分子组装体、分子组装体用于提供抗粘附表面的用途以及将分子组装体施加到固体表面的方法与流程

分子组装体、分子组装体用于提供抗粘附表面的用途以及将分子组装体施加到固体表面的方法
1.本发明涉及一种具有结构形成的两亲分子的分子组装体，并且涉及该分子组装体用于提供抗粘附表面涂层的用途。本发明还涉及用该分子组装体涂覆固体表面的方法。
2.从植物界和动物界已知影响表面粘附性的各种机制。这些机制包括例如莲花效应，其已经成功转移到技术应用中。虽然已经广泛研究了定义自然界中的界面现象的分子和结构特性，但迄今为止还不可能完全解释控制粘附性的物理机制。当前研究的主题包括例如弹尾虫(collembola)的抗粘附表皮，其具有带有悬垂截面轮廓的蜂窝状结构。发现弹尾虫表皮的富含脂质的包膜含有脂肪族烃，特别是类固醇、脂肪酸和蜡酯。虽然可以假设蜡酯促进了表皮的抗润湿特性，但无法解释组分如类固醇和脂肪酸的作用。然而，据推测，特别是不同分子的物理特性是造成粘附和抗粘附效果的原因。
3.本发明的目的在于提供一种基于物理化学过程的利用两亲分子的抗粘附特性的可能方法。
4.该目的通过根据权利要求1所述的具有一些特征的分子组装体和根据权利要求11所述的方法来实现。在从属权利要求中详细说明了进展。
5.本发明的本质在于所选择的两亲分子的分子组装体，这些两亲分子呈层状结构并且经受自发的重新取向过程并且因此当与水性环境接触时形成粘附的熵屏障。
6.提出了具有两亲性分子结构形成的分子组装体，其特征在于，这些两亲分子选自含有两亲分子的组，这些两亲分子
7.a)具有疏水部分，其分子量大于亲水部分，
8.b)可溶于极性非质子溶剂，并且在不存在极性非质子溶剂的情况下从溶液中形成自组织层结构，以及
9.c)根据环境(优选地是水性环境)的极性，在所形成的层结构中、特别是在界面层中进行分子取向，
10.其中所形成的结构中的两亲分子与水性环境接触。
11.界面层应理解为意指分子组装体的层结构的与水性环境接触的层。界面层的表面形成界面。
12.在本发明的含义内，与水性环境接触意指根据本发明的分子组装体的所形成的结构的一侧被水完全润湿。润湿侧形成界面。
13.对于根据本发明的分子组装体，考虑具有根据a)、b)和c)的特征的两亲分子。
14.根据本发明的分子组装体基于所选择的两亲分子通过自组织形成层结构的能力。因此，分子组装体优选是两亲分子的层结构，其中两亲分子垂直于界面取向。该由一个或多个层构成的层结构也可以称为组合体。
15.已发现，在分子层或分子界面层结构中所选择的两亲分子的分子组装体的形成，引起与水性环境接触时相应界面层结构的分子界面层中的两亲分子的两亲性诱导的自发重新取向过程，这导致对水性环境中存在的蛋白质和微生物、特别是细菌的抗粘附效果。
16.引起分子组装体的抗粘附特性的单个分子的自发重新取向过程基于单个两亲分
子自生取向的倾向。
17.两亲分子的选择可以优选地包括其中疏水部分占两亲分子的分子量的至少95％、优选大于95％的两亲分子。这尤其适用于胆固醇分子。
18.在所讨论的类型的两亲分子中也发现了分子组装体内自发重新取向过程的期望效果，这些两亲分子的分子量在300g/mol至2000g/mol的范围内、优选在300g/mol至413g/mol的范围内。优选地，根据本发明的分子组装体可以具有分子量在300g/mol双413g/mol范围内的两亲分子。具有分子量大于2000g/mol的所讨论类型的两亲分子的分子组装体是可想到的。因此，特别是合成产生的两亲分子可以具有较高的分子量，即大于2000g/mol的分子量，并且满足a)、b)和c)的要求。
19.根据本发明的分子组装体还可以具有这样的两亲分子，这些两亲分子在层结构的所形成的界面层内的分子取向基于环境的极性，使得环境极性的变化引起所形成的层结构的界面层的分子取向的变化。
20.根据本发明的分子组装体的一个实施例，两亲分子可以是多环醇、特别是甾醇。
