(57)【要約】  ａ）基板と、ｂ）基板の表面に共有結合により接続するとともに、この表面の少なくとも一部を被覆する結合層と、ｃ）終端の一方で結合層に共有結合によりそれぞれ接続する複数のポリマー鎖によって形成されるポリマーブラシとを備える、ポリマー修飾基板を提供する。また、基板上に設けられる結合層上で、ビニルホスホネート等の、ビニル基を含有するモノマーを重合することによって、ポリマー修飾基板を製造する方法を提供する。【選択図】図２
2015505716.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリマー修飾基板を製造する方法であって、
ａ）基板の表面の少なくとも一部上に、該基板に共有結合により接続するとともに、電子受容性基により置換される複数のビニル基を担持する結合層を調製する工程と、
ｂ）前記結合層を、触媒である希土類金属錯体と接触させるとともに、該希土類金属錯体を、前記結合層の、電子受容性基により置換されるビニル基と配位させる工程と、
ｃ）配位された希土類金属錯体触媒を含む前記結合層を、電子受容性基で置換されるビニル基を含有するビニルモノマーと接触させる工程と、
ｄ）配位された希土類金属錯体の希土類金属によって媒介される前記ビニルモノマーの重合を行う工程であって、終端の一方で前記結合層に共有結合により接続するポリマー鎖を形成する、工程と、
を含む、方法。
【請求項２】
工程ａ）が、
ａ１）前記基板の表面上に、それぞれ電子受容性基により置換される少なくとも２つのビニル基をそれぞれ担持するバインダー分子を供給する工程と、
ａ２）前記基板の表面上で、前記バインダー分子を表面グラフト化及び重合することによって、前記結合層を調製する工程と、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記希土類金属錯体触媒が、イットリウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム及びルテチウムからなる群から選択される金属を含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記希土類金属錯体触媒が、少なくとも２つのシクロペンタジエニル配位子によって配位される希土類金属原子を含む三価希土類金属錯体である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
電子受容性基で置換されるビニル基として、２つの（メタ）アクリレート基を担持するバインダー分子を用いて、前記結合層を調製する、請求項２〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記バインダー分子がアルキレングリコールジメタクリレートである、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ポリマー鎖が、ビニルホスホネート単位、ビニルホスホン酸単位、（メタ）アクリレート単位、（メタ）アクリル酸単位、及びそれらの組合せからなる群から選択される重合単位を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記ポリマー鎖が、ビニルホスホネート単位、ビニルホスホン酸単位及びそれらの組合せからなる群から選択される重合単位を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法によって得られる、ポリマー修飾基板であって、
（ａ）基板と、
（ｂ）前記基板の表面に共有結合により接続するとともに、該表面の少なくとも一部を被覆する、結合層と、
（ｃ）終端の一方で前記結合層に共有結合によりそれぞれ接続する複数のポリマー鎖によって形成されるポリマーブラシと、
を備える、ポリマー修飾基板。
【請求項１０】
前記基板の表面上に、電子受容性基により置換される少なくとも２つのビニル基をそれぞれ担持するバインダー分子を供給するとともに、前記基板の表面上で前記バインダー分子を表面グラフト化及び重合させて前記結合層を形成することによって、前記結合層が得られる、請求項９に記載のポリマー修飾基板。
【請求項１１】
難燃特性、汚染防止特性又は生体適合性の付与に対する請求項９又は１０に記載のポリマー修飾基板の使用。
【請求項１２】
細胞、組織及び／又はタンパク質の接着用の基板としての請求項９又は１０に記載のポリマー修飾基板の使用。
【請求項１３】
細胞を増殖させる方法であって、細胞を、請求項９又は１０に記載のポリマー修飾基板と接触させる工程を含む、方法。
【請求項１４】
前記細胞が、胚性幹細胞及び成体幹細胞を含む幹細胞、多能性細胞、並びに間葉系間質細胞から選択される、請求項１２に記載の使用又は請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
結合層で修飾された基板であって、基板と、該基板の表面に共有結合により接続するとともに、該表面の少なくとも一部を被覆する結合層であって、該基板の表面上に、電子受容性基により置換される少なくとも２つのビニル基をそれぞれ担持するバインダー分子を供給するとともに、該基板の表面上で該バインダー分子を表面グラフト化及び重合することによって得られる、結合層とを備える、結合層で修飾された基板。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
保護及び／又は特異的機能性をもたらすポリマー層による表面の修飾が、広く使用されている。ポリマーフィルムを施す上で、高分子溶液の塗布、表面上における直接的なモノマーの重合、及び／又は表面上への反応性基を担持するポリマーのグラフト化を含む多種多様な技法が利用可能である。グラフト化によるアプローチを用いると、ポリマー鎖の少なくとも一部が表面に垂直に配置される表面コーティングを得ることができる。かかる表面コーティングは概して、化学的及び機械的な頑健性、並びに官能基の導入に対する合成柔軟性（synthetic flexibility）をもたらす（非特許文献１）。とりわけ、ポリマーブラシは、安定なコーティングを調製するための有効な方針を表す（非特許文献２）。
【０００２】
過去数十年にわたって、リン含有ポリマーは、それらのハロゲンフリー難燃特性、プロトン伝導特徴、及び歯科用又は骨用コンクリートにおけるバインダーとしての商業的応用のために、大きな関心を集めてきた。近年では、これらのポリマーの低毒性及び生体適合性（非特許文献３）に起因して、例えば、汚染防止、再生医療（tissue engineering：組織工学）、薬物輸送及び細胞増殖表面における生物医学的用途にかなり多くの注目が向けられている（非特許文献４）。上記の用途に適した高モル質量及び低多分散性を有するポリ（ビニルホスホネート）は、グループトランスファー重合（ＧＴＰ）メカニズムに従って希土類金属含有触媒の存在下で効率的に調製することができることが示されている（非特許文献５）。
【０００３】
しかしながら、多くの用途では、これらのポリマーが、理想的には共有結合を介して表面に安定に接続して、修飾表面の機械的安定性及び耐久性を増大させることが必要とされる。ナノ粒子（特許文献１）又は他の表面（特許文献２）を、ポリホスホネート部位を含有し得るポリマーで修飾することが示唆されているが、安定的に修飾された表面上に、好適な厚み及び／又は密度を有する、リン官能基を含有するポリマーブラシの提供を可能とするコーティング構造は報告されていない。これは、表面からのポリマー鎖のグラフト化に往々にして使用される、ラジカル又はイオンによるアプローチ（例えば、非特許文献６、イオン重合を開示している非特許文献７、又はフリー／制御ラジカル重合を開示している非特許文献８）を、ビニルホスホネートの重合に適用させても、通常では、低収率及び低重合度となるという事実に起因していると思われる（非特許文献９、非特許文献１０を参照されたい）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００８／０７１２８６号
【特許文献２】国際公開第０２／１０７５９号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】S. Edmondson et al., Chem. Soc. Rev., 2004, 33, 14-22
【非特許文献２】J. B. Kim et al., Polymer Brushes: Synthesis, Characterization,Applications; Wiley-VCH: Weinheim, Germany, 2004
【非特許文献３】S. Monge et al., Biomacromolecules 2011, DOI: 10.1021/bm2004803
【非特許文献４】R. A. Gemeinhart et al., J. Biomed. Mater. Res., Part A 2006, 78A,433-444
【非特許文献５】U. B. Seemann et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 3489-3491
【非特許文献６】R. Jordan and A. Ulman, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 243-247
【非特許文献７】R. Jordan et al., J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 1016-1022
【非特許文献８】X. Huang and M. J. Wirth, Anal. Chem. 1997, 69, 4577-4580
【非特許文献９】T. Wagner et al., Macromol. Chem. Phys. 2009, 210, 1903-1914
【非特許文献１０】B. Bingoelet al., Macromolecules 2008, 41, 1634-1639
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
それ故、本発明者らの目的は、ポリホスホネート及び関連するポリマー部位によって基礎をなす基板材料を安定的に修飾し、かつ有益な表面被覆率で効率的に調製することができるポリマー修飾表面を提供することであった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本目的は、遊離ビニル基をもたらす表面に共有結合により接続する結合層を基板に備える新たなアプローチによって達成することができた。続いて、結合層中のビニル基を、ポリマーブラシにおけるポリマー鎖の形成に係る接続位置及び開始位置として使用する、好適なビニルモノマーの希土類金属媒介重合が行われる。本方法によれば、基板表面からポリマー鎖を効率的にグラフト化することができるとともに、適切な鎖密度及び厚みを有するポリマーブラシを形成することができる。
