DE102004043908A1 - Oberflächenstrukturierte polymere Substrate und ihre Herstellung - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines polymeren oberflächenstrukturierten Substrats, umfassend die Schritte: (a) Herstellen eines ersten Substrats, das auf mindestens einer Oberfläche mit anorganischen Nanoclustern nanostrukturiert ist, Aufbringen eines härtbaren Substratmaterials für ein zweites Substrat, das vom ersten Substratmaterial verschieden ist, auf die im Schritt (a) erhaltene nanostrukturierte Oberfläche des ersten Substrats, wobei das härtbare Substratmaterial ausgewählt ist aus einem organischen vernetzbaren oder nichtvernetzbaren Polymer, einem Harz, einem organischen polymerisierbaren und/oder vernetzbaren Oligomer und einem organischen polymerisierbaren Polymerprecursor oder Mischungen davon, (c) Härten des Substratmaterials für das zweite Substrat und (d) Abtrennen des ersten Substrats von dem in Schritt (c) erhaltenen zweiten Substrat, einschließlich der anorganischen Nanocluster, wodurch ein mit Nanoclustern nanostrukturiertes zweites Substrat erhalten wird. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein polymeres oberflächenstrukturiertes Substrat, erhältlich durch dieses Verfahren sowie die Verwendung des polymeren oberflächenstrukturierten Substrats zur Aufbringung auf ein Stent- oder Implantatmaterial und zur Adhäsion von Zellen, Viren und/oder Bakterien.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft oberflächenstrukturierte polymere Substrate, die geordnete Oberflächenstrukturen im Nanometerbereich aufweisen, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Substrate mit Oberflächenstrukturierung im Nanometerbereich.
  • Periodisch und aperiodisch mikrostrukturierte Oberflächen von einigen Mikrometern bis einigen Nanometern werden für eine Vielzahl von Anwendungen, insbesondere elektronische und optische Bauelemente, sowie Sensoren und in der Mikrotechnologie verwendet. Die Herstellung solcher mikrostrukturierter Oberflächen erfolgt durch Anwendung bekannter lithographischer Techniken, die je nach Art der gewünschten Mikrostruktur geeignet ausgewählt werden. So können beispielsweise mit der Elektronenstrahl- und Ionenstrahllithographie Strukturen im Nanometerbereich hergestellt werden, und entsprechende Anlagen sind im Handel erhältlich. Ferner erlaubt die Atomstrahllithographie durch die Kontrolle der Wechselwirkungen der Atomstrahlen mit Lichtmasken, dass großflächige periodische Linienmuster und verschiedene zweidimensionale periodische Strukturen erzeugt werden.
  • Da diese Verfahren jedoch den Nachteil aufweisen, dass sie ökonomisch nicht vertretbar sind und/oder keine periodischen Strukturen im Nanometerbereich liefern und/oder nur durch physikalische Parameter gesteuert werden können und deshalb apparativ sehr aufwendig sind, wurde die sogenannte mizellare Blockcopolymer-Nanolithographie entwickelt, mit der sich nanostrukturierte Oberflächen mit einer Periodizität im unteren Nanometerbereich zwischen 10 und 170 nm herstellen lassen. Das mizellare Blockcoplymer-Nanolithographie-Verfahren ist im Detail in den folgenden Patenten und Patentanmeldungen beschrieben: DE 199 52 018 , DE 197 47 813 , DE 297 47 815 und DE 197 47 816 .
  • Bei der mizellaren Blockcopolymer-Nanolithographie spielen Templateffekte eine wichtige Rolle. Darunter versteht man die Vorgabe von Hilfsstrukturen, welche das Wachstum, die Struktur und die Anordnung des darauf aufbauenden Systems kontrolliert. Solche Template sind beispielsweise Blockcopolymere und Pfropfcopolymere, die in geeigneten Lösungsmitteln zu mizellaren Kern-Schalesystemen assoziieren, sowie hochverzweigte dendritische Moleküle mit einer Kern-Schale-Struktur. Diese Kern-Schale-Strukturen dienen zur Lokalisierung anorganischer Vorstufen, aus denen nanometergroße, anorganische Teilchen mit einer kontrollierten Größe, durch die Polymerhülle räumlich voneinander getrennt, abgeschieden werden können. Vorteilhaft ist dabei insbesondere, dass die Kern-Schale-Systeme oder Mizellen durch einfache Abscheidungsvorgänge wie Spin-Casting oder Dip-Coating als hochgeordnete Monofilme auf unterschiedliche Substrate aufgebracht werden können. Die organische Matrix wird anschließend durch einen Gas-Plasma-Prozess oder durch Pyrolyse rückstandsfrei entfernt, wodurch anorganische Nanopartikel in der Anordnung auf dem Substrat fixiert werden, in der sie durch das organische Templat positioniert wurden. Die Größe der anorganischen Nanopartikel wird durch die Einwaage einer bestimmten anorganischen Precursorverbindung und der laterale Abstand zwischen den Nanopartikeln durch die Struktur, insbesondere durch das Molekulargewicht der organischen Matrix bestimmt. Dadurch konnten Teilchengrößen von Au-, Ag-, Pt-, Pd-, Ni-, Co-, Fe- und Ti-Teilchen sowie deren Oxide und Legierungen zwischen 1 und 20 nm in geordneten Mustern auf Substraten abgeschieden werden, wobei die Muster eine Periodizität entsprechend dem sphärischen Kern-Schale System zwischen 10 und 170 nm aufwiesen.