21.还可以规定，分子组装体具有质量百分比为至少1重量％(以下缩写为wt％)、优选至少10wt％的胆固醇分子和/或脱氢胆固醇分子。即，所选择的两亲分子的至少1wt％、优选至少10wt％可以是胆固醇分子和/或脱氢胆固醇分子。胆固醇分子和/或脱氢胆固醇分子的比例对与水性环境接触时呈界面层结构形式的分子组装体的抗粘附效果具有积极影响。
22.根据本发明的分子组装体的另外的实施例，可以规定，两亲分子为豆甾醇、胆钙化醇和/或视黄醇。已发现，分子组装体中的豆甾醇分子、胆钙化醇分子和视黄醇分子在与水性环境接触时相对较快地重新取向并且几乎没有任何自发的重新取向过程，这与分子组装体的抗粘附特性的恶化有关。然而，抗粘附效果显著优于类似的非两亲分子的分子组装体。如果使用豆甾醇分子、胆钙化醇分子和视黄醇分子，则因此如果另外使用至少1wt％、优选至少10wt％胆固醇分子和/或脱氢胆固醇分子来提供分子组装体是有利的。
23.此外，胆固醇分子、脱氢胆固醇分子、豆甾醇分子、胆钙化醇分子和视黄醇分子可以用作两亲分子以形成分子组装体。可以使用不同比率的胆固醇分子、脱氢胆固醇分子、豆甾醇分子、胆钙化醇分子和视黄醇分子。
24.假设胆固醇分子形成三斜晶体，这导致分子组装体的相应层中相对“松散”的排列。这有利于层中分子的流动性。与此相反，作为弹尾虫表皮成分的硬脂酸和棕榈酸分子形成单斜晶体并在紧密堆积的层中积累，其结果是当周围介质的极性变化时，可能的两亲性诱导的分子自发重新取向过程被阻止。
25.根据本发明的分子组装体具有以下另外的特性：
26.周围/接触介质的极性的变化导致相应组合体(层结构)的分子界面层中两亲分子的两亲性诱导的重新取向。这种重新取向可以通过动态接触角测量宏观地检测，或者通过基于原子力显微镜的力谱法微观地检测。在与水性溶液接触时，分子组装体的相应组合体的分子界面层中的两亲分子的自发重新取向过程形成了熵诱导的抗粘附特性的基础，该特性可以通过空间分辨和时间分辨的基于原子力显微镜的力谱法来检测。
27.根据本发明的分子组装体可以在结构上设计成多层胆固醇分子的形式。这样的胆固醇多层在动态接触角测量期间展现出非常独特的行为。在动态接触角测量中，将水滴施加到受检的分子组装体并观察水滴的形状。然后将水滴再次吸起，并在此过程中再次观察
水滴的形状。以不同的施加时间重复此程序。对于呈胆固醇多层结构中的分子组装体，在施加时水滴的形状表明中等疏水的界面。如果水滴在施加后立即被再次吸起，其形状保持不变，则再次表明分子组装体界面的疏水特性。例如，在20秒的更长的施加时间下，出现了不同的画面。水滴塌陷，这表明分子组装体的界面非常亲水。对于胆固醇类似物的分子组装体观察到了类似的行为。
28.因此，根据本发明的分子组装体可以具有不同比例的两亲分子、特别是具有特性a)、b)和c)的胆固醇类似物的混合物。优选地，根据本发明的分子组装体具有至少1wt％的胆固醇分子。根据本发明的分子组装体还可以具有适合于整合到分子组装体的结构内的非两亲分子。分子组装体的非两亲分子的比例可以具有最高达99wt％的质量百分比。所使用的非两亲分子可以是例如棕榈酸硬脂酯分子。根据本发明的分子组装体的一个实施例，棕榈酸硬脂酯分子可以以99wt％的比例存在。在这种情况下，胆固醇分子优选地用作两亲分子。
29.根据本发明的分子组装体的层结构可以具有15nm的厚度。
30.优选地，将分子组装体通过旋涂以垂直于界面排列的胆固醇分子的层结构形式沉积到固体表面上。在此过程中，背离固体表面的层结构的界面与水性溶液、优选纯水接触。
31.根据本发明的分子组装体特别用作用于固体表面的抗粘剂。
32.本发明的主题还是一种用根据本发明的分子组装体涂覆固体表面的方法，其中首先将两亲分子溶解在极性非质子溶剂中并且然后将如此产生的溶液通过旋涂施加到固体表面。将两亲分子通过旋涂施加到固体表面。由于施加并随后除去极性非质子溶剂，两亲分子组装形成层结构，在除去极性非质子溶剂后，可以使该结构与水性环境接触以形成抗粘附特性。
33.可以使用氯仿作为极性非质子溶剂。施加到固体表面后，溶剂蒸发。可以使用空气流或真空来辅助蒸发溶剂。
34.可想到的另外的溶剂是丙酮、苯、乙醇、醚、己烷或甲醇。
