Kurzbeschreibung

Nitrocatechole besitzen die Fähigkeit kovalente Bindungen mit metallischen Oberflächen und Metalloxiden einzugehen. Wegen der stabilisierenden Nitro-Gruppen sind diese Verbindungen besonders resistent gegen Oxidation bei höheren pH Werten als andere Catechole-Derivate.

Beschichtungsbeschreibung

bildet spontan monomolekulare Beschichtungen

Substrate

Eisenoxid (Fe3O4), Titanoxid (TiO2), Aluminumoxide(Al2O3), Tantal- und Niobpentoxid (Ta2O5, Nb2O5), Indium-Zinn-Oxid (ITO), Gold (Au) und generell Oxide der Übergangsmetalle

Immobilisationsmechanismus

  • Kovalente Immobilisation, selbst begrenzt durch Bildung einer Monolage

Standardfunktionen

  • Nitrodopamin und Nitrodopa können für eine Aminierung genutz werden. Daneben erzielen die Verwendung von PEGilierten oder Dextran funktionalisierten Komponenten zu einer Oberflächenladung welche ein Stabilisation von Partikeln ermöglicht, sowie eine sterische Stabilisation und einen Schutz gegen Bio-Fouling.

  • Spezielle Bindungen können durch die Verwendung von Biotin-Neutravidin Kopplung erreicht werden.

  • Nitrodopamine funktionalisiert mit Perfluorophenyl Azide (PFPA) kann als Haftvermittler eingesetzt werden für eine unspezifische durch UV aktivierte Bindung von Molekülen nahe an der funktionalisierten Oberfläche.

  • Perfluorinated alkyl chain to obtain hydro- and oleo-phobic surfaces

Anwendungsgebiete

Life Science

  • Funktionalisierung von magnetischen Nanopartikeln für Anwendungen in der Magentresonanz
  • Amine funktionalisierte Metaloxidoberflächen auf Sensorchips für Diagnostik und Bio-Analytil
  • Reaktive Beschichtungen für Kopplung/Anbindung in der Proteomik oder Genomik

Medizinische Technologien

  • Antibakterielle, zellresistente Behandlung von metalischen medizinischen Instrumenten
  • verbesserte Gewebeintegration durch bioaktive Beschichtungen welche sich Peptide oder Wachstumsfaktoren zu Nutze machen
  • Oberflächen mit selektiver biologischer Reaktion auf unterschiedliche Zelltypen 

Adhäsive

  • Haftvermittler und -primer

Andere technische Anwendungen

  • Non-fouling, antibakterielle Beschichtungen
  • Easy-to-clean Oberflächen

Wie es funktioniert

Biomimetische Nitrocatechole von Anachelin H

Beschiteter Eisenoxidpartikel für MRI: die Oberfläche des Nanopartikels wurde mit Nitrocatecholen funktionalisiert

In Studien hat sich gezeigt, dass das siderophore Anachelin H welches aus Cyano-Bakterien isoliert werden konnte, besonders starke Bindungskapazitäten für Eisen(III) Ionen aufweist. Der Gund dafür liegt in der Anwesenheit einer Doppelringstruktur bestehend aus einem Catechole und einer quartären Ammoniumverbindung, auch bekannt unter der Bezeichnung Anacat [1].

Nitrodopamine, bzw. Nitrodopa sind synthetische Varianten von Anacat und haben sich als äusserst starke und vielseitige oberflächenaktive Komponenten herausgestellt. Anwendung finden sie beispielsweise bei der bioresistenten Funktionalisierung von Oberflächen [2] und Hydrophobisierung verschiedenster Substrate [3] wie auch als starkes Bindungsdispergens von Magnetit [4a-e] und anderen Nanopartikel [5]. Zusätzlich zu einer niedrigeren pKS der hydroxid Gruppen im Vergleich zum Catechole, liegt der Hauptvorteil dieser neuen Klasse von oberflächenaktiven Moleküle in der ihrer hohen Stabilität gegenüber Oxidation selbst in einer Umgebung mit stark basischem pH. Dadurch sind diese Verbindungen überlegen gegenüber den nicht modifizierten Catechole-Derivaten in vielen Anwnedungen, besonders in der Stabilisierung von Nanopartikeln.

im Gegesnatz zu elektrostatischer Wechselwirkung, verläuft die Bindung von Nitrodopa an Metal- und Metaloxidoberflächen (z.B. TiO2, Fe basierte Materialien wie Stahl oder Magnetitpartikel, Aluminium, Gold, etc.) über kovalent korrdinierte Verbindungen.

[1]     Zürcher, S.; Wäckerlin, D.; Bethuel, Y.; Malisova, B.; Textor, M.; Tosatti, S.; Gademann, K. Biomimetic surface modifications based on the cyanobacterial iron chelator anachelin. J Am Chem Soc 2006, 128 (4), 1064–1065 DOI: 10.1021/ja056256.
[2]       Malisova, B.; Tosatti, S.; Textor, M.; Gademann, K.; Zürcher, S. Poly(ethylene glycol) adlayers immobilized to metal oxide substrates through catechol derivatives: influence of assembly conditions on formation and stability. Langmuir 2010, 26 (6), 4018–4026 DOI: 10.1021/la903486z.
[3]       Rodenstein, M.; Zürcher, S.; Tosatti, S. G. P.; Spencer, N. D. Fabricating chemical gradients on oxide surfaces by means of fluorinated, catechol-based, self-assembled monolayers. Langmuir 2010, 26 (21), 16211–16220 DOI: 10.1021/la100805z.
[4a]      Amstad, E.; Zürcher, S.; Mashaghi, A.; Wong, J. Y.; Textor, M.; Reimhult, E. Surface functionalization of single superparamagnetic iron oxide nanoparticles for targeted magnetic resonance imaging. Small 2009, 5 (11), 1334–1342 DOI: 10.1002/smll.200801328.
[4b]     Amstad, E.; Gillich, T.; Bilecka, I.; Textor, M.; Reimhult, E. Ultrastable Iron Oxide Nanoparticle Colloidal Suspensions Using Dispersants with Catechol-Derived Anchor Groups. Nano Lett 2009, 9 (12), 4042–4048 DOI: 10.1021/nl902212q.
[4c]      Amstad, E.; Gehring, A. U.; Fischer, H.; Nagaiyanallur, V. V.; Haehner, G.; Textor, M.; Reimhult, E. Influence of Electronegative Substituents on the Binding Affinity of Catechol-Derived Anchors to Fe3O4 Nanoparticles. J Phys Chem C 2011, 115 (3), 683–691 DOI: 10.1021/jp1109306.
[4d]     Amstad, E.; Textor, M.; Erik Reimhult. Stabilization and functionalization of iron oxide nanoparticles for biomedical applications. Nanoscale 2011, 3 (7), 2819–2843 DOI: 10.1039/c1nr10173k.
[4e]      Lassenberger, A.; Bixner, O.; Gruenewald, T.; Lichtenegger, H.; Zirbs, R.; Reimhult, E. Evaluation of High-Yield Purification Methods on Monodisperse PEG-Grafted Iron Oxide Nanoparticles. Langmuir 2016, acs.langmuir.6b00919 DOI: 10.1021/acs.langmuir.6b00919.
[5]       Morgese, G.; Causin, V.; Maggini, M.; Corrà, S.; Gross, S.; Benetti, E. M. Ultrastable Suspensions of Polyoxazoline-Functionalized ZnO Single Nanocrystals. Chem Mater 2015, 27 (8), 2957–2964 DOI: 10.1021/acs.chemmater.5b00252.