專利名稱：表面結(jié)構(gòu)化的基片及其制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面結(jié)構(gòu)化的基片，其在納米范圍內(nèi)具有經(jīng)排列的表面結(jié)構(gòu)，以及用于制備所述在納米范圍內(nèi)表面結(jié)構(gòu)化的基片的方法。
背景技術(shù)：
幾微米至幾納米的周期性和非周期性微結(jié)構(gòu)化的表面應(yīng)用于許多應(yīng)用領(lǐng)域，特別是電子元件和光學元件，以及傳感器和微技術(shù)。該微結(jié)構(gòu)化的表面是通過采用已知的平版印刷技術(shù)制造的，這些技術(shù)是根據(jù)所期望的微結(jié)構(gòu)的類型而加以適當選擇的。所以例如可以采用電子束和離子束平版印刷術(shù)制造納米范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)，而相應(yīng)的設(shè)備是可商購的。此外，原子束平版印刷術(shù)通過控制原子束與光掩模的相互作用而允許產(chǎn)生大面積的周期性譜線圖樣和不同的二維周期性結(jié)構(gòu)。
但是因為該方法具有以下缺點，經(jīng)濟上不合理和/或不提供納米范圍內(nèi)的周期性結(jié)構(gòu)和/或僅能通過物理參數(shù)加以控制，因而在設(shè)備方面是非常復(fù)雜的，所以開發(fā)了所謂的膠束嵌段共聚物納米平版印刷術(shù)，采用該技術(shù)能夠制備10至170nm之間的納米范圍以下的具有周期性的納米結(jié)構(gòu)化的表面。該膠束嵌段共聚物納米平版印刷方法詳細描述于下列專利中DE19952018、DE19747813、DE29747815和DE19747816。
對于膠束嵌段共聚物納米平版印刷術(shù)，模板效應(yīng)發(fā)揮重要的作用。模板效應(yīng)理解為輔助結(jié)構(gòu)的初始值，其控制于其上構(gòu)成的系統(tǒng)的生長、結(jié)構(gòu)和排列。該模板例如是嵌段共聚物和接枝共聚物，它們在合適的溶劑中結(jié)合成膠束狀的核殼系統(tǒng)，以及具有核殼結(jié)構(gòu)的高度分支的樹枝狀分子。該核殼結(jié)構(gòu)用于定位無機初始階段，由此可以使納米尺寸的、具有受控制的粒度的無機顆粒通過聚合物外殼在空間上互相分離、沉積。在此情況下，核殼體系或膠束可以通過簡單的沉積過程，如旋轉(zhuǎn)澆鑄或浸涂，以高度有序的單層薄膜的方式涂覆在不同的基片上是特別有利的。隨后通過氣體等離子體過程或者通過熱解法無殘渣地去除有機基體，從而將無機納米顆粒以一定的順序固定在基片上，其中通過有機模板進行定位。無機納米顆粒的粒度是通過稱量特定的無機前體化合物加以確定的，而納米顆粒之間的模向距離是通過有機基體的結(jié)構(gòu)，特別是分子量加以確定的。因而Au、Ag、Pt、Pd、Ni、Co、Fe和Ti及其氧化物和合金在1至20nm之間的顆?？梢杂行虻膱D案在基片上沉積，其中該圖案具有對應(yīng)于球面的10至170nm的核殼體系的周期性。
上述膠束嵌段共聚物納米平版印刷方法的前提條件是，基片必須由無損害地承受用于去除有機基體的氣體等離子體過程或熱解過程的材料或材料混合物組成。所以作為基片通常使用貴金屬、氧化物玻璃、單晶或多晶基片、半導(dǎo)體、具有或沒有鈍化表面的金屬、絕緣體或?qū)τ陔S后的蝕刻過程具有高耐性的通常的基片。但是有機基片和許多無機基片由于它們對于應(yīng)用在嵌段共聚物納米平版印刷方法中的氣體等離子體過程或熱解過程的不穩(wěn)定性而沉積。此外，表面不夠平的基片也被排除，從而能夠使聚合物膠束規(guī)則地自組織。幾納米厚的薄膜涂層利用該方法在技術(shù)上也是無法實現(xiàn)的。
這在一定程度上是不利的，特別是作為有機聚合物基片以及嵌段共聚物納米平版印刷方法中不可使用的無機基片，對于例如在芯片制造時印制導(dǎo)線的制造、細胞、細菌和病毒的培養(yǎng)以及作為植入物的應(yīng)用具有大的實際意義和經(jīng)濟意義。
例如具有大量細胞和細胞培養(yǎng)的工作由于實際和經(jīng)濟上的觀點是利用由塑料或特別的聚合物組成的培養(yǎng)皿實施的。這例如用于細胞的繁殖、細胞的分化或者組織的形成。然而目前納米結(jié)構(gòu)不能在聚合物表面上傳遞，因此目前不能用于調(diào)節(jié)粘著連接的細胞功能。
此外，已知的由金屬、玻璃、單晶或多晶基片及半導(dǎo)體制成的基片的應(yīng)用的缺點是，它們的強度高且不能隨意調(diào)節(jié)。但是對結(jié)構(gòu)化的表面產(chǎn)生需求，該表面是柔軟可彎曲的，例如可以薄膜的形式施加到物體上，如植入物材料或支架材料(Stentmaterial)，因而這些物體可以具有結(jié)構(gòu)化的表面。此外，表面的強度對于在其上生長的細胞的分化具有作用。此外，對于生物學、光學、傳感器和電子學中的許多應(yīng)用，所生成的目前還嚴格地受限制的結(jié)構(gòu)之間的表面的化學狀態(tài)具有重大意義。

