WO2008092628A1 - Method for the production of biocompatible hybrimers for optical applications - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to inorganic-organic hybrid materials, the photochromic and / or fluorescent
- Metal oxide condensates containing already crosslinked and optionally uncrosslinked groups processes for their preparation and their use.
- Hybrimers are a class of inorganic-organic composites made up of atomic ceramic and plastic meshes that interconnect and interpenetrate.
- the term "hybrimer” is an abbreviation for "hybrid polymers”.
- Corresponding materials are known in the art as Ormocere (organically modified ceramics) or, in special cases, as Ormosile (organically modified silicon compounds). These polymers are prepared by a sol-gel process in the presence of acidic or basic catalysts (Wu et al., Chem. Mater., 1993, 5, 115-120; Shamansky et al., Bios. Bioelectr., 2002, 17 , 227-231; Innozenzi et al., Chem.
- metal oxide compounds do not swell in aqueous or organic solvents.
- metal oxide compounds have the advantage that they are not a source of nutrients for microorganisms, non-toxic and biologically inert. For this reason, techniques have been developed in the past for the immobilization of enzymes on glass surfaces. However, this covalent coupling often requires coupling reagents and chemical modifications that can adversely affect the bioactivity of enzymes and cells. Therefore, physical encapsulation in sol-gel materials can offer new opportunities for biotechnology.
- sol-gel process is a process that allows the synthesis of glassy metal oxide compounds at room temperature.
- metal oxide compounds in particular silicate compounds (Livage et al., J. Phys .: Condens.Matter, 2001, 13, R673-R691, Giill & Ballesteros, J. Am. Chem Soc., 1998, 120, 8587-8598; Weetall, Biosensors & Bioelectronics, 1996, 11 (3), 327-333; Zink et al., New J. Chem., 1994, 18, 1109-1115; Reetz, Adv Mater., 1997, 9 (12), 943-954).
- the sol-gel method is similar to biomineralization. Biomineralization occurs in water under mild conditions, at neutral pH and room temperature. When silicates are used as the metal oxide, silicic acid molecules polymerize Si (OH) 4 with elimination of water to form a network of silicon atoms connected by oxygen atoms.
- alkoxysilanes which condense with the elimination of alcohols, are used predominantly in chemical applications instead of silica.
- silica particles grow, resulting in pH dependent formation of colloidal solutions (sols) or gels. These gels may be partially dried at room temperature to obtain a porous network of hydrated amorphous silica SiCVnH 2 O (xerogel).
- the sol-gel chemistry offers a versatile method for the synthesis of metal oxides at low temperature.
- Thin films can be applied to any type of support material (glass, ceramics, metals, polymers) by dip-coating, spin coating, knife coating, printing, spraying, etc.
- fibers are drawn from viscous gels and nanoparticles are synthesized from colloidal dispersions.
- the mild chemical conditions in the sol-gel synthesis of metal oxides allow access to inorganic-organic hybrid materials.
- the mixture of organic molecules and alkoxides in the precursor solution makes it possible to combine organic and inorganic components at the molecular level.
- Organic molecules can be easily embedded in the metal oxide matrix or covalently linked to the matrix via reactive groups.
- the hybrid materials thus obtained have a number of advantageous properties.
- their optical quality, flexibility and moldability can be controlled by the type and amount of organic radicals, depending on the intended application.
- biomolecules especially proteins
- inorganic glass-like polymers without losing their functionality and the above-described progress in the field of inorganic-inorganic hybrid materials, in particular the ability to produce these materials in monoliths, thin films, powders and fibers
- novel hybrid materials with biomolecules has made it attractive for demanding applications in bioorganic synthesis, medicine, biotechnology and environmental technology.
- the object of the present invention was therefore to provide a corresponding process for the preparation of biocompatible inorganic-organic hybrid materials, which on the one hand allows biomolecules, in particular photochromic or fluorescent proteins, to be incorporated into these polymers without the functionality of the biomolecule lost and, on the other hand, to maintain the beneficial material properties.
- Photochromic proteins are relatively rare in nature.
- the term "photochromic” refers to the property of being able to change the color when exposed to light.
- photochromic proteins are, for example, rhodopsins, for example bacteriorhodopsin or proteorhodopsin, or proteins such as phytochromes, cryptochromes, and complexes of retinal or retinal derivatives or chomophores which perform trans-isomerizations on illumination (eg azo-chromophores) with other proteins or polyamino acids (artificial proteins) as rhodopsin.
- fluorescent proteins such as green fluorescent protein (GFP), enhanced green fluorescent protein (EGFP) or yellow fluorescent protein (YFP) can also be used.
- Bacteriorhodopsin is an integral membrane protein found in the cell membrane of the halophilic organism Halobacterium salinarum (halobacteria).
- the polypeptide portion of the bacteriorhodopsin consists of 248 amino acids that form a pore in the form of seven antiparallel alpha helices. In this pore is the cofactor retinal, which acts as a chromophore.
- Retinal is bound via an imide bond (Schiff base) to the amino group of the side chain of Lys216. Retinal is present under physiological conditions as an all-trans or 13-cis isomer. The isomerization takes place under the action of visible light.
- bacteriorhodopsin In the cell membrane of the halobacteria lies bacteriorhodopsin as a trimer and forms two-dimensional crystalline (hexagonal) regions. These membrane areas, which are up to five micrometres in size, are called the purple membrane (PM). In this form bacteriorhodopsin has a high stability against physicochemical influences. Thus, the color and photochemical activity of the purple membrane are retained even in the presence of oxygen, under high salt concentrations and over a wide range of humidity.
- the bacteriorhodopsin is the light energy converter of the photosynthetic energy production of Halobacterium salinarum.
- the photosynthesis of Halobacterium salinarum is fundamentally different from the photosynthesis of the plants.
- the light energy is not used here for splitting water, but serves via the energy converter bacteriorhodopsin to build up a proton gradient between the interior (cytoplasm) of the bacterium and the external environment. This proton gradient represents the energy source for ATP synthase synthesized from ADP ATP.
- the proton gradient is generated through a multi-step process initiated by light-induced isomerization of the retina and driven by changes in proton affinities of amino acid functions.
- the chromophore which is present in the unexposed state as an all-trans retinal isomerizes after exposure to 13-cis retinal. This results in conformational changes of the protein due to the binding of the chromophore to the protein, which directly affects the initially protonated state of the Schiff base. After isomerization, this proton is in an energetically unfavorable Environment and is delivered to the immediate interaction partner of Schiff's base, Asp85, in extracellular direction. This is followed by a series of four further unidirectional proton shifts, before finally the initial state of the protein is restored and a new cycle can be run through. This light-driven pumping of protons is more spectroscopically distinguishable to a cyclic sequence
- the protein Due to its exceptional functionality, the protein is of great scientific interest, and a number of different technical applications have been proposed for bacteriorhodopsin. Of particular interest is its use as a security pigment for the protection of personal documents, value documents and products against imitation and counterfeiting as well as optical data storage.
- the high-contrast color change of the molecule is exploited on exposure to visible light, namely from violet to yellow.
- This feature of switchability between two colors with visible light provides high visibility by the user, as well as effective copy protection for suitably equipped documents.
- the imitation of such a security feature is easy to recognize because of the lack of optical switchability.
- bacteriorhodopsin in glassy silicates prepared by a sol-gel process retains its functionality (Weetall, supra).
- the glass allows the transport of small molecules, but immobilizes the protein in its pores.
- the properties of the encapsulated bacteriorhodopsin in the glass are comparable to those of the dissolved protein.
- these glassy materials have the disadvantage of high brittleness and porosity, which involves disadvantages in handling and optical quality (scattering).
- due to the porosity penetrated water weaken the network by cleavage (hydrolysis) of Si-O-Si bonds and thus additionally adversely affect the transparency and stability of the material and the immobilization of the protein.
- the present invention discloses a process for functional photochromic or fluorescent proteins, for example, bacteriorhodopsin, in an inorganic-organic hybrid material, a Hybrimer store.
- the method is preferably a sol-gel method.
- the invention furthermore relates to the hybrimers produced by the process according to the invention and to their use.
- hybrids are composite materials consisting of a network of organic and inorganic polymers.
- network refers to a three-dimensional arrangement of covalently linked compounds.
- the organic network fills in vacancies of the inorganic network, which as a rule is produced by means of condensation, so that both networks penetrate one another or are firmly connected to one another.
- inorganic means that the main chains are formed from metal oxide bonds, which may be both linear and branched, in particular -Si-O bonds.
- Si atoms for the construction of the inorganic network
- other metal or semimetal atoms such as, for example, Al, B, Zr, Y, Ba and Ti or combinations thereof, may optionally also be used.
- combinations of Si with other atoms such as Al, B, Zr, Y, Ba and Ti or combinations thereof may also be used to construct the inorganic network.
- An example of this is the combined use of Si and Zr compounds to build up the inorganic part of the network.
- the organic network is obtained by polymerization or polycondensation of organic radicals.
- the polymerization reaction may involve mechanisms such as polyaddition or cycloaddition or may be radical in nature.
- the organic radicals used contain reactive groups which can be crosslinked via a corresponding chemical reaction. These groups may, for example, be polymerizable with one another and / or copolymerizable with other reactive groups.
- the organic radicals may contain epoxide radicals as reactive groups, it also being possible for additional radicals which are polymerizable with one another and / or copolymerizable with epoxide radicals to be present.
- Another example is the use of isocyanate and hydroxy groups on the organic radicals to produce urethanes.
- the process according to the invention therefore comprises the formation of an inorganic network by condensation of at least one metal oxide compound, wherein the metal oxide compound has the formula
- M, R 1 and R 2 have the abovementioned meaning, and wherein MR 2 may be present or absent, and at least one of R 1 and R 2 is at least one reactive crosslinkable group, for example an acrylate, Vinyl, allyl, methacrylate, oxetane, epoxy, acrylamido, hydroxy, Nitrile, isonitrile, cyanate, isocyanate, amino, alkylamino, dialkylamino, mercapto, halogen, silane or cyanoalkyl group carries.
- R 1 and R 2 has the abovementioned meaning, and wherein MR 2 may be present or absent, and at least one of R 1 and R 2 is at least one reactive crosslinkable group, for example an acrylate, Vinyl, allyl, methacrylate, oxetane, epoxy, acrylamido, hydroxy, Nitrile, isonitrile, cyanate, isocyanate, amino, alkylamino, dialkylamin
- Reactive groups are those chemical groups that are crosslinkable, ie, polymerizable or polycondensable, according to methods known in the art, "crosslinking” therefore means polymerization and / or polycondensation, wherein the term “polymerization” also includes polyaddition or cycloaddition reactions as well as radical reactions which are suitable for cross-linking several molecules.
- two identical or two different reactively crosslinkable groups can be crosslinked with one another.
- identical reactive crosslinkable groups which can be crosslinked with one another are, for example, acrylic, vinyl or epoxide groups.
- Examples of different reactive crosslinkable groups are the combinations hydroxy / isocyanate, vinyl / silane and amino / hydroxy.
- crosslinking compounds for the crosslinking of the reactive groups it is also possible to use crosslinking compounds (crosslinkers).
- crosslinkers are, for example, 3-amino-1-propanol, glycerol, bisphenol A, bisepoxides, succinic anhydride, succinimide, and isophoronediamine.
- glycerin may be used as a crosslinking compound to crosslink epoxide groups.
- 3-amino-1-propanol can be used as a crosslinker to crosslink isocyanate groups.
- the aliphatic radicals are alkynyl, alkenyl and / or alkyl radicals having 1-20 carbon atoms, preferably 1-6 Carbon atoms which may be straight-chain, branched or cyclic.
- alkyl radicals are C 1 -C 6 -alkyl radicals, in particular methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, s-butyl, t-butyl, isobutyl, n-pentyl and n-hexyl.
- alkenyl radicals include vinyl, allyl, 2-butenyl, cyclopentenyl and cyclohexenyl, among others.
- alkynyl radicals examples include ethynyl, propynyl and 2-butynyl.
- Cycloaliphatic radicals include cycloalkyl radicals which have one or more ring systems. Examples are C1-C2 0 mono- or bicyclic cycloalkyl, for example cyclopentyl, cyclohexyl and norbornyl.
- metal oxides of formulas (I) or (II) may also include aromatic radicals.
- Aryl radicals include phenyl, diphenylyl and naphthyl.
- the aromatic radicals also include alkylaryl radicals such as benzyl.
- the aromatic radicals may also be heteroaromatic radicals which contain 1-3 heteroatoms, for example selected from O, N and S.
- the metal oxides of formulas (I) or (II) may also include amino acid residues, steroid residues or polyethylene oxide residues.
- radicals mentioned may be substituted or unsubstituted, ie, if appropriate, one or more substituents, for example halogen, C 1 -C 20 -alkyl, C 1 -C 20 , instead of an H atom Hydroxyalkyl, C 2 O alkenyl, Ci-C 20 -alkoxy, C 2 O aryl, C X -C 20 aryloxy, Ci-C 20 aralkyl, C 20 acyloxy, Ci-C20 alkylcarbonyl, Ci-C 20 alkoxycarbonyl, amino, Ci-C 20 alkylamino, Ci-C 20 dialkylamino, Ci-C 20 trialkylammonium, amido, hydroxy, formyl, carboxy, mercapto, cyano, nitro and epoxy wear. Particular preference is given to radicals which are substituted by one or more epoxy, hydroxyl or isocyanate groups.
- alkoxy, aryloxy, acyloxy and alkylcarbonyl radicals are derived inter alia from the abovementioned alkyl and aryl radicals. These include, inter alia, methoxy, ethoxy, n- and i-propoxy, n-, i-, s- and t-butoxy, acetyloxy, propionyloxy,
- metal oxide compounds of the formula (I) are silicon compounds such as glycidoxypropyltrimethoxysilane. These silicon compounds can also be used as mixtures.
- metal oxide compounds of the formula (I) are zirconium compounds, which can also be used as a mixture with silicon compounds.
- Suitable silanes or siloxanes are for the most part commercially available; moreover, they can be obtained synthetically in a manner known per se.
- the expert also learns helpful hints, for example, from Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5th ed.
- Inorganic networks can be obtained by hydrolytic condensation, further organic metalloid and metal compounds can be added, which are incorporated into the inorganic network during the hydrolysis.
- organic metalloid and metal compounds include, but are not limited to, silanes, zirconium compounds, and other metal oxides, particularly siloxanes, that do not have reactive crosslinkable groups.
- M is Si, Al, B, Zr, Y, Ba or Ti, each R "is independently H or a straight-chain or branched C 1 -C 20 -alkyl, alkenyl,
- Alkynyl or cycloalkyl and x is 1, 2 or 3 depending on the valency of M. Suitable compounds are therefore, for example, CH 3 -Si-Cl 3 , CH 3 -Si (OCH 3 ) 3 , C 2 H 5 -Si-Cl 3 , C 2 H 5 -Si
- Refractive index of the resulting film or monoliths are controlled.
- this additional metal oxide is a silane, preferably tetramethoxysilane. In another embodiment, this additional metal oxide is zirconium ethoxide.
- the mechanical and optionally also optical properties of the hybrimers obtainable by the process according to the invention can be determined by type and the Affect the ratio of metal oxide compounds used.
- hydrolyzable groups for example methoxy groups
- the ratio of these groups, which is hydrolyzable to non-hydrolyzable is in the range of 1: 2 to 100: 1, for example in the range 1: 1 to 20: 1, preferably in the range 1: 1 to 8: 1 , These values are to be understood as the mean value of the hydrolyzable compounds which can optionally be used as a mixture.
