聚合物改性的基体、其制备和用途

聚合物改性的基体、其制备和用途
【专利摘要】本发明提供聚合物改性的基体，其包括a)基体；b)粘合层，其共价地连接于所述基体的表面且覆盖至少一部分该表面；和c)聚合物刷，其由多个聚合物链形成，各聚合物链在其一端处共价地连接于所述粘合层。此外，本发明提供通过在设置于所述基体的粘合层上聚合含乙烯基的单体例如乙烯基膦酸酯来制备聚合物改性的基体的方法。
【专利说明】聚合物改性的基体、其制备和用途
[0001]用聚合物层来进行表面改性以提供保护和/或特定的功能性是广泛使用的方法。对于聚合物膜的施加，有各种技术，包括施加聚合物溶液、将单体直接聚合于表面和/或将携带反应性基团的聚合物接枝于表面。使用后一方法，能够获得表面涂层，其中，聚合物链至少部分垂直于表面排列。这种表面涂层通常对引入官能团提供化学和机械的稳固性以及合成的灵活性(S.Edmondson等人，Chem.Soc.Rev.2004, 33, 14-22)。具体地,聚合物刷代表一种制备稳定涂层的有效策略(J.B.Kim 等人，Polymer Brushes: Synthesis, Characterizat1n, Applicat1ns ；ffiley-VCH:ffeinheim, Germany, 2004)。
[0002]在过去的几十年中，含磷聚合物因其无卤阻燃性能、质子导电特性以及在牙齿或骨骼愈合中作为粘合剂的商业应用而受到大量关注。最近，由于这些聚合物的低毒性和生物相容性(S.Monge 等人,B1macromolecules2011, DO1: 10.1021/bm2004803)，多数关注已转向生物医学应用中，例如，防污、组织工程、药物递送和细胞增殖表面(R.A.Gemeinhart等人，J.B1med.Mater.Res.，Part A2006, 78A, 433-444)。已经显不出:根据基团转移聚合(GTP)机理，在含稀土金属催化剂存在的条件下，能够有效制备具有高摩尔质量和低多分散性的适于上述应用的聚(乙烯基膦酸酯)(U.B.Seemann等人，Angew.Chem.1nt.Ed.2010，49，3489-3491)。
[0003]然而，就许多应用而言，要求这些聚合物稳定地连接于表面，理想地是通过共价键连接，以提高改性表面的机械稳定性和持久性。虽然已建议用可以包含聚膦酸酯基团的聚合物来改性纳米颗粒(W02008/071286)或其他表面(W002/10759)，但是没有报道在稳定的改性表面上允许提供具有合适的厚度和/或密度的含磷官能团的聚合物刷的涂层结构。这可能是因为如下事实:如果自由基或离子方法应用于乙烯基膦酸酯的聚合，其通常造成低的产率和低的聚合度(参照 T.Wagner 等人,Macromol.Chem.Phys.2009, 210, 1903-1914 ；
B.Bingol等人，Macromo I ecules2008, 41, 1634-1639)，其中自由基或离子方法经常用于将聚合物链接枝于表面(例如，R.Jordan 和 A.Ulman, J.Am.Chem.Soc.1998，120，243-247 ；R.Jordan 等人，J.Am.Chem.Soc.1999, 121, 1016-1022 公开了离子聚合，或 X.Huang 和M.J.ffirth, Anal.Chem.1997，69，4577-4580 公开了自由 / 控制的自由基聚合)。
[0004]因此，本发明人的目的是提供聚合物改性的表面，其是通过聚膦酸酯和相关聚合物部分稳定地改性底层的基体材料，并且其能够在有利的表面覆盖下有效制备改性的表面。
[0005]通过新的方法能够实现该目的，其中，提供具有粘合层的基体，该粘合层共价地连接于提供有自由乙烯基的表面。接着，进行稀土金属介导的合适乙烯基单体的聚合，其将粘合层中的乙烯基用作用于形成聚合物刷中的聚合物链的连接位点和起始位点。根据该方法，聚合物链能够从基体表面被有效地接枝，并且能够形成具有合适链密度和厚度的聚合物刷。
[0006]因此，本发明提供一种用于制备聚合物改性的基体的方法，该方法包括如下步骤:
[0007]a)在所述基体的至少一部分表面上制备粘合层，该粘合层共价地连接于所述基体上且携带多个被受电子基取代的乙烯基；
[0008]b)将所述粘合层与作为催化剂的稀土金属络合物接触，并且使稀土金属络合物与被所述粘合层的受电子基取代的乙烯基配位；
[0009]c)将含有配位的稀土金属络合物催化剂的粘合层与含有被受电子基取代的乙烯基的乙烯基单体接触；以及
[0010]d)进行由配位的稀土金属络合物的稀土金属介导的乙烯基单体的聚合以形成在其一端共价地连接于所述粘合层的聚合物链。
[0011]根据优选的实施方式，所述粘合层由步骤a)中包括如下步骤的方法制备:
[0012]al)在所述基体的表面上提供粘合剂分子，各粘合剂分子携带至少两个各被受电子基取代的乙稀基；和
[0013]a2)通过在所述基体的表面上进行表面接枝和聚合粘合剂分子来制备粘合层。
[0014]根据本发明，在所述方法中所使用的稀土金属络合物优选包含选自由钇、钆、铽、镝、钦、铒、铥、镱和镥所组成的组中的金属。此外，已发现如果稀土金属络合物为包含由至少两个环戊二烯基配体配位的稀土金属原子的三价稀土金属络合物是有利的。
[0015]本发明还提供一种聚合物改性的基体，其可由根据本发明的方法获得，所述聚合物改性的基体包含:
[0016](a)基体；
[0017](b)粘合层，其共价地连接于所述基体的表面且覆盖至少一部分该表面；和
[0018](C)由多个聚合物链形成的聚合物刷，各聚合物链在其一个末端共价地连接于所述粘合层。
[0019]根据优选的实施方式，所述聚合物改性的基体可由根据本发明的方法获得，其包含:
[0020]a)基体；
[0021]b)粘合层，其共价地连接于所述基体的表面且覆盖至少一部分该表面，所述粘合层可以通过如下步骤来获得，即在所述基体的表面上提供粘合剂分子，各粘合剂分子携带至少两个被受电子基取代的乙烯基，以及在所述基体的表面上进行表面接枝和聚合所述粘合剂分子以形成所述粘合层；和
[0022]c)由多个聚合物链形成的聚合物刷，各聚合物链在其一端共价地连接于所述粘合层。
[0023]所述聚合物刷的聚合物链优选包含选自由乙烯基膦酸酯单元、乙烯基膦酸单元、(甲基)丙烯酸酯单元、(甲基)丙烯酸单元及其组合所组成的组中的聚合单元，特别是选自由乙烯基膦酸酯单元、乙烯基膦酸单元及其组合所组成的组中。例如，聚合物链可以包含聚合的乙烯基膦酸酯单元或聚合的乙烯基膦酸单元的均聚物链。可以根据本发明聚合为乙烯基膦酸酯均聚物或共聚物链的特别适合的乙烯基膦酸酯单元是选自二甲基乙烯基膦酸酷、_■乙基乙稀基勝酸酷和_■丙基乙稀基勝酸酷的单兀。
[0024]此外，本发明还包括粘合层与如上定义的聚合物刷的用途，例如，赋予基体表面以阻燃性、防污性和/或生物相容性。将会理解的是，与此类似地聚合物改性的基体在要求阻燃性能、防污性能和/或生物相容性的应用中的用途也包括于本发明。类似地，本发明包括其中能够开发改性表面的有利性能的方法，诸如细胞(尤其是干细胞)膨胀的方法，其包括将细胞与根据本发明的基体接触的步骤。
[0025]此外，粘合层改性的基体也是本发明的一部分，其包含基体和共价地连接于所述基体的表面且覆盖至少一部分该表面的粘合层，其中，该粘合层可以通过如下步骤来获得，即在所述基体的表面上提供粘合剂分子，各粘合剂分子携带两个被受电子基取代的乙烯基，以及在所述基体的表面上进行表面接枝和聚合所述粘合剂分子。这种粘合层改性的基体形成用于提供最终聚合物改性的基体的有用中间产物。
[0026]除非在具体上下文中另行指明，本文使用的术语“烷基”包括直链和支链的烷基部分。烷基的优选实例具有I至6个碳原子((V6烷基)，尤其具有I至4个碳原子((V4烷基)，并且包含甲基、乙基、丙基(例如，正丙基或异丙基)和丁基(例如，正丁基、异丁基、叔丁基或仲丁基)。