【０００８】
その結果、本発明は、ポリマー修飾基板を製造する方法であって、
ａ）基板の表面の少なくとも一部上に、基板に共有結合により接続するとともに、電子受容性基（electron accepting group）により置換される複数のビニル基を担持する結合層を調製する工程と、
ｂ）結合層を、触媒である希土類金属錯体と接触させるとともに、希土類金属錯体を、結合層の、電子受容性基により置換されるビニル基と配位させる工程と、
ｃ）配位された希土類金属錯体触媒を含む結合層を、電子受容性基で置換されるビニル基を含有するビニルモノマーと接触させる工程と、
ｄ）配位された希土類金属錯体の希土類金属によって媒介されるビニルモノマーの重合を行う工程であって、終端の一方で結合層に共有結合により接続するポリマー鎖を形成する、工程と、
を含む、方法を提供する。
【０００９】
好ましい実施の形態によれば、結合層は、工程ａ）が、
ａ１）基板の表面上に、それぞれ電子受容性基により置換される少なくとも２つのビニル基をそれぞれ担持するバインダー分子を供給する工程と、
ａ２）基板の表面上で、バインダー分子を表面グラフト化及び重合することによって、結合層を調製する工程と、
を含む、方法によって調製される。
【００１０】
本発明による方法で使用される希土類金属錯体は、イットリウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム及びルテチウムからなる群から選択される金属を含むのが好ましい。また、希土類金属錯体が、少なくとも２つのシクロペンタジエニル配位子により配位される希土類金属原子を含む三価希土類金属錯体である場合に有益であることが見出された。
【００１１】
本発明は更に、本発明による方法によって得られるポリマー修飾基板であって、
（ａ）基板と、
（ｂ）基板の表面に共有結合により接続するとともに、表面の少なくとも一部を被覆する、結合層と、
（ｃ）終端の一方で結合層に共有結合によりそれぞれ接続する複数のポリマー鎖によって形成されるポリマーブラシと、
を備える、ポリマー修飾基板を提供する。
【００１２】
好ましい実施の形態によれば、本発明による方法によって得られるポリマー修飾基板は、
ａ）基板と、
ｂ）基板の表面に共有結合により接続するとともに、この表面の少なくとも一部を被覆する結合層であって、基板の表面上に、電子受容性基により置換される少なくとも２つのビニル基をそれぞれ担持するバインダー分子を供給するとともに、基板の表面上でバインダー分子を表面グラフト化及び重合させて結合層を形成することによって得られる、結合層と、
（ｃ）終端の一方で結合層に共有結合によりそれぞれ接続する複数のポリマー鎖によって形成されるポリマーブラシと、
を備える。
【００１３】
ポリマーブラシのポリマー鎖は好ましくは、ビニルホスホネート単位、ビニルホスホン酸単位、（メタ）アクリレート単位、（メタ）アクリル酸単位、及びそれらの組合せからなる群から選択される、とりわけ、ビニルホスホネート単位、ビニルホスホン酸単位、及びそれらの組合せからなる群から選択される重合単位を含む。例えば、ポリマー鎖は、ビニルホスホネート単位又はビニルホスホン酸単位が重合したホモポリマー鎖を含んでいてもよい。本発明によるビニルホスホネートホモポリマー又はコポリマー鎖において重合され得る特に好適なビニルホスホネート単位は、ジメチルビニルホスホネート、ジエチルビニルホスホネート及びジプロピルビニルホスホネートから選択される単位である。
【００１４】
さらに、本発明は、例えば、基板の表面への難燃特性、汚染防止特性、及び／又は生体適合性の付与に対する上記に規定されるポリマーブラシと併せた結合層の使用を包含する。当然のことながら、同時に、難燃特性、汚染防止特性、及び／又は生体適合性が必要とされる用途におけるポリマー修飾基板の使用も、本発明により包含される。同様に、本発明は、修飾表面の有益な特性が活用される方法、例えば、細胞を本発明による基板と接触させる工程を含む、細胞、特に幹細胞を増殖する方法を包含する。
【００１５】
また、結合層が、基板の表面上に、電子受容性基により置換される２つのビニル基をそれぞれ担持するバインダー分子を供給するとともに、基板の表面上でバインダー分子を表面グラフト化及び重合することによって得られる、基板と、基板の表面に共有結合により接続されるとともに、この表面の少なくとも一部を被覆する結合層とを備える、結合層で修飾された基板も本発明の一部である。このような結合層で修飾された基板は、最終的にポリマー修飾基板を提供するのに有用な中間生成物を形成する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】水素終端化シリコン基板の形成を示す図である。
【図２】シリコンウエハ上におけるポリ（エチレングリコールジメタクリレート）（ＰＥＧＤＭ）網目構造の共有結合による固定化、及びその後のジアルキルビニルホスホネートのグループトランスファー重合（ＧＴＰ）によるポリマーブラシの形成を示す図である。
【図３】シリコンウエハ上におけるＰＥＧＤＭ膜、及びジエチルビニルホスホネート（ＤＥＶＰ）の表面開始グループトランスファー重合（ＳＩＧＴＰ）後のポリマーブラシの原子間力顕微鏡検査（ＡＦＭ）の３Ｄ画像である。（ａ）３０分間のエチレングリコールジメタクリレート（ＥＧＤＭ）の自己開始光グラフト化及び光重合（ＳＩＰＧＰ）により、２９±６ｎｍの厚みを有するＰＥＧＤＭ膜が与えられる。（ｂ）〜（ｅ）１分、２分、３分及び４分の上記のＰＥＧＤＭ膜上におけるＤＥＶＰのＧＴＰによりそれぞれ、５１±１１ｎｍ、７３±９ｎｍ、１０４±１１ｎｍ及び１４６±１２ｎｍ厚のポリマー層がもたらされる。（ｆ）ＧＴＰ時間の関数としてのポリマー層の厚み。
【図４】シリコンウエハ上における、ＰＥＧＤＭブラシ、Ｐ（ＥＧＤＭ−ｇ−ＤＥＶＰ）ブラシ及びＰ（ＥＧＤＭ−ｇ−ＭＭＡ）ブラシのＩＲスペクトルを示す図である。
【図５】ポリ（ジアルキルビニルホスホネート）（ＰＤＡＶＰ）の分子構造（ｄ）、及び異なる温度におけるシリコン基板上の種々のＰＤＡＶＰコーティングに関する静水接触角（ＣＡ）を示す図である。（ａ〜ｃ）２５℃における、ＰＤＭＶＰブラシ、ＰＤＥＶＰブラシ及びＰＤＰＶＰブラシのＣＡ。（ｅ）５０℃におけるＰＤＥＶＰブラシのＣＡ。
【図６】結合層としての、３−（トリメトキシシリル）プロピルメタクリレート（ＴＭＳＰＭ）の自己組織化単分子層（ＳＡＭ）の形成を示す図である。
【図７】図６の結合層上におけるポリビニルホスホネート鎖の形成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本明細書中に使用される「アルキル」という用語は、具体的に特段の指示がない限り、線状及び分岐状アルキル部位を包含する。アルキル基の好ましい例は、１個〜６個の炭素原子（Ｃ１〜６アルキル）、とりわけ１個〜４個の炭素原子（Ｃ１〜４アルキル）を有し、メチル、エチル、プロピル（例えば、ｎ−プロピル又はイソプロピル）及びブチル（例えば、ｎ−ブチル、イソブチル、ｔｅｒｔ−ブチル又はｓｅｃ−ブチル）が挙げられる。
【００１８】
「ヘテロアルキル」という用語は、具体的に特段の指示がない限り、アルキル基の終端の一方又は両方における炭素原子の置換えの可能性を含む、炭素原子の１つ又は複数がヘテロ原子によって置き換えられた、アルキル基及び上記のようなその好ましい実施形態を指す。ヘテロ原子の好ましい例は、Ｏ、Ｓ及びＮ、とりわけＯである。ヘテロアルキル基の好ましい例は、２個〜６個の炭素原子及び１個、２個又は３個のヘテロ原子を含有する。それ故、好ましいヘテロアルキル基は、１つ又は複数、例えば、１つ、２つ又は３つのエーテル結合を含有し得るエーテル基である。
【００１９】
「シクロアルキル」という用語は、具体的に特段の指示がない限り、環状アルキル部位を指す。好適なアルキル基の好ましい例は、４個〜１０個の炭素原子、とりわけ５個又は６個の炭素原子を有し、シクロペンチル及びシクロヘキシルが挙げられる。
【００２０】
「ヘテロシクロアルキル」という用語は、具体的に特段の指示がない限り、炭素原子の１つ又は複数がヘテロ原子によって置き換えられたシクロアルキル基を指す。ヘテロ原子（heteroatoms）の好ましい例は、Ｎ、Ｏ及びＳである。ヘテロシクロアルキル基の好ましい例は、２個〜５個の炭素原子及び１個、２個又は３個のヘテロ原子を含有する。ヘテロシクロアルキル基の更に好ましい例としては、ピロリジン基、テトラヒドロフラン基又はピペリジン基が挙げられる。
【００２１】
「アリール」という用語は、具体的に特段の指示がない限り、好ましくは６個〜１０個の炭素原子を有する、単環及び縮合環を含む芳香族環系を指す。特定の例はフェニル基又はナフチル基である。
【００２２】
「ヘテロアリール」という用語は、具体的に特段の指示がない限り、炭素原子の１つ又は複数、例えば１個、２個又は３個がヘテロ原子によって置き換えられた、上記に規定されるアリール基を指す。ヘテロ原子の好ましい例は、Ｎ、Ｏ又はＳである。ヘテロアリール基の好ましい例は、３個〜９個の炭素原子及び１個、２個又は３個のヘテロ原子を含有する。ヘテロアリール基の更なる好ましい例としては、ピロール基、ピリジン基、ピラゾール基、ピラジン基、フラン基及びチオフェン基が挙げられる。
【００２３】
「アルコキシ」という用語は、具体的に特段の指示がない限り、−Ｏ−アルキル基（式中、アルキルは上記に規定されるものである）を指す。
【００２４】
「アシル」という用語は、アルキル−Ｃ（Ｏ）−基（式中、アルキルは上記に規定されるものである）を指す。
【００２５】
「アラルキル」という用語は、上記に規定されるアリール基により置換される、上記に規定されるアルキル基を指す。
【００２６】
「ハロゲン」という用語は、具体的に特段の指示がない限り、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ又はＩ、好ましくはＦ、Ｃｌ又はＢｒを指す。
【００２７】
「カルボン酸基」という用語は、具体的に特段の指示がない限り、プロトン化形態の−ＣＯＯＨ及びそのアニオン形態の両方を包含する。
【００２８】
「（メタ）アクリレート」及び「（メタ）アクリル酸」という用語において、括弧は、慣習に従い、メチル基が存在していても又は存在していなくてもよいことを示す。
【００２９】
それ自体又は別の基の一部（アラルキル基のアルキル部位等）を指す、いずれかの任意に置換されたアルキル基、ヘテロアルキル基、シクロアルキル基、ヘテロシクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基又はアルコキシ基は、例えば、ハロゲン、ヒドロキシ、−ＮＨ２、−ＮＨ（Ｃ１〜６アルキル）又は−Ｎ（Ｃ１〜６アルキル）２から選択される、１つ又は複数、例えば１つ、２つ又は３つの置換基で置換されていてもよい。好ましいものは、Ｆ、Ｃｌ、ヒドロキシ及び−ＮＨ２である。それ自体又は別の基の一部（アラルキル基のアリール部位等）を指す、いずれかの任意に置換されたシクロアルキル基、ヘテロシクロアルキル基、アリール基又はヘテロアリール基は、例えば、Ｃ１〜６アルキル、Ｃ１〜６アルコキシ、ハロゲン、ヒドロキシ、−ＮＨ２、−ＮＨ（Ｃ１〜６アルキル）又は−Ｎ（Ｃ１〜６アルキル）２から選択される、１つ又は複数、例えば１つ、２つ又は３つの置換基で置換されていてもよい。好ましいものは、メチル、エチル、メトキシ、エトキシ、Ｆ、Ｃｌ、ヒドロキシ及び−ＮＨ２である。具体的に特段の指示がない限り、任意に置換された部位は概して、非置換である場合が好ましい。
