünnten Lösungen der Verbindungen erreichen, z. B. nach dem oben beschriebenen Immersionsverfahren oder mittels Spincoating. Lösungsmittel und Konzentrationen entsprechen dabei den für das Aufbringen der Präpolymere gemachten Angaben. Häufig empfiehlt es sich, die Oberflächen mit den vorgenannten Verbindungen behandeln, die bekanntermaßen eine gute Haftung auf den Oberfläche aufweisen, im Anschluss an eine Aktivierung durch Abflammen, durch Elektronenbestrahlung oder durch Plasmabehandlung durchzuführen.Prefers the aforementioned compounds are applied as a monolayer on the surface to be finished. Such monolayers can be carried out in a manner known per se Treat the surfaces to be coated with dilute solutions of Reach connections, z. B. after the immersion method described above or by spincoating. solvent and concentrations correspond to those for the application of the prepolymers information provided. Often It is recommended that the surfaces treat with the aforementioned compounds known to be a good adhesion to the surface have, after activation by flaming, through Electron irradiation or by plasma treatment.
Die erfindungsgemäß ausgerüsteten Oberflächen zeichnen sich durch eine bakteriostatische Wirkung sowohl gegenüber grampositiven als auch über gramnegativen Bakterien aus. Beispiele für Bakterien, gegenüber denen die Beschichtungen bakteriostatische Eigenschaften aufweisen umfassen Bacillus anthracis, Bacillus cereus, Bacteroides sp., Bordetella pertussis, Campylobacter sp., Chlamydia pneumoniae, Chlamydia trachomatis, Clostridium botulinum, Clostridium difficile, Clostridium perfringens, Clostridium tetani, Corynebacterium diphtheriae., Corynebacterium sp., Enterococcus spp. (ehemals Streptococcus), Escherichia coli, Haemophilus influenzae, Helicobacter pylori, Klebsiella sp., Legionella pneumophila, Listeria monocytogenes, Moraxella catarrhalis, Mycobacterium leprae, Mycobacterium tuberculosis, anderes Mycobacterium sp., Mycoplasma pneumoniae, Neisseria gonorrhoeae, Neisseria meningitidis, Proteus sp., Pseudomonas aeruginosa, anderes Pseudomonas sp., Salmonella typhi /paratyphi, anderes Salmonella sp., Shigella sp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Streptococcus agalactiae (Gruppe B -haemolytisch), Streptococcus pneumoniae, Streptococcus pyogenes (Gruppe A -haemolytisch), Streptococcus viridans und Vibrio cholerae. Die erfindungsgemäße Ausrüstung wirkt insbesondere bakteriostatisch gegenüber Pseudomona Aeruginosa, Staphylococcus Aureus, Escherichia Coli, Dermacoccus und Bradyrhizobium. Die Beschichtungen sind aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung biokompatibel und nicht toxisch.The Draw surfaces equipped according to the invention characterized by a bacteriostatic effect against both gram-positive as well over gram-negative bacteria. Examples of bacteria against which the coatings comprise bacteriostatic properties Bacillus anthracis, Bacillus cereus, Bacteroides sp., Bordetella pertussis, Campylobacter sp., Chlamydia pneumoniae, Chlamydia trachomatis, Clostridium botulinum, Clostridium difficile, Clostridium perfringens, Clostridium tetani, Corynebacterium diphtheriae., Corynebacterium sp., Enterococcus spp. (formerly Streptococcus), Escherichia coli, Haemophilus influenzae, Helicobacter pylori, Klebsiella sp., Legionella pneumophila, Listeria monocytogenes, Moraxella catarrhalis, Mycobacterium leprae, Mycobacterium tuberculosis, other Mycobacterium sp., Mycoplasma pneumoniae, Neisseria gonorrhoeae, Neisseria meningitidis, Proteus sp., Pseudomonas aeruginosa, other Pseudomonas sp., Salmonella typhi / paratyphi, other Salmonella sp., Shigella sp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Streptococcus agalactiae (group B -hememolytic), Streptococcus pneumoniae, Streptococcus pyogenes (group A -hememolytic), Streptococcus viridans and Vibrio cholerae. The equipment according to the invention acts especially bacteriostatic to Pseudomona aeruginosa, Staphylococcus Aureus, Escherichia coli, Dermacoccus and Bradyrhizobium. The coatings are biocompatible due to their chemical composition and not toxic.
