Die
aus dem Stand der Technik bekannten polymer-basierten bakteriostatischen
Ausrüstungen
sind nicht zufriedenstellend. So ist oftmals die Langzeitbeständigkeit
derartiger Ausrüstungen
unzureichend und eine Stabilität
bei mechanischer Belastung nicht in ausreichendem Maß gegeben.
In vielen Fällen
verhindern komplizierte Herstellungsverfahren für diese Ausrüstungen
eine breite Anwendbarkeit, insbesondere bei Gegenständen mit
unregelmäßig geformten
Oberflächen.
Es besteht daher ein Bedarf an geeigneten bakteriostatischen Ausrüstungen
von Oberflächen,
die eine genügend
hohe Langzeitresistenz gegenüber
einer Besiedelung durch Bakterien zeigen und universell einsetzbar
sind, d. h. eine bakteriostatische Ausrüstung von unterschiedlichen
Materialien und Oberflächen
erlauben. Wünschenswerterweise
sollte die bakteriostatische Ausrüstung die sonstige Funktionsweise
der Gegenstände,
deren Oberfläche
bakteriostatisch ausgerüstet
wurde, nicht beeinträchtigen.
Darüber
hinaus sollte das Verfahren zur Herstellung derartiger Ausrüstungen
vorteilhafter Weise auch aus wässrigen
Zubereitungen erfolgen können.
Es
wurde gefunden, dass diese Aufgabe gelöst werden kann durch Hydrogelbildende
Beschichtungen auf Basis von untereinander vernetzten sternförmigen Präpolymeren,
die im Mittel wenigstens vier Polymerarme A aufweisen, welche für sich gesehen
in Wasser löslich
sind, wobei die Vernetzung über
die Enden der Polymerarme A erfolgt. Aufgrund der sternförmigen Struktur
der eingesetzten Präpolymere
wird so ein dichtes Netzwerk hydrophiler Polymerketten erhalten,
das durch Wasser quellbar, also Hydrogel-bildend ist. Man vermutet,
dass auf diese Weise eine Besiedelung der Oberflächen durch Bakterien wirksam
verringert oder gar vollständig
unterdrückt
wird.
Die
Vernetzung erfolgt in der Regel durch Reaktion von reaktiven Gruppen
R, die an den freien Enden der wasserlöslichen Polymerarme A angeordnet
sind, untereinander oder mit hierzu komplementär-reaktiven Gruppen R' unter Bindungsbildung.
Die komplementär-reaktiven
Gruppen R' können dabei
sowohl sich an den Enden der wasserlöslichen Arme A sternförmiger Präpolymere
befinden als auch in davon verschiedenen Vernetzend wirkenden Substanzen.
Demnach
betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung von sternförmigen Präpolymeren,
die im Mittel wenigstens vier Polymerarme A aufweisen, welche für sich gesehen
in Wasser löslich
sind und an ihren freien Enden eine reaktive funktionelle Gruppe
R tragen, die mit hierzu komplementären Gruppen R' oder mit sich selber
unter Bindungsbildung reagieren, zur bakteriostatischen Ausrüstung von
Oberflächen.
Die
vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur bakteriostatischen
Ausrüstung
von Oberflächen,
das dadurch gekennzeichnet ist, dass man eine Hydrogel-bildende
Beschichtung, die aus untereinander vernetzten sternförmigen Präpolymeren
aufgebaut sind, welche im Mittel wenigstens vier Polymerarme A aufweisen,
die für
sich gesehen in Wasser löslich
sind, auf die zu beschichtende Oberfläche aufträgt, wobei die Vernetzung der
sternförmigen
Präpolymere über die
Enden der Polymerarme A erfolgt.
Unter
einer Hydrogel-bildenden Beschichtung versteht der Fachmann solche
Beschichtungen, die durch Wasser gequollen werden als Folge der
Interkalation von Wassermolekülen
in die Beschichtung.
Unter
sternförmigen
Polymeren versteht man solche Polymere, die mehrere an eine niedermolekulare Zentraleinheit
gebundene Polymerketten aufweisen, wobei die niedermolekulare Zentraleinheit
in der Regel 4 bis 100 Gerüstatome
wie C-Atome, N-Atome
oder O-Atome aufweisen wird. Dementsprechend lassen sich die erfindungsgemäß zur Anwendung
kommenden sternförmigen
Polymere durch die nachfolgende allgemeine Formel I beschreiben: Z(A-B-R)n (I)worin
n
eine ganze Zahl ist, mit einem Wert von wenigstens 4, z. B. 4 bis
12, insbesondere 5 bis 12 und speziell 6 bis 8;
Z für einen
niedermolekularen n-valenten organischen Rest als Zentraleinheit
steht, der in der Regel 4 bis 100, vorzugsweise 5 bis 50 Gerüstatome,
insbesondere 6 bis 30 Gerüstatome
aufweist. Die Zentraleinheit kann sowohl aliphatische als auch aromatische
Gruppen aufweisen. Sie steht beispielsweise für einen von einem wenigstens 4-wertigen
Alkohol, z. B. einem 4- bis 12-wertigen, vorzugsweise einem wenigstens
5-wertigen, insbesondere einem 6- bis 8-wertigen Alkohol, z. B.
Pentaerythrit, Dipentaerythrit, einen Zuckeralkohol wie Erythritol,
Xylitol, Mannitol, Sorbitol, Maltitol, Isomaltulose, Isomaltit,
Trehalulose, oder dergleichen abgeleiteten Rest;
A eine hydrophile
Polymerkette, die als solche wasserlöslich ist;
B eine chemische
Bindung oder ein zweiwertiger, niedermolekularer organischer Rest
mit vorzugsweise 1 bis 20, insbesondere 2 bis 10 C-Atomen, beispielsweise
eine C2-C10-Alkylengruppe,
eine Phenylen- oder eine Naphthylengruppe oder eine C5-C10-Cycloalkylengruppe, wobei die Phenylen-,
Naphthylen und die Cycloalkylengruppe zusätzlich ein oder mehrere, z.
B. 1, 2, 3, 4, 5, oder 6 Substituenten, z. B. Alkylgruppen mit 1
bis 4 C-Atomen, Alkoxygruppen mit 1 bis 4 C-Atomen oder Halogen
aufweisen können;
und
R eine reaktive Gruppe die mit einer hierzu komplementären reaktiven
funktionellen Gruppen R' oder
mit sich selber unter Bindungsbildung reagieren kann.
Reaktive
Gruppen R in diesem Sinne sind solche, die mit Nucleophilen in einer
Additions- oder Substitutionsreaktion reagieren, z. B. Isocyanat-Gruppen,
(Meth)acrylgruppen, Oxiran-Gruppen, Oxazolingruppen, Carbonsäuregruppen,
Carbonsäureester-
und Carbonsäureanhydridgruppen,
Carbonsäure-
und Sulfonsäurehalogenid-Gruppen,
aber auch die hierzu komplementären,
als Nucleophil reagierenden Gruppen wie alkoholische OH-Gruppen,
primäre
und sekundäre
Aminogruppen, Thiolgruppen und dergleichen. Als Beispiel für Carbonsäureestergruppen
sind insbesondere sogenannte Aktivestergruppen der Formel -C(O)O-X
bevorzugt, worin X für
Pentafluorphenyl, Pyrrolidin-2,5-dion-1-yl, Benzo-1,2,3-triazol-1-yl
oder einen Carboxamidin-Rest steht.
