一種對表面功能化的方法
【專利說明】一種對表面功能化的方法
[0001] 本發(fā)明涉及一種對表面功能化的方法，例如，對期望具有用于化學和生化應用的 特定表面性質的表面功能化，特別是作為用于分析目的的樣品載體，或用于即時的物理、化 學、生物和工藝應用，其中所述表面被提供具有定義的性質和功能。特別的，合成聚合物和 天然聚合物被用作這些表面的材料，例如多糖和蛋白質、紙、玻璃、陶瓷、硅、金屬和金屬氧 化物包括磁性材料。
[0002] 通過物理和/或化學方法對表面進行修飾是一個重要過程，用于便利地改變材料 的性質并使其適合期望的應用。
[0003] 例如，等離子方法具有重要作用，但是具有表面改變并非永久性的不足。
[0004] 同樣的，已知很多種將無機或有機分子沉積并固定于表面的方法。從而，例如， 可以通過沉積氧化鈦或氧化娃來制備超親水或超疏水表面（Peter Forbes，Spektrum der Wissenschaft，2009年8月，第88-95頁）。這些表面是化學惰性的。對表面修飾也采用 了不同的聚合物。已知可能是最佳的用途涉及聚合物涂膜劑，其已經(jīng)被長期廣泛應用。這 些也形成了非反應性表面（G. Menges 等人，Menges Werkstoffkunde Kunststoffe，Carl Hanser Verlag，Munich 2011，第 23 頁）〇
[0005] DE 10 2005 008 434 Al描述了所謂的氨基纖維素，其可沉積至不同材料上，氨基 是化學反應性的并適于例如酶的共價固定。這些表面被認為允許材料的生物相容性精加 工（finishing)和生物分析的開發(fā)，例如，通過酶的結合。WO 2006/089499 Al中描述的氨 基纖維素通過眾所周知的按照親核取代反應（Sn反應）的對甲苯磺酸酯與二胺或寡胺的反 應來獲得，其中為了獲得可溶性產(chǎn)物，二胺或寡胺必須以10-20摩爾每摩爾甲苯磺酰基的 極大過量值使用。由于SN2反應機理，形成了每重復單元具有最大數(shù)量的一個胺基取代的 6_脫氧-6-氨基纖維素衍生物，相當于平均取代程度（DS)為I (K. Petzold-Welcke等人： Unconventional Cellulose Products Through Nucleophilic Displacement Reactions， Macromolecular Symposia 280, 2009, 72-85)。脫氧-氨鍵的結構涉及四面體碳原子（sp3碳），由于其空間需求，其在與表面反應中存在問題。此外，C-N鍵中的次級氮原子是反應性 的，并可被質子化，從而可能導致難以處理的副反應和次級結構。
[0006] 雖然纖維素衍生物的取代度可以達到3,但是在實踐中此反應取得的最大值為 0.8。因此，盡管原則上在表面上可能有無數(shù)的偶聯(lián)，但是實踐中在表面上只有相對較低 的數(shù)目的氨基存在。生產(chǎn)中對二胺或寡胺不可避免的高過量使用不僅是不經(jīng)濟的，還額 外需要繁瑣和成本密集的氨基纖維素純化。樣品中的二胺或寡胺殘留會導致不同的不期 望的不良反應，包括應用中的危險的生物效應，因為已知二胺與寡胺往往趨向于是生物活 性的。6-脫氧-6-氨基纖維素衍生物的性質，如在水或有機溶劑中的溶解性，只能通過 復雜的后續(xù)化學方法，如對殘留羥基的酯化或醚化來獲得。由后續(xù)化學方法導致對甲苯 磺?；皇芸氐亓呀?、并從而形成具有不清楚分布的非單一結構是一個另外的缺點（P. Berlin 等人：A novel soluble aminocellulose derivative type: its transparent film-forming properties and its efficient coupling with enzyme proteins for biosensors，Macromol. Chem. Phys. 2000,201，2070_2082)。此外，在與氨的 SnS應中酯 基也不受控制地裂解（P. Berlin 等人：Film-forming aminocellulose derivatives as enzyme-compatible support matrices for biosensor developments, Cellulose 2003， 10,343-367)。