發(fā)明內(nèi)容
所以，本發(fā)明的目的在于提供一種基片表面納米結(jié)構(gòu)化的方法，這些表面目前還無法或僅能非常困難地實施結(jié)構(gòu)化。
這個目的是通過一種用于制備表面結(jié)構(gòu)化的基片的方法實現(xiàn)的，該方法包括下列步驟(i)制備在至少一個表面上用無機納米簇實施納米結(jié)構(gòu)化的第一基片，(ii)將與第一基片材料不同的用于第二基片的基片材料施加到在步驟(i)中得到的第一基片的納米結(jié)構(gòu)化的表面上，及(iii)將第一基片與由步驟(ii)得到的包括無機納米簇的第二基片分離，從而得到用納米簇實施納米結(jié)構(gòu)化的第二基片。
根據(jù)一個優(yōu)選的實施方案，上述步驟(ii)中的第二基片材料使用可硬化的基片材料，其中可硬化的基片材料選自有機可交聯(lián)或不可交聯(lián)的聚合物、樹脂、有機可聚合和/或可交聯(lián)的低聚物和有機可聚合的聚合物前體或它們的混合物，并使該可硬化的基片材料硬化。該優(yōu)選的實施方案對應(yīng)于用于制備聚合物表面結(jié)構(gòu)化的基片的方法，其包括下列步驟(a)制備在至少一個表面上用無機納米簇實施納米結(jié)構(gòu)化的第一基片，(b)將與第一基片材料不同的用于第二基片的可硬化的基片材料施加到在步驟(a)中得到的第一基片的納米結(jié)構(gòu)化的表面上，其中該可硬化的基片材料選自有機可交聯(lián)或不可交聯(lián)的聚合物、樹脂、有機可聚合和/或可交聯(lián)的低聚物和有機可聚合的聚合物前體或它們的混合物，(c)使第二基片的基片材料硬化，及(d)將第一基片與在步驟(c)中得到的包括無機納米簇的第二基片分離，從而得到用納米簇實施納米結(jié)構(gòu)化的第二基片。
根據(jù)另一個優(yōu)選的實施方案，在步驟(ii)中可使用的第二基片材料通過熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、濺射或電化學沉積被施加到第一基片上。
下面更詳細地闡述本發(fā)明的用于制備表面結(jié)構(gòu)化的基片的方法的各個步驟。
在步驟(i)或(a)中，用無機納米簇制備納米結(jié)構(gòu)化的表面。
可以采用現(xiàn)有技術(shù)中已知的平版印刷方法作為用于制備該納米結(jié)構(gòu)化的表面的方法。優(yōu)選通過膠束嵌段共聚物納米平版印刷方法進行制備，從而可以簡單且低成本的方式制備納米結(jié)構(gòu)化的表面(參見DE19952018、DE19747813、DE29747815和DE19747816)。
當通過現(xiàn)有技術(shù)中已知的平版印刷方法制備納米結(jié)構(gòu)化的表面時，所用的第一基片由通常用于該平版印刷方法中的材料構(gòu)成。在膠束嵌段共聚物納米平版印刷方法的情況下，可以特別地列舉出下列材料作為可使用的基片材料貴金屬、氧化物玻璃、單晶或多晶基片、半導(dǎo)體、具有或沒有鈍化的表面的金屬、絕緣體或?qū)τ陔S后的蝕刻過程具有高耐性的通常的基片。在此優(yōu)選為Pt、Au、GaAs、AlxGaAs、Si、SiO2、Ge、SixNy、SixGaAs、InP、InPSi、GaInAsP、玻璃、石墨、金剛石、云母、SrTiO3以及它們經(jīng)摻雜的改性物。
第一基片還可能由聚合物材料構(gòu)成。該納米結(jié)構(gòu)化的聚合物基片可通過在此描述的本發(fā)明的方法得到。因此，在本申請方法中于步驟(d)中得到的基片本身又可在步驟(i)或(a)中用作第一基片。各種聚合物均可用作聚合物材料。特別合適的聚合物材料例如可以是聚苯乙烯、環(huán)氧樹脂、聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚乙二醇二丙烯酸酯(PEG-DA)。特別優(yōu)選為由聚苯乙烯構(gòu)成的第一基片。
在上述的實施方案中，在步驟(ii)中可使用的第二基片材料通過熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、濺射或電解沉積被施加到第一基片上，優(yōu)選使用由上述聚合物材料構(gòu)成的第一基片。
在步驟(i)或(a)中所制的無機納米簇特別是耐氧的貴金屬，如Au、Pt、Pd，或氧化物，如半導(dǎo)體氧化物，如TiO2，或磁性顆粒，如Fe2O3的特定的改性物。此外，由金屬混合物系統(tǒng)構(gòu)成的簇也是可想象的，如Au/Fe2O3、AuCoO、Au/Co3O4、Au/ZnO、Au/TiO2、Au/ZrO2、Au/Al2O3、Au/In2O3、Pd/Al2O3、Pd/ZrO2、Pt/Al2O3和Pt/石墨。優(yōu)選為由Au構(gòu)成的無機納米簇。