Die erfindungsgemäße Ausrüstung zeichnet sich durch eine hohe Langzeitstabilität, auch bei Kontakt mit Flüssigkeiten, beispielsweise Körperflüssigkeiten aus. Sie ist zudem stabil gegenüber Einwirkung mechanischer Kräfte.The Inventive equipment records characterized by high long-term stability, even when in contact with liquids, for example, body fluids out. She is also stable towards Influence of mechanical forces.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur bakteriostatischen Ausrüstung der Oberflächen von Gegenständen geeignet, die in direktem Kontakt mit lebender Materie, insbesondere mit Körpergewebe wie subkutanes und intramuskuläre Gewebe, mit inneren oder äußeren Oberflächen von Organen (speziell Herz, Niere, Lunge,) oder Blutgefäßen stehen wie beispielsweise temporäre und dauerhafte Implantate, Endoskope, Operationsbesteck, Katheter und dergleichen. Die Beschichtungen können auf vielerlei Laborutensilien, medizinischen Produkten und Instrumenten, aber auch im halbtechnischen Bereich auf Oberflächen aufgetragen werden, die extrem sauber, also möglichst frei von Bakterien gehalten werden müssen oder die für Reinigungsschritte schwer zugänglich sind. Die geringe Dicke der Ausrüstung ist dabei von besonderem Vorteil, da die makroskopischen Eigenschaften und die Erscheinung des unterliegenden Materials praktisch unverändert bleiben.The method according to the invention is particularly suitable for the bacteriostatic treatment of the surfaces of objects which are in direct contact with living matter, in particular with Körperge tissue such as subcutaneous and intramuscular tissues, with internal or external surfaces of organs (especially heart, kidney, lung) or blood vessels such as temporary and permanent implants, endoscopes, surgical instruments, catheters, and the like. The coatings can be applied on many laboratory utensils, medical products and instruments, but also in the semi-technical area on surfaces that must be kept extremely clean, that is as free of bacteria as possible, or that are difficult to access for cleaning steps. The small thickness of the equipment is of particular advantage, since the macroscopic properties and the appearance of the underlying material remain virtually unchanged.
Die erfindungsgemäße bakteriostatische Ausrüstung ist besonders dort vorteilhaft, wo nur extrem dünne Beschichtungen möglich sind. Beispielweise kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung ultradünner Beschichtungen auf den Innenwänden von Schlauch- und Röhrensystemen eingesetzt werden, die ihrerseits nur einen besonders geringen Durchmesser, z. B. im mm- oder gar μm-Bereich, besitzen (implantierbare Pumpsysteme, dünne Katheter, mikrobiologische und gentechnologische Laborgeräte). Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber auch zur Beschichtung von extrem großen Flächen (Schiffsrümpfe, technische Rohrsysteme, Schwimmbäder, Operationssäle usw.) geeignet.The Bacteriostatic according to the invention equipment is particularly advantageous where only extremely thin coatings are possible. For example, the process according to the invention for the preparation ultrathin Coatings on the interior walls of hose and tube systems are used, which in turn only a particularly small diameter, z. B. in mm or even microns range, have (implantable pumping systems, thin Catheter, microbiological and genetic engineering laboratory equipment). The inventive method but is also suitable for coating extremely large surfaces (hulls, technical piping systems, Swimming pools, operating rooms etc.).
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern.The The following examples are intended to illustrate the invention.
