WO2011131594A1 - Immobilizing enzymes using plasmas - Google Patents

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WO2011131594A1
WO2011131594A1 PCT/EP2011/056069 EP2011056069W WO2011131594A1 WO 2011131594 A1 WO2011131594 A1 WO 2011131594A1 EP 2011056069 W EP2011056069 W EP 2011056069W WO 2011131594 A1 WO2011131594 A1 WO 2011131594A1
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plasmas
enzymes
plasma
enzyme
plastic
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PCT/EP2011/056069
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Inventor
Uwe Bornscheuer
Karsten Schroeder
Ulf Menyes
Dominique Boettcher
Torge Vorhaben
Dagmar Jasinski
Marko Haeckel
Original Assignee
Neoplas Gmbh
Institur Für Biochemie Der Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N11/00Carrier-bound or immobilised enzymes; Carrier-bound or immobilised microbial cells; Preparation thereof
    • C12N11/02Enzymes or microbial cells immobilised on or in an organic carrier
    • C12N11/08Enzymes or microbial cells immobilised on or in an organic carrier the carrier being a synthetic polymer
    • C12N11/082Enzymes or microbial cells immobilised on or in an organic carrier the carrier being a synthetic polymer obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds

Abstract

The invention relates to a method for treating plastic surfaces using cold plasmas (low-temperature plasmas) and subsequently immobilizing enzymes on the treated surfaces, characterized in that the plasma treatment leads to highly activating the plastic surface at a maximum depth of 3 nm and the plasma treatment takes place without spacer-forming compounds comprising nitrogen and having carbon chains, wherein microwave plasmas in the GHz range or radio frequency plasmas (1 kHz - 100 MHz) in the vacuum pressure or atmospheric pressure range are used for highly activating the plastic surface.

Description

Immobilisierung von Enzymen unter Verwendung von Plasmen Beschreibung  Immobilization of enzymes using plasmas Description
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Kunststoffoberflächen mit kalten Plasmen (Niedertemperaturplasmen) und anschließender Immobilisierung von Enzymen auf den behandelten Oberflächen zur Steigerung der Enzymaktivität und der Anwendungsstabilität immobilisierter Enzyme sowie ein Enzym-Träger-System, erhältlich durch dieses Verfahren. The invention relates to a method for the treatment of plastic surfaces with cold plasmas (low temperature plasmas) and subsequent immobilization of enzymes on the treated surfaces to increase the enzyme activity and the stability of application of immobilized enzymes and an enzyme-carrier system obtainable by this method.
Stand der Technik State of the art
[0002] Enzyme werden bisher durch eine Kombination von physikalischen und chemischen Techniken auf Kunststoffoberflächen gebunden. Da Kunststoffe in der Regel hydrophobe Oberflächeneigenschaften besitzen, Enzyme als Peptide in der Regel aber aus wässrigen Lösungen für die Immobilisierung bereit gestellt werden, muss die Kunststoffoberfläche zunächst hydrophilisiert werden. Dies geschieht nach Bosley et al. JAOCS 74_ 107-11 1 (1997) häufig durch die Benetzung mit einem wasserlöslichen Alkohol als Benetzungsvermittler. Ein anderer Weg ist die Behandlung mit physikalischen Plasmen unter Verwendung spacerbildender, stickstoffhaltiger Verbindungen mit Kohlenstoffketten, wie z.B. Aminen zu den Plasmagasen. Ziel ist die Bildung von mit Aminogruppen funktionalisierten Oberflächen für die spätere kovalente Anbindung von Enzymen in einem zweiten, nachfolgenden Schritt (Yin et al PPP Volume 6 Issue 1 p68-75, Alvarez et al. J App Pol Sei Volume 88 Issue 2 p 369-379). Häufig werden für diesen zweiten nachfolgenden Schritt zusätzliche Spacermoleküle wie z.B. Glutaraldehyd oder ähnliches wie Polymere oder Polymerkombinationen z.B. ein Polymer aus α-Hydroxyalkylenamin (US4757014) verwendet. Im Patent US4757014 wird zur Haftvermittlung zusätzlich zwischen Polymerschicht und Kunststoffträger eine anorganische Oxidschicht bevorzugt aus plasmaabgeschiedenen siliziumorganischen Verbindungen eingebracht. Im US Patent 5344701 wird als koppelndes Agens Azalacton oder Azalacton-Polymerkombinationen unter Verwendung von Hochenergiestrahlung zur Erzeugung von Radikalen an der Oberfläche eingesetzt. Im WO2007/000163 werden unter Einsatz von Strahlung Disulfitfunktionen für die Kopplung von Polypeptiden auf Trägern verwendet. Einsatzfeld dieser Systeme sind die Molekularbiologie, die Biochemie, Pharmakologie und die medizinische Diagnostik. Im Patent DE 69737654 T2 wird die Verwendung von Plasmastrahlung zur Vernetzung eingeschlossen wobei hier vorzugsweise als