在步驟(i)或(a)中被施加到第一基片上的簇在其形式方面不受限制，可以是點、線、面或其他任意的形式。這些簇的尺寸優(yōu)選為1nm至300μm，更優(yōu)選1nm至150μm，特別優(yōu)選1nm至20μm。在點狀簇的情況下，“簇的尺寸”是指直徑。在線的情況下，“簇的尺寸”是指線寬度，在此線的長度是任意的。在簇面的情況下，“簇尺寸”是簇的面積的度量。
所得結(jié)構(gòu)是在第一基片上生成的，該結(jié)構(gòu)優(yōu)選具有1nm至300μm的數(shù)量級，在經(jīng)排序的結(jié)構(gòu)的情況下其具有1nm至300μm的周期性。考慮到表面結(jié)構(gòu)化的基片上的細胞粘著(Zelladhsion)，5nm至100μm的數(shù)量級或周期性是特別優(yōu)選的。更優(yōu)選的數(shù)量級或周期性為5nm至100nm，特別優(yōu)選為5nm至20nm。5至500nm的數(shù)量級例如可以通過膠束嵌段共聚物納米平版印刷方法加以制備。更大的結(jié)構(gòu)例如可以通過已知的光學平版印刷方法產(chǎn)生。
在本發(fā)明的用于制備聚合物表面結(jié)構(gòu)化的基片的方法的步驟(b)中，將用于第二基片的可硬化的材料施加到在步驟(a)中得到的第一基片的結(jié)構(gòu)化表面上。用于第二基片的可硬化的材料選自有機或無機的聚合物、樹脂、有機可聚合或可交聯(lián)的低聚物、可交聯(lián)的聚合物和有機可聚合的聚合物前體?？捎不牡诙牧系奶厥鈱嵗蔷郾揭蚁h(huán)氧樹脂、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙二醇二丙烯酸酯(PEG-DA)，如PEG-DA500、PEG-DA4000和PEG-DA8000，以及不同分子量的聚磷腈。
在一個特殊的實施方案中，使用骨膠原、透明質(zhì)酸、纖連蛋白、玻連蛋白和其他天然聚合物作為可用于步驟(b)中的可硬化的聚合物。
對于電子應(yīng)用，有機和無機的導(dǎo)體和半導(dǎo)體聚合物具有特別的興趣，如聚(4，4-二辛基環(huán)戊二噻吩)。
用于第二基片的可硬化的材料優(yōu)選以液態(tài)的形式或者作為溶液通過現(xiàn)有技術(shù)中常用的涂覆方法以所期望的厚度均勻地進行施加。例如將聚苯乙烯、聚(4，4-二辛基環(huán)戊二噻吩)和聚磷腈在溶液中和PDMS和環(huán)氧樹脂以液體的狀態(tài)通過旋轉(zhuǎn)離心法施加到第一載體材料上。PEG-二丙烯酸酯優(yōu)選在溶液中于保護氣體下滴下。
由步驟(b)制得的第二基片在與第一基片相對的側(cè)面上，額外地具有無機載體層也是可能的。該無機載體層可由各種無機材料制成，優(yōu)選由導(dǎo)體無機材料制成，例如由硅、氧化鋅、金、碳組成。該無機載體層可以取決于無機材料而通過已知的方法，例如通過熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、濺射、電化學沉積或者作為具有光滑表面的固體被施加到第二基片上。在該實施方案中，第二基片根據(jù)硬度在步驟(c)中優(yōu)選僅具有1至20nm的厚度。由此可以實現(xiàn)，將施加在第一基片上的諸如金簇的納米簇嵌入第二基片中，從而同時使其與無機載體層相接觸，因此適合于制備納米電極。
在步驟(c)中，使用于第二基片的可硬化的材料硬化。用于硬化第二基片材料的方法是根據(jù)基片材料的屬性加以適當?shù)剡x擇的。所以例如可以作為溶液施加的聚苯乙烯和聚磷腈通過溶劑的緩慢蒸發(fā)而硬化。PDMS和環(huán)氧樹脂進行熱聚合或者交聯(lián)，從而發(fā)生硬化。PEG-二丙烯酸酯進行光化學聚合，并以此方式發(fā)生硬化。
根據(jù)硬度，第二基片優(yōu)選具有1nm至幾厘米的厚度，特別優(yōu)選10nm至100cm的厚度。在聚合物表面結(jié)構(gòu)化的基片作為薄膜的應(yīng)用方面，第二基片在步驟(c)之后優(yōu)選具有10nm至1cm的厚度，特別優(yōu)選100nm至1mm的厚度。
在該實施方案中，在步驟(ii)中可使用的第二基片材料通過熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、濺射或電化學沉積被施加到第一基片上，這些可使用的第二基片材料是導(dǎo)體或半導(dǎo)體，優(yōu)選選自Si、C、氧化鋅、Cr、氧化銦、Cu、砷化銦、砷化鎵和十六氟酞菁(F16CuPc)，或者可用于光學相關(guān)的涂層的材料，如氧化鋁、氟化鈣和氟化鎂。F16CuPc層例如可以在使用微波發(fā)生器的情況下在下列條件下施加溫度125℃，壓力2×6-5Torr，處理時間100秒。約50nm厚的Cr層例如可以通過濺射獲得。在此采用60mA的加速電壓和1×10-5Torr的氬壓進行工作。如在上述的可硬化的第二基片材料的情況下，如此制得的層同樣優(yōu)選具有10nm至1cm的厚度，特別優(yōu)選100nm至1mm的厚度。
