DE19720370A1

DE19720370A1 - Bioaktive Beschichtung von Oberflächen

Info

Publication number: DE19720370A1
Application number: DE19720370A
Authority: DE
Inventors: Christine Dr Anders; Guenter Dr Lorenz; Hartwig Prof Dr Hoecker
Original assignee: Huels AG; Chemische Werke Huels AG
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1997-01-03
Filing date: 1997-05-15
Publication date: 1998-07-09

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur bioaktiven Beschichtung der Oberfläche von Substraten, vorzugsweise von Kunststoff- (oder Polymer)substraten durch Pfropfpolymerisation. Eine wichtige Eigen schaft der erfindungsgemäß aufgebrachten Beschichtungen ist ihre gute Verträglichkeit im Kontakt mit Körperflüssigkeiten und Gewebe. Je nach Funktionalität der Beschichtungsmonomeren bzw. nach dem Molverhältnis bestimmter funktioneller Gruppen in der Beschichtung werden die Oberflächen darüber hinaus bakterienabweisend und zell proliferationshemmend oder bakterienabweisend und zellprolifera tionsfördernd. Die Erfindung betrifft weiterhin Gegenstände mit derart beschichteten Oberflächen sowie die Verwendung dieser Gegen stände für medizinische oder biotechnische Zwecke.

Die Ansiedelung und Vermehrung von Bakterien auf Oberflächen ist eine in der Regel unerwünschte Erscheinung, die häufig mit nachtei ligen Folgen verbunden ist. So können in der Trinkwasser- und Getränketechnik Bakterienpopulationen zu einer gesundheitsgefähr denden Qualitätsminderung führen. Bakterien auf oder in Verpackun gen bewirken häufig den Verderb von Lebensmitteln oder verursachen sogar Infektionen bei dem Verbraucher. In steril zu betreibenden biotechnischen Anlagen stellen systemfremde Bakterien ein erhebli ches prozeßtechnisches Risiko dar. Solche Bakterien können mit Roh stoffen eingetragen werden oder bei mangelhafter Sterilisation in allen Anlageteilen zurückbleiben. Teile der Bakterienpopulation können sich durch Adhäsion dem normalen Flüssigkeitsaustausch beim Spülen und Reinigen entziehen und sich im System vermehren.

Weiterhin sind Bakterienansiedelungen in Wasseraufbereitungsanlagen (z. B. zur Entsalzung durch Membranen) oder auch in Behältern be kannt, die mit gelösten oder flüssigen unverdünnten organischen Substanzen gefüllt sind und für Bakterienpopulationen vorteilhafte Bedingungen aufweisen. Solche mikrobiellen Belegungen können in erheblichem Umfang zur Blockierung und/oder korrosiven Zerstörung der Anlage führen.

Besondere Bedeutung kommt dem Schutz vor Bakterienanhaftung und -ausbreitung in der Ernährung, der Pflege, hier insbesondere in der Altenpflege, und in der Medizin zu. Bei Massenbeköstigungen oder -ausschank existieren besonders dann erhebliche Risiken, wenn zur Vermeidung von Abfall von Einweggeschirr abgesehen wird und eine nur unzureichende Reinigung des Mehrweggeschirrs erfolgt. Die schädliche Ausbreitung von Bakterien in lebensmittelführenden Schläuchen und Rohren ist ebenso bekannt wie die Vermehrung in Lagerbehältern sowie in Textilien in feuchter und warmer Umgebung, z. B. in Bädern. Solche Einrichtungen sind bevorzugte Lebensräume für Bakterien, ebenso wie bestimmte Oberflächen in Bereichen mit hohem Publikumsverkehr, so z. B. in öffentlichen Verkehrsmitteln, Krankenhäusern, Telefonzellen, Schulen und insbesondere in öffent lichen Toiletten.

In der Alten- und Krankenpflege erfordern die häufig geminderten Abwehrkräfte der Betroffenen sorgfältige Maßnahmen gegen Infektio nen, insbesondere auf Intensivstationen und in der häuslichen Pfle ge.

Besondere Sorgfalt bedarf die Verwendung medizinischer Gegenstände und Geräte bei medizinischen Untersuchungen, Behandlungen und Ein griffen, vor allem dann, wenn derartige Geräte oder Gegenstände mit lebendem Gewebe oder mit Körperflüssigkeiten in Kontakt kommen. Im Falle von Langzeit- oder Dauerkontakten, beispielsweise bei Implan taten, Kathetern, Stents, Herzklappen und Herzschrittmachern, kön nen Bakterienkontaminationen zu einem lebensbedrohenden Risiko für den Patienten werden.

Es wurde bereits auf vielfältige Weise versucht, die Ansiedelung und Ausbreitung von Bakterien auf Oberflächen zu unterbinden. In J. Microbiol. Chemoth. 31 (1993), 261-271 beschreiben S.E. Tebbs und T.S.J. Elliott lackartige Beschichtungen mit quaternären Ammonium salzen als antimikrobiell wirkenden Komponenten. Es ist bekannt, daß diese Salze von Wasser, wäßrigen oder anderen polaren Medien sowie von Körperflüssigkeiten aus dem Beschichtungsmaterial heraus gelöst werden und ihre Wirkung somit nur von kurzer Dauer ist. Dies gilt gleichermaßen für die Einarbeitung von Silbersalzen in Beschichtungen, so beschrieben in WO 92/18098.

T. Ouchi und Y. Ohya beschreiben in Progr. Polym. Sci. 20 (1995), 211 ff., die Immobilisierung von bakteriziden Wirkstoffen auf Polymer oberflächen durch kovalente Bindung oder ionische Wechselwirkungen. Häufig sind in solchen Fällen die keimtötenden Wirkungen gegenüber dem reinen Wirkstoff deutlich reduziert. Heteropolare Bindungen er weisen sich oft als nicht hinreichend stabil. Darüber hinaus führt die Keimabtötung in der Regel zu unerwünschten Ablagerungen auf den Oberflächen, die die weitere bakterizide Wirkung maskieren und die Grundlage für eine nachfolgende Bakterienbesiedelung bilden.

W. Kohnen et al. berichten in ZBl. Bakt. Suppl. 26, Gustav Fischer Verlag, Stuttgart-Jena-New York, 1994, Seiten 408 bis 410, daß die Adhäsion von Staphylococcus epidermidis auf einem Polyurethanfilm vermindert wird, wenn der Film durch eine Glimmentladung in Gegen wart von Sauerstoff vorbehandelt und dann mit Acrylsäure gepfropft wird.

Wie erwähnt, ist es wichtig, daß bei Verwendung medizinischer Ge genstände und Geräte bei medizinischen Untersuchungen, Behandlungen und Eingriffen eine Bakterienkontamination dieser Gegenstände und Geräte verhindert wird. Bei manchen dieser Gegenstände und Geräte, die mittel- oder langfristig mit lebendem Gewebe oder Körperflüs sigkeiten in Kontakt kommen, ist zudem eine Haftung und Ausbreitung von körpereigenen Zellen ausgesprochen unerwünscht. So sind Zellbe siedelungen bei mittelfristig intrakorporal applizierten Kathetern ebenso schädlich wie bei langfristig implantierten Stents oder Herzklappen.

Weiterhin kann die Transparenz von Intraokularlinsen infolge von Zellbesiedelung nach der Implantation kontinuierlich abnehmen. Eine Reihe von Verfahren zielt darauf ab, eine Zellbesiedelung, bei spielsweise durch die Einarbeitung bestimmter Metalle oder Metall salze in die Halterung der Intraokularlinse zu vermeiden, wobei die Wirkung jedoch meist unvollständig und nicht nachhaltig ist. Auch in WO 94/16648 wird ein Verfahren beschrieben, durch das die Proli feration von Zellen auf der Oberfläche von implantierten Okularlin sen aus Polymermaterial verhindert werden soll.

