具有固定化酶或防冰蛋白的表面 本发明针对具有空气动力学或流体动力学活性表面的物品,其中一种或多种类 型 ( 家族 ) 的生物催化和 / 或防冰蛋白固定在它的表面上。 本发明进一步针对向物品的 空气动力学或流体动力活性表面提供自清洁和 / 或防冻涂层的方法。
在现有技术中,存在一些可以提供物品的 “容易清洁” 或自清洁表面的技术。
在不要求加入能量的技术与那些基于使用能量的技术之间可以作出第一区分。
第一组包括向物品提供人造表面结构,它们向物品的表面提供了自清洁作用。
US 6,660,363 针对具有凸起和凹陷的人造表面结构的物品的自清洁表面,其中所 述凸起之间的距离是在一个预定的范围内,其中至少所述凸起由疏水性聚合物或永久疏 水化材料组成并且其中所述凸起不能被水或含水的清洁剂润湿。
US 2002/0016433 提供用于生产难以润湿的表面的一种涂层组合物,其包括精细 分割的粉末,所述粉末的颗粒具有疏水表面以及多孔结构,以及一种成膜黏合剂,其特 征在于一个确定的表面张力。 该方法生产难以润湿的表面并且提供这些涂层组合物用于 生产具有自清洁作用的表面以及用于降低管中液体流动阻力的用途。
US 2004/0213904 描述了用于生产在物品上的可分开的防污和防水表面涂层的一 种方法。 该方法包括将这些疏水颗粒悬浮在处于高挥发性硅氧烷中的硅蜡溶液中并且将 此悬浮液施涂在物品的至少一个表面上,然后将高挥发性硅氧烷去除。
所有这些方法和涂层具有的缺点是,没有提供有机材料的活性降解。 此外,冰 的粘着仅被减小,然而,未能被避免到较大程度。
第二组技术涉及使用机械能和 / 或使用紫外线辐射。
美国专利申请号 US 2006/0177371 披露了一种制备用于可见光光催化的含有纳 米二氧化钛颗粒的凝胶的方法。 该方法包括 :获得氢氧化钛,通过加入氧化剂、改善 剂、任选的酸以及任选的表面活性剂以组成溶液将氢氧化钛转化成二氧化钛 ;并且通过 加热使该溶液老化以使得该溶液变成凝胶。 该凝胶在可见光范围内具有光催化特征以及 自清洁功效。 从这种方法获得的凝胶可以施用在一种底物的表面上并且当被可见光照亮 时具有自清洁、光催化以及杀菌的特性。
US 2004/0009119 提供了二氧化钛的发热制剂 (pyrogenic preparation),其中金属 盐溶液雾化以形成气溶胶,所述气溶胶注入生产流中。 这种二氧化钛可以用作光催化剂 或用作紫外线吸收剂,并且可以用于玻璃的涂层中或塑料中。
然而这些方法需要另外的必须向其供给能量的结构组件以及装置。 这引起了高 度维护精力以及增加的技术复杂性。 在光催化途径中,降解过程是极度缓慢的并且该降 解在不存在光的条件下不起作用。
鉴于所引用的现有技术,本发明的一个目的是提供物品的自清洁表面,特别是 具有空气动力学或流体动力学活性表面的物品,所述表面具有不需要能量使用或供给的 自清洁活性。 本发明的另一个目的是提供能够从表面去除或至少降解有机污染物,如蛋 白、糖类以及脂肪并且此外具有防冻或防冰特征的自清洁表面。
本发明的另一个目的是提供一种物品的表面,该表面不需要持续再生并且不负
面地影响该表面的空气动力学或流体动力学特征并且最终不需要使用有机溶剂或表面活 性剂。
通过独立权利要求的主题解决了这些以及另外的目的。 在从属权利要求中陈述 了优选的实施方案。
本发明使用了具有自清洁特征的层 ( 表面 ) 以及物品,其通常包括底物 ( 基质 ) 以及固定化有机大分子如蛋白薄膜。 这些蛋白的功能是降解有机材料并且将它去除和 / 或避免在表面上形成冰。