Geeignet
sind als reaktive Gruppen R auch radikalisch polymerisierbare C=C-Doppelbindungen,
z. B. neben den oben genannten (Meth)acrylgruppen auch Vinylether-
und Vinylestergruppen, weiterhin aktivierte C=C-Doppelbindungen,
aktivierte C=C-Dreifachbindung und N=N-Doppelbindungen, die mit
Allylgruppen im Sinne einer en-Reaktion oder mit konjugierten Diolefin-Gruppen
im Sinne einer Diels-Alder-Reaktion reagieren. Beispiele für Gruppen,
die mit Allylgruppen im Sinne einer en-Reaktion oder mit Dienen
im Sinne einer Diels-Alder-Reaktion reagieren können, sind Maleinsäure- und
Fumarsäure-Gruppen,
Maleinsäureester-
und Fumarsäureester-Gruppen,
Zimtsäureestergruppen,
Propiolsäure(ester)gruppen,
Maleinsäureamid-
und Fumarsäureamid-Gruppen,
Maleinimid-Gruppen, Azodicarbonsäureester-Gruppen
und 1,3,4-Triazolin-2,5-dion-Gruppen.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist das sternförmige
Präpolymer
solche funktionellen Gruppen auf, die einer Additions- oder Substitutionsreaktion
durch Nucleophile zugänglich
sind. Hierzu zählen
auch Gruppen, die im Sinne einer Michael-Reaktion reagieren. Beispiele
sind insbesondere Isocyanat-Gruppen, (Meth)acrylgruppen (reagieren
im Sinne einer Michael-Reaktion), Oxiran-Gruppen oder Carbonsäureestergruppen.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform
betrifft sternförmige
Präpolymere,
die als reaktive Gruppen R Isocyanat-Gruppen aufweisen.
In
einer anderen Ausführungsform
weist das Präpolymer
ethylenisch ungesättigte,
radikalisch polymerisierbare Doppelbindungen als reaktive Gruppen
R auf.
Erfindungsgemäß weisen
die sternförmigen
Präpolymere
im Mittel wenigstens 4, vorzugsweise wenigstens 5 und insbesondere
wenigstens 6 Polymerarme, häufig
jedoch nicht mehr als 16, insbesondere nicht mehr als 12 und speziell
nicht mehr als 10 Polymerarme auf. Besonders bevorzugt weisen die
sternförmigen Präpolymere
6 bis 8 Polymerarme A auf. Das zahlenmittlere Molekulargewicht der
Polymerarme liegt in der Regel im Bereich von 200 bis 20000 Dalton,
vorzugsweise im Bereich von 300 bis 15000 Dalton, insbesondere im
Bereich von 500 bis 10000 Dalton und speziell im Bereich von 1000
bis 8000 Dalton.
Dementsprechend
weist das sternförmige
Präpolymer
ein zahlenmittleres Molekulargewicht im Bereich von in der Regel
wenigstens 1500 Dalton, vorzugsweise 2000 bis 100000 Dalton, insbesondere
3000 bis 80000 Dalton und speziell 6000 bis 60000 Dalton auf.
Die
Bestimmung des Molekulargewichts der sternförmigen Polymere kann in an
sich bekannter Weise mittels Gelpermeationschromatographie erfolgen,
wobei man auf handelsübliche
Säulen,
Detektoren und Auswertungssoftware zurückgreifen kann. Bei bekannter
Anzahl von Endgruppen je Polymermolekül kann man das Molekulargewicht
auch durch Titration der Endgruppen R bestimmen, im Falle von Isocyanatgruppen
z. B. durch Umsetzung mit einer definierten Menge eines sekundären Amins
wie Dibutylamin und anschließende Titration
des überschüssigen Amins
mit Säure.
Die
hinreichende Quellbarkeit der Beschichtung durch Wasser wird durch
die Wasserlöslichkeit
der Polymerarme A gewährleistet.
Eine ausreichende Quellbarkeit der Beschichtung durch Wasser ist
in der Regel dann gewährleistet,
wenn der molekulare Aufbau, d. h. zumindest die Art der Wiederholungseinheiten,
vorzugsweise auch das Molekulargewicht des Polymerarms, einem Polymeren
entspricht, dessen Löslichkeit
in Wasser wenigstens 1 Gew.-% und vorzugsweise wenigstens 5 Gew.-%
(bei 25 °C
und 1 bar) beträgt.
Beispiele
für derartige
Polymere mit hinreichender Wasserlöslichkeit sind Poly-C2-C4-alkylenoxide, Polyoxazoline, Polyvinylalkohole,
Homo- und Copolymere, die wenigstens 50 Gew.-% N-Vinylpyrrolidon
einpolymerisiert enthalten, Homo- und Copolymere, die wenigstens
30 Gew.-% Hydroxyethyl(meth)acrylat, Hydroxypropyl(meth)acrylat,
Acrylamid, Methacrylamid, Acrylsäure
und/oder Methacrylsäure
einpolymerisiert enthalten, hydroxilierte Polydiene und dergleichen.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
leiten sich die Polymerarme A von Poly-C2-C4-alkylenoxiden
ab und sind insbesondere ausgewählt
unter Polyethylenoxid, Polypropylenoxid und Polyethylenoxid/Polypropylenoxid-Copolymeren,
die eine Block- oder eine statistische Anordnung der Wiederholungseinheiten
aufweisen können.
Insbesondere bevorzugt sind sternförmige Präpolymere deren Polymerarme
A von Polyethylenoxiden oder von Polyethylenoxid/Polypropylenoxid-Copolymeren
mit einem Propylenoxid-Anteil von nicht mehr als 50 % abgeleitet
sind.
Die
erfindungsgemäß zur Anwendung
kommenden Präpolymere
sind z. T. bekannt, z. B. aus der WO 98/20060,
US 6,162,862 (Polyether-Stern-Polymere),
Chujo Y. et al., Polym. J. 1992, 24(11), 1301-1306 (sternförmige Polyoxazoline),
WO 01/55360 (sternförmige
Polyvinylalkohole, sternförmige
Vinylpyrrolidon enthaltende Copolymere) oder können nach den dort beschriebenen
Methoden hergestellt werden.
Die
Herstellung der erfindungsgemäß zur Anwendung
kommenden sternförmigen
Präpolymere
erfolgt in der Regel durch Funktionalisierung geeigneter sternförmiger Präpolymer-Vorstufen,
welche bereits die oben beschriebene Präpolymerstruktur, d. h. wenigstens
4 wasserlösliche
Polymerarme, aufweisen und die an den Enden der Polymerarme je eine
funktionelle Gruppe R'' aufweisen, die in
eine der vorgenannten reaktiven Gruppen R umgewandelt werden kann.
Zu den Gruppen R'' zählen an
aliphatische oder aromatische C-Atome, vorzugsweise an ein primäres aliphatisches
C-Atom gebundene Halogen-Atome, insbesondere Chlor, Brom oder Iod,
an ein aliphatisches oder aromatisches und insbesondere an ein primäres, aliphatisches
C-Atom gebundene OH-Gruppen, Thiol-Gruppen und NHR2-Gruppen
mit R2 = Wasserstoff oder C1-C4-Alkyl.
Derartige
Präpolymervorstufen
sind aus dem Stand der Technik bekannt, z. B. aus der
US 3,865,806 ,
US 5,872,086 ,
US 6,162,862 , Polym. J. 1992, 24(11),
1301-1306, WO 01/55360
und im Handel erhältlich,
z. B. im Falle sternförmiger
Poly-C
2-C
4-alkylenoxide unter den Handelsbezeichnungen
VORANOL
®,
TERRALOX
®,
SYNALOX
® und
DOWFAX
® der
Dow-Chemical Corporation, SORBETH
® der
Glyco-Chemicals Inc. und GLUCAM
® der
Amerchol Corp. oder können
nach bekannten Verfahren der Polymerchemie durch Polymerisation
geeigneter Monomere in Gegenwart polyfunktionelle Starter hergestellt
werden, z. B. durch „lebende" Polymerisation (siehe
hierzu: Hsieh, H.L.; Quirk, R.P. Anionic polymerization: Principles
and Practical Applications, New York, Marcel Dekker, 1996; Matyjaszewski,
K. Controlled/Living radical polymerization: Progress in ATRP, NMP,
and RAFT, Washington, DC: American Chemical Society, 2000) oder
insbesondere im Falle ethylenisch ungesättigter Monomere durch Atom
Transfer Radical Polymerization (ATRP) nach den in WO 98/40415 beschriebenen
Verfahren.