  • Voraussetzung für das oben beschriebene mizellare Blockcopolymer-Nanolithographie-Verfahren ist, dass die Substrate aus Materialien bzw. Materialmischungen bestehen müssen, die den Gas-Plasma- oder Pyrolyse-Prozess zur Entfernung der organischen Matrix unbeschadet überstehen. Als Substrate werden daher üblicherweise Edelmetalle, oxidische Gläser, mono- oder multikristalline Substrate, Halbleiter, Metalle mit oder ohne passivierter Oberfläche, Isolatoren oder allgemein Substrate mit hoher Resistenz gegen nachfolgende Ätzprozeduren eingesetzt. Organische Substrate und eine Vielzahl anorganischer Substrate scheiden jedoch augrund ihrer Unbeständigkeit gegenüber dem Gas-Plasma- oder Pyrolyse-Prozess für die Anwendung in dem Blockcopolymer-Nanolithographie-Verfahren aus.
  • Dies ist insofern nachteilig, als insbesondere sowohl organische Polymersubstrate als auch die für das Blockcopolymer-Nanolithographie-Verfahren nicht einsetzbaren anorganischen Substrate für die Herstellung von beispielsweise Leiterbahnen bei der Chip-Herstellung, bei der Kultivierung von Zellen, Bakterien und Viren sowie für den Einsatz als Implantate eine große praktische und wirtschaftliche Bedeutung haben.
  • Beispielsweise werden Arbeiten mit einer großen Anzahl an Zellen und Zellkulturen aufgrund praktischer und ökonomischer Gesichtspunkte mit Kulturschalen durchgeführt, die aus Plastik oder besonderen Polymeren bestehen. Diese werden beispielsweise zur Vermehrung von Zellen, zur Differenzierung von Zellen oder zur Generierung von Gewebe im Allgemeinen eingesetzt. Die Nanostruktur konnte jedoch bisher nicht auf polymere Oberflächen übertragen werden und konnte somit bisher nicht zur Einstellung von adhäsionsvermittelter Zellfunktion genutzt.
  • Ferner hat die Anwendung der bekannten Substrate aus Metallen, Gläsern, mono- oder multikristallinen Substraten und Halbleitern den Nachteil, dass sie eine hohe und nicht beliebig einstellbare Festigkeit aufweisen. Es besteht jedoch die Nachfrage nach strukturierten Oberflächen, die weich und flexibel sind und sich z.B. in Form einer Folie auf Gegenstände, wie Implantat- oder Stent-Materialien, aufbringen lassen und diese Gegenstände so mit einer strukturierten Oberfläche versehen können.
    •
  • Daher besteht die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe darin, ein Verfahren zur Nanostrukturierung einer polymeren Substratoberfläche sowie die daraus resultierenden nanostrukturierten Polymersubstrate bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines polymeren oberflächenstrukturierten Substrats, umfassend die Schritte:
    • (a) Herstellen eines ersten Substrats, das auf mindestens einer Oberfläche mit anorganischen Nanoclustern nanostrukturiert ist,
    • (b) Aufbringen eines härtbaren Substratmaterials für ein zweites Substrat, das vom ersten Substratmaterial verschieden ist, auf die im Schritt (a) erhaltene nanostrukturierte Oberfläche des ersten Substrats, wobei das härtbare Substratmaterial ausgewählt ist aus einem organischen vernetzbaren oder nichtvernetzbaren Polymer, einem Harz, einem organischen polymerisierbaren und/oder vernetzbaren Oligomer und einem organischen polymerisierbaren Polymerprecursor oder Mischungen davon,
    • (c) Härten des Substratmaterials für das zweite Substrat und
    • (d) Abtrennen des ersten Substrats von dem in Schritt (c) erhaltenen zweiten Substrat, einschließlich der anorganischen Nanocluster, wodurch ein mit Nanoclustern nanostrukturiertes zweites Substrat erhalten wird.
  • Im folgenden werden die einzelnen Schritte des Verfahrens zur Herstellung eines polymeren oberflächenstrukturierten Substrats der vorliegenden Erfindung näher erläutert.
  • In Schritt (a) wird eine mit anorganischen Nanoclustern nanostrukturierte Oberfläche hergestellt.
  • Als Verfahren zur Herstellung solcher nanostrukturierten Oberflächen können die im Stand der Technik bekannten Lithographie-Verfahren angewendet werden. Bevorzugt ist die Herstellung durch das mizellare Blockcopolymer-Nanolithographie-Verfahren, wodurch nanostrukturierte Oberflächen auf einfache und kostengünstige Weise hergestellt werden können (s. DE 199 52 018 , DE 197 47 813 , DE 297 47 815 und DE 197 47 816 ).