- the preparation of the inorganic networks can be carried out in the manner customary in the field of poly (hetero) condensation.
- (hydrolytic) condensation of silicon compounds in most cases admixing of water or, in the case of anhydrous hydrolysis, of boric acid (B (OH) 3 ) or similar compounds, at room temperature or under slight cooling, after which the resulting mixture for some time is stirred.
- B (OH) 3 boric acid
- the possible hydrolysis of the silicon compounds can also be effected by adding an acid or base, if appropriate also with the exclusion of water, ie anhydrous.
- the hydrolysis is carried out in the presence of a substoichiometric amount of H 2 O and optionally an acid, for example HCl, HF, HBr, tetrabutylammonium fluoride (TBAF), B (OH) 3 or Al (OH) 3 .
- an acid for example HCl, HF, HBr, tetrabutylammonium fluoride (TBAF), B (OH) 3 or Al (OH) 3 .
- the hydrolysis is carried out at temperatures between -20 degrees Celsius and 130 degrees Celsius, preferably between 0 and 30 degrees Celsius.
- the reaction can be carried out both in bulk and in a solvent such as methanol.
- the reactive groups for example epoxide groups
- the pH for the hydrolysis and condensation of the inorganic polymer matrix in a medium becomes dependent on the rate of hydrolysis of the alkoxides and the stability of the reactively crosslinkable groups selected.
- the condensation time depends on the particular starting components and their proportions, the pH, the concentration, optionally the catalyst used, such as Ti (OPr) 4 , the reaction temperature and the desired final viscosity, etc.
- the polycondensation is carried out at atmospheric pressure. However, it can also be performed at elevated or reduced pressure.
- the polycondensate thus obtained can be used either as such or after removal of volatile substances used or formed, such as solvents.
- polymerization or polycondensation initiators are added to the polycondensates or the mixtures from which they are obtained.
- initiators are preferably used, the Lewis or Brönstedt acids or compounds which release such acids, such as BF 3 or its ethereal adducts (BF 3 -THF, BF 3 -Et 2 O, etc.), AlCl 3 , TiCl 4 , Ti (OEt) 4 , Ti (OiPr) 4 , FeCl 3 , NbCl 5 , HPF 6 , HAsF 6 , HSbF 6 , HBF 4 , are.
- an epoxide opening can also be carried out by base catalysis.
- Suitable for this purpose are primary, secondary or tertiary amines and diamines as well as amidines.
- Particularly suitable are amidine bases such as imidazoles and bicyclic amidines such as 1,8- Diazabicyclo [5.4.0] undec-7-ene (DBU).
- initiators may also be tetrabutylammonium fluoride (TBAF), Ti (OPr) 4 (titanium tetraisopropylate), photoacids and / or onium salts and mixtures of the abovementioned compounds.
- initiator with respect to the polymerization or polycondensation reaction, therefore, includes both catalyst substances as well as other means of initiating the reaction, for example by UV light, free radical generator, etc.
- one aspect of the invention also includes the photochemical crosslinking of the reactive groups of the organic radicals.
- Another aspect of the invention involves the thermal crosslinking of the reactive groups of the organic radicals.
- the organic network one or more can be used depending on the reactively crosslinkable groups
- crosslinking of the reactive groups it is also possible to use suitable crosslinking compounds, such as bi- or multivalent crosslinkers.
- suitable crosslinking compounds such as bi- or multivalent crosslinkers.
- crosslinkers for example, glycerol, bisphenol A, succinic anhydride, isophoronediamine and bisepoxides are suitable.
- isocyanate groups with the formation of urethanes for example, 3-amino-1-propanol is suitable as crosslinker.
- the time sequence of (hydrolytic) condensation and crosslinking, for example by means of polymerization, is not fixed and can be carried out in a suitable manner simultaneously or in any desired sequence.
- polymerizable or polycondensable groups such as, for example, acrylate, vinyl, allyl, methacrylate, oxetane, epoxy or acrylamido groups or hydroxyl, nitrile, isonitrile, cyanate, isocyanate, amino, alkylamino, Dialkylamino, mercapto, halogen, silane or cyanoalkyl groups, act.
- non-functional monomers or polymers may be added to the hybrimer solution which impart further properties, such as conductivity, to the material obtainable therefrom.
- polymers are poly (p-phenylene-vinylene) (PPV), polyp, 4-
- PEDOT Ethylenedioxythiophene
- PANI polyaniline
- the hybrimers are prepared by using glycidoxypropyltrimethoxysilane and tetramethoxysilane as Starting components mixed, the silicon compounds hydrolyzed and the epoxy radicals cationically polymerized, wherein hydrolysis, condensation and polymerization can be carried out simultaneously or in any order sequentially.
- the cationic polymerization of the epoxide groups is carried out by adding a Lewis acid, preferably boron trifluoride diethyl etherate (BF 3 -Et 2 O), in a solvent, preferably the alcohol formed in the hydrolysis.
- a Lewis acid preferably boron trifluoride diethyl etherate (BF 3 -Et 2 O)
- a solvent preferably the alcohol formed in the hydrolysis.
- the ratio of epoxide groups: Lewis acid determines the rate of polymerization and thus also the rate of viscosity increase of the solution.
- the polymerization time depends on the starting components, their molar ratios, the initiator used and the reaction temperature.
- UV blockers for example siloxane-modified diphenyl ketones
- preservatives such as antibacterial additives, antioxidants, free-radical scavengers, hindered amine light stabilizers (HALS), organic dyes, such as laser dyes, inorganic Semiconductor particles, such as CdS or CdSe nanoparticles, and / or oxide or metallic nanoparticles are added to the sol.
- fluoropolymers such as siloxanes and / or titanium / zirconia compounds may be added to adjust the refractive index of the resulting film or monolith.
- moisture regulators such as glycerol may be added. When using glycerin as a moisture regulator, if it is added before or during the crosslinking reaction, it may additionally act as cross-linking agent.
- the Lewis acid may then be hydrolyzed with water and the pH of the gel with a base in a range of 4.0 to 13.0, preferably 4 , 0 to 11.0, more preferably 5.0 to 10.0, still more preferably 5.5 to 9.5.
- a base in a range of 4.0 to 13.0, preferably 4 , 0 to 11.0, more preferably 5.0 to 10.0, still more preferably 5.5 to 9.5.
- a pH range of 6.0 to 10.0 and for proteorhodopsin a pH range of 6.0 to 11.5 is optimal.
- the type and amount of base added determine the type and rate of gelation and, optionally, further crosslinking of the epoxide network.
- bases NaOH, KOH, Ca (OH) 2 , Mg (OH) 2 , primary, secondary and tertiary amines (see J. Pol. Sei., 2001, 39, 1071-1084), for example imidazoles, in particular methylimidazole , Pyridines, pyrimidines, pyrazoles, piperidines, ammonia, ethanolamines, especially triethanolamine, but also DBU (1, 8-diazabicyclo [5.4.0] undec-7-ene) and DABCO (1, 4-diazabicyclo [2.2.2] octane ), as well as mixtures thereof. Furthermore, these bases may also be buffer substances or mixtures of the above bases with buffer substances.
- Suitable buffer substances include TRIS, HEPES, BICINE, CAPS.
- inorganic buffers such as phosphate, borate, etc. can be used.
- the pH of the gel must be adjusted correspondingly with an acid to the above-indicated pH range.
- the thus adjusted pH which is advantageously close to the physiological pH, is particularly important for the functionality of the later added photochromic or fluorescent proteins.
- the alcohol optionally formed from the alcoholate in the hydrolysis, e.g. Methanol, and other volatile components usually gently and slowly under (compared to normal pressure) reduced pressure and optionally also at elevated temperature, e.g. removed in a rotary evaporator.
- reduced pressure e.g. Methanol
- elevated temperature e.g. removed in a rotary evaporator.
- the desired photochromic or fluorescent protein in the form of a solid or as a solution / dispersion in a suitable solvent, for example water or mixtures of water with other solvents and / or additives such as salts, e.g. chaotropic salts, glycerol, sugars, ureas, hydroxylamine, guanidine, amino acids such as arginine, other protein stabilizers, surfactants such as cationic, anionic and nonionic surfactants, ethylene glycols or other water-soluble polymers which serve to provide optimal conditions for the protein and / or to influence the photocycle.
- a suitable solvent for example water or mixtures of water with other solvents and / or additives
- salts e.g. chaotropic salts, glycerol, sugars, ureas, hydroxylamine, guanidine
- amino acids such as arginine, other protein stabilizers
- surfactants such as cationic, anionic and nonionic surfactants
- the photochromic or fluorescent protein obtained by means of the inventive method is incorporated into an inorganic-organic hybrid material, a rhodopsin, for example bacteriorhodopsin or proteorhodopsin.
- a rhodopsin for example bacteriorhodopsin or proteorhodopsin.
- suitable proteins are, for example, phytochromes, cryptochromes and complexes of retinal or chemically modified retinal or chomophores, which perform trans-cis isomerizations on illumination (eg azo-chromophore), and other proteins or polyamino acids (artificial proteins).
- fluorescent proteins such as Green Fluorescent Protein (GFP), Enhanced Green Fluorescent Protein (EGFP) or Yellow Fluorescent Protein (YFP).
- amino acid substitutions in the sequence of the proteins used can alter the properties.
- chemical modifications of the proteins for example, the use of artificial or modified amino acids or amino acid analogs, further advantageous properties, such as increased stability, condition.
- Other possibilities are the chemical modification of the cofactor, for example, the retina in rhodopsins or bilin in phytochromes, for example, to change the absorption properties or half-lives.
- other chromophores such as azo dyes, can be directly attached to the protein.
- the absorption maxima can be optimized by addition of chemical additives, for example of glycerol as moisture regulator, of amino acids to achieve half-lives, of hydroxylamine to realize permanent storage media from the hybrimers of the invention, UV blocking agents and oxidic nanoparticles as fillers or for other applications become.
- chemical additives for example of glycerol as moisture regulator, of amino acids to achieve half-lives, of hydroxylamine to realize permanent storage media from the hybrimers of the invention, UV blocking agents and oxidic nanoparticles as fillers or for other applications become.
- the gel can then be applied to appropriate substrates such as glass, ceramics, metals, polymers, wood, composites and papers.
- appropriate substrates such as glass, ceramics, metals, polymers, wood, composites and papers.
- Methods are known, which include, among others, “dip coating”, “spray coating”, “spin coating”, printing, knife coating and extruding.
- the resulting film is then dried, optionally leaving any remaining silanols condensed to Si-O-Si.
- This step is catalyzed by a base such as methylimidazole or other primary, secondary or tertiary amines as well as diamines as well as amidines or base mixtures.
- a base such as methylimidazole or other primary, secondary or tertiary amines as well as diamines as well as amidines or base mixtures.
- amidine bases such as imidazoles and bicyclic amidines such as 1,8- Diazabicyclo [5.4.0] undec-7-ene (DBU).
- these amines can catalyze the opening of possibly existing epoxy functions.
- the temperature must be maintained within a range that prevents denaturation of the photochromic or fluorescent proteins.
- the drying can be carried out, for example, over silica gel, also known as blue gel, or over other drying agents under vacuum or in air at temperatures up to 60 ° C.,
- Silanol functions which may still be present in the resulting film can also be saturated with reactive silanes, for example hexamethyldisilazane, (CH 3 ) 3 SiCl, HSiCl 3 , HSi (OMe) 3 or other haloalkylsilanes, for example perfluorinated compounds.
- the surface of the films can be modified with reactive group-bearing silanes.
- the surface is optionally hydrophobized depending on the silanes used and thus water repellent. This can be advantageous, for example, in the coating of papers.
- the surface can also be hydrophilized by treatment with ozone, plasma, SiCl 4 and subsequent water treatment.
- the films may be coated with other materials such as Si 3 N 4 , SiO 2 or ITO, with metals such as Al, Au, Cr, Ag, Pt and Ni, metal nitrides, Metal oxides, such as indium tin oxide, or suitable organic molecules are vapor-deposited, or cast or laminated in epoxies, siloxanes, etc.
- the resulting materials are suitable for the production of optical components, such as resonators or variable waveguides.
- monoliths can also be produced from the hybrid systems according to the invention.
- the controlled multi-stage synthesis process of the present invention enables the production of a long-term stable hybrimer system.
- the selection of materials, the precise adjustment of the pH value (buffering) and the careful removal of any pollutants, such as methanol, make the method according to the invention suitable for processing extremely sensitive materials such as proteins, for example rhodopsin, and thus, for example, water-repellent hybrid films. which contain photochromic or fluorescent proteins.
- the resulting solution was mixed 1: 1 with a solution of 3 wt .-% bacteriorhodopsin (in the form of purple membrane) in water and applied by knife coating on a glass substrate, pre-dried at room temperature and then dried at room temperature and atmospheric pressure in a desiccator over silica gel for 24 h ,
- the protein (bacteriorhodopsin) was added to the solution.
- Example 3 Use of glycerol as cross-linker in epoxy films as well as moisture regulator
- Example 4 Preparation of a siloxane-urethane-urea composite
- the resulting solution can be used excellently for printing processes.
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Abstract
Description
Verfahren zur Herstellung von biokompatiblen Hybrimeren für optische AnwendungenProcess for the preparation of biocompatible hybrimers for optical applications
Die vorliegende Erfindung betrifft anorganisch-organische Hybridmaterialien, die photochrome und/oder fluoreszierendeThe present invention relates to inorganic-organic hybrid materials, the photochromic and / or fluorescent
Proteine enthalten, erhältlich durch Kondensation sowieContain proteins available through condensation as well
Vernetzung einer oder mehrerer reaktive Gruppen enthaltender metallorganischer Verbindungen sowie durch die Verwendung vonCrosslinking of one or more reactive groups containing organometallic compounds and by the use of
Metalloxidkondensaten, die bereits vernetzte und gegebenenfalls noch unvernetzte Gruppen enthalten, Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung.Metal oxide condensates containing already crosslinked and optionally uncrosslinked groups, processes for their preparation and their use.
Hybrimere sind eine Klasse von anorganisch-organischen Verbundwerkstoffen, die aus atomaren Keramik- und Kunststoff- Netzen bestehen, welche miteinander verbunden sind und sich durchdringen. Der Ausdruck "Hybrimer" ist ein Kürzel für "Hybrid Polymere". Entsprechende Materialien sind im Stand der Technik auch als Ormocere (organisch modifizierte Keramiken) oder, im Spezialfall, auch als Ormosile (organisch modifizierte Siliziumverbindungen) bekannt. Die Herstellung dieser Polymere erfolgt nach einem Sol-Gel-Prozess in Anwesenheit saurer oder basischer Katalysatoren (Wu et al., Chem. Mater., 1993, 5, 115-120; Shamansky et al. , Bios. Bioelectr. , 2002, 17, 227-231; Innozenzi et al . , Chem. Mater., 1999, 11, 1672-1679; Piana et al., Chem. Mater., 1994, 6, 1504-1508; Yoda et al., J. Non-Cryst. Solids, 1996, 208, 191-198; Ochi et al., J. Pol. Sei., 2001, 39, 1071-1084; Jones et al., J. Non-Cryst. Solids, 2001, 291, 206-210).Hybrimers are a class of inorganic-organic composites made up of atomic ceramic and plastic meshes that interconnect and interpenetrate. The term "hybrimer" is an abbreviation for "hybrid polymers". Corresponding materials are known in the art as Ormocere (organically modified ceramics) or, in special cases, as Ormosile (organically modified silicon compounds). These polymers are prepared by a sol-gel process in the presence of acidic or basic catalysts (Wu et al., Chem. Mater., 1993, 5, 115-120; Shamansky et al., Bios. Bioelectr., 2002, 17 , 227-231; Innozenzi et al., Chem. Mater., 1999, 11, 1672-1679; Piana et al., Chem. Mater., 1994, 6, 1504-1508; Yoda et al., J. Non. Cryst. Solids, 1996, 208, 191-198; Ochi et al., J. Pol. Sci., 2001, 39, 1071-1084; Jones et al., J. Non-Cryst., Solids, 2001, 291, 206 -210).