Die
Funktionalisierung der sternförmigen
Präpolymer-Vorstufen
kann grundsätzlich
in Analogie zu bekannten Funktionalisierungsverfahren des Standes
der Technik erfolgen.
Zur
Herstellung von Präpolymeren,
welche an den Enden der Polymerarme A Aminogruppen tragen, bieten
sich als Ausgangsmaterialien insbesondere solche Präpolymer-Vorstufen
an, die an den Enden der Polymerarme A OH-Gruppen aufweisen. Die
Umwandlung von OH-Gruppen in Aminogruppen kann z. B. in Analogie
zu der von Skarzewski, J. et al. Monatsh. Chem. 1983, 114, 1071-1077
beschriebenen Methode durchgeführt
werden. Hierzu werden die OH-Gruppen in an sich bekannter Weise,
(z. B. nach Organikum, 15. Aufl., VEB, Berlin 1981 S. 241ff.; J.
March, Advanced Organic Synthesis 3rd ed.
S. 382 ff) mit einem Halogenierungsmittel wie Thionylchlorid, Sulfurylchlorid,
Thionylbromid, Phosphortribromid, Phosphoroxychlorid, Oxalylchlorid und
dergleichen, gegebenenfalls in Gegenwart einer Hilfsbase wie Pyridin
oder Triethylamin, in das entsprechende Halogenid, oder mit Methansulfonylchlorid
in das entsprechende Mesylat überführt. Die
so erhaltene Halogenverbindung, bzw. das Mesylat wird anschließend mit
einem Alkalimetallazid, vorzugsweise in einem aprotisch polaren
Lösungsmittel
wie Dimethylsulfoxid, Dimethylformamid, Dimethylacetamid oder N-Methylpyrrolidon
in die das entsprechende Azid überführt. Das
Azid wird anschließend
mit Wasserstoff in Gegenwart eines Übergangsmetallkatalysators
oder mit einem Komplexhydrid wie Lithiumaluminiumhydrid in die Aminoverbindung überführt.
Die
Herstellung von Präpolymeren,
welche an den Enden der Polymerarme A Oxirangruppen tragen, gelingt
beispielsweise durch Umsetzung von Präpolymer-Vorstufen, die an den Enden der Polymerarme
A OH-Gruppen aufweisen, mit Glycidylchlorid.
Die
Herstellung von Präpolymeren,
welche an den Enden der Polymerarme A (Meth)acrylgruppen tragen,
gelingt beispielsweise durch Veresterung von Präpolymer-Vorstufen, die an den
Enden der Polymerarme A OH-Gruppen tragen, mit Acrylsäure bzw.
Methacrylsäure
oder durch Umsetzung der OH-Gruppen mit Acrylchlorid bzw. mit Methacrylchlorid
in Analogie zu bekannten Verfahren. Alternativ kann man in Präpolymer-Vorstufen,
die an den Enden der Polymerarme A NH2-Gruppen
tragen, die NH2-Gruppen mit Acrylsäure bzw.
Methacrylsäure
oder mit deren Säurechloriden
umsetzen. Die Herstellung (Meth)acrylatterminierter Präpolymere kann
z. B. in Analogie zu den von Cruise et al. Biomaterials_1998, 19,
1287-1294 und Han et al. Macromolecules 1997, 30, 6077-6083 für die Modifizierung
von Polyetherdiolen und -triolen beschriebenen Methoden erfolgen.
Die
Herstellung von Präpolymeren,
welche an den Enden der Polymerarme A Thiolgruppen tragen, gelingt
beispielsweise durch Umsetzung von Präpolymer-Vorstufen, die an den Enden der Polymerarme
A Halogenatome tragen, mit Thioessigsäure und nachfolgender Hydrolyse
in Analogie zu dem in Houben-Weyl, Methoden der Organischen Chemie,
Ed. E. Müller,
4. Aufl., Bd. 9, S. 749, G. Thieme, Stuttgart 1955 beschriebenen
Verfahren.
Die
Herstellung von Präpolymeren,
welche an den Enden der Polymerarme A Isocyanat tragen, gelingt bevorzugt
durch Addition eines niedermolekularen Diisocyanats an Präpolymer-Vorstufen,
die an den Enden der Polymerarme A OH-SH-, oder NHR''-Gruppen
aufweisen (R' =
H, oder eine aliphatische Rest). Vorzugsweise werden sternförmige Polyole
mit OH-Endgruppen eingesetzt.
Als
Diisocyanate kommen sowohl aromatische Diisocyanate wie Toluol-2,4-diisocyanat, Toluol-2,6-diisocyanat,
kommerzielle erhältliche
Mischung von Toluol- 2,4-
und -2,6-diisocyanat (TDI), m-Phenylendiisocyanat, 3,3'-Diphenyl-4,4'-biphenylendiisocyanat, 4,4'-biphenylendiisocyanat,
4,4'-Diphenylmethandiisocyanat, 3,3'-Dichlor-4,4'-biphenylendiisocyanat,
Cumen-2,4-diisocyanat,
1,5-Napthalindiisocyanat, p-Xylylendiisocyanat, p-Phenylendiisocyanat,
4-Methoxy-1,3-phenylendiisocyanat, 4-Chloro-1,3-phenylendiisocyanat, 4-Bromo-1,3-phenylendiisocyanat,
4-Ethoxy-1,3-phenylendiisocyanat,
2,4-Dimethyl-1,3-phenylendiisocyanat, 5,6-Dimethyl-1,3-phenylendiisocyanat,
2,4-Diisocyanatodiphenylether, Benzidindiisocyanat, 4,6-Dimethyl-1,3-phenylendiisocyanat,
9,10-Anthracendiisocyanat, 4,4'-Diisocyanatodibenzyl,
3,3'-Dimethyl-4,4'-diisocyanatodiphenylmethane,
2,6-Dimethyl-4,4'-diisocyantodiphenyl,
2,4-Diisocyanatostilben, 3,3'-Dimethoxy-4,4'-diisocyantodiphenyl, 1,4-Anthracenediisocyanat,
2,5-Fluorendiisocyanat, 1,8-Naphtalindiisocyanat, 2,6-Diisocyanatobenzofuran,
als auch aliphatische und cycloaliphatische Diisocyanate wie Isophorondiisocyanat
(IPDI), Ethylendiisocyanat, Ethylidendiisocyanat, Propylen-1,2-diisocyanat,
Cyclohexylen-1,2-diisocyanat,
Cyclohexylen-1,4-diisocyanat, 1,6-Hexamethylendiisocyanat, 1,4-Tetramethylendiisocyanat,
1,10-Decamethylendiisocyanat und Methylendicyclohexyldiisocyanat.
Bevorzugt
sind Diisocyanate, deren Isocyanatgruppen sich in ihrer Reaktivität zu unterscheiden,
wie Toluol-2,4-diisocyanat, Toluol-2,6-diisocyanat, sowie Mischung
von Toluol-2,4- und -2,6-diisocyanat und cis- und trans-Isophorondiisocyanat.
Besonders
bevorzugt sind sternförmige
Präpolymere
mit aliphatischen Diisocyanatendgruppen, insbesondere solchen wie
sie durch Addition von IPDI auf die Kettenenden von OH-Gruppen-terminierten
sternförmigen
Präpolymervorstufen
erhalten werden.
Die
Sternpolymere werden naturgemäß so mit
dem Diisocyanat umgesetzt, dass an jedes Kettenende der Sternmoleküle eine
Diisocyanateinheit addiert wird, wobei die zweite Isocyanatgruppe
des Diisocyanats frei bleibt. Auf diese Weise wird jede Endgruppe
der Sternmoleküle über eine
Urethanverknüpfung
mit einer freien Isocyanatgruppe versehen. Verfahren hierzu sind
z.B. aus den US 5,808,131, WO 98/20060 und
US 6,162,862 , Bartelink C. F. et al.,
J. Polymer Science 2000, 38, 2555-2565 sowie Götz et al., Macromolecular Materials
and Engineering 2002, 287, S. 223-230 bekannt.