本发明的一个主要优点是,在这种功能中涉及的蛋白,由于它们的作为生物催 化剂的性质,在降解的过程中没有消耗。 这意味着蛋白的表面层不需要任何种类的再生 并且仅仅少量的蛋白 ( 如酶 ) 就是足够的。 就这一点而言,另一个优点是,为了提供本 发明的效果,空气动力学或流体动力学活性表面不需要完全被蛋白覆盖,而是局部的覆 盖以及蛋白小岛 (isletsof protein) 是足够的。 结果是,功能层在这样一种情况下也会起作 用,其中它们的一些部分已经被腐蚀或已经通过其他方法去除或已经被损坏。
本发明的一个另外的优点是,由于向空气动力学或流体动力学活性表面施涂的 层的厚度减小,这些层在可见光中是透明的,并且因此完美地适用于挡风玻璃、飞机表 面等的终饰 (finishing) 应用 ( 即暴露于环境的最上层 )。 本发明的改性的表面的一个另外 的重要的应用是风力机的转子。 根据本发明,这些生物催化和 / 或防冰蛋白通过间隔物 ( 或连接物 ) 被应用于物 品的表面,所述间隔物 ( 或连接物 ) 对本发明的效果做出了正面贡献,这是由于维持了蛋 白构造 (protein confirmation) 并且避免了空间位阻现象。 这可以引起与溶液中的活性相当 的酶活性。
本发明具体针对以下方面和实施方案 :
根据第一个方面,本发明针对具有空气动力学或流体动力学活性表面的物品, 其中一种或多种不同类型的生物催化和 / 或防冰蛋白通过间隔物固定在所述表面上并且 至少部分地包被所述表面。
如以上已经提及的,本发明的方法具有的重要优点是,空气动力学或流体动力 学活性表面的各自的特征不受负面影响并且因此完美地适用于空气动力学或流体动力学 活性表面如飞机机翼、风电站的转子、飞机、汽车、卡车以及火车的挡风玻璃、传感器 表面等等。 这些待用于物品的功能表面通常是薄的并且它的厚度范围是在大约 10nm 与 1000nm 之间。 对于可见光和紫外光,它一般是透明的。
应该另外注意到,蛋白 ( 防冰和生物催化蛋白 ) 的组可以组合,从而在极端环境 ( 如它们需要用于例如飞机机翼的空气动力学或流体动力学活性表面中 ) 中实现其功能。
如以上已经指出的,本发明的一个主要优点是,为了达到本发明的效果,即为 了在空气动力学或流体动力学活性物品上提供自清洁表面,生物催化和 / 或防冰蛋白涂 层没有必要覆盖物品的全部表面,而是应用部分涂层 ( 小岛或斑点 ) 就是足够的。 例如, 有可能仅仅覆盖翼面的前缘。
根据一个实施方案,这些生物催化蛋白是选自由以下组成的组的酶 :淀粉酶、 蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、核酸酶、几丁质酶以及优选它们的混合物。 这些蛋白是天 然来源的或人造的,例如通过化学合成或通过遗传工程。
本发明的一个通常应用是,降解来自粘附到物品表面上的昆虫的残骸。 昆虫身 体几乎包括所有的可想到的有机物质如糖类、脂肪、蛋白等等。 为了去除和 / 或降解源 于昆虫的残骸,需要例如蛋白酶、脂肪酶、几丁质酶的混合物。 注意到,以上列出的酶 当然不是受限的,且可以根据物品的预期用途来进行扩展。
图 1 中图示了关于通过间隔物固定到物品表面上的酶层构造的图解。