在用于制備表面結(jié)構(gòu)化的基片或聚合物表面結(jié)構(gòu)化的基片的方法的步驟(iii)或(d)中，將第一基片與在步驟(ii)中施加的第二基片或在步驟(c)中硬化的第二基片分離，它們包括納米簇，從而得到用無機納米簇在納米范圍內(nèi)實施結(jié)構(gòu)化的第二基片，其中將具有相同圖案的納米簇轉(zhuǎn)移到第二基片上，其具有在第一基片上的納米簇。以合適的方法，以機械的方式或者通過分離劑進行分離，該分離劑是根據(jù)第一基片材料的屬性并且在考慮第二基片材料的屬性的情況下加以適當?shù)剡x擇的。在此需要注意的是，選擇所用的分離劑，從而雖然第一基片例如通過溶解受到分離劑的侵蝕，但是相反地第二基片對該分離劑則盡可能地穩(wěn)定和不敏感。因此，若第二基片由聚苯乙烯、環(huán)氧樹脂、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙二醇二丙烯酸酯(PEG-DA)或磷腈組成，則例如由玻璃或二氧化硅組成的第一基片可用氫氟酸(如濃度為25％)加以去除。若第二基片由PEG-DA或PDMS組成，則在聚苯乙烯作為第一基片的情況下，例如可以使用甲苯作為合適的分離劑。
在步驟(iii)或(d)中得到的基片或具有結(jié)構(gòu)化的表面的聚合物基片的尺寸是任意的，并且可以根據(jù)所期望的應(yīng)用在100nm2和幾米之間。優(yōu)選為1mm2至100cm2的尺寸。
根據(jù)本發(fā)明方法的一個優(yōu)選的實施方案，在步驟(i)和步驟(ii)之間或者步驟(a)和步驟(b)之間實施固定結(jié)合分子的步驟，結(jié)合分子優(yōu)選選自丙烯硫醇、巰基聚乙二醇丙烯酸酯、具有丙烯酰氯的半胱胺、聚乙二醇二硫醇、烷基硫代甘醇酸酯和氨基-1-烷基硫醇?！巴榛笔侵钢辨溁蚍种?、飽和或不飽和的、具有1至24個碳原子，優(yōu)選4至18個碳原子，特別優(yōu)選6至12個碳原子的烴。特別優(yōu)選為氨基-1-十一烷硫醇和烯丙基-巰基乙酸酯。應(yīng)選擇此類結(jié)合分子能夠特定地結(jié)合在無機納米簇上并且化學或靜電地與第二基片結(jié)合，但是不粘合在第一基片上。
結(jié)合分子的固定是通過已知的方法進行的。例如丙烯硫醇在金簇上的結(jié)合是在氣相中進行的，上述的其他硫醇是在溶液中在約12個小時的反應(yīng)時間內(nèi)在金簇上結(jié)合。
通過結(jié)合分子實現(xiàn)無機納米簇更好地結(jié)合在第二基片中或第二基片上。
在一個特別優(yōu)選的實施方案中，細胞可以用作結(jié)合分子。在此情況下，細胞的粘連蛋白質(zhì)根據(jù)第一基片上的納米結(jié)構(gòu)而僅結(jié)合在特定的納米簇上。從而可以實現(xiàn)，在分離第一基片后，只有結(jié)合在細胞的粘連蛋白質(zhì)上的納米簇留在第二基片上。以此方式可以得到關(guān)于細胞在納米結(jié)構(gòu)化的表面上的粘連性能的重要認識。
根據(jù)另一個優(yōu)選的實施方案，可以在步驟(iii)或(d)連接處對納米簇周圍的區(qū)域?qū)嵤┾g化，以達到如細胞或其他生物分子與無機納米簇的針對性的相互作用。例如在J.A.Hubbell的第2003/0133963A1號美國Catherine以及細胞外信號分子，如后葉加壓素、干擾素、胰島素都具有特別的興趣。通過該功能化作用使不同種類的分子以經(jīng)排序的方式彼此相鄰地固定，從而使它們之間發(fā)生規(guī)律性的相互作用。例如利用在聚合時引入羧基的PEG水凝膠可以活化生長因子EGF，同時為了細胞結(jié)合而如上所述地額外將納米結(jié)構(gòu)用RGD功能化，這例如可用于無血清的細胞培養(yǎng)。另一個實例是病毒刺突蛋白在納米結(jié)構(gòu)處利用具有膠束生長因子的水凝膠的功能化作用的幾何排列。
另一個優(yōu)選的實施方案是三維的第一基片的應(yīng)用。該三維的第一基片完全或部分地在表面上被納米結(jié)構(gòu)化。在步驟(b)中，將該基片完全或部分地引入可硬化的材料中，并在步驟(d)中溶解掉，從而在表面上得到納米結(jié)構(gòu)化的三維結(jié)構(gòu)。三維的第一基片可以具有任意的三維形狀，如纖維狀、球形或晶狀體形。例如三維的第一基片可以是直徑為5μm至300μm的玻璃纖維，其表面通過上述方法用由金簇構(gòu)成的納米結(jié)構(gòu)加以涂覆。還可以推薦用金點涂覆的膠體。這些金點通過半胱胺和丙烯酰氯的固定而被活化，并澆注入PEG-DA中。玻璃纖維可以在步驟(d)中用氫氟酸溶解掉，或者以機械的方式去除。用于特定細胞的結(jié)合的特殊的活化作用使作為神經(jīng)管或支架(Stent)的應(yīng)用成為可能。
下面通過圖1對本發(fā)明的上述方法進行更詳細地闡述。


圖1所示為根據(jù)一個優(yōu)選的實施方案制備本發(fā)明的聚合物表面結(jié)構(gòu)化的基片的方法。
具體實施例方式