[0027]除非在具体上下文中另行指明，术语“杂烷基”指烷基和如上所述的其优选实施方式，其中，一个或多个碳原子被杂原子取代，包括在该烷基的一端或两端取代碳原子的可能形式。杂原子的优选例子是0、S和N，尤其是O。杂烷基的优选实例包含2至6个碳原子和
1、2或3个杂原子。因此，优选的杂烷基是醚基，其可以包含一个或多个，例如1、2或3个醚键。
[0028]除非在具体上下文中另行指明，术语“环烷基”指环烷基部分。合适的烷基的优选实例具有4至10个碳原子，尤其具有5或6个碳原子，并且包含环戊基和环己基。
[0029]除非在具体上下文中另行指明，术语“杂环烷基”指一个或多个碳原子被杂原子取代的环烷基。杂原子的优选实例是N、0和S。杂环烷基的优选实例包含2至5个碳原子和
1、2或3个杂原子。杂环烷基的进一步优选实例包含吡咯烷基、四氢呋喃基或哌啶基。
[0030]除非在具体上下文中另行指明，术语“芳基”指芳环体系，包括单环和稠环，其优选具有6至10个碳原子。具体实例是苯基或萘基。
[0031]除非在具体上下文中另行指明，术语“杂芳基”指如上定义的芳基，其中一个或多个碳原子，例如1、2或3个碳原子被杂原子取代。杂原子的优选实例是N、O或S。杂芳基的优选实例包含3至9个碳原子和1、2或3个杂原子。杂芳基的进一步优选的实例包含吡咯基、吡啶基、吡唑基、吡嗪基、呋喃基和噻吩基。
[0032]除非在具体上下文中另行指明，术语“烷氧基”指-O-烷基，其中烷基是如上定义的烧基。
[0033]术语“酰基”指烷基-C (O) _，其中烷基是如上所定义的烷基。
[0034]术语“芳烷基”指如上所定义的烷基，其由如上所定义的芳基取代。
[0035]除非在具体上下文中另行指明，术语“卤素”指F、Cl、Br或I，优选F、Cl或Br。
[0036]除非在具体上下文中另行指明，术语“羧酸基”包括质子化形式-COOH及其阴离子形式。
[0037]在术语“(甲基)丙烯酸酯”和“(甲基)丙烯酸”中，根据惯例括号表示甲基可以存在或缺失。
[0038]任何任意取代的烧基、杂烧基、环烧基、杂环烧基、芳基、杂芳基或烧氧基，或者指其本身或者作为另一基团的一部分(诸如芳烷基的烷基部分)，其能够由一个或多个(诸如1、2或3个)取代基取代，例如，该取代基选自齒素、羟基、-NH2、-NH ((V6烷基)或-N ((V6烷基)2。优选的取代基是F、C1、羟基和-NH2。任何任意取代的环烷基、杂环烷基、芳基或杂芳基，或者指其本身或者作为另一基团的一部分(诸如芳烷基的芳基部分)，其能够由一个或多个(诸如1、2或3个)取代基取代，例如，该取代基选自C^6烷基、C^6烷氧基、卤素、羟基、-NH2、-NH(Cm烷基)或-N(Cm烷基)2。优选的取代基是甲基、乙基、甲氧基、乙氧基、F、Cl、羟基和-NH2。除非在具体上下文中另行指明，通常优选的是任意取代的部分未被取代的情况。
[0039]根据聚合物科学领域中的惯例，本文使用的术语“乙烯基”指如下基团:两个碳原子由双键相连，其中一个碳原子携带两个氢原子(也称为亚甲基部分，= CH2)。其包括如下基团，其在另一个碳原子上携带非氢取代基。因此，该乙烯基能够由下式表示:
[0040]


R

V


C1=(?2


/
[0041]其中，R可以是氢或其他原子或基团，诸如受电子基(electron accepting group)(例如，选自酯基、酰胺基、醛基和酰基)、烷基、或任何其他适于既定目的的基团(诸如杂烷基、环烧基、杂环烧基、芳基、杂芳基、烧氧基或芳烧基(其全部都可以任意取代)、或齒素)。将会理解的是，由简单破折号标记的开放化合价表示将乙烯基连接至分子的残余部分的键。在由受电子基取代的乙烯基或乙烯单体的情况中，该受电子基也可以形成分子的该残余部分或分子的一部分。在后一情况中，优选R是不同于受电子基的基团，诸如氢或烷基。此外，将会理解的是，如果在本文提及被受电子基取代的乙烯基，受电子基完整保留了乙烯基的=CH2部分，并且通过双键连接于另一碳原子上。
[0042]如上所述，根据本发明的聚合物改性的基体在其表面的至少一部分上包含粘合层，该粘合层共价地连接于所述基体的表面。通常，该粘合层由粘合剂分子形成，该粘合剂分子提供允许使粘合层共价地连接于所述基体的表面的官能团，其同时携带被受电子基取代的乙烯基，该乙烯基作为用于与相邻的聚合物链一起形成聚合物刷的连接位点和起始位点。
[0043]根据第一示例性实施方式，所述粘合层表现为由多个粘合剂分子形成的单层，该粘合剂分子共价地连接于所述基体的表面，并且在靠近所述单层的表面且远离该表面的一端处携带被受电子基取代的乙烯基。第一示例性实施方式的这些粘合剂分子的典型结构可以由下式(Ia)和(Ib)表示，其中优选式(Ib)的粘合剂分子:
[0044]
AlR\
\Cbbsss= CH^
QwbsbsQHo/
。/r
ISp1
X矣
(Ia)(Ib)
[0045]在式(Ia)中，A1是选自酯基、酰胺基、醛基、酰基、-COOH基或腈基的受电子基，优选为酯基、酰胺基、醛基或酰基，尤其是酯基。作为酯基优选的基团是-C(O)OR2基。作为酰胺基优选的基团是-C(O)NR3R4基。R2选自烷基、环烷基和芳基，其可以任意被取代，优选的是烷基和芳基，尤其是烷基。R3和R4独立地选自氢和选自烷基、环烷基和芳基，其可以任意被取代。优选的是烷基和芳基，尤其是烷基。氢是次优的选择。
[0046]Sp1是二价间隔基团，诸如二价烷基或二价杂烷基。具体的示例是C3至C12的烷基，或包含一个或多个、诸如2或3个穿插于其C原子之间的醚键的基团。
[0047]X是官能团，其允许粘合剂分子共价附着于所述基体的表面。用于将表面涂层连接于不同表面的合适官能团是本领域中公知的。例如，它们包含-Si (R5)3S，其中R5选自烷氧基或卤素，特别是甲氧基或乙氧基；或者选自卤素，特别是Cl。作为X基的进一步实例，能够举出单或双阴离子形式的巯基(-SH)或膦酸酯基(-P(O) (OH)2) 0 -Si (R5)3基是通常优选的，并且能够方便使用，例如，用于像玻璃或硅的表面的改性。
[0048]在式(Ib)中，A2是选自酯基(-C(O)C-)、酰胺基或羧基(-C(O)-)的受电子基。优选的是酯基。就酯基或酰胺基而言，优选的是，C = O部分直接键合至形成乙烯基的C-C双键的C原子上。作为酰胺基，优选的是-C (O) NR3-基，其中R3选自氢和选自烷基、环烷基和芳基，其可以任意被取代。优选的是烷基和芳基，尤其是烷基。R1选自氢和选自烷基、杂烷基、环烧基、杂环烧基、芳基、杂芳基和芳烧基，其可以任意被取代。R1优选的是氧或烧基，诸如甲基、乙基或丙基，尤其优选的是氢或甲基。Sp1和X如式(Ia)中所定义的。
[0049]根据优选的第二示例性实施方式，对于形成粘合层，使用粘合剂分子，其中该粘合剂分子携带至少两个乙烯基，其中各乙烯基被受电子基取代。该乙烯基允许粘合剂分子之间和所述基体的表面之间发生反应。在该情况中，粘合层能够通过将粘合剂分子提供于所述基体的至少一部分表面上来制备，各粘合剂分子携带至少两个各被受电子基取代的乙烯基；以及通过在所述基体的表面上进行表面接枝和聚合粘合剂分子来制备所述粘合层。已发现携带至少两个乙烯基的粘合剂分子对提供本发明上下文中的粘合层是特别有用的，其中各乙烯基被受电子基取代。这些粘合剂分子可以含有，例如，2、3或4个乙烯基，但粘合剂分子优选携带两个乙烯基。还可以使用含有不同数量乙烯基的粘合剂分子的混合物。在该情况中，优选至少50%，更优选至少80%的粘合剂分子携带两个乙烯基。通过在一些或全部粘合剂分子中改变乙烯基的数量，可以调整在粘合层中所形成的分支点的数量和/或交联密度。还可以在粘合层的制备过程中混合携带至少两个乙烯基的粘合剂分子和只携带单个乙烯基(被受电子基取代)的分子，以控制所形成的网格的密度或用于连接粘合层中的聚合物刷的可获得乙烯基的密度。