Die Kombination von neuartigen Materialien mit biologischen Molekülen ist in den letzten Jahren zu einem der innovativsten Forschungsgebiete geworden. Während der letzten Jahrzehnte wurde die Entwicklung von Biomaterialien hauptsächlich durch medizinische Anwendungsmöglichkeiten in Form von Implantaten angetrieben. Solche Materialien mussten gute mechanische Eigenschaften aufweisen und biokompatibel sein, um in den menschlichen Körper implantiert werden zu können und beschädigtes Gewebe oder Knochen zu ersetzen. Die industrielle Weiterentwicklung der Biotechnologie war ein weiterer wichtiger Faktor bei der Suche nach neuen Materialien, da die Immobilisierung von bioaktiven Molekülen, wie z. B. Enzymen, auf festen Trägerstoffen häufig Vorteile bietet. Die Bioverkapselung, d.h. das Einschließen von Biomolekülen in einem Polymergerüst, war allerdings lange auf organische Polymere beschränkt, da die Verarbeitung von Glas bei hohen Temperaturen mit empfindlichen Biomolekülen nicht kompatibel ist. Metalloxidverbindungen bieten allerdings einige Vorteile, wie z.B. verbesserte mechanische Festigkeit und chemische Widerstandsfähigkeit. Ferner kann das "leaching" von Biomolekülen verhindert werden, da Metalloxidverbindungen in wässrigen oder organischen Lösungsmitteln nicht aufquellen. Darüber hinaus haben Metalloxidverbindungen den Vorteil, dass sie keine Nährstoffquelle für Mikroorganismen, nicht toxisch und biologisch inert sind. Aus diesem Grund wurden in der Vergangenheit bereits Techniken zur Immobilisierung von Enzymen auf Glasoberflächen entwickelt. Diese kovalente Kopplung erfordert aber oftmals Kopplungsreagenzien und chemische Modifikationen, die die Bioaktivität von Enzymen und Zellen negativ beeinflussen können. Daher kann die physikalische Verkapselung in Sol-Gel-Materialien neue Möglichkeiten für die Biotechnologie bieten.The combination of novel materials with biological molecules has become one of the most innovative areas of research in recent years. During the last decades has been the development of biomaterials driven mainly by medical applications in the form of implants. Such materials had to have good mechanical properties and be biocompatible in order to be implanted into the human body and replace damaged tissue or bone. The industrial advancement of biotechnology was another important factor in the search for new materials, since the immobilization of bioactive molecules such. As enzymes, often offers advantages on solid carriers. However, bioencapsulation, ie, entrapment of biomolecules in a polymer backbone, has long been restricted to organic polymers because processing of glass at high temperatures is incompatible with susceptible biomolecules. However, metal oxide compounds offer some advantages, such as improved mechanical strength and chemical resistance. Furthermore, leaching of biomolecules can be prevented since metal oxide compounds do not swell in aqueous or organic solvents. In addition, metal oxide compounds have the advantage that they are not a source of nutrients for microorganisms, non-toxic and biologically inert. For this reason, techniques have been developed in the past for the immobilization of enzymes on glass surfaces. However, this covalent coupling often requires coupling reagents and chemical modifications that can adversely affect the bioactivity of enzymes and cells. Therefore, physical encapsulation in sol-gel materials can offer new opportunities for biotechnology.
Das sogenannte Sol-Gel-Verfahren ist ein Verfahren, das die Synthese von glasartigen Metalloxidverbindungen bei Raumtemperatur erlaubt. Erste Versuche haben bereits gezeigt, dass sich mittels dieses Verfahrens Biomoleküle unter Beibehaltung ihrer Aktivität in Metalloxidverbindungen, insbesondere Silikatverbindungen, verkapseln lassen (Livage et al., J. Phys.: Condens. Matter, 2001, 13, R673-R691; GiIl & Ballesteros, J. Am. Chem. Soc, 1998, 120, 8587-8598; Weetall, Biosensors & Bioelectronics, 1996, 11(3), 327-333; Zink et al . , New J. Chem., 1994, 18, 1109-1115; Reetz, Adv. Mater., 1997, 9(12), 943-954).The so-called sol-gel process is a process that allows the synthesis of glassy metal oxide compounds at room temperature. First experiments have already shown that biomolecules can be encapsulated while maintaining their activity in metal oxide compounds, in particular silicate compounds (Livage et al., J. Phys .: Condens.Matter, 2001, 13, R673-R691, Giill & Ballesteros, J. Am. Chem Soc., 1998, 120, 8587-8598; Weetall, Biosensors & Bioelectronics, 1996, 11 (3), 327-333; Zink et al., New J. Chem., 1994, 18, 1109-1115; Reetz, Adv Mater., 1997, 9 (12), 943-954).
Das Sol-Gel Verfahren ähnelt der Biomineralisation. Die Biomineralisation tritt in Wasser unter milden Bedingungen, bei neutralem pH und Raumtemperatur auf. Wenn als Metalloxid Silikate verwendet werden, polymerisieren Kieselsäuremoleküle Si(OH)4 unter Abspaltung von Wasser zu einem Netzwerk aus Siliziumatomen, die über Sauerstoffatome verbunden sind.The sol-gel method is similar to biomineralization. Biomineralization occurs in water under mild conditions, at neutral pH and room temperature. When silicates are used as the metal oxide, silicic acid molecules polymerize Si (OH) 4 with elimination of water to form a network of silicon atoms connected by oxygen atoms.
Gegenwärtig werden in chemischen Anwendungen anstelle von Kieselsäure allerdings überwiegend Alkoxysilane, die unter Abspaltung von Alkoholen kondensieren, eingesetzt.At present, however, alkoxysilanes, which condense with the elimination of alcohols, are used predominantly in chemical applications instead of silica.
Während die Kondensation fortschreitet, wachsen die Siliziumoxidpartikel, was pH-Wert abhängig zur Bildung von kolloidalen Lösungen (Sole) oder Gelen führt. Diese Gele können bei Raumtemperatur teilweise getrocknet werden, um ein poröses Netzwerk aus hydratisiertem, amorphen Siliziumoxid SiCVnH2O (Xerogel) zu erhalten.As the condensation progresses, the silica particles grow, resulting in pH dependent formation of colloidal solutions (sols) or gels. These gels may be partially dried at room temperature to obtain a porous network of hydrated amorphous silica SiCVnH 2 O (xerogel).
Die Sol-Gel Chemie bietet ein vielseitiges Verfahren für die Synthese von Metalloxiden bei niedriger Temperatur. Dünne Filme können durch "Dip-coating" , "Spin-coating" , Rakeln, Drucken, Sprayen etc. auf jede Art von Trägermaterial (Glas, Keramik, Metalle, Polymere) aufgetragen werden. Ferner können aus viskosen Gelen Fasern gezogen und aus kolloidalen Dispersionen Nanopartikel synthetisiert werden.The sol-gel chemistry offers a versatile method for the synthesis of metal oxides at low temperature. Thin films can be applied to any type of support material (glass, ceramics, metals, polymers) by dip-coating, spin coating, knife coating, printing, spraying, etc. Furthermore, can fibers are drawn from viscous gels and nanoparticles are synthesized from colloidal dispersions.
Die milden chemischen Bedingungen bei der Sol-Gel Synthese von Metalloxiden ermöglichen den Zugang zu anorganischorganischen Hybridmaterialien. Die Mischung von organischen Molekülen und Alkoxiden in der Vorläuferlösung erlaubt es, organische und anorganische Bestandteile auf molekularer Ebene zu verbinden. Organische Moleküle können einfach in der Metalloxidmatrix eingebettet oder kovalent über reaktive Gruppen an die Matrix gebunden werden.The mild chemical conditions in the sol-gel synthesis of metal oxides allow access to inorganic-organic hybrid materials. The mixture of organic molecules and alkoxides in the precursor solution makes it possible to combine organic and inorganic components at the molecular level. Organic molecules can be easily embedded in the metal oxide matrix or covalently linked to the matrix via reactive groups.
Die so erhaltenen Hybridmaterialien haben eine Reihe von vorteilhaften Eigenschaften. Insbesondere kann ihre optische Qualität, Flexibilität und Formbarkeit im Gegensatz zu den festen und spröden reinen Metalloxidmaterialien über Art und Menge der organischen Reste je nach beabsichtigtem Einsatzgebiet gesteuert werden.The hybrid materials thus obtained have a number of advantageous properties. In particular, unlike the solid and brittle pure metal oxide materials, their optical quality, flexibility and moldability can be controlled by the type and amount of organic radicals, depending on the intended application.
Die Erkenntnis, dass sich Biomoleküle, insbesondere Proteine, in anorganischen glasähnlichen Polymeren verkapseln lassen ohne ihre Funktionalität zu verlieren und die oben beschriebenen Fortschritte auf dem Gebiet der anorganischorganischen Hybridmaterialien, insbesondere die Möglichkeit diese Materialien in Monolithen, dünnen Filmen, Pulvern und Fasern herzustellen, hat die Kombination der neuartigen Hybridmaterialien mit Biomolekülen für anspruchsvolle Anwendungen in der bioorganischen Synthese, der Medizin, Biotechnologie und Umwelttechnologie attraktiv gemacht.The finding that biomolecules, especially proteins, can be encapsulated in inorganic glass-like polymers without losing their functionality and the above-described progress in the field of inorganic-inorganic hybrid materials, in particular the ability to produce these materials in monoliths, thin films, powders and fibers has the combination of novel hybrid materials with biomolecules has made it attractive for demanding applications in bioorganic synthesis, medicine, biotechnology and environmental technology.
Daher wurden große Anstrengungen unternommen, um Sol-Gel Verfahren für die effiziente Immobilisierung von empfindlichen Biomolekülen, insbesondere Proteinen und ganzen Zellen, in physiko-chemisch robusten Verbundstoffen zu entwickeln.Therefore, great efforts have been made to sol-gel methods for the efficient immobilization of sensitive biomolecules, especially proteins and whole Cells to develop in physico-chemically robust composites.
Trotz des unbestreitbaren Potentials der Sol-Gel-Technologie bestehen insbesondere bei dem Einschließen von Biomolekülen nach wie vor große Probleme. Diese sind vermutlich auf die im Allgemeinen für Sol-Gel Werkstoffe verwendeten Alkyl-, Alkoxy- und Alkylalkoxy-Silane zurückzuführen. Die schlechte Wasserlöslichkeit und Reaktivität dieser Verbindung erfordert in der Regel Lösungsmittel und andere Zusatzstoffe, v/ie z.B. Tenside oder Katalysatoren, die biologische Materialien nachteilig beeinflussen. Ferner setzt die Hydrolyse der Alkoxysilane Alkohole frei, die für die Bioaktivität schädlich sind und Biomoleküle, wie z.B. Proteine, irreversibel schädigen, d.h. denaturieren, können.Despite the undeniable potential of sol-gel technology, there are still major problems, particularly in the entrapment of biomolecules. These are presumably due to the alkyl, alkoxy and alkylalkoxy silanes generally used for sol-gel materials. The poor water solubility and reactivity of this compound usually requires solvents and other additives, e.g. Surfactants or catalysts that adversely affect biological materials. Furthermore, the hydrolysis of the alkoxysilanes releases alcohols which are detrimental to bioactivity, and biomolecules, e.g. Proteins irreversibly damage, i. can denature.
Aus diesem Grund besteht nach wie vor Bedarf für verbesserte Verfahren zur Herstellung biokompatibler anorganischorganischer Hybridmaterialien, die es auf der einen Seite erlauben die Funktionalität von im Polymermaterial immobilisierten Biomolekülen zu erhalten und auf der anderen Seite ihre vorteilhaften Materialeigenschaften beibehalten.For this reason, there is still a need for improved methods of making biocompatible hybrid inorganic-inorganic materials which, on the one hand, allow the functionality of biomolecules immobilized in the polymer material to be maintained and, on the other hand, retain their advantageous material properties.
Insbesondere besteht ein Bedarf für Verfahren zur Herstellung von Hybrimer-Materialien, die die funktionelle Verkapselung von Proteinen erlauben.In particular, there is a need for methods of making hybrimer materials that permit the functional encapsulation of proteins.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es deshalb, ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung von biokompatiblen anorganisch-organischen Hybridmaterialien bereitzustellen, das es zum einen erlaubt Biomoleküle, insbesondere photochrome oder fluoreszierende Proteine, in diese Polymere einzubinden, ohne dass die Funktionalität des Biomoleküls verloren geht, und zum anderen die vorteilhaften Materialeigenschaften beizubehalten.The object of the present invention was therefore to provide a corresponding process for the preparation of biocompatible inorganic-organic hybrid materials, which on the one hand allows biomolecules, in particular photochromic or fluorescent proteins, to be incorporated into these polymers without the functionality of the biomolecule lost and, on the other hand, to maintain the beneficial material properties.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by the method according to claim 1.
Photochrome Proteine sind in der Natur relativ selten. Der Ausdruck "photochrom" bezieht sich dabei auf die Eigenschaft, bei Lichtexposition die Farbe ändern zu können. Beispiele für photochrome Proteine sind beispielsweise Rhodopsine, beispielsweise Bakteriorhodopsin oder Proteorhodopsin, oder Proteine wie Phytochrome, Cryptochrome, und Komplexe aus Retinal bzw. Retinalderivaten bzw. Chomophoren, die trans- cis-Isomerisierungen bei Beleuchtung durchführen (z.B. Azo- chromophore) , mit anderen Proteinen oder Polyaminosäuren (künstliche Proteine) als Rhodopsin. Neben photochromen Proteinen können auch fluoreszierende Proteine, wie beispielsweise GFP (green fluorescent protein) , EGFP (enhanced green fluorescent protein) oder YFP (yellow fluorescent protein) , Verwendung finden.Photochromic proteins are relatively rare in nature. The term "photochromic" refers to the property of being able to change the color when exposed to light. Examples of photochromic proteins are, for example, rhodopsins, for example bacteriorhodopsin or proteorhodopsin, or proteins such as phytochromes, cryptochromes, and complexes of retinal or retinal derivatives or chomophores which perform trans-isomerizations on illumination (eg azo-chromophores) with other proteins or polyamino acids (artificial proteins) as rhodopsin. In addition to photochromic proteins, fluorescent proteins, such as green fluorescent protein (GFP), enhanced green fluorescent protein (EGFP) or yellow fluorescent protein (YFP) can also be used.