35.本发明实施例的另外的细节、特征和优点可以参照相关附图在以下示例性实施例的描述中找到。在附图中：
36.图1：示出了根据本发明的分子组装体的高度简化的示意图，以解释分子组装体的抗粘附特性，
37.图2：示出了细菌粘附(a和b)和蛋白质吸附(c和d)到分子组装体的测量结果，以及
38.图3：示出了细菌粘附(a和b)和蛋白质吸附(c、d和e)到由棕榈酸硬脂酯或胆固醇分子形成的分子组装体，或由棕榈酸硬脂酯和胆固醇分子以不同混合比形成的分子组装体的测量结果。
39.本发明基于以下发现：所选择的两亲分子、特别是胆固醇分子的组合以及在呈多层结构形式的分子组装体中所选择的分子的有效自组织(其产生了分子组装体的缓慢的适应性的、协作的界面迁移)导致蛋白质和微生物的明显的熵排斥。
40.图1a示出了根据本发明的分子组装体1的高度简化的示意图，使用胆固醇分子2作为所选择的两亲分子的实例。图1a示出了分子组装体1的层结构3，其被施加到固体表面5，其中胆固醇分子2垂直于界面4取向。附图标记2.1指示放大显示的分子组装体1的单个胆固醇分子。胆固醇分子2.1具有极性部分6和非极性部分7。排列在分子组装体1的层结构3内的
界面4处并且因此位于层结构3的界面层中的胆固醇分子2自身根据周围介质的极性取向。在非极性环境例如空气中，非极性部分7指向界面4，而在极性周围介质例如水中，极性部分6最初朝向界面4取向。在分子组装体1的层结构3内，胆固醇分子2在与水性溶液接触时倾向于自发的重新取向过程，如图1b所示。
41.图1b示出了分子组装体1，其中界面4与极性环境接触。胆固醇分子2最初以它们的极性部分6朝向界面4取向。然而，发现单个胆固醇分子2或胆固醇分子2的小集合8的自发重新取向过程(即非极性部分7暂时指向界面4的方向)。在图1b中，以两个分子/分子集合为例，用虚线示出了这些自发的重新取向过程。层结构3内的胆固醇分子2的可能的重新取向的方向在每种情况下用箭头指示。
42.此外，图1b示出了界面4处的胆固醇分子2从未取向的未结合状态到受限制的蛋白质结合状态的转变。蛋白质9在界面4处的结合限制了胆固醇分子2的自发的重新取向过程。这种限制用附图标记10示出。由于熵诱导的分子恢复其重新取向的能力的趋势，蛋白质9在界面4处的结合由于自由焓的最小化而被削弱，并且因此蛋白质9变得分离。
43.下文更加详细地解释了用分子组装体1涂覆固体表面5的方法。
44.可以通过旋涂将分子组装体1施加到固体表面5，其中形成分子组装体1的层结构3。所选择的两亲分子的此类层结构3在下文中被称为scl(旋涂的脂质多层)。
45.scl是在作为衬底的硅晶片上生产的。将衬底(尺寸可以为10
×
15mm2)通过在70℃下浸泡在去离子水、氨水和过氧化氢(体积比5/1/1)的溶液中15min进行清洁，在milli-q水中反复冲洗并且然后在氮气流中干燥。将清洁后的衬底立即用于通过旋涂生产scl。对于旋涂，将胆固醇分子2溶解在氯仿(浓度为2wt％)中。将如此产生的溶液通过旋涂(labspin6，苏斯微技术公司(s
ü
ss microtec))以3000转/分钟的转速和3000转/分钟/秒的加速度施加到固体表面5持续30秒。一旦使所形成的层结构3与水性溶液接触，就会形成抗粘附特性。
46.图2示出了细菌粘附(a和b)和蛋白质吸附(c和d)到由在弹尾虫的富含脂质的包膜中发现的分子构成的分子组装体的测量结果。使用两种不同的细菌物种(表皮葡萄球菌(staphylococcus epidermidis)[a]和大肠杆菌(escherichia coli)[b])以及两种不同的蛋白质种类(牛血清白蛋白[c]和溶菌酶[d])进行实验。图片a和b绘制了在一小时的温育时间后在各自表面上发现的细菌的归一化计数(相对于对照表面-二氧化硅[sio2]进行归一化)。图片c和d绘制了各自表面上的绝对吸附的蛋白质质量(通过使用振荡石英微天平测量确定)。在细菌粘附的测量(a和b)和蛋白质吸附的测量(c和d)中，在由胆固醇分子形成的分子组装体上总是检测到最少量的细菌和蛋白质。观察到的差异具有统计学意义。