【００３０】
「ビニル基」という用語は、高分子科学の分野における慣習に従って、２つの炭素原子が二重結合により連結して、その１つが２つの水素原子を担持する基（メチリデン部位（＝ＣＨ２）とも称される）を指すように、本明細書中で使用される。これは、もう一方の炭素原子に非水素置換基を担持するような基も含む。それ故、ビニル基は下記式：
【化１】
2015505716.tif 000003
（式中、Ｒは、水素、又は別の原子若しくは基、例えば、電子受容性基（例えば、エステル基、アミド基、アルデヒド基及びアシル基から選択される）、アルキル基、又は所与の目的に適する任意の他の基、例えば、全て任意に置換されていてもよい、ヘテロアルキル基、シクロアルキル基、ヘテロシクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、アルコキシ基若しくはアラルキル基、又はハロゲンであってもよい）によって示すことができる。当然のことながら、単一ダッシュ記号が付いた開放原子価は、ビニル基を分子の残りの部分に繋げる結合を示す。電子受容性基により置換されるビニル基又はビニルモノマーの場合、電子受容性基も、分子のこの残りの部分、又はその一部を形成し得る。後者の場合、Ｒは、電子受容性基と異なる基、例えば、水素又はアルキルであることが好ましい。さらに、当然のことながら、本明細書中で電子受容性基により置換されるビニル基について言及する場合、電子受容性基は、ビニル基の＝ＣＨ２部位をそのまま残し、二重結合により連結する他の炭素原子に接続する。
【００３１】
上述のように、本発明によるポリマー修飾基板は、その表面の少なくとも一部上に、基板の表面に共有結合により接続される結合層を備える。典型的に、結合層は、結合層の基板の表面への共有結合による接続（covalent attachment）を可能にする官能基を提供すると同時に、隣接するポリマー鎖とともにポリマーブラシを形成するポリマー鎖に関する接続位置及び開始位置として作用する、電子受容性基により置換されるビニル基を担持する、バインダー分子から形成される。
【００３２】
第１の例示的な実施形態によれば、結合層は、基板の表面に共有結合により接続されるとともに、基板と離れた単分子層の表面に近い終端に、電子受容性基により置換されるビニル基を担持する、複数のバインダー分子により形成される単分子層を表す。第１の例示的な実施形態のこれらのバインダー分子の典型的な構造は、下記式（Ｉａ）及び式（Ｉｂ）によって示され、中でも、式（Ｉｂ）のバインダー分子が好ましい。
【化２】
2015505716.tif 000004
【００３３】
式（Ｉａ）中、Ａ１は、エステル基、アミド基、アルデヒド基、アシル基、−ＣＯＯＨ又はニトリル基、好ましくは、エステル基、アミド基、アルデヒド基又はアシル基、とりわけエステル基から選択される電子受容性基である。エステル基として好ましいものは−Ｃ（Ｏ）ＯＲ２基である。アミド基として好ましいものは−Ｃ（Ｏ）ＮＲ３Ｒ４基である。Ｒ２は、任意に置換される、アルキル、シクロアルキル及びアリールから選択される。好ましいものは、アルキル及びアリール、とりわけアルキルである。Ｒ３及びＲ４は独立して、水素から、また任意に置換される、アルキル、シクロアルキル及びアリールから選択される。好ましいものは、アルキル及びアリール、とりわけアルキルである。水素はあまり好ましくない選択肢である。
【００３４】
Ｓｐ１は、二価アルキル基又は二価ヘテロアルキル基等の二価スペーサー部位である。特定の例は、Ｃ３〜Ｃ１２アルキル基、又はＣ原子間に組み入れられる１つ又は複数、例えば、２つ又は３つのエーテル結合を含有するような基である。
【００３５】
Ｘは、バインダー分子の基板の表面への共有結合による接続を可能とする官能基である。表面コーティングを様々な表面に接続させるのに好適な官能基は、当技術分野において既知である。それらとしては、例えば、−Ｓｉ（Ｒ５）３基（式中、Ｒ５は、アルコキシ基、とりわけメトキシ基若しくはエトキシ基から、又はハロゲン、とりわけＣｌから選択される）が挙げられる。Ｘ基に関する更なる例としては、モノアニオン又はジアニオンの形態の、チオール基（−ＳＨ）又はホスホネート基（−Ｐ（Ｏ）（ＯＨ）２）を述べることができる。−Ｓｉ（Ｒ５）３基が概して好ましく、例えば、ガラス又はシリコンのような表面の修飾に関して便宜上使用することができる。
【００３６】
式（Ｉｂ）中、Ａ２は、エステル（−Ｃ（Ｏ）Ｏ−）基、アミド基又はカルボニル（−Ｃ（Ｏ）−）基から選択される電子受容性基である。好ましいものはエステル基である。エステル基及びアミド基では、Ｃ＝Ｏ部位が、ビニル基のＣ−Ｃ二重結合を形成するＣ原子に直接結合していることが好ましい。アミド基として好ましいものは−Ｃ（Ｏ）ＮＲ３−基（式中、Ｒ３は、水素から、また任意に置換される、アルキル、シクロアルキル及びアリールから選択される）である。好ましいものは、アルキル及びアリール、とりわけアルキルである。Ｒ１は、水素から、また任意に置換される、アルキル、ヘテロアルキル、シクロアルキル、ヘテロシクロアルキル、アリール、ヘテロアリール及びアラルキルから選択される。Ｒ１について好ましいものは、水素又はアルキル、例えば、メチル、エチル又はプロピルであり、特に好ましいものは水素又はメチルである。Ｓｐ１及びＸは式（Ｉａ）におけるものと同様に規定される。
【００３７】
結合層の形成に関する好ましい第２の例示的な実施形態によれば、少なくとも２つのビニル基を担持し、ビニル基の各々が電子受容性基により置換されるバインダー分子が使用される。ビニル基は、バインダー分子間及びバインダー分子と基板の表面との間の反応を起こすことを可能とする。この場合、結合層は、基板の表面の少なくとも一部上に、それぞれ電子受容性基により置換される少なくとも２つのビニル基をそれぞれ担持するバインダー分子を供給するとともに、基板の表面上でバインダー分子を表面グラフト化及び重合することにより結合層を調製することによって調製することができる。少なくとも２つのビニル基を担持し、ビニル基の各々が電子受容性基により置換される、バインダー分子が、本発明に関して結合層をもたらすのに特に有用であることが見出された。これらのバインダー分子は、例えば、２つ、３つ又は４つのビニル基を含有していてもよいが、２つのビニル基を担持するバインダー分子が概して好ましい。様々な数のビニル基を含有するバインダー分子の混合物を使用することも可能である。この場合、バインダー分子の少なくとも５０％、より好ましくは少なくとも８０％が、２つのビニル基を担持していることが好ましい。バインダー分子の一部又は全てにおけるビニル基の数を変えることによって、結合層中に形成される分岐点の数及び／又は架橋密度を適応させることが可能である。結合層の調製中に、少なくとも２つのビニル基を担持するバインダー分子を、電子受容性基で置換される単一のビニル基のみを担持する分子と混合させて、形成される網目構造の密度、又は結合層におけるポリマーブラシの接続に利用可能なビニル基の密度を制御することも可能である。
【００３８】
この第２の実施形態のバインダー分子に含まれるビニル基は、バインダー分子と、基板表面、例えば、表面に結合された水素原子を伴う基板表面との反応を可能とする。同時に、それらは、モノマーであるバインダー分子間の分子間反応によって重合して、ポリマー層形態の結合層をもたらすことができる。事実、２つの重合性ビニル基の存在に起因して、結合層中に、分岐状及び／又は共有結合により架橋された高分子構造をもたらすことができる。結果、安定な高分子結合層をバインダー分子から形成することができる。典型的に、本実施形態による結合層は、分岐状ポリマー鎖を含有する。例えば、３つ以上のビニル基を有する多官能性バインダー分子の使用を通じて、ビニル基の数を増大させることによって、架橋の形成が促され得る。そして最後に、表面グラフト化及び重合反応中に反応せずに、初めの結合層のまま残っているビニル基が、ポリマー鎖の接続位置として使用され得る。よって、当然のことながら、結合層が基板の表面上に形成された後にも、電子受容性基で置換される複数のビニル基が存在する。
【００３９】
１つのバインダー分子中の、電子受容性基で置換される２つ以上のビニル基は、同一であっても又は異なっていてもよい。合成の単純性に鑑み、２つの同一の基がバインダー分子中に含まれることが好ましいと思われる。結合層の制御形成のために、バインダー分子は、電子受容性基で置換されるビニル基を除いて、更なる非芳香族Ｃ−Ｃ二重結合も、又は更なる二重結合も一切含有しないことが好ましい。
【００４０】
第２の実施形態のバインダー分子中のビニル基も、電子受容性基で置換される。この置換が基のビニル特徴をそのまま残す、すなわち、電子受容性基がビニル基の非終端炭素原子に結合されることは、当業者（skilled reader）により理解されるであろう。好適な電子受容性基としては、エステル基、アミド基、カルボニル基（アシル基及びアルデヒド基を含む）、−ＣＮ及び−ＣＯＯＨ基が挙げられる。好ましいものは、エステル基、アミド基、アルデヒド基又はアシル基、とりわけ、エステル基である。
【００４１】
それ故、第２の実施形態によるバインダー分子中の、電子受容性基で置換される好ましいビニル基は、下記構造（ＩＩａ）又は（ＩＩｂ）の１つを有する。
【化３】
2015505716.tif 000005
【００４２】
式（ＩＩａ）中、Ａ１は、エステル基、アミド基、アルデヒド基、アシル基、−ＣＯＯＨ又はニトリル基、好ましくは、エステル基、アミド基、アルデヒド基又はアシル基、とりわけエステル基から選択される電子受容性基である。エステル基として好ましいものは−Ｃ（Ｏ）ＯＲ２基である。アミド基として好ましいものは−Ｃ（Ｏ）ＮＲ３Ｒ４基である。Ｒ２は、任意に置換される、アルキル、シクロアルキル及びアリールから選択される。好ましいものは、アルキル及びアリール、とりわけアルキルである。Ｒ３及びＲ４は独立して、水素から、また任意に置換される、アルキル、シクロアルキル及びアリールから選択される。好ましいものは、アルキル及びアリール、とりわけアルキルである。水素はあまり好ましくない選択肢である。当然のことながら、単一ダッシュ記号が付いた開放原子価は、ビニル基を分子の残りの部分に繋げる結合を示す。
【００４３】