[0050]包含于该第二实施方式的粘合剂分子的乙烯基允许粘合剂分子与基体表面反应，例如，在表面提供氢原子结合的基体表面。同时，他们能够在作为单体的粘合剂分子之间以分子间反应进行聚合，从而以聚合物层形式提供粘合层。事实上，由于存在两种可聚合的乙烯基，在粘合层中能够提供分支和/或共价交联的聚合物结构，因此能够由粘合剂分子形成稳定的聚合物粘合层。通常，根据该实施方式的粘合层包含分支的聚合物链。通过提高乙烯基的数量，例如，通过使用带有多于两个乙烯基的多官能粘合剂分子，能够促进交联的形成。最终，在表面接枝和聚合反应过程中没有反应并且残留于初始粘合层中的乙烯基能够用作聚合物链的连接位点。因此将会理解的是，在基体表面形成粘合层后，将会出现多个由受:电子基取代的乙稀基。
[0051]在一个粘合剂分子中被受电子基取代的两个或多个乙烯基可以相同或不同。鉴于合成的简单性，可以优选的是，在粘合剂分子中包含两个相同的基团。就受控形成的粘合层而言，优选的是，除被受电子基取代的乙烯基之外，粘合剂分子根本不包含另外的非芳族C-C双键或另外的双键。
[0052]在第二实施方式的粘合剂分子中，乙烯基也被受电子基取代。本领域技术人员将会理解的是，该取代完整保留了乙烯基的特征，即，受电子基结合至乙烯基的非末端碳原子。合适的受电子基包括酯基、酰胺基、羰基(包括酰基和醛基)、-CN基和-COOH基。优选的是酯基、酰胺基、醛基或酰基，尤其是酯基。
[0053]因此，根据第二实施方式，粘合剂分子中被受电子基取代的优选乙烯基具有如下结构(IIa)或(IIb)中的一种:
[0054]



p1

\
A1、C=f 吹
C= CH2p/

I
UIa)或(lib)。
[0055]在式(IIa)中，A1是选自_基、酰胺基、醛基、酰基、-COOH基或腈基的受电子基，优选酯基、酰胺基、醛基或酰基，尤其是酯基。作为酯基优选的是-C(O)OR2基。作为酰胺基优选的是-C(O)NR3R4基。R2选自烷基、环烷基和芳基，其可以任意被取代。优选的是烷基和芳基，尤其是烧基。R3和R4独立地选自氧和选自烧基、环烧基和芳基，其可以任意被取代，优选的是烷基和芳基，尤其是烷基。氢为次优选择。由简单破折号标记的开放化合价表示将乙烯基连接至分子的残余部的键。
[0056]在式(IIb)中，A2是选自酯基(-C(O)C-)、酰胺基或羧基(-C(O)-)的受电子基。优选的是酯基。就酯基或酰胺基而言，优选的是C = O部分直接结合至形成乙烯基的C-C双键的C原子。作为酰胺基优选的是-C(O)NR3-基，其中R3选自氢和选自烷基、环烷基和芳基，其可以任意被取代，优选的是烷基和芳基，尤其是烷基。氢为次优选择。R1选自氢和选自烷基、杂烧基、环烧基、杂环烧基、芳基、杂芳基和芳烧基，其可以任意被取代。R1优选是氧或烧基，例如甲基、乙基或丙基，尤其优选是氢或甲基。
[0057]鉴于它们方便的可获得性，优选的被受电子基取代的乙烯基是式(IIb)的乙烯基，尤其是(甲基)丙烯酸酯基，其通过由(甲基)丙烯酸酯的羧酸基形成的酯键连接至粘合剂分子的残余部分。在本文中，最优选的是甲基丙烯酸酯基。
[0058]在第二实施方式的粘合剂分子中，两个或多个被受电子基取代的乙烯基通常连接于η-价间隔部分上，其中η表示粘合剂分子中乙烯基的数量。对该间隔部分几乎没有限制。将会理解的是，在为了由粘合剂分子制备粘合层而实施的表面接枝和聚合反应中，该间隔部分应当优选为惰性的。例如，该间隔部分可以是选自η-价的烷基、杂烷基、环烷基、杂环烷基、芳基、杂芳基和芳烷基的η-价基团，其全部都可以被任意取代，优选烷基和杂烷基。尤其优选的是携带两个由二价亚乙基、亚丙基或亚丁基连接的乙烯基的粘合剂分子。
[0059]因此，在第二实施方式的上下文中，用于形成粘合层的粘合剂分子的优选结构可以由如下式(IIIa)或(IIIb)表示:
[0060]
A ?Γ~*~—-
A\R1
X--Sp2
H2C士0 A2—-Sp2
t ^"'.......^ Γ?
(IIIa )( IIIb )。
[0061]在式(IIIa)中，A1是选自酯基、酰胺基、醛基、酰基、-COOH基或腈基的受电子基，优选酯基、酰胺基、醛基或酰基，尤其优选酯基。作为酯基优选-C (O) OR2基。作为酰胺基优选-C(O)NR3R4基。R2选自烷基、环烷基和芳基，其可以被任意取代。优选的是烷基和芳基，尤其是烧基。R3和R4独立地选自氧和选自烧基、环烧基和芳基，其可以被任意取代。优选的是烷基和芳基，尤其是烷基。氢为次优选择。η是2、3或4，优选2。Sp2是η-价连接部分，选自二价烷基、杂烷基、环烷基、杂环烷基、芳基、杂芳基和芳烷基，其全部都可以被任意取代。优选烧基和杂烧基。尤其优选的是亚乙基、亚丙基或亚丁基。
[0062]就式(IIIb)的粘合剂分子而言，其通常优选式(IIIa)和(IIIb)中的粘合剂分子，A2是选自酯基(-C(O)C-)、酰胺基或羧基(-C(O)-)的受电子基。优选是酯基。就酯基或酰胺基而言，优选的是C = O部分直接结合至形成乙烯基的C-C双键的C原子。作为酰胺基优选-C(O)NR3-基，其中R3选自氢和选自烷基、环烷基和芳基，其可以被任意取代。优选是烧基和芳基，尤其是烧基。氣为次优选择。R1选自氣和选自烧基、杂烧基、环烧基、杂环烷基、芳基、杂芳基和芳烷基，其可以被任意取代。R1优选为氢或烷基，例如甲基、乙基或丙基，尤其优选的是氢或甲基。η和Sp2如式(IIIa)中所定义的。
[0063]鉴于它的商业可获得性，乙二醇二甲基丙烯酸酯能够方便用作该第二实施方式的粘合剂分子。
[0064]如上所述，根据本发明用于形成聚合物改性的基体的方法包括在所述基体的至少一部分表面上制备粘合剂分子的步骤，该粘合剂分子共价地连接于所述基体且携带多个各被受电子基取代的乙烯基。所述粘合层能够通过在所述基体的表面上提供粘合剂分子(例如，上述第一或第二示例性实施方式的粘合剂分子或第一或第二实施方式的粘合剂分子的混合物)来有利制备。
[0065]根据优选的实施方式，所述粘合层由包括如下步骤的方法制备:在所述基体的表面上提供粘合剂分子，各粘合剂分子携带至少两个各被受电子基取代的乙烯基，例如，上述解释的第二示例性实施方式的粘合剂分子；以及通过在所述基体的表面上进行表面接枝和聚合所述粘合剂分子来制备粘合层。因此，粘合层共价地连接于所述基体的表面。此外，以该方式形成的粘合层通常包含由粘合剂分子的聚合反应形成的分支和/或交联的聚合物网格，所述粘合剂分子携带两个被受电子基取代的乙烯基，该两个乙烯基对应每个粘合剂分子的两个可聚合基。
[0066]将会理解的是，在粘合剂分子中参与表面接枝和聚合反应的那些乙烯基在反应后不会残留乙烯基，而是伴随各乙烯基双键的失去与所述基体的表面或另一聚合的乙烯基形成共价键。此外，将会理解的是，为了将粘合层连接于基体表面，并不是通过表面接枝和聚合而获得的粘合层中的所有粘合剂分子需要与所述基体的表面形成键。通常，主要量的粘合剂分子将会与一个或两个其他粘合剂分子反应以形成粘合剂分子的网络。
[0067]在由表面接枝和聚合形成优选的粘合层后且在形成聚合物刷之前，多个乙烯基将会残留在粘合层中以允许催化剂络合物的配位，所述催化剂络合物然后介导聚合物链的形成。这些残留的乙烯基在聚合物链连接于所述粘合层之前通常分散于整个粘合层。类似地，上述第一示例性实施方式的粘合剂分子将会提供粘合层，其包含多个被受电子基取代的乙烯基，通常是粘合剂分子单层形式。然而，在最终的聚合物改性的基体中，粘合层中的乙烯基不再需要存在，并且事实上优选在聚合物链的形成过程中完全(或基本完全)转化。
[0068]依据聚合物改性的基体的预期用途，所述粘合层可以全部或部分覆盖基体表面。例如，通过在所述基体上形成粘合剂分子的规则或不规则图案能够实现部分覆盖。在本【技术领域】中建立了用于形成这种图案的技术，包括通过刷涂等技术或喷墨技术来选择性应用。或者，通过公知的印刷技术能够赋予部分表面亲水或疏水性能，然后，所述粘合剂分子能够以整齐的形式得到应用，尤其是它们为液体或在合适的溶剂中。
