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Die
Erfindung betrifft ein Hydrogel-bildendes Polymer mit antimikrobieller
Wirkung sowie ein Verfahren zur Beschichtung einer Oberfläche
mit einem derartigen Hydrogel-bildenden Polymer. Die Erfindung betrifft
weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Hydrogel-bildenden
Polymers sowie Verwendungen eines derartigen Hydrogel-bildenden
Polymers.
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Die
unspezifische Adhäsion von Proteinen, Zellen (Blutplättchen,
Bakterien, etc.) spielt eine wichtige Rolle im Bereich der Medizintechnik
und auf anderen Gebieten. Die Adhäsion von Serumbestandteilen
auf der inneren Oberfläche von beispielsweise künstlichen
Blutgefäßen aus Polymeren oder Stents aus Titan
kann zur Aggregation von Blutplättchen und damit zur Entstehung
von Thrombosen führen.
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Viele
Mikroorganismen, insbesondere viele Bakterien adhärieren
unter Bildung so genannter Biofilme an Oberflächen. In
derartigen Biofilmen lassen sich Erreger mittels Antibiotika nur
schwer oder gar nicht bekämpfen.
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Die
antimikrobielle Ausstattung eines Materials oder einer Oberfläche
eines Festkörpers kann auf unterschiedliche Weise erfolgen.
Zum einen kann ein Material oder eine Oberfläche mit antimikrobiellen Substanzen
imprägniert werden. Der Nachteil dieser Methode besteht
jedoch in der geringen Haltbarkeit bzw. Verweildauer dieser antimikrobiellen
Substanzen auf dem Material oder der Oberfläche. Verbreitet ist
die Verwendung mikrobizider Verbindungen wie Antibiotika oder koloidalem
Silber, die direkt bei der Herstellung in Polymere eingearbeitet
werden können. Der Wirkstoff wird dann durch Diffusion
aus dem Polymer freigesetzt, so dass das Material ebenfalls nur über
eine zeitlich begrenzte antibiotische Wirkung verfügt.
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Aufgrund
der oben genannten Nachteile erscheint die Bereitstellung mikrobizider
Verbindungen bzw. mikrobizider Gruppen wie quartärer Ammoniumverbindungen
(QAV), die unter Beibehaltung ihrer mikrobiziden Wirkung kovalent
an Oberflächen gebunden werden, die viel versprechendste
Methode zur Herstellung antimikrobieller Oberflächen zu
sein.
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Demgemäß lag
der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, die Anhaftung
von Bakterien bzw. die Bildung von Biofilmen an bestimmten Oberflächen
zu verhindern.
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Beschreibung
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Der
Kern der vorliegenden Erfindung, mit der die oben genannte Aufgabe
gelöst wird, besteht in der Kombination eines Hydrogel-bildenden
Polymers mit antiadhäsiven Eigenschaften mit einer quartären Ammoniumverbindung
(QAV) mit antimikrobieller Wirkung.
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Insbesondere
wird das der Erfindung zu Grunde liegende Problem durch ein Hydrogel-bildendes
Polymer mit antimikrobieller Wirkung zur Bindung an die Oberfläche
eines Festkörpers gelöst. Erfindungsgemäß weist
ein derartiges Molekül mindestens eine quartäre
Ammoniumgruppe zur Zerstörung der Zellmembran eines Mikroorganismus
auf, die über mindestens eine Einheit zur Polymerbildung (polymerbildende
Einheit) an eine Ankergruppe zur Bindung an die Oberfläche
eines Festkörpers gebunden ist.
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Die
Einheit zur Polymerbildung bzw. die polymerbildende Einheit beschreibt
eine polymerbildende Komponente der erfindungsgemäßen
Verbindung, d. h. den Polymeranteil des Hydrogel-bildenden Polymers.
Ein derartiges erfindungsgemäßes Molekül weist
somit folgende allgemeine Struktur auf: Ankergruppe-(polymerbildende
Einheit)n-QAV, mit n (Anzahl der Monomereinheiten)
bevorzugt größer als 20.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stellt
Polyethylenglykol (PEG) die Polymerbildende Einheit des Hydrogel-bildenden
Polymers dar. Eine antiadhäsive Wirkung erfolgt bereits
bei kurzkettigen PEGs, bevorzugt sind jedoch PEG-Einheiten mit mehr
als 20 Monomereinheiten, insbesondere bevorzugt sind solche mit
mehr als 80–120 Monomereinheiten. Ein derartiges erfindungsgemäßes Molekül
weist somit folgende Struktur auf: Ankergruppe-(PEG-Einheit)n-QAV, mit n (Anzahl der Monomereinheiten)
wie oben beschrieben.