I. Herstellung Isocyanat-terminierter, sternförmiger PolyetherI. Preparation of isocyanate-terminated, stellate polyether
Als Isocyanat diente in allen Fällen ein handelsübliches Isophorondiisocyanat (IPDI: 72 % cis- und 28 % trans-Isomer), das vor Benutzung im Vakuum destilliert wurde (95 °C/0,01 bar) und unter Inertgas aufbewahrt wurde.When Isocyanate served in all cases a commercial one Isophorone diisocyanate (IPDI: 72% cis and 28% trans isomer), the was distilled before use in vacuo (95 ° C / 0.01 bar) and under inert gas was kept.
Bei den eingesetzten Präpolymervorstufen handelt es sich um handelsübliche 6-armige Polyalkylenether (im Folgenden Polyole), die durch anionische ringöffnende Polymerisation aus Ethylenoxid und/oder Propylenoxid unter Verwendung von Sorbitol als Initiator hergestellt wurden. Das eingesetzte Polyol wurde vor Einsatz auf einen Restwassergehalt von weniger als 350 ppm getrocknet. Reste des für die Herstellung der Polyole eingesetzten Alkalihydroxids wurden durch Neutralisieren mit Phosphorsäure gebunden.at the prepolymer precursors used are commercially available 6-arm polyalkylene ethers (hereinafter polyols) by anionic ring-opening Polymerization from ethylene oxide and / or propylene oxide using of sorbitol as initiator. The used polyol was used to a residual water content of less than 350 before use ppm dried. Remains of the for the preparation of the polyols used alkali hydroxide were bound by neutralization with phosphoric acid.
Das Polyol wurde in allen Herstellungsbeispielen über eine Pumpe langsam zugegeben (ca. 80 ml/h), so dass die Reaktionstemperatur nicht mehr als 10 K von der angegebenen Temperatur abwich.The Polyol was slowly added via a pump in all preparation examples (about 80 ml / h), so that the reaction temperature is not more than 10 K deviated from the specified temperature.
Die Bestimmung des Molekulargewichts (angegeben ist jeweils das Zahlenmittel) erfolgte durch Gelpermeationschromatographie bei Raumtemperatur an drei in Reihe geschalteten Säulen (Säule 1: Waters μ-Styragel 1000 Angström, I = 30 cm; Säule 2: Waters μ-Styragel 100 Angström, I = 30 cm; Säule 3: PSS SDV 50 Angström, I = 60 cm) unter Verwendung von Tetrahydrofuran als Eluenten, einen Refraktometrie-Detektor (Waters RI 2410) und unter Verwendung der Auswertungssoftware PSS Win-GPC V 4.02. Die Elutionsdiagramme wurden zur Auswertung an zwei Gausskurven angepasst, wobei über die Flächenverhältnisse der Anteil an Bi-/Trimer bestimmt wurde.The Determination of the molecular weight (indicated in each case the number average) was carried out by gel permeation chromatography at room temperature on three columns connected in series (Pillar 1: Waters μ-Styragel 1000 angstroms, I = 30 cm; pillar 2: Waters μ-Styragel 100 angstroms, I = 30 cm; pillar 3: PSS SDV 50 angstroms, I = 60 cm) using tetrahydrofuran as eluent, a Refractometry detector (Waters RI 2410) and using the evaluation software PSS Win-GPC V 4.02. The elution diagrams were evaluated on two gaussian curves adjusted, over the area ratios the proportion of bi- / trimer was determined.
Die Charakterisierung der Endgruppen funktionalisierter Präpolymere sowie die Funktionalisierungsausbeute erfolgte, wo angegeben, zudem elementaranalytisch (Schwefel, Stickstoff), mittels IR-Spektroskopie (v SH, C=O, NH) oder mittels Titration (nicht umgesetzte OH-Gruppen).The Characterization of the end groups of functionalized prepolymers and functionalization yield, where indicated, also elemental analysis (sulfur, nitrogen), by IR spectroscopy (v SH, C = O, NH) or by titration (unreacted OH groups).
Die Bestimmung der nicht umgesetzten OH-Gruppen erfolgte durch Umsetzung der Präpolymere mit Acetanhydrid in Pyridin und Titration überschüssiger Säure (Hydrolyse des nicht umgesetzten Acetanhydrids) mit NaOH.The Determination of the unreacted OH groups was carried out by reaction the prepolymer with acetic anhydride in pyridine and titration of excess acid (hydrolysis of unreacted Acetic anhydride) with NaOH.
