JPH09512294A - 疎水性ポリマーの親水性化 - Google Patents

疎水性ポリマーの親水性化

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JPH09512294A JP7527572A JP52757295A JPH09512294A JP H09512294 A JPH09512294 A JP H09512294A JP 7527572 A JP7527572 A JP 7527572A JP 52757295 A JP52757295 A JP 52757295A JP H09512294 A JPH09512294 A JP H09512294A
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Abstract

(57)【要約】 (i)プラスチック表面と、(a)水素引抜き型のUV-開始剤、および(b)1またはそれを超えるアルケン基を有する親水性ポリマーを溶解した液体とを接触させ;ついで(ii)該開始剤を活性化するUV-光で該溶液を放射する工程によって特徴付けられる、sp3混成炭素原子に結合した水素を有する疎水性ポリマーを表す疎水性プラスチック表面を親水性化する方法。

Description

【発明の詳細な説明】 疎水性ポリマーの親水性化技術分野および背景 生体物質を含む生化学の分析または固相合成に使用される試薬にカップリング するために、水-不溶性マトリックスが非常に首尾よく用いられている。また、 マトリックスは、例えば、イオン交換クロマトグラフィーのようなクロマトグラ フィーにおける支持相、および、例えば、ダイアパーおよび生理ナプキンのごと き、液体吸収剤と結合した支持相としても使用されている。しはしば、合成マト リックスは、高い非特異的吸着を生じる疎水性であり、かかるマトリックスは撥 水性で、蛋白質変性性で、誘導化が困難である。その結果、疎水性表面/マトリ ックスを親水性化し得る一般的な要望が存在する。 親水性化は当該分野で知られている。産業的適用においては、酸浴(acid bath )、炎焼およびコロナ放電処理のごとき酸化技術がしばしば使用される(例えば、 フィルム、フラスコ、ボトルほかの場合において)。別の技術は、プラズマ重合( H.Yasuda,「Plasma Polymerization」Academic Press Inc.(1985))、電 子放射の援助でのグラフト(F.Yamamotoら,J.Pol.Sci.(Polymer Chemist ry 第16版(1978)1897-1907))またはガンマ線放射(F.Yamamotoら,J.Pol.Sc i.(Polymer Chemistry 第16版(1978)1883-1895)および光-開始グラフト(S.T azukeら,ACS Symposium Series 121(1980)217-241)のごとき、制御された 表面構造が得られるとして知られている。電子線およびガンマ線放射グラフトプ ロセスは、重装備の投入および包括的安全配置の設備を要する。光-開始クラフ トおよびプラズマ重合プロセスは、恐らく本出願人の技術分野により適合する( 前記参照)。 プラスチック表面の光-開始グラフトの場合、しばしば、通常は長波長光(300- 400nm)のUV光によって活性化される開始剤を使用する。これは、水素の引抜き 、および表面-結合したフリーラジカルの形態の活性中心の形成を導く。該系に 不 飽和モノマーが存在する場合には、ポリマー表面からグラフト重合が開始する。 表面の官能基は、どのモノマーを付加するかに依存して変動し得る。この技術は 、ポリエチレングリコールおよびヘパリンより実質的になる親水性層を導入する の Stockholm,Sweden(1988))。本発明により奏される利点および本発明の目的 本発明は、光-開始グラフトプロセスの援助でプラスチック表面を親水性化す る方法を提供する。該方法は早期に使用されていた方法よりも行うのがシンプル で、匹敵するまたは改善された特性を適用層に付与し得る。