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Die
Monomereinheiten des PEG (-CH2-CH2-O-)n sind linear
angeordnet. Ab ca. n = 100 (entspricht einem MW von ca. 4500) ist
der antiadhäsive Effekt dieser Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Hydrogel-bildenden Polymers
besonders gut.
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Neben
Polyethylenglycol kann die polymerbildende Einheit auch eine der
folgenden Verbindungen sein: Dextran, Polyvinylalkohol, Chitosan,
Polyvinylpyrrolidon und/oder Polyhydro xyethylmethacrylat. Auch können
verschiedene polymerbildende Einheiten im erfindungsgemäßen
Molekül vorhanden sein.
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Generell
weist das Hydrogel-bildende Polymer zwischen 20 und 200, bevorzugt
wischen 50 und 150, besonders bevorzugt zwischen 90 und 130 oder zwischen
80 und 120 polymerbildenden Einheiten auf.
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Abhängig
davon, auf welchem Material das Hydrogel-bildende Polymer aufgebracht
werden soll, weist das Hydrogel-bildende Polymer eine geeignete Ankergruppe
auf. Zur Bindung an Eisen oder Edelstahl bzw. zur Bindung an eine
Eisen oder Edelstahl aufweisende Oberfläche ist es vorteilhaft,
dass die Ankergruppe eine Phosphonat- oder eine Phosphatgruppe ist.
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In
anderen bevorzugten Ausführungsformen ist die Ankergruppe
eine aminreaktive Epoxygruppe. Diese eignet sich zur Modifizierung
von Aminogruppen-tragenden Polymeren wie z. B. Polyallylamin, Chitosan
und von Oberflächen-aminierten Polyester. Beispiele für
geeignete Polyester sind Polyethylenterephthalat (PET, Dacron),
Polykaprolakton, Polymilchsäure, etc. Durch alkalische
Hydrolyse bilden sich Hydroxyl- und Carboxylgruppen, durch Aminolyse
mit beispielsweise Ethylendiamin ergeben sich Hydroxyl- und Aminogruppen.
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Die
Ankergruppe kann ein OH-reaktiver Isocyanatrest(-NCO) sein, wie
es zur Modifizierung von Polysacchariden (Dextran, Cellulose, Chitinderivate, etc.)
erforderlich ist. Auch können ein Sulfochlorid, ein Carbonylimidazol,
ein Vinylsulfon oder ein Cyanursäurederivat als Ankergruppe
auf Amino- oder Hydroxylgruppen-tragenden Materialien vorgesehen sein.
Hydrolysierbare Silan-Ankergruppen sind insbesondere geeignet zur
Modifizierung von Metallen (Ti, Al, Fe, etc.) bzw. deren Oxiden
und keramischen Werkstoffen (basierend auf z. B. SiO2,
Al2O3, etc.).
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Ankergruppe
des Hydrogel-bildenden Polymers eine photoreaktive Gruppe, die die Bindung
an ein reaktionsträges Polymer, insbesondere an ein Polyolefin
(wie PE, PP, etc.), an ein Fluorpolymer (wie PTFE, etc.) oder ein
Silikon (wie PDMS) gestattet. Photoreaktive Gruppen (z. B. Benzophenone,
Chinone und Azide) sind immer dort vorteilhaft einsetzbar, wo das
Polymer keine funktionalisierbaren Gruppen aufweist. Wie dem Fachmann
bekannt ist, erfolgt die Bindung derartiger Ankergruppen an eine
Oberfläche mittels Belichtung mit UV-Licht.
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Weitere
mögliche zu beschichtende Oberfächenmaterialien
sind Polyurethane und Polyetherurethane, wie in Beispiel 2 gezeigt.
Mittels der Allophanat-Reaktion (Umsetzung mit Isocyanaten) können
derartige Polymere funktionalisiert werden.
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Auch
Polyvinylchlorid (PVC), Polytetrafluorethylen (Teflon), und Fluorpolymere
können mittels des erfindungsgemäßen
Verfahrens beschichtet werden.