Bakteriorhodopsin ist ein integrales Membranprotein, welches in der Zellmembran des halophilen Organismus Halobacterium salinarum (Halobakterien) vorkommt. Der Polypeptidanteil des Bakteriorhodopsin besteht aus 248 Aminosäuren die, in Form von sieben antiparallelen alpha-Helices eine Pore bilden. In dieser Pore befindet sich der Kofaktor Retinal, der als Chromophor fungiert. Retinal ist über eine Imidbindung (Schiffsche Base) an die Aminogruppe der Seitenkette von Lys216 gebunden. Unter physiologischen Bedingungen liegt Retinal als all-trans oder 13-cis Isomer vor. Die Isomerisierung erfolgt unter Einwirkung von sichtbarem Licht. In der Zellmembran der Halobakterien liegt Bakteriorhodopsin als Trimer vor und bildet zweidimensional kristalline (hexagonale) Bereiche aus. Diese bis zu fünf Mikrometer großen Membranbereiche werden als Purpurmembran (PM) bezeichnet. In dieser Form besitzt Bakteriorhodopsin eine hohe Stabilität gegenüber physikalisch-chemischen Einflüssen. So bleiben Farbe und photochemische Aktivität der Purpurmembran auch in Gegenwart von Sauerstoff, unter hohen Salzkonzentrationen sowie über einen breiten Feuchtigkeitsbereich erhalten.Bacteriorhodopsin is an integral membrane protein found in the cell membrane of the halophilic organism Halobacterium salinarum (halobacteria). The polypeptide portion of the bacteriorhodopsin consists of 248 amino acids that form a pore in the form of seven antiparallel alpha helices. In this pore is the cofactor retinal, which acts as a chromophore. Retinal is bound via an imide bond (Schiff base) to the amino group of the side chain of Lys216. Retinal is present under physiological conditions as an all-trans or 13-cis isomer. The isomerization takes place under the action of visible light. In the cell membrane of the halobacteria lies bacteriorhodopsin as a trimer and forms two-dimensional crystalline (hexagonal) regions. These membrane areas, which are up to five micrometres in size, are called the purple membrane (PM). In this form bacteriorhodopsin has a high stability against physicochemical influences. Thus, the color and photochemical activity of the purple membrane are retained even in the presence of oxygen, under high salt concentrations and over a wide range of humidity.
Das Bakteriorhodopsin stellt den Lichtenergie-Konverter der photosynthetischen Energiegewinnung von Halobacterium salinarum dar. Die von Halobacterium salinarum vollzogene Photosynthese unterscheidet sich grundlegend von der Photosynthese der Pflanzen. Die Lichtenergie wird hier nicht zur Spaltung von Wasser genutzt, sondern dient über den Energiekonverter Bakteriorhodopsin zum Aufbau eines Protonen- Gradienten zwischen dem Innern (Cytoplasma) des Bakteriums und der äußeren Umgebung. Dieser Protonen-Gradient stellt die Energiequelle für die ATP-Synthase dar, die aus ADP ATP synthetisiert.The bacteriorhodopsin is the light energy converter of the photosynthetic energy production of Halobacterium salinarum. The photosynthesis of Halobacterium salinarum is fundamentally different from the photosynthesis of the plants. The light energy is not used here for splitting water, but serves via the energy converter bacteriorhodopsin to build up a proton gradient between the interior (cytoplasm) of the bacterium and the external environment. This proton gradient represents the energy source for ATP synthase synthesized from ADP ATP.
Der Protonen-Gradient wird über einen mehrstufigen Prozess, initiiert durch die lichtinduzierte Isomerisierung des Retinais und angetrieben durch Veränderungen der Protonenaffinitäten von Aminosäurefunktionen, erzeugt. Das Chromophor, welches im unbelichteten Zustand als all-trans Retinal vorliegt, isomerisiert nach Belichtung zu 13-cis Retinal. Das hat, aufgrund der Bindung des Chromophors an das Protein, konformationelle Änderungen des Proteins zur Folge, was sich unmittelbar auf den zunächst protonierten Zustand der Schiffsehen Base auswirkt. Nach der Isomerisierung befindet sich dieses Proton in einer energetisch ungünstigen Umgebung und wird an den unmittelbaren Wechselwirkungspartner der Schiffschen Base, Asp85, in extrazelluläre Richtung abgegeben. Daran ist eine Folge von vier weiteren unidirektionalen Protonenverschiebungen geknüpft, bevor abschließend der Ausgangszustand des Proteins wiederhergestellt wird und ein neuer Zyklus durchlaufen werden kann. Dieses lichtgetriebene Pumpen von Protonen ist an eine zyklische Folge spektroskopisch unterscheidbarerThe proton gradient is generated through a multi-step process initiated by light-induced isomerization of the retina and driven by changes in proton affinities of amino acid functions. The chromophore, which is present in the unexposed state as an all-trans retinal isomerizes after exposure to 13-cis retinal. This results in conformational changes of the protein due to the binding of the chromophore to the protein, which directly affects the initially protonated state of the Schiff base. After isomerization, this proton is in an energetically unfavorable Environment and is delivered to the immediate interaction partner of Schiff's base, Asp85, in extracellular direction. This is followed by a series of four further unidirectional proton shifts, before finally the initial state of the protein is restored and a new cycle can be run through. This light-driven pumping of protons is more spectroscopically distinguishable to a cyclic sequence
Zustände des Proteins geknüpft. Diese Folge wird Photozyklus genannt. Das Durchlaufen des Photozyklus infolge vonStates of the protein linked. This episode is called a photocycle. Passing through the photocycle as a result of
Belichtung ist mit einem reversiblen Farbwechsel von ViolettExposure is with a reversible color change of violet
(B-Zustand, Absorptionsmaximum 570nm) nach Gelb (M-Zustand,(B-state, absorption maximum 570nm) to yellow (M-state,
Absorptionsmaximum 410nm) verbunden.Absorption maximum 410nm).
Aufgrund seiner außergewöhnlichen Funktionalität ist das Protein von großem wissenschaftlichem Interesse, zudem wurden für Bakteriorhodopsin eine Reihe verschiedener technischer Anwendungen vorgeschlagen. Insbesondere von Interesse ist seine Verwendung als Sicherheitspigment für den Schutz von Personaldokumenten, Wertdokumenten und Produkten vor Nachahmung und Fälschung sowie als optischer Datenspeicher.Due to its exceptional functionality, the protein is of great scientific interest, and a number of different technical applications have been proposed for bacteriorhodopsin. Of particular interest is its use as a security pigment for the protection of personal documents, value documents and products against imitation and counterfeiting as well as optical data storage.
Im Falle einer Verwendung als Sicherheitspigment, wird der kontrastreiche Farbwechsel des Moleküls bei Belichtung mit sichtbarem Licht, nämlich von violett nach gelb, ausgenutzt. Dieses Merkmal der Schaltbarkeit zwischen zwei Farben mit sichtbarem Licht bietet eine hohe Erkennbarkeit durch den Nutzer, sowie einen effektiven Kopierschutz für entsprechend ausgerüstete Dokumente. Die Nachahmung eines solchen Sicherheitsmerkmals ist wegen der dann fehlenden optischen Schaltbarkeit leicht zu erkennen. Durch geeignete Modifikationen des Bakteriorhodopsins, lässt sich, z.B. über Erkennungstags oder Mutationen in der Aminosäuresequenz des Proteins sowie chemische Modifikation des Retinais, ferner mittels geeigneter Laborverfahren die Herkunft eines Materials sicher identifizieren. (Birge, Annu. Rev. Phys. Chem. , 1990, 41, 683; Oesterhelt et al., Quarterly Rev. Biophys.., 1991, 24, 425; Brauchle et al., Adv. Mater., 1991, 3, 420; Miyasaka et al., Science 1992, 255, 342).In the case of use as a security pigment, the high-contrast color change of the molecule is exploited on exposure to visible light, namely from violet to yellow. This feature of switchability between two colors with visible light provides high visibility by the user, as well as effective copy protection for suitably equipped documents. The imitation of such a security feature is easy to recognize because of the lack of optical switchability. By suitable modifications of the bacteriorhodopsin, the origin of a material can be reliably identified, for example via recognition tags or mutations in the amino acid sequence of the protein as well as chemical modification of the retina, and also by means of suitable laboratory methods. (Birge, Annu., Rev. Phys., Chem., 1990, 41, 683; Oesterhelt et al., Quarterly Rev. Biophys., 1991, 24, 425; Brauchle et al., Adv. Mater., 1991, 3, 420, Miyasaka et al., Science 1992, 255, 342).
Es wurde bereits demonstriert, dass Bakteriorhodopsin in glasartigen Silikaten, die mittels eines Sol-Gel Verfahrens hergestellt wurden, seine Funktionalität beibehält (Weetall, supra) . Das Glas erlaubt den Transport kleiner Moleküle, immobilisiert jedoch das Protein in seinen Poren. Es wurde gezeigt, dass die Eigenschaften des im Glas eingekapselten Bakteriorhodopsins vergleichbar zu denen des gelösten Proteins sind. Diese glasartigen Materialien haben allerdings den Nachteil einer hohen Sprödigkeit und Porosität, was Nachteile bei der Handhabung und optischen Qualität (Streuung) mit sich bringt. Weiterhin kann aufgrund der Porosität eingedrungenes Wasser das Netzwerk durch Spaltung (Hydrolyse) von Si-O-Si-Bindungen schwächen und somit zusätzlich die Transparenz und Stabilität des Materials sowie die Immobilisierung des Proteins negativ beeinflussen.It has already been demonstrated that bacteriorhodopsin in glassy silicates prepared by a sol-gel process retains its functionality (Weetall, supra). The glass allows the transport of small molecules, but immobilizes the protein in its pores. It has been shown that the properties of the encapsulated bacteriorhodopsin in the glass are comparable to those of the dissolved protein. However, these glassy materials have the disadvantage of high brittleness and porosity, which involves disadvantages in handling and optical quality (scattering). Furthermore, due to the porosity penetrated water weaken the network by cleavage (hydrolysis) of Si-O-Si bonds and thus additionally adversely affect the transparency and stability of the material and the immobilization of the protein.
Die Verkapselung von funktionellem Bakteriorhodopsin oder anderen photochromen und fluoreszierenden Proteinen in anorganisch-organischen Hybridmaterialien wurde dagegen mangels geeigneter Verfahren bisher nicht beschrieben.The encapsulation of functional bacteriorhodopsin or other photochromic and fluorescent proteins in inorganic-organic hybrid materials, however, has not previously been described for lack of suitable methods.
So offenbart die vorliegende Erfindung zum ersten Mal ein Verfahren, mit dem sich funktionelle photochrome oder fluoreszierende Proteine, beispielsweise Bakteriorhodopsin, in ein anorganisch-organisches Hybridmaterial, ein Hybrimer, einlagern lassen. Das Verfahren ist vorzugsweise ein Sol-Gel Verfahren.Thus, for the first time, the present invention discloses a process for functional photochromic or fluorescent proteins, for example, bacteriorhodopsin, in an inorganic-organic hybrid material, a Hybrimer store. The method is preferably a sol-gel method.
Gegenstand der Erfindung sind des Weiteren die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Hybrimere sowie deren Verwendung.The invention furthermore relates to the hybrimers produced by the process according to the invention and to their use.
Wie eingangs erwähnt, sind "Hybrimere", die teilweise auch als Ormocere oder Ormosile bezeichnet werden, Verbundwerkstoffe, die aus einem Netzwerk aus organischen und anorganischen Polymeren bestehen. Dabei bezeichnet der Ausdruck "Netzwerk" eine dreidimensionale Anordnung miteinander kovalent verbundener Verbindungen. Hierbei füllt das organische Netzwerk Leerstellen des in der Regel mittels Kondensation erzeugten anorganischen Netzwerkes aus, so dass sich beide Netzwerke durchdringen oder fest miteinander verbunden sind.As mentioned earlier, "hybrimers", sometimes referred to as ormocers or ormosils, are composite materials consisting of a network of organic and inorganic polymers. The term "network" refers to a three-dimensional arrangement of covalently linked compounds. In this case, the organic network fills in vacancies of the inorganic network, which as a rule is produced by means of condensation, so that both networks penetrate one another or are firmly connected to one another.
In diesem Zusammenhang bedeutet anorganisch, dass die Hauptketten aus Metalloxidbindungen, die sowohl linear als auch verzweigt sein können, gebildet werden, insbesondere aus -Si-O- Bindungen. Neben der Verwendung von Si-Atomen zum Aufbau des anorganischen Netzwerkes können gegebenenfalls auch andere Metall- oder Halbmetallatome, wie beispielsweise Al, B, Zr, Y, Ba und Ti oder Kombinationen davon verwendet werden. Ferner können auch Kombinationen von Si mit anderen Atomen, wie Al, B, Zr, Y, Ba und Ti oder Kombinationen davon, zum Aufbau des anorganischen Netzwerks verwendet werden. Ein Beispiel dafür ist die kombinierte Verwendung von Si und Zr- Verbindungen zum Aufbau des anorganischen Teils des Netzwerks . Das organische Netzwerk wird durch Polymerisation oder Polykondensation von organischen Resten erhalten. Die Polymerisationsreaktion kann dabei Mechanismen wie Polyaddition oder Cycloaddition einschließen oder kann von radikalischer Natur sein. Die verwendeten organische Reste enthalten reaktive Gruppen, die über eine entsprechende chemische Reaktion vernetzbar sind. Dabei können diese Gruppen beispielsweise untereinander polymerisierbar und/oder mit anderen reaktiven Gruppen kopolymerisierbar sein. Zum Beispiel können die organischen Reste als reaktive Gruppen Epoxidreste enthalten, wobei auch zusätzlich weitere Reste, die untereinander polymerisierbar und/oder mit Epoxidresten kopolymerisierbar sind, enthalten sein können. Ein weiteres Beispiel ist die Verwendung von Isocyanat- und Hydroxygruppen an den organischen Resten, um Urethane zu erzeugen.In this context, inorganic means that the main chains are formed from metal oxide bonds, which may be both linear and branched, in particular -Si-O bonds. In addition to the use of Si atoms for the construction of the inorganic network, other metal or semimetal atoms, such as, for example, Al, B, Zr, Y, Ba and Ti or combinations thereof, may optionally also be used. Further, combinations of Si with other atoms such as Al, B, Zr, Y, Ba and Ti or combinations thereof may also be used to construct the inorganic network. An example of this is the combined use of Si and Zr compounds to build up the inorganic part of the network. The organic network is obtained by polymerization or polycondensation of organic radicals. The polymerization reaction may involve mechanisms such as polyaddition or cycloaddition or may be radical in nature. The organic radicals used contain reactive groups which can be crosslinked via a corresponding chemical reaction. These groups may, for example, be polymerizable with one another and / or copolymerizable with other reactive groups. For example, the organic radicals may contain epoxide radicals as reactive groups, it also being possible for additional radicals which are polymerizable with one another and / or copolymerizable with epoxide radicals to be present. Another example is the use of isocyanate and hydroxy groups on the organic radicals to produce urethanes.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst daher die Bildung eines anorganischen Netzwerks durch Kondensation mindestens einer Metalloxidverbindung, wobei die Metalloxidverbindung die FormelThe process according to the invention therefore comprises the formation of an inorganic network by condensation of at least one metal oxide compound, wherein the metal oxide compound has the formula
Ri R4 M-Ri R 4 M-
Rs R s
(D besitzt, wobei M Si, Al, B, Zr, Y, Ba oder Ti bedeutet, wobei jeder der Reste Rif R2, R3 und R4 unabhängig voneinander einen unsubstituierten oder substituierten aliphatischen, cycloaliphatischen oder aromatischen Rest mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen bedeutet, wobei eine oder mehrere CH2- Gruppen des aliphatischen oder cycloaliphatischen Rests durch O, C=O, C(O)O-, NR', Si (R') 2, Si(R')2O, CR' 2 und/oder S, und/oder gegebenenfalls eine oder mehrere CH3-Gruppen des aliphatischen oder cycloaliphatischen Rests durch OR' , C(O)R', COOR', NR2', Si (R') 3, Si(IV)2OR' und/oder SR' ersetzt sein können, wobei jedes R' unabhängig H, Ci-C20 Alkyl, Alkenyl, Alkinyl oder Alkoxy, OH oder Halogen ist, wobei mindestens zwei von R1, R2, R3 und R4 ein hydrolysierbares Alkoholat, insbesondere Methoxy, Ether von Glycerin oder Glykol oder andere komplexierende Verbindungen wie Acetylacetonat, sind, wobei mindestens einer von R1, R2, R3 und R4 mindestens eine reaktiv vernetzbare Gruppe, beispielsweise eine Acrylat-, Vinyl-, Allyl-, Methacrylat-, Oxetan-, Epoxy- Acrylamido-, Hydroxy-, Nitril-, Isonitril-, Cyanat-, Isocyanat-, Amino-, Alkylamino-, Dialkylamino-, Mercapto-, Halogen-, Silan- oder Cyanoalkylgruppe trägt, und wobei abhängig von der Wertigkeit von M R3 und/oder R4 vorhanden oder nicht vorhanden sein können, oder wobei die Metalloxidverbindung ein cyclisches, verzweigtes oder lineares Oligo- bzw. Polymetalloxid ist, umfassend Struktureinheiten der Formel (II)(D has, where M is Si, Al, B, Zr, Y, Ba or Ti, wherein each of the radicals R if R 2 , R3 and R 4 are independently an unsubstituted or substituted aliphatic, cycloaliphatic or aromatic radical having 1 to 20 Carbon atoms, wherein one or more CH 2 - groups of the aliphatic or cycloaliphatic radical by O, C = O, C (O) O-, NR ', Si (R') 2 , Si (R ') 2 O, CR' 2 and / or S, and / or optionally one or more CH 3 groups of the aliphatic or cycloaliphatic radical may be replaced by OR ', C (O) R', COOR ', NR 2 ', Si (R ') 3 , Si (IV) 2 OR' and / or SR ', where each R' independently H, Ci-C 20 alkyl, alkenyl, alkynyl or alkoxy, OH or halogen, wherein at least two of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 is a hydrolyzable alkoxide, in particular methoxy, ethers of glycerol or glycol or other complexing Compounds such as acetylacetonate, wherein at least one of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 is at least one reactive crosslinkable group, for example an acrylate, vinyl, allyl, methacrylate, oxetane, epoxy acrylamido, hydroxy , Nitrile, isonitrile, cyanate, isocyanate, amino, alkylamino, dialkylamino, mercapto, halogen, silane or cyanoalkyl group, and depending on the valence of MR 3 and / or R 4 present or may not exist, or wherein the metal oxide compound is a cyclic, branched or linear oligo- or polymetal oxide comprising structural units of the formula (II)
RiRi
-0 M—0--0 M-0-
R2 R 2
(II),(II)
wobei M, R1 und R2 die oben angegebene Bedeutung haben, und wobei abhängig von der Wertigkeit von M R2 vorhanden sein oder fehlen kann, und wobei mindestens einer von R1 und R2 mindestens eine reaktiv vernetzbare Gruppe, beispielsweise eine Acrylat-, Vinyl-, Allyl-, Methacrylat-, Oxetan-, Epoxy-, Acrylamido-, Hydroxy-, Nitril-, Isonitril-, Cyanat-, Isocyanat-, Amino-, Alkylamino-, Dialkylamino-, Mercapto-, Halogen-, Silan- oder Cyanoalkylgruppe trägt.wherein M, R 1 and R 2 have the abovementioned meaning, and wherein MR 2 may be present or absent, and at least one of R 1 and R 2 is at least one reactive crosslinkable group, for example an acrylate, Vinyl, allyl, methacrylate, oxetane, epoxy, acrylamido, hydroxy, Nitrile, isonitrile, cyanate, isocyanate, amino, alkylamino, dialkylamino, mercapto, halogen, silane or cyanoalkyl group carries.