式（ＩＩｂ）中、Ａ２は、エステル（−Ｃ（Ｏ）Ｏ−）基、アミド基又はカルボニル（−Ｃ（Ｏ）−）基から選択される電子受容性基である。好ましいものはエステル基である。エステル基及びアミド基では、Ｃ＝Ｏ部位が、ビニル基のＣ−Ｃ二重結合を形成するＣ原子に直接結合していることが好ましい。アミド基として好ましいものは−Ｃ（Ｏ）ＮＲ３−基（式中、Ｒ３は、水素から、また任意に置換される、アルキル、シクロアルキル及びアリールから選択される）である。好ましいものは、アルキル及びアリール、とりわけアルキルである。水素はあまり好ましくない選択肢である。Ｒ１は、水素から、また任意に置換される、アルキル、ヘテロアルキル、シクロアルキル、ヘテロシクロアルキル、アリール、ヘテロアリール及びアラルキルから選択される。Ｒ１について好ましいものは、水素、又はアルキル、例えば、メチル、エチル若しくはプロピルであり、特に好ましいものは水素又はメチルである。
【００４４】
それらの都合の良い利用可能性の観点から、電子受容性基で置換される好ましいビニル基は、式（ＩＩｂ）のもの、とりわけ、（メタ）アクリレートのカルボン酸基によって形成されるエステル結合を介してバインダー分子の残りの部分に繋がる（メタ）アクリレート基である。最も好ましいものはここではメタクリレート基である。
【００４５】
第２の実施形態のバインダー分子中の、電子受容性基で置換される２つ以上のビニル基は概して、ｎ価のスペーサ部位に接続される。ここでｎはバインダー分子中のビニル基の数を表す。このスペーサ部位に課される制限はほとんどない。当然のことながら、スペーサ部位は、バインダー分子から結合層を調製するのに行われる表面グラフト化及び重合反応において、不活性であることが好ましい。例えば、スペーサ部位は、ｎ価のアルキル基、ヘテロアルキル基、シクロアルキル基、ヘテロシクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基及びアラルキル基から選択されるｎ価の基であってもよく、それらは全て任意に置換されていてもよい。アルキル基及びヘテロアルキル基が好ましい。特に好ましいものは、二価のエチレン基、プロピレン基又はブチレン基によって連結される２つのビニル基を担持するバインダー分子である。
【００４６】
それ故、結合層を形成するための、第２の実施形態に関するバインダー分子の好ましい構造は、下記式（ＩＩＩａ）又は式（ＩＩＩｂ）によって示すことができる。
【化４】
2015505716.tif 000006
【００４７】
式（ＩＩＩａ）中、Ａ１は、エステル基、アミド基、アルデヒド基、アシル基、−ＣＯＯＨ又はニトリル基、好ましくは、エステル基、アミド基、アルデヒド基又はアシル基、とりわけエステル基から選択される電子受容性基である。エステル基として好ましいものは−Ｃ（Ｏ）ＯＲ２基である。アミド基として好ましいものは−Ｃ（Ｏ）ＮＲ３Ｒ４基である。Ｒ２は、任意に置換される、アルキル、シクロアルキル及びアリールから選択される。好ましいものは、アルキル及びアリール、とりわけアルキルである。Ｒ３及びＲ４は独立して、水素から、また任意に置換される、アルキル、シクロアルキル及びアリールから選択される。好ましいものは、アルキル及びアリール、とりわけアルキルである。水素はあまり好ましくない選択肢である。ｎは、２、３又は４、好ましくは２である。Ｓｐ２はｎ価のリンカー部位であり、二価のアルキル基、ヘテロアルキル基、シクロアルキル基、ヘテロシクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基及びアラルキル基から選択され、それらは全て任意に置換されていてもよい。アルキル基及びヘテロアルキル基が好ましい。特に好ましいものは、エチレン基、プロピレン基又はブチレン基である。
【００４８】
式（ＩＩＩａ）及び式（ＩＩＩｂ）のバインダー分子の中でも概して好ましい、式（ＩＩＩｂ）のバインダー分子では、Ａ２が、エステル（−Ｃ（Ｏ）Ｏ−）基、アミド基又はカルボニル（−Ｃ（Ｏ）−）基から選択される電子受容性基である。好ましいものはエステル基である。エステル基及びアミド基に関して、Ｃ＝Ｏ部位が、ビニル基のＣ−Ｃ二重結合を形成するＣ原子に直接結合することが好ましい。アミド基として好ましいものは、−Ｃ（Ｏ）ＮＲ３−基（式中、Ｒ３は、水素から、また任意に置換される、アルキル、シクロアルキル及びアリールから選択される）である。好ましいものは、アルキル及びアリール、とりわけアルキルである。水素はあまり好ましくない選択肢である。Ｒ１は、水素から、また任意に置換される、アルキル、ヘテロアルキル、シクロアルキル、ヘテロシクロアルキル、アリール、ヘテロアリール及びアラルキルから選択される。Ｒ１について好ましいものは、水素、又はアルキル、例えば、メチル、エチル若しくはプロピルであり、特に好ましいものは水素又はメチルである。ｎ及びＳｐ２は式（ＩＩＩａ）におけるものと同様に規定される。
【００４９】
その商業的利用可能性を鑑み、エチレングリコールジメタクリレートを便宜上、この第２の実施形態のバインダー分子として使用することができる。
【００５０】
上述のように、本発明によるポリマー修飾基板を形成する方法は、基板の表面の少なくとも一部上に、基板に共有結合により接続されるとともに、それぞれ電子受容性基により置換される複数のビニル基を担持する結合層を調製する工程を含む。結合層は、基板の表面上に、バインダー分子、例えば、上記の第１若しくは第２の例示的な実施形態のもの、又は第１の実施形態のバインダー分子と第２の実施形態のバインダー分子との混合物を供給することによって調製されるものが有利である。
【００５１】
好ましい実施形態によれば、結合層は、基板の表面上に、それぞれ電子受容性基により置換される少なくとも２つのビニル基をそれぞれ担持するバインダー分子、例えば、上記に説明される第２の例示的な実施形態のバインダー分子を供給する工程と、基板の表面上で、バインダー分子を表面グラフト化及び重合することによって結合層を調製する工程とを含む方法によって調製される。それ故、結合層は、基板の表面に共有結合により接続される。加えて、このように形成される結合層は概して、電子受容性基により置換される２つのビニル基を担持するバインダー分子の重合反応により形成される、分岐状及び／又は架橋された高分子網目構造を含み、この２つのビニル基は、１つのバインダー分子当たり２つの重合性基に相当するものである。
【００５２】
当然のことながら、表面グラフト化及び重合反応に関与するバインダー分子中のそれらのビニル基は、反応後にビニル基でなくなり、各ビニル二重結合の損失に付随して、基板の表面又は別の重合ビニル基に対する共有結合を形成する。さらに、当然のことながら、結合層を表面に接続させるために、表面グラフト化及び重合により得られる結合層中のバインダー分子の全てが、基板の表面に対する結合を形成するのに必要とされるわけではない。概して、非常に多くのバインダー分子が、１つ又は２つの他のバインダー分子と反応して、バインダー分子の網目構造を形成すると考えられる。
【００５３】
表面グラフト化及び重合による好ましい結合層の形成後、かつポリマーブラシの形成前に、複数のビニル基が結合層中に残ることで、その後ポリマー鎖の形成を媒介する触媒錯体の配位が可能になると考えられる。これらの残存するビニル基は概して、ポリマー鎖が結合層に接続する前に結合層全体に分布すると考えられる。同様に、上記の第１の例示的な実施形態の結合分子は、典型的にバインダー分子の単分子層の形態で、電子受容性基により置換される複数のビニル基を含有する結合層をもたらすと考えられる。しかしながら、ポリマーで修飾された最終的な基板において、結合層のビニル基は、これ以上存在する必要がなく、事実、ポリマー鎖の形成中に完全に（又は、事実上完全に）変換されることが好ましい。
【００５４】
ポリマー修飾基板の使用目的に応じて、結合層は、基板表面を完全に又は部分的に被覆することができる。部分的な被覆は、例えば、基板上に、バインダー分子の規則的又は不規則なパターンを形成することによって実現することができる。かかるパターンの形成のための技法は、当技術分野において確立されており、ブラシ等又はインクジェット技術を介した選択的な塗布が挙げられる。代替的には、親水特性又は疎水特性を、既知の印刷技法によって表面部分に付与することができ、その後、特にバインダー分子が液体であるか、又は好適な溶媒に溶解している場合、バインダー分子を整然と施すことができる。
【００５５】
結合層の厚みは限定されるものではない。しかしながら、バインダー層が、表面上にポリマーブラシを形成するポリマー鎖の結合を確実なものとすることを目的としているに過ぎないことを鑑み、極めて厚い結合層を使用することは有効でない。良好な結果は、５ｎｍ〜１００ｎｍ、好ましくは１０ｎｍ〜５０ｎｍの範囲の厚みについて得ることができた。厚みは便宜上、表面グラフト化及び重合反応後に、結合層上にポリマーブラシを形成する前に、原子間力顕微鏡検査（ＡＦＭ）又は偏光解析法によって求めることができる。
【００５６】
結合層は、上述のバインダー分子とは別の他の分子を含有することが可能である。しかしながら、概して、上記に規定されるバインダー分子が、結合層を形成する全分子の少なくとも５０ｍｏｌ％、好ましくは少なくとも７０ｍｏｌ％、より好ましくは少なくとも９０ｍｏｌ％を占める。上記に記載されるような第１又は第２の実施形態のバインダー分子のみから結合層を形成することが好都合であると思われる。
【００５７】
結合層に接続されるポリマーブラシを形成するポリマー鎖は、電子受容性基で置換されるビニル基（上記の用語の意味について挙げた一般的説明を参照）を担持するビニルモノマーの重合反応によって得ることができる。概して、これらのビニル基の重合により形成されるポリマー鎖は、炭素骨格を有する、すなわち、結合層における接続点から延びる最も長い鎖が、炭素−炭素結合のみによって形成される。
【００５８】
電子受容性基で置換されるビニル基を担持するビニルモノマーは下記構造を有するのが好ましい。
【化５】
2015505716.tif 000007
【００５９】
式（ＩＶａ）中、Ｒ６は、水素から、また任意に置換される、アルキル、ヘテロアルキル、シクロアルキル、ヘテロシクロアルキル、アリール、ヘテロアリール及びアラルキルから選択される。Ｒ６について好ましいものは、水素、又はアルキル、例えば、メチル、エチル若しくはプロピルであり、特に好ましいものは水素又はメチルである。Ａ３は、エステル基、アミド基、アルデヒド基、アシル基から、オキソ基＝Ｏ及び／又はエーテル基−Ｏ−が硫黄によって置き換えられる対応構造から、またニトロ基（−ＮＯ２）から選択される電子受容性基である。対応する硫黄基は例えば、−Ｃ（Ｓ）ＳＲ８、−Ｃ（Ｏ）ＳＲ８及び−Ｃ（Ｓ）Ｒ８から選択される。Ａ３として好ましいものは、エステル基、アミド基、アルデヒド基又はアシル基から選択される基であり、より好ましいものはエステル基である。エステル基として好ましいものは−Ｃ（Ｏ）ＯＲ８基である。アミド基として好ましいものは−Ｃ（Ｏ）ＮＲ９Ｒ１０基である。Ｒ８は、任意に置換される、アルキル、シクロアルキル及びアリールから選択される。好ましいものは、アルキル及びアリールであり、とりわけアルキルである。Ｒ９及びＲ１０は独立して、水素から、また任意に置換される、アルキル、シクロアルキル及びアリールから選択される。好ましいものは、アルキル及びアリールであり、とりわけアルキルである。水素はあまり好ましくない選択肢である。
