膦酸对金属表面的改性的制作方法

背景技术：

1、材料的表面改性可用于实现材料的不同界面性质。例如，抗细菌层、抗腐蚀层或抗生物淤积层可以被掺合到设计用于植入体内的医疗装置的表面上。对于各种表面的共价改性，存在许多化学反应，但已知的用于铂、金或其他金属表面(例如钯、铱或铑)的官能化方法很少。需要其他方法来将试剂和其他官能团附接到这样的金属表面。

技术实现思路

1、本文提供了满足了对金属表面(包括铂和金表面)官能化的新的和改进的方法的需要的试剂、方法和组合物。在一些实施方案中，金属表面是铂族金属。在一些实施方案中，所述试剂、方法和组合物可用于使钯、铱或铑表面官能化。在本文描述的一些实施方案中，所述试剂、方法和组合物可用于通过在膦酸或膦酸酯与金属表面之间形成金属膦酸盐键来将各种官能团添加到金属表面上。在一些实施方案中，膦酸或膦酸酯包含能够将其他材料添加到金属表面的反应性基团或捕获部分，例如其他表面改性基团(例如水凝胶)或其他官能部分(例如结合剂，例如肽或寡核苷酸)。在其他实施方案中，膦酸或膦酸酯包含期望的表面改性基团(例如，不需要进行另一反应以添加期望的基团)。在一些实施方案中，金属表面是铂表面或其氧化物。在一些实施方案中，金属表面是金表面或其氧化物。在一些实施方案中，金属表面是钯表面或其氧化物。在一些实施方案中，金属表面是铱表面或其氧化物。在一些实施方案中，金属表面是铑表面或其氧化物。

2、本公开的试剂、方法和组合物特别适合于允许精确控制在金属表面(包括铂、金、钯、铱、铑或其氧化物)上添加各种官能团。本文提供的材料允许用受控量的试剂对表面容易地官能化，该试剂与金属表面形成稳定的键。合成的容易性、合成方案的稳健性和金属膦酸盐键的稳定性允许对表面容易且受控的进一步官能化。在一些实施方案中，这允许开发用于以允许控制精细特征的方式添加其他表面官能化基团的稳健方案。例如，可以允许具有精细可调性特征的水凝胶在用本文提供的试剂官能化的金属表面上聚合。由于本文提供的试剂和方案产生可预测的结果，所以可以对水凝胶特征例如密度、厚度、交联密度、接枝密度、官能团或电导率进行微调。类似的过程可用于开发用任何其他表面改性基团官能化的稳健方案。

3、本文还提供了适合于接枝到金属表面上以防止生物淤积于该表面上的水凝胶材料。这种水凝胶当部署在电极以及在生物样品附近产生电场的其他电动力学装置上时特别有用，因为水凝胶层的存在可以防止样品的破坏并防止降解的样品积聚在电极表面上。为了使这样的水凝胶层在不干扰样品上的电流性能的情况下执行该功能，重要的是水凝胶层被构造成具有某些精细特征(例如密度、厚度和电导率)，这需要在表面上制造水凝胶层时进行精确控制。因此，需要能够使表面官能化并允许表面改性材料(包括水凝胶)的受控沉积的试剂。这些水凝胶除了被施加于本文描述的铂、金、钯、铱或铑表面之外，还可以连接到能够与膦酸酯形成键的其他金属表面，包括但不限于硅、铝、钛、铁、锌、锆、镍、银、铜、钴或铬。

4、在一个方面，本文提供了一种官能化金属表面，该官能化金属表面包括与具有以下结构的分子结合的金属表面：

5、

6、其中

7、r是任选取代的烷基、任选取代的杂烷基、任选取代的环烷基、任选取代的杂环烷基、任选取代的烯基、任选取代的炔基、任选取代的芳基或任选取代的杂芳基；并且

8、其中所述金属表面包括选自铂、金、钯、铱和铑中的至少一种金属、其氧化物或其任何组合。

9、在一些实施方案中，r具有结构x-l-，其中l是连接部分，并且x是反应性柄或捕获部分，或r具有结构y-l-，其中l是连接部分，并且y是表面改性基团。在一些实施方案中，l是任选取代的亚烷基链或任选取代的杂亚烷基链。

10、在一些实施方案中，l具有下式的结构：

11、-[z-(cr1r2)n]m-

12、其中

13、r1和r2各自独立地是h或任选取代的烷基、任选取代的烯基、任选取代的炔基、任选取代的杂烷基、任选取代的芳基或任选取代的杂芳基，或同一原子上的r1和r2一起形成氧代，或相邻原子上的r1一起形成双键，或相邻原子上的r1和r2一起形成三键；