zusätzliches Vernetzungsmittel Ethylenglycolbis(succinimidylsuccinat) eingesetzt wird. Enzymes have previously been bound by a combination of physical and chemical techniques on plastic surfaces. Since plastics usually have hydrophobic surface properties, but enzymes are usually provided as peptides from aqueous solutions for immobilization, the plastic surface must first be hydrophilized. This is done according to Bosley et al. JAOCS 74_ 107-11 1 (1997) frequently by wetting with a water-soluble alcohol as a wetting agent. Another approach is treatment with physical plasmas using spacer-forming nitrogen-containing compounds having carbon chains, such as amines to the plasma gases. The goal is the formation of surfaces functionalized with amino groups for the subsequent covalent attachment of enzymes in a second, subsequent step (Yin et al., PPP Volume 6 Issue 1 p68-75, Alvarez et al.) App Pol Volume 88 Issue 2 p 369- 379). Frequently, additional spacer molecules, such as, for example, glutaraldehyde or the like, such as polymers or polymer combinations, for example a polymer of α-hydroxyalkyleneamine (US Pat. No. 4,757,014), are used for this second subsequent step. In US Pat. No. 4,757,014, an inorganic oxide layer, preferably of plasma-deposited organosilicon compounds, is additionally introduced between the polymer layer and the plastic carrier in order to promote adhesion. In US Pat. No. 5,344,701 azalactone or azalactone polymer combinations are used as the coupling agent using high energy radiation to generate surface radicals. In WO2007 / 000163 disulfite functions are used for the coupling of polypeptides on carriers using radiation. Fields of application of these systems are molecular biology, biochemistry, pharmacology and medical diagnostics. in the Patent DE 69737654 T2 includes the use of plasma radiation for crosslinking, ethylene glycol bis (succinimidyl succinate) preferably being used here as an additional crosslinking agent.
[0003] Zum Stand der Technik gehört auch die Veröffentlichung von YIN, Yongbai, et al: "Plasma Polymer Surface Compatible with a CMOS Process for Direct Covalent Enzyme Immobilization.", Plasm. Process. Polym. 2009, 6, 68-75. Darin wird ein Prozess zur kovalenten Anbindung von Enzymen an plasmapolymerisierte Materialien für Sensorsysteme beschrieben. Das Paper offenbart den Einsatz der Plasmapolymere für CMOS-Sensoren (d.h. Complementary Metal Oxide Semiconductor, Halbleitersensoren). Dabei werden Plasmabeschichtungen (z.B. aus Acetylen) auf Metallen abgeschieden. Solche CMOS- Strukturen sind gut für die Sensorik geeignet, aber nicht für den Einsatz in chemischen Prozessen in der industriellen Biokatalyse. Es werden Plasmapolymer-Beschichtungen genannt, d.h. Sensoroberflächen werden nachträglich mit aktiven plasmapolymerisierten Schichten versehen. Als Enzyme werden Peroxidasen und Catalasen erwähnt. [0003] The prior art also includes the publication of YIN, Yongbai, et al: "Plasma Polymer Surface Compatible with a CMOS Process for Direct Covalent Enzyme Immobilization.", Plasm. Process. Polym. 2009, 6, 68-75. It describes a process for the covalent attachment of enzymes to plasma polymerized materials for sensor systems. The paper discloses the use of the plasma polymers for CMOS sensors (i.e., complementary metal oxide semiconductor). In doing so, plasma coatings (e.g., acetylene) are deposited on metals. Such CMOS structures are well suited for sensor technology, but not for use in chemical processes in industrial biocatalysis. Plasma polymer coatings are called, i. Sensor surfaces are subsequently provided with active plasma-polymerized layers. The enzymes mentioned are peroxidases and catalases.
[0004] Gegenstand der Veröffentlichung von Nosworthy, N.J., et al: "A New Surface for Immobilizing and Maintaining the Function of Enzymes in a Freeze-Dried State", Biomacromolecules, 2009, 10, 2577-2583, ist die Immobilisierung von Proteinen wie HRP und von Catalasen auf Pill (plasma Ionen Immersions Implantation)-behandelten Polyethylen. Die Aktivierung dort findet erst nach dem Plll-Prozess beim Kontakt mit dem Luftsauerstoff - Abreaktion der Radikale zu sauerstofffunktionellen Gruppen - statt. [0004] The subject of the publication by Nosworthy, NJ, et al., "A New Surface for Immobilizing and Maintaining the Function of Enzymes in a Freeze-Dried State", Biomacromolecules, 2009, 10, 2577-2583, is the immobilization of proteins such as HRP and catalase on pill (plasma ion immersion implantation) -treated polyethylene. The activation takes place only after the Plll process in contact with the atmospheric oxygen - Abreaktion of the radicals to oxygen-functional groups - instead.