  • Wenn die nanostrukturierte Oberfläche durch ein im Stand der Technik bekanntes Lithographie-Verfahren hergestellt wird, besteht das verwendete erste Substrat aus einem Material, das üblicherweise in diesen Lithographie-Verfahren eingesetzt wird. Im Fall des mizellaren Blockcopolymer-Nanolithographie-Verfahrens sind als verwendbare Substratmaterialien insbesondere zu nennen: Edelmetalle, oxidische Gläser, mono- oder multikristalline Substrate, Halbleiter, Metalle mit oder ohne passivierter Oberfläche, Isolatoren oder allgemein Substrate mit hoher Resistenz gegen nachfolgende Ätzprozeduren. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um Pt, Au, GaAs, AlxGaAs, Si, SiO2, Ge, SixNy, SixGaAs, InP, InPSi, GaInAsP, Glas, Graphit, Diamant, Glimmer, SrTiO3 sowie deren dotierte Modifikationen.
  • Es ist auch möglich, dass das erste Substrat aus einem polymeren Material besteht. Ein solches nanostrukturiertes polymeres Substrat ist erhältlich durch das hier beschriebene Verfahren der vorliegenden Erfindung. Das in dem Verfahren der vorliegenden Anmeldung in Schritt (d) erhältliche Substrat kann somit selbst wiederum als ein erstes Substrat in Schritt (a) eingesetzt werden. Als polymeres Material sind jegliche Polymere verwendbar. Als besonders gut geeignete polymere Materialien können beispielhaft genannt werden: Polystyrol, Epoxidharze, Polydimethylsiloxan (PDMS) und Polyethylenglycoldiacrylate (PEG-DA). Besonders bevorzugt ist ein erstes Substrat aus Polystyrol.
  • Die in Schritt (a) hergestellten anorganischen Nanocluster sind insbesondere sauerstoffresistente Edelmetalle, wie Au, Pt, Pd oder Oxide, wie z.B. halbleitende Oxide wie TiO2, oder magnetische Teilchen wie z.B. bestimmte Modifikationen des Fe2O3. Ferner sind auch Cluster aus metallischen Mischsystemen, wie Au/Fe2O3, AuCoO, Au/Co3O4, Au/ZnO, Au/TiO2, Au/ZrO2, Au/Al2O3, Au/In2O3, Pd/Al2O3, Pd/ZrO2, Pt/Al2O3 und Pt/Graphit, denkbar. Bevorzugt sind die anorganischen Nanocluster aus Au.
  • Die in Schritt (a) auf das erste Substrat aufgebrachten Cluster sind hinsichtlich ihrer Form nicht beschränkt und können als Punkte, Linien, Flächen oder andere beliebige Formen vorliegen. Die Cluster besitzen vorzugsweise eine Größe von 1 nm bis 300 μm, besonders bevorzugt 1 nm bis 150 μm und noch bevorzugter 1 nm bis 20 μm. Im Fall von punktförmigen Clustern ist mit "Größe der Cluster" der Durchmesser gemeint. Im Fall von Linien ist mit "Größe der Cluster" die Linienbreite gemeint, wobei die Länge der Linien beliebig ist. Im Fall von Cluster-Flächen ist die "Cluster-Größe" ein Maß für die Fläche des Clusters.
  • Die erhaltenen Muster, die durch die Abscheidung der Cluster auf dem ersten Substrat erzeugt werden, weisen bevorzugt eine Periodizität von 1 nm bis 300 μm auf. Im Hinblick auf eine Zelladhäsion auf einem oberflächenstrukturierten Substrat ist eine Periodizität von 5 nm bis 100 μm besonders bevorzugt.
  • Noch bevorzugter ist eine Periodizität von 5 nm bis 100 nm und ganz besonders bevorzugt 5 nm bis 20 nm. Eine Periodizität von 5 bis 500 nm lässt sich beispielsweise durch das mizellare Blockcopolymer-Nanolithographie-Verfahren herstellen. Größere Periodizitäten lassen sich z.B. durch bekannte photolithographische Verfahren erzeugen.
  • In dem Schritt (b) des Verfahrens zur Herstellung eines polymeren oberflächenstrukturierten Substrats der vorliegenden Erfindung wird ein härtbares Material für ein zweites Substrat auf die in Schritt (a) erhaltene strukturierte Oberfläche des ersten Substrats aufgebracht. Das härtbare Material für das zweite Substrat ist ausgewählt aus einem organischen Polymer, einem Harz, einem organischen polymerisierbaren oder vernetzbaren Oligomer, einem vernetzbaren Polymer und einem organischen polymerisierbaren Polymerprecursor. Als spezielle Beispiele für das härtbare zweite Substratmaterial können Polystyrol, Epoxidharze, Polydimethylsiloxan (PDMS), Polyethylenglycoldiacrylate (PEG-DA), z.B. PEG-DA 500, PEG-DA 4000 und PEG-DA 8000, und Polyphosphazene unterschiedlichster Molekulargewichte genannt werden.