[0069]所述粘合层的厚度没有限制。然而，鉴于粘合层仅是为了确保在所述表面上结合用于形成聚合物刷的聚合物链的事实，使用过厚的粘合层可能不会有效。厚度在5至10nm的范围内，优选10至50nm的范围内可以获得良好的结果。在表面接枝和聚合反应后且在粘合层上形成聚合物刷之前，通过原子力显微技术(AFM)或椭圆光度法能够方便测量厚度。
[0070]除了上述粘合剂分子，所述粘合层可能包含其他分子。然而，通常所述粘合剂分子的量定义为形成粘合层的全部分子的至少50mol %,优选至少70mol %,更优选至少90mOl%。仅由如上描述的第一或第二实施方式的粘合剂分子可以方便地形成粘合层。
[0071]通过携带被受电子基取代的乙烯基的乙烯基单体的聚合反应，可以获得连接于所述粘合层的用于形成聚合物刷的聚合物链(参照上述关于该术语意义的常规解释)。通常，由这些乙烯基聚合而形成的聚合物链具有碳骨架，即，由在所述粘合层上的连接位点延伸出的最长链仅由碳-碳键形成。
[0072]携带被受电子基取代的乙烯基的优选乙烯基单体具有如下结构:
[0073]
/R6R7
H2C= CH2C=
\八3\厶4
A (IVa) ΛA (IVb)。
[0074]在式(IVa)中，R6选自氢和选自烷基、杂烷基、环烷基、杂环烷基、芳基、杂芳基和芳烷基，其可以被任意取代。R6优选氢或烷基，例如，甲基、乙基或丙基，尤其优选的是氢或甲基。A3是受电子基，其选自酯基、酰胺基、醛基、酰基；选自如下相应的结构，其中桥氧基=O和/或醚基-O-被硫取代；和选自硝基(-NO2)。例如，相应硫基选自-C(S) SR8、-C(O) SR8和-C(S)R8。优选的A3是选自酯基、酰胺基、醛基或酰基的基团，并且更优选的是酯基。作为酯基优选的是-C (O) OR8基。作为酰胺基优选的是-C (O) NR9Rltl基。R8选自烷基、环烷基和芳基，其可以被任意取代。优选的是烷基和芳基，尤其是烷基。R9和Rltl独立地选自氢和选自烧基、环烧基和芳基，其可以被任意取代。优选的是烧基和芳基，尤其是烧基。氢!为次优选择。
[0075]鉴于它们的方便可用性，具体优选的式(IVa)的乙烯基单体是(甲基)丙烯酸酯，尤其是甲基丙烯酸酯例如甲基丙烯酸甲酯。
[0076]在式(IVb)中，R7选自氢和选自烷基、杂烷基、环烷基、杂环烷基、芳基、杂芳基和芳烷基，其可以被任意取代。RM尤选为氢或烷基，例如，甲基、乙基或丙基，尤其优选的是氢。A4选自膦酸酯基-P (O) (OR11) (0R12)和氧化磷基-P (O) (Rn) (R12)，其中，R11和R12独立地选自烧基、环烧基和芳基，其可以被任意取代。优选的是烧基，尤其是甲基、乙基和丙基。R11和R12可以相同或不同，但鉴于这种化合物更加的方便可用性，其优选相同。此外，A4可以选自-S(O) (O) (OR11)、-S (O) (Rn)或-S (O) (O) (Rn)，其中，R11具有如上定义的相同意义。A4优选膦酸酯基和氧化磷基，尤其优选的是膦酸酯基-P(O) (OR11) (0R12)。
[0077]聚合物链可以是均聚物链或共聚物链。共聚物链可以是无规共聚物或嵌段共聚物。共聚物优选是嵌段共聚物。
[0078]在要求保护的聚合物改性的基体中，除携带被受电子基取代的乙烯基之外，形成聚合物刷的聚合物链可以包含由含有可聚合的C-C双键的其他单体形成的聚合单元，例如，烯烃。然而，优选的是，携带被受电子基取代的乙烯基的乙烯基单体，尤其是上述式(IVa)和/或(IVb)的乙烯基单体，在与聚合物改性的基体中的粘合层连接的每个聚合物链中提供全部聚合单元的至少50mol %,优选至少70mol %,尤其是10mol %。而且,鉴于聚合物链合成的容易性，可以方便地仅通过如上定义的携带被受电子基取代的乙烯基的乙烯基单体的聚合来形成聚合物链。
[0079]依赖于根据本发明聚合物改性的基体的预期用途，可以改变聚合物链的组成。对于某些用途，可以优选含有上式(IVa)的单体的聚合物链，并且本发明包括由聚合物链形成的聚合物刷，其中，式(IVa)的单体提供全部聚合单元的至少50mol%，优选至少70mol %,尤其是至少90mol %或全部聚合单元。
[0080]然而，鉴于上述含磷聚合物的有利性能，优选的是在根据本发明的聚合物改性的基体中所包含的聚合物刷包含由上述式(IVb)的单体衍生的单元，其中，A4选自膦酸酯基-P(O) (OR11) (0R12)和氧化磷基-P(O) (Rn) (R12)，尤其是膦酸酯基，其数量为全部聚合单元的至少1mol %,优选至少20mol %。
[0081]事实上，在本发明的上下文中优选的是，各聚合物链所包含的占全部含于其中的聚合单元的至少5011101%,优选至少7011101%,尤其是至少90mol %或全部聚合单元是由式(IVb)的单体提供的，其中A4选自膦酸酯基-P(O) (OR11) (0R12)和氧化磷基-P(O) (Rn) (R12)，尤其是膦酸酯基。如上所述，进一步优选的是，余量的聚合单元由其他被受电子基取代的乙烯基单体提供，尤其是由式(IVa)的乙烯基单体提供。因此，在本发明的上下文中，形成聚合物链的特别优选的聚合物是聚膦酸酯均聚物或聚膦酸酯/聚(甲基)丙烯酸酯嵌段共聚物。
[0082]关于上述说明，应当指出本发明还包括含有以自由或中和形式悬挂于聚合物链主链的酸基的聚合物，该酸基可以通过包含于上述讨论的单体中的各种酯基的酯裂解来获得。通常，酯裂解在各自单体聚合后方便实施。最终的酸基包括羧酸基-C00H、膦酸基-P(O)(OH)2、磺酸基-S (O) (O) (OH)或它们带有阳离子的盐，包括碱金属阳离子、碱土金属阳离子和铵尚子。
[0083]形成包含于所要求保护的聚合物改性的基体的聚合物刷的聚合物链通常为直链型。如果使用提供分支点的合适单体，它们可以为支链型，但是优选非支链型聚合物。优选的是聚合物刷中的聚合物链非彼此交联。
[0084]由根据本发明的聚合物改性的基体所包含的聚合物刷由如上所定义的多个聚合物链形成。通常，根据本发明的聚合物刷由至少100个、优选至少1000个该类型的聚合物链组合而成。
[0085]然而聚合物刷可以包含不同于如下聚合物链的聚合物链，即可以通过携带由如上所定义的被受电子基取代的乙烯基的乙烯基单体聚合而获得的聚合物链，在本发明的上下文中，优选仅由这种聚合物链来形成聚合物刷。
[0086]在所述基体的表面上的聚合物层的厚度，例如，通过AFM或椭圆光度法测量的厚度，是粘合层和聚合物刷的总厚度。根据本发明，能够方便地制备大于60nm，优选大于10nm的厚度。对于例如30nm的常规厚度的粘合层，能够估算聚合物刷的厚度大于30，优选大于70nm。
[0087]依据根据本发明的聚合物改性的基体的预期用途，无疑可能会进一步改性聚合物刷，例如，首先通过如下进一步详述的单体聚合形成聚合物链，然后，进一步使聚合物链中的官能团发生反应。能够使用如下方案:例如，激活现有基团以提高它们的反应性(例如，作为活性酯)；提供特定官能团(例如，以生物探针的形式)；或将另外的材料连接于聚合物刷(例如，多糖、水凝胶等的聚合材料)。
[0088]根据本发明，上述粘合层和聚合物刷允许各种基体被聚合物改性。允许连接，特别是共价连接粘合剂分子的合适基体材料包括:例如，氧化硅、氧化铝、玻璃、玻璃碳、金刚石、聚合物、金属(诸如金)或半导体(诸如硅)基体。合适的聚合物基体包括:例如，聚烯烃，诸如聚乙烯或聚丙烯；聚苯乙烯；聚酰胺或聚酯。
[0089]对于由携带至少两个各被吸电子基取代的乙烯基的粘合剂分子形成优选的粘合层，接着进行表面接枝和聚合粘合剂分子，如果存在结合于待改性的基体表面的氢原子是有利的。用于该目的的示例性基体是硅、玻璃、玻璃碳、金刚石和聚合物基体。在粘合剂分子的表面接枝反应过程中，推测通过自由基机理去除氢原子，并且分别在基体和粘合剂分子或粘合层的乙烯基之间形成共价键。依据待改性的基体材料，使材料进行初步清洗步骤和/或还原反应或许是有用的。例如，可以对硅基体进行预处理以去除形成于其表面的氧化层。由于存在于这种娃基体表面的S1-H键相对较弱，因此它能够在本发明的该优选实施方式的上下文中方便地使用。此外，可以有目的导入提供氢原子的表面基团，如氨基，该氢原子能够在粘合剂分子的表面接枝和聚合过程中被去除以使表面基团与粘合剂分子成键。