【００６０】
式（ＩＶａ）の特に好ましいビニルモノマーは、それらの都合の良い利用可能性の観点から、（メタ）アクリレート、とりわけ、メチルメタクリレート（methylmethacrylate）等のメタクリレートである。
【００６１】
式（ＩＶｂ）中、Ｒ７は、水素から、また任意に置換される、アルキル、ヘテロアルキル、シクロアルキル、ヘテロシクロアルキル、アリール、ヘテロアリール及びアラルキルから選択される。Ｒ７について好ましいものは、水素、又はアルキル、例えば、メチル、エチル若しくはプロピルであり、特に好ましいものは水素である。Ａ４は、ホスホネート基−Ｐ（Ｏ）（ＯＲ１１）（ＯＲ１２）及びホスフィンオキシド基−Ｐ（Ｏ）（Ｒ１１）（Ｒ１２）（式中、Ｒ１１及びＲ１２は独立して、任意に置換される、アルキル、シクロアルキル及びアリールから選択される）から選択される。好ましいものは、アルキル、特にメチル、エチル及びプロピルである。Ｒ１１及びＲ１２は同じであっても又は異なっていてもよいが、かかる化合物のより都合の良い利用可能性を鑑み、同じものであるのが好ましい。さらに、Ａ４は、−Ｓ（Ｏ）（Ｏ）（ＯＲ１１）、−Ｓ（Ｏ）（Ｒ１１）又は−Ｓ（Ｏ）（Ｏ）（Ｒ１１）（式中、Ｒ１１は上記に規定されるものと同じ意味を有する）から選択され得る。Ａ４として好ましいものは、ホスホネート基及びホスフィンオキシド基であり、特に好ましいものはホスホネート基−Ｐ（Ｏ）（ＯＲ１１）（ＯＲ１２）である。
【００６２】
ポリマー鎖は、ホモポリマー鎖又はコポリマー鎖であってもよい。コポリマー鎖は、ランダムコポリマー又はブロックコポリマーであってもよい。コポリマーとして好ましいものはブロックコポリマーである。
【００６３】
特許請求の範囲に係るポリマー修飾基板においてポリマーブラシを形成するポリマー鎖は、電子受容性基で置換されるビニル基を担持するビニルモノマーとは別の重合性Ｃ−Ｃ二重結合を含有する他のモノマー、例えばオレフィンから形成される重合単位を含んでいてもよい。しかしながら、電子受容性基で置換されるビニル基を担持するビニルモノマー、とりわけ、上記の式（ＩＶａ）及び／又は式（ＩＶｂ）のものが、ポリマー修飾基板における結合層に接続される各ポリマー鎖中において、全重合単位の少なくとも５０ｍｏｌ％、好ましくは少なくとも７０ｍｏｌ％、とりわけ１００ｍｏｌ％をもたらすことが好ましい。またポリマー鎖の合成し易さを鑑み、上記に規定される電子受容性基で置換されるビニル基を担持するビニルモノマーの重合のみによってポリマー鎖を形成することが好都合であると思われる。
【００６４】
当然のことながら、ポリマー鎖の組成は、本発明によるポリマー修飾基板の使用目的に応じて変化し得る。或る特定の用途では、上記の式（ＩＶａ）のモノマーを含有するポリマー鎖が好ましいと考えられ、本発明は、全重合単位の少なくとも５０ｍｏｌ％、好ましくは少なくとも７０ｍｏｌ％、とりわけ少なくとも９０ｍｏｌ％、又は重合単位の全てが、式（ＩＶａ）のモノマーによってもたらされるポリマー鎖により形成されるポリマーブラシを包含する。
【００６５】
しかしながら、上記のようなリン含有ポリマーの有益な特性を鑑み、本発明によるポリマー修飾基板に含まれるポリマーブラシは、上記の式（ＩＶｂ）のモノマー（式中、Ａ４は、ホスホネート基−Ｐ（Ｏ）（ＯＲ１１）（ＯＲ１２）及びホスフィンオキシド基−Ｐ（Ｏ）（Ｒ１１）（Ｒ１２）、とりわけホスホネート基から選択される）に由来の単位を、全重合単位の少なくとも１０ｍｏｌ％、好ましくは少なくとも２０％の量で含有することが好ましい。
【００６６】
事実、本発明では、ポリマー鎖の各々に含まれる全重合単位の少なくとも５０ｍｏｌ％、好ましくは少なくとも７０ｍｏｌ％、とりわけ少なくとも９０ｍｏｌ％、又は重合単位の全てが、式（ＩＶｂ）のモノマー（式中、Ａ４は、ホスホネート基−Ｐ（Ｏ）（ＯＲ１１）（ＯＲ１２）及びホスフィンオキシド基−Ｐ（Ｏ）（Ｒ１１）（Ｒ１２）から選択され、とりわけホスホネート基である）によってもたらされることが好ましい。上記のように、重合単位の残りは、電子受容性基で置換されるビニル基を担持する他のビニルモノマー、とりわけ式（ＩＶａ）のビニルモノマーによってもたらされることが更に好ましい。それ故、本発明に関してポリマー鎖を形成する特に好ましいポリマーは、ポリホスホネートホモポリマー又はポリホスホネート／ポリ（メタ）アクリレートブロックコポリマーである。
【００６７】
上記を考慮して、本発明が、遊離形態、又はポリマー鎖の主鎖から吊り下がる中和形態の酸基を含有するポリマーも包含し、これらの酸基が、上述のモノマーに含まれる様々なエステル基のエステル開裂を介して得られることに留意されたい。概して、エステル開裂は便宜上、各モノマーの重合後に行われる。得られる酸基としては、カルボン酸基−ＣＯＯＨ、ホスホン酸基−Ｐ（Ｏ）（ＯＨ）２、スルホン酸基−Ｓ（Ｏ）（Ｏ）（ＯＨ）、又はアルカリ金属カチオン、アルカリ土類金属カチオン及びアンモニウムイオンを含む様々なカチオンとのそれらの塩が挙げられる。
【００６８】
特許請求の範囲に係るポリマー修飾基板に含まれるポリマーブラシを形成するポリマー鎖は概して線状である。ポリマー鎖は、分岐点をもたらす好適なモノマーを使用する場合には分岐状であってもよいが、非分岐状ポリマーが好ましい。ブラシ中のポリマー鎖は互いに架橋していないことが好ましい。
【００６９】
本発明によるポリマー修飾基板により含まれるポリマーブラシは、上記に規定される複数のポリマー鎖によって形成される。概して、本発明によるポリマーブラシは、少なくとも１００、好ましくは少なくとも１０００のこのタイプのポリマー鎖の集合によって形成される。
【００７０】
ポリマーブラシは、上記に規定されるような電子受容性基で置換されるビニル基を担持するビニルモノマーの重合を介して得られるポリマー鎖以外のポリマー鎖を含有していてもよいが、本発明では、ポリマーブラシがかかるポリマー鎖のみによって形成される場合が好ましい。
【００７１】
例えばＡＦＭ又は偏光解析法によって求められる、基板の表面上のポリマー層の厚みは、結合層とポリマーブラシとの厚みの合計である。本発明によれば、６０ｎｍを超える、好ましくは１００ｎｍを超えるの厚みが便宜上、調製され得る。例えば３０ｎｍの結合層の典型的な厚みでは、３０ｎｍを超える、好ましくは７０ｎｍを超えるポリマーブラシの厚みが見込まれ得る。
【００７２】
本発明によるポリマー修飾基板の使用目的に応じて、当然ながら、例えば、初めに、以下で更に詳細に説明されるようにモノマーの重合を介してポリマー鎖を形成し、その後、ポリマー鎖中の官能基を更に反応させることによって、ポリマーブラシを更に修飾することが可能である。この方針は、例えば、（例えば活性エステルとして）それらの反応性を増大させるために、既存の基を活性化させるのに使用して、（例えば生物学的プローブの形態の）特異的な官能基をもたらすか、又は更なる材料（例えば、多糖類、ヒドロゲル等の高分子材料）をポリマーブラシに接続させることができる。
【００７３】
本発明によれば、上記の結合層及びポリマーブラシによって、様々な基板をポリマーによって修飾することが可能となる。バインダー分子の接続、とりわけ共有結合による接続を可能とする好適な基板材料としては、例えば、シリカ、アルミナ、ガラス、ガラス質炭素、ダイアモンド、ポリマー、金属（金等）又は半導体（シリコン等）基板が挙げられる。好適なポリマー基板としては、例えば、ポリエチレン若しくはポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリスチレン、ポリアミド又はポリエステルが挙げられる。
【００７４】
それぞれ電子求引性基（electron withdrawing group）によって置換される少なくとも２つのビニル基を担持するバインダー分子から好ましい結合層を形成し、その後、バインダー分子を表面グラフト化及び重合するには、修飾される基板の表面上に結合する水素原子が存在することが有益である。この目的のための例示的な基板は、シリコン、ガラス、ガラス質炭素、ダイアモンド及びポリマー基板である。バインダー分子の表面グラフト化反応中に、おそらくラジカルメカニズムを介して水素原子が引き抜かれて、基板と、バインダー分子又は結合層それぞれのビニル基との間に共有結合が形成される。修飾される基板材料に応じて、材料を事前清浄工程及び／又は還元反応にかけることが有用である場合がある。例えば、シリコン基板は、その表面上に形成される酸化層を除去するように前処理される。このようなシリコン基板の表面上に存在する比較的弱いＳｉ−Ｈ結合に起因して、シリコン基板は便宜上、本発明のこの好ましい実施形態に関して使用することができる。さらに、バインダー分子の表面グラフト化及び重合中に引き抜かれ得る水素原子を供給して、バインダー分子との結合を形成する、アミノ基等の表面の基を意図的に導入することが可能である。
【００７５】
基板は、表面を形成する材料からなり得るが、表面、例えば表面層の全て又は一部がバインダー分子の共有結合による接続に適する材料によって形成される、複合材料であってもよい。このような表面層の厚みは広く様々な値をとることができ、表面に接続する単分子層、例えば、バインダー分子のビニル基とのその後の反応のために水素原子を供給する有機層に加えて、数ｃｍの層を使用してもよい。例えば、シリコン表面及びガラス表面には、表面の修飾のための既知の技術を介してアルコキシシランによって形成される中間単分子層が設けられていてもよい。シランが引抜き可能な水素原子とともに更なる基、例えばアミノ基を担持する場合、単分子層は、表面グラフト化を介して基板表面に対するバインダー分子又は結合層それぞれの接続を促す。好適なアルコキシシランは例えば、アミノアルキルトリメトキシシラン又はアミノアルキルトリエトキシシランである。
【００７６】
しかしながら、官能基が基板の表面との反応に適応した好適なバインダー分子を用いると、基板表面の先の修飾を伴うことなく結合層を調製することも可能である。
【００７７】
修飾される基板の形状は限定されるものではない。修飾領域は、広範な平面、及び成形面、例えば、スフェア、チューブ、フラスコ、又はウェル付きプレートであってもよい。本発明によるポリマー修飾表面に便宜上、高密度及び大きい厚みのポリマーブラシが設けられ得ることを考慮すると、本発明によるポリマー修飾表面は、ポリマーブラシの厚みと比較して大きい表面寸法を有する基板を修飾するのに特に有用である。往々にして、結合層及びポリマーブラシにより被覆される基板上の表面領域は、少なくとも１００μｍ２のサイズを有する。しかしながら、当然ながら、結合層及びポリマーブラシを、ナノ粒子等の非常に小さい表面領域に適応させることも可能である。
【００７８】