  • Das härtbare Material für das zweite Substrat wird vorzugsweise in Form einer Flüssigkeit oder als Lösung durch ein im Stand der Technik übliches Beschichtungsverfahren gleichmäßig mit der gewünschten Dicke aufgetragen. Beispielsweise werden Polystyrol und Polyphosphazene in Lösung und PDMS und Epoxidharze in flüssigem Zustand durch ein Spinschleuder-Verfahren auf das erste Trägermaterial aufgetragen. PEG-Diacrylat wird vorzugsweise in Lösung unter Schutzgas aufgetropft.
  • In Schritt (c) wird das härtbare Material für das zweite Substrat gehärtet. Das Verfahren zum Härten des zweiten Substratmaterials wird abhängig von der Natur des Substratmaterials geeignet ausgewählt. So werden beispielsweise Polystyrol und Polyphosphazene, die als Lösungen aufgebracht werden können, durch langsames Evaporieren des Lösungsmittels gehärtet. PDMS und Epoxidharze werden thermisch polymerisiert bzw. vernetzt und dadurch ausgehärtet. PEG-Diacrylate werden photochemisch polymerisiert und auf diese Weise gehärtet.
  • Nach dem Härten weist das zweite Substrat vorzugsweise eine Dicke von 1 nm bis einigen cm auf, insbesondere bevorzugt ist eine Dicke von 10 nm bis 100 cm. Im Hinblick auf eine Anwendung des polymeren oberflächenstrukturierten Substrats als Folie weist das zweite Substrat nach dem Schritt (c) vorzugsweise eine Dicke von 10 nm bis 1 cm auf, besonders bevorzugt 100 nm bis 1 mm.
  • Im Schritt (d) des Verfahrens zur Herstellung eines polymeren oberflächenstrukturierten Substrats wird das erste Substrat von dem in Schritt (c) gehärteten zweiten Substrat, einschließlich der Nanocluster, abgetrennt, wodurch ein mit anorganischen Nanoclustern im Nanometerbereich strukturiertes zweites Substrat erhalten wird, wobei die Nanocluster mit dem gleichen Muster auf das zweite Substrat übertragen werden, das die Nanocluster auf dem ersten Substrat aufwiesen. Die Abtrennung erfolgt in einem geeigneten Verfahren durch ein Abtrennmittel, das abhängig von der Natur des ersten Substratmaterials und unter Berücksichtigung der Natur des zweiten Substratmaterials geeignet ausgewählt wird. Zu beachten ist dabei, dass das eingesetzte Abtrennmittel so ausgewählt wird, dass zwar das erste Substrat von dem Abtrennmittel angegriffen wird, beispielsweise durch Lösen, aber umgekehrt das zweite Substrat gegenüber diesem Abtrennmittel so stabil und unempfindlich wie möglich ist. So lässt sich beispielsweise ein erstes Substrat, das aus Glas oder Siliziumdioxid besteht, mit Flusssäure (z.B. 25%ig) entfernen, wenn das zweite Substrat aus Polystyrol, Epoxidharz, Polydimethylsiloxan (PDMS), Polyethylenglycoldiacrylat (PEG-DA) oder Phosphazen besteht. Im Fall von Polystyrol als erstes Substrat kann beispielsweise Toluol als geeignetes Abtrennmittel eingesetzt werden, wenn das zweite Substrat aus PEG-DA oder PDMS besteht.
  • Die Größe des in Schritt (d) erhaltenen polymeren Substrats mit strukturierter Oberfläche ist beliebig und kann je nach gewünschter Anwendung zwischen 100 nm2 und mehreren Metern betragen. Bevorzugt ist eine Größe von 1 mm2 bis 100 cm2.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird zwischen Schritt (a) und Schritt (b) ein Schritt der Immobilisierung eines Anbindungsmoleküls durchgeführt, vorzugsweise ausgewählt aus Propenthiol, Mercaptopolyethylenglykolacrylat, Polyethylenglykoldithiol, Alkylthioglykolat und Amino-1-alkylthiol. "Alkyl" bezeichnet einen geraden oder verzweigten, gesättigten oder ungesättigten Kohlenwasserstoff mit 1 bis 24 Kohlenstoffatomen, bevorzugt 4 bis 18 Kohlenstoffatome, besonders bevorzugt 6 bis 12 Kohlenstoffatome. Als besonders vorteilhaft haben sich Amino-1-undecanthiol und Allylmercaptoacetat gezeigt. Das Anbindungsmolekül sollte derart ausgewählt werden, dass es sich spezifisch an die anorganischen Nanocluster anbinden lässt und sich chemisch oder elektrostatisch mit dem zweiten Substrat verbindet, aber an dem ersten Substrat nicht haftet.
  • Die Immobilisierung der Anbindungsmoleküle erfolgt durch bekannte Verfahren. Beispielsweise kann die Anbindung von Propenthiol an Goldcluster in der Gasphase erfolgen, die anderen oben genannten Thiole werden in Lösung innerhalb einer Reaktionszeit von etwa 12 h an Goldcluster angebunden.