Gemäß EP 0 431 213 sollen Polymere mit zellabweisenden Eigenschaf ten ausgestattet werden, indem ihre Oberfläche mit starken Mineral säuren hydrophiliert wird. Die nachträgliche chemische Modifikation von Polymeroberflächen ist jedoch meist nicht gleichmäßig. Es blei ben in der Regel nicht oder nicht ausreichend behandelte Stellen zurück, die Ausgangspunkte für eine Zellbesiedelung bilden. Weiter hin sind die zellabweisenden Eigenschaften der so behandelten Ober flächen häufig nicht dauerhaft.

Andererseits sind für bestimmte Verwendungen Gegenstände mit Ober flächen erwünscht, die bakterienabweisend sind, aber die Besiede lung mit Zellen fördern. Das gilt z. B. für eine Reihe von Geräten für medizinische Untersuchungen. Behandlungen und Eingriffe und ebenso für manche Prothesen, die in das Gewebe einwachsen sollen, in das sie implantiert wurden. Solche Geräte und Prothesen, z. B. künstliche Hüftgelenke oder Zähne, bestehen häufig aus polymerum mantelten Materialien, wie Titan.

Schließlich müssen Materialien für Geräte und Vorrichtungen, die mit Körperflüssigkeiten, wie Blut oder Lymphe, oder mit Gewebe in Kontakt kommen, verträglich für ihre fremde Umgebung sein. Insbe sondere ist Blutverträglichkeit eine wichtige erwünschte Eigen schaft. Die Materialien müssen also möglichst ausgeprägte anti thrombische Eigenschaften haben.

Es gibt also verschiedene, einander teilweise ausschließende Anfor derungen an die bioaktiven Eigenschaften der Oberfläche von Polyme ren, die für medizinische Verwendungen bestimmt sind. Sie sollen stets bakterienabweisend und verträglich mit Körperflüssigkeiten und Gewebe sein, aber wahlweise zellproliferationshemmend oder -fördernd wirken.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein verbesser tes Verfahren zur Beschichtung von Oberflächen zu entwickeln, mit dem die Oberflächen bioaktiv, nämlich bakterienabweisend und ver träglich für Körperflüssigkeiten und Gewebe sowie wahlweise zell proliferationshemmend oder -fördernd beschichtet werden können, oh ne daß die mechanischen Eigenschaften der behandelten Materialien dadurch verändert werden oder sonstige erhebliche Nachteile eintre ten.

Es wurde überraschenderweise gefunden, daß sich die Oberfläche von Substraten, insbesondere von polymeren Substraten, vorteilhaft bioaktiv beschichten läßt, wenn man mindestens ein Monomer der all gemeinen Formel

Formel I: R-(A)_a

in der
R einen ein- oder zweifach olefinisch ungesättigten orga nischen Rest, beispielsweise einen Kohlenwasserstoff rest, mit der Wertigkeit a bedeutet,
A eine Carboxylgruppe -COOH, Schwefelsäuregruppe -OSO₂OH, Sulfonsäuregruppe -SO₃H, Phosphorsäuregruppe -OPO(OH)₂ Phosphonsäuregruppe -PO(OH)₂ Phosphorigsäuregruppe -OP(OH)₂, phenolische Hydroxylgruppe oder ein Salz oder einen Ester einer der genannten Gruppen bezeichnet, und
a für eine ganze Zahl von 1 bis 6 steht,
strahleninduziert auf einer aktivierten Substratoberfläche pfropf polymerisiert, mit der Maßgabe, daß ein Monomer I, in dem A die Carboxylgruppe -COOH oder ein Salz oder einen Ester der Carboxyl gruppe bedeutet, entweder mindestens einen weiteren Rest A mit ei ner anderen der für A genannten Bedeutungen enthält oder zusammen mit mindestens einem weiteren Monomeren I verwendet wird, in dem A eine andere der für A genannten Bedeutungen hat.

Unter den Salzen der für A genannten Gruppen werden die Alkalisal ze und insbesondere die Natriumsalze bevorzugt.

Das gemeinsame Kennzeichen der Monomeren der Formel I ist, daß sie 1 oder 2 olefinische Doppelbindungen sowie mindestens eine saure Gruppe oder ein bestimmtes Derivat, nämlich ein Salz oder einen Ester, einer sauren Gruppe aufweisen.

Durch Plasma-induzierte Pfropfpolymerisation von funktionellen Mono meren erzeugte Beschichtungen auf verschiedenen Substraten sind z. B. aus B. Lassen et al., Clinical Materials 11 (1992), 99-103, be kannt und auf Biokompatibilität untersucht worden. Eine aktivieren de Vorbehandlung wird nicht erwähnt. Zudem ist Plasma kein optima ler Polymerisationsinitiator. H. Yasuda spricht dementsprechend in J. Polym. Sci.: Macromolecular Review, Vol. 16 (1981), 199-293, von der undefinierten und nicht kontrollierbaren Chemie der Plasma-Po lymerisation. Dies mag für manche Zwecke akzeptabel sein, ist je doch für medizinische und biotechnische Anwendungen problematisch, weil es gerade hier auf reproduzierbare Beschichtungen von gleich bleibend hoher Qualität besonders ankommt.

Überraschenderweise sind die bakterienabweisenden Eigenschaften der erfindungsgemäß mit einem carboxyl-, carboxylat- oder carbonester gruppenhaltigen Monomeren I zusammen mit einem anderen Monomeren I beschichteten Oberflächen deutlich stärker ausgeprägt als dies bei der Modifizierung mit Acrylsäure nach W. Kohnen et al., loc. cit., unter vergleichbaren Bedingungen der Fall ist.

Die erfindungsgemäß beschichteten Oberflächen zeigen eine bemer kenswerte Kombination vorteilhafter Eigenschaften und daher eine hervorragende physiologische Verträglichkeit. Sie sind insbesondere gut blutverträglich und vermindern die Adhäsion und Vermehrung von Bakterien in einem hohen Maße auch über längere Zeit. Von dieser Wirkung betroffene Bakterien sind u. a. Staphylococcus aureus, Sta phylococcus epidermidis, Streptococcus pyogenes, Klebsiella pneumo niae, Pseudomonas aeroginosa und Escherichia coli. Gleichzeitig wird meistens auch die Proliferation von Zellen inhibiert, bei spielsweise von Fibroblasten und Endothelzellen, wie menschlichen Nabelschnurzellen. Die besonderen Bedingungen, unter denen eine Beschichtung bakterienabweisend, aber zellproliferationsfördernd sind, werden später erläutert. Die Oberflächen der erfindungsgemäß beschichteten Substrate sind frei von migrationsfähigen und/oder extrahierbaren Monomer- und Oligomeranteilen. Unerwünschte Neben wirkungen durch freigesetzte körperfremde Stoffe oder durch abgetö tete Bakterien werden von vornherein vermieden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Substratoberflächen zunächst, wie in der Folge näher beschrieben, aktiviert und an schließend unter Einwirkung von UV-Licht durch schonende Pfropfpo lymerisation oder -copolymerisation beschichtet.

1. Die Monomeren

Bei der Pfropf(co)polymerisation setzt man z. B. als Monomer I vor teilhaft eine Mischung von Monomeren der allgemeinen Formeln II oder III

Formel II : (C_nH_2n-q-x)(COOR¹)_x

Formel III: (C_nH_2n-q-x)(SO₃R¹)_x

ein. In den Formeln, die in der allgemeinen Formel I eingeschlossen sind, steht

n jeweils unabhängig für eine ganze Zahl von 2 bis einschließ lich 6;
x jeweils unabhängig für 1 oder 2;
q jeweils unabhängig für 0 oder 2; und

bedeutet der Rest R¹ jeweils unabhängig -H, ein Äquivalent ei nes Metallions, insbesondere ein Alkalimetallion, einen Rest eines aliphatischen, cycloaliphatischen oder araliphatischen Alkohols, vorzugsweise eines Alkanols mit 1 bis 6, insbesonde re mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, eines Cycloalkanols mit 5 bis 12 Kohlenstoffatomen, eines Arylalkanols mit 7 bis 10 Koh lenstoffatomen oder eines Alkanols mit Sauerstoff- und/oder Stickstoffatomen in der Kette und bis zu 12 Kohlenstoffatomen,
wie -(CH₂-CH₂-O)_d-H, -(CH₂-CH(CH₃)-O)_d-H, -(CH₂-CH₂-CH₂-O)_d-H
oder -(CH₂)_d-NH_2-e(R²)_e, wobei R² für -CH₃ oder -C₂H₅, d für 1, 2, 3 oder 4 und e für 0, 1 oder 2 steht.