本発明によるポリマー修飾が優れた生体適合性をもたらすことを考慮すれば、例示的な基板としては、医療用途又は診断用途のもの、例えば、ペトリ皿、細胞培養フラスコ、ピペットチップ、マイクロキャリア又はマイクロタイタープレートが挙げられる。基板は、様々な用途に合わせてスフェア、とりわけミクロスフェア、例えば、接着細胞の成長を可能とするマイクロキャリア、又はフィルタ材料として使用されるスフェアも含む。しかしながら、本発明の利用は当然ながら、医療分野又は診断分野に限定されるものでなく、産業上の利用、例えば、難燃特性をもたらすために、様々なマトリックスへと化合させるようにリン含有ポリマーで修飾される、スフェア、とりわけミクロスフェアを更に含む。
【００７９】
上述のように、本発明の方法は、
ａ）基板の表面の少なくとも一部上に、基板に共有結合により接続するとともに、電子受容性基により置換される複数のビニル基を担持する結合層を調製する工程と、
ｂ）結合層を、触媒である希土類金属錯体と接触させるとともに、錯体中の希土類金属を、結合層の、電子受容性基により置換されるビニル基の全て又は一部と配位させる工程と、
ｃ）配位された希土類金属錯体触媒を含む結合層を、電子受容性基で置換されるビニル基を含有するビニルモノマーと接触させる工程と、
ｄ）配位された希土類金属錯体の希土類金属によって媒介されるビニルモノマーの重合を行う工程であって、終端の一方で結合層に共有結合により接続するポリマー鎖を形成する、工程と、
を含む。
【００８０】
好ましい実施形態によれば、結合層は、工程ａ）が、
ａ１）基板の表面上に、それぞれ電子受容性基により置換される少なくとも２つのビニル基をそれぞれ担持するバインダー分子を供給する工程と、
ａ２）基板の表面上で、バインダー分子を表面グラフト化及び重合することによって、結合層を調製する工程と、
を含む。
【００８１】
結合層の形成のために、概してバインダー分子を初めに表面上に供給する。バインダー分子は、特に液体を形成するか、又は好適な溶媒に溶解した溶液の形態である場合に、表面に整然と施すことができる。当然のことながら、このような溶媒は表面グラフト化及び重合反応を妨げないものとする。表面に対するバインダー分子又はそれらの溶液の塗布は、基板をバインダー分子又はその溶液中に浸漬させること、ブラシによる、噴霧による、又はインクジェットプリンティング若しくは他の印刷技法を介した塗布を含む、従来の塗布方法及び／又はコーティング方法で達成することができる。
【００８２】
バインダー分子を表面上に供給した後、バインダー分子は表面に共有結合により接続される。
【００８３】
それぞれ電子受容性基により置換される少なくとも２つのビニル基をそれぞれ担持するバインダー分子を用いた好ましい実施形態によれば、表面グラフト化及び重合反応を行って、結合層を形成し、表面に接続させる。上記のように、表面グラフト化反応は、バインダー分子中に含まれるビニル基と、基板の表面との間で起こり、表面とバインダー分子との間に共有結合を形成する。理論に束縛されるものではないが、バインダー分子中のビニル基が、活性化すると、水素原子を基板の表面から引き抜くことができる反応性種を形成する、すなわち、ビニル基を、水素の引抜きにより表面の官能基を活性化させる増感体とみなすことができると考えられる。水素の引抜きの結果として、ラジカル基が、バインダー分子のフリーラジカル表面開始重合を開始し得る表面に残る。バインダー分子が少なくとも２つの反応性ビニル基を担持するため、バインダー分子の重合は、分岐状ポリマー鎖の形成、及び／又はバインダー分子から形成されるポリマー鎖間の架橋反応を伴い得る。典型的に、本実施形態による結合層は、分岐状ポリマー鎖を含有する。ビニル基の数を増大させることによって、例えば、３つ以上のビニル基を有する多官能性バインダー分子の使用により、架橋の形成が促され得る。それ故、結合層は、分岐状ポリマー及び／又は架橋ポリマーの形態で、好ましくは分岐状ポリマー又は分岐状の架橋ポリマーの形態で重合される、基板の表面に接続されるバインダー分子の集合体として、表面グラフト化及び重合反応において形成され得る。これに関連して、「網目構造」という用語は、ポリマー鎖間の共有結合による架橋の形成から生じる構造、分岐鎖のエンタングルメントから生じる構造、及び、共有結合による架橋と分岐鎖とを併せた構造を説明するのに使用される。
【００８４】
好ましくは、表面グラフト化及び重合反応は、例えばＵＶ線又は熱エネルギーの形態のエネルギーを供給することによる、バインダー分子中に含まれるビニル基の活性化を介して開始する。ＵＶ線を用いた活性化は極めて好都合なものである。反応は、開始剤として作用する物質（典型的な重合開始剤等）が全く存在することなく開始することが好ましい。この場合、バインダー分子の反応は、自己開始グラフト化及び重合と、具体的には、ＵＶ線を介する活性化の場合には、自己開始光グラフト化及び光重合（ＳＩＰＧＰ：自己開始光グラフト重合）反応と称することができる。
【００８５】
表面グラフト化及び重合反応は、室温で又は高温で行うことができる。好ましくは、使用され得るバインダー分子及び任意の溶媒を、慣習に従って脱気及び乾燥しておくことが望ましい。特に、ビニル基がＵＶ線により活性化される場合には、室温付近の温度、例えば２０℃〜２５℃で反応を有益に行うことができる。反応全体を通じて活性化エネルギーの供給、例えばＵＶ光による照射を続けることが好ましい。ＵＶ光の波長については、３００ｎｍ〜３８０ｎｍの範囲、好ましくは３５０ｎｍの波長ピークλｍａｘを有するＵＶ光を使用することが有益である。反応時間は典型的に、１分〜１時間の範囲、好ましくは２０分〜５０分の範囲である。表面グラフト化及び重合反応後、得られる結合層を十分に清浄して、未反応のバインダー分子、又は表面に共有結合していないポリマーを除去することが有益である。この目的のためには、任意に超音波と併せて、従来の溶媒及び／又は純水による洗浄等の従来技法を使用することができる。
【００８６】
結合層を調製した後に、ポリマーブラシを形成するポリマー鎖を調製する。概して、これは、上記のビニルモノマーの重合反応を介して達成され、鎖は、結合層中に設けられるビニル基からグラフト化されたものである。このような重合「によるグラフト化」は、希土類金属錯体触媒が媒介する反応において有益に行われ得る。このタイプの重合反応は、グループトランスファーメカニズムを介して最も進行しやすく、本明細書中では「グループトランスファー重合」とも称される。本発明においてポリマー鎖の形成は好ましくは、重合が、結合層の表面に配位される希土類金属錯体によって開始されることから、このようなグループトランスファー重合（ＧＴＰ）を介して、より具体的には表面開始グループトランスファー重合（ＳＩＧＴＰ）によって進行する。
【００８７】
重合反応の事前工程では、それぞれ電子受容性基により置換される複数のビニル基を担持する結合層を、触媒である希土類金属錯体と接触させる。触媒錯体は、電子受容性基により置換されるビニル基を反応させる。これは、電子受容性基により置換されるビニル基、具体的には電子受容性基に対する、希土類金属錯体の配位をもたらす。当然のことながら、電子受容性基が典型的に希土類金属錯体の別の配位子に取って代わることから、希土類金属が電子受容性基に配位している間に、希土類金属錯体の構造が変化し得る。結合層中の、電子受容性基を担持するビニル基の全てを希土類金属錯体と反応させるのが好ましい。
【００８８】
続いて、ビニル基含有モノマーを、配位触媒錯体を担持する結合層に添加して、ポリマー鎖を結合層から成長させる。この理論に束縛されることを望むものではないが、ポリマー鎖の成長は、錯体触媒に対する、添加されたモノマー及び結合層中の電子受容性基（又は、これまでの重合工程により形成される成長する鎖末端）の同時に起こる配位後に、配位モノマーが共有結合された鎖末端へと移動することを介して起こると考えられる。それ故、新たな結合は、結合層とモノマーとの間、又は成長するポリマー鎖のモノマー由来単位と更なるモノマーとの間に形成される。
【００８９】
重合メカニズム及び好適な重合条件に関する詳細について、並びに好ましい触媒錯体及びそれらの調製に関しては、S.Salzinger, U. B. Seemann, A. Plikhta, B. Rieger, Macromolecules 2011, 44,5920-5927、及び非特許文献５、及びU. B.Seemann, "Polyvinylphosphonate und deren Copolymere durch Seltenerdmetallinitiierte Gruppen-Transfer-Polymerisation", Dissertation, TechnischeUniversitaet Muenchen, 2010を参照されたい。
【００９０】
例えば、その表面上に結合層を担持する基板を、錯体触媒を含有する溶液に入れてもよい。好ましくは、トルエン等の非極性溶媒を使用する。便宜上使用され得る希土類金属錯体触媒の濃度は、０．２５ｍｇ／ｍｌより大きく、例えば０．５ｍｇ／ｍｌ〜１ｍｇ／ｍｌである。触媒は、一定期間、典型的には３０分〜２時間の範囲の間に結合層と配位される。この配位は便宜上、室温、例えば２０℃〜２５℃の範囲で達成され得る。続いて、モノマーを溶液に添加する。好適な量は、ポリマーブラシの所望の厚みに応じて決定することができる。コポリマー鎖を作製する場合、異なるモノマーの混合物を添加してもよく、又は重合反応を、異なるモノマーを添加する後続の段階へと分割してもよい。ポリマー鎖の成長は概して、室温において数分で迅速に進行する。典型的な反応温度も同様に２０℃〜２５℃の範囲内である。典型的な反応時間は、１分〜３０分、好ましくは１分〜１０分の範囲をとる。ＡＦＭ調査から、ポリビニルホスホネートブラシ層の厚みが重合時間とともに略線形に増大することが明らかになった。
【００９１】
反応は、不活性ガス雰囲気中で行われるものとする。反応は、例えば、メタノール等のプロトン性溶媒の添加を介して停止され得る。
【００９２】
希土類金属錯体触媒は好ましくは、イットリウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム及びルテチウムからなる群から、とりわけ、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム及びルテチウムからなる群から選択される金属を含む触媒である。
【００９３】
錯体構造に関する限り、特に有用であると判明した錯体は下記式のものである。
【化６】
2015505716.tif 000008
【００９４】
この式中、ＲＥは、希土類金属、好ましくは、イットリウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム及びルテチウムからなる群から、とりわけ、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム及びルテチウムからなる群から選択される金属である。