In
der Regel wird man zu diesem Zweck die Präpolymervorstufe zur Vermeidung
der Bildung von multimeren Addukten, d. h. Addukte, in denen zwei
oder mehrere Präpolymere über Diisocyanateinheiten
miteinander verknüpft
sind, zu einem Überschuss
des Diisocyanats geben. In der Regel beträgt der Überschuss wenigstens 10 Mol-%,
bezogen auf die Stöchiometrie
der Reaktion, d. h. man setzt wenigstens 1,1 Mol, vorzugsweise wenigstens
2 Mol und insbesondere wenigstens 5 Mol Diiso-cyanat und speziell
wenigstens 10 Mol Diisocyanat pro Mol funktioneller Gruppe in der
Präpolymervorstufe
ein. Vorzugsweise erfolgt die Reaktion unter kontrollierten Reaktionsbedingungen,
d. h. die Zugabe der Präpolymervorstufe
erfolgt unter Reaktionsbedingungen so langsam, dass eine Erwärmung des
Reaktorinhalts um mehr als 20 K vermieden wird. Vorzugsweise erfolgt
die Umsetzung der Präpolymervorstufe
mit dem Diisocyanat in Abwesenheit eines Lösungs- oder Verdünnungsmittels.
Die
Umsetzung kann in Abwesenheit oder in Gegenwart geringer Mengen üblicher
Katalysatoren, welche die Bildung von Urethanen fördern, erfolgen.
Geeignete Katalysatoren sind beispielsweise tertiäre Amine wie
Diazabicyclooctan (DABCO) und zinnorganische Verbindungen, z. B.
Dialkylzinn(IV)salze von aliphatischen Carbonsäuren wie Dibutylzinndilaurat
und Dibutylzinndioctoat. Die Menge an Katalysator beträgt in der Regel
nicht mehr als 0,5 Gew.-%, bezogen auf die Präpolymer-Vor-stufe, z. B. 0,01
bis 0,5 Gew.-%, insbesondere 0,02 bis 0,3 Gew.-%. In einer bevorzugten Vorgehensweise
wird kein Katalysator eingesetzt.
Die
erforderlichen Reaktionstemperaturen hängen naturgemäß von der
Reaktivität
der eingesetzten Präpolymervorstufe,
des Diisocyanats, und sofern eingesetzt von der Art und Menge des
verwendeten Katalysators ab. Sie liegt in der Regel im Bereich von
20 bis 100 °C
und insbesondere im Bereich von 35 bis 80 °C. Es versteht sich von selbst,
dass die Umsetzung der Präpolymervorstufe
mit dem Diisocyanat in Abwesenheit von Feuchtigkeit (< 2000 ppm, vorzugsweise < 500 ppm) erfolgt.
Die
Aufarbeitung der so erhaltenen Reaktionsmischung erfolgt in der
Regel durch Abdestillieren des überschüssigen Diisocyanats,
vorzugsweise bei vermindertem Druck. Die erhaltenen Reaktionsprodukte
enthalten zu einem überwiegenden
Anteil das sternförmige
Präpolymer,
das an den Enden der Polymerarme Isocyanatgruppen aufweist. Der
Anteil des sternförmigen
Präpolymeren
beträgt
in der Regel wenigstens 70 Gew.-%, vorzugsweise wenigstens 80 Gew.-%
des Reaktionsprodukts. Die übrigen
Bestandteile des Reaktionsproduktes sind im Wesentlichen Dimere
und in geringen Anteilen Trimere, die in diesen Mengen ebenfalls zur
Herstellung der erfindungsgemäßen Beschichtungen
geeignet sind.
Die
erfindungsgemäß auszurüstenden
Oberflächen
unterliegen grundsätzlich
keinen Einschränkungen.
Die Oberflächen
können
regelmäßig oder
unregelmäßig geformt,
glatt oder poröse
sein. Beispiele für
geeignete Oberflächenmaterialien
sind oxidische Oberflächen,
z. B. Silikate wie Glas, Quarz, Siliciumdioxid wie in Silicagelen,
oder Keramik, weiterhin Halbmetalle wie Silicium, Halbleitermaterialien,
Metalle und Metalllegierungen wie Stahl, Polymere wie Polyvinylchlorid,
Polyethylen, Polymethylpentene, Polypropylen, Polyester, Fluorpolymere
(z. B. Teflon®),
Polyamide, Polyurethane, Poly(meth)acrylate, Blends und Komposite
der vorgenannten Materialien. Geeignete Oberflächen sind auch Fasermaterialen,
beispielsweise natürliche
Fasern wie Zellulosefasern, Seide, Baumwollfasern und Wolle sowie
Kunstfasern wie PE und PP-Fasern, Polyesterfasern, Polyamidfasern,
Acrylfasern und dergleichen. Die Fasern können in Form von Garnen, Geweben,
Gewirken und als Nonwovens vorliegen.
Die
bakteriostatische Ausrüstung
erfolgt in der Regel durch Abscheiden der sternförmigen Präpolymere auf der auszurüstenden
Oberfläche
und anschließendes
Vernetzen der reaktiven Gruppen R der Präpolymere. Die Schritte der
Abscheidung und der Vernetzung können
gewünschtenfalls
wiederholt durchgeführt werden.
Man gelangt auf diese Weise zu dickeren Schichten.
In
der Regel umfasst dieses Verfahren die folgenden Schritte:
- i. Aufbringen einer Lösung wenigstens eines sternförmigen Präpolymers,
das im Mittel wenigstens vier Polymerarme A aufweist, die für sich gesehen
in Wasser löslich
sind und an ihren freien Enden eine reaktive funktionelle Gruppe
R tragen, auf die zu beschichtende Oberfläche und
- ii. anschließend
Durchführen
einer Verknüpfungsreaktion
der reaktiven Gruppen untereinander.
Die
Vernetzung erfolgt in der Regel durch Reaktion von reaktiven Gruppen
R, die an den freien Enden der wasserlöslichen Polymerarme A angeordnet
sind, untereinander oder mit hierzu komplementär-reaktiven Gruppen R' unter Bindungsbildung.
Die komplementär-reaktiven
Gruppen R' können dabei
sowohl sich an den Enden der wasserlöslichen Arme A sternförmiger Präpolymere
befinden als auch in davon verschiedenen Vernetzend wirkenden Substanzen.
Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
werden auf der Oberfläche
Hydrogelbildendende Beschichtungen erhalten, die aus untereinander
verknüpften,
sternförmigen
Präpolymeren
aufgebaut sind und die abhängig
von dem Herstellungsverfahren auf ihrer Oberfläche die ursprünglich im
Präpolymer
enthaltenen reaktiven Gruppen R aufweisen können. Die Beschichtungen können an
ihrer Oberfläche
auch solche reaktiven Gruppen R aufweisen, die in Folge der Vernetzungsreaktion
entstanden sind.
Beispiele
für Abscheidungsverfahren
sind die Immersion der zu beschichtenden Oberfläche in der Lösung des
Präpolymeren
sowie das Spincoating – hierbei
wird die Lösung
des Präpolymeren
auf die mit hoher Geschwindigkeit rotierende zu beschichtende Oberfläche aufgebracht.
Es versteht sich von selbst, dass man zur Herstellung ultradünner Beschichtungen
die Beschichtungsmaßnahmen
in der Regel unter staubfreien Bedingungen durchführt.
Bei
dem Immersionsverfahren taucht man die Substrate in eine Lösung des
Sternpolymers in einem geeigneten Lösungsmittel und lässt anschließend die Lösung ablaufen,
so dass ein dünner
Flüssigkeitsfilm
mit möglichst
einheitlicher Dicke auf dem Substrat verbleibt. Dieser wird anschließend eingetrocknet.
Die resultierende Filmdicke hängt
von der Konzentration der Sternpolymer-Lösung ab. Anschließend wird
die Vernetzung ausgelöst.