Den gegebenen Definitionen entsprechend bedeutet der Rest (C_nH_2n-q-x) jeweils unabhängig einen geradkettigen oder verzweig ten einwertigen Alkenylrest (q = 0, x = 1) oder Alkadienylrest (q = 2, x = 1) oder einen zweiwertigen Alkenylenrest (q = 0, x = 2) oder Alkadie nylenrest (q = 2, x = 2).

Anstelle von zwei Monomeren II und III kann man auch nur ein Mono mer (II + III) einsetzen, das die Gruppen -COOR¹ und -SO₃R¹ in dem selben Molekül enthält.

Auch vom Benzol abgeleitete Monomere der allgemeinen Formel

Formel IV: (C₆H_6-b-c-d)B_bR³ _c(OH)_d

können eingesetzt werden, worin
B jeweils unabhängig einen ein- oder zweiwertigen geradketti gen oder verzweigten Rest der Formeln (C_nH_2n-1-q-x)(COOR¹)_x oder (C_nH_2n-1-q-x)(SO₃R¹)_x bedeutet, wobei R¹, n, q und x wie zuvor definiert sind;
R³ jeweils unabhängig C_1-4-Alkyl, -NH₂, -COOH, -SO₃H, -OSO₃H, -OPO(OH)₂, -PO(OH)₂, -OP(OH)₂, -OPO(O⁻)OCH₂-CH₂-N⁺(CH₃)₃, -PO(O⁻)O-CH₂-CH₂-N⁺(CH₃)₃, -OP(O⁻)OCH₂-CH₂-N⁺(CH₃)₃ oder gegebenenfalls ein Salz, insbesondere ein Alkalisalz, oder einen Ester der genannten Gruppen bedeutet:

b für 1, 2, oder 3 steht;
c für 0, 1, 2, oder 3 steht; und
d für 0, 1, 2, oder 3 steht;

mit der Maßgabe, daß b + c + d ≦ 6, vorteilhaft ≦ 4 ist.

Natürlich können auch beliebige Mischungen von Monomeren der allge meinen Formeln II, III und IV für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden.

Andere geeignete Monomere sind der Formel I entsprechende neutrale oder saure Schwefelsäureester und Salze der letzteren; Sulfonsäuren, deren Salze und Ester; Phosphonsäuren, deren neutrale oder saure Salze, neutrale oder saure Ester sowie Salze der letzteren; Phos phorsäureester, deren neutrale oder saure Salze, neutrale oder sau re Ester sowie Salze der letzteren; und Phosphorigsäuren, deren neutrale oder saure Salze, neutrale oder saure Ester sowie Salze der letzteren. Auch diese Monomeren können im Gemisch untereinander und/oder mit den Monomeren der allgemeinen Formeln II, III und IV für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden.

Schließlich seien noch 1 bis 3-wertige (oder -basische) Phenole so wie deren Salze, die der Formel I entsprechen, als geeignete Mono mere erwähnt. Auch sie werden gegebenenfalls im Gemisch untereinan der und/oder mit den zuvor erwähnten Monomeren eingesetzt.

Für das erfindungsgemäße Verfahren hat sich eine Kombination aus Monomeren I bis IV bewährt, die zu Beschichtungen führt, welche ei nerseits Carboxyl- und/oder Carboxylatgruppen und andererseits Sul fonsäure- und/oder Sulfonatgruppen aufweisen. Es gibt unter dem Aspekt der Verträglichkeit hinsichtlich der genannten Gruppen drei mögliche Zweierkombinationen, nämlich Carboxyl - und Sulfonsäure gruppen, Carboxyl- und Sulfonatgruppen sowie Carboxylat- und Sulfo natgruppen, weiterhin zwei Dreierkombinationen, nämlich Carboxyl-, Carboxylat- und Sulfonatgruppen sowie Carboxyl-, Sulfosäure- und Sulfonatgruppen. Alle diese Kombinationen charakterisieren brauch bare Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Natürlich ist es auch möglich, Monomere einzusetzen, deren funktionelle Grup pen nach der Pfropfpolymerisation verändert werden. So kann man z. B. den Acrylamid-Baustein nachträglich durch Hydrolyse in saurem Medium in den Acrylsäure-Baustein umwandeln. Weiterhin kann man Carboxyl- und Sulfonsäuregruppen durch Neutralisieren (z. B. in Phosphatpuffern) sowie Carbonester- und Sulfosäureestergruppen durch Hydrolyse in Carboxylat- bzw. Sulfonatgruppen überführen.

In der genannten Kombination kann das molare Verhältnis von Carb oxyl- und/oder Carboxylatgruppen zu Sulfonsäure- und/oder Sulfonat gruppen in der Beschichtung in weiten Grenzen schwanken. Besonders ausgeprägte zellproliferationsinhibierende Eigenschaften werden er zielt, wenn das genannte Verhältnis 0,2 bis 3, vorteilhaft 0,4 bis 3 und insbesondere 0,4 bis 2 beträgt. Die beschichteten Oberflächen zeigen in bemerkenswerter Weise bakterienabweisende, aber zellpro liferationsfördernde Eigenschaften, wenn das besagte molare Ver hältnis 2 bis 10, vorteilhaft 3 bis 10 und insbesondere 3 bis 5 be trägt. Zellproliferationsfördernd im Sinne der Erfindung ist eine Beschichtung dann, wenn die Haftung und Vermehrung von Säugetier zellen durch die Beschichtung im Vergleich zu der unbeschichteten Oberfläche verbessert oder jedenfalls weniger stark beeinträchtigt wird als die Haftung und Vermehrung von Bakterien.

Von den geeigneten Monomeren der allgemeinen Formeln I bis IV, die eine oder mehrere gleiche oder verschiedene Reste A im Molekül ent halten, seien beispielsweise genannt:
Acrylsäure, Natriumacrylat, Isobutylacrylat, 2-Ethylhexylacrylat, 2-Hydroxyethylacrylat, 2-(2'-Hydroxyethoxy)ethylacrylat, 2-Hydroxy-1-me thylethylacrylat, 2-N,N-Dimethylaminoethylacrylat, Methacryl säure, Natriummethacrylat, n-Propylmethacrylat, 2-Hydroxyethylmeth acrylat, 2-(2'-Hydroxyethoxy)ethylmethacrylat, 2-Hydroxy-1-methyl ethylmethacrylat, 2-N,N-Dimethylaminoethylmethacrylat,
Diethylenglykolmethacrylat, Triethylenglykoldiacrylat, 4-Vinylsali cylsäure, Itaconsäure, Vinylessigsäure, Zimtsäure, 4-Vinylbenzoe säure, 2-Vinylbenzoesäure, Sorbinsäure, Kaffeesäure, Maleinsäure, Methylmaleinsäure, Crotonsäure, Isocrotonsäure, Fumarsäure, Dime thylfumarsäure, Methylfumarsäure, Dihydroxymaleinsäure, Allylessig säure;
Natriumallylsulfat, Natriumallylsulfonat, Natriummethallylsulfat Natriummethallylsulfonat, Natriumvinylsulfonat, Vinylsulfonsäu re-2-hydroxyethylester, 4-Vinylbenzolsulfonsäure, Natriumstyrolsulfo nat, Natriumvinyltoluolsulfonat;
Buten-(2)-diol-(1,4)-diphosphat, Buten-(2)-diol-(1,4)-diphosphonat, die Dinatriumsalze der beiden Phosphate bzw. Phosphonate, Diallyl phosphit;
2-Vinylphenol, 2-Allylhydrochinon, 4-Vinylresorcin, m-Hydroxysty rol, o-Hydroxystyrol, p-Hydroxystyrol, Carboxyl-vinylbenzolsulfon säure.

Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet man als Monomer I eine Mischung aus Monomeren der allge meinen Formeln V und VI

In den Formeln I und II bedeuten
R¹ Wasserstoff oder den Methylrest,
R² einen zweiwertigen organischen Rest, vorzugsweise einen aliphatischen, cycloaliphatischen oder aromatischen Koh lenwasserstoffrest mit bis zu 10 Kohlenstoffatomen, oder eine C-C-Einfachbindung,
R³ -O- oder -NH-,
R⁴ Wasserstoff oder den Rest -SO_3⁻Na⁺,
R⁵ Wasserstoff, den Methylrest oder den Rest -R²-COO⁻Na⁺,
R⁶ Wasserstoff oder Na und
n 4 oder 5;
mit der Maßgabe, daß mindestens einer der Substituenten R⁴ ein Rest -SO_3⁻Na⁺ ist.

In bevorzugten Monomeren V und VI bedeutet
R¹ Wasserstoff,
R² einen Alkylenrest mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, einen Phenylenrest oder eine C-C-Einfachbindung,
R³ -O- oder -NH-,
R⁴ Wasserstoff oder den Rest -SO_3⁻Na⁺,
R⁵ Wasserstoff oder den Rest -R²-COO⁻Na⁺
R⁶ Wasserstoff oder Na und steht
n für 4.

Die Monomeren V enthalten modifizierte Zuckerreste, vorzugsweise von Pentosen und insbesondere von Arabinose. Die Zuckerreste ent halten mindestens einen der Reste -O-SO_3⁻Na⁺ (O-Sulfat) oder -NH-SO_3⁻Na⁺ (N-Sulfat), bevorzugt benachbart zu dem Rest R². Sie weisen vorzugsweise 1 bis 4 dieser Reste auf. In einem Zuckerrest können O-Sulfat- und N-Sulfatreste gleichzeitig vorliegen, wobei dann der N-Sulfatrest bevorzugt benachbart zum Rest R² positioniert ist. Alternativ kann der Zuckerrest aber auch ausschließlich eine Art dieser Reste enthalten, z. B. nur O-Sulfatreste. Jede der ge nannten Spezies (nur O-Sulfat enthaltende sowie N-Sulfat-haltige Reste) ist für sich allein oder zusammen mit der anderen Spezies als Monomer V geeignet. Das Mischungsverhältnis beträgt also 0 : 100 bis 100 : 0.

Das Mengenverhältnis, in dem die Monomeren V und VI eingesetzt wer den kann, in weiten Grenzen schwanken. So kann das Molverhältnis der N-Sulfat- und/oder O-Sulfatgruppen des Monomers V zu den Carb oxyl- und/oder Carboxylatgruppen des Monomers VI bespielsweise 1 : 100 bis 100 : 1 betragen. Bevorzugte Molverhältnisse liegen zwi schen 1 : 20 und 20 : 1.

Die Herstellung der Monomeren V ist in der deutschen Patentanmel dung . . . (O.Z. 5195) im einzelnen beschrieben. Sie sei hier anhand eines Spezialfalles erläutert, der von D-Glu cono-1,5-lacton 1 ausgeht und zu einem Monomer V führt, das von einer Pentose, nämlich der D-Arabinose, abgeleitet ist. Der Fachmann wird jedoch das Verfahren ohne weiteres auf andere geeignete Edukte übertragen können.

In einer ersten Stufe werden die Hydroxylgruppen des Lactons 1 durch Acetalisierung geschützt, z. B. mit Aceton in Methanol als Lösemittel. Dabei wird das Lacton gespalten, und man erhält ein Isomerengemisch aus Methyl-3,4;5,6-di-O-isopropyliden-D-gluconat 2 und Methyl-2,3;5,6-di-O-isopropyliden-D-gluconat 3. Dieses Gemisch wird in einer zweiten Stufe reduziert, z. B. mit Lithiumaluminiumhy drid, wodurch die Carbonesterfunktion zur Carbinolfunktion wird. Man erhält wiederum ein Isomerengemisch, nämlich 3,4;5,6-Di-O-iso propyliden-D-sorbit 4 und 2,3;5,6-Di-O-isopropyliden-D-sorbit 5. In einer dritten Stufe wird dieses Isomerengemisch mit einem Oxida tionsmittel, wie Natriumperiodat, unter Spaltung der Kohlenstoff kette zu einem einheitlichen Produkt, dem Arabinosealdehyd 2,3;4,5-Di-O-iso propylidenaldehydo-D-arabinose 6 oxidiert. In der anschlie ßenden vierten Stufe wird eine Vinylfunktion eingeführt, z. B. durch eine Grignard-Reaktion mit 4-Vinylphenylmagnesiumchlorid. Man er hält ein teilgeschütztes 4-Vinylphenylpentanpentaol, 2,3;4,5-Di-O-iso propyliden-1-(4-vinylphenyl)-D-gluco(D-manno)-pentitol 7, das in der Folge kurz als Arasty bezeichnet wird.

Diese Stufenfolge 1 bis 4 wird durch das folgende Reaktionsschema veranschaulicht:

Diese Reaktionsfolge ist von H. Regeling et al., Recl. Trav. Chim. Pays-Bas 1987 (106), 461; D.Y. Jackson, Synth. Commun. 1988 (18), 337; und G. Wulff et al., Macromol. Chem. Phys. 1996 (197), 1285 näher beschrieben worden.

Zur Herstellung einer dem Arasty 7 entsprechenden Verbindung mit einer Aminogruppe in 1-Stellung kann man Arasty in einer ersten Stufe zum entsprechende Keton, (2,3;4,5-Di-O-isopropyliden-D-arabi no)-(4-vinylphenyl)-keton 8, oxidieren. Dieses wird in einer zweiten Stufe reduktiv zum Amin 1-Amino-1-desoxy-2,3;4,5-di-O-isopropyli den-1-(4-vinylphenyl)-D-gluco(D-manno)-pentitol 9 umgewandelt. Diese Reaktionsfolge wird durch das folgende Formelschema erläutert:

In der ersten Stufe kann Arasty Z z. B. mit dem Komplex (?) aus Oxa lylchlorid und Dimethylsulfoxid bei einer Temperatur von < -50°C in einem inerten Lösemittel oxidiert werden. Die reduktive Aminierung in der zweiten Stufe erreicht man vorteilhaft mit Natriumcyanobor hydrid als Reduktionsmittel in Gegenwart von Ammoniumacetat in ei nem Lösemittel unter Wasserausschluß bei Raumtemperatur.