[0090]基体可以由形成表面的材料构成，但也可以是复合材料，其中，全部或部分表面，例如表层，由适合粘合剂分子共价连接的材料形成。这种表层的厚度可以大范围改变，并且几厘米的层能够作为连接表面的单层而被使用，诸如提供用于与粘合剂分子的乙烯基进行后续反应的氢原子的有机单层。例如，通过用于表面改性的公知技术，可以用由烷氧基硅烷形成的中间单层来提供硅和玻璃表面。如果硅烷携带具有可分离氢原子的其他基团，诸如氨基，那么单层会通过表面接枝分别促进粘合剂分子或粘合层连接于基体表面。例如，合适的烷氧基硅烷是氨烷基三甲氧基硅烷或氨烷基三乙氧基硅烷。
[0091]然而，使用含有适于与所述基体的表面反应的官能团的合适粘合剂分子，也可以不用预先改性基体表面来制备所述粘合层。
[0092]待改性基体的形状没有限制。改性区域可以是展开的平面以及形状化的表面，诸如球、管、瓶或带孔板。鉴于能够为根据本发明的聚合物改性的表面方便提供高密度和厚度的聚合物刷的事实，它们对改性具有与聚合物刷的厚度相比表面尺寸大的基体特别有用。通常，在基体上由粘合层和聚合物刷覆盖的表面区域具有至少ΙΟΟμπι2的尺寸。然而，无疑也可以将粘合层和聚合物刷应用于非常小的表面区域，例如纳米颗粒。
[0093]鉴于根据本发明的聚合物改性能够提供优异的生物相容性的事实，示例性基体包括用于医疗或诊断应用的基体，诸如培养皿、细胞培养瓶、移液管、微载体或微量滴定板。它们也包括用于各种应用的球体，尤其是微球体，诸如允许粘附细胞生长的微载体或用作过滤材料的球体。然而，无疑该发明的应用没有限制在医疗或诊断的区域，而是进一步包括工业应用例如球体，特别是用含磷聚合物改性(将其复合至各种基质以提供阻燃性能)的微球体。
[0094]如上所述，本发明的方法包括如下步骤:
[0095]a)在所述基体的至少一部分表面上制备粘合层，该粘合层共价地连接于所述基体上且携带多个被受电子基取代的乙烯基；
[0096]b)将粘合层与作为催化剂的稀土金属络合物接触，并且使该络合物中的稀土金属与所述粘合层的被受电子基取代的全部或部分乙烯基配位；
[0097]c)将含有配位的稀土金属络合物催化剂的粘合层与含有被受电子基取代的乙烯基的乙稀基单体；和
[0098]d)进行由配位的稀土金属络合物的稀土金属介导的乙烯基单体的聚合以形成在其一末端处共价地连接于所述粘合层的聚合物链。
[0099]根据优选的实施方式，所述粘合层由步骤a)中包括如下步骤的方法制备:
[0100]al)在所述基体的表面上提供粘合剂分子，各粘合剂分子携带至少两个各被受电子基取代的乙稀基；和
[0101 ] a2)通过在所述基体的表面上进行表面接枝和聚合粘合剂分子来制备粘合层。
[0102]就粘合层的形成而言，通常将粘合剂分子首先提供于表面。或者将它们以整齐的形式应用于表面，尤其如果它们形成为液体或者以在合适溶剂中的溶液形式。将会理解的是，这种溶剂不应妨碍表面接枝和聚合反应。通过传统的施加和/或涂布方法，能够实现将粘合剂分子或其溶液应用于表面，包括将基体浸溃于粘合剂分子或其溶液中；用刷子、通过喷雾或通过喷墨或其他的印刷方法来应用。
[0103]在将粘合剂分子提供于表面后，它们共价地连接于表面。
[0104]根据使用各携带至少两个各被受电子基取代的乙烯基的粘合剂分子的优选实施方式，进行了表面接枝和聚合反应来形成粘合层，并且将其连接于所述表面。如上所述，表面接枝反应发生在包含于粘合剂分子中的乙烯基和基体表面之间以在表面和粘合剂分子之间形成共价键。不限于理论，一般认为粘合剂分子中的乙烯基在激活后形成活性类物质从而能够从基体的表面去除氢原子，即，可以将乙烯基看作是敏化剂通过氢去除来激活表面官能团。作为氢去除的结果，自由基残留在所述表面上，其能够引起粘合剂分子的自由基面引发的聚合。由于粘合剂分子携带至少两个反应性乙烯基，粘合剂分子的聚合能够伴随分支聚合物链的形成和/或由粘合剂分子形成的聚合物链之间的交联反应。通常，根据该实施方式的粘合层包含分支聚合物链。通过提高乙烯基的数量，例如，通过使用带有多于两个乙烯基的多官能粘合剂分子，能够促进交联的形成。因此，当以分支聚合物和/或交联聚合物形式，优选以分支聚合物或分支和交联聚合物的形式聚合的粘合剂分子组合时，能够在所述表面接枝和聚合反应中形成粘合层，其连接于所述基体的表面。在该上下文中，术语“网络”用于描述在聚合物链之间由共价交联而形成的结构、支链的缠绕而形成的结构以及结合共价交联和支链的结构。
[0105]优选地，通过提供能量，例如，以UV辐射或热能的形式，激活包含于粘合剂分子中的乙烯基，引发表面接枝和聚合反应。使用UV辐射来激活是非常方便的。该反应优选在没有任何起引发剂(例如典型的聚合起始剂)作用的物质下引发。在该情况中，粘合剂分子的反应能够被称为自引发接枝和聚合，或者尤其在通过UV辐射来激活的情况中，被称为自引发光接枝和光聚合(SIPGP)反应。
[0106]表面接枝和聚合反应能够在室温或升高的温度下进行。优选地，根据惯例，可以使用的粘合剂分子和任何溶剂应当被脱气和干燥。尤其是在通过UV辐射来激活乙烯基的情况中，该反应能够在大约室温，例如，在20至25°C下有利的进行。优选在整个反应过程中持续提供激活能，例如，UV光辐照。关于UV光的波长，使用波长峰值λ_在300至380nm范围内、优选350nm的UV光是有利的。反应时间通常在I分钟至I小时范围内，优选在20至50分钟范围内。在表面接枝和聚合反应后，有利的是彻底清洗所获得的粘合层以去除未反应的粘合剂分子或没有共价地结合至表面的聚合物。为了该目的，可以使用方便的技术，诸如用方便的溶剂和/纯净水来冲洗，可以选择性结合超声波使用。
[0107]在制备粘合层后，制备形成聚合物刷的聚合物链。通常，这通过上述乙烯基单体的聚合反应来实现，其中所述链是由在粘合层中所提供的乙烯基接枝，已发现这种由聚合而得的“接枝”能够在由稀土金属络合物催化剂介导的反应中有利实施。该聚合反应的类型最可能通过基团转移机理来进行，这里也称作“基团转移聚合”。在本发明的上下文中，聚合物链的形成优选通过这种基团转移聚合(GTP)来进行，更具体地，通过面引发基团转移聚合(SIGTP)来进行，这是因为该聚合是由配位于粘合层表面处的稀土金属络合物引发。
[0108]在聚合反应的初始步骤中，使携带多个各被受电子基取代的乙烯基的粘合层与作为催化剂的稀土金属络合物接触。该催化剂络合物能够与被受电子基取代的乙烯基反应。这导致稀土金属络合物配位至被受电子基取代的乙烯基上，尤其至受电子基上。应当理解的是，当稀土金属配位至受电子基上时，稀土金属络合物的结构可以改变，这是因为受电子基通常取代稀土金属络合物的另一配体。优选地，在粘合层中携带受电子基的全部乙烯基都与稀土金属络合物反应。
[0109]接下来，将含有乙烯基的单体添加至携带配位催化剂络合物的粘合层，以允许聚合物链从粘合层生长。不局限于理论，一般认为聚合物链生长是通过同时将添加的单体和粘合层中的受电子基(或由先前的聚合步骤形成的生长链的末端)配位至络合物催化剂，接着将配位的单体转移至共价结合的链末端而发生。因此，或者在粘合层和单体之间，或者在生长聚合物链单元衍生的单体和其他单体之间形成新键。