Nachteil des Standes der Technik Disadvantage of the prior art
[0005] Der Nachteil besteht zum Teil in den verwendeten aufwendigen Plasmaprozessen und in den ebenfalls aufwendigen nachfolgenden chemischen Schritten zur Kopplung der Enzyme auf die Oberfläche. Ziel ist offensichtlich eine Stabilitätssteigerung für die erhaltenen Enzym- Träger-Kombinationen. Eine wirtschaftliche Umsetzung dieser Herstellungsprozesse ist aber nur gegeben, wenn die so erhaltenen Enzym-Träger-Kombinationen in Anwendungen mit hohen Margen pro Einheit damit hergestellten Produktes eingesetzt werden. Dies trifft in der Regel nur für Produkte pharmazeutischer Anwendungen zu. Für eine breite industrielle Nutzung z.B. in der chemischen Industrie ist der Einsatz solcher aufwendig hergestellten Enzym-Träger-Systeme in der Regel aber nicht gegeben. [0006] Der Nachteil der Veröffentlichung von YIN et al. liegt darin, dass bei den CMOS- Beschichtungen Temperprozesse (engl. Annealing) erforderlich sind, die bei 350-400 °C durchgeführt werden. The disadvantage consists partly in the complex plasma processes used and in the also complicated subsequent chemical steps for coupling the enzymes to the surface. The aim is obviously an increase in stability for the resulting enzyme-carrier combinations. However, economical implementation of these production processes is only possible if the enzyme-carrier combinations thus obtained are used in applications with high margins per unit of product produced therewith. This usually only applies to pharmaceutical products. However, for a broad industrial use, for example in the chemical industry, the use of such elaborately prepared enzyme-carrier systems is generally not given. The disadvantage of the publication of YIN et al. This is because the CMOS coatings require annealing processes that are performed at 350-400 ° C.
[0007] Ein großer Nachteil der Veröffentlichung von Nosworthy et al. besteht darin, dass durch die PIII-Methode die Oberfläche durch Ionenbeschuss nur zerklüftet (mindestens 50 nm tief) und nicht hochaktiviert wird. Außerdem hinterlässt der Stickstoff im Plll-Prozess nach unserer Erfahrung keine stickstofffunktionellen Gruppen an der Oberfläche, sondern in der „subsurface", d.h. oberflächennahen Bereichen (typischerweise 20 nm unterhalb der Oberfläche), die für die Hydrophilierung nicht zugänglich sind (Eindringtiefe der Enzymlösung liegt hier bei weniger als 1 nm). A major disadvantage of the publication by Nosworthy et al. is that the surface is only fissured by ion bombardment (at least 50 nm deep) and not highly activated by the PIII method. In addition, in our experience the nitrogen in the Plll process leaves no nitrogen-functional groups on the surface, but in the "subsurface", ie near-surface regions (typically 20 nm below the surface), which are not accessible for hydrophilization (penetration depth of the enzyme solution is here less than 1 nm).
Aufgabe der Erfindung Object of the invention
[0008] Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der im Stand der Technik beschriebenen technischen Lösungen zu beseitigen. The invention had the object to eliminate the disadvantages of the technical solutions described in the prior art.
Lösung der Aufgabe Solution of the task
[0009] Die Aufgabe wurde gemäß den Merkmalen der Patentansprüche gelöst. The problem has been solved according to the features of the claims.
[0010] Erfindungsgemäß werden hierzu die vorzugsweise verwendeten handelsüblichen Kunststoffträgermaterialien, vorzugsweise Polypropylenträgermaterialien, mittels physikalischer kalter Plasmen aus Gasentladungsprozessen behandelt, wobei die Plasmabehandlung ohne spacerbildende, stickstoffhaltige Verbindungen mit Kohlenstoffketten erfolgt. Unter dem Begriff "spacerbildende, stickstoffhaltige organische Verbindungen mit Kohlenstoffketten" werden gemäß der Lehre dieser Erfindung chemische Verbindungen verstanden, die eine Kohlenstoff-Stickstoff-Verbindung enthalten, wie z.B. Amine oder Amide, mit dem Ziel der Bildung von mit Stickstoffverbindungen funktionalisierten Oberflächen. [0011] Bei diesen Niedertemperaturplasmen handelt es sich um Entladungen in Gasen, welche mittels hochenergetischer Radio frequenztechnologie im Bereich niederfrequenter bis hochfrequenter Wellen bis hin zu Mikrowellen erzeugt werden. According to the invention, the preferably used commercially available plastic carrier materials, preferably polypropylene carrier materials, are treated by means of physical cold plasmas from gas discharge processes, the plasma treatment taking place without spacer-forming, nitrogen-containing compounds with carbon chains. By the term "spacer-forming nitrogen-containing organic compounds having carbon chains" is meant, in accordance with the teachings of this invention, chemical compounds containing a carbon-nitrogen compound, such as amines or amides, for the purpose of forming nitrogen-functionalized surfaces. In these low-temperature plasmas are discharges in gases, which frequency technology by means of high-energy radio in the range low-frequency to high-frequency waves to microwaves are generated.