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Bekannte
Verfahren basieren bei halogenhaltigen Polymeren auf dem Austausch
bzw. der Eliminierung von Halogenatomen durch starke Basen (Amide,
Alkoholate, u. a.) unter gleichzeitiger Einführung funktioneller
Seitengruppen.
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Für
Keramiken und Metalloxide weist ein bevorzugtes erfindungsgemäßes
Hydrogel-bildendes Polymer wie folgt aus:
(EtO)
3Si – PEG – N
+R
3Hal, mit Hat =
Cl oder Br,
mit
(EtO)
3Si = Silan
und
N
+R
3 =
QAV,
n > 40,
bevorzugt 80 bis 120.
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Die
Beschichtung einer Oberfläche mit einem oben beschriebenen
Hydrogel-bildenden Polymer kann grundsätzlich mittels zweier
Verfahrenswege erfolgen. Zum einen ist die Synthese eines oben beschriebenen
Polymers möglich, dass nachfolgend mit der Oberfläche
eines Festkörpers chemisch gekoppelt wird. Alternativ besteht
die Möglichkeit, die oben beschriebenen Hydrogel-bildenden
Polymere in einer schrittweisen Synthese auf der Oberfläche herzustellen.
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Gemäß der
zuerst genannten Alternative betrifft die Erfindung ein Verfahren
zur Beschichtung einer Oberfläche eines Festkörpers
mit einem Hydrogel-bildenden Polymer mit antimikrobieller Wirkung, wobei
ein oben beschriebenes Hydrogel-bildendes Polymer an die Oberfläche
eines Festkörpers gebunden wird. Die jeweiligen Reaktionsbedingungen
für diese Immobilisierung auf der Oberfläche hängen von
den jeweils vorhandenen Ankergruppen ab und können vom
Fachmann auf der Grundlage seines Fachwissens zusammen mit der vorliegenden
Beschreibung ermittelt werden.
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Gemäß der
zweiten oben genannten Alternative betrifft die Erfindung ein Verfahren
zur Herstellung Hydrogel-bildender Polymere mit antimikrobieller
Wirkung, wobei eine polymerbildende Einheit mit einer quartären
Ammoniumverbindung zur Zerstörung der Zellmembran eines
Mikroorganismus und (in einem nachfolgenden oder vorausgehenden Schritt)
mit einer Ankergruppe zur Bindung an die Oberfläche eines
Festkörpers gebunden wird. Mit diesem Verfahren sind Hydrogel-bildende
Polymere der Eingans beschriebenen Art herstellbar.
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Zur
Quaternisierung eignen sich insbesondere Alkylchloride mit Kettenlängen
von C6 bis C20.
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Die
erfindungsgemäßen Hydrogel-bildenden Polymere
haben ein breites Anwendungsspektrum. Dieses breite Anwendungsspektrum
beruht darauf, dass das in Kontakt bringen eines Hydrogel-bildenden
Polymers der beschriebenen Art mit einem Mikroorganismus zu dessen
Abtötung führt. Die erfindungsgemäße
Oberflächenmodifizierung eignet sich insbesondere zur Bekämpfung
von gram-positiven, gram-negativen Bakterien und anderen einzelligen Keimen
wie Hefen/Pilze, besonders bevorzugt zur Bekämpfung von
E. coli, S. aureus und P. aeruginosa.
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Verwendungen
des erfindungsgemäßen Hydrogel-bildenden Polymers
ergeben sich insbesondere für Gegenstände, die
im medizinischen Bereich verwendet werden und an die daher besondere
Anforderungen bezüglich ihrer Keimbelastung gestellt werden.
Zur Anwendung kommen hier vor allem Implantate, Schrittmacher, Ports,
Katheter, Drainagen, zentralvenöse Zugänge, Beatmungs-
und Tracheatuben und Stents in Frage. Jenseits des medizinischen Bereiches
sind Verwendungen für Filter und Filterpatronen zur Wasserdesinfektion,
Lebensmittelverpackungen, Tastaturen von Computer und Handys und dergleichen
vorteilhaft.
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Eine
weitere Verwendung betrifft die Funktionalisierung von Silikapartikeln
mit den erfindungsgemäßen Hydrogel-bildenden Polymeren,
wobei derartig beschichtete Silikapartikel als Komponente zu Wand-
und/oder Fassadenfarben zugegeben werden können, und in
Beschichtungen wie Wand- und/oder Fassadenfarben fungizide Wirkung
entfalten können.