[0110]关于聚合机理和合适的聚合条件，以及优选的催化剂络合物及其制备的详细内容，参照 S.Salainger, U.B.Seemann, A.Plikhta, B.Rieger, Macromolecules2011, 44, 5920-5927 和 U.B.Seemann, J.E.Dengler, B.Rieger, Angew.Chem.1nt.Ed.2010, 49, 3489-3491 和U.B.Seemann, iiPolyvinylphosphonate und deren Copolymere durch Seltenerdmentallinitiierte Gruppen-Transfer-Polymerisat1n，，, Dissertat1n, Technische Universitat Miinchen, 2010。
[0111]例如，在其表面携带粘合层的基体能够放置于包含络合物催化剂的溶液中。优选地，使用诸如甲苯的非极性溶剂。能够方便使用的稀土金属络合物催化剂的浓度大于
0.25mg/ml,例如0.5至lmg/ml。该催化剂允许在某一时间段内与粘合层配位,通常在30分钟至2小时范围内。该配位能够在室温下方便实现，例如，在20至25°C范围内。然后，将单体添加至溶液中。依据所期望的聚合物刷的厚度，能够确定合适的量。如果要制备共聚物链，可以添加不同单体的混合物，或者可以将聚合反应分成次级阶段，在次级阶段中添加不同单体。聚合物链的生长通常在室温下、在几分钟内迅速进行。通常的反应温度也在20至25°C范围内。通常的反应时间在I分钟至30分钟的范围内，优选I分钟至10分钟。AFM研究表明聚乙烯膦酸酯刷的层厚度随聚合时间几乎线性增加。
[0112]该反应应当在惰性气体氛围内进行。例如，可以通过添加诸如甲醇的质子溶剂来终止。
[0113]稀土金属络合物催化剂优选包含选自由钇、钆、铽、镝、钦、铒、铥、镱和镥所组成的组中的金属的催化剂；尤其选自由镝、钦、铒、铥、镱和镥所组成的组。
[0114]就络合物结构而言，已证明特别有用的络合物是具有如下结构的络合物:
[0115]


L1

\

RE—L3


Ιβ,
L(V)
[0116]在该式中，RE是稀土金属，优选选自由钇、钆、铽、镝、钦、铒、铥、镱和镥所组成的组中的金属；尤其选自由镝、钦、铒、铥、镱和镥所组成的组。
[0117]L1和L2独立选自环戊二烯基、茚基和芴基，其可以被任意取代。该任意取代基可以选自卤素或烷基，特别是甲基。此外，L1和L2可以通过二价烷基或甲硅烷部分桥联。L1和L2基优选为环戍_■稀基和却基，尤其是环戍_■稀基。
[0118]L3选自齒素、烧基、任意取代的环戍_■稀基、任意取代的却基或任意取代的荷基；酰胺配体、硫醇配体或阴离子甲硅烷配体。该任意取代基与上述L1和L2所定义的相同。L3优选为甲基、乙基、环戊二烯基、S-t- 丁基配体或CH2-TMS配体，尤其是甲基或环戊二烯基。
[0119]示例性酰胺配体具有式-NR13R14,其中R13和R14独立地选自氢、烷基或环烷基。示例性硫醇配体具有式-SR15，其中R15选自氢、烷基或环烷基，以及示例性阴离子甲硅烷配体是-CH2TMS,其中TMS代表三甲基甲硅烷基。在这些配体中由破折号表示的自由价表示将代表性配体L3连接至稀土金属的配位键。
[0120]因此，已发现特别有用的络合物催化剂是Cp2TmMe、Cp3Tm, Cp2YbMe, Cp3Yb, Cp2LuMe和Cp3Lu。应当理解的是，“Cp”是指环戊二烯基配体，以及“Me”是指甲基配体。
[0121]在聚合反应成功完成后，可以进一步改性聚合物链。例如，能够使通过(甲基)丙烯酸酯或乙烯基膦酸酯的聚合而提供于聚合物链中的酯基进行酯交换反应。类似地，这种酯能够依据周围介质的PH水解产生相应的游离酸或其盐。关于膦酸酯水解的合适条件，可以参照 S.Salainger, U.B.Seemann, A.Plikhta, B.Rieger, Macromolecules2011, 44, 5920-5927。
[0122]依据基体的类型和形成于其上的聚合物刷的性质，根据本发明的聚合物改性的基体能够用于各种应用。该改性能够用于赋予基体表面特殊的物理性能或用于为进一步连接材料或分子提供合适的表面。
[0123]例如，在聚合物刷中含有磷原子的聚合物改性(例如，通过上述式(IVb)的乙烯基化合物的聚合或共聚合的基体)的基体在要求阻燃性能的应用中也是有利。例如，能够将粘合层和聚合物刷用于赋予各种表面以阻燃性。根据本发明的基体也能够以添加物的形式与所期望的阻燃性的材料混合来使用。
[0124]携带含有酸基(诸如膦酸或(甲基)丙烯酸基或它们的盐)的聚合物刷的聚合物改性的基体可以进一步用于其中要求质子传导率的应用中，例如，分别作为燃料电池膜或在燃料电池膜上应用。
[0125]此外，聚合物改性的基体，尤其在聚合物刷中含有磷原子的基体，例如，通过上述式(IVb)的乙烯基化合物的聚合或共聚合的基体，在其中要求生物相容性和/或防污性能的应用中是特别有利。因此，根据本发明的改性的基体能够在其中找到应用或作为设备用于生物应用，诸如医疗或诊断应用。基体的实例包括不同的瓶或容器，诸如培养皿、细胞培养瓶、移液管、微载体、带孔板(例如，微量滴定板)和盖片。进一步可能的应用包括球体，尤其是作为用作过滤材料的改性基体的微球体，例如，由玻璃料支持或填充至套筒中。例如，能够将聚合物改性用于控制病毒、蛋白、肽、DNA和/或细胞的粘附。因此，本发明还包括将聚合物改性的基体用作粘附生物材料，诸如病毒、蛋白、蛋白、肽、DNA和/或细胞(诸如胚胎和成人干细胞、多能细胞和其他细胞类型，诸如间充质细胞)的基体，例如，上下文中的检测方法，诸如ELISA或PCR。
[0126]在优选的实施方式中，该发明还包括一种细胞膨胀(expans1n of cell)的方法，包括将细胞与根据本发明的聚合物改性的基体接触的步骤，特别是在聚合物刷中含有磷原子的聚合物改性的基体，例如，通过上述式(IVb)的乙烯基化合物的聚合或共聚合的基体。由于它们优异的生物相容性，改性的基体能够用于提供，例如，细胞培养瓶或微载体的表面。这种方法能够应用于细胞，例如，胚胎和成人干细胞、多能细胞和其他细胞类型，诸如间充质细胞。
[0127]进一步有趣的应用源自如下事实:根据本发明能够提供用热响应聚合物刷改性的基体。这些基体也对各种生物和医疗应用是有用的，例如，作为病毒、蛋白、肽和/或细胞的粘附介质。因此，可以证明聚合物刷能够提供所定义的亲水或疏水性能。就含有聚合酯基，诸如聚合乙烯基膦酸酯和/或(甲基)丙烯酸酯的聚合物刷而言，这些性能能够由悬挂于聚合物链的基团(形式上的酯化醇基)的性质控制。例如，烷基链的长度对由聚合乙烯基膦酸酯形成的均聚物刷的亲水/疏水特征的影响能够通过接触角测量来表示。聚合的亲水二甲基乙烯基膦酸酯(DMVP)引起17°的稳定水接触角(CA)(在室温下，即，20°C )，而疏水二丙基乙烯基膦酸酯(DPVP)具有76°的CA值。已发现聚合物链，尤其是那些能够看作具有两性的聚合物链的亲水/疏水性能会依据周围介质的温度而改变。这些聚合物链具有热响应或热切换性能。例如，发现用聚合的二乙基乙烯基膦酸酯(DEVP)改性的基体在室温下具有44°的稳定水CA。然而，当温度升至50°C时，CA由22°升至66°。还发现该热切换是完全可逆的。然而，对由其他单体形成的聚合物刷也能够实现相似的性能，诸如N-烷基取代的丙烯酰胺(例如，N- 二乙基丙烯酰胺或N-丙基丙烯酰胺)。
[0128]例如，可以开发生物相容性和热响应或热切换性能来用于在常规细胞培养条件下控制细胞连接和脱落。聚合物链的疏水性能允许细胞的粘附，然而，聚合物链的亲水性能允许细胞的脱落，从而避免使用常规使用的浸入性脱落方法，诸如酶或刮刀。通过降低温度来释放细胞在其中保留诸如上述细胞的粘附和膨胀的生物性能的应用中是有利的。
[0129]在智能聚合物的形成或在分离化学，例如，用于凝胶渗透色谱的基体中，能够发现带有热响应性能的聚合物改性的基体的其他有趣的应用。
实施例
[0130]材料