Herstellungsbeispiel 1:Production Example 1
Das verwendete sternförmige Polyetherpolyol ist ein 6-armiges statistisches Poly(ethylen/propylenoxid) mit einem EO/PO-Verhältnis von 80/20 mit einem Molekulargewicht von 3100 g/mol. Vor der Umsetzung gab man 0,05 Gew.-% Phosphorsäure zu dem Polyol und erwärmte unter Rühren 1 h auf 80 °C im Vakuum.The used star-shaped Polyether polyol is a 6-arm random poly (ethylene / propylene oxide) with an EO / PO ratio of 80/20 with a molecular weight of 3100 g / mol. Before the implementation gave 0.05% by weight of phosphoric acid to the polyol and heated with stirring 1 h at 80 ° C in a vacuum.
In einem Reaktor legte man 125 ml IPDI (0,59 Mol) vor und erwärmte unter Schutzgas-Atmosphäre auf 50 °C. Danach gab man unter heftigem Rühren das getrocknete und entgaste Polyol (20 g, 6,45 mmol) mit Hilfe einer peristaltischen Pumpe langsam zu (ca. 80 ml/h). Nach Beendigung der Zugabe wurde das Reaktionsgemisch bei 50 °C für weitere 60 Stunden gerührt. Überschüssiges IPDI wurde bei 100 °C und einem Druck von 0,001 mbar mit Hilfe einer Dünnschichtdestillationsapparatur vollständig abdestilliert. Man erhält auf diese Weise ein sternförmiges 6-Arm-Präpolymer, das an den Enden seiner Polymerarme Isocyanatgruppen aufweist.125 ml of IPDI (0.59 mol) were placed in a reactor and heated to 50 ° C. under a protective gas atmosphere. Thereafter, with vigorous stirring, the dried and degassed polyol (20 g, 6.45 mmol) was added Help a peristaltic pump slowly to (about 80 ml / h). After completion of the addition, the reaction mixture was stirred at 50 ° C for a further 60 hours. Excess IPDI was completely distilled off at 100 ° C. and a pressure of 0.001 mbar with the aid of a thin-film distillation apparatus. This gives a star-shaped 6-arm prepolymer having isocyanate groups at the ends of its polymer arms.
Herstellungsbeispiel 2:Production Example 2
Analog Herstellungsbeispiel 1 wurden 30 g eines 6-armigen, statistischen Poly(ethylenoxid/propylenoxids) mit einem EO/PO-Verhältnis von 80/20 mit einem zahlenmittleren Molekulargewicht von 12000 mit 48 ml (0,23 Mol) IPDI umgesetzt. Nach Dünnschichtdestillation (100 °C/0,001 mbar) erhielt man das Isocyanat-terminierte Stern-Präpolymer. Der Anteil höherer Oligomere beträgt weniger als 1 Gew.-%.Analogous Production Example 1 was 30 g of a 6-arm statistical Poly (ethylene oxide / propylene oxide) with an EO / PO ratio of 80/20 with a number average molecular weight of 12,000 with 48 ml (0.23 mol) of IPDI reacted. After thin-layer distillation (100 ° C / 0.001 mbar) the isocyanate-terminated star prepolymer was obtained. The proportion of higher oligomers is less than 1% by weight.
Herstellungsbeispiel 3:Production Example 3
Analog Herstellungsbeispiel 1 wurden 20 g (1,11 mmol) eines 6-armigen, statistischen Poly(ethylenoxid/propylenoxids) mit einem EO/PO-Verhältnis von 80/20 mit einem zahlenmittleren Molekulargewicht von 18000 mit 42 ml (0,2 Mol) IPDI umgesetzt. Nach Dünnschichtdestillation (100 °C/0,001 mbar) erhielt man das Isocyanat-terminierte Stern-Präpolymer. Der Anteil höherer Oligomere beträgt weniger als 1 Gew.-%.Analogous Preparation Example 1 was 20 g (1.11 mmol) of a 6-arm, random poly (ethylene oxide / propylene oxide) having an EO / PO ratio of 80/20 with a number average molecular weight of 18,000 with 42 ml (0.2 mol) of IPDI reacted. After thin-layer distillation (100 ° C / 0.001 mbar) the isocyanate-terminated star prepolymer was obtained. The proportion of higher oligomers is less than 1% by weight.