  • Durch die Anbindungsmoleküle wird eine bessere Anbindung der anorganischen Nanocluster im bzw. am zweiten Substrat erzielt.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform können als Anbindungsmoleküle Zellen verwendet werden. In diesem Fall binden die Adhäsionsproteine der Zelle abhängig von der Nanostruktur auf dem ersten Substrat nur an bestimmte Nanocluster. Dadurch kann erreicht werden, dass nach dem Abtrennen des ersten Substrats nur solche Nanocluster auf dem zweiten Substrat zurückbleiben, die an die Adhäsionsproteine der Zelle gebunden sind. Auf diese Weise lassen sich wichtige Erkenntnisse über das Adhäsionsverhalten von Zellen auf nanostrukturierten Oberflächen erhalten.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann im Anschluss an den Schritt (d) eine Passivierung der die Nanocluster umgebenden Bereiche durchgeführt werden, um eine gezielte Wechselwirkung von z.B. Zellen oder anderen Biomolekülen mit den anorganischen Nanoclustern zu erzielen. Eine solche Passivierung durch Polyethylenglykol ist beispielsweise in der US-Patentanmeldung 2003/0133963 A1 von J.A. Hubbell beschrieben. Eine weitere Möglichkeit zur Passivierung besteht in der Erzeugung von Hydroxylgruppen auf den Oberflächen von Polystyrol- oder PDMS-Substraten durch ein Sauerstoff-Plasma. Auf diesen Hydroxylgruppen lassen sich dann durch Anbinden von (3-Triethoxysilyl-propyl)-carbamidsäure-(methoxypolyethylenglykol)-estern eine molekulare PEG-Monoschicht mit stark proteinabweisenden Eigenschaften herstellen. Außerdem ist bekannt, dass sich Polystyrol-Oberflächen im Sauerstoff-Plasma mit Bovin Serum Albumin (BSA) gegen Proteinwechselwirkungen und Zelladhäsion passivieren lassen. Um die unspezifische Anbindung von BSA an den Bereich der Struktur, der nicht passiviert werden soll, zu verhindern, muss dieser Bereich zuerst mit einer anderen spezifisch anbindenden Substanz geschützt werden. So können Goldcluster beispielsweise mit PEG-Thiolen geschützt werden, die nach einer Plasma-Aktivierung der Oberfläche angebunden werden. Die Bindung des Thiols zum Gold kann in Iod-Atmosphäre wieder zerstört werden. Nach der unspezifischen Anbindung des BSA an das Polystyrol kann das PEG dann abgewaschen werden (s. Promotionsarbeit Wolfgang Geyer, Universität Heidelberg, 04.05.2001).
  • Nach dem Schritt (d) der Abtrennung des ersten Substrats und ggf. nach der oben beschriebenen Passivierung kann ein Schritt der Biofunktionalisierung der anorganischen Nanocluster durchgeführt werden. "Biofunktionalisierung" bezeichnet einen Schritt, in dem spezifische Moleküle an die nanostrukturierten Cluster angebracht werden, um diese für bestimmte biologische Anwendungen zu funktionalisieren. Hierunter können alle Proteine, Proteinsequenzen und andere Moleküle, die von biologischem Interesse sind, verstanden werden. Diese Moleküle lassen sich direkt oder über verschiedene Anbindungsmoleküle an die Nanocluster anheften. Ein cyclisches RGD-Peptid mit Thiolanker lässt sich z.B. an die Goldcluster nach dem Pasivierungsschritt anbinden. Die Goldcluster lassen sich so für die spezifische Anbindung von Integrinen, einem zellulären Adhäsionsprotein, funktionalisieren. Ein anderes Beispiel ist die Anbindung von molekularen Motoren wie Kinesin oder Myosin.
    •
  • Das oben beschriebene Verfahren der vorliegenden Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf 1 näher erläutert, wobei in 1 das Verfahren zur Herstellung eines polymeren oberflächenstrukturierten Substrats der vorliegenden Erfindung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform schematisch dargestellt ist.
  • Wie in 1 gezeigt, werden zunächst in einem Schritt (a) anorganische Nanocluster 2 auf eine Oberfläche eines ersten Substrats 1 nanostrukturiert aufgebracht. Anschließend werden Anbindungsmoleküle 6 auf dieser Nanostruktur immobilisiert. In dem nachfolgenden Schritt (b) wird dann ein härtbares Substratmaterial 3 für ein zweites Substrat auf die nanostrukturierte Oberfläche des ersten Substrats 1 aufgebracht. Anschließend wir im Schritt (c) das härtbare Substratmaterial 3 für ein zweites Substrat gehärtet, wodurch das zweite Substrat 4 erhalten wird. In dem Schritt (d) wird das erste Substrat 1 dann von dem zweiten Substrat 4 und den Nanoclustern 2, einschließlich der Anbindungsmoleküle 6, abgetrennt, wodurch ein mit Nanoclustern nanostrukturiertes zweites Substrat 5 erhalten wird.
  • Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird die obige Aufgabe der Erfindung auch gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines polymeren oberflächenstrukturierten Substrats, umfassend die Schritte:
    • (a') Aufnehmen eines Polymers in einem geeigneten Lösungsmittel unter Bildung eines gelösten Kern-Schale-Polymersystems,
    • (b') Beladen von mindestens einem Teil der Kerne des Kern-Schale-Polymersystem mit einer oder mehreren, gleichen oder unterschiedlichen Metallverbindungen, die Nanocluster bilden,
    • (c') Aufbringen des in Schritt (b') erhaltenen Kern-Schale-Polymersystems als Film derart auf mindestens eine Seite eines Substrats, dass das Kern-Schale-Polymersystem in einer regelmäßigen Struktur im Film angeordnet ist, und
    • (d') Teilweises Entfernen des in Schritt (c') auf dem Substrat aufgebrachten Polymers des Kern-Schale-Polymersystems, wodurch die Nanocluster nicht mehr vollständig von dem Polymer umgeben sind, und
    • (e') Abtrennen des Substrats von dem in Schritt (d') erhaltenen Film, wodurch ein mit Nanoclustern nanostrukturierter polymerer Film erhalten wird.
  • Die Schritte (a') bis (c') entsprechen der Vergehensweise, die üblicherweise in dem mizellaren Blockcopolymer-Nanolithographie-Verfahren angewendet werden. Details zur Durchführung dieser Schritte finden sich in den Druckschriften DE 199 52 018 , DE 197 47 813 , DE 297 47 815 bzw. DE 197 47 816 .
  • Unter dem Ausdruck "Kern-Schale-Polymersystem" sind beispielsweise makromolekulare Amphiphile zu verstehen, welche in wässriger oder organischer Lösung assoziieren und wohldefinierte kugelförmige bzw. stäbchenförmige Mizellen, Lamellen, Vesikel oder komplexe Aggregate bilden können. Erfindungsgemäß sind damit auch solche, allgemein als Wirt/Gast-Systeme bezeichnete Systeme eingeschlossen, in denen ein von dem eingesetzten Polymer (Wirtsverbindung) erzeugter Molekülhohlraum bzw. Molekülinnenraum, d. h. der Polymerkern, mit einer Gastverbindung, d.h. der verwendeten Metallverbindung, beladen bzw. komplexiert werden kann.
  • Das erfindungsgemäß eingesetzte Polymer, welches das Kern-Schale-Polymersystem aufbaut, ist vorzugsweise aus Blockcopolymeren, Pfropfcopolymeren, Mikroarmsternpolymeren, Sternpolymeren mit unterschiedlichen Armen, dentritischen Polymeren, Mikrogelteilchen, Sternblockpolymeren, Blocksternpolymeren und Kern-Schale-Latexpolymeren ausgewählt.
  • Mehr bevorzugt ist das Polymer Polystyrol-b-polyethylenoxid, Polystyrol-poly(2-vinylpyridin), Polystyrol-poly(4-vinylpyridin) oder ein Gemisch davon. Der Polystyrolblock darin kann aber auch durch andere nicht-polare Polymere, wie beispielsweise Polyisopren, Polybutadien, Polymethylmethacrylat oder andere Polymethacrylate ersetzt werden. Der zweite bzw. polare Block in einem solchen Zweiblockcopolymer kann ein solcher sein, der eine möglichst starke Wechselwirkung mit der eingesetzten Metallverbindung eingeht. Beispiele hiefür sind Polyacrylsäure, Polymethacrylsäure, aminosubstituierte Polystyrole, Polyacrylate bzw. Polymethacrylate, aminosubstituierte Polydiene, Polyethylenimine, verseifte Polyoxazoline oder hydriertes Polyacrylnitril. Der erste Block kann auch aus einem polaren Polymer aufgebaut sein, jedoch mit der Maßgabe, dass dann die Metallverbindung derart gewählt ist, dass diese hauptsächlich, d.h. selektiv, mit dem zweiten polaren Block wechselwirkt.
  • Typischerweise werden die vorgenannten Polymersysteme in einem selektiven Lösungsmittel, wie z. B. Toluol, in einer Menge von etwa 103 bis 100 mg/ml, vorzugsweise etwa 5 mg/ml, gelöst. Nach etwa 12 Stunden wird in Schritt (b') des erfindungsgemäßen Verfahrens die Lösung mit einer oder mehreren Metallverbindungen versetzt und für 24 Stunden stark gerührt, um mindestens einen Teil der durch das Kern-Schale-Polymersystem gebildeten Polymerkerne mit der/den Metallverbindung(en) zu beladen.
  • Die Metallverbindungen sind dieselben wie die für die oben beschriebenen Metallcluster. Bevorzugt ist auch in dieser alternativen Ausführungsform Au bzw. eine Au-Verbindung.
  • In Schritt (c') des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Aufbringen des Films in Mono- oder Multischichten auf mindestens eine Seite eines Substrats vorzugsweise durch Tauch-, Gieß-, Spinschleuderverfahren oder durch Adsorption aus verdünnter Lösung durchgeführt. Mehr bevorzugt wird das Aufbringen in Mono- oder Multischichten durch Tauchverfahren in verdünnter Lösung durchgeführt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird bzw. werden vor Schritt (c') die im Polymerkern enthaltende(n) Metallverbindung(en) durch chemische Behandlung und/oder durch energiereiche Strahlung, beispielsweise UV-Licht, Röntgenstrahlung oder Elektronenbeschuss, in Lösung oder im Film in das Metall oder ein Metalloxid überführt.