„Reaktive Gruppen" sind solche chemischen Gruppen, die gemäß im Stand der Technik bekannter Verfahren vernetzbar, das heißt polymerisierbar oder polykondensierbar sind. Vernetzung bedeutet daher Polymerisation und/oder Polykondensation, wobei der Begriff „Polymerisation" auch Polyadditions- oder Cycloadditionsreaktionen sowie radikalischen Reaktionen einschließt, die geeignet sind mehrere Moleküle zu vernetzen. Dabei können zwei gleiche oder zwei unterschiedliche reaktiv vernetzbare Gruppen miteinander vernetzbar sein. Beispiele für gleiche reaktiv vernetzbare Gruppen, die miteinander vernetzbar sind, sind beispielsweise Acryl-, Vinyl- oder Epoxidgruppen. Beispiele für unterschiedliche reaktiv vernetzbare Gruppen, sind dagegen die Kombinationen Hydroxy/Isocyanat, Vinyl/Silan und Amino/Hydroxy . Für die Vernetzung der reaktiven Gruppen können weiterhin auch quervernetzende Verbindungen (Crosslinker ) eingesetzt werden. Beispiele für solche Crosslinker sind beispielsweise 3-Amino- 1-propanol, Glycerin, Bisphenol A, Bisepoxide, Succinanhydrid, Succinimid, und Isophorondiamin."Reactive groups" are those chemical groups that are crosslinkable, ie, polymerizable or polycondensable, according to methods known in the art, "crosslinking" therefore means polymerization and / or polycondensation, wherein the term "polymerization" also includes polyaddition or cycloaddition reactions as well as radical reactions which are suitable for cross-linking several molecules. In this case, two identical or two different reactively crosslinkable groups can be crosslinked with one another. Examples of identical reactive crosslinkable groups which can be crosslinked with one another are, for example, acrylic, vinyl or epoxide groups. Examples of different reactive crosslinkable groups, however, are the combinations hydroxy / isocyanate, vinyl / silane and amino / hydroxy. For the crosslinking of the reactive groups it is also possible to use crosslinking compounds (crosslinkers). Examples of such crosslinkers are, for example, 3-amino-1-propanol, glycerol, bisphenol A, bisepoxides, succinic anhydride, succinimide, and isophoronediamine.
In einer Ausführungsform kann Glycerin als quervernetzende Verbindung verwendet werden, um Epoxidgruppen zu vernetzen. In einer anderen Ausführungsform kann 3-Amino-l-propanol als Crosslinker verwendet werden, um Isocyanatgruppen zu vernetzen .In one embodiment, glycerin may be used as a crosslinking compound to crosslink epoxide groups. Alternatively, 3-amino-1-propanol can be used as a crosslinker to crosslink isocyanate groups.
Die aliphatischen Reste sind Alkinyl-, Alkenyl- und/oder Alkylreste mit 1-20 Kohlenstoffatomen, bevorzugt mit 1-6 Kohlenstoffatomen, die gradkettig, verzweigt oder cyclisch sein können.The aliphatic radicals are alkynyl, alkenyl and / or alkyl radicals having 1-20 carbon atoms, preferably 1-6 Carbon atoms which may be straight-chain, branched or cyclic.
Beispiele für geeignete Alkylreste sind Ci-Cβ Alkylreste, insbesondere Methyl, Ethyl, n-Propyl, i-Propyl, n-Butyl, s- Butyl, t-Butyl, i-Butyl, n-Pentyl und n-Hexyl .Examples of suitable alkyl radicals are C 1 -C 6 -alkyl radicals, in particular methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, s-butyl, t-butyl, isobutyl, n-pentyl and n-hexyl.
Zu den Alkenylresten gehören unter anderem Vinyl, Allyl, 2- Butenyl, Cyclopentenyl und Cyclohexenyl .The alkenyl radicals include vinyl, allyl, 2-butenyl, cyclopentenyl and cyclohexenyl, among others.
Beispiele für Alkinylreste sind unter anderem Ethinyl, Propinyl und 2-Butinyl.Examples of alkynyl radicals include ethynyl, propynyl and 2-butynyl.
Cycloaliphatische Reste umfassen Cycloalkylreste, die ein oder mehrere Ringsysteme aufweisen. Beispiele sind C1-C20 mono- oder bizyklische Cycloalkylreste, z.B. Cyclopentyl, Cyclohexyl und Norbonyl .Cycloaliphatic radicals include cycloalkyl radicals which have one or more ring systems. Examples are C1-C2 0 mono- or bicyclic cycloalkyl, for example cyclopentyl, cyclohexyl and norbornyl.
Darüber hinaus können die Metalloxide der Formeln (I) oder (II) auch aromatische Reste umfassen. Zu den bevorzugtenIn addition, the metal oxides of formulas (I) or (II) may also include aromatic radicals. Among the preferred
Arylresten gehören Phenyl, Diphenylyl und Naphthyl . Die aromatischen Reste umfassen auch Alkylarylreste, wie beispielsweise Benzyl. Ferner können die aromatischen Reste auch heteroaromatische Reste sein, die 1-3 Heteroatome, beispielsweise ausgewählt aus O, N und S, enthalten.Aryl radicals include phenyl, diphenylyl and naphthyl. The aromatic radicals also include alkylaryl radicals such as benzyl. Furthermore, the aromatic radicals may also be heteroaromatic radicals which contain 1-3 heteroatoms, for example selected from O, N and S.
In bestimmten Ausführungsformen, können die Metalloxide der Formeln (I) oder (II) auch Aminosäurereste, Steroidreste oder Polyethylenoxidreste umfassen.In certain embodiments, the metal oxides of formulas (I) or (II) may also include amino acid residues, steroid residues or polyethylene oxide residues.
Alle genannten Reste können substituiert oder unsubstituiert sein, d.h. anstelle eines H-Atoms gegebenenfalls einen oder mehrere Substituenten, z.B. Halogen, C1-C20 Alkyl, CI-C20 Hydroxyalkyl, Ci-C2O Alkenyl, Ci-C20 Alkoxy, Ci-C2O Aryl, CX-C20 Aryloxy, Ci-C20 Aralkyl, Ci-C20 Acyloxy, Ci-C20 Alkylcarbonyl, Ci-C20 Alkoxycarbonyl, Amino, Ci-C20 Alkylamino, Ci-C20 Dialkylamino, Ci-C20 Trialkylammonium, Amido, Hydroxy, Formyl, Carboxy, Mercapto, Cyano, Nitro und Epoxy tragen. Besonders bevorzugt sind Reste, die mit einer oder mehreren Epoxy-, Hydroxyl- oder Isocyanatgruppen substituiert sind.All the radicals mentioned may be substituted or unsubstituted, ie, if appropriate, one or more substituents, for example halogen, C 1 -C 20 -alkyl, C 1 -C 20 , instead of an H atom Hydroxyalkyl, C 2 O alkenyl, Ci-C 20 -alkoxy, C 2 O aryl, C X -C 20 aryloxy, Ci-C 20 aralkyl, C 20 acyloxy, Ci-C20 alkylcarbonyl, Ci-C 20 alkoxycarbonyl, amino, Ci-C 20 alkylamino, Ci-C 20 dialkylamino, Ci-C 20 trialkylammonium, amido, hydroxy, formyl, carboxy, mercapto, cyano, nitro and epoxy wear. Particular preference is given to radicals which are substituted by one or more epoxy, hydroxyl or isocyanate groups.
Die Alkoxy-, Aryloxy-, Acyloxy- und Alkylcarbonylreste leiten sich unter anderem von zuvor genannten Alkyl- und Arylresten ab. Zu diesen gehören unter anderem Methoxy, Ethoxy, n- und i-Propoxy, n-, i-, s- und t-Butoxy, Acetyloxy, Propionyloxy,The alkoxy, aryloxy, acyloxy and alkylcarbonyl radicals are derived inter alia from the abovementioned alkyl and aryl radicals. These include, inter alia, methoxy, ethoxy, n- and i-propoxy, n-, i-, s- and t-butoxy, acetyloxy, propionyloxy,
Methylcarbonyl, Ethylcarbonyl, Methoxycarbonyl, Benzyloxy, 2-Methylcarbonyl, ethylcarbonyl, methoxycarbonyl, benzyloxy, 2-
Phenylethyloxy und Tolyloxy. Diese Reste können ebenfalls die zuvor genannten Substituenten aufweisen.Phenylethyloxy and tolyloxy. These radicals may also have the abovementioned substituents.
Spezielle Beispiele für Metalloxidverbindungen der Formel (I) sind Siliziumverbindungen, wie beispielsweise Glycidoxypropyltrimethoxysilan. Diese Siliziumverbindungen können auch als Mischungen eingesetzt werden. Ein anderes Beispiel für Metalloxidverbindungen der Formel (I) sind Zirkoniumverbindungen, die auch als Mischung mit Siliziumverbindungen eingesetzt werden können.Specific examples of metal oxide compounds of the formula (I) are silicon compounds such as glycidoxypropyltrimethoxysilane. These silicon compounds can also be used as mixtures. Another example of metal oxide compounds of the formula (I) are zirconium compounds, which can also be used as a mixture with silicon compounds.
Geeignete Silane bzw. Siloxane sind größtenteils kommerziell erhältlich, darüber hinaus können sie in an sich bekannter Weise synthetisch erhalten werden. Hilfreiche Hinweise erfährt der Fachmann darüber hinaus beispielsweise aus Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5. Aufl.Suitable silanes or siloxanes are for the most part commercially available; moreover, they can be obtained synthetically in a manner known per se. The expert also learns helpful hints, for example, from Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5th ed.
Zu den Metalloxiden der Formeln (I) oder (II) oder entsprechenden Mischungen von Metalloxiden der Formeln (I) oder (II), aus der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die anorganischen Netzwerke durch hydrolytische Kondensation erhältlich sind, können weitere organische Halbmetall- und Metallverbindungen zugegeben werden, die während der Hydrolyse in das anorganische Netzwerk eingebaut werden. Zu diesen gehören unter anderem Silane, Zirkoniumverbindungen und weitere Metalloxide, insbesondere Siloxane, die keine reaktiv vernetzbaren Gruppen aufweisen.To the metal oxides of the formulas (I) or (II) or corresponding mixtures of metal oxides of the formulas (I) or (II), from which according to the inventive method Inorganic networks can be obtained by hydrolytic condensation, further organic metalloid and metal compounds can be added, which are incorporated into the inorganic network during the hydrolysis. These include, but are not limited to, silanes, zirconium compounds, and other metal oxides, particularly siloxanes, that do not have reactive crosslinkable groups.
Beispiele hierfür sind R' ' -M-Clx, R" -M- (OCH3) x, (R' ' ) 2-M-Clx, (R" ) 2-M-Brx, (R" ) 2-M-(OR" ) x, M-(R" )x oder M-(OR")X, wobeiExamples of these are R "-M-Cl x , R" -M- (OCH 3 ) x , (R ") 2 -M-Cl x , (R") 2-M-Br x , (R ") 2-M- (OR ") x, M- (R") x or M- (OR ") X , where
M Si, Al, B, Zr, Y, Ba oder Ti ist, jedes R" unabhängig H oder ein geradkettiges oder verzweigtes Ci-C2O Alkyl, Alkenyl,M is Si, Al, B, Zr, Y, Ba or Ti, each R "is independently H or a straight-chain or branched C 1 -C 20 -alkyl, alkenyl,
Alkinyl oder Cycloalkyl ist und x abhängig von der Wertigkeit von M 1, 2 oder 3 ist. Geeignete Verbindungen sind daher beispielsweise CH3-Si-Cl3, CH3-Si- (OCH3) 3, C2H5-Si-Cl3, C2H5-Si-Alkynyl or cycloalkyl and x is 1, 2 or 3 depending on the valency of M. Suitable compounds are therefore, for example, CH 3 -Si-Cl 3 , CH 3 -Si (OCH 3 ) 3 , C 2 H 5 -Si-Cl 3 , C 2 H 5 -Si
(OCH3)3, (CH3J2-Si-Cl2, (CH3)2-Si-Br2 und Si-(OCH3)4. Eine andere geeignete Verbindung ist beispielsweise(OCH 3 ) 3 , (CH 3 J 2 -Si-Cl 2 , (CH 3 ) 2 -Si-Br 2 and Si (OCH 3 ) 4 ) Another suitable compound is, for example
Zirkoniumethoxid oder ein Komplex aus Zirkoniumethoxid undZirconium ethoxide or a complex of zirconium ethoxide and
Triethanolamin. Bei der Verwendung einer solchen Zirkoniumverbindung als zusätzlichem Bestandteil derTriethanolamine. When using such a zirconium compound as an additional constituent of
Reaktion, kann über die Menge der Zirkoniumverbindung derReaction, over the amount of the zirconium compound the
Brechungsindex des resultierenden Films oder Monolithen gesteuert werden.Refractive index of the resulting film or monoliths are controlled.