[0012] Diese Plasmen können sowohl in Vakuumreaktoren im Niederdruckbereich als auch im Normaldruckbereich, z.B. mit Jet-, Barriere und Hohlkathodenentladungen betrieben werden. Vorzugsweise setzt man Gasentladung ein, bei denen eine hohe Dichte an Ladungsträgern pro Volumeneinheit Gas besteht, wobei die Gastemperatur durch geeignete Prozessführung limitiert wird, um eine thermische Modifikation des Materials zu vermeiden. Somit wird die Oberfläche der Kunststoffe für eine Behandlung und Immobilisierung mit Enzymen, vorzugsweise aus der Klasse der Hydrolasen, vorzugsweise Carboxylesterasen, besonders bevorzugt Esterasen oder Lipasen sowie der Klasse der Oxygenasen, vorzugsweise Oxidoreduktasen, besonders bevorzugt Monooxygenasen, speziell bevorzugt Baeyer-Villiger- Monooxygenasen, optimal verändert. Durch die geeignete Auswahl an Plasmabehandlungsmethoden wird bei der Immobilisierung eine mehrfache Erhöhung der Enzymaktivität gegenüber unbehandelten vergleichbaren Kunststoffträgern erreicht. Die Erhöhung der Zahl der Wechselwirkungsstellen für die Enzyme auf der Oberfläche der Kunststoffträger werden durch die Plasmabehandlung ohne Einsatz zusätzlicher sogenannter nasschemischer Verfahren wie der Abscheidung von Vermittlerschichten aus Lösungen ermöglicht. Es entfällt gegenüber diesen klassischen nasschemischen Verfahren die Verwendung von z.T. toxischen Lösungsmitteln und deren Entsorgung nach der Nutzung und aufwendige Reinigungs- und Aufarbeitungsschritte wie Spülen und zeitaufwendiges Trocknen der behandelten Kunststoffmaterialien.  These plasmas can be used both in vacuum reactors in the low pressure range and in the normal pressure range, e.g. operated with jet, barrier and hollow cathode discharges. Preferably, gas discharge is used in which there is a high density of charge carriers per unit volume of gas, the gas temperature being limited by suitable process control in order to avoid thermal modification of the material. Thus, the surface of the plastics for treatment and immobilization with enzymes, preferably from the class of hydrolases, preferably carboxylesterases, particularly preferably esterases or lipases and the class of oxygenases, preferably oxidoreductases, particularly preferably monooxygenases, especially preferably Baeyer-Villiger monooxygenases, optimally changed. By suitable selection of plasma treatment methods, a multiple increase in enzyme activity over untreated comparable plastic carriers is achieved during immobilization. The increase in the number of interaction sites for the enzymes on the surface of the plastic carriers are made possible by the plasma treatment without the use of additional so-called wet-chemical processes such as the deposition of mediator layers from solutions. It eliminates the use of z.T. of these classic wet chemical methods. toxic solvents and their disposal after use and consuming cleaning and processing steps such as rinsing and time-consuming drying of the treated plastic materials.