Beim
Spincoating wird in der Regel das zunächst nicht rotierende Substrat
mit der Lösung
des sternförmigen
Präpolymeren
vollständig
benetzt. Anschließend
wird das zu beschichtende Substrat mit hohen Umdrehungszahlen, in
der Regel wenigstens 50 U/min, häufig
wenigstens 500 U/min, z.B. 500 bis 30000 U/min, vorzugsweise oberhalb
1000 U/min, z. B. 1000 bis 10000 U/min, und besonders bevorzugt
3000 bis 6000 U/min, in Rotation versetzt, wobei die Lösung weitgehend
abgeschleudert wird und ein dünner
Beschichtungsfilm auf der Oberfläche
des Substrats verbleibt. Anschließend wird auch hier eine Vernetzung
ausgelöst.
Üblicherweise
beträgt
die Konzentration wenigstens 0,001 mg/ml, vorzugsweise wenigstens
0,1, insbesondere wenigstens 1 mg/ml, besonders bevorzugt wenigstens
0,1 mg/ml, ganz besonders bevorzugt wenigstens 10 mg/ml. Die Konzentration
des Präpolymeren
in der Lösung
wird in der Regel einen Wert von 500 mg/ml, vorzugsweise 250 mg/ml
und insbesondere 100 mg/ml nicht überschreiten. Über die
Konzentration lässt
sich naturgemäß die Dicke
der Beschichtung steuern.
Zur
Erzielung der gewünschten
bakteriostatischen Eigenschaften wird die Hydrogelbeschichtung in der
Regel eine Schichtdicke von wenigstens 2 nm, vorzugsweise wenigstens
5 nm und insbesondere wenigstens 10 nm aufweisen (gemessen mittels
Ellipsometrie nach dem in Guide to using WVASE 32TH,
J. A. Woollam Co. Ind., Lincoln NE USA 1998 beschriebenen Verfahren).
In der Regel wird man Beschichtungsdicken 1 μm, insbesondere 500 nm und speziell
200 nm nicht überschreiten,
um die Funktion der Gegenstände,
welche die erfindungsgemäße bakteriostatische
Ausrüstung
aufweisen nicht zu beeinträchtigen.
Selbstverständlich
geht die bakteriostatische Wirkung derartiger Hydrogelbeschichtungen
bei größeren Schichtdicken
nicht verloren, so dass erfindungsgemäße bakteriostatische Ausrüstungen
Schichtdicken von beispielsweise bis 200 μm oder bis 150 μm aufweisen
können.
Zur
Herstellung der Lösungen
der Präpolymere
sind grundsätzlich
alle Lösungsmittel
geeignet, welche keine oder nur eine geringe Reaktivität gegenüber den
funktionellen Gruppen R des Präpolymeren
aufweisen. Hierunter sind solche bevorzugt, die einen hohen Dampfdruck
aufweisen und sich somit leicht entfernen lassen. Bevorzugt sind
daher solche Lösungsmittel
die bei Normaldruck eine Siedetemperatur unterhalb 150 °C und vorzugsweise
unterhalb 120 °C
aufweisen. Beispiele für
geeignete Lösungsmittel
sind aprotische Lösungsmittel,
z. B. Ether wie Tetrahydrofuran (THF), Dioxan, Diethylether, tert.-Butylmethylether,
aromatische Kohlenwasserstoffe wie Xylole und Toluol, weiterhin
Acetonitril, Propionitril und Mischungen dieser Lösungsmittel.
Im Falle von Präpolymeren
mit OH-, SH-, Carboxyl-, (Meth)acryl- und Oxirangruppen sind auch
protische Lösungsmittel
wie Wasser oder Alkohole, z. B. Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol,
n-Butanol und tert.-Butanol, sowie deren Mischungen mit aprotischen
Lösungsmitteln
geeignet. Im Falle von Präpolymeren
mit Isocyanat-Gruppen sind neben den vorgenannten aprotischen Lösungsmitteln überraschenderweise auch
Wasser sowie Mischungen von Wasser mit aprotischen Lösungsmitteln
geeignet, da vermutlich der Abbau der Isocyanatgruppen in den Präpolymeren
vergleichsweise langsam erfolgt.
Die
Art der Vernetzung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Beispielsweise
kann man den mit dem unvernetzten Präpolymeren beschichteten Gegenstand
mit einem Vernetzungsmittel behandeln. Als Vernetzungsmittel sind
grundsätzlich
alle polyfunktionellen Verbindungen geeignet, deren funktionelle
Gruppen mit den funktionellen Gruppen des Präpolymeren unter Bindungsbildung
reagieren. Diese funktionellen Gruppen werden im Folgenden auch
als komplementäre
funktionelle Gruppen R' bezeichnet.
Eine Übersicht über komplementäre funktionelle
Gruppen R' gibt
die Tabelle 1, wobei die reaktiven Gruppen R des Präpolymeren in
der ersten Zeile und die hierzu komplementären Gruppen R' in der ersten Spalte
angegeben sind: Tabelle
1: Komplementäre
funktionelle Gruppen
Demnach
erfolgt gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung die Bereitstellung der bakteriostatischen Ausrüstung durch
ein Verfahren, bei dem man die Verknüpfung der reaktiven Gruppen
R durch Zugabe einer Verbindung V1 auslöst, die wenigstens zwei reaktive
Gruppen R' pro Molekül aufweist,
die mit den reaktiven Gruppen R des sternförmigen Präpolymers unter Bindungsbildung
reagiert.
Bei
den polyfunktionellen Verbindungen V1 kann es sich um niedermolekulare
Verbindungen handeln, z. B. um aliphatische oder cycloaliphatische
Diole, Triole und Tetraole, z. B. Ethylenglykol, Butandiol, Diethylenglykol,
Triethylenglykol, Trimethylolpropan, Pentaerythrit und dergleichen,
aliphatische oder cycloaliphatische Diamine, Triamine oder Tetramine,
z. B. Ethylendiamin, Diethylentriamin, Triethylentetramin, Tetraethylenpentamin,
1,8-Diamino-3,6-dioxaoctan,
Diaminocyclohexan, Isophorondiamin und dergleichen, Aminoalkohole wie
Ethanolamin, Diethanolamin, aliphatische oder cycloaliphatische
Dithiole, um Dicarbonsäuren
oder Tricarbonsäuren
wie Sebazinsäure,
Glutarsäure,
Adipinsäure,
Phthalsäure,
Isophthalsäure,
oder um die vorgenannten Diisocyanate, je nachdem welche Art von
reaktiven Gruppen das Präpolymer
aufweist. Die niedermolekularen polyfunktionellen Verbindungen weisen
im Unterschied zu den Präpolymeren
in der Regel ein Molekulargewicht < 500
g/mol auf.
Die
polyfunktionelle Verbindung V1 kann bereits in der Lösung des
Präpolymeren
enthalten sein, die zur Beschichtung eingesetzt wird. In der zunächst entstehende
Beschichtung aus weitgehend unvernetzten Präpolymeren reagieren dann, z.
B. beim Trocknen oder beim Erwärmen
der Beschichtung, die reaktiven Gruppen R' des Vernetzungsmittels mit den reaktiven
Gruppen R des Präpolymeren
und bilden auf diese Weise eine Schicht aus miteinander vernetzten
Präpolymeren.
Wenn
es sich bei den reaktiven Gruppen R des Präpolymeren um konjugierte Diene
handelt, wird die Verbindung V1 dementsprechend wenigstens zwei
dienophile Gruppen aufweisen und umgekehrt. Wenn die Präpolymere
reaktive Gruppen aufweisen, die eine en-Reaktion eingehen, wird
die Verbindung V1 wenigstens zwei allylische Doppelbindungen aufweisen.
In der Regel wird man bei derartigen Systemen zur Herstellung der
Beschichtungen Lösungen
verwenden die sowohl das Präpolymer
als auch die Verbindungen V1 enthalten. Die Vernetzung erfolgt dann
beim Trocknen der primär
erhaltenen Beschichtung, gegebenenfalls nach Erwärmen.