如圖1所示，首先在步驟(a)中將無機納米簇2納米結(jié)構(gòu)化地施加到第一基片1的表面上。隨后將結(jié)合分子6固定在該納米結(jié)構(gòu)上。在隨后的步驟(b)中，將用于第二基片的可硬化的基片材料3施加到第一基片1的納米結(jié)構(gòu)化的表面上。隨后在步驟(c)中使用于第二基片的可硬專利申請中描述了通過聚乙二醇的鈍化作用。用于鈍化的另一種可能是在聚苯乙烯基片或PDMS基片的表面上通過氧-等離子體產(chǎn)生羥基。然后可在該羥基上通過(3-三乙氧基甲硅烷基-丙基)-脲酸-(甲氧基聚乙二醇)酯的結(jié)合而制備具有強烈的疏蛋白質(zhì)的性能的分子PEG單層。此外，已知在氧-等離子體中的具有牛血清白蛋白(BSA)的聚苯乙烯表面可對蛋白質(zhì)相互作用和細胞粘連進行鈍化。為了阻止BSA非特定地結(jié)合在不應(yīng)被鈍化的結(jié)構(gòu)的區(qū)域上，該區(qū)域首先必須用其他特殊的結(jié)合物質(zhì)加以保護。所以例如可以用在表面的等離子體活化之后結(jié)合的PEG硫醇保護金簇。硫醇與金的結(jié)合可以在碘氣氛中再次被破壞。在BSA非特定地結(jié)合在聚苯乙烯上之后，可以洗去PEG(參見Wolfgang Geyer的博士論文，Heidelberg大學，2001年5月4日)。
在分離第一基片的步驟(iii)或(d)之后，或者任選在上述鈍化作用之后，可以實施無機納米簇的生物功能化的步驟?！吧锕δ芑笔侵冈谠摬襟E中在納米結(jié)構(gòu)化的簇上接上特定的分子，從而為了特定的生物應(yīng)用對其實施功能化。在此可以理解為具有生物意義的所有蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)序列和其他分子。這些分子可以直接或通過不同結(jié)合分子粘合在納米簇上。具有硫醇錨的環(huán)狀RGD肽例如可以在鈍化步驟之后結(jié)合在金簇上。所以金簇可以為了特定地結(jié)合整合素，即膠束粘連蛋白質(zhì)，而功能化。另一個實例是結(jié)合分子馬達，如驅(qū)動蛋白或肌球蛋白。
根據(jù)另一個優(yōu)選的實施方案，在步驟(b)中施加的基片材料在硬化之前或之后用結(jié)合其他分子的雜雙官能分子實施功能化。該雜雙官能分子具有至少兩個不同的官能團。這些官能團的至少一個可以結(jié)合在第二基片的可硬化的材料上，即使在結(jié)合后還保持其他官能團的化學官能性。對此例如2-羧乙基丙烯酸酯、丙烯硫醇和2-氨乙基甲基丙烯酸酯是適合的。所以除了納米結(jié)構(gòu)的生物功能化以外，例如其他的基片表面的生物功能化作用也可用任意的具有生物學意義的分子進行。在此生長因子，如EGF、NGF和TGF以及細胞粘連蛋白或肽，如纖連蛋白、RGD和化的基片材料3硬化，從而得到第二基片4。然后在步驟(d)中，使第一基片1與第二基片4和納米簇2分離，其包括結(jié)合分子6，從而得到用納米簇實施納米結(jié)構(gòu)化的第二基片5。
根據(jù)一個改變的實施方案，通過用于制備聚合物表面結(jié)構(gòu)化的基片的方法也可以實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，該方法包括下列步驟(a’)在合適的溶劑中在形成溶解的核殼聚合物系統(tǒng)的情況下接收聚合物，(b’)用一種或更多種相同或不同的形成納米簇的金屬化合物裝載至少一部分的核殼聚合物系統(tǒng)的核，(c’)將在步驟(b’)中得到的核殼聚合物系統(tǒng)以薄膜的形式施加到基片的至少一個側(cè)面上，從而使該核殼聚合物系統(tǒng)在薄膜中排列成規(guī)則的結(jié)構(gòu)，及(d’)部分去除在步驟(c’)中施加到基片上的核殼聚合物系統(tǒng)的聚合物，從而使納米簇不再完全被聚合物包圍，及(e’)將基片與在步驟(d’)中得到的薄膜分離，從而得到用納米簇實施納米結(jié)構(gòu)化的聚合物薄膜。
步驟(a’)至(c’)對應(yīng)于通常用于膠束嵌段共聚物納米平版印刷方法中的實施方式。用于實施這些步驟的詳細描述參見DE19952018、DE19747813、DE29747815或DE19747816。
術(shù)語“核殼聚合物系統(tǒng)”例如可以理解為大分子兩親物，其在水性或有機溶液中締合，并且可以形成詳細定義的球形或小棒狀的膠束、薄片、泡囊或絡(luò)合的聚集體。因此，根據(jù)本發(fā)明還包括通常稱作主/客系統(tǒng)的系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中由所用的聚合物(主化合物)生成的分子中空空間或分子內(nèi)空間，即聚合物核，可用客化合物，即所用的金屬化合物裝載或絡(luò)合。
根據(jù)本發(fā)明使用的構(gòu)成核殼聚合物系統(tǒng)的聚合物優(yōu)選選自嵌段共聚物、接枝共聚物、微支鏈星狀聚合物(Mikroarmstempolymern)、具有不同支鏈的星狀聚合物、樹狀聚合物、微膠顆粒、星狀嵌段聚合物、嵌段星狀聚合物和核殼膠乳聚合物。