II. Herstellung der Hydrogel-BeschichtungenII. Preparation of Hydrogel Coatings
Als Substrate wurden Glasplättchen (flotiertes Glas, Quarzglas, Standardglas) und hydrophile Silizium-Wafer eingesetzt (Si [100]). Die Substrate wurden vor der Beschichtung im Ultraschallbad zunächst in Aceton, dann in Millipore-Wasser und anschließend in Isopropanol gereinigt. Alle Substrate wurden grundsätzlich zur Vermeidung einer Kontamination durch Staub und Fetttröpfchen aus der Luft in geeigneten Schutzbehältern unter einer Flüssigkeitsschicht aufbewahrt.When Substrates became glass slides (float glass, quartz glass, standard glass) and hydrophilic silicon wafers used (Si [100]). The substrates were before coating in the ultrasonic bath first in acetone, then in Millipore water and then in isopropanol. All substrates were basically used for Avoid contamination by dust and grease droplets the air in suitable protective containers under a liquid layer kept.
Das verwendete Wasser wurde grundsätzlich entsalzt (18 MΩ-cm oder besser). Alle Lösungen wurden mit einem 0,05 μ-Filter von Staub und partikulären Verunreinigungen gereinigt. Filtriertes entionisiertes Wasser wird im Folgenden auch als Millipore-Wasser bezeichnet.The used water became basic desalted (18 MΩ-cm or better). All solutions were using a 0.05 μ filter of dust and particulate Cleaned impurities. Filtered deionized water is added hereinafter also referred to as Millipore water.
Beschichtungen unter Ausschluss von Wasser wurden in einer Handschuhbox (Braun) unter einer Atmosphäre mit einem Wassergehalt von weniger als 1 ppm H2O/O2 durchgeführt.Water-excluded coatings were carried out in a glove box (brown) under an atmosphere having a water content of less than 1 ppm H 2 O / O 2 .
1. Aminofunktionalisierung der Substrate1. Aminofunctionalization the substrates
Die gereinigten Substrate wurden zur Aktivierung in einer Plasmaanlage des Typs TePla 100-E der Firma Plasma Systeme 2 Minuten im Sauerstoffplasma behandelt (Druck: 1 mbar; 50 W). Alternativ können die Substrate auch ohne vorherige Reinigung durch 1-stündige Lagerung in einer Mischung aus konzentriertem Ammoniak, Wasserstoffperoxid-Lösung (25 gew.-%ig in Wasser) und Wasser im Volumenverhältnis 1:1:3 bei 60 °C und anschließendes Abspülen mit Wasser vorbehandelt werden. Die so behandelten Substrate wurden anschließend in entsalztem Wasser aufbewahrt.The Purified substrates were allowed to activate in a plasma system of the type TePla 100-E of the company Plasma Systeme 2 minutes in the oxygen plasma treated (pressure: 1 mbar, 50 W). Alternatively, the substrates can also without prior cleaning by 1 hour Storage in a mixture of concentrated ammonia, hydrogen peroxide solution (25 wt .-% in water) and water in the volume ratio 1: 1: 3 at 60 ° C and then rinsing with Water pretreated. The treated substrates were then in stored desalinated water.