14、每个z独立地是不存在、-o-、-nr3-、-s-、-ss-、-s(o)-、-s(o)2-、-c(o)-、-c(o)o-、-c(o)nr3、-oc(o)o-、-nr3c(o)nr3-、-oc(o)nr3-、-s(o)2o-、-s(o)2nr3-、-os(o)2o-、-nr3so2nr3-或-oso2nr3-；

15、每个r3独立地是h、任选取代的烷基、任选取代的环烷基、任选取代的烯基、任选取代的炔基、任选取代的杂烷基、任选取代的芳基或任选取代的杂芳基；

16、每个n独立地是1至30的整数；且

17、m是1至30的整数。

18、在一些实施方案中，l包括一至一百个原子的链，其中该链中的每个原子独立地选自c、n、o、s、si和p。在一些实施方案中，该链中的第一个原子是c。

19、在一些实施方案中，l包括选自以下中的一个或多个亚单元：其中每个n独立地是1-30的整数。在一些实施方案中，l包括结构：其中每个n独立地是1-30的整数；并且每个p独立地是1-30的整数。

20、在一些实施方案中，l包括聚合物。在一些实施方案中，聚合物包括聚乙烯、聚丙烯、聚卤乙烯、聚苯乙烯、尼龙、聚酰胺、聚酯、聚芳酰胺、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚四氟乙烯、多糖、聚(氧化烯)、聚(乙烯基吡咯烷酮)、聚乙烯醇、聚噁唑啉、聚(丙烯酰基吗啉)或其任何组合或衍生物。

21、在一些实施方案中，r具有结构x-l-。在一些实施方案中，x包括选自以下中的反应性官能团：叠氮化物、炔烃、四嗪、卤化物、巯基、二硫化物、马来酰亚胺、胺、酸、活化酯、烯烃、醇、卤化物、酰卤、磺酸、亚磺酸、磺酰卤、环氧化物、醛、酮、亚胺、肟、异氰酸酯、异硫氰酸酯、肼和酰肼或其任何组合。在一些实施方案中，x具有结构：

22、x1-lx-zx-

23、其中zx是键、-o-、-nr4-、-s-、-ss-、-s(o)-、s(o)2-、-c(o)-、-c(o)o-、-c(o)nr4、-oc(o)o-、-nr4c(o)nr4-、-oc(o)nr4-、-s(o)2o-、-s(o)2nr4-、-os(o)2o-、-nr4s(o)2nr4-或-os(o)2nr4-；

24、lx是不存在、任选取代的亚烷基、任选取代的亚环烷基、任选取代的亚烯基、任选取代的亚炔基、任选取代的杂亚烷基、任选取代的亚芳基、任选取代的芳基亚烷基、任选取代的杂芳基亚烷基、任选取代的芳基杂亚烷基、或任选取代的杂芳基杂亚烷基；

25、x1包括叠氮化物、炔烃、四嗪、卤化物、巯基、二硫化物、马来酰亚胺、胺、羧酸、活化酯、烯烃、醇、酰卤、磺酸、亚磺酸、磺酰卤、环氧化物、醛、酮、亚胺、肟、异氰酸酯、异硫氰酸酯、肼或酰肼；且

26、每个r4独立地是h、任选取代的烷基、任选取代的环烷基、任选取代的烯基、任选取代的炔基、任选取代的杂烷基、任选取代的芳基或任选取代的杂芳基。

27、在一些实施方案中，其中zx是键、-o-、-c(o)-、-nr4-、-c(o)o-或-c(o)nr4。在一些实施方案中，lx具有结构-(cr5r6)r-，其中r5和r6各自独立地是h、卤素、任选取代的烷基、任选取代的烯基、任选取代的炔基、任选取代的杂烷基、任选取代的芳基或任选取代的杂芳基，或同一原子上的r5和r6一起形成氧代，或相邻原子上的r5一起形成双键，或相邻原子上的r5和r6一起形成三键；并且r是0-30的整数。在一些实施方案中，x1包括胺、羧酸、马来酰亚胺、叠氮化物、炔烃、卤化物、烯烃或巯基。