根 据 一 个 另 外 的 实 施 方 案, 所 述 防 冰 蛋 白 选 自 人 造 或 天 然 来 源 的 防 冻 蛋 白 (AFPs)。 此 类 天 然 AFPs 可 以 源 于 鱼 类、 昆 虫 或 植 物, 特 别 是 源 于 博 氏 南 冰 (Pagothenia borchgrevinki)、远东宽突鳕 (Eleginus gracilis)、美洲拟鲽 (Pseudopleuronectes americanus)、黄粉虫 (Tenebrio molitor)、或云杉色卷蛾 (Choristoneura fumiferana)。 此 外,该列表不是受限制的,可以基于新的科学发展以及应用中的特定要求进行扩展。 此 外,这些蛋白不局限于天然来源的蛋白,而是还包括人造蛋白,如通过重组技术制造和 / 或修饰的蛋白、融合蛋白等等。
在一个另外的优选实施方案中,待包被的表面是一种微米或纳米结构的表面。 这些微米或纳米结构的表面显示出改进的空气动力学或流体动力学效果并且可以通过特 定的几何形状促进减小流动阻力。 证明了那些微米或纳米结构表面的空气动力学或流体 动力学特征没有受到应用本发明蛋白的负面影响。 另外,微米或纳米结构的表面具有允许蛋白与表面的改进的粘附的优点,这些 蛋白可以被较少地腐蚀并且会更好地维持它们的功能。
为了使蛋白附着于表面上,在多数情况下,首先必须将该表面活化。 在一个优 选的实施方案中,这种改性将通过应用硅烷来完成。 在一个优选的实施方案中,这种改 性将通过应用硅烷来完成
如果使用的话,所述硅烷优先选自具有以下通式的组
其中
Rf =有机官能团,优先选自氨基、羧基、巯基、羟基、氰基、环氧基、或醛基
n = 1-20 的整数
X =可水解基团,优选甲氧基、乙氧基、异丙氧基、或甲氧基乙氧基。 注意到 甲氧基是优选的。
以下说明了进一步的偶联反应 :
第一步 :使硅烷与物品的表面进行反应 ( “活化” )
其中 Rf =有机官能团,优先选自氨基、羧基、巯基、羟基、氰基、环氧基、醛基 ; n = 1-20 的整数 X =可水解基团,优选甲氧基 ;乙氧基、异丙氧基、甲氧基乙氧基 ; 并且 第二步 :通过交联剂分子将该蛋白偶联到该物品的活化的表面上其中反应基团 R1r 和 R2r 是相同 ( 同双功能交联剂 ) 或不同的 ( 异双功能交联剂 ) 并且优选独立地选自 :NHS- 酯、马来酰亚胺 (maleimido)、亚氨酸酯、碳二亚胺、异氰 酸酯、酰肼基团。
注意到,在这个反应中,还可能使用 “dipodal” 硅烷,即其携带 2×3 = 6 个基 团 X 并且因此可以导致与底物的 6 个联接。
此外,第一步中可以优选使用以下硅烷 :
氨丙基三乙氧基硅烷 (APTES)
氨丙基三甲氧基硅烷
氨丙基二甲基乙氧基硅烷
氨己基氨甲基三甲氧基硅烷
氨己基氨丙基三甲氧基硅烷
三乙氧基甲硅烷基十一醛
双 -2- 羟乙基 -3- 氨丙基三乙氧基硅烷
氰基丙基三甲氧基硅烷
巯基丙基三甲氧基硅烷
环氧己基三乙氧基硅烷
环氧丙氧基三甲氧基硅烷
环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷 (GOPS)
十八烷基三甲氧基硅烷
丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷
甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷。
第一步,即物品表面的改性还可以由将物品用聚乙烯亚胺 (polyethylenimine) 或 氨基 -PCP 进行包被来代替。