Als
polyfunktionelle Verbindungen V1 sind grundsätzlich auch Präpolymere
geeignet, die wenigstens vier Polymerarme A aufweisen, welche für sich gesehen
in Wasser löslich
sind und an ihren freien Enden eine reaktive funktionelle Gruppe
R' aufweisen, die
mit den reaktiven Gruppen R des Präpolymeren unter Bindungsbildung
reagieren. Mit anderen Worten, zur Bereitstellung der bakteriostatischen
Ausrüstung
können
erfindungsgemäß auch Lösungen von
wenigstens zwei unterschiedlichen Präpolymeren eingesetzt werden,
worin das eine Präpolymer
reaktive Gruppen R und das andere dazu komplementäre reaktive
Gruppen R' aufweist. Auch
auf diese Weise wird eine Schicht aus miteinander vernetzten Präpolymeren
erhalten.
In
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung wird die Verknüpfung
der reaktiven Gruppen R ausgelöst,
indem man eine ausreichende Menge einer Verbindung V2 zugibt, die
mit einem Teil der reaktiven Gruppen R unter Bildung reaktiver Gruppen
R' reagiert, welche
mit den verbliebenen reaktiven Gruppen R unter Bindungsbildung reagiert.
Im Falle von Präpolymeren
mit Isocyanatgruppen kann man beispielsweise die Vernetzung auslösen, indem
man den beschichteten Gegenstand mit Wasser behandelt, z. B. durch
Lagern in einer feuchten Atmosphäre
oder unter Wasser. Hierbei reagiert ein Teil der Isocyanatgruppen
unter Bildung von Aminogruppen ab, die ihrerseits mit den verbleibenden
Isocyanatgruppen unter Bindungsbildung reagieren, wobei eine Schicht
aus miteinander vernetzten Präpolymeren
entsteht. Das Vernetzungsmittel V2 ist hier somit Wasser.
In
einer Variante dieser Ausführungsform
setzt man Lösungen
des Präpolymeren
in Wasser oder in einem Gemisch aus Wasser mit einem oder mehreren
mit Wasser mischbaren Lösungsmitteln
ein. Beispiele für
geeignete, mit Wasser mischbare Lösungsmittel sind insbesondere
solche, die mit den Isocyanatgruppen nicht oder nur sehr viel langsamer
als Wasser eine Reaktion eingehen. Beispiele hierfür sind cyclische
Ether wie Tetrahydrofuran und Dioxan, weiterhin N-Alkylamide wie N-Methylpyrrolidon,
Dimethylformamid und Dimethylacetamid. Das Mischungsverhältnis Wasser:Lösungsmittel
liegt in der Regel im Bereich von 1:100 bis 1:100, vorzugsweise
im Bereich von 50:1 bis 1:10 und speziell im Bereich 20:1 bis 1:1.
Diese Variante eignet sich insbesondere zur Herstellung dickerer
Schichten. Die Konzentration an Präpolymer liegt dann vorzugsweise
im Bereich von 1 bis 500 mg/ml, insbesondere im Bereich von 5 bis
200 mg/ml und speziell im Bereich von 10 bis 100 mg/ml.
In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist die Gruppe R ausgewählt unter ethylenisch ungesättigten,
radikalisch polymerisierbaren Doppelbindungen. Die Vernetzung erfolgt
in diesem Fall auf thermische oder photochemische Weise, d. h. durch
Bestrahlen mit UV-Strahlung oder mit Elektronenstrahlung. Im Falle
der photochemischen Vernetzung durch UV-Strahlung wird man der Lösung des
Präpolymeren
in der Regel geeignete Photoinitiatoren zusetzen. Die Art und Menge
an Photoinitiator, die zur Auslösung
einer photochemischen Vernetzung erforderlich ist, ist dem Fachmann
aus der Technologie strahlungshärtenden
Lacke geläufig.
In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird man zunächst
in der oben beschriebenen Weise eine Lösung eines sternförmigen Präpolymers,
beispielsweise als Monoschicht, auf die zu beschichtende Oberfläche aufbringen,
gegebenenfalls eine partielle Vernetzung der reaktiven Gruppen R
durchführen
und anschließend
wenigstens ein weiteres sternförmiges
Präpolymer
2 auf die so behandelte Oberfläche
aufbringt, das wenigstens vier Polymerarme A aufweist, die für sich gesehen
in Wasser löslich
sind und an ihren freien Enden eine reaktive funktionelle Gruppe
R' aufweisen, welche
eine zu den reaktiven Gruppen R des ersten Präpolymeren komplementäre Reaktivität aufweisen.
Gegebenenfalls führt
man im Anschluss daran eine erneute Vernetzung der verbliebenen
reaktiven Gruppen R' durch.
Dieser Vorgang kann ein oder mehrmals wiederholt werden. Auf diese
Weise gelingt es gezielt mehrschichtige Beschichtungen herzustellen.
Diese Vorgehensweise wird im Folgenden auch als Schicht-für-Schicht-Verfahren
bezeichnet. Das Schicht-für-Schicht-Verfahren
kann in besonders eleganter Weise mit solchen Präpolymeren realisiert werden,
die reaktive Gruppen R aufweisen, welche mit Verbindungen V2 zu
reaktiven Gruppen R' abreagieren,
die eine zu den Gruppen R komplementäre Reaktivität aufweisen.
Beispiele für
Gruppen R sind Isocyanatgruppen. Die Verbindung V2 ist in diesem
Fall Wasser. Als komplementär
reaktive Gruppen R' entstehen
dann NH2-Gruppen. Wird nämlich die Vernetzung der ersten
Schicht mit der Verbindung V2 ausgelöst, weist die erhaltene Beschichtung
an ihrer Oberfläche
freie Gruppen R' (z.
B. Aminogruppen) auf. Diese reagieren dann mit den Gruppen R (z.
B. Isocyanatgruppen) der in einem zweiten Beschichtungsvorgang aufgebrachten
Präpolymeren
unter Bindungsbildung.
Neben
den vernetzten sternförmigen
Präpolymeren
können
die Hydrogelbildenden Beschichtungen wasserlösliche Polysacharide, wie Hyaluronate,
Heparine, Alginaten oder z. B. Dextrane enthalten. Die Herstellung
derartiger Beschichtungen erflogt durch gemeinsames Abscheiden von
Präpolymer
und wasserlöslichem
Polysacharid auf der auszurüstenden
Oberfläche.
Bei Verwendung von Präpolymeren
mit gegenüber OH-Funktionen
reaktiven funktionellen Gruppen R, z. B. Isocyanatgruppen, wirkt
dann das Polysacharid als Vernetzer. Polysacharid und Präpolymer
bilden dann gemeinsam die Hydrogelbildende Beschichtung. Das Gewichtsverhältnis von
Polysacharid zu sternförmigem
Präpolymer
in der Beschichtung wird in der Regel einen Wert von 1:1 nicht überschreiten
und liegt beispielsweise im Bereich von 1:1000 bis 1:1 und speziell
im Bereich von 1:100 bis 1:2.
Die
bakteriostatische Wirkung der erfindungsgemäß ausgerüsteten Oberflächen kann
dadurch gesteigert werden, dass man in die aus den vernetzten Präpolymeren
aufgebaute Beschichtung zusätzlich
Bestandteile einarbeitet, die bekanntermaßen als Biozide und/oder Bakterizide
wirken. Hierzu zählen
insbesondere Antibiotika, wie Streptomycin, Gentomycin, Penicillin,
Neomycin, Acriflavin, Ampillicin, Cu-Salze, Silbersalze, Zinksalze,
wobei die Salze in homogener Verteilung in der Schicht vorliegen
können
oder als fein verteilte Partikel, z. B. in Form kolloidaler Metalloxide
wie beispielsweise kolloidales Zinkoxid, wie es in
DE 101 63 256 beschrieben wird, Verbindungen
aus Bisguanidinen, quartäre
Pyridinumsalzverbindungen, Verbindungen aus Phosphoniumsalzen, Isothiazolone,
Thiazoylbenzimidazolen, Sulfonylverbindungen, Salicylverbindungen, weiterhin
Peptide mit bekanntermaßen
biozider Wirkung, beispielsweise Peptide vom Maiganin-Typ, Anoplin, Nisin,
Chitosan, Defensin, Sapecin, Royalisin, Tenecin, Cecropins und dergleichen.