28、在一些实施方案中，x是

29、

30、其中

31、r5和r6各自独立地是h或c1-c3烷基；

32、r是0或1；且

33、x1是叠氮化物、炔烃、卤化物、烯烃或巯基。

34、在一些实施方案中，x是

35、

36、在一些实施方案中，x包含选自以下中的捕获部分：生物素、抗生物素、链霉亲和素、核酸、肽和蛋白质或其任何组合。

37、在一个方面，本文提供了一种试剂盒，所述试剂盒包括本文提供的官能化金属表面和使用说明书。

38、在一些实施方案中，r具有结构y-l-。在一些实施方案中，y包括选自以下中的表面改性基团：疏水残基、亲水残基、带电残基、阳离子残基、阴离子残基、多糖、疏水聚合物、亲水聚合物、抗微生物剂、生物材料、生物相容性材料、防污材料、导电材料、半导电材料、耐热材料、防腐蚀材料、催化剂和磁性材料、或其任何组合。

39、在一些实施方案中，y具有结构y1-ly-zy-，

40、其中zy是键、-o-、-nr4-、-s-、-ss-、-s(o)-、s(o)2-、-c(o)-、-c(o)o-、-c(o)nr4、-oc(o)o-、-nr4c(o)nr4-、-oc(o)nr4-、-s(o)2o-、-s(o)2nr4-、-os(o)2o-、-nr4s(o)2nr4-、-os(o)2nr4-、或通过叠氮化物、炔烃、四嗪、卤化物、巯基、二硫化物、马来酰亚胺、胺、羧酸、活化酯、烯烃、醇、酰卤、磺酸、亚磺酸、磺酰卤、环氧化物、醛、酮、亚胺、肟、异氰酸酯、异硫氰酸酯、肼或酰肼与合适的互补反应性基团之间的共价键形成反应而形成的反应产物；

41、ly是不存在、任选取代的亚烷基、任选取代的亚环烷基、任选取代的亚烯基、任选取代亚炔基、任选取代的杂亚烷基、任选取代的亚芳基、任选取代的芳基亚烷基、任选取代的杂芳基亚烷基、任选取代的芳基杂亚烷基、或任选取代的杂芳基杂亚烷基；

42、y1包含至少一种表面改性残基；且

43、每个r4独立地是h、任选取代的烷基、任选取代的环烷基、任选取代的烯基、任选取代的炔基、任选取代的杂烷基、任选取代的芳基或任选取代的杂芳基。

44、在一些实施方案中，zy是键、-o-、-nr4-、-s-、-ss-、-s(o)-、s(o)2-、-c(o)-、-c(o)o-、-c(o)nr4-、-oc(o)o-、-nr4c(o)nr4-、-oc(o)nr4-、-s(o)2o-、-s(o)2nr4-、-os(o)2o-、-nr4s(o)2nr4-、-os(o)2nr4-、在一些实施方案中，ly是不存在。在一些实施方案中，y1包括疏水残基。在一些实施方案中，疏水残基包括疏水聚合物。在一些实施方案中，疏水聚合物包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚卤乙烯、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚醚聚氨酯、聚二甲基硅氧烷或其任何组合或衍生物。在一些实施方案中，疏水残基包括脂肪酸或其衍生物。

45、在一些实施方案中，y1包括亲水残基。在一些实施方案中，亲水残基包括亲水聚合物。在一些实施方案中，亲水聚合物包括聚丙烯酰胺、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚(氧化烯)、聚(乙烯基吡咯烷酮)、聚乙烯醇、聚噁唑啉、聚(n-丙烯酰基吗啉)或其衍生物的任何组合。在一些实施方案中，亲水聚合物包括聚丙烯酰胺、聚(二乙基丙烯酰胺)、聚(二甲基丙烯酰胺)、聚(n-异丙基丙烯酰胺)、聚(丙烯酸)、聚(甲基丙烯酸)、聚(丙烯酸甲酯)、聚(丙烯酸乙酯)、聚(丙烯酸2-羟乙基酯)、聚(丙烯酸丙酯)、聚(丙烯酸丁酯)、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸2-羟乙基酯)、聚(甲基丙烯酸四氢糠基酯)、聚(环氧乙烷)、聚(环氧丙烷)、聚(乙烯基吡咯烷酮)、聚噁唑啉、聚(2-乙基噁唑啉)或聚(n-丙烯酰基吗啉)。

46、在一些实施方案中，y包括结构：

47、

48、其中

49、每个r7独立地是h、任选取代的c1-c3烷基或任选取代的c1-c3羟烷基；

50、每个r8独立地是h或c1-c3烷基；

51、每个x7独立地是不存在、-o-、-s-或-nr9；

52、每个r9独立地是h或c1-c6烷基；且

53、s是1至10000的整数。

54、在一些实施方案中，y1包括阳离子残基。在一些实施方案中，y1包括阳离子聚合物。在一些实施方案中，阳离子残基包括质子化胺基团、质子化取代胺基团、季胺基团、或其任何组合。在一些实施方案中，y1包括阴离子残基。在一些实施方案中，y1包括阴离子聚合物。在一些实施方案中，阴离子残基包括羧酸根、磺酸根、亚磺酸根、磷酸根、膦酸根或其任何组合。