[0131]娃片(100)购自瓦克公司(Wacker AG)。聚苯乙烯微球体购自索罗希尔工程公司(SoloHill Engineering, Inc.)。全部化学药品购自西格玛奥德里奇(Sigma-Aldrich(斯坦海姆，德国))或阿可罗斯(Acros(赫尔，比利时))并且直接使用，除非另行说明。使用MBraun SPS-800溶剂纯化系统来干燥甲苯。根据文献记载的方法((I).Leute，M.1n Polymers with Phosphorus Funct1nalities,PhD Thesis,University ofUlmj Ulmj 2007 ； (2).Birmingham, J.M.；Wilkinson, G.J.Am.Chem.Soc.1956，78，42-44.)，制备了双(环戊二烯基)甲基镱(Cp2YbMe)、二乙基乙烯基膦酸酯(DEVP)和二正丙基乙烯基膦酸酯(DPVP)。二甲基乙烯基膦酸酯(DMVP)购自阿法埃莎(Alpha Aesar) 0在聚合之前，将单体和3-(三甲氧基硅烷基)丙基甲基丙烯酸酯(TMSPM)用氢化钙干燥并蒸馏。
[0132]魅
[0133]红外光谱(IR):使用安装有由SpectraTech公司的漫反射傅里叶变换红外线装置和碲镉汞(MCT)探测器的IFS55Bruker仪器来进行红外光谱测试。对于各光谱，以^nT1的光谱分辨率累积500次扫描。在仅氧化硅基体上记录了背景光谱。
[0134]原子力显微技术(AFM)扫描:其由来自Veeco仪器公司(曼海姆，德国)的Nanoscope IIIa扫描探针显微镜获得。该显微镜以使用带有如下参数的Si悬臂的轻敲模式操作:317kHz的共振频率，在0.5Hz扫描率下的1.35V的驱动幅值。
[0135]水接触角:其用全自动Kriiss DSA10Mk2接触角测角器测量。在Kriiss Drop ShapeAnalysis v3软件包的辅助下获得了数据。
[0136]低临界溶液温度(LCST)
[0137]由来自Varian的Cary3UV_viS分光光度计实施了浊度测量。通过分光光度测量聚合物水溶液(1.0wt% )在λ = 500nm处的透射率的变化来测定浊点。保持5分钟的恒温以确认平衡后，以1.0K HiirT1的速率进行了加热/冷却。测量浊点的给定值来作为对应光学透射率降低10%的温度。
[0138]佥成
[0139]在氢封端的硅基体上的聚(二烷基乙烯基膦酸酯)刷
[0140]氢封端的硅基体
[0141]用食人鱼溶液(Piranhasolut1n, H2O2 (35wt.% ) /H2SO4 = 1/3)初次清洗娃基体
(100)。然后，将硅基体放置于装有5wt.% HF水溶液的塑料瓶中5分钟以去除氧化硅层。在由微孔水和乙醇彻底清洗后，将基体用微孔水和纯乙醇彻底清洗。得到的表面表示在图1中。
[0142]聚(乙二醇二甲基丙烯酸酯)(PEGDM)改性的硅基体
[0143]将氢封端的硅基体浸溃于装有脱气的大量乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDM)的玻璃瓶中用于UV聚合。以该方式，用具有在300和400nm之间(λ max = 350nm)的光谱分布进行了乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDM)的自引发光接枝和光聚合(SIPGP)(参照J.Deng，W.Yang, B.Ranby, Macromol.Rapid Commun.2001, 22, 535-538 ;Μ.Steenackers, S.Q.Lud, Μ.Niedermeier, P.Bruno, D.M.Gruen, P.Feulner, M.Stutzmann, J.A.Garrido, R.Jordan, J.Am.Chem.Soc.2007, 129, 15655-15661 ；N.Zhang, M.Steenackers, R.Luxenhofer, R.Jordan,Macromolecules2009, 42，5345-5351)。允许该反应进行30分钟。发现有利于避免大量凝胶化的最大反应时间是40分钟。在UV辐照后，在甲苯、乙酸乙酯、乙醇和微孔水中用超声波彻底清洗样品以去除未反应的单体和物理吸附的聚合物。通过该过程得到的粘合层表示在图2中。
[0144]因此，可以形成带有网络形态的聚合物层。在UV辐照30分钟后，在一些带有不同极性的溶剂中用超声波充分清洗基体以确保只保留化学接枝的聚合物。
[0145]AFM测量表明在EGDM的SIPGP后形成了 29±6nm厚度的聚合物层(图3a)。
[0146]由红外(IR)光谱技术确认了由PEGDM成功改性的硅基体(图4)。位于1732CHT1和1164CHT1的强带对应于(C = 0)和(C-O)伸缩模式。位于1630CHT1的对应(C = C)伸缩模式的弱带表示在UV聚合后保留了甲基丙烯酸酯基部分，其允许粘合层进一步官能化。
[0147]在APTMS单层上的PEGDM改性的基体
[0148]通过调整上述过程，PEGDM膜也能够在硅或玻璃基体上形成，在该基体上应用了3-氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)单层。通过在干丙酮中将APTMS (5wt.% )硅烷化2小时，在硅基体(100)(带有薄氧化层)或载玻片上生长APTMS的自组装单层(SAM)。在硅烷化后，在乙酸乙酯、乙醇和微孔水中各超声处理2分钟以去除所述基体上的物理吸附的分子。
[0149]PEGDM改性的硅基体上的聚(二烷基乙烯基膦酸酯)聚合物和共聚物刷
[0150]方案:
[0151]在室温下，将PEGDM改性的硅基体放置在含有Img Cp2YbMe的3mL甲苯溶液中I小时。然后，添加500当量的二烷基乙烯基膦酸酯(DAVP)和/或甲基丙烯酸甲酯(MMA)单体来进行GTP。添加0.4mL的甲醇来停止反应。在甲苯、乙醇和微孔水中各超声处理2分钟以去除单体、物理吸附聚合物和残留物从而彻底清洗样品。
[0152]在PEGDM改性的硅和玻璃基体上的聚(二烷基乙烯基膦酸酯)刷
[0153]在室温下，将PEGDM改性的硅/玻璃基体放置在含有Img Cp2YbMe的3mL甲苯溶液中I小时。然后，添加500当量(共聚单体的总量)的乙烯基膦酸酯共聚单体(二甲基乙烯基膦酸酯、二乙基乙烯基膦酸酯或二丙基乙烯基膦酸酯)来进行基团转移聚合(GTP)。添加0.4mL的甲醇来停止反应。在甲苯、乙醇和微孔水中各超声处理2分钟以去除单体、物理吸附聚合物和残留物从而彻底清洗样品。所得到的聚合物改性的表面表示在图2中。
[0154]在第二次聚合后，通过IR光谱技术再次确认了在PEGDM上成功接枝的DEVP(图4)。位于1630CHT1的对应于(C = C)伸缩的带完全消失，并且在1228CHT1处出现新的加强带，其是聚(乙烯基膦酸酯)的(P = 0)伸缩模式的特征。
[0155]在不同的反应时间后终止DEVP的SIGTP，并且在分别进行1、2、3和4分钟聚合后，由AFM揭示的所获得的聚合物层的厚度分别由29 ± 6nm增至51 ± 11、73 ± 9、104 ± 11和146±12nm(图3a_e)。此外，如图3f所示，绘制了在外界条件下由AFM测量的聚合物刷层的厚度作为聚合时间函数的曲线。观察到26.5nm/分钟的几乎恒定的增长率。聚合物层的迅速而恒定的增长率是因为GTP的有效和活性特征。对于更长的聚合时间(> 6min)，层厚度的增长率降低。
[0156]性能
[0157]在室温下，通过接触角测量研究了烷基链的长度对聚合物层的亲水/疏水特征的影响。亲水DMVP获得17°的稳定水接触角(CA)，而疏水DPVP具有76°的CA值。发现PDEVP改性的基体在室温下具有44°的稳定水CA。然而，当温度升至50°C时，CA由22°升至66°。还发现该热切换是完全可逆的。接触角测量结果表示在图5中。
[0158]微球体上的聚甲基丙烯酸甲酯刷的聚二烷基乙烯基膦酸酯