該方法は、デキスト ラン層で疎水性表面を供することを主目的とする。発明の開示 本発明の方法は、sp3混成(飽和)炭素原子に結合し、開始剤が活性化された 際に該開始剤によって引抜れ得る複数の水素を有する疎水性ポリマーをプラスチ ック表面が示す条件にて、 (i)疎水性ポリマープラスチック表面と、 a.UV-光によって活性化され、水素引抜型の光開始剤、および b.アルケン基を含む疎水性ポリマーを溶解した液体とを接触させ;ついで、 (ii)その混合物を、該光開始剤を活性化する波長を有するUV-光に暴露する工 程よりなることを特徴とする。 該方法はユニークである。なぜならば、該親水性ポリマーはプラスチック表面 に一工程でかつ同一工程で共有結合するからである。このことは、親水性ポリマ ー中にアルケン基が存在することによって可能となる。一工程でかつ同一工程と は、活性化とアルケン基の疎水性ポリマーへの結合との間に、反応条件の変化を 全く要しないことを意味する。高品質親水性化およびプラスチックの元来の特性 の保持を達成する必須因子は、光開始剤が相当の範囲までプラスチックに浸透す る必要がないことである。 親水性化すべき表面(マトリックス)は異なる物理形態を有し得る。それは、ク ロマトグラフィープロセス、吸水性ほかを目的とした多孔質体(モノリスまたは 粒子)または膜、隔膜のごとき多孔質系の形態を有し得る。また、容器、ホース ほかの内部表面は、特に、生体分子が変性されまたは望ましくない表面吸着する ことなく、これらの容器またはホースが該生体分子と接触する場合には、本発明 の手段によりコートし得る。また、該表面は、内部が全体的に異なる材料、例え ばガラスまたは木材から構築されているマトリックス体の一部ともなり得る。 問題の疎水性ポリマーは通常合成する。sp3混成炭素原子は、しばしば、ア ルキル/アルキレン基の一部分として存在し、それが交互にポリマー鎖に含まれ ている。例は、ビニルポリマー(ポリスチレン、塩化ポリビニル、ポリエチレン 、ポリブタジエンほか)または、エステル基、エーテル基およびアミド基がポリ マー鎖の一部分である疎水性ポリエステル、ポリエーテル、ポリアミドである。 sp3-混成炭素原子は、ポリマー鎖から突出した基中にも存在し得る。前記した ものは、ほかの形の炭素原子(例えば、芳香族結合水素、アルデヒド水素ほか)に 水素結合する疎水性ポリマーの使用を排除するものではない。これらの形の水素 すべてをグラフト反応に関与させることは、それらが関与するように条件を変動 し得ることを排除することはできないが、本発明の主目的ではない。 疎水性ポリマーは、光開始剤および疎水性ポリマーが溶解している液体に溶解 性である必要はない。 脂肪族結合水素引抜型の適当な光開始剤には、通常、ベンゾフェノン(=ベン ゾフェノンに加えてベンゾナフトン、チオキサントンほかを含むベンゾエフェノ ン構造)のごときカルボニル基が2個の芳香族環に直接結合した塩基構造が含ま れる。開始剤は、波長範囲300-400nmの相対的に強いUV-吸収(ある場 合においてはε>100リットル/モル/cmとなり得るε>10リットル/モル/ cm)を有していなければならない。ベンゾフェノン構造は、本質的に疎水性で あり、このことは、逆に親水性である好ましい溶媒(液体)中に非-置換化合物が 不溶性/ほとんど可溶性でないことを意味する。したがって、好ましい開始剤は 、 (a)カルボキシ(-COOH/-COO-)、サルフェート(-OSO3-)、スルホネー ト(-SO3-)、ホスフェート(-OPO3 2-)、ホスホネート(-PO3 2-)、一級、二 級、三級または四級アミノ(-N+(R1、R2、R3)双性イオン基のごときイオン性 基またはイオン化性基、あるいは (b)例えば、炭化水素中のごときヒドロキシ(OH-)、およびアミド(R1-CON R2-)、ポリエトキシ(R1-(OCH2CH2)nO-)ほかのような中性親水性基(ここ にR1-3は、水素、またはC1-6アルキルもしくはアリールのごとき低級アルキル 、nは>0の整数) を包含する1またはそれを超える親水性基で置換されたベンゾフェノン構造であ る。 