Heparin enthält ungeschützte Hydroxylgruppen und ist O-sulfatiert und N-sulfatiert. Die Verbindungen 7 und 9 werden daher in einer ersten Stufe entschützt (deacetalisiert) und in einer zweiten Stufe und/oder N-sulfatiert, damit das aus ihnen hergestellte Polymer möglichst weitgehend heparinanalog ist. Die Entschützung gelingt in saurem Medium, in dem Ketale nicht beständig sind. Man erhitzt die geschützten Verbindungen z. B. mit verdünnter Mineralsäure oder ei nem sauren Ionenaustauscher und erhält aus 7 1-Hydroxy-1-desoxy-1-(4-vi nylphenyl)-D-gluco(D-manno)-pentitol 10 und aus 9 das 1-Ami no-1-desoxy-1-(4-vinylphenyl)-D-gluco(D-manno)-pentitol 11. Die Ent schützung und die nachfolgende Sulfatierung werden durch das fol gende Formelschema wiedergegeben:

Die beiden Verbindungen 10 und 11 werden sulfatiert, zweckmäßig mittels eines Schwefeltrioxid-Pyridin-Komplexes. Wegen der vorweg genommenen Deacetalisierung kommt es bei der Sulfatierung nicht zu einem einheitlichen Produkt mit einer oder mehreren Sulfatgruppen in definierten Positionen. Es sollten jedoch die primären Hydroxyl gruppen und die Aminogruppen bevorzugt sulfatiert werden. Durch Wahl eines geeigneten Molverhältnisses von Schwefeltrioxid zu Hydroxyl- bzw. Aminogruppen kann der Sulfatierungsgrad geregelt werden. Vorteilhaft wird durchschnittlich mehr als eine Sulfatgrup pe pro Molekül eingeführt, da Heparin etwa 2,7 Sulfatgruppen pro Disaccharideinheit (entsprechend 1,35 Sulfatgruppen pro Molekül Monomer I) enthält. Durch Sulfatierung der entschützten Aminverbin dung 11 erhält man gleichzeitig O-Sulfat- und N-Sulfatgruppen im Molekül, was im Hinblick auf die die angestrebte Heparinanalogie erwünscht ist.

Die Sulfatierung wird vorteilhaft bei Raumtemperatur durchgeführt, um eine vorzeitige Polymerisation zu vermeiden. Nach längerer Zeit, z. B. bis zu 100 Stunden, ist die Reaktion trotzdem vollständig. Als Lösemittel kann man z. B. überschüssiges Pyridin oder einen Ether, wie Tetrahydrofuran, verwenden. Da die Sulfatgruppen der Reaktions produkte säurelabil sind, empfiehlt es sich, der Eduktlösung vor dem Zusatz des Schwefeltrioxid-Pyridin-Komplexes ein wasserbinden des Mittel zuzusetzen, z. B. ein Molekularsieb. Aus demselben Grunde ist es empfehlenswert, nach Beendigung der Reaktion das Reaktions gemisch zunächst durch Zusatz von Wasser und bald darauf einer Ba se (die den pH im alkalischen Bereich hält) zu hydrolysieren. Eine geeignete Base ist z. B. eine gesättigte Bariumhydroxidlösung, die zugleich Sulfationen ausfällt. Überschüssige Bariumionen können z. B. durch Einleiten von Kohlendioxid gefällt werden, gegebenen falls nach vorsichtigem Einengen unter Entfernung von Lösemittel. Das Bariumcarbonat wird abfiltriert und das Filtrat über eine Ionenaustauschersäule in der Na⁺-Form gegeben oder anderweitig mit dem Ionenaustauscher behandelt, um die Bariumionen gegen Natriumio nen auszutauschen. Aus der weiter eingeengten Lösung kann man durch Gefriertrocknen die Produkte, O-sulfatiertes 1-Hydroxy-1-desoxy-1-(4-vi nylphenyl)-D-gluco(D-manno)-pentitol 12 bzw. N- und O-sulfa tiertes 1-Amino-1-desoxy-1-(4vinylphenyl)-D-gluco(D-manno)-pentitol 13 jeweils in Form des Natriumsalzes als pulverförmige Feststoffe gewinnen. Beide Stoffe entsprechen der Formel V und sind für die vorliegende Erfindung geeignete Monomere.

Bei den Monomeren VI handelt es sich um bekannte und gut zugängli che Stoffe, die die für die heparinanaloge Wirkung erforderlichen Carboxyl- oder Carboxylatgruppen beisteuern. Geeignete Monomere VI haben eine olefinische Doppelbindung und eine oder zwei Carboxyl- bzw. Carboxylatfunktionen oder Funktionen, die in Carboxyl- bzw. Carboxylatfunktionen umgewandelt werden können, wie Carbonester-, Carbonamid- oder Carbonsäureanhydridgruppen. Als Gegenionen zur Carboxylatfunktion dienen Natriumionen. Beispiele für geeignete Monomere II sind die Säuren (Meth)acrylsäure, Crotonsäure, 4-Vinyl benzoesäure, Maleinsäure, Fumarsäure, Itaconsäure, Vinylessigsäure, Zimtsäure, Crotonsäure, Isocrotonsäure, Methylmaleinsäure, Dime thylfumarsäure, Methylfumarsäure, Dihydroxymaleinsäure, Allylessig säure sowie deren Natriumsalze.

2. Weitere gegebenenfalls mitverwendbare Monomere

Neben den beschriebenen Monomeren I bis V mit den aufgeführten blutverträglich machenden und bakterienabweisend bzw. zellprolife rationsinhibierend wirkenden Gruppen kann man auch andere Monomere mitverwenden, die insoweit neutral oder allenfalls schwach wirksam sind. Dazu gehören z. B. Vinylether, wie Vinylmethylether und Vinyl butylether; Vinylketone, wie Vinylethylketon; Olefine und Diolefi ne, wie 1-Buten, 1-Hexen, 1,3-Butadien, Isopren und Chloropren; Acryl- und Methacrylamid; Vinylaromaten, wie Styrol, Vinyltoluol und Divinylbenzol; und Vinylsiloxane. Diese Monomeren können sogar in überwiegender Menge vorhanden sein, z. B. bis zu 90 mol% ausma chen.

3. Die Substratmaterialien

Als Substratmaterialien eignen sich vor allem alle polymeren Kunst stoffe, wie Polyurethane, Polyamide, Polyester und -ether, Poly etherblockamide, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polycarbonate, Polyorganosiloxane, Polyolefine, Polysulfone, Polyisopren, Poly-Chlo ropren, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyacrylate, Polymeth acrylate, entsprechende Copolymere und Blends sowie natürliche und synthetische Kautschuke, mit oder ohne strahlungssensitive Gruppen. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch auf Oberflächen von lackierten oder anderweitig mit Kunststoff beschichteten Metall-, Glas- oder Holzkörpern anwenden.

3. Die Aktivierung der Substratoberflächen

Die Oberflächen der Substrate können erfindungsgemäß nach einer Reihe von Methoden aktiviert werden. Zweckmäßig werden sie zuvor in bekannter Weise mittels eines Lösemittels von Ölen, Fetten oder an deren Verunreinigungen befreit.

3.1 Die Aktivierung von Standardpolymeren ohne UV-strahlungssen sitive Gruppen kann vorteilhaft durch UV-Strahlung, z. B. im Wellen längenbereich von 100 bis 400 nm, vorzugsweise von 125 bis 310 nm erfolgen. Eine geeignete Strahlenquelle ist z. B. ein UV-Excimer-Ge rät HERAEUS Noblelight, Hanau, Deutschland. Aber auch Quecksilber dampflampen eignen sich zur Substrataktivierung, sofern sie erheb liche Strahlungsanteile in den genannten Bereichen emittieren. Die Expositionszeit beträgt im allgemeinen 0,1 Sekunden bis 20 Minuten, vorzugsweise 1 Sekunde bis 10 Minuten. Es hat sich gezeigt, daß die Anwesenheit von Sauerstoff vorteilhaft ist. Die bevorzugten Sauer stoffdrücke liegen zwischen 2×10⁻⁵ und 2×10⁻² bar. Man arbeitet beispielsweise in einem Vakuum von 10⁻⁴ bis 10⁻¹ bar oder unter Verwendung eines Inertgases, wie Helium, Stickstoff oder Argon, mit einem Sauerstoffgehalt von 0,02 bis 20 Promille.

3.2 Die Aktivierung kann erfindungsgemäß auch durch ein Hochfre quenz- oder Mikrowellenplasma (Hexagon, Fa. Technics Plasma, 85 551 Kirchheim, Deutschland) in Luft, Stickstoff- oder Argon-Atmosphäre erreicht werden. Die Expositionszeiten betragen im allgemeinen 30 Sekunden bis 30 Minuten, vorzugsweise 2 bis 10 Minuten. Der Ener gieeintrag liegt bei Laborgeräten zwischen 100 und 500 W, vorzugs weise zwischen 200 und 300 W.