Zur Aminofunktionalisierung wurde die plasmabehandelte Substratoberfläche zunächst mit einer Aminosilian-Monolage beschichtet. Hierzu wurde die aus dem Wasser entnommene und mit Stickstoff trockengeblasene Probe in eine Glovebox transferiert. Dort wurden die Substrate in einer 0,4%igen (v/v) Lösung von N-(3-(Trimethoxysilyl)-propyl)ethylendiamin in trockenem Toluol 16 h gelagert, anschließend mit Toluol gründlich gewaschen und vor Benutzung unter Stickstoffatmosphäre in der Glovebox mittels eines gefilterten Stickstoffstroms getrocknet.to Aminofunktionalisierung was the plasma-treated substrate surface initially with coated with an aminosilian monolayer. For this purpose, the from the Water taken and dry-blown with nitrogen sample into a Glove box transferred. There, the substrates were in a 0.4% (v / v) solution of N- (3- (trimethoxysilyl) -propyl) ethylenediamine stored in dry toluene for 16 h, then washed thoroughly with toluene and before use under a nitrogen atmosphere in the glove box by means of dried a filtered nitrogen stream.
2. Beschichtung der Substrate2. Coating of the substrates
Alle Maßnahmen erfolgten unter staubfreien Bedingungen (Reinraumbedingungen).All activities carried out under dust-free conditions (clean room conditions).
2.1 Allgemeine Vorschrift2.1 General rule
Zur Beschichtung aus wässrigem Medium wurde das Präpolymer in einer Mischung aus Wasser und N-Methylpyrrolidon im Volumenverhältnis 9:1 gelöst und unmittelbar im Anschluss daran mit Hilfe eines Spincoaters (Modell: WS-400A-6TFM/lite von der Firma: SPS) auf den nach 1 hergestellten, aminofunktionalisierten Glasobjektträger aufgebracht. Hierzu wurde zunächst das nicht rotierende, getrocknete Substrat mit der Präpolymerlösung vollständig benetzt, bevor die Lösung bei einer Endgeschwindigkeit von 4000 U/min für 40 Sekunden abgeschleudert wurde. Danach war die Probe trocken. Die Art des Präpolymers und die Konzentrationen an Präpolymer in der Lösung sind in Tabelle 2 angegeben: Tabelle 2: For coating from aqueous medium, the prepolymer was dissolved in a mixture of water and N-methylpyrrolidone in the volume ratio 9: 1 and immediately afterwards with the aid of a spin coater (model: WS-400A-6TFM / lite from the company: SPS) on the prepared according to 1, aminofunktiona laminated glass slide applied. For this purpose, first the non-rotating, dried substrate was completely wetted with the prepolymer solution before the solution was spun off for 40 seconds at a final speed of 4000 rpm. After that, the sample was dry. The type of prepolymer and the concentrations of prepolymer in the solution are given in Table 2: TABLE 2
2.2. Beschichtung aus wässrigem Medium unter Einbau von Zinkoxid-Nanopartikeln (Beschichtung Nr. 7)2.2. Coating off aqueous Medium incorporating zinc oxide nanoparticles (Coating No. 7)
Das
Präpolymer
aus Herstellungsbeispiel 2 wurde in einer 0,1 gew.-%igen Suspension
von Zinkoxid-Partikeln (mittlerer Teilchendurchmesser 8 nm, stabilisiert
mit Trioxadecansäure,
hergestellt nach
2.3 Beschichtung aus wässrigem Medium unter Einbau von Zinkoxid-Nanopartikeln und Silbernitrat (Beschichtung Nr. 8)2.3 Coating from aqueous Medium incorporating zinc oxide nanoparticles and silver nitrate (Coating No. 8)
Die Herstellung der Beschichtung erfolgte analog der unter 2.2 angegebenen Vorschrift unter Verwendung des Präpolymers aus Herstellungsbeispiel 3, wobei die Suspension von Zinkoxid-Partikeln zusätzlich 5 ppm Silbernitrat enthielt.The Preparation of the coating was carried out analogously to the specified under 2.2 Procedure using the prepolymer of Preparation Example 3, wherein the suspension of zinc oxide particles additionally 5 ppm Contained silver nitrate.