関する大部分の場合においては、基中の空の結合価はベンゾフェノン構造中の 芳香族炭素、または、順にベンゾフェノン構造に結合する炭化水素鎖に含まれる 一級、二級もしくは三級炭素のいずれかに直接結合するであろう。 置換ベンゾフェノン構造を有する化合物が光開始剤として機能するためには、 該置換基が、活性化が起こる波長範囲から十分に離れた波長の光のみを吸収しな ければならない;すなわち、大部分の場合においては、それは300-400n mの範囲の長波長光を吸収する必要はない。 適当な光開始剤は、親水性ポリマーを溶解するに用いたのと同一の溶媒中に可 溶性でなければならない。 現時点で最も好ましい光開始剤は、炭化水素鎖(-CH2-)を介して芳香族炭素 に結合する親水性基(四級アミノ)をその中に有する置換ベンゾフェノン構造を有 する化合物の一例である、4-ベンゾイル-ベンジル-トリメチルアンモニウムク ロライド(クオンタキュアRBTC(QuantacureRBTC))である。 親水性ポリマーは、常に、1またはそれを超える水素が炭化水素構造に置換さ れていてもよく、空の原子価が恐らく架橋(-B-)を介してポリマーに結合してい る、1またはそれを超えるアルケン基(CH2=CH-)を含むであろう。本明細書 の優先日に、アリル基中にアルケン基が含まれる親水性ポリマーで最良の結果が 得られた。 架橋(-B-)は、メチレン(-CH2-)のごとき、1〜10の炭素原子を有する純 粋な炭化水素鎖とし得、あるいは、カルボニル(-CO-)のごとき適当な官能基を 含み得る。架橋(-B-)は、その1個のフリーの原子価を介してアルケン基のフリ ーの原子価に、ほかのフリーの原子価、通常は、エーテル酸素もしくはエステル 酸素またはアミノ窒素またはアミンもしくはアミド窒素を介して親水性ポリマー に結合する。優先日における架橋(-B-)は、好ましくはメチレン(-CH2-)であ り、これはエーテル酸素を介して親水性ポリマーに結合する。 親水性ポリマーの親水度は、通常、1またはそれを超える水素が低級アルキル (C1-6アルキル)に置換し得るポリマー上の複数のヒドロキシ(HO-)および/ま たはアミノ基(NH2-)の存在に関連する。HO-および/またはアミノ基(NH2- )の存在により、親水性ポリマーを該表面にグラフトさせた後に、誘導体化が容 易に達成し得る。適当なポリマーは、しばしば、デキストラン、プルラン、セル ロース、アミロースほかのごとき炭化水素構造を有する。ほかの潜在的に使用で き得るポリマーは、ポリビニルアルコールおよびポリビニルエーテル([CH-C HOR]n)(ここに、nは整数であって、Rは、ヒドロキシ基もしくはアミノ基が 結合するアルケン基(通常、C1-10で、恐らくエーテル構造、チオエーテル構造 、アミノ構造またはほかの幾つかの安定な構造を含み得る))である。また、ポリ マーには、イオン-交換基、疎水性基、生体特異的親和性を有する基ほかも含ま れ得る。 これに関する親水性ポリマーは、用いる溶媒中に可溶性でなければならない。 光開始剤および親水性ポリマーが溶解する溶媒(液体)は、主に、水、または水 および/または水混和性の溶媒(液体)よりなり得る混合液である。前記から明ら かであろうごとく、主な原理は、溶媒が光開始剤および親水性ポリマーは溶解す るが、疎水性ポリマーは溶解しないものでなければならないことである。好まし い具体例の場合においては、溶媒は、当該溶媒と疎水性ポリマーとの間の分布に 関する光開始剤の分配係数が溶媒相(液体相)への分布に大きく偏倚するように選 択される。元来のプラスチックの「内部」特性(透明性、機械的強度、安定性ほ か)を保持するのが望ましい場合には、光開始剤の疎水性ポリマーへの吸着に偏 倚する溶媒および光開始剤の組合せを避けなければならない。 光開始剤は、当該光開始剤が活性化されるべきかかる波長の光を吸収する必要 がある光を放射するランプで放射することによって活性化される。通常は、長波 UV-光(好ましくは300-400nm)である。より短波長(<300nm)の光 は、プラスチックの選択および放射の方向のより高い要求性に置かれる。なぜな らば、多くのプラスチックにおいては、かかる短波長で高い吸収が示されるであ ろうからである。