【００９５】
Ｌ１及びＬ２は独立して、任意に置換され得る、シクロペンタジエニル、インデニル及びフルオレニルから選択される。任意選択的な置換基（複数の場合もあり）は、ハロゲン、又はアルキル、とりわけメチルから選択され得る。さらに、Ｌ１及びＬ２は、二価アルキル部位又はシリル部位によってブリッジされていてもよい。好ましいＬ１基及びＬ２基は、シクロペンタジエニル及びインデニルであり、とりわけシクロペンタジエニルである。
【００９６】
Ｌ３は、ハロゲン、アルキル、任意に置換されたシクロペンタジエニル、任意に置換されたインデニル、又は任意に置換されたフルオレニル、アミド配位子、チオール配位子、又はアニオン性シリル配位子から選択される。任意選択的な置換基は、上記でＬ１及びＬ２について規定されるものと同じものである。Ｌ３として好ましいものは、メチル、エチル、シクロペンタジエニル、Ｓ−ｔ−ブチル配位子又はＣＨ２−ＴＭＳ配位子であり、とりわけ、メチル又はシクロペンタジエニルである。
【００９７】
例示的なアミド配位子は、式−ＮＲ１３Ｒ１４（式中、Ｒ１３及びＲ１４は独立して、水素、アルキル又はシクロアルキルから選択される）を有する。例示的なチオール配位子は、式−ＳＲ１５（式中、Ｒ１５は、水素、アルキル又はシクロアルキルから選択される）を有し、例示的なアニオン性シリル配位子は−ＣＨ２ＴＭＳ（式中、ＴＭＳはトリメチルシリルを表す）である。これらの配位子中でダッシュ記号により示される自由原子価は、Ｌ３である各配位子を希土類金属に連結させる配位結合を示す。
【００９８】
それ故、特に有用であることが見出された錯体触媒は、Ｃｐ２ＴｍＭｅ、Ｃｐ３Ｔｍ、Ｃｐ２ＹｂＭｅ、Ｃｐ３Ｙｂ、Ｃｐ２ＬｕＭｅ及びＣｐ３Ｌｕである。当然のことながら、「Ｃｐ」がシクロペンタジエニル配位子を表し、「Ｍｅ」がメチル配位子を表す。
【００９９】
重合反応が無事に完了した後に、ポリマー鎖を更に修飾してもよい。例えば、（メタ）アクリレート又はビニルホスホネートの重合を介してポリマー鎖中にもたらされるようなエステル基を、エステル交換反応にかけてもよい。同様に、かかるエステルを加水分解して、周囲の媒体のｐＨに応じて対応する遊離酸又はその塩を得てもよい。ホスホネートエステルの加水分解に関する好適な条件については、S. Salzinger, U. B. Seemann, A. Plikhta, B. Rieger, Macromolecules 2011,44, 5920-5927を参照することができる。
【０１００】
本発明によるポリマー修飾基板は、基板のタイプ、及びその上に形成されるポリマーブラシの性質に応じて、様々な用途に使用することができる。修飾は、基板表面に特定の物理特性をもたらすために、又は更なる材料若しくは分子の接続に好適な表面をもたらすために使用することができる。
【０１０１】
例えば、上記の式（ＩＶｂ）のビニル化合物の重合又は共重合を介して、ポリマーブラシ中にリン原子を含有するポリマー修飾基板は例えば、難燃特性を必要とする用途にも有益である。例えば、結合層及びポリマーブラシは、難燃性を様々な表面に付与するのに使用することができる。本発明による基板は、難燃性が望まれる材料と混合される添加剤の形態でも使用することができる。
【０１０２】
酸基（ホスホン酸基若しくは（メタ）アクリル酸基、又はそれらの塩等）を含有するポリマーブラシを担持する、ポリマー修飾基板は更に、例えば、燃料電池膜として、又は燃料電池膜上において、それぞれプロトン伝導性が必要とされる用途で使用してもよい。
【０１０３】
さらに、ポリマー修飾基板、特に、例えば、上記の式（ＩＶｂ）のビニル化合物の重合又は共重合を介して、ポリマーブラシ中にリン原子を含有するものは、生体適合性及び／又は汚染防止特性を必要とする用途において特に有益である。本発明による修飾された基板はそれ故、医療用途又は診断用途等の生物学的用途における、又は生物学的用途に使用される装置としての用途を見出すことができる。基板の例としては、様々なフラスコ又は容器、例えば、ペトリ皿、細胞培養フラスコ、ピペットチップ、マイクロキャリア、ウェル付きプレート（例えばマイクロタイタープレート）及びカバーガラスが挙げられる。更に見込まれる用途は、例えば、フリットにより支持されるか、又はカートリッジに充填されるフィルタ材料として使用される修飾基板としての、スフェア、とりわけミクロスフェアを含む。例えば、ポリマーの修飾は、細菌、タンパク質、ペプチド、ＤＮＡ及び／又は細胞の接着を制御するのに使用され得る。それ故、本発明はまた、例えばＥＬＩＳＡ又はＰＣＲ等の検出方法に関連して、生物学的な材料、例えば、細菌、タンパク質、タンパク質、ペプチド、ＤＮＡ及び／又は細胞（例えば、胚性幹細胞及び成体幹細胞、多能性細胞、並びに間葉系間質細胞等の他の細胞型）の接着用の基板としてのポリマー修飾基板を包含する。
【０１０４】
好ましい実施形態において、本発明はまた、細胞を、例えば上記の式（ＩＶｂ）のビニル化合物の重合又は共重合を介して、本発明によるポリマー修飾基板、とりわけポリマーブラシ中にリン原子を含有するポリマー修飾基板と接触させる工程を含む、細胞を増殖する方法を包含する。それらの優れた生体適合性に起因して、修飾された基板は、例えば細胞培養フラスコ又はマイクロキャリアの表面をもたらすのに使用することができる。このような方法を適用することができる細胞は、例えば、胚性幹細胞及び成体幹細胞、多能性細胞、並びに間葉系間質細胞等の他の細胞型である。
【０１０５】
更に興味深い利用は、熱応答性ポリマーブラシで修飾される基板が本発明に従ってもたらされ得ることに由来する。これらは、例えば、細菌、タンパク質、ペプチド及び／又は細胞の接着の媒介物質として、様々な生物学的用途及び医療用途にも有用である。それ故、ポリマーブラシに、規定の親水特性又は疎水特性を与えることができることが実証され得る。重合ビニルホスホネート及び／又は（メタ）アクリレート等の重合エステル基を含有するポリマーブラシに関して、これらの特性は、ポリマー鎖から吊り下がる基（形式上、エステル化されたアルコール基）の性質に応じて制御することができる。例えば、ビニルホスホネートを重合することによって形成されるホモポリマーブラシの親水／疎水特徴に対するアルキル鎖長の影響は、接触角測定結果によって示され得る。重合された親水性ジメチルビニルホスホネート（ＤＭＶＰ）は、（室温、すなわち２０℃で）１７度の静水接触角（ＣＡ）をもたらすのに対し、疎水性ジプロピルビニルホスホネート（ＤＰＶＰ）は、７６度のＣＡ値を有する。ポリマー鎖、とりわけ両親媒性とみなされ得るポリマー鎖の親水／疎水特性は、周囲の媒体の温度に応じて変化することが見出された。これらのポリマー鎖は、熱応答性、又は熱スイッチング特性を有する。例えば、重合されたジエチルビニルホスホネート（ＤＥＶＰ）で修飾される基板は、室温で４４度の静水ＣＡを有することが見出された。しかしながら、温度を５０℃に上昇させると、ＣＡは２２度増大して６６度になった。この熱スイッチングはまた、完全に可逆性であることが見出された。しかしながら、同様の特性は、Ｎ−アルキルで置換されたアクリルアミド等の他のモノマーから形成されるポリマーブラシについても（例えば、Ｎ−ジエチルアクリルアミド又はＮ−プロピルアクリルアミドについて）実現することができる。
【０１０６】
例えば、生体適合性、及び熱応答性又は熱スイッチング特性は、一般的な細胞培養条件下における細胞の接着及び脱離の制御に活用することができる。酵素又はスクレーパ等の一般に使用される侵襲性の脱離方法を使用しないことによって、ポリマー鎖の疎水特性から細胞の接着が可能となる一方で、ポリマー鎖の親水特性から細胞の放出が可能となる。温度を降下させることによる細胞の放出は、生物学的特性が保たれる用途、例えば、上述の細胞の接着及び増殖において有益である。
【０１０７】
熱応答特性を有するポリマー修飾基板の他の興味深い利用は、インテリジェント高分子の形成において、又は例えばゲル浸透クロマトグラフィ用の基板に関する、分離化学において見出すことができる。
【実施例】
【０１０８】
材料
シリコン（１００）ウエハはWacker AGから購入した。ポリスチレンミクロスフェアはSoloHill Engineering, Inc.から購入した。化学物質は全て、Sigma-Aldrich（Steinheim, Germany）又はAcros（Geel, Belgium）から購入し、特に指定のない限り与えられた状態のまま使用した。トルエンは、ＭＢｒａｕｎ  ＳＰＳ−８００溶媒精製システムを用いて乾燥させた。ビス（シクロペンタジエニル）メチルイッテルビウム（Ｃｐ２ＹｂＭｅ）、ジエチルビニルホスホネート（ＤＥＶＰ）及びジ−ｎ−プロピルビニルホスホネート（ＤＰＶＰ）は、文献の手法（（１）．Leute, M. In Polymers with Phosphorus Functionalities, PhD Thesis,University of Ulm, Ulm, 2007、（２）．Birmingham, J. M.;Wilkinson, G. J. Am. Chem. Soc. 1956, 78, 42-44.）に従って調製した。ジメチルビニルホスホネート（ＤＭＶＰ）はAlpha Aesarから購入した。モノマー及び３−（トリメトキシシリル）プロピルメタクリレート（ＴＭＳＰＭ）は、水素化カルシウム上で乾燥させ、重合前に蒸留した。
【０１０９】
計器
赤外分光法（ＩＲ）は、SpectraTechからの拡散反射フーリエ変換赤外（ＤＲＩＦＴ）セットアップと水銀カドミウムテルル（ＭＣＴ）検出器とを備えるＩＦＳ  ５５  Ｂｒｕｋｅｒ計器を用いて実施した。各スペクトルに対して、４ｃｍ−１のスペクトル分解能で５００回のスキャンを集めた。バックグランドスペクトルは、裸酸化シリコン基板について記録した。
【０１１０】
原子間力顕微鏡検査（ＡＦＭ）のスキャンは、Veeco Instruments（Mannheim,Germany）からのＮａｎｏｓｃｏｐｅ  ＩＩＩａ走査型プローブ顕微鏡を用いて得た。顕微鏡は、０．５Ｈｚの走査速度で、３１７ｋＨｚの共振周波数、１．３５Ｖの駆動振幅を伴うＳｉカンチレバーを用いて、タッピングモードで動作させた。
【０１１１】
水接触角は、全自動Ｋｒｕｅｓｓ  ＤＳＡ  １０  Ｍｋ２接触角ゴニオメータを用いて求めた。データは、Ｋｒｕｅｓｓ  Ｄｒｏｐ  Ｓｈａｐｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｖ３ソフトウェアパッケージを用いて得た。
【０１１２】
下限臨界溶液温度（ＬＣＳＴ）
濁度測定は、VarianからのＣａｒｙ  ３  ＵＶ−ｖｉｓ分光計により行った。曇点は、高分子水溶液（１．０ｗｔ％）のλ＝５００ｎｍの透過率の変化の分光検出によって求めた。加熱／冷却速度は１．０Ｋ・ｍｉｎ−１とした後に、平衡を確保するよう５分間一定温度にした。曇点に関する与えられる値は、光透過率の１０％減少に対応する温度として求めたものである。