在交联剂分子的帮助下的第二步 ( 即将蛋白附着于物品的活化表面上 ) 中,以下 的反应基团 R1r 和 / 或 R2r 可以优选地用于该交联剂 :
在蛋白侧,反应配偶体 Rf 通常是氨基或羧基。 通过碳二亚胺的偶联反应的例子 :
通过氰酸盐的一个偶联反应的例子 :交联剂的优选实例如下 :
●乙基二甲基氨丙基碳二亚胺 ( 异双功能的,氨基 + 羧基反应性的 )
●乙二异氰酸酯 ( 同双功能的,羟基反应性的 )
●六亚甲基二异氰酸酯 ( 同双功能的,羟基反应性的 )
●戊二醛 ( 同双功能的,氨基反应性的 )
在一个优选的实施方案中,该交联剂的反应基团 R1r 和 R2r 是由一个间隔物分开 的。 具有间隔基团的交联剂的实例是 :
● NHS-PEOn- 马来酰亚胺 ( 异双功能的,氨基 + 巯基反应性的 )
●双 -NHS-PEOn( 同双功能的,氨基反应性的 )
●双 - 马来酰亚胺 -PEOn( 同双功能的,巯基反应性的 )
●双 ( 磺基 NHS) 辛二酸酯 ( 同双功能的,氨基反应性的 )
●琥珀酰亚胺基 - 马来酰亚氨苯基 - 丁酸酯 ( 同双功能的,氨基反应性的 )
(PEO =聚氧化乙烯 ;NHS- =琥珀酰亚胺基 -)
在一个另外的实施方案中,该物品的表面可以优选由聚合物涂层包被,该聚合 物涂层充当间隔物和充当驱避剂。
在一方面,聚合物提供了一种便利种类的表面改性,在另一方面,它们提供了 扩大的表面,这样使得可以结合更大量的蛋白分子。 由于结合的蛋白 ( 酶 ) 至物品表面 的大距离,正确的蛋白折叠的可能性将会增加,并且因此,蛋白的功能将会维持。
聚合物还可以充当一种蛋白驱避剂,导致仅仅偶联所需的蛋白,而非 “外来” 蛋白。 最后,但不是最不重要的,此类聚合物层还会采取 “水凝胶” 的形式,即三维结 构,这种结构能够接受吸收水或水溶液。 通过这种方法,水环境局部产生,这对于大多 的蛋白的功能是必要的。
在这种情况下,蛋白会通过此类聚合物连接到物品的表面,需要向这些聚合物 提供反应性末端基团 ( 所谓的 “加帽”),例如提供氨基 (-NH2) 或羧基 (-COOH) 基团。 通过如上所述的交联,蛋白可以连接到这些反应性末端基团上。
在一个优选的实施方案中,所述聚合物选自一个或多个以下类别 :
1. 自组装单层 (SAM ;自组织单层 )
一种自组装单层是通过将表面活性或有机物质浸没在溶液或悬浮液中而自发形 成的。 合适的物质是例如具有多于 10 个碳原子长度的氯硅烷和烷基硅烷。 它们在具有高 度内部次序的金、玻璃和硅上形成了高度有序的单层。 用这种方式进行处理的表面在空 气中稳定数月。 与常规的表面涂层对比, SAM 具有确定的厚度,范围为 0,1 至 2nm。
SAM 的例子是 :
环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷
三甲氧基甲硅烷基丙基甲基丙烯酸酯
PEG-PPG-PEG(PEG :聚乙二醇, PPG :聚丙二醇 )
2. 星形聚合物
StarPEG 是一种星形 “预聚物”,具有 ( 在大多数情况下 6 个 ) 基于 PEG 的 “臂”。 末端 ( 通常为 -OH) 可以例如用异氰酸酯基团 (-NCO) 进行改性,该异氰酸酯 基团随即可以与 ( 蛋白的 ) 伯胺进行反应。 另外的末端改性是丙烯酸根和乙烯砜 - 末端 基团。
存在对于蛋白偶联的以下选项 :
a) 在形成层之前,在溶液中通过异氰酸酯将蛋白结合至 StarPEG(1 步涂层 ) ;