[0013] Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass die Enzymaktivität von immobilisierten Enzymen, insbesondere der Klasse der Esterasen, Lipasen und Oxigenasen auf Kunststoffträgern, vorzugsweise Polypropylen- Kunststoffen mit dem Ziel eines industriellen Einsatzes dieser immobilisierten Katalysatorsysteme verbessert wurden. Die Erfindung ermöglicht eine Verbesserung der Stabilität der Enzym-Katalysatorsysteme und damit den Mehrfacheinsatz dieser Katalysatorsysteme bei nahezu gleichbleibend hoher Aktivität. Somit wird eine deutliche Kostenreduzierung im industriellen Einsatz bezogen auf den Produktionsumsatz gegenüber herkömmlichen Enzymkatalysatoren ermöglicht. Surprisingly, it has been found that the enzyme activity of immobilized enzymes, in particular the class of esterases, lipases and oxygenases on plastic supports, preferably polypropylene plastics were improved with the aim of industrial use of these immobilized catalyst systems. The invention enables an improvement in the stability of the enzyme catalyst systems and thus the multiple use of these catalyst systems with almost constant high activity. Thus, a significant cost reduction in industrial use based on the production turnover over conventional enzyme catalysts is made possible.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung [0014] Erfindungsgemäß lässt sich überraschender Weise der hohe technische Aufwand der Enzymkopplung, wie er im Stand der Technik beschrieben wurde, für Enzyme aus der Klasse der Esterasen, Lipasen und Oxigenasen umgehen, durch die geeignete Wahl eines Trägers, vorzugsweise eines Polyalken-Trägers wie Polypropylen in Kombination mit einer einfachen schnellen Plasmabehandlung, die eine Hydrophilierung der Trägeroberfläche von kleiner 60 grad für den Wasserkontaktwinkel, bevorzugt kleiner 10 grad erreicht. Als Plasmagase kommen nicht plasmapolymerisierbare Gase, bevorzugt Argon bzw. Argon/Sauerstoff bzw. Argon/Luftgemische zum Einsatz. Darin enthalten können auch stickstoffhaltige Gase wie z.B. Ammoniak zugemischt werden. Als Plasmaquellen sind sowohl Mikrowellenplasmen als auch Radio frequenzplasmen jeweils im Niederdruckbereich als auch unter Atmosphärendruck geeignet. Die Träger können in Form von Platten, Netzen, Membranen, anderen Strukturen oder bevorzugt als Pulver, porös oder nicht porös eingesetzt werden. Die Immobilisierung der Enzyme erfolgt aus Lösungen mit und ohne Puffer durch Lagern in der Lösung für mindestens 1 min bis zu mehreren Stunden bzw. Tagen bevorzugt 8-16 Stunden mit und ohne Durchmischung. Bevorzugt erfolgt danach ein Waschen und Trocknen des Enzym- Trägerkomplexes. Ein direkter Einsatz ohne waschen und trocknen ist ebenfalls möglich. Detailed description of the invention Surprisingly, according to the invention, the high technical complexity of the enzyme coupling, as described in the prior art, for enzymes from the class of esterases, lipases and oxigenases circumvent, by the appropriate choice of a carrier, preferably a polyalkene carrier such Polypropylene in combination with a simple rapid plasma treatment, which achieves a hydrophilization of the support surface of less than 60 degrees for the water contact angle, preferably less than 10 degrees. The plasma gases used are not plasma-polymerizable gases, preferably argon or argon / oxygen or argon / air mixtures. It can also contain nitrogen-containing gases such as ammonia. As plasma sources both microwave plasmas and radio frequency plasmas are each suitable in the low pressure range as well as under atmospheric pressure. The supports can be used in the form of plates, nets, membranes, other structures or preferably as a powder, porous or non-porous. The immobilization of the enzymes is carried out from solutions with and without buffer by storing in the solution for at least 1 min to several hours or days preferably 8-16 hours with and without mixing. Preferably followed by washing and drying of the enzyme-carrier complex. A direct use without washing and drying is also possible.
Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik Advantage of the invention over the prior art
[0015] Die auf dem direkten einfachen und kostengünstigen Weg mit guter Möglichkeit zum up-scaling erhaltenen Materialien wurden Untersuchungen zur Langzeitstabilität unter unterschiedlichen Lagerungsbedingungen und dem Einsatz über mehrere Zyklen der Biokatalyse unterzogen. Dabei zeigten die Materialien eine gute Stabilität. Somit werden im Verhältnis zu den bisher bekannten Immobilisierungsstrategien mittels Vorbereitung der Oberfläche durch Plasmaprozesse sehr kostengünstige und stabile Enzym-Träger-Systeme erhalten. Diese können erfindungsgemäß bis zum industriellen Maßstab hergestellt werden. The materials obtained in a straightforward, simple and cost-effective way with a good possibility of up-scaling have been subjected to studies on long-term stability under different storage conditions and over several cycles of biocatalysis. The materials showed good stability. Thus, very inexpensive and stable enzyme-carrier systems are obtained in relation to the previously known immobilization strategies by means of preparation of the surface by plasma processes. These can be prepared according to the invention to industrial scale.