In einer Ausführungsform ist dieses zusätzliche Metalloxid ein Silan, vorzugsweise Tetramethoxysilan. In einer anderen Ausführungsform ist dieses zusätzliche Metalloxid Zirkoniumethoxid.In one embodiment, this additional metal oxide is a silane, preferably tetramethoxysilane. In another embodiment, this additional metal oxide is zirconium ethoxide.
Die mechanischen und gegebenenfalls auch optischen Eigenschaften der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Hybrimere lassen sich durch Art und das Verhältnis der verwendeten Metalloxidverbindungen beeinflussen.The mechanical and optionally also optical properties of the hybrimers obtainable by the process according to the invention can be determined by type and the Affect the ratio of metal oxide compounds used.
Ferner gilt, je höher der Anteil der hydrolysierbaren Gruppen, beispielsweise Methoxygruppen, gegenüber den nicht hydrolysierbaren Gruppen ist, desto härter aber auch spröder wird der Werkstoff.Furthermore, the higher the proportion of hydrolyzable groups, for example methoxy groups, compared to the non-hydrolyzable groups, the harder but also more brittle the material becomes.
In einigen Ausführungsformen liegt das Verhältnis dieser Gruppen, das durch hydrolysierbar zu nicht hydrolysierbar gegeben ist, im Bereich von 1:2 bis 100:1, beispielsweise im Bereich 1:1 bis 20:1, vorzugsweise im Bereich 1:1 bis 8:1. Dabei sind diese Werte als Mittelwert über die, gegebenenfalls als Mischung einsetzbaren, hydrolysierbaren Verbindungen zu verstehen.In some embodiments, the ratio of these groups, which is hydrolyzable to non-hydrolyzable, is in the range of 1: 2 to 100: 1, for example in the range 1: 1 to 20: 1, preferably in the range 1: 1 to 8: 1 , These values are to be understood as the mean value of the hydrolyzable compounds which can optionally be used as a mixture.
Die Herstellung der anorganischen Netzwerke kann in der auf dem Gebiet der PoIy (hetero) kondensation üblichen Art und Weise erfolgen. Zur (hydrolytischen) Kondensation von Siliziumverbindungen genügt in den meisten Fällen ein Beimischen von Wasser oder, im Fall einer wasserfreien Hydrolyse, von Borsäure (B (OH) 3) oder ähnlichen Verbindungen, bei Raumtemperatur oder unter leichter Kühlung, wonach die resultierende Mischung einige Zeit gerührt wird. Die etwaige Hydrolyse der Siliziumverbindungen kann auch durch Zugabe einer Säure oder Base, gegebenenfalls auch unter Ausschluss von Wasser, d.h. wasserfrei, erfolgen.The preparation of the inorganic networks can be carried out in the manner customary in the field of poly (hetero) condensation. For the (hydrolytic) condensation of silicon compounds in most cases admixing of water or, in the case of anhydrous hydrolysis, of boric acid (B (OH) 3 ) or similar compounds, at room temperature or under slight cooling, after which the resulting mixture for some time is stirred. The possible hydrolysis of the silicon compounds can also be effected by adding an acid or base, if appropriate also with the exclusion of water, ie anhydrous.
In einer Ausführungsform der Erfindung, erfolgt die Hydrolyse in Gegenwart einer unterstöchiometrischen Menge H2O und gegebenenfalls einer Säure, beispielsweise HCl, HF, HBr, Tetrabutylammoniumfluorid (TBAF), B(OH)3 oder Al(OH)3. Im Fall der Verwendung von Glycidoxypropyltrimethoxysilan und Tetramethoxysilan, erhält man abhängig von der eingesetzten Konzentration der Säure und der Säurestärke so eine niedrigviskose Mischung, die über mehrere Monate stabil bleibt, d.h. die Viskosität ändert sich nicht wesentlich.In one embodiment of the invention, the hydrolysis is carried out in the presence of a substoichiometric amount of H 2 O and optionally an acid, for example HCl, HF, HBr, tetrabutylammonium fluoride (TBAF), B (OH) 3 or Al (OH) 3 . In the case of using glycidoxypropyltrimethoxysilane and Depending on the concentration of the acid and the acid strength used, tetramethoxysilane gives a low-viscosity mixture which remains stable for several months, ie the viscosity does not change significantly.
Im Allgemeinen wird die Hydrolyse bei Temperaturen zwischen -20 Grad Celsius und 130 Grad Celsius, vorzugsweise zwischen 0 und 30 Grad Celsius durchgeführt. Die Umsetzung kann sowohl in Masse als auch in einem Lösungsmittel, wie beispielsweise Methanol, erfolgen.In general, the hydrolysis is carried out at temperatures between -20 degrees Celsius and 130 degrees Celsius, preferably between 0 and 30 degrees Celsius. The reaction can be carried out both in bulk and in a solvent such as methanol.
Da die reaktiven Gruppen, beispielsweise Epoxidgruppen, ebenfalls sauer oder basisch vernetzbar, beispielsweise polymerisierbar, sein können, wird der pH-Wert für die Hydrolyse und Kondensation der anorganischen Polymermatrix in einem Medium in Abhängigkeit von der Hydrolysegeschwindigkeit der Alkoholate und der Stabilität der reaktiv vernetzbaren Gruppen gewählt.Since the reactive groups, for example epoxide groups, can also be acidic or basic crosslinkable, for example polymerizable, the pH for the hydrolysis and condensation of the inorganic polymer matrix in a medium becomes dependent on the rate of hydrolysis of the alkoxides and the stability of the reactively crosslinkable groups selected.
Bei der Verwendung von verschiedenen leicht hydrolysierbaren Verbindungen hat es sich insbesondere als vorteilhaft erwiesen, nicht alle Ausgangsverbindungen zu Beginn der Hydrolyse vorzulegen, sondern nur einen Teil dieser Verbindungen mit Wasser zu kontaktieren und anschließend andere Verbindungen zuzugeben. Gleiches gilt für die Wasserzugabe, die in mehreren Stufen erfolgen kann, wobei nach jeder Wasserzugabe die Mischung für eine gewisse Zeit gerührt wird. Diese Vorgehensweise kann erforderlich sein, falls Teile der hydrolysierten Verbindungen zur Präzipitation, Entmischung oder Phasentrennung neigen oder das gesamte System zur schnellen Gelierung neigt. Hierbei kann auch mit komplexierenden Verbindungen gearbeitet werden, um die Geschwindigkeit der Hydrolyse zu verlangsamen. Geeignete komplexierende Verbindungen sind beispielsweise Acetylacetonat und Ethanolamine wie Triethanolamin.In the use of various easily hydrolyzable compounds, it has proven to be particularly advantageous not to present all starting compounds at the beginning of the hydrolysis, but to contact only a portion of these compounds with water and then add other compounds. The same applies to the addition of water, which can be done in several stages, after each addition of water, the mixture is stirred for a certain time. This procedure may be required if parts of the hydrolyzed compounds tend to precipitate, segregate or phase separate or the entire system tends to gel fast. This can also be done with complexing compounds to slow the rate of hydrolysis. Suitable complexing compounds are, for example, acetylacetonate and ethanolamines such as triethanolamine.
Die Kondensationszeit richtet sich nach den jeweiligen Ausgangskomponenten und deren Mengenanteilen, dem pH-Wert, der Konzentration, gegebenenfalls dem verwendeten Katalysator, wie zum Beispiel Ti(OPr)4, der Reaktionstemperatur und der gewünschten Endviskosität usw. Im Allgemeinen erfolgt die Polykondensation bei Normaldruck. Sie kann jedoch auch bei erhöhtem, oder bei verringertem Druck durchgeführt werden. Das so erhaltene Polykondensat kann entweder als solches oder nach Entfernung verwendeter oder gebildeter leicht flüchtiger Stoffe, wie beispielsweise Lösungsmittel, eingesetzt werden.The condensation time depends on the particular starting components and their proportions, the pH, the concentration, optionally the catalyst used, such as Ti (OPr) 4 , the reaction temperature and the desired final viscosity, etc. In general, the polycondensation is carried out at atmospheric pressure. However, it can also be performed at elevated or reduced pressure. The polycondensate thus obtained can be used either as such or after removal of volatile substances used or formed, such as solvents.
Da die Bildung des organischen Netzwerks durch basische, saure, kationische, anionische oder radikalische Polymerisation oder Polykondensation erfolgen kann, werden den Polykondensaten oder den Mischungen, aus denen diese erhalten werden, Polymerisations- bzw. Polykondensationsinitiatoren beigegeben. Falls, beispielsweise bei Verwendung von Epoxid- oder Allylgruppen als reaktive vernetzbare Gruppen, eine kationische Polymerisation durchgeführt wird, werden Initiatoren verwendet, die vorzugsweise Lewis- oder Brönstedt-Säuren bzw. Verbindungen, die solche Säuren freisetzen, wie beispielsweise BF3 oder dessen etherische Addukte (BF3-THF, BF3-Et2O, usw.), AlCl3, TiCl4, Ti(OEt)4, Ti(OiPr)4, FeCl3, NbCl5, HPF6, HAsF6, HSbF6, HBF4, sind. Weiterhin kann eine Epoxidöffnung auch durch Basenkatalyse erfolgen. Geeignet sind hierfür primäre, sekundäre oder tertiäre Amine sowie Diamine als auch Amidine. Besonders geeignet sind Amidinbasen wie Imidazole und bicyclische Amidine wie 1,8- Diazabicyclo [5.4.0] undec-7-en (DBU). Ferner können als Initiatoren auch Tetrabutylammoniumfluorid (TBAF), Ti(OPr)4 (Titantetraisopropylat) , Photosäuren und/oder Oniumsalze sowie Mischungen der oben genannten Verbindungen verwendet werden.Since the formation of the organic network can take place by basic, acidic, cationic, anionic or free-radical polymerization or polycondensation, polymerization or polycondensation initiators are added to the polycondensates or the mixtures from which they are obtained. If, for example, when using epoxy or allyl groups as reactive crosslinkable groups, a cationic polymerization is carried out, initiators are preferably used, the Lewis or Brönstedt acids or compounds which release such acids, such as BF 3 or its ethereal adducts (BF 3 -THF, BF 3 -Et 2 O, etc.), AlCl 3 , TiCl 4 , Ti (OEt) 4 , Ti (OiPr) 4 , FeCl 3 , NbCl 5 , HPF 6 , HAsF 6 , HSbF 6 , HBF 4 , are. Furthermore, an epoxide opening can also be carried out by base catalysis. Suitable for this purpose are primary, secondary or tertiary amines and diamines as well as amidines. Particularly suitable are amidine bases such as imidazoles and bicyclic amidines such as 1,8- Diazabicyclo [5.4.0] undec-7-ene (DBU). Furthermore, initiators may also be tetrabutylammonium fluoride (TBAF), Ti (OPr) 4 (titanium tetraisopropylate), photoacids and / or onium salts and mixtures of the abovementioned compounds.
Der Ausdruck „Initiator" in Bezug auf die Polymerisationsoder Polykondensationsreaktion, schließt daher sowohl Katalysatorsubstanzen, sowie andere Möglichkeiten der Initiierung der Reaktion, beispielsweise durch UV-Licht, Radikalbildner etc., ein.The term "initiator" with respect to the polymerization or polycondensation reaction, therefore, includes both catalyst substances as well as other means of initiating the reaction, for example by UV light, free radical generator, etc.
Aus diesem Grund beinhaltet ein Aspekt der Erfindung auch die photochemische Vernetzung der reaktiven Gruppen der organischen Reste. Ein anderer Aspekt der Erfindung beinhaltet die thermische Vernetzung der reaktiven Gruppen der organischen Reste.For this reason, one aspect of the invention also includes the photochemical crosslinking of the reactive groups of the organic radicals. Another aspect of the invention involves the thermal crosslinking of the reactive groups of the organic radicals.
Zur Bildung des organischen Netzwerks können in Abhängigkeit der reaktiv vernetzbaren Gruppen ein oder mehrereFor the formation of the organic network one or more can be used depending on the reactively crosslinkable groups
Verbindungen, die die Vernetzungsreaktion initiieren und/oder katalysieren, eingesetzt werden. Insbesondere können auchCompounds which initiate and / or catalyze the crosslinking reaction can be used. In particular, too
Mischungen von geeigneten Katalysatorsubstanzen, die beispielsweise kommerziell erhältlich sind, verwendet werden.Mixtures of suitable catalyst substances, which are for example commercially available, can be used.
Zur Vernetzung der reaktiven Gruppen können weiterhin auch geeignete quervernetzende Verbindungen, wie beispielsweise bi- oder multivalente Crosslinker eingesetzt werden. Für die Vernetzung von Epoxygruppen über Crosslinker sind beispielsweise Glycerin, Bisphenol A, Succinanhydrid, Isophorondiamin und Bisepoxide geeignet. Für die Vernetzung von Isocyanatgruppen unter der Bildung von Urethanen ist als Crosslinker beispielsweise 3-Amino-l-propanol geeignet. Die zeitliche Abfolge von (hydrolytischer) Kondensation und Vernetzung, z.B. mittels Polymerisation, ist nicht festgelegt und kann in geeigneter Art und Weise gleichzeitig oder in beliebiger Reihenfolge nacheinander erfolgen.For crosslinking of the reactive groups it is also possible to use suitable crosslinking compounds, such as bi- or multivalent crosslinkers. For the crosslinking of epoxy groups via crosslinkers, for example, glycerol, bisphenol A, succinic anhydride, isophoronediamine and bisepoxides are suitable. For the crosslinking of isocyanate groups with the formation of urethanes, for example, 3-amino-1-propanol is suitable as crosslinker. The time sequence of (hydrolytic) condensation and crosslinking, for example by means of polymerization, is not fixed and can be carried out in a suitable manner simultaneously or in any desired sequence.
Der hydrolysierbaren Metalloxidverbindung bzw. dem hieraus hergestellten Kondensat oder Netzwerk können vor, nach oder während der Kondensation und/oder Vernetzung weitere polymerisierbare Monomere oder Vorkondensate/Polymerisate oder Mischungen davon beigefügt werden.Before or after the condensation and / or crosslinking, further polymerisable monomers or precondensates / polymers or mixtures thereof may be added to the hydrolyzable metal oxide compound or the condensate or network prepared therefrom.
Hierbei kann es sich sowohl um monofunktionale als auch um polyfunktionale Monomere oder Polymere mit vernetzbaren, d.h. polymerisierbaren oder polykondensierbaren, Gruppen, wie beispielsweise Acrylat-, Vinyl-, Allyl-, Methacrylat-, Oxetan-, Epoxy- oder Acrylamidogruppen bzw. Hydroxy-, Nitril-, Isonitril-, Cyanat-, Isocyanat-, Amino-, Alkylamino-, Dialkylamino-, Mercapto-, Halogen-, Silan- oder Cyanoalkylgruppen, handeln.These may be monofunctional as well as polyfunctional monomers or polymers with crosslinkable, i. polymerizable or polycondensable groups, such as, for example, acrylate, vinyl, allyl, methacrylate, oxetane, epoxy or acrylamido groups or hydroxyl, nitrile, isonitrile, cyanate, isocyanate, amino, alkylamino, Dialkylamino, mercapto, halogen, silane or cyanoalkyl groups, act.