グラフト反応の間、温度は、前記の溶液条件が維持されるレベ ルに維持される。したがって、ほかのものの中では特に冷UV-光が好ましい。 高グラフト反応収率には、水素引抜きが疎水性ポリマーの外側表面に選択的に 向けられる必要がある。このことは、透明疎水性ポリマーと合わせて、光開始剤 がいずれのはっきりとした範囲にも疎水性ポリマーに分配されないように、光開 始剤/溶媒が選択される場合、ならびに光開始剤および疎水性ポリマーを含む溶 液に向けて疎水性ポリマーを通しての方向での照射によって達成し得る。 疎水性ポリマーは、荷電基[フリー原子価が一級、二級、三級または芳香族炭 素原子に結合する-COO-、-NR3 +、-PO32-(ホスホネート)および-OPO3 3- (ホスフェート)、-SO3 2-(スルホネート)]、疎水基、生体特異的親和性を有 する基(例えば、ビオチン、ストレプトアビジン、抗原/ハプテン、抗体)ほかを 含むように、グラフト反応の前後いずれかに、公知の様式にて誘導化し得る。優 先日における最も好ましい具体例は、実験セクションで最良の結果を供し得たも のである。 実験セクション一般: ポリスチレンマイクロタイタープレート(柔軟剤を含まないもの、Dynatech Microelisa)および塩化ポリビニルマイクロタイタープレート(PVC、Coster Serocluster vinyl plate)を実験で各々用いた。該プレートは、使用する光開 始剤を活性化する波長の光を放射するUV-ランプの上側に置いた。ついで、光 開始剤およびアリル誘導化ポリマーまたはアクリル誘導化ポリマーを含有する溶 液でウェルを満たし、その後に、該プレートを1-10分間照射し、蒸留水およ びエタノールで洗浄し、最後に分析する前に1昼夜(50℃にて)乾燥した。非処 理試料は対照系を表す。 真下からの照射によって得られる利点は、マトリックス表面に接近して位置す る開始剤によって光が主に吸収される点である。このことは、マトリックスポリ マーから水素を引抜き易くし、換言すれば、該マイクロタイタープレートは開始 剤が吸収する波長範囲(ベンゾフェノンの場合には340-360nm)で透過性 である必要がある。使用するマイクロタイタープレート(PVCおよびポリスチ レン)は両方ともこの要件を満たす。アリルデキストラン/ベンゾフェノンでのグラフト: 残念なことには、ベンゾフェノンおよびアリルデキストランは、溶解性に関し て非常に異なる-デキストランは水に溶解するが、ベンゾフェノンはアセトンお よびエタノールのごとき低極性溶媒に溶解する。この問題点は、グリセリン6 0ml中にアリルデキストラン2g(乾燥ゲル1g当たり1.39ミリモルのアリ ルで、MW40,000)を溶解し、この溶液をエタノール25ml中に溶解した ベンゾフェノン1.82gと共に混合することによって回避し得た。得られた溶 液をマイクロタイターウェルに分注し、つづいてそれを放射する。ついで、ウェ ルを温水で洗浄して、未反応のアリルデキストランを除去する。表面はやや粉っ ぽくなった。得られた親水性層/表面を、接触角、光音響分光(PAS)およびE SCAで分析した。結果を以下の表1に示す。 ディスカッション:グラフト後、ESCA-スペクトルは、非処理PVC-表面 の対応するスペクトルに酷似しており、わずかに高い酸素含量を有するわずかに 親水性の表面を示した。アリルデキストランは、低い効率でPVC-表面に結合 するようになったことが判明した。IR-PASは、グリシジルメタクリレート( GMA)でグラフトを行った場合ほど(結果は示さず)ではないが、試料がヒドロ キシルを含むことを示した。IR-PASは、その大きな範囲が恐らく副反応(H Clの脱離を介したPVCの分解)で生成し、より低い程度で未反応アリル基に由 来する膨大な不飽和(炭素-炭素二重結合)の存在に由来する1658cm-1、 1278cm-1および702cm-1で三本の顕著なピークを示した。不飽和の程 度は、GMAでグラフトした場合よりも非常に低かった(結果は示さず)。PVC の分解は、アリルデキストランに結合する代わりに塩素ラジカルによって分裂さ れるマトリックス内で形成されたラジカルによるものである。