2.4 Beschichtung aus wässrigem Medium unter Einbau von Anoplin (Beschichtung Nr. 9)2.4 Coating from aqueous Medium under installation of Anoplin (coating no. 9)
Die Herstellung der Beschichtung erfolgte analog der unter 2.1 angegebenen Vorschrift unter Verwendung des Präpolymers aus Herstellungsbeispiel 3 in einer Konzentration von 10 mg/ml, wobei man anstelle einer Mischung von Wasser/N-Methylpyrrolidon eine 0.1 mM Lösung von Anoplin in Wasser verwendete.The Preparation of the coating was carried out analogously to that specified under 2.1 Procedure using the prepolymer of Preparation Example 3 in a concentration of 10 mg / ml, instead of one Mixture of water / N-methylpyrrolidone a 0.1 mM solution of Anoplin used in water.
III. Untersuchung der bakteriostatischen EigenschaftenIII. Investigation of bacteriostatic properties
1. Untersuchung der Besiedelung durch Staphylococcus Aureus (DSM 799)1. Investigation of colonization by Staphylococcus Aureus (DSM 799)
Ein nach II. 2.1 beschichteter Objektträger wurde mit einer Suspension von Staphylococcus Aureus überschichtet und 1 h bei 37 °C inkubiert. Anschließend wurde die Keimsuspension abgesaugt und der so behandelte Objektträger zweimal mit Wasser gewaschen. Nach Überführen in sterile 6-well Platten wurden der Objektträger mit CaSo-Agar überschichtet und 48 h bei 37 °C inkubiert. Dann wurde mikroskopisch die Anzahl der Keime entlang zweier Parallelen ausgezählt und nach Mittelwertbildung mit dem Referenzwert verglichen. Als Referenz diente eine mit Ethanol gereinigter Objektträger aus Glas. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 zusammengestellt: Tabelle 3: A slide coated according to II. 2.1 was overlaid with a suspension of Staphylococcus aureus and incubated for 1 h at 37 ° C. Subsequently, the germ suspension was aspirated and the so treated slides washed twice with water. After transfer to sterile 6-well plates, the slides were overlaid with CaSo agar and incubated at 37 ° C for 48 h. Then the number of germs along two parallels was counted microscopically and compared with the reference value after averaging. The reference was a glass slide cleaned with ethanol. The results are summarized in Table 3: Table 3:
2. Untersuchung der Besiedelung durch Pseudomonas Aeruginosa (DSM 939)2. Investigation of colonization by Pseudomonas aeruginosa (DSM 939)
Ein nach II. 2.1 beschichteter Objektträger wurde mit einer Suspension von Pseudomonas Aeruginosa überschichtet und 1 h bei 37 °C inkubiert.One after II. 2.1 coated slide was with a suspension overlaid by Pseudomonas aeruginosa and 1 h at 37 ° C incubated.
Anschließend wurde die Keimsuspension abgesaugt und der so behandelte Objektträger zweimal mit Wasser gewaschen. Nach Überführen in sterile 6-well Platten wurden der Objektträger mit CaSo-Agar überschichtet und 48 h bei 37 °C inkubiert. Da eine quantitative Auswertung nicht möglich war, wurde visuell die Anzahl der Keime abgeschätzt und die Qualität der Beschichtung nach der im Folgenden angegebenen Skala beurteilt. Als Referenz diente eine mit Ethanol gereinigter Objektträger aus Glas. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 zusammengestellt:Subsequently was aspirated the germ suspension and the so treated slide twice washed with water. After transferring to sterile 6-well plates became the slide covered with CaSo agar and 48 h at 37 ° C incubated. Since a quantitative evaluation was not possible, was visually estimated the number of germs and the quality of the coating assessed according to the scale given below. For reference served with a glass slide cleaned with ethanol. The results are summarized in Table 4:
- 33
- Beträchtlich geringer als KontrollwertConsiderably less than control value
- 22
- geringer als Kontrollwertless than control value
- 11
- Etwas geringer als KontrollwertSlightly lower than passphrase
- 00
- entspricht Kontrollwertcorresponds to control value
Tabelle 4 Table 4
3. Untersuchung der Verringerung der Bakterienbesiedlung3. Examination of the reduction the bacterial colonization
Glasobjektträger, hergestellt nach II 2.1, wurden mit jeweils mit einem auf das 20-fache verdünnten Kulturmedium, das mit einer Mischung aus Gram-positiven und Gram-negativen Bakterien beimpft war, 6 h bei 30 °C inkubiert. Die so behandelten Objektträger wurden getrocknet. Anschließend färbte man die Objektträger mit Safranin O an. Das auf dem Glasobjektträger gebundene Safranin O wurde mit Dimethylsulfoxid extrahiert und photometrisch bei einer Wellenlänge von 492 nm quantifiziert.Glass slide, made according to II 2.1, were each diluted with a 20 times diluted culture medium, that with a mixture of gram-positive and Gram-negative bacteria were inoculated for 6 hours at 30 ° C. The slides treated in this way were dried. Subsequently colored one with the slides Safranine O on. The Safranin O bound on the glass slide became extracted with dimethyl sulfoxide and photometrically at a wavelength of 492 nm quantified.