[0016] Erfindungsgemäß wird keine kovalente Anbindung von Enzymen genutzt, sondern eine Chemisorption, die nicht an plasmapolymerisierte Materialien erfolgt, sondern an Kunststoffoberflächen, die mit speziellen Plasmen chemisch hochaktiviert werden. Das bedeutet, dass die Plasmaprozesse dergestalt optimiert sind, um hohe Dichten reaktiver chemischer Gruppen wie z.B. Alkohole, Ether, Carbonsäuren und Peroxide in geeigneter Mischung (polare und unpolare Gruppen) erzielt werden. Danach erfolgt die Immobilisierung von Enzymen. Die Plasma-Hochaktivierung ist ein reiner Gasphasenprozess mit nicht polymerisierbaren Gasen, d.h. nicht mit der Einspeisung reaktiver Gase wie Acetylen verbunden, die zu einer im Stand der Technik beschriebenen Schichtbildung führt. Die erfindungsgemäße Plasmabehandlung erzeugt spezielle„hochaktivierte" Polymeroberflächen, die maximal 3 nm tief funktionalisiert und vermeidet dadurch die Zerklüftung der Oberflächen im Unterschied zum Stand der Technik, wo durch den gezielten Ionenbeschusses aus dem Plasma die Oberfläche zerklüftet wird. According to the invention no covalent attachment of enzymes is used, but a chemisorption, which does not take place on plasma-polymerized materials, but on plastic surfaces that are chemically highly activated with special plasmas. This means that the plasma processes are optimized in order to achieve high densities of reactive chemical groups such as alcohols, ethers, carboxylic acids and peroxides in a suitable mixture (polar and nonpolar groups). Thereafter, the immobilization of enzymes takes place. Plasma high activation is not a pure gas phase process polymerizable gases, that is not associated with the supply of reactive gases such as acetylene, which leads to a layer formation described in the prior art. The plasma treatment according to the invention produces special "highly activated" polymer surfaces which are functionalized to a maximum depth of 3 nm and thereby avoids the fracturing of the surfaces in contrast to the prior art, where the surface is fissured by targeted ion bombardment from the plasma.
[0017] Überraschenderweise wurde festgestellt, dass Mikrowellenplasmen im GHz-Bereich, vorzugsweise um 2,54 GHz, oder Radio frequenzplasmen (1 kHz - 100 MHz) im Niederdruck- oder Atmosphärendruckbereich zu maximalen Dichten reaktiver Spezies wie Radikale und Ionen für die Hochaktivierung der Oberfläche führen. Dabei werden im Plasma folgende Bedingungen erzielt: RF Plasmen werden mit Leistungen von 1 W bis 100 W Mikrowellenplasmen mit 100 W bis 1500 W bei Gasflussraten von 1 bis 100 sccm gezündet. Dabei werden die Ionen mit Spannungen von maximal 500 V beschleunigt. Unter diesen Bedingungen werden die Substrate 0,5 s bis 600 s lang behandelt. Surprisingly, it has been found that microwave plasmas in the GHz range, preferably by 2.54 GHz, or radio frequency plasmas (1 kHz - 100 MHz) in the low pressure or atmospheric pressure range to maximum densities of reactive species such as radicals and ions for the high activation of the surface to lead. The following conditions are achieved in the plasma: RF plasmas are ignited with powers of 1 W to 100 W microwave plasmas of 100 W to 1500 W at gas flow rates of 1 to 100 sccm. The ions are accelerated with voltages of maximum 500V. Under these conditions, the substrates are treated for 0.5 second to 600 seconds.
Die Vorteile im Einzelnen sind: The advantages in detail are:
Steigerung der Enzymaktivität und der Stabilität von Esterasen durch Vorbehandlung derIncreasing the enzyme activity and the stability of esterases by pretreatment of
Trägeroberfläche mit einem Gasentladungsplasma zur Immobilisierung Carrier surface with a gas discharge plasma for immobilization
Steigerung der Enzymaktivität und der Stabilität von Lipasen durch Vorbehandlung der Increasing the enzyme activity and the stability of lipases by pretreatment of the
Trägeroberfläche mit einem Gasentladungsplasma zur Immobilisierung Carrier surface with a gas discharge plasma for immobilization
Steigerung der Enzymaktivität und der Stabilität von Oxygenasen durch Vorbehandlung der Trägeroberfläche mit einem Gasentladungsplasma zur Immobilisierung  Increasing the enzyme activity and the stability of oxygenases by pretreating the carrier surface with a gas discharge plasma for immobilization
Temperprozesse, die bei 350-400 °C durchgeführt werden, sind bei den  Annealing processes, which are carried out at 350-400 ° C, are among the
erfindungsgemäßen Plasmahochaktivierungen nicht notwendig  Plasma uptake activations according to the invention are not necessary
[0018] Auch konnte gezeigt werden, dass eine Enzymimmobilisierung sowohl von der Art des Enzyms als auch der Art des Trägers und der Art der Oberflächenvorbehandlung abhängig ist. It has also been possible to show that enzyme immobilization is dependent both on the type of enzyme and on the nature of the carrier and the type of surface pretreatment.