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Figuren
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Es
zeigen:
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1 ein
Reaktionsschema für die Modifizierung einer Titanoberfläche;
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2 die
Ergebnisse eines antimikrobiellen Tests;
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3 die
Ergebnisse eines Adhäsionstests; und
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4 ein
Reaktionsschema für die Modifizierung einer Polyurethanoberfläche;
und
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5 ein
Reaktionsschema für die Modifizierung von Dextran mit QAV-Seitengruppen.
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Beispiele
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Beispiel 1: Schrittweise Immobilisierung
eines Polymers auf einer Titan-Oberfläche und nachfolgende Generierung
der QAV-Gruppe nach Art einer Festphasensynthese
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Es
wird auf das in der 1 gezeigte Reaktionsschema Bezug
genommen, das die experimentelle Durchführung verdeutlicht.
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Als
Substrat diente Titan (Rein-Titan). Es wurden Polyethylenglykol
(PEG) als Polymerbildende Einheit und eine Silangruppe als Ankergruppe
verwendet. Ti-Proben wurden stufenweise bis 2500er Körnung
geschliffen. Die Passivierung der Ti-Oberfläche erfolgte
mittels H2SO4/H2O2 (Piranha-Lösung) für
1 Stunde bei Raumtemperatur (RT).
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Titan-Modifizierung mit Dextran (Ti-Dex-NR3)
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Ti-Oberflächen
wurden mit Aminopropyltriethoxysilan (APTES) silanisiert, 5% in
Ethanol, 5 h, RT. Derart Amino-silanisierte Proben wurden dann für
2 h bei RT einer Behandlung mit Phenylendiisocyanat unterzogen (5%
in Dimethylsulfoxid (DMSO)). Wasserfreies Dextran gelöst
in DMSO (0,5 mg/ml) wurde mit dieser Oberfläche reagiert.
Im nächsten Schritt erfolgte die Umsetzung mit Hexamethylendiisocyanat
(HMDI, 5% in DMSO) für 2 h bei RT. Freie Isocyanat-Gruppen
wurden durch die Anwendung von Wasser unter Zusatz geringer Mengen
HCl für 2 bis 3 h bei RT zu Aminogruppen hydrolysiert.
Die Quaternisierung erfolgte unter Verwendung von Hexylchlorid (10%
in Ethanol) über Nacht bei RT. Waschschritte erfolgten
mit dem jeweiligen Lösungsmittel.
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Das
Produkt dieses Verfahrens lässt sich darstellen als Ti-Dextran-QAV.
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Titan-Modifizierung mit PEG (Ti-PEG-NR3):
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Die
Silanisierung erfolgte analog zu dem oben Beschriebenen mit Glycidyloxypropyltriethoxysilan
(GOPTES, 5% in Ethanol). Epoxy-funktionalisierte Proben wurden dann
mit α-ω-Diamino-PEG (0,1 mg/ml in DMSO, 4 h, RT)
umgesetzt.
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Quaternisierung
erfolgte mit Hexylchlorid wie oben beschrieben.
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Beispiel 2: Antibakterielle Ausstattung
von Polyurethan(PUR)-Oberflächen
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Das
diesem Beispiel entsprechende Reaktionsschema ist in 4 dargestellt.
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Die
Aktivierung wurde wie folgt durchgeführt: In einem typischen
Ansatz wurden die PUR-Proben ca. 12 h mit einer Lösung
von 10% Hexamethylendiisocyanat (HMDI) und katalytischen Mengen
Triethylamin in Acetonitril bei 60°C behandelt.
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HMDI-aktiviertes
PUR wurde weiter umgesetzt mit dem bifunktionellen PEG-Derivat Diamino-PEG;
1 mg/ml in Acetonitril, 3–4 h bei Raumtemperatur. Die Quarternisierung
der freien Aminogruppen der PEG-Komponente erfolgte durch Dodecylchlorid
(10% in Ethanol) für 24 h bei Raumtemperatur.
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Die
antibakteriellen Eigenschaften derartig modifizierter Oberflächen
wurden mikroskopisch durch Anwendung des Baclight Live/Dead-Testes
(Invitrogen) ermittelt. Es handelt sich bei diesem Reagenz um ein
Farbstoffgemisch (Syto 9, Propidiumiodid); lebende Bakterien zeigen
grüne, tote Zellen rote Fluoreszenz. Die Quantifizierung
erfolgt durch Auszählen.