Die Differenz zwischen der Absorption der farbstoffhaltigen Probe und der Absorption von reinem DMSO (0-Wert) entspricht der Menge des auf dem Objektträger gebundenen Safranins und korreliert daher mit der Menge der den Objektträger besiedelnden Bakterien. Durch Vergleich mit einem nicht beschichteten Objektträger aus Glas (Referenz) ergibt sich die Verringerung der Biofilm-Bildung in %.The Difference between the absorption of the dye-containing sample and The absorption of pure DMSO (0 value) corresponds to the amount of on the slide bound Safranins and therefore correlates with the amount of the slides colonizing bacteria. By comparison with an uncoated slide Glass (reference) results in the reduction of biofilm formation in %.
Die Messung erfolgte als Doppelbestimmung, d. h. es wurden zwei Proben parallel getestet und der Mittelwert zur Bestimmung der Verringerung der Biofilm-Bildung herangezogen.The measurement was carried out as a double determination, ie two samples were tested in parallel and the Mean used to determine the reduction in biofilm formation.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 zusammengefasst. Tabelle 5 The results are summarized in Table 5. Table 5
4. Untersuchung des "Leachings"4. Investigation of "leaching"
Die beschichteten Objektträger Nr. 1 bis Nr. 7 wurden in einer Suspension, enthaltend Dermacoccen und Bradyrhizobium (105 KBE/ml) 6 Tage bei Raumtemperatur inkubiert. Anschließend wurde die Anzahl der Keime in der Suspension bestimmt. In allen Fällen lag die Keimkonzentration oberhalb 107 KBE/ml. Es wurden somit keine biozid wirkenden Substanzen an die Keimsuspension abgegeben (KBE = Kolonie-bildende Einheiten).The coated slides Nos. 1 to 7 were incubated in a suspension containing Dermacocci and Bradyrhizobium (10 5 CFU / ml) for 6 days at room temperature. Subsequently, the number of germs in the suspension was determined. In all cases the germ concentration was above 10 7 cfu / ml. Thus, no biocidal substances were released to the germ suspension (CFU = colony-forming units).
5. Untersuchung der Stabilität der Beschichtungen gegenüber Alterung und gegenüber mechanischer Belastung bezüglich ihrer bakteriostatischen Eigenschaften.5. Investigation of the stability of the coatings across from Aging and opposite mechanical stress their bacteriostatic properties.
Ein Haftklebstoffband wurde auf einer der gemäß II.2.1 hergestellten Beschichtung aufgeklebt und wieder entfernt. Die Beschichtung zeigte im Wesentlichen unveränderte bakteriostatische Eigenschaften.One Pressure-sensitive adhesive tape was applied to one of the coatings prepared according to II.2.1 glued on and removed. The coating essentially showed unchanged bacteriostatic properties.
Die nach II.2.1 erhaltenen Beschichtungen zeigten auch nach 3 Monaten Lagerung an Luft bei Raumtemperatur unveränderte bakteriostatische Eigenschaften.The Coatings obtained according to II.2.1 also showed after 3 months Storage in air at room temperature unchanged bacteriostatic properties.
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