Ferner können der Hybrimerlösung vor, nach oder während der Kondensation und/oder Vernetzung oder auch erst nach Zugabe des Proteins, weitere nicht funktionelle Monomere oder Polymere zugegeben werden, die dem daraus erhältlichen Material weitere Eigenschaften, wie beispielsweise Leitfähigkeit verleihen. Beispiele für solche Polymere sind PoIy (p-Phenylen-Vinylen) (PPV), Polyp, 4-Further, before, after or during the condensation and / or crosslinking or even after the addition of the protein, further non-functional monomers or polymers may be added to the hybrimer solution which impart further properties, such as conductivity, to the material obtainable therefrom. Examples of such polymers are poly (p-phenylene-vinylene) (PPV), polyp, 4-
Ethylendioxythiophen) (PEDOT) und Polyanilin (PANI) .Ethylenedioxythiophene) (PEDOT) and polyaniline (PANI).
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Hybrimere dadurch hergestellt, dass man Glycidoxypropyltrimethoxysilan und Tetramethoxysilan als Ausgangskomponenten mischt, die Siliziumverbindungen hydrolysiert und die Epoxidreste kationisch polymerisiert , wobei Hydrolyse, Kondensation und Polymerisation gleichzeitig oder in beliebiger Reihenfolge nacheinander erfolgen können.In one embodiment of the process according to the invention, the hybrimers are prepared by using glycidoxypropyltrimethoxysilane and tetramethoxysilane as Starting components mixed, the silicon compounds hydrolyzed and the epoxy radicals cationically polymerized, wherein hydrolysis, condensation and polymerization can be carried out simultaneously or in any order sequentially.
Die kationische Polymerisation der Epoxidgruppen erfolgt durch Zugabe einer Lewissäure, vorzugsweise Bortrifluoriddiethyletherat (BF3-Et2O) , in einem Lösungsmittel, vorzugsweise dem in der Hydrolyse entstandenen Alkohol. Das Verhältnis Epoxidgruppen: Lewissäure bestimmt die Polymerisationsgeschwindigkeit und damit auch die Geschwindigkeit der Viskositätszunahme der Lösung.The cationic polymerization of the epoxide groups is carried out by adding a Lewis acid, preferably boron trifluoride diethyl etherate (BF 3 -Et 2 O), in a solvent, preferably the alcohol formed in the hydrolysis. The ratio of epoxide groups: Lewis acid determines the rate of polymerization and thus also the rate of viscosity increase of the solution.
Die Polymerisationszeit ist abhängig von den Ausgangskomponenten, deren Molverhältnissen, dem verwendeten Initiator und der Reaktionstemperatur.The polymerization time depends on the starting components, their molar ratios, the initiator used and the reaction temperature.
Vor oder nach dem Vernetzungsschritt oder bereits während der Hydrolyse können zusätzlich Antibleichmittel (UV-Blocker) , beispielsweise siloxanmodifizierte Diphenylketone, Konservierungsmittel, wie beispielsweise antibakterielle Zusätze, Antioxidantien, Radikalfänger, hindered amine light stabilizers (HALS) , organische Farbstoffe, wie beispielsweise Laserfarbstoffe, anorganische Halbleiterteilchen, wie beispielsweise CdS oder CdSe-Nanoteilchen, und/oder oxidische oder metallische Nanopartikel dem SoI zugegeben werden. Ferner können Fluorpolymere wie Siloxane und/oder Titan-/Zirkoniumoxid-Verbindungen zugegeben werden, um den Brechungsindex des erhaltenen Films oder Monoliths einzustellen. Weiterhin können Feuchtigkeitsregulatoren, wie beispielsweise Gylcerin zugegeben werden. Bei der Verwendung von Glycerin als Feuchtigkeitsregulator, kann dieses, falls es vor oder während der Vernetzungsreaktion zugegeben wird, dabei zusätzlich als quervernetzendes Mittel (Crosslinker) wirken.In addition, before or after the crosslinking step or even during the hydrolysis, anti-fouling agents (UV blockers), for example siloxane-modified diphenyl ketones, preservatives, such as antibacterial additives, antioxidants, free-radical scavengers, hindered amine light stabilizers (HALS), organic dyes, such as laser dyes, inorganic Semiconductor particles, such as CdS or CdSe nanoparticles, and / or oxide or metallic nanoparticles are added to the sol. Further, fluoropolymers such as siloxanes and / or titanium / zirconia compounds may be added to adjust the refractive index of the resulting film or monolith. Furthermore, moisture regulators such as glycerol may be added. When using glycerin as a moisture regulator, if it is added before or during the crosslinking reaction, it may additionally act as cross-linking agent.
Falls eine saure Polymerisation der reaktiv vernetzbaren Gruppen mit einer Lewissäure als Katalysator (Initiator) durchgeführt wird, kann die Lewissäure danach mit Wasser hydrolysiert und der pH-Wert des Gels mit einer Base auf einen Bereich von 4,0 bis 13,0, vorzugsweise 4,0 bis 11,0, noch bevorzugter 5,0 bis 10,0, noch bevorzugter 5,5 bis 9,5, eingestellt werden. Für Bakteriorhodopsin ist ein pH-Bereich von 6,0 bis 10,0 und für Proteorhodopsin ein pH-Bereich von 6,0 bi 11,5 optimal. Art und Menge der zugegebenen Base bestimmen Art und Geschwindigkeit der Gelierung sowie gegebenenfalls eine weitere Vernetzung des Epoxid-Netzwerks . Beispiele für geeignete Basen sind NaOH, KOH, Ca(OH)2, Mg(OH)2, primäre, sekundäre und tertiäre Amine (siehe J. Pol. Sei., 2001, 39, 1071-1084), beispielsweise Imidazole, insbesondere Methylimidazol, Pyridine, Pyrimidine, Pyrazole, Piperidine, Ammoniak, Ethanolamine, insbesondere Triethanolamin, aber auch DBU ( 1 , 8-Diazabicyclo [5.4.0] undek- 7-en) und DABCO ( 1, 4-diazabicyclo [2.2.2 ] oktan) , sowie Mischungen davon. Weiterhin können diese Basen auch Puffersubstanzen oder Mischungen obiger Basen mit Puffersubstanzen sein. Hierdurch kann gezielt ein bestimmter pH-Bereich eingestellt werden, wodurch die Eigenschaften des einzuschliessenden Proteins optimiert werden können. Geeignete Puffersubstanzen sind u.a. TRIS, HEPES, BICINE, CAPS. Weiterhin können anorganische Puffer wie Phosphat, Borat etc. verwendet werden.If acidic polymerization of the reactive crosslinkable groups is carried out with a Lewis acid catalyst (initiator), the Lewis acid may then be hydrolyzed with water and the pH of the gel with a base in a range of 4.0 to 13.0, preferably 4 , 0 to 11.0, more preferably 5.0 to 10.0, still more preferably 5.5 to 9.5. For bacteriorhodopsin a pH range of 6.0 to 10.0 and for proteorhodopsin a pH range of 6.0 to 11.5 is optimal. The type and amount of base added determine the type and rate of gelation and, optionally, further crosslinking of the epoxide network. Examples of suitable bases are NaOH, KOH, Ca (OH) 2 , Mg (OH) 2 , primary, secondary and tertiary amines (see J. Pol. Sei., 2001, 39, 1071-1084), for example imidazoles, in particular methylimidazole , Pyridines, pyrimidines, pyrazoles, piperidines, ammonia, ethanolamines, especially triethanolamine, but also DBU (1, 8-diazabicyclo [5.4.0] undec-7-ene) and DABCO (1, 4-diazabicyclo [2.2.2] octane ), as well as mixtures thereof. Furthermore, these bases may also be buffer substances or mixtures of the above bases with buffer substances. In this way, a specific pH range can be set in a targeted manner, as a result of which the properties of the protein to be included can be optimized. Suitable buffer substances include TRIS, HEPES, BICINE, CAPS. Furthermore, inorganic buffers such as phosphate, borate, etc. can be used.
Wird dagegen basisch polymerisiert, muss der pH-Wert des Gels entsprechend mit einer Säure auf den oben angegebenen pH- Bereich eingestellt werden. Der so eingestellte pH-Wert, der vorteilhafterweise nahe dem physiologischen pH liegt, ist insbesondere für die Funktionalität der später zugegebenen photochromen bzw. fluoreszierenden Proteine von Bedeutung.If, on the other hand, polymerisation is carried out under basic conditions, the pH of the gel must be adjusted correspondingly with an acid to the above-indicated pH range. The thus adjusted pH, which is advantageously close to the physiological pH, is particularly important for the functionality of the later added photochromic or fluorescent proteins.
Im Folgenden wird der bei der Hydrolyse gegebenenfalls aus dem Alkoholat gebildete Alkohol, z.B. Methanol, sowie sonstige flüchtige Bestandteile üblicherweise schonend und langsam unter (gegenüber Normaldruck) erniedrigtem Druck und gegebenenfalls ebenfalls bei erhöhter Temperatur, z.B. in einem Rotationsverdampfer entfernt. Das schonende Vorgehen bei der Entfernung des gebildeten Alkohols dient zur Vermeidung der weitergehenden Gelierung der Mischung.In the following, the alcohol optionally formed from the alcoholate in the hydrolysis, e.g. Methanol, and other volatile components usually gently and slowly under (compared to normal pressure) reduced pressure and optionally also at elevated temperature, e.g. removed in a rotary evaporator. The gentle procedure in the removal of the alcohol formed serves to avoid the further gelation of the mixture.
Zu dem erhaltenen Gel kann nun das gewünschte photochrome oder fluoreszierende Protein in Form eines Feststoffes oder als eine Lösung/Dispersion in einem geeigneten Lösungsmittel, beispielsweise Wasser oder Mischungen von Wasser mit anderen Lösemitteln und/oder Additiven wie Salze, z.B. chaotrope Salze, Glycerin, Zucker, Harnstoffe, Hydroxylamin, Guanidin, Aminosäuren, wie beispielsweise Arginin, sonstige Proteinstabilisatoren, Tensiden, wie etwa kationische, anionische sowie nichtionische Tenside, Ethylenglykolen oder anderen wasserlöslichen Polymeren, die dazu dienen, optimale Bedingungen für das Protein zu schaffen und/oder den Photozyklus zu beeinflussen, gegeben werden. Dabei kann der pH-Wert des Gels sowie die Viskosität erneut durch Zugabe von Wasser und/oder einer Base, einer Säure oder eines Puffers eingestellt werden.To the resulting gel may now be added the desired photochromic or fluorescent protein in the form of a solid or as a solution / dispersion in a suitable solvent, for example water or mixtures of water with other solvents and / or additives such as salts, e.g. chaotropic salts, glycerol, sugars, ureas, hydroxylamine, guanidine, amino acids such as arginine, other protein stabilizers, surfactants such as cationic, anionic and nonionic surfactants, ethylene glycols or other water-soluble polymers which serve to provide optimal conditions for the protein and / or to influence the photocycle. In this case, the pH of the gel and the viscosity can be adjusted again by adding water and / or a base, an acid or a buffer.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das photochrome oder fluoreszierende Protein, das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens in ein anorganisch-organisches Hybridmaterial eingebunden wird, ein Rhodopsin, z.B. Bakteriorhodopsin oder Proteorhodopsin. Andere geeignete Proteine sind beispielsweise Phytochrome, Cryptochrome und Komplexe aus Retinal oder chemisch modifiziertem Retinal bzw. Chomophoren, die trans-cis-Isomerisierungen bei Beleuchtung durchführen (z.B. Azo-chromophore) , und anderen Proteinen oder Polyaminosäuren (künstliche Proteine) . Ebenfalls geeignet sind fluoreszierende Proteine wie beispielsweise Grün fluoreszierendes Protein (GFP) , Verstärkt Grün fluoreszierendes Protein (Enhanced Green Fluorescent Protein (EGFP) ) oder Gelb fluoreszierendes Protein (YFP) .In one embodiment of the invention, the photochromic or fluorescent protein obtained by means of the inventive method is incorporated into an inorganic-organic hybrid material, a rhodopsin, for example bacteriorhodopsin or proteorhodopsin. Other suitable proteins are, for example, phytochromes, cryptochromes and complexes of retinal or chemically modified retinal or chomophores, which perform trans-cis isomerizations on illumination (eg azo-chromophore), and other proteins or polyamino acids (artificial proteins). Also suitable are fluorescent proteins such as Green Fluorescent Protein (GFP), Enhanced Green Fluorescent Protein (EGFP) or Yellow Fluorescent Protein (YFP).
Die Verwendung von chemisch modifizierten Varianten dieser Proteine sowie Mutanten davon wird vorliegend ebenfalls in Erwägung gezogen. Durch solche Modifikationen/Mutationen lassen sich beispielsweise Eigenschaften des Proteins, z.B. die Absorptionseigenschaften oder die Halbwertszeiten einzelner Zustände des Photozyklus, variieren. Ein Beispiel für eine solche Mutation ist die D96N Mutante von Bakteriorhodopsin, die dazu führt, dass die Rückkehr vom angeregten M Zustand mit einem Absorptionsmaximum von 410 nm in den Grundzustand mit einem Absorptionsmaximum von 570 nm stark verlangsamt erfolgt. Das führt zu einer verlängerten Lebensdauer des M Zustands, da die Mutation nach der Photonabsorption und Isomerisierung des Retinais zu einer sehr viel langsameren Reprotonierung der Schiffschen Base durch die basischere Aminosäure Asn 96 führt.The use of chemically modified variants of these proteins as well as mutants thereof is also contemplated herein. By such modifications / mutations, for example, properties of the protein, e.g. the absorption properties or half-lives of individual states of the photocycle vary. An example of such a mutation is the D96N mutant of bacteriorhodopsin, which causes the return of the excited M state to be greatly retarded with an absorption maximum of 410 nm into the ground state with an absorption maximum of 570 nm. This leads to an extended life of the M state, since the mutation after photon absorption and isomerization of the retina leads to a much slower reprotonation of the Schiff base by the more basic amino acid Asn 96.
Auf vergleichbare Art und Weise können andere Aminosäuresubstitutionen in der Sequenz der verwendeten Proteine die Eigenschaften verändern. Ferner können chemische Modifikationen der Proteine, z.B. die Verwendung künstlicher oder modifizierter Aminosäuren oder Aminosäurenanaloga, weitere vorteilhafte Eigenschaften, wie beispielsweise erhöhte Stabilität, bedingen. Weitere Möglichkeiten sind die chemische Modifizierung des Kofaktors, beispielsweise des Retinais in Rhodopsinen oder des Bilins in Phytochromen, um beispielsweise die Absorptionseigenschaften oder Halbwertszeiten zu verändern. Außerdem können auch weitere Chromophore, wie beispielsweise Azofarbstoffe, direkt an das Protein gebunden werden.Likewise, other amino acid substitutions in the sequence of the proteins used can alter the properties. Furthermore, chemical modifications of the proteins, for example, the use of artificial or modified amino acids or amino acid analogs, further advantageous properties, such as increased stability, condition. Other possibilities are the chemical modification of the cofactor, for example, the retina in rhodopsins or bilin in phytochromes, for example, to change the absorption properties or half-lives. In addition, other chromophores, such as azo dyes, can be directly attached to the protein.