【０１１３】
合成
水素終端化シリコン基板上のポリ（ジアルキルビニルホスホネート）ブラシ
水素終端化シリコン基板
シリコン（１００）基板を初めにピラニア溶液（Ｈ２Ｏ２（３５ｗｔ．％）／Ｈ２ＳＯ４＝１／３）で清浄した。次に、シリコン基板を、５ｗｔ．％のＨＦ水溶液の入ったプラスチックバイアルに５分間入れて、酸化したシリコン層を除去した。Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ水及びエタノールによる十分な清浄後に、Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ水及び無水エタノールによって基板を十分に洗い流した。得られた表面を図１に示す。
【０１１４】
ポリ（エチレングリコールジメタクリレート）（ＰＥＧＤＭ）で修飾されたシリコン基板
水素終端化シリコン基板を、脱気した大量のエチレングリコールジメタクリレート（ＥＧＤＭ）の入ったガラスバイアルに沈め、ＵＶ重合した。このようにして、ＵＶ光によるエチレングリコールジメタクリレート（ＥＧＤＭ）の自己開始光グラフト化及び光重合（ＳＩＰＧＰ）を、３００ｎｍ〜４００ｎｍのスペクトル分布（λｍａｘ＝３５０ｎｍ）を有するＵＶ光を用いて行った（J. Deng, W. Yang, B. Ranby, Macromol. RapidCommun. 2001, 22, 535-538、M.Steenackers, S. Q. Lud, M. Niedermeier, P. Bruno, D. M. Gruen, P. Feulner, M.Stutzmann, J. A. Garrido, R. Jordan, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 15655-15661、N. Zhang, M. Steenackers, R. Luxenhofer, R. Jordan, Macromolecules 2009,42, 5345-5351を参照）。反応は３０分間進行させた。４０分の最大反応時間が、大部分のゲル化を回避するのに有利であることが見出された。ＵＶ照射後、サンプルを、トルエン、酢酸エチル、エタノール及びＭｉｌｌｉｐｏｒｅ水中で、超音波によって十分に清浄し、未反応のモノマー及び物理吸着したポリマーを除去した。この手法を介して得られる結合層を図２に示す。
【０１１５】
結果として、網目構造モルフォロジを有するポリマー層を形成することができた。３０分間のＵＶ照射後、基板を、異なる極性を有する数種類の溶媒中で、超音波によってしっかりと清浄し、化学的にグラフト化されたポリマーのみが残ることを確実なものとした。
【０１１６】
ＡＦＭ測定結果から、２９±６ｎｍ厚のポリマー層が、ＥＧＤＭのＳＩＰＧＰ後に形成されたことが示される（図３ａ）。
【０１１７】
ＰＥＧＤＭによるシリコン基板の修飾の成功は、赤外（ＩＲ）分光法によって確認した（図４）。１７３２ｃｍ−１及び１１６４ｃｍ−１における強いバンドは、（Ｃ＝Ｏ）及び（Ｃ−Ｏ）伸縮モードに割り当てられたものであった。（Ｃ＝Ｃ）伸縮モードに割り当てられた１６３０ｃｍ−１における弱いバンドは、メタクリレート基の一部がＵＶ重合後に保護され、結合層の更なる機能化を可能とすることを示している。
【０１１８】
ＡＰＴＭＳ単分子層上におけるＰＥＧＤＭで修飾された基板
上記の手法を適応すると、３−アミノプロピルトリメトキシシラン（ＡＰＴＭＳ）単分子層が施されるシリコン基板又はガラス基板上に、ＰＥＧＤＭ膜も形成され得る。ＡＰＴＭＳの自己組織化単分子層（ＳＡＭ）は、（薄い酸化層を伴う）シリコン（１００）基板又はガラススライド上で、乾燥アセトン中における２時間のＡＰＴＭＳ（５ｗｔ％）のシラン処理によって成長した。シラン処理後、基板上に物理吸着した分子を、それぞれ２分間の、酢酸エチル、エタノール及びＭｉｌｌｉｐｏｒｅ水中における超音波処理により除去した。
【０１１９】
ＰＥＧＤＭで修飾されたシリコン基板上におけるポリ（ジアルキルビニルホスホネート）ポリマー又はコポリマーブラシ
手順：
ＰＥＧＤＭで修飾されたシリコン基板を、１ｍｇのＣｐ２ＹｂＭｅを含有する３ｍＬのトルエン溶液に、室温で１時間入れた。続いて、５００当量のジアルキルビニルホスホネート（ＤＡＶＰ）及び／又はメチルメタクリレート（ＭＭＡ）モノマーを添加して、ＧＴＰを実施した。反応を停止させるために、０．４ｍＬのメタノールを添加した。サンプルは、それぞれ２分間の、トルエン、エタノール及びＭｉｌｌｉｐｏｒｅ水中における超音波処理により十分に清浄して、モノマー、物理吸着ポリマー及び残渣を除去した。
【０１２０】
ＰＥＧＤＭで修飾されたシリコン基板及びガラス基板上におけるポリ（ジアルキルビニルホスホネート）ブラシ
ＰＥＧＤＭで修飾されたシリコン／ガラス基板を、１ｍｇのＣｐ２ＹｂＭｅを含有する３ｍＬのトルエン溶液に、室温で１時間入れた。続いて、５００当量（コモノマーの総量）のビニルホスホネートコモノマー（ジメチルビニルホスホネート、ジエチルビニルホスホネート又はジプロピルビニルホスホネート）を添加して、グループトランスファー重合（ＧＴＰ）を実施した。反応を停止させるために、０．４ｍＬのメタノールを添加した。サンプルは、それぞれ２分間の、トルエン、エタノール及びＭｉｌｌｉｐｏｒｅ水中における超音波処理により十分に清浄して、モノマー、物理吸着したポリマー及び残渣を除去した。得られたポリマー修飾表面を図２に示す。
【０１２１】
第２の重合後、ＰＥＧＤＭ上においてＤＥＶＰのグラフト化の成功も同様に、ＩＲ分光法によって確認した（図４）。（Ｃ＝Ｃ）伸縮に割り当てられた１６３０ｃｍ−１におけるバンドが、完全に消失し、ポリ（ビニルホスホネート）の（Ｐ＝Ｏ）伸縮モードに特徴的な新たな強力なバンドが１２２８ｃｍ−１に現れた。
【０１２２】
ＤＥＶＰのＳＩＧＴＰは、種々の反応時間後に終結させ、ＡＦＭにより明らかにされる、得られるポリマー層の厚みは、重合をそれぞれ１分、２分、３分及び４分実施した後、２９±６ｎｍから、５１±１１ｎｍ、７３±９ｎｍ、１０４±１１ｎｍ及び１４６±１２ｎｍに増大した（図３ａ〜図３ｅ）。さらに、図３ｆに示されるように、周囲条件下においてＡＦＭにより測定されるポリマーブラシ層の厚みを、重合時間の関数としてプロットした。２６．５ｎｍ／分の略一定の成長速度が観測される。ポリマー層のこの急速で一定の成長速度は、ＧＴＰの効率的で重合活性（living）特徴に起因するものである。層厚の成長速度は（６分を超える）より長い重合時間で低下する。
【０１２３】
特性
ポリマー層の親水／疎水特徴に対するアルキル鎖長の影響を、接触角測定によって室温で調査した。親水性ＤＭＶＰは、１７度の静水接触角（ＣＡ）をもたらすのに対し、疎水性ＤＰＶＰは７６度のＣＡ値を有する。ＰＤＥＶＰで修飾された基板は、室温で４４度の静水ＣＡを有することが見出された。しかしながら、温度を５０℃に上昇させると、ＣＡは２２度増大して６６度となった。この熱スイッチングはまた、完全に可逆性であることが見出された。接触角測定の結果を図５に示す。
【０１２４】
ミクロスフェア上におけるポリメチルメタクリレートブラシのポリジアルキルビニルホスホネート
ポリ（エチレングリコールジメタクリレート）（ＰＥＧＤＭ）で修飾されたマイクロキャリア
架橋ポリスチレンマイクロキャリア０．２ｇを、５ｍＬの脱気した大量のエチレングリコールジメタクリレート（ＥＧＤＭ）中に分散させて、ＵＶ重合した。ＵＶ光は、３００ｎｍ〜４００ｎｍのスペクトル分布（λｍａｘ＝３５０ｎｍ）を有する。反応は３０分間進行させた。ＵＶ照射後、サンプルを、トルエン、酢酸エチル、エタノール及びＭｉｌｌｉｐｏｒｅ水中で、超音波によって十分に清浄し、未反応のモノマー及び物理吸着したポリマーを除去した。
【０１２５】
ＰＥＧＤＭで修飾されたマイクロキャリア上における、ポリ（ジアルキルビニルホスホネート）ブラシ又はメチルメタクリレートブラシ
ＰＥＧＤＭで修飾されたマイクロキャリア０．２ｇを、１０ｍｇのＣｐ２ＹｂＭｅを含有する５ｍＬのトルエン溶液に、室温で１時間入れた。続いて、５００当量のＤＡＶＰ又はＭＭＡモノマーを添加して、ＧＴＰを実施した。反応を停止させるために、０．４ｍＬのメタノールを添加した。マイクロキャリアを、それぞれ２分間の、トルエン、エタノール及びＭｉｌｌｉｐｏｒｅ水中における超音波処理により十分に清浄して、モノマー、物理吸着ポリマー及び残渣を除去した。
【０１２６】
水素終端化シリコン基板上におけるポリ（メチルメタクリレート）ブラシ
ポリ（メチルメタクリレート）ブラシは、ＰＥＧＤＭで修飾されたシリコン基板上にそれに応じて合成することができる。均一かつ厚いＰＭＭＡブラシ（約３００ｎｍ）が室温において数分で調製され得る。ＰＥＧＤＭ膜上におけるＰＭＭＡブラシの合成の成功はＩＲによって確認した。図４に示されるように、第２のグラフト重合後に、１４８５ｃｍ−１〜１４４９ｃｍ−１に発生する新たなバンドが、ＰＭＭＡの典型的なＣＨ３−Ｏ伸縮モードに割り当てられる。
【０１２７】
ＴＭＳＰＭで修飾されたシリコン基板上における、ポリ（ジエチルビニルホスホネート）ブラシ又はポリメチルメタクリレートブラシ
３−（トリメトキシシリル）プロピルメタクリレート（ＴＭＳＰＭ）の単分子層
ＴＭＳＰＭの自己組織化単分子層（ＳＡＭ）は、（薄い酸化層を伴う）シリコン（１００）基板上で、乾燥アセトン中における２時間のＴＭＳＰＭ（５ｗｔ％）のシラン処理によって成長した。シラン処理後、基板上に物理吸着した分子を、それぞれ２分間の、酢酸エチル、エタノール及びＭｉｌｌｉｐｏｒｅ水中における超音波処理により（by）洗浄除去した。得られた単分子層を図６に示す。
【０１２８】
ポリマーブラシの形成
ＴＭＳＰＭで修飾されたシリコン基板を、１ｍｇのＣｐ２ＹｂＭｅを含有する３ｍＬのトルエン溶液に、室温で１時間入れた。続いて、５００当量のＤＡＶＰ又はＭＭＡモノマーを添加して、グループトランスファー重合（ＧＴＰ）を実施した。反応を停止させるために、０．４ｍＬのメタノールを添加した。サンプルは、それぞれ２分間の、トルエン、エタノール及びＭｉｌｌｉｐｏｒｅ水中における超音波処理により十分に清浄して、モノマー、物理吸着したポリマー及び残渣を除去した。得られたポリマーブラシを図７に概略的に示す。
【０１２９】
得られた表面上におけるＡＦＭ測定から、ＰＥＧＤＭ結合層の場合よりもポリマーによる基板の低度の被覆を示す小さい小点が基板上に形成したことが示される。低度の被覆は、ともに触媒用のメタクリレートのアクセシビリティを制限する、ＴＭＰＭＳの高密度に充填されたＳＡＭ、及び大量のＣｐ２ＹｂＭｅが原因で起こると思われる。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図３】
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【国際調査報告】
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