  • Als verwendbare Substratmaterialien für das Substrat im Fall des mizellaren Blockcopolymer-Nanolithographie-Verfahrens sind insbesondere zu nennen: Edelmetalle, oxidische Gläser, mono- oder multikristalline Substrate, Halbleiter, Metalle mit oder ohne passivierter Oberfläche, Isolatoren oder allgemein Substrate mit hoher Resistenz gegen nachfolgende Ätzprozeduren. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um Pt, Au, GaAs, AlxGaAs, Si, SiO2, Ge, SixNy, SixGaAs, InP, InPSi, GaInAsP, Glas, Graphit, Diamant, Glimmer, SrTiO3 sowie deren dotierte Modifikationen.
  • Die in Schritt (c') erhaltenen Filme, d.h. makroskopisch deckende Filme, werden beispielsweise durch definiertes Ziehen eines Substrats aus der Lösung mit Geschwindigkeiten zwischen beispielsweise 0,001 mm/min und 2 m/min erzielt. Die mit der Metallverbindung beladenen Polymerkerne werden dabei unter Ausbildung einer regelmäßigen Struktur im Film im wesentlichen intakt abgeschieden.
  • In Schritt (d') des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Film zusammen mit dem vom Film mindestens teilweise bedeckten Substrat einem reaktiven Ionenätzverfahren, einem Ionensputterverfahren oder einem nasschemischen Verfahren oder einer Kombination davon unterworfen. Die auf der Substratoberfläche abgeschiedenen Strukturen dienen dabei als Maske, die durch Ätztechniken in das entsprechende Substrat übertragen werden, wobei nur ein Teil des auf dem Substrat aufgebrachten Films rückstandsfrei an der gewünschten Stelle bzw. dem gewünschten Bereich entfernt wird, und worin die durch das Kern-Schale-Polymersystem erzeugte, regelmäßige Struktur aufgrund und in Abhängigkeit von der Art der Beladung der Polymerkerne sowie der Dauer des reaktiven Ionenätzverfahrens und/oder des Ionensputterverfahrens und/oder des nasschemischen Verfahrens in eine Reliefstruktur des Substrats überführt wird. Vorzugsweise wird ein Ionenätzen mit Argon, Ozon, Sauerstoff und deren Mischungen durchgeführt, mehr bevorzugt ist ein Argon-Ionen-Sputtern. Der Ausdruck "teilweises Entfernen" bedeutet, dass die Nanocluster nach dem teilweisen Entfernen des Polymers nicht mehr vollständig von dem Polymer umgeben sind. Bevorzugt bleiben 20 bis 80 % der Oberfläche der anorganischen Cluster mit dem Polymer umgeben. Bevorzugter ist ein Bereich von 30 bis 70 % der Oberfläche der Cluster nach dem teilweisen Entfernen des aufgebrachten Films mit Polymer bedeckt, noch bevorzugter 40 bis 60 %, und am meisten bevorzugt 50 %.
  • Die Dicke des in Schritt (c') aufgebrachten Films ist bevorzugt 1 nm bis einige cm, insbesondere 10 nm bis 100 cm, besonders bevorzugt 10 nm bis 1 cm, noch bevorzugter 100 nm bis 1 mm.
  • Der Schritt (e') des Abtrennens des Substrats von dem in Schritt (d') erhaltenen Films erfolgt auf die gleiche Weise wie für Schritt (d) gemäß Anspruch 1 beschrieben.
  • Die aus den oben beschriebenen Verfahren gemäß der vorliegenden Anmeldung erhältlichen polymeren Substrate mit nanostrukturierten Oberflächen können insbesondere auf Implantat- und Stentmaterialien aufgebracht und als Kultursubstrate für Zellen, Bakterien und Viren, als Nährböden für Differenzierungsexperimente von Stammzellen und Nährböden für Gewebe verwendet werden. Außerdem können sie auch für elektronische Bauteile eingesetzt und zur Benetzung/Entnetzung und gegen Verschmutzung von Gegenständen verwendet werden.
  • Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist weiterhin, dass über die Geometrie und Beschaffenheit der Oberfläche, auf der eine Zelle adhärieren kann, die Bindungsrezeptoren und die Proteine in der Zelle auf eine Weise angeordnet und positioniert werden können, dass die Funktion der Zelle, z.B. Aktivität von biochemischen Signalwegen, Genexpression und die Synthese von bestimmten zellulären Proteinen, darüber gezielt gesteuert werden können.
  • Im folgenden wird die vorliegende Erfindung durch Beispiele näher erläutert.
  • Beispiel 1
  • Übertragung von Goldstrukturen von einer Glasoberfläche auf Polystyrol
  • Ein Exsikkator mit dem Glassubstrat mit der zu übertragenden Goldstruktur wird evakuiert und mit einem Schlenkkolben verbunden, in welchem sich einige μl Propenthiol befinden. Das so verdampfte Propenthiol wirkt für 12 Stunden auf die Substratoberfläche ein.
  • Nach Belüften und Spülen des Substrats im Stickstoffgegenstrom wird eine Polystyrol/Toluol-Lösung (25 mg/ml) durch einen 0,2 μm Spritzenfilter auf die Substratoberfläche aufgetropft (ca. 5μl/cm2).