55、在一些实施方案中，表面改性基团包括疏水残基、亲水残基、带电残基、阳离子残基、阴离子残基、多糖、疏水聚合物、亲水聚合物、抗微生物剂、生物材料、生物相容性材料、防污材料、导电材料、半导电材料、耐热材料、防腐蚀材料、催化剂、磁性材料、或其任何组合。在一些实施方案中，表面改性基团包括水凝胶。在一些实施方案中，水凝胶包括丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酰胺、或甲基丙烯酰胺、或其任何组合。在一些实施方案中，水凝胶具有约0.001微米至约10微米的厚度。在一些实施方案中，其中水凝胶具有约0.1s/m至约10s/m的电导率。

56、在一些实施方案中，金属表面的至少约1％、至少约2％、至少约5％、至少约10％、至少约20％、至少约30％、至少约40％、至少约50％、至少约60％、至少约70％、至少约80％或至少约90％被官能化。在一些实施方案中，金属表面至少部分地被氧化。在一些实施方案中，金属表面的至少约1％、至少约2％、至少约5％、至少约10％、至少约20％、至少约30％、至少约40％、至少约50％、至少约60％、至少约70％、至少约80％或至少约90％被氧化。

57、在一些实施方案中，金属表面包括金属合金。在一些实施方案中，金属合金按重量计包括至少50％、至少60％、至少70％、至少80％、至少90％、至少95％或至少98％的金属。在一些实施方案中，金属表面包括金属和附加材料。在一些实施方案中，金属表面按重量计包括至少50％、至少60％、至少70％、至少80％、至少90％、至少95％或至少98％的金属或金属的任何氧化物。

58、在一些实施方案中，金属表面被配置为安置在哺乳动物体内。在一些实施方案中，金属表面是手术或牙科植入物。在一些实施方案中，金属表面是电极、微芯片、珠、微粒或纳米颗粒。

59、在一些实施方案中，金属是铂或金或其氧化物。在一些实施方案中，金属是钯、铱或铑或其氧化物。

60、在一个方面，本文提供了一种使金属表面官能化的方法，包括(a)在金属表面上沉积膦酸或膦酸酯试剂；以及(b)加热金属表面以使膦酸或膦酸酯试剂与金属表面结合；其中所述金属表面包括铂、金、钯、铱或铑、其氧化物或其任何组合。

61、在一些实施方案中，沉积膦酸或膦酸酯试剂包括使金属表面与包含膦酸试剂和溶剂的溶液接触。在一些实施方案中，溶剂包括有机溶剂、水性溶剂或其任何组合或混合物。在一些实施方案中，有机溶剂包括乙酸、丙酮、乙腈、苯、叔丁醇、叔丁基甲醚、四氯化碳、氯仿、环己烷、1,2-二氯乙烷、二氯甲烷、二乙醚、二甘醇二甲醚、1,2,-二甲氧基乙烷、二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺、二甲亚砜、二噁烷、乙醇、乙酸乙酯、乙基甲基酮、乙二醇、己烷、六甲基磷酰胺、甲醇、硝基甲烷、戊烷、2-丙醇(proponal)、吡啶、四氢呋喃、甲苯、二甲苯或其任何组合。在一些实施方案中，有机溶剂包括乙醇、四氢呋喃或甲苯。

62、在一些实施方案中，膦酸或膦酸酯试剂以高达约1μm、10μm、100μm、1mm、10mm、100mm或1m的浓度存在于溶液中。在一些实施方案中，沉积膦酸或膦酸酯试剂还包括从金属表面蒸发溶剂。在一些实施方案中，从金属表面蒸发溶剂包括加热金属表面。在一些实施方案中，将金属表面在至少30℃、至少40℃、至少50℃、至少60℃、至少70℃、至少80℃或至少90℃的温度下加热。在一些实施方案中，加热金属表面以使膦酸试剂与金属表面结合发生在烘箱、真空烘箱或微波反应器中。在一些实施方案中，加热金属表面以使膦酸或膦酸酯试剂与金属表面结合包括将金属表面加热到至少30℃、至少50℃、至少70℃、至少80℃、至少100℃、至少120℃、至少140℃、至少160℃或至少180℃的温度。

63、在一些实施方案中，金属表面是氧化的金属表面。在一些实施方案中，氧化的金属表面通过空气氧化、等离子体处理、紫外线臭氧氧化或化学氧化来氧化。在一些实施方案中，所述方法还包括氧化金属表面的步骤。在一些实施方案中，氧化金属表面包括等离子体处理、紫外线臭氧氧化或化学氧化。