水素を引抜きこと によって塩素ラジカルは分解プロセスを続け、代わって新たな二重結合を供し得 る。該プロセスは、溶媒中のベンゾフェノンの比較的に低い溶解性によって援助 される。また、表面グラフトは援助されない。なぜならば、マトリックスに溶解 したベンゾフェノンが、液体および疎水性ポリマーの間の相接触面に達する前に UV-光の大部分を吸収するからである。より高質の結果を達成するために、該 開始剤はポリマー中ではなく相接触面で利用可能でなければならない。開始剤としての4-ベンゾイルベンジル-トリメチルアンモニウムクロライド(ク オンタキュアRBTC)とアリルデキストランとのグラフト: 前実験のものと同品質のアリルデキストランを用いた。クオンタキュアRBT C開始剤は水溶性であり、このことは該化合物が水中のアリルデキストランと共 に溶解し得ることを意味する。用いたUV-ランプ(UVP UV トランスイルミ ネーター、366nm、5mw/cm2)は冷光を放射し、それで加熱を回避し得 る。 操作:アリルデキストラン2.5gおよびクオンタキュアRBTC1.81を水 25mlに溶解し、その後に窒素ガスを溶液を通してバブリングした。溶液0.1 mlを各々のマイクロタイタープレート中の4つの中心列の各ウェルに注入し、 窒素ガス雰囲気下にて、下側から5分間照射した。グラフトが完了したら、該プ レートを蒸留水およびエタノールで繰返し洗浄し、50℃にて一昼夜乾燥し、そ の後に前記と同様の方法でプレートを分析した。結果を以下の表2に掲載する。 ディスカッション:水溶液からのグラフトにより、熱水で流し去ることのでき なかった目に見えるデキストランのハイドロゲル-スキンが得られた。グラフト 後に、マイクロタイタープレート中のウェルはまだ清澄で、十分に透明であった 。表面に水滴を適用すると、それは最初は表面の最上位にあるが、ついで表面に 浸透して層中に拡散する。前進および後退接触角の両方を表2に示す。高い接触 角は高い表面疎水性を示している。本発明者らの場合においては、アリル基およ びほかの炭化水素構造は境界層中で空気に対して向いているようであった。水滴 を表面に適用すると、表面が再構成されて親水性となり、代わって吸水性となっ た。後退接触角は、境界層中の水に対する再構成の結果としての親水性の尺度で ある。 PAS-IRは、グラフト化デキストランからの顕著なヒドロキシルピークを 示した。PVCマイクロタイタープレートの場合においては、分解したPVCか らの3本のピークも認められた。ポリスチレン上のグラフトは、PVCで得られ たものよりもわずかに低いヒドロキシルピークを供した。ポリスチレンの場合に おいては分解は全く認められなかった。 ESCAから得られたデータは、両方のプラスチック表面が100%までアリ ルデキストランでコートされたことを示した。PVC-試料の場合には、クロリ ンのシグナルは全く認められなかった。グラフト化ポリスチレン層に関する酸素 /炭素比は、アリルデキストランに関する理論値に近かったが、PVC試料はわ ずかに低い値を示した。炭化水素化合物は表面上に残存しているようである。E SCA-分析によってられた詳細なスペクトルは、非-グラフト化ポリスチレンに 関するピーク(炭素-炭素)を示した。グラフト化後、スペクトルはエーテル結合 および(恐らくアリル基からの)比較的顕著な炭素-炭素のピークによって優先的 に占められた。 まとめると、特にポリマーがアリル基を示す場合に、水溶性開始剤でウェルが グラフト官能基化された。1つの強力に寄与する因子は、プラスチック中への拡 散を困難とするクオンタキュアRBTCの水溶性である可能性か極めて強い。冷 UV-光は操作プロセスを促進する。該系は最適化されていないため、反応時間 はかなり短縮化し得るであろう。本発明者らは窒素ガス雰囲気下でグラフトプロ セスを行ったが、これは不利となり得る。恐らく、該プロセスは酸素存在下より 良好に行い得る。なぜならば、アリルエーテルの上塗りおよびラッカーは硬化す るために空気を要することが知られているからである。