  • Nach 6 Stunden Trockenzeit bei Raumtemperatur wird das Polystyrol für 1 Stunde bei 60 °C im Ofen ausgehärtet. Das Substrat wird mit der Polystyrol bedeckten Seite nach oben in eine 12%ige Flusssäure-Lösung gelegt. Nach einigen Sekunden schwimmt der Polystyrolfilm auf, wird mit MQ-Wasser gespült und mit Stickstoff trockengeblasen.
  • Beispiel 2
  • Übertragung von Goldstrukturen von einer Glasoberfläche auf Polyethylenglykol
  • Das Glassubstrat mit den zu übertragenden Goldstrukturen wird für 12 Stunden in eine 5%ige Lösung aus PEG-dithiol in DMF gelegt.
  • Nach Spülen in MQ-Wasser wird im Stickstoffgegenstrom eine Lösung aus 300 mg PEG-Diacrylat (PEG-DA), 0,15 mg Photoinitiator (Irgacure 2959) und 300ml Wasser aufgetragen (ca. 5μl/cm2).
  • Unter Stickstoff wird für 45 min mit einer UV Lampe (275nm) bestrahlt.
  • Das Substrat wird mit der Glasseite nach oben in einer Weise mit 12%iger Flussäurelösung betropft, dass keine Flusssäure über den Rand des Glases hinweg mit dem PEG-Hydrogel in Kontakt kommt. Nach einigen Stunden löst sich das Glas von dem Hydrogelfilm.
  • Das Hydrogel wird mehrfach in MQ-Wasser gewaschen und im Wasser aufbewahrt.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung eines polymeren oberflächenstrukturierten Substrats, umfassend die Schritte: (a) Herstellen eines ersten Substrats (1), das auf mindestens einer Oberfläche mit anorganischen Nanoclustern (2) nanostrukturiert ist, (b) Aufbringen eines härtbaren Substratmaterials (3) für ein zweites Substrat, das vom ersten Substratmaterial verschieden ist, auf die im Schritt (a) erhaltene nanostrukturierte Oberfläche des ersten Substrats, wobei das härtbare Substratmaterial ausgewählt ist aus einem organischen vernetzbaren oder nichtvernetzbaren Polymer, einem Harz, einem organischen polymerisierbaren und/oder vernetzbaren Oligomer und einem organischen polymerisierbaren Polymerprecursor oder Mischungen davon, (c) Härten des Substratmaterials für das zweite Substrat und (d) Abtrennen des ersten Substrats von dem in Schritt (c) erhaltenen zweiten Substrat (4), einschließlich der anorganischen Nanocluster, wodurch ein mit Nanoclustern nanostrukturiertes zweites Substrat (5) erhalten wird.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin zwischen Schritt (a) und Schritt (b) ein Schritt der Immobilisierung eines Anbindungsmoleküls (6) durchgeführt wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 2, worin das Anbindungsmolekül ausgewählt ist aus Propenthiol, Mercaptopolyethylenglykolacrylat, Polyethylenglykoldithiol, Alkylthioglykolat und Amino-1-alkylthiol, worin Alkyl einen geraden oder verzweigten, gesättigten oder ungesättigten Kohlenwasserstoff mit 1 bis 24 Kohlenstoffatomen bezeichnet.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 2, worin das Anbindungsmolekül eine Zelle ist.
  5. Verfahren zur Herstellung eines polymeren oberflächenstrukturierten Substrats, umfassend die Schritte: (a') Aufnehmen eines Polymers in einem geeigneten Lösungsmittel unter Bildung eines gelösten Kern-Schale-Polymersystems, (b') Beladen von mindestens einem Teil der Kerne des Kern-Schale-Polymersystem mit einer oder mehreren, gleichen oder unterschiedlichen Metallverbindungen, die Nanocluster bilden, (c') Aufbringen des in Schritt (b) erhaltenen Kern-Schale-Polymersystems als Film derart auf mindestens eine Seite eines Substrats, dass das Kern-Schale-Polymersystem in einer regelmäßigen Struktur im Film angeordnet ist, (d') teilweises Entfernen des in Schritt (c') auf dem Substrat aufgebrachten Polymers des Kern-Schale-Polymersystems, wodurch die Nanocluster nicht mehr vollständig von dem Polymer umgeben sind, und (e') Abtrennen des Substrats von dem in Schritt (d') erhaltenen Film, wodurch ein mit Nanoclustern nanostrukturierter polymerer Film erhalten wird.
  6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die anorganischen Cluster Au-Cluster sind.
  7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die anorganischen Nanocluster mit einer Periodizität von 1 nm bis 300 μm strukturiert angeordnet sind.
  8. Polymeres Substrat mit strukturierter Oberfläche, erhältlich durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
  9. Verwendung des polymeren Substrats gemäß Anspruch 8 zur Aufbringung auf ein Stent- oder Implantatmaterial.
  10. Verwendung des polymeren Substrats gemäß Anspruch 8 zur Adhäsion von Zellen, Viren und/oder Bakterien.
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