一种对表面功能化的方法
【专利说明】一种对表面功能化的方法
[0001] 本发明涉及一种对表面功能化的方法，例如，对期望具有用于化学和生化应用的 特定表面性质的表面功能化，特别是作为用于分析目的的样品载体，或用于即时的物理、化 学、生物和工艺应用，其中所述表面被提供具有定义的性质和功能。特别的，合成聚合物和 天然聚合物被用作这些表面的材料，例如多糖和蛋白质、纸、玻璃、陶瓷、硅、金属和金属氧 化物包括磁性材料。
[0002] 通过物理和/或化学方法对表面进行修饰是一个重要过程，用于便利地改变材料 的性质并使其适合期望的应用。
[0003] 例如，等离子方法具有重要作用，但是具有表面改变并非永久性的不足。
[0004] 同样的，已知很多种将无机或有机分子沉积并固定于表面的方法。从而，例如， 可以通过沉积氧化钛或氧化娃来制备超亲水或超疏水表面（Peter Forbes，Spektrum der Wissenschaft，2009年8月，第88-95页）。这些表面是化学惰性的。对表面修饰也采用 了不同的聚合物。已知可能是最佳的用途涉及聚合物涂膜剂，其已经被长期广泛应用。这 些也形成了非反应性表面（G. Menges 等人，Menges Werkstoffkunde Kunststoffe，Carl Hanser Verlag，Munich 2011，第 23 页）〇
[0005] DE 10 2005 008 434 Al描述了所谓的氨基纤维素，其可沉积至不同材料上，氨基 是化学反应性的并适于例如酶的共价固定。这些表面被认为允许材料的生物相容性精加 工（finishing)和生物分析的开发，例如，通过酶的结合。WO 2006/089499 Al中描述的氨 基纤维素通过众所周知的按照亲核取代反应（Sn反应）的对甲苯磺酸酯与二胺或寡胺的反 应来获得，其中为了获得可溶性产物，二胺或寡胺必须以10-20摩尔每摩尔甲苯磺酰基的 极大过量值使用。由于SN2反应机理，形成了每重复单元具有最大数量的一个胺基取代的 6_脱氧-6-氨基纤维素衍生物，相当于平均取代程度（DS)为I (K. Petzold-Welcke等人： Unconventional Cellulose Products Through Nucleophilic Displacement Reactions， Macromolecular Symposia 280, 2009, 72-85)。脱氧-氨键的结构涉及四面体碳原子（sp3碳），由于其空间需求，其在与表面反应中存在问题。此外，C-N键中的次级氮原子是反应性 的，并可被质子化，从而可能导致难以处理的副反应和次级结构。
[0006] 虽然纤维素衍生物的取代度可以达到3,但是在实践中此反应取得的最大值为 0.8。因此，尽管原则上在表面上可能有无数的偶联，但是实践中在表面上只有相对较低 的数目的氨基存在。生产中对二胺或寡胺不可避免的高过量使用不仅是不经济的，还额 外需要繁琐和成本密集的氨基纤维素纯化。样品中的二胺或寡胺残留会导致不同的不期 望的不良反应，包括应用中的危险的生物效应，因为已知二胺与寡胺往往趋向于是生物活 性的。6-脱氧-6-氨基纤维素衍生物的性质，如在水或有机溶剂中的溶解性，只能通过 复杂的后续化学方法，如对残留羟基的酯化或醚化来获得。由后续化学方法导致对甲苯 磺酰基不受控地裂解、并从而形成具有不清楚分布的非单一结构是一个另外的缺点（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，在与氨的 SnS应中酯 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] 根据EP I 222 926 Al，通过还原胺化将氨基引入多糖，优选的分支状葡聚糖。从 而，该多糖被首先氧化为重复单元裂解的对应二醛多糖衍生物。原则上，可以在聚合物中实 现相对高数量的氨基，平均取代度为2,但是这并未达到，因为二醛的氧化仅有部分是可能 的，另外，仅有部分存在的醛基与二胺或寡胺反应。从而无论是可从分支状葡聚糖获得的还 是可从不分支的纤维素获得的含氨基的多糖衍生物都表现出粘接性能。它们可作为基因治 疗中的聚阳离子。与氨基基团不同，阳离子的铵根基团不再是化学活性的，从而不适于上述 应用。
[0008] 材料修饰的另一方法从异氰酸酯基团活化的聚合物开始（US 5, 728, 751 A)。众所 周知异氰酸酯是极毒的化合物，这不但首先排除了生物领域的应用，还在其制备和使用中 引入了不可计算的风险。
[0009] 多糖羟基的活化也可通过转化为碳酸盐来获得，其中使用高毒性的光气或氯碳酸 盐作为试剂(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，该转化大部分得到具有 结构变异性的产物（例如，除了单碳酸酯外还形成环碳酸酯结构），且由于交联反应形成了 不溶性产物。虽然如此，但是纤维素碳酸酯优选不仅与具有一个胺基功能的胺反应，还与二 胺和寡胺反应，以获得非反应性产物，或者在后者的情形下获得未定义结构的氨基纤维素， 后者在纸的生产中有兴趣（DE 38 36 599 Al)。纤维素衍生物主要作为起始材料。纤维素 自身也可以按照所描述的方法进行反应，但是仅能达到1. 0-1. 2的DS (可达到的最大DS 为3. 0)。同样，本领域尚不知晓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纤维素衍生物的反应， 以及与二胺的反应产生了阳离子的和水溶性的聚电解质，其与DNA形成多聚物并可用于基 因治疗（US 2011/0251265 Al)。然而，在此情况下，仍然需要使用20倍至30倍过量的二 胺以避免交联。从而，大量的工作必须用于产物的纯化。根据US 2011/0251265 Al中提供 的信息，未衍生化的纤维素明显不适于该流程。
[0011] 还已知用Ν，Ν' -羰二咪唑活化后对表面进行直接修饰并随后与单胺反应，但不涉 及控制的反应。无论是基团的结构还是数量均不能进行选择性地控制。特别的，不存在游 离的反应性伯胺基（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