更優(yōu)選的聚合物是聚苯乙烯-b-聚環(huán)氧乙烷、聚苯乙烯-聚(2-乙烯基吡啶)、聚苯乙烯-聚(4-乙烯基吡啶)或它們的混合物。然而其中的聚苯乙烯嵌段也可由其他非極性的聚合物代替，如聚異戊二烯、聚丁二烯、聚甲基丙烯酸甲酯或其他的聚甲基丙烯酸酯。第二或極性的嵌段在該二嵌段共聚物中可以與所用的金屬化合物發(fā)生盡可能強烈的相互作用。其實例是聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、氨基取代的聚苯乙烯、聚丙烯酸酯或聚甲基丙烯酸酯、氨基取代的聚二烯烴、聚氮丙啶、皂化的聚噁唑啉或氫化的聚丙烯腈。第一嵌段也可由極性聚合物構(gòu)成，但條件是，選擇金屬化合物，使其主要地，即選擇性地與第二極性嵌段相互作用。
上述聚合物系統(tǒng)通常溶解在選擇性的溶劑中，例如以約103至100mg/ml，優(yōu)選約5mg/ml的量溶解在甲苯中。在約12小時之后在根據(jù)本發(fā)明的方法的步驟(b’)中將一種或更多種金屬化合物混入該溶液，并強烈攪拌24小時，從而用金屬化合物裝載至少一部分通過核殼聚合物系統(tǒng)形成的聚合物核。
這些金屬化合物同樣是如上所述的金屬簇的金屬化合物。優(yōu)選在一個改變的實施方案中也是Au或Au化合物。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的步驟(c’)中，優(yōu)選通過浸漬法、澆注法、旋轉(zhuǎn)離心法或者通過由稀釋的溶液吸附，以單層或多層將薄膜施加到基片的至少一個側(cè)面上。更優(yōu)選通過在稀釋的溶液中的浸漬法以單層或多層進行施加。在一個優(yōu)選的實施方案中，在步驟(c’)之前將在聚合物核中包含的金屬化合物通過化學處理和/或通過能量照射，如UV光、X射線或電子轟擊，在溶液中或者在薄膜中轉(zhuǎn)移到金屬或金屬氧化物中。
作為在膠束嵌段共聚物納米平版印刷方法的情況下可用于基片的基片材料，特別列舉貴金屬、氧化物玻璃、單晶或多晶基片、半導(dǎo)體、具有或沒有鈍化的表面的金屬、絕緣體或?qū)τ陔S后的蝕刻過程具有高耐性的通常的基片。在此優(yōu)選為Pt、Au、GaAs、AlxGaAs、Si、SiO2、Ge、SixNy、SixGaAs、InP、InPSi、GaInAsP、玻璃、石墨、金剛石、云母、SrTiO3以及它們經(jīng)摻雜的改性物。
在步驟(c’)中得到的薄膜，即宏觀覆蓋的薄膜，例如通過以例如0.001mm/min至2m/min的速率從溶液中確定地提取基片而實現(xiàn)。在此用金屬化合物裝載的聚合物核在構(gòu)成規(guī)則結(jié)構(gòu)的情況下在薄膜中基本上完全地沉積。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的步驟(d’)中，薄膜與由薄膜至少部分覆蓋的基片一起實施反應(yīng)性的離子蝕刻法、離子濺射法或濕化學方法或它們的組合。在此在基片表面上沉積的結(jié)構(gòu)用作掩模，其通過蝕刻技術(shù)轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的基片中，在此僅有一部分施加在基片上的薄膜無殘留地在所期望的位置上或所期望的區(qū)域去除，并在其中通過核殼聚合物系統(tǒng)產(chǎn)生，規(guī)律的結(jié)構(gòu)由于并取決于聚合物核的裝載的類型以及反應(yīng)性的離子蝕刻法和/或離子濺射法和/或濕化學方法的持續(xù)時間而轉(zhuǎn)移到基片的浮凸結(jié)構(gòu)中。離子蝕刻優(yōu)選采用氬、臭氧、氧和它們的混合物加以實施，更優(yōu)選為氬離子濺射。術(shù)語“部分去除”是指納米簇在部分去除聚合物之后不再完全由聚合物包圍。優(yōu)選保留20至80％的無機簇的表面由聚合物包圍。更優(yōu)選30至70％的簇的表面的區(qū)域在部分去除所施加的薄膜之后由聚合物覆蓋，特別優(yōu)選為40至60％，最優(yōu)選為50％。
在步驟(c’)中施加的薄膜的厚度優(yōu)選為1nm至幾厘米，特別是10nm至100cm，特別優(yōu)選為10nm至1cm，最優(yōu)選為100nm至1mm。
以與步驟(d)相同的方式實施將基片與在步驟(d’)中得到的薄膜分離的步驟(e’)。
由根據(jù)本發(fā)明的上述方法得到的具有納米結(jié)構(gòu)化的表面的聚合物基片特別可以施加到植入材料和支架材料中，并用作細胞、細菌和病毒的培養(yǎng)基片，源細胞的分化實驗的培養(yǎng)基和組織的培養(yǎng)基。軟的聚合物基片尤其對于神經(jīng)原的生長發(fā)揮作用。此外其用于電子元件中，和潤濕/去濕和防止物體的污染。其實例是用于生成皮膚代替物的無血清的細胞培養(yǎng)中的應(yīng)用。此外，通過本發(fā)明方法得到的具有納米結(jié)構(gòu)化的表面的基片對于不同的應(yīng)用是重要的，其中通過生物活性分子的精確排列而模仿、操縱、檢測和量化生物系統(tǒng)，例如用細胞模仿病毒相互作用或花粉相互作用，操縱細胞分化至所期望的表型，和結(jié)合分子馬達以檢測和量化它的活性。此外，其還可用于電子元件和光學元件中，在此半導(dǎo)體基片的應(yīng)用具有特別的興趣，以及用作生物或化學的傳感器和潤濕/去濕和防止物體的污染。