b) 连接至新的层中的异氰酸酯 - 基团 ;
c) 连接至已经交联的层中的氨基 - 基团。
3. 树枝状聚合物 (dendrimer)
树枝状聚合物是高度分支的 “树形” 聚合物结构。 如同线型聚合物,可以向它 们提供反应性末端基团 ( 所谓的 “加帽”,参见以上 )。 通过这些基团,它们可以共价地结合至表面上。 然而,通过形成膜,结合至表面上也是可行的。
例子 :
PAMAM( 聚酰胺型胺类 )- 树枝状聚合物
聚赖氨酸 - 树枝状聚合物
4. 聚合物刷子
术语聚合物刷子用于吸附至表面上的聚合物,所述聚合物被压紧,这样使得单 独的聚合物链必须由所述物质展开。 在这方面,可以使用末端 - 功能化聚合物来偶联蛋 白 ( 通过交联剂 )。
例子 :
聚 (DMA-b-GMA)( 二甲基丙烯酰胺与甲基丙烯酸缩水甘油酯的嵌段共聚物 )
聚甲基丙烯酸羟基乙酯
聚 (PEG) 甲基丙烯酸酯
如以上所述,根据一个优选的实施方案,本发明的物品优选是交通工具,具体 是汽车、卡车、火车、船、或飞机。 更准确地讲,该物品表面是飞机机翼的表面、或汽 车、卡车、火车或飞机的挡风玻璃、传感器的表面或船身,等等。 除了交通工具,本发明的改性的表面在需要空气动力学或流体动力学活性表面 的风车 - 动力设计以及其他设备中存在应用。 例如,它们可以用于包被建筑物或脚手架 的表面。 另外,所述物品可以是涡轮叶片或船的螺旋桨。
在一个优选的实施方案中,蛋白包被大约 20%至 100%的表面。 如以上已经指 出的,在许多应用中,为了达到本发明的效果,即有机物质的降解以及防冻特性,将这 些蛋白以小岛或斑点样的形式固定在物品的表面上是足够的。 然而,基于技术经验,可 以假定至少 25%的表面应该被生物催化和 / 或防冰蛋白所覆盖。
在第二个方面,本发明针对向物品的空气动力学或流体动力学活性表面提供自 清洁和 / 或防冻涂层的方法,其包括 :
a) 提供一种或多种生物催化和 / 或防冰蛋白 ;并且
b) 通过间隔物将所述蛋白固定在该物品的至少一部分的表面上。
在本发明的方法中,可以使用如以上所指出的蛋白。 将会应用如以上所指出的 类似物、间隔物、表面等。 关于蛋白与物品表面之间的偶联反应,参考以上信息 ( 参见 第一个方面 )。
在第三个方面,本发明针对生物催化和 / 或防冰蛋白用于向物品的表面提供自 清洁和 / 或防冻涂层的用途。 这种涂层适合用于从物品的表面去除有机物质,具体是粘 附到物品表面上的昆虫以及昆虫残骸或粘附到船身的水下表面上的藻类以及藻类残骸。
备选地或另外地,该涂层适合用于避免在物品的表面上形成冰。 因此,本发明 特别适合用于向飞机提供自清洁和 / 或防冻表面。
现在通过实例,参考附上的图表,对本发明进行进一步说明。
在图中,显示了以下 :
图 1 展示了本发明的一个实施方案,其中蛋白偶联到飞机机翼的表面上。
实例 :
以下是对酶进行固定的具体实例 :
●净化该物品的表面 ( 玻璃或 titan)
●施用氨丙基三乙氧基硅烷溶液
●将过量的进行冲洗
●向该表面加入在偶联缓冲剂中 ( 无胺 ) 的胰蛋白酶 (trypsine)
●加入乙基二甲基氨丙基碳二亚胺溶液
●于室温温育 30 分钟
●冲洗
●在光度计中通过显色反应 (clor reaction) 测定在表面上的酶反应。
虽然通过实例对本发明进行了说明,但本发明不仅限于此,而是可以由技术人 员以任何可想到的方式对本发明作出改变。