3.3 Weiterhin lassen sich auch Korona-Geräte (Fa. SOFTAL Ham burg, Deutschland) zur Aktivierung verwenden. Die Expositionszeiten betragen in diesem Falle in der Regel 1 Sekunde bis 10 Minuten, vorzugsweise 1 bis 60 Sekunden.

3.4 Die Aktivierung durch Elektronen- oder gamma-Strahlen (z. B. aus einer Kobalt-60-Quelle) ermöglicht kurze Expositionszeiten die im allgemeinen 0,1 bis 60 Sekunden betragen.

3.5 Beflammungen von Oberflächen führen ebenfalls zu deren Akti vierung. Geeignete Geräte, insbesondere solche mit einer Barriere-Flam menfront, lassen sich auf einfache Weise bauen oder beispiels weise beziehen von der Fa. ARCOTEC, 71297 Mönsheim, Deutschland. Sie können mit Kohlenwasserstoffen oder Wasserstoff als Brenngas betrieben werden. In jedem Fall muß eine schädliche Überhitzung des Substrats vermieden werden, was durch innigen Kontakt mit einer ge kühlten Metallfläche auf der von der Beflammungsseite abgewandten Substratoberfläche leicht erreicht wird. Die Aktivierung durch Beflammung ist dementsprechend auf verhältnismäßig dünne, flächige Substrate beschränkt. Die Expositionszeiten belaufen sich im allge meinen auf 0,1 Sekunde bis 1 Minute, vorzugsweise 0,5 bis 2 Sekun den, wobei es sich ausnahmslos um nicht leuchtende Flammen handelt und die Abstände der Substratoberflächen zur äußeren Flammenfront 0,2 bis 5 cm, vorzugsweise 0,5 bis 2 cm betragen.

3.6 Weiterhin lassen sich die Substratoberflächen auch durch Be handlung mit starken Säuren oder starken Basen aktivieren. Von den geeigneten starken Säuren seien Schwefelsäure, Salpetersäure und Salzsäure genannt. Man kann z. B. Polyamide 5 Sekunden bis 1 Minute mit konzentrierter Schwefelsäure bei Raumtemperatur behandeln. Als starke Basen eignen sich besonders Alkalimetallhydroxide in Wasser oder einem organischen Lösemittel. So kann man z. B. verdünnte Natronlauge 1 bis 60 Minuten bei 20 bis 80°C auf die Substrate ein wirken lassen. Alternativ können beispielsweise Polyamide aktiviert werden, indem man 2%iges KOH in Tetrahydrofuran 1 Minute bis 30 Minuten auf die Oberfläche einwirken läßt.

3.7 Schließlich können schon bei der Herstellung der Substratpo lymeren Monomere mit UV-strahlungssensitiven Gruppen einpolymeri siert werden. Als solche eignen sich z. B. Furyl- oder Cinnamoylde rivate, die z. B. in Mengen von 3 bis 10 mol% angewandt werden kön nen. Gut geeignete Monomere dieser Art sind Cinnamoylethylacrylat und -methacrylat.

In manchen Fällen, z. B. bei hochhydrophoben Polymeren, kann es empfehlenswert sein, die Substratoberflächen durch eine Kombination aus zwei oder mehr der genannten Methoden zu aktivieren. Bevorzugte Aktivierungsmethoden sind die unter 3.1 und 3.2 genannten.

4. Die Beschichtung durch Pfropf(co)polymerisation

Wenn die Substrate nach einer der unter 3.1 bis 3.6 beschriebenen Methoden vorbehandelt wurden, werden die aktivierten Oberflächen zweckmäßig 1 bis 20 Minuten, vorzugsweise 1 bis 5 Minuten der Ein wirkung von Sauerstoff, z. B. in Form von Luft, ausgesetzt.

Anschließend werden die (gegebenenfalls auch gemäß 3.7) aktivierten Oberflächen nach bekannten Methoden, wie Tauchen, Sprühen oder Streichen, mit Lösungen des oder der erfindungsgemäß zu verwenden den Vinylmonomeren beschichtet. Als Lösemittel haben sich Wasser und Wasser-Ethanol-Gemische bewährt, doch sind auch andere Lösemit tel verwendbar, sofern sie ein ausreichendes Lösevermögen für die Monomeren aufweisen und die Substratoberflächen gut benetzen. Je nach Löslichkeit der Monomeren und gewünschter Schichtdicke der fertigen Beschichtung können die Konzentrationen der Monomeren in der Lösung 0,1 bis 50 Gewichtsprozent betragen. Lösungen mit Mono merengehalten von 3 bis 10 Gew.-%, beispielsweise mit etwa 5 Gew.-%, haben sich in der Praxis bewährt und ergeben im allgemeinen in einem Durchgang zusammenhängende, die Substratoberfläche be deckende Beschichtungen mit Schichtdicken, die mehr als 0,1 µm betra gen können.

Nach dem Verdampfen des Lösemittels oder auch schon während des Verdampfens wird die Polymerisation oder Copolymerisation der auf die aktivierten Oberflächen aufgebrachten Monomeren zweckmäßig durch Strahlen im kurzwelligen Segment des sichtbaren Bereiches oder im langwelligen Segment des UV-Bereiches der elektromagneti schen Strahlung bewirkt. Gut geeignet ist z. B. die Strahlung eines UV-Excimers der Wellenlängen 250 bis 500 nm, vorzugsweise von 290 bis 320 nm. Auch hier sind Quecksilberdampflampen geeignet, sofern sie erhebliche Strahlungsanteile in den genannten Bereichen emit tieren. Die Expositionszeiten betragen im allgemeinen 10 Sekunden bis 30 Minuten, vorzugsweise 2 bis 15 Minuten.

Bisweilen ist es zweckmäßig die beschriebenen Arbeitsschritte ein schließlich der Aktivierung zu wiederholen, um mittels einer sol chen Mehrschichttechnik eine hermetisch geschlossene und/oder dickere Beschichtung sicherzustellen. Alternativ ist es auch möglich, das aktivierte Substrat, gegebenenfalls nach der beschriebenen Sau erstoffbehandlung, in die Lösung des oder der erfindungsgemäß zu verwendenden Vinylmonomeren einzutauchen und im getauchten Zustand zu bestrahlen. Durch orientierende Versuche läßt sich unschwer feststellen, bei welchen Bestrahlungszeiten mit einer gegebenen Strahlenquelle und bei welchen, gegebenenfalls längeren Kontaktzei ten von Substrat und Lösung die gewünschte Schichtdicke erreicht wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur bakterienabweisenden und zell proliferationsinhibierenden Beschichtung der Oberfläche von Sub straten und insbesondere von polymeren Kunststoffen gestattet die genaue Einstellung von Molverhältnissen verschiedener funktioneller Gruppen, die zur Inhibierung der Bakterienadhäsion und/oder -aus breitung sowie der Zellproliferation optimal sind. Darüber hinaus bietet das Verfahren den Vorteil, daß bei Wahl entsprechender Akti vierungsmethoden bereits bewährte Kunststoffe unter Beibehaltung ihrer mechanischen Eigenschaften und ihrer Form zusätzlich bakte rienabweisend und zellproliferationsinhibierend modifizierbar sind. Im allgemeinen sind keine weiteren Vor- oder Nachbehandlungen erforderlich. Hochhydrophobe Kunststoffe bedürfen gegebenenfalls einer hydrophilierenden Vorbehandlung, z. B. durch chemisches Ätzen mit Säuren oder Basen oder durch Plasma-Behandlung, um eine ausrei chende Benetzbarkeit durch die Monomerenlösung zu erreichen. Die hochhydrophoben Kunststoffe werden dann gleichzeitig hydrophiliert und im Sinne der vorliegenden Erfindung aktiviert.