Der Einbau dieser bioziden Fremdsubstanzen kann in der oben beschriebenen
Weise erfolgen. Das Gewichtsverhältnis
von bioziden/bakteriziden Fremdsubstanzen zu Präpolymer (gerechnet als Einsatzstoff)
wird in der Regel einen Wert von 1:1 nicht überschreiten, um die erfindungsgemäßen Eigenschaften
der Hydrogelbeschichtung nicht zu beeinträchtigen. Sofern ein biozider/bakterizider
Fremdbestanteil eingebaut werden soll, beträgt das Gewichtsverhältnis von
biozidem/bakterizidem Fremdbestandteil zu Präpolymer in der Regel wenigstens
1:1000 und insbesondere wenigstens 1:100.
Der
Einbau der zur Wirkungssteigerung verwendeten bioziden/bakteriziden
Substanzen in die erfindungsgemäße Ausrüstung erfolgt
vorzugsweise durch Coadsorption aus Lösungen, die das Präpolymer
und die biozide/bakterizide Substanz enthalten. Außerdem können die
Präpolymere
mit den genannten bioziden/bakteriziden Substanzen vor Adsorption
umgesetzt werden oder als Mischung mit nicht modifizierten Präpolymeren
auf der Oberfläche
der Beschichtung zur Reaktion gebracht werden. Selbstverständlich ist
es auch möglich,
sie gezielt durch Physisorption oder Chemisorption auf das fertige
Hydrogel-Beschichtung aufzubringen. Die bioziden/bakteriziden Substanzen
werden insbesondere dadurch in die erfindungsgemäße Ausrüstung eingearbeitet, dass man
sie in der Lösung
der Präpolymeren
suspendiert oder löst.
Bei der anschließend ausgelösten Vernetzung
werden diese Substanzen in die Beschichtung in einer Weise eingebaut,
dass sie nicht oder nur in sehr geringem Ausmaß an die Umgebung abgegeben
werden. Ein sonst übliches
Leaching wird nicht beobachtet.
Neben
den bioziden/bakteriziden Fremdbestandteilen können auch weitere Fremdmaterialen,
also Materialien, die keine Hydrogel-bildenden Beschichtungen bilden,
in die erfindungsgemäße Ausrüstung eingearbeitet
werden. Hierzu zählen
bioaktive Materialien wie Medikamente, z.. antineoplastische Mittel,
Lokalanaesthetika, Hormone, antiangiogene Mittel, Neurotransmitter,
weiterhin Oligonucleotide, DNA, RNA, natürliche und synthetische Peptide,
natürliche
und synthetische Proteine, Wachstumsfaktoren wie BMPs (bone morphogenic
proteins), HGHs (human growth hormons), GMCSF (Macrophage colony
stimulating factors), an Heparin bindende Faktoren wie FGFs, VGF,
TGFs, kommunikations- und architekturvermittelnde Signalstoffe wie
BHL, HHL, OHL, DHLs, OHHL, OOHL, ODHL, OdDHL, HBHL, HtDHL und andere,
Integrin vermittelnde Signalmoleküle, Proteine wie Fibronectin,
Laminin, Vitronectin, Collagen, Thrombospondin und andere adhäsionsvermittelnde
Proteine, mechanisch oder anders physikalisch modulierte Proteine
wie gerecktes Fibronectin, Cyclodextrine, Lipide, synthetische Polymere,
beispielsweise perfluorierte Polymere, Homo und Copolymere des Maleinsäureanhydrids,
anorganische Komponenten, z. B. Apatite und Hydroxyapatide, Metalle
in Partikelform, insbesondere in Form von Nanopartikeln, quartäre Ammoniumsalzverbindungen
oder metallorganische Verbindungen, Marker z. B. organische Farbstoffe
und Fluoreszenzfarbstoffe sowie radioaktive Substanzen.
Das
Gewichtsverhältnis
von Fremdbestandteil zu Präpolymer
(gerechnet als Einsatzstoff) wird in der Regel einen Wert von 1:1
nicht überschreiten.
Sofern ein Fremdbestanteil eingebaut werden soll, beträgt das Gewichtsverhältnis von
Fremdbestandteil zu Präpolymer
in der Regel wenigstens 1:1000 und insbesondere wenigstens 1:100.
Häufig ist
es vorteilhaft, die auszurüstende
Oberfläche
in einer Weise vorzubehandeln, dass sie eine erhöhte Anzahl (Flächendichte)
an funktionellen Gruppen R' aufweist,
die mit den funktionellen Gruppen R des Präpolymeren unter Bindungsbildung
reagieren können.
Hierzu
wird man die Oberflächen
inerter Materialien häufig
vor der eigentlichen Ausrüstung
chemisch aktivieren. Dies kann beispielsweise durch Behandlung der
zu beschichtenden Oberfläche
mit Säure
oder Laugen, durch Oxidation (Abflammen), durch Elektronenbestrahlung
oder durch eine Plasmabehandlung mit einem sauerstoffhaltigen Plasma
erfolgen wie sie von P. Chevallier et al. J. Phys. Chem. B 2001,
105(50), 12490-12497; in
JP
09302118 A2 ; in
DE
10011275 ; oder von D. Klee. et al. Adv. Polym. Sci. 1999,
149, 1-57, beschrieben wurde. Die Aktivierung der Oberfläche kann
auch mittels Plasmabehandlung mit einem NH
3-haltigen
Plasma erfolgen, wie sie in
US
6,017,577 , 6,040,058 und 6,080,488 beschrieben wird.
Man
kann die auszurüstende
Oberfläche
auch mit Verbindungen behandeln, die bekanntermaßen eine gute Haftung zu den
Oberfläche
aufweisen und die außerdem
funktionelle Gruppen R' aufweisen,
die mit den funktionellen Gruppen R des sternförmigen Präpolymeren komplementär sind.
Geeignete Gruppen R' sind,
abhängig
von der reaktiven Gruppe R des Präpolymeren: Isocyanat-, Amino-,
Hydroxyl- und Epoxygruppen, weiterhin Gruppen, die im Sinne einer
Michael-Addition
reagieren, dienophile Gruppen, die Diels-Alder Additionsreaktionen
eingehen, elektronenarme Doppelbindungen, die in einer Diels-Alder
Addition oder En-Reaktion mit allylischen Doppelbindungen reagieren;
aktivierten Estergruppen; Oxazolingruppen; sowie Vinylgruppen und Thiole,
die spezifisch eine freie Radikaladdition eingehen.
Die
Art der Gruppe, die eine Haftung auf der Oberfläche bewirkt, hängt naturgemäß von der
chemischen Natur dieser Oberfläche
ab. Im Fall von oxidischen, wie keramischen und glasartigen Oberflächen, sowie
im Falle metallischer Oberflächen
haben sich Verbindungen bewährt,
die als haftungsvermittelnde Gruppen Silangruppen, insbesondere
Trialkoxysilangruppen aufweisen. Beispiele für derartige Verbindungen sind Trialkoxyaminoalkylsilane
wie Triethoxyaminopropylsilan und N[(3-Triethoxysilyl)propyl]ethylendiamin,
Trialkoxyalkyl-3-glycidylethersilane wie Triethoxypropyl-3-glycidylethersilan,
Trialkoxyalkylmercaptane wie Triethoxypropylmercaptan, Trialkoxyallylsilane
wie Allyltrimethoxysilan sowie Trialkoxysilylacryloxyalkane und
-acrylamidoalkane wie 1-Triethoxysilyl-3-acryloxypropan. Für oxidische
Materialien und Kunststoffmaterialien sind als haftungsvermittelnde
Gruppen auch polyfunktionalen Polyammoniumgruppen geeignet. Beispiele
für derartige Verbindungen
sind Polyammoniumverbindung mit freien primären Amingruppen wie sie z.