[0019] Erstmals wird mit der vorliegenden Erfindung ein Enzym-Träger-System bereitgestellt aus einem mit physikalischen Gasentladungsplasmen behandelten Kunststoffträger, vorzugsweise aus einem Polyalken-Polymer wie z.B. Polypropylen, aber auch anderen Kunststoffen ohne Zusatz von Hilfskomponenten in das verwendete Plasmagas, welche im Stand der Technik als Spacer zur kovalenten Bindung der Enzyme dienen sollten und Enzymen, vorzugsweise aus der Klasse der Esterasen, Lipasen und Oxigenasen. Dabei wird kein zusätzlicher Hilfsstoff für die Immobilisierung der Enzyme auf der Trägeroberfläche eingesetzt, der den Zweck hätte, für eine chemische Bindung zwischen plasmabehandelten Träger und dem Enzym zu sorgen. For the first time with the present invention, an enzyme-carrier system is provided from a treated with physical gas discharge plasmas plastic carrier, preferably from a polyalkene polymer such as polypropylene, but also others Plastics without the addition of auxiliary components in the plasma gas used, which should serve in the prior art as a spacer for covalent bonding of the enzymes and enzymes, preferably from the class of esterases, lipases and oxygenases. In this case, no additional excipient for the immobilization of the enzymes is used on the support surface, which would have the purpose of providing a chemical bond between plasma-treated carrier and the enzyme.
[0020] Erfindungsgemäß wird eine deutliche Steigerung der Enzymaktivität der Enzym- Träger- Systeme bei Verwendung der plasmabehandelten Kunststoffträger gegenüber den unbehandelten Trägern erreicht. Es wird weiterhin eine Verbesserung der Lager- und Nutzungsstabilität erzielt.  According to the invention a significant increase in the enzyme activity of the enzyme carrier systems is achieved when using the plasma-treated plastic carrier compared to the untreated carriers. Furthermore, an improvement of the storage and use stability is achieved.
[0021] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne die Erfindung auf diese Beispiele zu beschränken. The invention will be explained in more detail with reference to embodiments, without limiting the invention to these examples.
Ausführungsbeispiele embodiments
Ausführungsbeispiel 1 : Plasmabehandlung im RF-Plasma: Exemplary Embodiment 1 Plasma Treatment in the RF Plasma
[0022] Das Polypropylenpulver wird in einer RF-Plasmaanlage mit 27,2 MHz behandelt. Dazu wird ausführungsgemäß 5 g des Pulvers vor der Plasmabehandlung auf einem mit 50 Hz vibrierenden Edelstahlprobenhalter in Sauerstoff bei 0,1 mbar für 30 min fluidisiert. Die Plasmabehandlung erfolgt im Sauerstoffplasma bei 80 W und einem Druck von 0,1 mbar für 5 min. Die Probe wird vor der Enzymbehandlung bei Raumtemperatur gelagert. The polypropylene powder is treated in an RF plasma system at 27.2 MHz. For this purpose, according to the embodiment, 5 g of the powder are fluidized before the plasma treatment on a 50 Hz vibrating stainless steel sample holder in oxygen at 0.1 mbar for 30 min. The plasma treatment is carried out in oxygen plasma at 80 W and a pressure of 0.1 mbar for 5 min. The sample is stored at room temperature prior to enzyme treatment.
[0023] Das Polypropylenpulver wird in einer RF-Plasmaanlage mit 27,2 MHz behandelt. Dazu wird ausführungsgemäß 5 g des Pulvers vor der Plasmabehandlung auf einem mit 50 Hz vibrierenden Edelstahlprobenhalter in Sauerstoff bei 0,1 mbar für 30 min fluidisiert. Die Plasmabehandlung erfolgt im Sauerstoffplasma bei 100 W und einem Druck von 0,1 mbar für 1 s. Die Probe wird vor der Enzymbehandlung bei Raumtemperatur gelagert. The polypropylene powder is treated in an RF plasma system at 27.2 MHz. For this purpose, according to the embodiment, 5 g of the powder are fluidized before the plasma treatment on a 50 Hz vibrating stainless steel sample holder in oxygen at 0.1 mbar for 30 min. The plasma treatment is carried out in oxygen plasma at 100 W and a pressure of 0.1 mbar for 1 s. The sample is stored at room temperature prior to enzyme treatment.