Zur weiteren Erläuterung der vorliegenden Erfindung werden die fol genden Beispiele gegeben. Die darin verwendeten Monomeren sind stellvertretend für eine Vielzahl anderer unter die allgemeinen Formeln I bis IV fallenden Verbindungen.

Beispiele Die verwendeten Monomeren

Von den in der Tabelle 1 aufgeführten Monomeren wurden jeweils 5 Gew.-% wäßrige Lösungen unter sterilen Bedingungen hergestellt.

Eingesetzte Monomere - 5 Gew.-% Lösung

Die zu beschichtenden Substrate

Die Untersuchungen zu den Auswirkungen der erfindungsgemäßen Beschichtungen auf bakterienabweisendes Verhalten wurden an Folien aus den in Tabelle 2 aufgeführten Kunststoffen durchgeführt, die jeweils Stärken von 0,1 mm und eine für die Bestimmung relevante Oberfläche von 4 cm² besaßen. Sie wurden sowohl durch Lösen der Pulver in Lösemitteln, anschließendes Gießen in Petrischalen und Trocknen, als auch durch Kalandrieren, Extrudieren, Pressen oder Rakeln hergestellt. In einigen Fällen standen Folien vom Hersteller zur Verfügung.

Eingesetzte Folien

Eingesetzte Folien (Fortsetzung)

Die Aktivierung der Substratoberflächen

Die Folien wurden zunächst aktiviert, wahlweise nach den Tabelle 3 angegebenen Verfahren und Bedingungen.

Aktivierungsbedingungen

Beschichtung der Substratoberflächen durch Pfropf(co)polymerisation

Nach der Aktivierung werden die Folien, Gießkörper oder anderen Substratkörper sowie im Falle technischer Fertigung die Extrudate oder Spritzguß-Körper mit den Lösungen S1 bis S16 beschichtet, und zwar nach den in Tabelle 4 angegebenen Verfahren.

Beschichtungsverfahren

Während des Tauchens oder nach dem Tauchen, Besprühen oder Bestreichen wird mit Strahlen im Bereich von 250-500 nm, vorzugsweise 290-320 nm bestrahlt.

Bestimmung der bakterienabweisenden Eigenschaften

Die Prüfung auf Adhäsion von Bakterien kann mit verschiedenen Stäm men vorgenommen werden. Hierzu eignen sich besonders die in Tabelle 5 aufgeführten Bakterien, da sie in klinischen Isolaten von infi zierten Kathetern häufig vorkommen.

Bakterienstämme zur Messung der primären Adhäsion

Das Verfahren zur Bestimmung der primären Adhäsion (also unabhängig von späterer Vermehrung) dieser Bakterienstämme wird beispielhaft für Klebsiella pneumoniae in der Folge beschrieben. Die primäre Ad häsion der anderen Stämme (B1 bis B3) wurde analog bestimmt.

Bestimmung der primären Bakterienadhäsion unter statischen Bedingungen

Eine Über-Nacht-Kultur des Bakterienstammes Klebsiella pneumoniae in Hefeextrakt-Pepton-Glukose-Nährmedium (1% + 1% + 1%) wird abzen trifugiert und in Phosphat-gepufferter Saline (= PBS; 0,05 m KH₂PO₄, pH 7,2 + 0,9% NaCl) wieder aufgenommen. Man verdünnt mit PBS-Puf fer auf ein Zellkonzentration von 108 Zellen/ml. Die suspendierten Bakterien werden mit dem zu untersuchenden Folienstück für 3 h in Berührung gebracht. Dazu werden doppelseitig beschichtete kreisför mige Folienstücke mit einem Durchmesser von 1,6 cm (= 4,02 cm²) auf eine Präpariernadel gesteckt und mit der Zellsuspension geschüt telt. Einseitig beschichtete Folien werden in Form einer runden, ebenen Scheibe von 4,5 cm Durchmesser und mit einer Stützmembran aus 2-3 cm dickem Weich-PVC in eine Membranfilterapparatur einge spannt. Auf die nach oben zeigende Seite mit der zu prüfenden Beschichtung wird die Zellsuspension aufgegeben und 3 h geschüttelt. Die Membranfilterapparatur muß dicht sein, d. h. es darf keine Zell suspension durch undichte Zellen ausfließen.

Nach Ablauf der Kontaktzeit wird die Bakteriensuspension mit einer Wasserstrahlpumpe abgesaugt und die Folienstücke werden zum Waschen mit 20 ml steriler PBS-Lösung in einem 100 ml Becherglas 2 min geschüttelt. Das Folienstück wird nochmals in sterile PBS-Lö sung eingetaucht und dann in 10 ml erhitztem TRIS/EDTA (0,1M Tris hydroxyethylaminomethan, 4 mM Ethylendiamintetraessigsäure, mit HCl auf pH 7,8 eingestellt) für 2 min im siedenden Wasserbad extra hiert.

Mit der Extraktionslösung werden kleine Eppendorf-Cups befüllt und sofort bis zur Biolumineszenz-Bestimmung des extrahierten Adenosin triphosphats (ATP) bei -20°C eingefroren. Die Bestimmung wird wie folgt ausgeführt: In ein transparentes Röhrchen aus Polycarbonat wird 100 µl Reagentienmix (Biolumineszenz-Test CLS II, Fa. BOEHRINGER MANNHEIM GmbH) gegeben, und über einen Zeitraum von 10 sec wer den in einem Lichtimpuls-Meßgerät LUMAT LB9501 (Laboratorien Prof. Berthold GmbH, 75323 Bad Wildbad, Deutschland) die Lichtimpulse in tegriert. Dann wird eine 100 µl Probe zugegeben und erneut gemes sen. Die relativen Lichteinheiten (RLU) werden durch Subtraktion der Lichtimpulse im Reagentienmix von der Anzahl der gemessenen Lichtimpulse im kompletten Ansatz erhalten. Dieser Wert steht in Relation zu der Anzahl der an der Folie adhärierten Bakterien. Der Umrechnungsfaktor zwischen dem RLU-Wert und der Bakterienzahl wird bestimmt, indem ein Aliquot von 0,1 ml der Bakteriensuspension mit 10⁸ Zellen/ml in 10 ml heißem TRIS/EDTA extrahiert und dann der ATP-Gehalt bestimmt wird.

Für Klebsiella pneumoniae ergibt sich eine Wert von 1,74.10⁴ RLU = 1.10⁷ Zellen im ATP-Extraktionsansatz. Bei einem gemessenen Wert von 4,7.10⁴ RLU von 4 cm³ Folie waren pro cm² Folienoberfläche

primär adhäriert.

Ergebnisse

In den folgenden Tabellen 6a und 6b sind die verschiedenen Bedin gungen und die Ergebnisse von insgesamt 27 Versuchen und Ver gleichsversuchen ohne vorherige Aktivierung (14, 16, 18, 20, 22, 24, 26) zusammengestellt.

Die Tabellen 6a und 6b verdeutlichen, daß nach dem erfindungsgemä ßen Verfahren Beschichtungen erhalten werden, die zu einer erhebli chen Reduzierung der Bakterienadhäsion führen. Die Minderungen lie gen deutlich über 50% im Vergleich zu den unbeschichteten Substra ten. Weiterhin lassen die Vergleichsbeispiele (Versuche 3, 4 und 15) erkennen, daß durch Aktivierung der Substratoberflächen mit UV-Excimer-Strahlen der Wellenlänge 172 nm (A1) oder Plasmabehandlung (A2, A3) überraschenderweise höhere Inhibierungen der Bakterienad häsion (≧ 90%) erreicht werden als mit anderen Aktivierungsmitteln, wie Elektronenstrahlen (A7, Versuch 13) oder NaOH-Lösungen (A8, Versuch 17).