[0047]
图3示出了细菌粘附(a和b)和蛋白质吸附(c、d和e)到以下分子组装体的测量结果：由棕榈酸硬脂酯或胆固醇分子形成的分子组装体，或由棕榈酸硬脂酯和胆固醇分子以不同混合比形成的分子组装体(100/0＝100wt％棕榈酸硬脂酯+0wt％胆固醇；99/1＝99wt％棕榈酸硬脂酯+1wt％胆固醇；90/10＝90wt％棕榈酸硬脂酯+10wt％胆固醇；50/50＝50wt％棕榈酸硬脂酯+50wt％胆固醇；0/100＝0wt％棕榈酸硬脂酯+100wt％胆固醇)。在进行的实验中，研究了当由胆固醇分子和不具有粘附降低特性的第二组分(棕榈酸硬脂酯)生产混合型分子组装体时，胆固醇分子的分子组装体的粘附降低特性是否被保留。使用两种不同的细菌物种(表皮葡萄球菌[a]和大肠杆菌[b])、两种不同的蛋白质种类(牛血清白蛋白[c]和溶菌酶[d])和复合蛋白质混合物(10％胎牛血清[e])进行实验。图3的图片a和b绘
制了在一小时的温育时间后在各自表面上发现的细菌的归一化计数(相对于对照表面-二氧化硅[sio2]进行归一化)。图片c、d和e绘制了各自表面上的绝对吸附的蛋白质质量(通过使用振荡石英微天平测量确定)。在细菌粘附的测量(图片a和b)中发现，与具有100wt％胆固醇分子的分子组装体相比，在混合型分子组装体中即使10％重量百分比的胆固醇分子也会导致细菌粘附的降低。另一方面，在蛋白质吸附的测量(图片c、d和e)中发现，与由100wt％胆固醇分子构成的分子组装体相比，在混合型分子组装体中即使1％重量百分比的胆固醇分子也会导致细菌粘附的降低。
[0048]
胆固醇scl动态地适应它们环境的极性
[0049]
层结构3的分子组装体1内的胆固醇分子2根据周围介质的极性重新取向的能力是通过动态接触角测量和基于原子力显微镜的力谱法检测的。
[0050]
力谱法测量用疏水性胶体探针或固定在胶体探针的尖端上的单个大肠杆菌细胞进行。将两种类型的探针以不同的时间间隔压在浸泡在水溶液中的胆固醇scl的表面上。将所得的相互作用力量化，并且发现，相互作用力随接触时间而不断增加，这证明了胆固醇分子中分子的非极性部分在界面方向上的重新取向(以最大化疏水相互作用)。当接触中断时，界面在与水接触时恢复了初始状态，即重新取向过程可重复多次。
[0051]
当在施加后立即再次除去水滴时，在空气中的胆固醇scl上的动态接触角测量产生了类似的高前进和后退水接触角。这些结果表明，界面层处的胆固醇分子的非极性部分最初朝界面取向，而极性部分则朝向内部。然而，如果水滴在施加后在表面上保持大约20秒，然后将其除去，则观察到三相接触线的强钉扎，这表明界面具有亲水特性。因此在20秒的等待时间内，胆固醇分子发生了重新取向，此时其极性部分指向界面的方向。这个过程也是可逆的。
[0052]
含胆固醇的scl界面处的重新取向波动是熵排斥的原因
[0053]
据证明，含胆固醇的scl的抗粘附特性与其作为对环境极性变化的反应的动态适应相关。可以假设界面处熵驱动的胆固醇分子的取向波动机械地联系起这些特征。任何生物分子的吸附或(细菌)细胞的积累都需要适应scl界面的取向(极性)，这限制了胆固醇的取向状态并且从而降低了体系的熵。据观察，当温度从15℃升高至40℃时，胆固醇scl的蛋白质吸附减少。
[0054]
所发现的熵生物粘附屏障是由在含胆固醇的scl界面处的重新取向过程产生的，可实现许多技术应用。
[0055]
结果表明，胆固醇在分子组装体中自行组织，这可以通过熵效应限制生物粘附。胆固醇分子的两亲性及其在层结构中的有效组装的组合，产生了组装体的缓慢的、适应性的、协作的界面迁移，被认为是明显的熵排斥的先决条件。
[0056]
附图标记列表
[0057]
1分子组装体
[0058]
2多个胆固醇分子
[0059]
2.1单个胆固醇分子
[0060]
3层结构
[0061]
4界面
[0062]
5固体表面
[0063]
6极性部分
[0064]
7非极性部分
[0065]
8分子集合
[0066]
9蛋白质
[0067]
10重新取向的限制