4-ベンゾイルベンジル-トリメチルアンモニウムクロライド(クオンタキュアR TC)の援助での、PVCおよびポリスチレンの各々のマイクロタイタープレー ト上のアクリルデキストランのグラフト 適用した方法は、クオンタキュアRBTC0.72gおよびアクリルデキストラ ン1gを水10mlに溶解することによってグラフト溶液を調製する以外は、ア リルデキストランに関して前記したのと同一のものであった。該アクリルデキス トランには、平均で、各8番目のモノサッカライド単位上に1個のアクリル基が 含まれる。 結果およびディスカッション:目視評価は、適用した層が、アリルデキストラ ンを用いた場合に得られたものほど高質ではなかったことを示した。接触角測定 値は、両方の形の材料上のグラフトを示した[前進70°(PVC)および61°( ポリスチレン;後退30°(PVC)および15°(ポリスチレン)]。ポリスチレ ン材料もESCAで分析した。、それは、グラフトをアリルデキストランで行っ た場合よりも薄い層を示した。測定し得るグラフトは、IR-PASでは認めら れなかった。親水性化表面へのストレプトアビジンのカップリング 前記に従ってアリルデキストランでグラフトしたプレートを、フタおよびマグ ネティックスターラーを備えた槽に入れた。ブロモシアン50gおよび水2.5l を添加した。該槽を氷浴中に降ろし、該槽中を氷に置換えることによって温度を 5℃に低下させた。ブロモシアンでの活性化の間、温度をこの低下したレベルに 維持した。2M NaOHを溶液中に滴定してpH11.3を得る。塩基を添加し 続け、激しく撹拌することが、槽全体を一定のpHに維持するのに必要である。 活性化した後に、該プレートを持ち上げ、0.25Mクエン酸(2l)を含有する氷 冷水溶液、5mMクエン酸(2l)、ついで最後に氷冷蒸留水(4l)で洗浄した。つ いで、各活性化ウェルを、0.7mg/mlストレプトアビジン、0.065g/ml NaClおよび0.02g/ml NaHCO3を含有する水溶液100μlで処理し た。ついで、マイクロタイタープレートウェルは、ビオチン化物質を捕捉するの に使用し得た。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.(i)プラスチック表面と、 (a)水素引抜き型(hydrogen abstracting)のUV-開始剤、および (b)1またはそれ以上のアルケン基を有する親水性ポリマー を溶解した液体とを接触させ、ついで (ii)該開始剤を活性化するUV-光で該溶液を放射することを特徴とする、s p3混成炭素原子に結合した水素を有する疎水性ポリマーを含む疎水性プラスチ ック表面の親水性化方法。 2.アルケン基がアリル基(CH2=CH-CH2-)中に含まれることを特徴とす る請求項1記載の方法。 3.エステル基またはアミド基のごときカルボニルがアルケン基に直接結合し ていることを特徴とする請求項1記載の方法。 4.疎水性ポリマーが、所望により架橋されていてもよいポリスチレンである ことを特徴とする請求項1-3いずれか1項記載の方法。 5.疎水性ポリマーがポリ塩化ビニルであることを特徴とする請求項1-3い ずれか1項記載の方法。 6.液体が水、または水および水-混和性の有機溶媒の混合液であることを特 徴とする請求項1-5いずれか1項記載の方法。 7.開始剤がベンゾフェノン構造を有することを特徴とする請求項1-6いず れか1項記載の方法。 8.疎水性ポリマーが、OH基、または加水分解を介してOH-基に変換し得 る基(一級エステル)を含むことを特徴とする請求項1-7いずれか1項記載の方 法。 9.液体が主に水を含み;その中の親水性ポリマーが水溶液ポリマーであるこ とを特徴とする請求項1-8いずれか1項記載の方法。 10.開始剤が、例えば、ヒドロキシ基またはイオン性基もしくはイオン化性 基を含む親水性基と結合したベンゾフェノン構造を有することを特徴とする請求 項1-9いずれか1項記載の方法。 11.ポリマーがデキストランのごとき多糖類構造を有することを特徴とする 請求項1-10いずれか1項記載の方法。
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