Die in den Tabellen wiedergegebenen Ergebnisse zeigen weiter, daß man mit einem einzigen Monomer erfolgreich arbeiten kann (S7, Ver such 25), daß aber auch Copolymerisate aus zwei Monomeren, nämlich aus Natriumstyrolsulfonat und Acrylsäure (S1 + S2; Versuch 15), Natriumstyrolsulfonat und Maleinsäure (S1 + S4; Versuch 17), Natriumvinylsulfonat und Kaffeesäure (S6 + S10; Versuch 21) so wie Acrylsäure und Natriumvinylsulfonat (S2 + S6; Versuch 27) Beschichtungen mit guten bakterienabweisenden Eigenschaften ergeben.

Claims

1. Verfahren zur bioaktiven Beschichtung der Oberfläche von Sub straten, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens ein Monomer der allgemeinen Formel
Formel I: R-(A)_a
in der R einen ein- oder zweifach olefinisch ungesättigten orga nischen Rest mit der Wertigkeit a bedeutet,
A eine Carboxylgruppe -COOH, Schwefelsäuregruppe -OSO₂OH, Sulfonsäuregruppe -SO₃H, Phosphorsäuregruppe -OPO(OH)₂ Phosphonsäuregruppe -PO(OH)₂ Phosphorigsäuregruppe -OP(OH)₂, phenolische Hydroxylgruppe oder ein Salz oder einen Ester einer der genannten Gruppen bezeichnet und
a für eine ganze Zahl von 1 bis 6 steht,
strahleninduziert auf einer aktivierten Substratoberfläche pfropf polymerisiert, mit der Maßgabe, daß ein Monomer I, in dem A eine Carboxylgruppe -COOH oder ein Salz oder einen Ester der Carboxyl gruppe bedeutet, entweder mindestens einen weiteren Rest A mit ei ner anderen der für A genannten Bedeutungen enthält oder zusammen mit mindestens einem weiteren Monomeren I verwendet wird, in dem A eine andere der für A genannten Bedeutungen hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man man als Monomer I eine Mischung von Monomeren der allgemeinen Formeln II oder III
Formel II: (C_nH_2n-q-x)(COOR¹)_x
Formel III: (C_nH_2n-q-x)(SO₃R¹)_x
verwendet, wobei
n jeweils unabhängig für eine ganze Zahl von 2 bis einschließ lich 6;
x jeweils unabhängig für 1 oder 2;
q jeweils unabhängig für 0 oder 2 steht und
der Rest R¹ jeweils unabhängig -H, ein Äquivalent eines Me tallions oder einen Rest eines aliphatischen, cycloaliphati schen oder araliphatischen Alkohols bedeutet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man man als Monomer I ein von Benzol abgeleitetes Monomer der allgemeinen Formel
Formel IV: (C₆H_6-b-c-d)B_bR³ _c(OH)_d
verwendet, in der
B jeweils unabhängig einen ein- oder zweiwertigen geradketti gen oder verzweigten Rest der Formeln (C_nH_2n-1-q-x)(COOR¹)_x oder (C_nH_2n-1-q-x)(SO₃R¹)_x bedeutet, wobei R¹, n, q und x wie in Anspruch 2 definiert sind;
R³ jeweils unabhängig C_1-4-Alkyl, -NH₂, -COOH, -SO₃H, -OSO₃H, -OPO(OH)₂ -PO(OH)₂, -OP(OH)₂, -OPO(O⁻)OCH₂-CH₂-N⁺(CH₃)₃, -PO(O⁻)O-CH₂-CH₂-N⁺(CH₃)₃, -OP(O⁻)OCH₂-CH₂-N⁺(CH₃)₃ oder gegebenenfalls ein Salz oder einen Ester der genannten Gruppen bedeutet:
b für 1, 2, oder 3 steht;
c für 0, 1, 2, oder 3 steht; und
d für 0, 1, 2, oder 3 steht;
mit der Maßgabe, daß b + c + d ≦ 6 ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Monomer I eine Mischung aus Monomeren der allgemeinen Formeln V und VI
verwendet, in denen
R¹ Wasserstoff oder den Methylrest,
R² einen zweiwertigen organischen Rest oder eine C-C-Einfach bindung
R³ -O- oder -NH-,
R⁴ Wasserstoff oder den Rest -SO_3⁻Na⁺
R⁵ Wasserstoff, den Methylrest oder dem Rest -R²-COOR⁶,
R⁶ Wasserstoff oder Na und
n 4 oder 5 bedeuten;
mit der Maßgabe, daß mindestens einer der Substituenten R⁴ ein Rest -SO_3⁻Na⁺ ist.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Monomeren II und III so gewählt werden, daß die gepfropfte Polymer schicht (iii) Carboxyl- und Sulfonsäuregruppen, (iv) Carboxyl- und Sulfonatgruppen, (v) Carboxylat- und Sulfonatgruppen, (vi) Carb oxyl-, Carboxylat- und Sulfonatgruppen oder Carboxyl-, Sulfosäure- und Sulfonatgruppen enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das mo lare Verhältnis von Carboxyl- und/oder Carboxylatgruppen zu Sulfon säure und/oder Sulfonatgruppen 0,2 bis 3 beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das mo lare Verhältnis von Carboxyl- und/oder Carboxylatgruppen zu Sulfon säure und/oder Sulfonatgruppen 0,4 bis 3 beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das mo lare Verhältnis von Carboxyl- und/oder Carboxylatgruppen zu Sulfon säure und/oder Sulfonatgruppen 0,4 bis 2 beträgt.

9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das mo lare Verhältnis von Carboxyl- und/oder Carboxylatgruppen zu Sulfon säure und/oder Sulfonatgruppen 2 bis 10 beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das mo lare Verhältnis von Carboxyl- und/oder Carboxylatgruppen zu Sulfon säure und/oder Sulfonatgruppen 3 bis 10 beträgt.

11. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das mo lare Verhältnis von Carboxyl- und/oder Carboxylatgruppen zu Sulfon säure und/oder Sulfonatgruppen 3 bis 5 beträgt.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Monomer I bzw. die Monomeren I so gewählt werden, daß die gepfropf te Polymerschicht Phosphorsäuregruppen oder Phosphonsäuregruppen oder deren Salze oder Ester enthält.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die Aktivierung der Substratoberflächen durch in das Substratpolymer einpolymerisierte Monomere mit einer UV-strahlungssensitiven Gruppe, durch UV-Strahlung, Plasmabehand lung, Coronabehandlung, Elektronenstrahlbehandlung, Beflammen und bzw. oder Behandlung mit einer starken Säure oder starken Base er folgt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die Aktivierung der Substratoberfläche durch UV-Strahlung im Wellenlängenbereich von 100 bis 400 nm bei einer Expo sitionszeit von 0,1 Sekunden bis 20 Minuten erfolgt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die Aktivierung der Substratoberfläche durch UV-Strahlung im Wellenlängenbereich von 125 bis 310 nm bei einer Expo sitionszeit von von 1 Sekunde bis 10 Minuten erfolgt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die Aktivierung der Substratoberfläche durch Hochfre quenz- oder Mikrowellenplasma bei einer Expositionszeit von 30 Se kunden bis 30 Minuten erfolgt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekenn zeichnet, daß man die aktivierten Oberflächen vor der Beschichtung 1 bis 20 Minuten der Einwirkung von Sauerstoff aussetzt.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß man den Sauerstoff 1 bis 5 Minuten einwirken läßt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekenn zeichnet, daß man die Polymerisation der Monomeren durch Strahlen im Bereich von 250 bis 500 nm bewirkt.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekenn zeichnet, daß man die Polymerisation der Monomeren durch UV-Strah len im Bereich von 290 bis 320 nm bewirkt.

21. Verwendung von Substraten mit gemäß den Ansprüchen 1 bis 20 be schichteten Oberflächen gemäß den Ansprüche 1 bis 18 zur Herstel lung von medizintechnischen oder biotechnischen Artikeln, Lagerbe hältern oder Verpackungen.

22. Verwendung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Artikel Katheter, Schläuche oder Rohrleitungen sind.