本發(fā)明的一個特別的優(yōu)點是，通過表面的幾何形狀和化學性質(zhì)和物理性質(zhì)，在該表面上可以粘連細胞，結(jié)合受體和蛋白質(zhì)在細胞中可以一種方式排列和定位，即細胞的功能，例如生物化學信號路徑的活性、特定的膠束蛋白質(zhì)的基因表達和合成，可以針對性地對此加以控制。
下面通過實施例更詳細地闡述本發(fā)明。
實施例1將玻璃表面的金結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到聚苯乙烯上對具有待轉(zhuǎn)移的金結(jié)構(gòu)的玻璃基片的干燥器抽真空，并與其中有幾微升丙烯硫醇的搖瓶連接。如此蒸發(fā)的丙烯硫醇在基片表面上作用12小時。
該基片在氮氣對流中通氣和洗滌之后，將聚苯乙烯/甲苯溶液(25mg/ml)通過0.2μm的噴霧過濾器滴到基片表面上(約5μl/cm2)。在室溫下干燥6小時后使聚苯乙烯在爐中于60℃下硬化1小時。將基片由聚苯乙烯覆蓋的一側(cè)向上放置于濃度為12％的氫氟酸溶液中。幾秒鐘后聚苯乙烯薄膜漂起，用MQ水洗滌并用氮氣吹干。
實施例2將玻璃表面的金結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到聚乙二醇上將具有待轉(zhuǎn)移的金結(jié)構(gòu)的玻璃基片在由DMF中的PEG二硫醇組成的濃度為5％的溶液中放置12小時。
在MQ水中洗滌后在氮氣對流中施加由300mg的PEG二丙烯酸酯(PEG-DA)、0.15mg光引發(fā)劑(Irgacure2959)和300ml水組成的溶液(約5μl/cm2)。
在氮氣氛下用UV燈(275nm)照射45分鐘。
基片的玻璃側(cè)向上，滴下濃度為12％的氫氟酸溶液，沒有氫氟酸經(jīng)過玻璃的邊緣與PEG水凝膠相接觸。幾小時后水凝膠薄膜的玻璃被溶解。
將水凝膠在MQ水中多次洗滌，并在水中保存。
實施例3將金結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到PEG管中用金納米結(jié)構(gòu)實施結(jié)構(gòu)化的玻璃纖維的直徑為50至150μm，將其在丙烯硫醇蒸汽中懸掛3小時。隨后將該纖維放置在具有光引發(fā)劑Irgacure2959的PEG-DA的液滴中。在氮氣氛中實施UV照射45分鐘后，將具有一個末端的玻璃纖維保持在濃度為12％的氫氟酸溶液中，使固化的PEG液滴還有約三分之二從酸中突出。當氫氟酸沿著玻璃纖維在PEG液滴的內(nèi)部向上升高到達PEG液滴的上端時，纖維的直徑縮小，從而使其可以從PEG液滴抽出，并使金結(jié)構(gòu)回到形成的管的內(nèi)部。
實施例4制備具有金納米結(jié)構(gòu)的生物功能化的PEG基體將1mg 2-羧乙基丙烯酸酯溶解在500ml的PEG-DA700中。該溶液根據(jù)實施例2用于轉(zhuǎn)移金結(jié)構(gòu)。在聚合并將金結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到PEG上之后，可將羧基轉(zhuǎn)移到N-羥基-琥珀酰亞胺酯中。這是通過將基片轉(zhuǎn)移到濃度為1％的由HEPES緩沖液(pH為7.3)中的N-羥基琥珀酰亞胺組成的溶液中實施的。隨后結(jié)合干燥的DMSO中的三(羧甲基)胺(NTA)，并與鎳絡(luò)合，使得任意的蛋白質(zhì)通過組氨酸的結(jié)合成為可能。在結(jié)合NTA之后且在鎳絡(luò)合之前，可以將金結(jié)構(gòu)通過硫醇基由生物活性分子如RGD進行功能化。
權(quán)利要求
1.用于制備表面結(jié)構(gòu)化的基片的方法，其包括下列步驟(i)制備在至少一個表面上用無機納米簇實施納米結(jié)構(gòu)化的第一基片，(ii)將與該第一基片的材料不同的用于第二基片的基片材料施加到在步驟(i)中得到的第一基片的納米結(jié)構(gòu)化的表面上，及(iii)將該第一基片與由步驟(ii)得到的包括該無機納米簇的第二基片分離，從而得到用納米簇實施納米結(jié)構(gòu)化的第二基片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(ii)中所述第二基片材料是通過熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、濺射或電化學沉積進行施加的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述第二基片材料是導(dǎo)體或半導(dǎo)體，其選自Si、C、氧化鋅、Cr、氧化銦、Cu、十六氟酞菁(F16CuPc)、砷化銦和砷化鎵，或氧化鋁、氟化鈣或氟化鎂。