Weiterhin können die Absorptionsmaxima durch Zugabe chemischer Additive, beispielsweise von Glycerin als Feuchtigkeitsregulator, von Aminosäuren um Halbwertszeiten einzustellen, von Hydroxylamin um aus den erfindungsgemäßen Hybrimeren permanente Speichermedien zu realisieren, von UV- blockenden Mitteln und von oxidische Nanopartikeln als Füllstoffe oder für weitere Anwendungen, optimiert werden.Furthermore, the absorption maxima can be optimized by addition of chemical additives, for example of glycerol as moisture regulator, of amino acids to achieve half-lives, of hydroxylamine to realize permanent storage media from the hybrimers of the invention, UV blocking agents and oxidic nanoparticles as fillers or for other applications become.
Das Gel kann dann auf entsprechende Substrate, beispielsweise Glas, Keramiken, Metalle, Polymere, Holz, Verbundwerkstoffe und Papiere, aufgebracht werden. Für die Applikation aufThe gel can then be applied to appropriate substrates such as glass, ceramics, metals, polymers, wood, composites and papers. For the application on
Substrate sind im Stand der Technik eine Reihe von geeignetenSubstrates are a number of suitable in the art
Verfahren bekannt, die unter anderem "Dip coating", "Spray coating", "Spin coating", Drucken, Rakeln und Extrudieren einschließen.Methods are known, which include, among others, "dip coating", "spray coating", "spin coating", printing, knife coating and extruding.
Der resultierende Film wird dann getrocknet, wobei gegebenenfalls verbliebene Silanole zu Si-O-Si kondensieren. Dieser Schritt wird durch eine Base, wie beispielsweise Methylimidazol oder andere primäre, sekundäre oder tertiäre Amine sowie Diamine als auch Amidine, oder Basenmischungen katalysiert. Besonders geeignet sind Amidinbasen wie Imidazole und bicyclische Amidine wie 1,8- Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-en (DBU). Ferner können diese Amine die Öffnung eventuell noch vorhandener Epoxidfunktionen katalysieren. Allerdings muss die Temperatur in einem Bereich gehalten werden, der die Denaturierung der photochromen bzw. fluoreszierenden Proteine verhindert. Die Trocknung kann beispielsweise über Silicagel, auch als Blaugel bekannt, oder über anderen Trocknungsmitteln unter Vakuum oder an der Luft bei Temperaturen bis zu 600C, im Idealfall bei Raumtemperatur erfolgen.The resulting film is then dried, optionally leaving any remaining silanols condensed to Si-O-Si. This step is catalyzed by a base such as methylimidazole or other primary, secondary or tertiary amines as well as diamines as well as amidines or base mixtures. Particularly suitable are amidine bases such as imidazoles and bicyclic amidines such as 1,8- Diazabicyclo [5.4.0] undec-7-ene (DBU). Furthermore, these amines can catalyze the opening of possibly existing epoxy functions. However, the temperature must be maintained within a range that prevents denaturation of the photochromic or fluorescent proteins. The drying can be carried out, for example, over silica gel, also known as blue gel, or over other drying agents under vacuum or in air at temperatures up to 60 ° C., ideally at room temperature.
Im resultierenden Film eventuell noch vorhandene Silanol- Funktionen können ebenfalls mit reaktiven Silanen, beispielsweise Hexamethyldisilazan, (CHs)3SiCl, HSiCl3, HSi(OMe)3 oder anderen Halogenalkylsilanen, beispielsweise perfluorierten Verbindungen, abgesättigt werden. Weiterhin kann die Oberfläche der Filme mit reaktive Gruppen tragenden Silanen modifiziert werden. Dadurch wird die Oberfläche gegebenenfalls in Abhängigkeit der verwendeten Silane hydrophobisiert und damit wasserabweisend. Das kann zum Beispiel bei der Beschichtung von Papieren vorteilhaft sein. Alternativ kann die Oberfläche durch Behandlung mit Ozon, Plasma, SiCl4 und anschließender Wasserbehandlung auch hydrophilisiert werden. Ferner können die Filme durch die Wahl geeigneter Kopplungsreagenzien auf Si-Basis mit anderen Materialien, wie beispielsweise Si3N4, SiO2 oder ITO, beschichtet, mit Metallen, wie beispielsweise Al, Au, Cr, Ag, Pt und Ni, Metallnitriden, Metalloxiden, wie beispielsweise Indiumzinnoxid, oder geeigneten organischen Molekülen bedampft, oder in Epoxide, Siloxane etc. eingegossen oder laminiert werden. Die resultierenden Materialien sind für die Herstellung optischer Bauteile, wie beispielsweise Resonatoren oder veränderbare Waveguides, geeignet. Alternativ können aus den erfindungsgemäßen Hybrimersystemen auch Monolithe hergestellt werden.Silanol functions which may still be present in the resulting film can also be saturated with reactive silanes, for example hexamethyldisilazane, (CH 3 ) 3 SiCl, HSiCl 3 , HSi (OMe) 3 or other haloalkylsilanes, for example perfluorinated compounds. Furthermore, the surface of the films can be modified with reactive group-bearing silanes. As a result, the surface is optionally hydrophobized depending on the silanes used and thus water repellent. This can be advantageous, for example, in the coating of papers. Alternatively, the surface can also be hydrophilized by treatment with ozone, plasma, SiCl 4 and subsequent water treatment. Further, by selecting suitable Si-based coupling reagents, the films may be coated with other materials such as Si 3 N 4 , SiO 2 or ITO, with metals such as Al, Au, Cr, Ag, Pt and Ni, metal nitrides, Metal oxides, such as indium tin oxide, or suitable organic molecules are vapor-deposited, or cast or laminated in epoxies, siloxanes, etc. The resulting materials are suitable for the production of optical components, such as resonators or variable waveguides. Alternatively, monoliths can also be produced from the hybrid systems according to the invention.
Das kontrollierte mehrstufige Syntheseverfahren der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Herstellung eines langzeitstabilen Hybrimersystems . Dabei machen die Auswahl der Materialien, die genaue Einstellung des pH-Wertes (Pufferung) und die schonende Entfernung eventueller Schadstoffe, wie hier Methanol, das erfindungsgemäße Verfahren dazu geeignet extrem empfindliche Materialien wie Proteine, beispielsweise Rhodopsin, zu verarbeiten und damit beispielsweise wasserabweisende Hybrimerfilme, die photochrome oder fluoreszierende Proteine enthalten, zu erzeugen.The controlled multi-stage synthesis process of the present invention enables the production of a long-term stable hybrimer system. The selection of materials, the precise adjustment of the pH value (buffering) and the careful removal of any pollutants, such as methanol, make the method according to the invention suitable for processing extremely sensitive materials such as proteins, for example rhodopsin, and thus, for example, water-repellent hybrid films. which contain photochromic or fluorescent proteins.
Die nachfolgenden Beispiele dienen zur genaueren Erläuterung der Erfindung, ohne dass diese hierauf beschränkt werden soll. Die nachfolgenden Prozentangaben beziehen sich auf das Gesamtgewicht, es sei denn, anderes ist vermerkt.The following examples serve to explain the invention in more detail, without this being intended to be limited thereto. The following percentages are based on the total weight, unless otherwise noted.
Beispiel 1. Herstellung eines Bacteriorhodopsin-enthaltenden HybrimerfilmsExample 1. Preparation of a bacteriorhodopsin-containing hybrid film
1767 μl (8 mmol) Glycidoxypropyltrimethoxysilan wurden unter Rühren mit 595 μl (4 mmol) Tetramethoxysilan gemischt. Unter ständigem Rühren wurden dann langsam 684 μl 10 mM HCl (38 mmol) zugeben. Die Mischung wurde danach bei Raumtemperatur 24 Stunden lang gerührt.1767 μl (8 mmol) of glycidoxypropyltrimethoxysilane were mixed while stirring with 595 μl (4 mmol) of tetramethoxysilane. With constant stirring, then 684 μl of 10 mM HCl (38 mmol) were added slowly. The mixture was then stirred at room temperature for 24 hours.
Anschließend wurden unter starkem Rühren und unter Schutzgasatmosphäre (Argon) langsam 25 μl Bortrifluorid- Etherat (0,19 mmol) zugeben und wieder für 24 Stunden gerührt . 1 ml der erhaltenen Lösung wurde unter Rühren mit 1 ml Wasser versetzt und anschließend der pH-Wert durch Zugabe von 2 M Methylimidazol in Wasser auf ca. 6,0 bis 8,0 erhöht (etwa 70 bis 250 μl 2 M Methylimidazol);Then, with vigorous stirring and under a protective gas atmosphere (argon), 25 μl of boron trifluoride etherate (0.19 mmol) were slowly added and stirred again for 24 hours. 1 ml of the resulting solution was added with stirring 1 ml of water and then the pH by addition of 2 M methylimidazole in water to about 6.0 to 8.0 increased (about 70 to 250 ul 2 M methylimidazole);
Methanol und andere leichtflüchtige Stoffe wurden bei 2O0C und 100 mbar über eine Stunde schonend im Rotationsverdampfer entfernt .Methanol and other volatile substances were gently removed at 2O 0 C and 100 mbar for one hour in a rotary evaporator.
Die erhaltene Lösung wurde 1:1 mit einer Lösung von 3 Gew.-% Bakteriorhodopsin (in Form der Purpurmembran) in Wasser gemischt und mittels Rakeln auf ein Glassubstrat appliziert, bei Raumtemperatur vorgetrocknet und dann bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck im Exsikkator über Silikagel für 24h getrocknet.The resulting solution was mixed 1: 1 with a solution of 3 wt .-% bacteriorhodopsin (in the form of purple membrane) in water and applied by knife coating on a glass substrate, pre-dried at room temperature and then dried at room temperature and atmospheric pressure in a desiccator over silica gel for 24 h ,
Beispiel 2. Herstellung eines Bacteriorhodopsin-enthaltenden, im Brechungsindex frei einstellbaren Zr-Epoxid-FilmsExample 2. Preparation of a bacteriorhodopsin-containing, refractive index-free adjustable Zr-epoxide film
Um einen im Brechungsindex frei einstellbaren Zr-Epoxid-Film zu erhalten, wurden 2200 μl (1OmM) Glycidoxypropyltrimethoxysilan unter Rühren langsam mit 500 μl 1OmM HCl versetzt und 24 h bei Raumtemperatur gerührt.In order to obtain a Zr-epoxide film which is freely adjustable in the refractive index, 200 μl of 10 mM HCl were slowly added to 200 μl of (10 mM) glycidoxypropyltrimethoxysilane with stirring and stirred at room temperature for 24 h.
Anschließend wurde unter starkem Rühren und unter Schutzgasatmosphäre (Ar) langsam 5 μl Bortrifluoridetherat (0,19mM) zugegeben und die Reaktionsmischung für weitere 24 h gerührt .Then, with vigorous stirring and under a protective gas atmosphere (Ar), 5 μl of boron trifluoride etherate (0.19 mM) were added slowly, and the reaction mixture was stirred for a further 24 hours.
Parallel dazu wurden 2.715 g Zirconiumethoxid (10 mM) langsam unter Rühren mit 1.328 mL (1OmM) Triethanolamin versetzt und 1 h umgesetzt. Danach wurde der Zr-TEA-Komplex langsam mit 1 ml H2O versetzt und erneut 1 h gerührt.Parallel to this, with stirring, 1.328 ml (10 mM) of triethanolamine were added to 2,715 g of zirconium ethoxide (10 mM), and 1 h implemented. Thereafter, the Zr-TEA complex was slowly added with 1 ml H 2 O and again stirred for 1 h.
Zur Herstellung von Filmen wurden 2,0 ml der Zr-TEA-Lösung mit 2,0 ml Wasser verdünnt. Zu der resultierenden leicht trüben Lösung wurden unter Rühren 2,0 ml der Epoxidlösung gegeben, was zu der Bildung einer klaren, leicht viskosen Lösung mit einem pH von ca. 8,5 führte.To prepare films, 2.0 ml of the Zr-TEA solution was diluted with 2.0 ml of water. To the resulting slightly cloudy solution was added 2.0 ml of the epoxide solution with stirring, resulting in the formation of a clear, slightly viscous solution having a pH of about 8.5.
Nach dem Entfernen flüchtiger Bestandteile in vacuo wurde zu der Lösung das Protein (Bacteriorhodopsin) zugegeben.After removal of volatiles in vacuo, the protein (bacteriorhodopsin) was added to the solution.
Nach dem Auftragen der Lösung auf Substrate werden nach dem Trocknen harte Filme mit optimalen optischen Eigenschaften erhalten.After the solution has been applied to substrates, hard films with optimum optical properties are obtained after drying.
Beispiel 3. Verwendung von Glycerin als Quervernetzer in Epoxidfilmen sowie als FeuchtigkeitsregulatorExample 3. Use of glycerol as cross-linker in epoxy films as well as moisture regulator
2200 μl (10 mM) Glycidoxypropyltrimethoxysilan, 241 μl (3,3 πiM) Glycerin sowie 744 μl (5 mM) TMOS wurden unter Rühren langsam mit 880 μl 1OmM HCl versetzt und 24 h bei Raumtemperatur gerührt.2200 .mu.l (10 mM) glycidoxypropyltrimethoxysilane, 241 .mu.l (3.3 .mu.M) glycerol and 744 .mu.l (5 mM) TMOS were added while stirring slowly with 880 .mu.l of 1OmM HCl and stirred for 24 h at room temperature.
Anschließend wurden unter starkem Rühren und unter Schutzgasatmosphäre (Ar) langsam 25 μl Bortrifluoridetherat (0,19 mM) zugegeben und die Reaktionsmischung erneut für 24h gerührt .Then, with vigorous stirring and under a protective gas atmosphere (Ar), 25 μl of boron trifluoride etherate (0.19 mM) were added slowly, and the reaction mixture was stirred again for 24 h.
Die Lösung wurde wie in Beispiel 1 weiterverarbeitet. Beispiel 4. Herstellung eines Siloxan-Urethan-Harnstoff KompositsThe solution was further processed as in Example 1. Example 4. Preparation of a siloxane-urethane-urea composite
Unter Eiskühlung und Rühren wurden zu 1125 μl (4.5 mM) Isocyanatopropyltrimethoxysilan 225 μl (3 mM) 3-Aminopropan- l-ol gegeben. Nach erfolgter Reaktion wurde die Mischung 45 min unter Rückfluß auf 1100C erhitzt. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurden zu 1000 μl der Substanz unter starkem Rühren 300 μl TMOS, dann 3000 μl H2O und anschließend 100 μl HCl konz. gegeben. Nachdem die Lösung klar ist, wurden ebenfalls unter Rühren 800 μl 2 M TEA zugegeben. Nach dem Entfernen flüchtiger Komponenten in vacuo wurde der viskosen Lösung das Protein (Bacteriorhodospin) zugesetzt.Under ice-cooling and stirring, 225 μl (3 mM) of 3-aminopropanol were added to 1125 μl (4.5 mM) of isocyanatopropyltrimethoxysilane. After the reaction, the mixture was heated at 110 0 C under reflux for 45 min. After cooling to room temperature, 300 .mu.l of TMOS, then 3000 .mu.l of H 2 O and then 100 .mu.l of HCl were added to 1000 .mu.l of the substance with vigorous stirring. given. After the solution is clear, 800 μl of 2 M TEA were also added with stirring. After removing volatile components in vacuo, the protein (bacteriorhodospin) was added to the viscous solution.
Die erhaltene Lösung kann hervorragend für Druckprozesse verwendet werden. The resulting solution can be used excellently for printing processes.
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