64、在一些实施方案中，膦酸或膦酸酯试剂具有结构：

65、

66、其中

67、r是任选取代的烷基、任选取代的杂烷基、任选取代的环烷基、任选取代的杂环烷基、任选取代的烯基、任选取代的炔基、任选取代的芳基或任选取代的杂芳基；并且

68、每个re独立地是h或任选取代的烷基。

69、在一些实施方案中，金属表面包括铂或金或其氧化物。在一些实施方案中，金属表面包括钯、铱或铑或其氧化物。

70、在一个方面，本文提供了一种金属表面微阵列，包括探针部分，所述探针部分通过膦酸酯残基而与金属表面结合，其中金属表面包括铂、金、钯、铱或铑，或其氧化物，或其任何组合。在一些实施方案中，结合的膦酸酯残基具有结构：

71、

72、其中r包括所述探针部分，并且每个表示与所述表面的附接点。

73、在一些实施方案中，探针部分包括核酸、肽、蛋白质、抗体、小分子、聚糖或其任何组合。在一些实施方案中，探针部分包括核酸。在一些实施方案中，核酸包含dna或rna。在一些实施方案中，微阵列被配置用于dna或rna测序。在一些实施方案中，探针部分结合生物剂。在一些实施方案中，生物剂是核酸、蛋白质、细胞或细胞器。在一些实施方案中，探针部分对生物剂是特异的。在一些实施方案中，微阵列包括至少10个、至少100个、至少1000个、至少10000个或至少100000个独特的探针特征。在一些实施方案中，金属表面微阵列包括铂或金或其氧化物。在一些实施方案中，金属表面微阵列包括钯、铱或铑、其氧化物或其任何组合。

74、在一个方面，本文提供了一种药物递送装置，包括药物部分，所述药物部分通过膦酸酯残基而与装置的表面连接，其中所述表面包括铂、金、钯、铱或铑、其氧化物或其组合。在一些实施方案中，膦酸酯残基具有结构：

75、

76、其中r包括所述药物部分，并且每个表示与所述表面的附接点。

77、在一些实施方案中，药物部分通过接头而与膦酸酯残基连接。在一些实施方案中，接头是可切割的接头。在一些实施方案中，接头被配置为释放所述药物部分。在一些实施方案中，药物递送装置还包括靶向部分。在一些实施方案中，靶向部分包括抗体或抗体片段、肽或核酸。在一些实施方案中，药物递送装置是纳米颗粒、微粒或珠。在一些实施方案中，表面包括铂或金、其氧化物或其组合。在一些实施方案中，表面包括钯、铱或铑、其氧化物或其组合。

78、在一个方面，本文提供了一种官能化金属表面，该官能化金属表面包括金属表面，所述金属表面与具有以下结构的分子结合：

79、

80、其中r包括水凝胶。

81、在一些实施方案中，金属表面包括铂、金、钯、铱、铑、硅、铝、钛、铁、锌、锆、镍、银、铜、钴或铬、或其氧化物、或其任何组合。

82、在一些实施方案中，水凝胶具有约0.001s/m至约10s/m的电导率。在一些实施方案中，水凝胶具有约0.001微米至约10微米的厚度。在一些实施方案中，水凝胶包括合成聚合物。在一些实施方案中，水凝胶包括丙烯酰胺聚合物。在一些实施方案中，丙烯酰胺聚合物包括n-取代的丙烯酰胺、n-取代的甲基丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺或其任何组合。在一些实施方案中，水凝胶包括聚丙烯酰胺、聚(二乙基丙烯酰胺)、聚(二甲基丙烯酰胺)、聚(n-异丙基丙烯酰胺)、聚(丙烯酸)、聚(甲基丙烯酸)、聚(丙烯酸甲酯)、聚(丙烯酸乙酯)、聚(丙烯酸2-羟乙基酯)、聚(丙烯酸丙酯)、聚(丙烯酸丁酯)、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸2-羟乙基酯)、聚(甲基丙烯酸四氢糠基酯)、聚(环氧乙烷)、聚(环氧丙烷)、聚(乙烯基吡咯烷酮)、聚噁唑啉、聚(2-乙基噁唑啉)或聚(n-丙烯酰基吗啉)。在一些实施方案中，金属表面是电极。在一些实施方案中，金属表面位于电极的外表面上。

83、援引并入

84、本说明书中提到的所有出版物、专利和专利申请都通过引用并入本文中，就好像每个单独的出版物、专利或专利申请被明确地并单独地指示通过引用而并入一样。