4.用于制備聚合物表面結(jié)構(gòu)化的基片的方法，其包括下列步驟(a)制備在至少一個表面上用無機納米簇(2)實施納米結(jié)構(gòu)化的第一基片(1)，(b)將與該第一基片的材料不同的用于第二基片的可硬化的基片材料(3)施加到在步驟(a)中得到的第一基片的納米結(jié)構(gòu)化的表面上，其中該可硬化的基片材料選自有機可交聯(lián)或不可交聯(lián)的聚合物、樹脂、有機可聚合和/或可交聯(lián)的低聚物和有機可聚合的聚合物前體或它們的混合物，(c)使所述第二基片的基片材料硬化，及(d)將所述第一基片與在步驟(c)中得到的包括無機納米簇的第二基片(4)分離，從而得到用納米簇實施納米結(jié)構(gòu)化的第二基片(5)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中在步驟(a)和步驟(b)之間實施固定結(jié)合分子(6)的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述結(jié)合分子選自丙烯硫醇、巰基聚乙二醇丙烯酸酯、聚乙二醇二硫醇、具有丙烯酰氯的半胱胺、烷基硫代甘醇酸酯和氨基-1-烷基硫醇，其中烷基是指直鏈或分支型、飽和或不飽和的、具有1至24個碳原子的烴。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述結(jié)合分子是細胞的受體。
8.用于制備聚合物表面結(jié)構(gòu)化的基片的方法，其包括下列步驟(a’)在合適的溶劑中在形成溶解的核殼聚合物系統(tǒng)的情況下接收聚合物，(b’)用一種或更多種相同或不同的形成納米簇的金屬化合物裝載至少一部分的該核殼聚合物系統(tǒng)的核，(c’)將在步驟(b’)中得到的核殼聚合物系統(tǒng)以薄膜的形式施加到基片的至少一個側(cè)面上，從而使該核殼聚合物系統(tǒng)在薄膜中排列成規(guī)則的結(jié)構(gòu)，(d’)部分去除在步驟(c’)中施加到該基片上的核殼聚合物系統(tǒng)的聚合物，從而使該納米簇不再完全被該聚合物包圍，及(e’)將該基片與在步驟(d’)中得到的薄膜分離，從而得到用納米簇實施納米結(jié)構(gòu)化的聚合物薄膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求4至8之一的方法，其中由步驟(i)或步驟(a)得到的第一基片具有三維的形狀。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9之一的方法，其中所述無機簇是Au簇。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10之一的方法，其中所述無機納米簇是以1nm至300μm的距離實施結(jié)構(gòu)化而排列的。
12.具有結(jié)構(gòu)化的表面的基片，其是通過根據(jù)權(quán)利要求1至11之一的方法制得的。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的基片用于施加到支架材料或植入物材料上的用途。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的基片用于粘連細胞、病毒和/或細菌的用途。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的基片用于結(jié)構(gòu)化地結(jié)合生物活性分子以模仿、操縱、檢測和量化生物系統(tǒng)的用途。
16.根據(jù)權(quán)利要求12的聚合物基片用于制備電子元件和光學元件和化學傳感器的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于制備表面結(jié)構(gòu)化的基片的方法，其包括下列步驟(i)制備在至少一個表面上用無機納米簇實施納米結(jié)構(gòu)化的第一基片，(ii)將用于第二基片的與該第一基片的材料不同的基片材料施加到在步驟(i)中得到的第一基片的納米結(jié)構(gòu)化的表面上，及(iii)將該第一基片與由步驟(ii)得到的包括該無機納米簇的第二基片分離，從而得到用納米簇實施納米結(jié)構(gòu)化的第二基片。此外本發(fā)明還涉及通過該方法得到的表面結(jié)構(gòu)化的基片以及該表面結(jié)構(gòu)化的基片用于施加支架材料或植入物材料的用途，用于粘連細胞、病毒和/或細菌和細胞的無血清的培養(yǎng)，例如用于皮膚代替物。此外本發(fā)明還包括該基片的所有的應(yīng)用，其中通過結(jié)構(gòu)化地結(jié)合生物活性分子而可以模仿、改性、檢測或量化生物系統(tǒng)以及用于在光學元件或電子元件和化學和生物傳感器系統(tǒng)中。
文檔編號B05D7/00GK101014421SQ200580030416
公開日2007年8月8日 申請日期2005年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月10日
發(fā)明者斯特凡·格雷特爾 申請人:馬克思-普朗克科學促進協(xié)會