[0007] 根據(jù)EP I 222 926 Al，通過還原胺化將氨基引入多糖，優(yōu)選的分支狀葡聚糖。從 而，該多糖被首先氧化為重復單元裂解的對應二醛多糖衍生物。原則上，可以在聚合物中實 現(xiàn)相對高數(shù)量的氨基，平均取代度為2,但是這并未達到，因為二醛的氧化僅有部分是可能 的，另外，僅有部分存在的醛基與二胺或寡胺反應。從而無論是可從分支狀葡聚糖獲得的還 是可從不分支的纖維素獲得的含氨基的多糖衍生物都表現(xiàn)出粘接性能。它們可作為基因治 療中的聚陽離子。與氨基基團不同，陽離子的銨根基團不再是化學活性的，從而不適于上述 應用。
[0008] 材料修飾的另一方法從異氰酸酯基團活化的聚合物開始（US 5, 728, 751 A)。眾所 周知異氰酸酯是極毒的化合物，這不但首先排除了生物領域的應用，還在其制備和使用中 引入了不可計算的風險。
[0009] 多糖羥基的活化也可通過轉化為碳酸鹽來獲得，其中使用高毒性的光氣或氯碳酸 鹽作為試劑(S. Barker, Η. M. Disney, P. Somers ：The reaction of dextran carbonate with amino acids and polypeptides, Carbohydrate Research 1972,25,237-241 ; M. S. Chaves, F. Arranz ：ffater-insoluble dextrans by grafting 2: Reaction of dextrans with normaI-aIkyI chloroformates, Chemical and enzymatic hydrolysis, Macromolecular Chemistry and Physics，1985,186,17-29)。然而，該轉化大部分得到具有 結構變異性的產(chǎn)物（例如，除了單碳酸酯外還形成環(huán)碳酸酯結構），且由于交聯(lián)反應形成了 不溶性產(chǎn)物。雖然如此，但是纖維素碳酸酯優(yōu)選不僅與具有一個胺基功能的胺反應，還與二 胺和寡胺反應，以獲得非反應性產(chǎn)物，或者在后者的情形下獲得未定義結構的氨基纖維素， 后者在紙的生產(chǎn)中有興趣（DE 38 36 599 Al)。纖維素衍生物主要作為起始材料。纖維素 自身也可以按照所描述的方法進行反應，但是僅能達到1. 0-1. 2的DS (可達到的最大DS 為3. 0)。同樣，本領域尚不知曉其在表面功能化方面的用途。
[0010] 水溶性多糖例如葡聚糖和N, Ν' -羰二咪唑活化后的水溶性纖維素衍生物的反應， 以及與二胺的反應產(chǎn)生了陽離子的和水溶性的聚電解質，其與DNA形成多聚物并可用于基 因治療（US 2011/0251265 Al)。然而，在此情況下，仍然需要使用20倍至30倍過量的二 胺以避免交聯(lián)。從而，大量的工作必須用于產(chǎn)物的純化。根據(jù)US 2011/0251265 Al中提供 的信息，未衍生化的纖維素明顯不適于該流程。
[0011] 還已知用Ν，Ν' -羰二咪唑活化后對表面進行直接修飾并隨后與單胺反應，但不涉 及控制的反應。無論是基團的結構還是數(shù)量均不能進行選擇性地控制。特別的，不存在游 離的反應性伯胺基（Sabrine Alila，Ana Maria Ferraria，Ana Maria Botelho do Rego， Sami Boufi :Controlled表面modification of cellulose fibers by amino derivatives using N, N-carbonyldiimidazole as ac