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Als
Testorganismen dienten Staphylococcus (S.) aureus und Pseudomonas
(P.) aeruginosa. Die beiden Keime zeigten unterschiedliches Verhalten bezüglich
des Anhaftens. So liegt unter den gegebenen Versuchsbedingungen
die Adhäsion von P. aeruginosa bei ca. 44% des Wertes von
S. aureus. Die modifizierte Oberfläche reduziert bei beiden
Keimen die Anzahl lebender Keime auf ca. 5% des jeweiligen Ausgangswertes.
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Beispiel 3: Antimikrobieller Test
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sPropidiumjodid
(PI) bildet nach Einlagerung in die DNS einen fluoreszierenden Komplex.
Der Test basiert darauf, dass das farblose, polare PI nicht durch
intakte Zellmembranen gelangen kann. Interagiert die Membran mit
QAVs (oder anderen Verbindungen) wird sie permeabel – wobei
die Zelle stirbt – und als Folge dringt PI in die Zelle
ein unter Bildung des PI/DNS-Komplexes, der fluorometrisch bestimmt ein
Maß für die antimikrobielle Wirkung darstellt.
Als Testorganismus diente E. coli. Die Ergebnisse sind in 2 dargestellt.
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Als
Beispiel wurde das Verhalten der Bakterien nach 15 Minuten dargestellt.
Diese Methode liefert keine absoluten Keimzahlen. Reines Titan (Titan blanc)
liefert einen relativ hohen Hintergrund. Bei Ti-PEG-NR3 und Ti-Dex-NR3
liegt die Sterberate um ca. 37% bzw. 33% über der Kontrolle.
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Beispiel 4: Adhäsionstest
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Lebende
fluoreszensmarkierte E. coli Bakterien dienten als Testorganismus.
Bakteriensuspension (OD560 = 0,5) wurde
auf die behandelten Träger pipettiert. Nach 15 Minuten
wurden diese gespült und die Fluoreszenz der verbliebenen
Bakterien bestimmt.
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Die
antiadhäsive Wirkung ist auf der Grundlage der in 3 gezeigten
Versuchsergebnisse erkennbar. Bakterien zeigten nur ca. 9% (Ti-PEG-NR3) bzw.
13% (Ti-Dex-NR3) der Haftung, die auf reinem Titan (Ti blanc) erfolgte.
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Beispiel 5: En-bloc Synthese von Dextran-QAV
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Zur
en-bloc Synthese von Dextran-QAV wurde 1 g Dextran (Molekulargewicht
40 000 g/mol, ≈ 1,85 × 10–2 mol
OH, über Phosphorpentoxid getrocknet) in 10 ml trockenem
Dimethylformamid (DMF) gelöst. 1,5 g (9,3 × 10–3 mol) Carbonyldiimidazol (CDI) in
10 ml DMF wurden mit der Dextranlösung gemischt und für
30 Minuten inkubiert. Nach der Zugabe von Ethylendiamin in großem Überschuß (ca. 50fach
bezogen auf CDI) wurde 3–4 Stunden gerührt und
das Produkt (Aminodextran) im doppelten Volumen Aceton gefällt,
abzentrifugiert und getrocknet. Lösen in DMF und Fällen
in Aceton erfolgte zwei weitere Male. Das Aminodextran wurde in
10 ml Dimethylsulfoxid (DMSO) aufgenommen und mit 10 ml Dodecylchlorid
versetzt. Die Mischung wurde ca. 1 Tag gerührt und anschließend – wie
oben beschrieben – in Aceton gefällt und getrocknet
(siehe z. B. T. Heinze et al. in: Polysaccharides II (Ed.
D. Klemm) Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, 2006 und
darin zitierte Literatur).
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Die
Charakterisierung erfolgte durch Elementaranalyse und NMR. Die Immobilisierung
erfolgt über OH-Gruppen des Dextranderivats und Isocyanat-Reste
der Oberfläche, z. B. HMDI-behandeltes PUR.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - T. Heinze
et al. in: Polysaccharides II (Ed. D. Klemm) Springer-Verlag Berlin,
Heidelberg, 2006 [0050]