[0159]聚(乙二醇二甲基丙烯酸酯)(PEGDM)改性的微载体
[0160]将0.2g交联的聚苯乙烯微载体分散于5mL的脱气的大量乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDM)中用于UV聚合。UV光具有300和400nm之间(λ max = 350nm)的光谱分布。将该反应进行30分钟。在UV辐照后，在甲苯、乙酸乙酯、乙醇和微孔水中用超声波彻底清洗样品以去除未反应的单体和物理吸附的聚合物。
[0161]在PEGDM改性的微载体上的聚(二烷基乙烯基膦酸酯)刷或甲基甲基丙烯酸酯刷
[0162]在室温下，将0.2g PEGDM改性的微载体放置在含有1mg Cp2YbMe的5mL甲苯溶液中I小时。然后，添加500当量的DAVP或MMA单体来进行GTP。添加0.4mL的甲醇来停止反应。在甲苯、乙醇和微孔水中各超声处理2分钟以去除单体、物理吸附聚合物和残留物从而彻底清洗微载体。
[0163]氢封端的硅基体上的聚(甲基丙烯酸甲酯)刷
[0164]相应地，可以在PEGDM改性的硅基体上合成聚(甲基丙烯酸甲酯)刷。在室温下，能够在几分钟之内制备均一且厚的PMMA刷(?300nm)。通过IR确认了成功合成于PEGDM膜上的PMMA刷。如图4所示，在第二次接枝聚合后，在1485-1449CHT1处出现的新带对应PMMA的典型CH3-O伸缩模式。
[0165]在TMSPM改性的硅基体上的聚(二乙基乙烯基膦酸酯)或聚甲基丙烯酸甲酯刷
[0166]3-(三甲氧基硅烷基)丙基甲基丙烯酸酯(TMSPM)单层
[0167]通过在干丙酮中将TMSPM(5wt.% )硅烷化2小时，在硅基体(100)(带有薄氧化层)上生长TMSPM的自组装单层(SAM)。在硅烷化后，在乙酸乙酯、乙醇和微孔水中各超声波处理2分钟来洗涤基体上的物理吸附的分子。得到的单层表示在图6中。
[0168]聚合物刷的形成
[0169]在室温下，将TMSPM改性的硅基体放置在含有Img Cp2YbMe的3mL甲苯溶液中I小时。然后，添加500当量的DAVP或MMA单体来进行基团转移聚合(GTP)。添加0.4mL的甲醇来停止反应。在甲苯、乙醇和微孔水中各超声处理2分钟以去除单体、物理吸附聚合物和残留物，从而彻底清洗该样品。得到的聚合物刷简要示于图7中。
[0170]对所获得的表面进行的AFM测量显示出，形成于所述基体上的小点表明由聚合物覆盖的基体覆盖率低于PEGDM粘合层的情况的覆盖率。该低覆盖率可能是由TMPMS的密堆积的SAM以及大量的Cp2YbMe引起，两者都限制甲基丙烯酸酯接近催化剂的能力。
[0171]图1表示氢封端的硅基体的形成。
[0172]图2表示在硅片上共价固定PEGDM网络以及之后的基团转移聚合(GTP) 二烷基乙烯基膦酸酯以形成聚合物刷。
[0173]图3表示硅片上的PEGDM膜和在DEVP的SIGTP后的聚合物刷的AFM3D图像:(a)EGDM进行SIPGP30分钟给予29±6nm厚度的PEGDM膜；(b)-(e)在上述PEGDM膜上进行1、
2、3和4分钟DEVP的GTP分别形成51 ± 11、73±9、104± 11和146±12nm厚的聚合物层；(f)作为GTP时间函数的聚合物层的厚度。
[0174]图4 表示硅片上 PEGDM、P (EGDM-g-DEVP)和 P (EGDM-g-MMA)刷的 IR 光谱。
[0175]图5表示聚(二烷基乙烯基膦酸酯)(PDAVP)的分子结构(d)和关于在不同温度下硅基体上不同PDAVP涂层的稳定水接触角(CA) ； (a-c)是在25°C下PDMVP、PDEVP和PDPVP刷的CA ； (e)在50°C下PDEVP刷的CA。
[0176]图6表示3_(三甲氧硅烷基)丙基甲基丙烯酸酯(TMSPM)作为粘合层而形成的SAM。
[0177]图7表示在图6的粘合层上形成聚乙烯基膦酸酯链。
【权利要求】
1.一种用于制备聚合物改性的基体的方法，所述方法包括如下步骤: a)在所述基体的至少一部分表面上制备粘合层，所述粘合层共价地连接于所述基体且携带多个被受电子基取代的乙烯基； b)将所述粘合层与作为催化剂的稀土金属络合物接触，并且使所述稀土金属络合物与所述粘合层的被受电子基取代的乙烯基配位； c)将包含配位的稀土金属络合物催化剂的粘合层与含有被受电子基取代的乙烯基的乙烯基单体接触；以及 d)进行由配位的稀土金属络合物的稀土金属介导的乙烯基单体的聚合，以形成在其一端处共价地连接于所述粘合层的聚合物链。
2.如权利要求1所述的方法，其中，步骤a)包括如下步骤: al)在所述基体的表面上提供粘合剂分子，各粘合剂分子携带至少两个各被受电子基取代的乙稀基；和 a2)通过在所述基体的表面上进行表面接枝和聚合粘合剂分子来制备所述粘合层。
3.如权利要求1或2中任一项所述的方法，其中，所述稀土金属络合物催化剂包含选自由宇乙、礼、铺、摘、钦、辑、钱、镜和错所组成的组中的金属。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述稀土金属络合物催化剂包含由至少两个环戊二烯基配体配位的稀土金属原子的三价稀土金属络合物。
5.如权利要求2至4中任一项所述的方法，其中，所述粘合层是使用粘合剂分子来制备的，所述粘合剂分子携带两个作为被受电子基取代的乙烯基的(甲基)丙烯酸酯基。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述粘合剂分子是烷二醇二甲基丙烯酸酯。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述聚合物链包括选自由乙烯基膦酸酯单元、乙烯基膦酸单元、(甲基)丙烯酸酯单元、(甲基)丙烯酸单元及其组合所组成的组中的聚合单元。
8.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述聚合物链包括选自由乙烯基膦酸酯单元、乙烯基膦酸单元及其组合所组成的组中的聚合单元。
9.一种聚合物改性的基体，其由权利要求1至8中任一项所述的方法获得，所述聚合物改性的基体包括: (a)基体； (b)粘合层，其共价地连接于所述基体的表面且覆盖至少一部分该表面；和 (c)由多个聚合物链形成的聚合物刷，各聚合物链在其一端处共价地连接于所述粘合层。
10.如权利要求9所述的聚合物改性的基体，其中，所述粘合层可以通过如下步骤来获得，即在所述基体的表面上提供粘合剂分子，各粘合剂分子携带至少两个被受电子基取代的乙烯基，以及在所述基体的表面上进行表面接枝和聚合所述粘合剂分子以形成所述粘合层。
11.如权利要求9或10中任一项所述的聚合物改性的基体赋予阻燃性、防污性或生物相容性的用途。
12.如权利要求9或10中任一项所述的聚合物改性的基体作为基体用于粘附细胞、组织和/或蛋白的用途。
13.一种用于膨胀细胞的方法，包括将所述细胞与如权利要求9或10中任一项所述的聚合物改性的基体接触的步骤。
14.如权利要求12所述的用途或如权利要求13所述的方法，其中，所述细胞选自干细胞、多能细胞和间充质细胞，所述干细胞包括胚胎和成人干细胞。
15.一种粘合层改性的基体，包括基体和粘合层，所述粘合层共价地连接于所述基体的表面且覆盖至少一部分该表面，其中，所述粘合层可以通过如下步骤来获得，即在所述基体的表面上提供粘合剂分子，各粘合剂分子携带至少两个被受电子基取代的乙烯基，以及在所述基体的表面上进行表面接枝和聚合所述粘合剂分子。
【文档编号】B05D1/18GK104203431SQ201280066982
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2012年11月13日 优先权日:2011年11月15日
【发明者】弗兰克·多伊贝尔, 伯恩哈德·里格尔, 斯蒂芬·扎尔青格尔, 张宁 申请人:埃普塞斯有限责任两合公司