B. von J. Scheerder, J.F.J Engbersen, und D.N. Reinhoudt, Recl.
Trav. Chim. Pays-Bas 1996, 115(6), 307-320, und von Decher, Science
1997, 277, 1232-1237 zu diesem Zweck beschrieben werden.
Bevorzugt
werden die vorgenannten Verbindungen als Monolage auf die auszurüstende Oberfläche aufgebracht.
Derartige Monolagen lassen sich in an sich bekannter Weise durch
Behandeln der zu beschichtenden Oberflächen mit verdünnten Lösungen der
Verbindungen erreichen, z. B. nach dem oben beschriebenen Immersionsverfahren
oder mittels Spincoating. Lösungsmittel
und Konzentrationen entsprechen dabei den für das Aufbringen der Präpolymere
gemachten Angaben. Häufig
empfiehlt es sich, die Oberflächen
mit den vorgenannten Verbindungen behandeln, die bekanntermaßen eine
gute Haftung auf den Oberfläche
aufweisen, im Anschluss an eine Aktivierung durch Abflammen, durch
Elektronenbestrahlung oder durch Plasmabehandlung durchzuführen.
Die
erfindungsgemäß ausgerüsteten Oberflächen zeichnen
sich durch eine bakteriostatische Wirkung sowohl gegenüber grampositiven
als auch über
gramnegativen Bakterien aus. Beispiele für Bakterien, gegenüber denen
die Beschichtungen bakteriostatische Eigenschaften aufweisen umfassen
Bacillus anthracis, Bacillus cereus, Bacteroides sp., Bordetella
pertussis, Campylobacter sp., Chlamydia pneumoniae, Chlamydia trachomatis,
Clostridium botulinum, Clostridium difficile, Clostridium perfringens,
Clostridium tetani, Corynebacterium diphtheriae., Corynebacterium
sp., Enterococcus spp. (ehemals Streptococcus), Escherichia coli, Haemophilus
influenzae, Helicobacter pylori, Klebsiella sp., Legionella pneumophila,
Listeria monocytogenes, Moraxella catarrhalis, Mycobacterium leprae,
Mycobacterium tuberculosis, anderes Mycobacterium sp., Mycoplasma
pneumoniae, Neisseria gonorrhoeae, Neisseria meningitidis, Proteus
sp., Pseudomonas aeruginosa, anderes Pseudomonas sp., Salmonella
typhi /paratyphi, anderes Salmonella sp., Shigella sp., Staphylococcus aureus,
Staphylococcus epidermidis, Streptococcus agalactiae (Gruppe B -haemolytisch),
Streptococcus pneumoniae, Streptococcus pyogenes (Gruppe A -haemolytisch),
Streptococcus viridans und Vibrio cholerae. Die erfindungsgemäße Ausrüstung wirkt
insbesondere bakteriostatisch gegenüber Pseudomona Aeruginosa, Staphylococcus
Aureus, Escherichia Coli, Dermacoccus und Bradyrhizobium. Die Beschichtungen
sind aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung biokompatibel und
nicht toxisch.
Die
erfindungsgemäße Ausrüstung zeichnet
sich durch eine hohe Langzeitstabilität, auch bei Kontakt mit Flüssigkeiten,
beispielsweise Körperflüssigkeiten
aus. Sie ist zudem stabil gegenüber
Einwirkung mechanischer Kräfte.
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist insbesondere zur bakteriostatischen Ausrüstung der Oberflächen von
Gegenständen
geeignet, die in direktem Kontakt mit lebender Materie, insbesondere
mit Körpergewebe
wie subkutanes und intramuskuläre
Gewebe, mit inneren oder äußeren Oberflächen von
Organen (speziell Herz, Niere, Lunge,) oder Blutgefäßen stehen
wie beispielsweise temporäre
und dauerhafte Implantate, Endoskope, Operationsbesteck, Katheter
und dergleichen. Die Beschichtungen können auf vielerlei Laborutensilien,
medizinischen Produkten und Instrumenten, aber auch im halbtechnischen
Bereich auf Oberflächen aufgetragen
werden, die extrem sauber, also möglichst frei von Bakterien
gehalten werden müssen
oder die für
Reinigungsschritte schwer zugänglich
sind. Die geringe Dicke der Ausrüstung
ist dabei von besonderem Vorteil, da die makroskopischen Eigenschaften
und die Erscheinung des unterliegenden Materials praktisch unverändert bleiben.
Die
erfindungsgemäße bakteriostatische
Ausrüstung
ist besonders dort vorteilhaft, wo nur extrem dünne Beschichtungen möglich sind.
Beispielweise kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung
ultradünner
Beschichtungen auf den Innenwänden
von Schlauch- und Röhrensystemen
eingesetzt werden, die ihrerseits nur einen besonders geringen Durchmesser,
z. B. im mm- oder gar μm-Bereich, besitzen
(implantierbare Pumpsysteme, dünne
Katheter, mikrobiologische und gentechnologische Laborgeräte). Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist aber auch zur Beschichtung von extrem großen Flächen (Schiffsrümpfe, technische Rohrsysteme,
Schwimmbäder,
Operationssäle
usw.) geeignet.
Die
folgenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern.
I. Herstellung Isocyanat-terminierter,
sternförmiger
Polyether
Als
Isocyanat diente in allen Fällen
ein handelsübliches
Isophorondiisocyanat (IPDI: 72 % cis- und 28 % trans-Isomer), das
vor Benutzung im Vakuum destilliert wurde (95 °C/0,01 bar) und unter Inertgas
aufbewahrt wurde.
Bei
den eingesetzten Präpolymervorstufen
handelt es sich um handelsübliche
6-armige Polyalkylenether (im Folgenden Polyole), die durch anionische
ringöffnende
Polymerisation aus Ethylenoxid und/oder Propylenoxid unter Verwendung
von Sorbitol als Initiator hergestellt wurden. Das eingesetzte Polyol
wurde vor Einsatz auf einen Restwassergehalt von weniger als 350
ppm getrocknet. Reste des für
die Herstellung der Polyole eingesetzten Alkalihydroxids wurden
durch Neutralisieren mit Phosphorsäure gebunden.
Das
Polyol wurde in allen Herstellungsbeispielen über eine Pumpe langsam zugegeben
(ca. 80 ml/h), so dass die Reaktionstemperatur nicht mehr als 10
K von der angegebenen Temperatur abwich.
Die
Bestimmung des Molekulargewichts (angegeben ist jeweils das Zahlenmittel)
erfolgte durch Gelpermeationschromatographie bei Raumtemperatur
an drei in Reihe geschalteten Säulen
(Säule
1: Waters μ-Styragel 1000 Angström, I = 30
cm; Säule
2: Waters μ-Styragel
100 Angström,
I = 30 cm; Säule
3: PSS SDV 50 Angström,
I = 60 cm) unter Verwendung von Tetrahydrofuran als Eluenten, einen
Refraktometrie-Detektor (Waters
RI 2410) und unter Verwendung der Auswertungssoftware PSS Win-GPC
V 4.02. Die Elutionsdiagramme wurden zur Auswertung an zwei Gausskurven
angepasst, wobei über
die Flächenverhältnisse
der Anteil an Bi-/Trimer bestimmt wurde.
Die
Charakterisierung der Endgruppen funktionalisierter Präpolymere
sowie die Funktionalisierungsausbeute erfolgte, wo angegeben, zudem
elementaranalytisch (Schwefel, Stickstoff), mittels IR-Spektroskopie (v
SH, C=O, NH) oder mittels Titration (nicht umgesetzte OH-Gruppen).
Die
Bestimmung der nicht umgesetzten OH-Gruppen erfolgte durch Umsetzung
der Präpolymere
mit Acetanhydrid in Pyridin und Titration überschüssiger Säure (Hydrolyse des nicht umgesetzten
Acetanhydrids) mit NaOH.