Enzymimmobilisierung am Beispiel von CalB-Lipase: [0024] 500 mg des plasmabehandelten Polypropylenpulvers wird in einem 15 ml Glasgefäß mit 4 ml Enzymlösung inkubiert. Dazu wird ein 10 mM Natriumphosphatpuffer bei pH 7 eingesetzt. Die Inkubation erfolgt bei 20 °C über Nacht mit einer Rührgeschwindigkeit vom 200 Umdrehungen/min. Nach der Inkubation wird das Material abfiltriert, 2 mal mit dem für die Immobilisierung eingesetztem Puffer (s.o.) gewaschen und über Nacht im Vakuum getrocknet. Die Lagerung vor den Aktivitätsmessungen erfolgt bei 4°C. Enzyme immobilization using the example of CalB lipase: 500 mg of the plasma-treated polypropylene powder is incubated in a 15 ml glass jar with 4 ml of enzyme solution. For this purpose, a 10 mM sodium phosphate buffer at pH 7 is used. The incubation is carried out at 20 ° C overnight with a stirring speed of 200 revolutions / min. After incubation, the material is filtered off, washed twice with the buffer used for the immobilization (see above) and dried overnight in vacuo. Storage before the activity measurements takes place at 4 ° C.
Aktivitätsbestimmung der immobilisierten CalB-Lipase Activity determination of immobilized CalB lipase
[0025] Die Bestimmung der Aktivität erfolgt mittels der pH-Stat Methode. Dazu wurde eine automatische Titrationsanlage (Titroline alpha®, Schott, Germany) benutzt. Für die Bestimmung wird 25 ml einer Emulsion aus 5% (w/v) Tributyrin und 2% (w/v) Gummi Arabicum in destilliertem Wasser eingesetzt. Zu der Emulsion wird eine bekannte Menge an immobilisierter CalB zugegeben und die Freisetzung der Säure titrimetrisch durch die Zugabe von 10 mM NaOH bei 37 °C und einem konstanten pH Wert von 7,5 bestimmt. Eine TributyrinUnit (TBU) wird dabei festgelegt als die Freisetzung von 1 μιηοΐ Buttersäure pro Minute durch das immobilisierte Enzym. The determination of the activity by means of the pH-stat method. These automatic Titrationsanlage (Titroline alpha ®, Schott, Germany) was used. For the determination, 25 ml of an emulsion of 5% (w / v) tributyrin and 2% (w / v) gum arabic in distilled water is used. A known amount of immobilized CalB is added to the emulsion and the release of the acid is determined titrimetrically by the addition of 10 mM NaOH at 37 ° C and a constant pH of 7.5. A tributyrin unit (TBU) is defined as the release of 1 μιηοΐ butyric acid per minute by the immobilized enzyme.
Ausführungsbeispiel 2 Embodiment 2
Plasmabehandlung im Mikrowellenplasma: Plasma treatment in microwave plasma:
[0026] Die Plasmabehandlung von 1,5 g des Polypropylenpulvers erfolgt in einem handelsüblichen Mikrowellenplasmareaktor bei 2,45 GHz. Dazu wird die Anlage mit Argon gespült und danach bei einem Druck von 1 mbar bei 1200 W und einer Gaszusammensetzung von 60/40 (v/v) Sauerstoff/ Argon für 10s effektiver Plasmabehandlungszeit im gepulsten Plasma mit einer Pulsrate von 10/90 an/aus und einer Pulsfrequenz von 10 Hz behandelt. Das behandelte Material wird bei Raumtemperatur gelagert. The plasma treatment of 1.5 g of the polypropylene powder is carried out in a commercially available microwave plasma reactor at 2.45 GHz. For this purpose, the system is purged with argon and then at a pressure of 1 mbar at 1200 W and a gas composition of 60/40 (v / v) oxygen / argon for 10s effective plasma treatment time in the pulsed plasma with a pulse rate of 10/90 on / off and a pulse rate of 10 Hz. The treated material is stored at room temperature.
[0027] Die Plasmabehandlung von 1,5 g des Polypropylenpulvers erfolgt in einem handelsüblichen Mikrowellenplasmareaktor bei 2,45 GHz. Dazu wird die Anlage mit Argon gespült und danach bei einem Druck von 0,1 mbar bei 1500 W und einer Gaszusammensetzung von 80/20 (v/v) Sauerstoff/ Argon für 100ms (100 Millisekunden) effektiver Plasmabehandlungszeit im gepulsten Plasma mit einer Pulsrate von 10/90 an/aus und einer Pulsfrequenz von 1 kHz behandelt. Das behandelte Material wird bei Raumtemperatur gelagert. The plasma treatment of 1.5 g of the polypropylene powder is carried out in a commercially available microwave plasma reactor at 2.45 GHz. For this purpose, the system is purged with argon and then at a pressure of 0.1 mbar at 1500 W and a gas composition of 80/20 (v / v) oxygen / argon for 100 ms (100 milliseconds) effective plasma treatment time in the pulsed plasma with a pulse rate of 10/90 on / off and a pulse frequency of 1 kHz treated. The treated material is stored at room temperature.
Enzymimmobilisierung am Beispiel von PestE -Esterase: Enzyme immobilization using the example of PestE esterase:
[0028] 500 mg des plasmabehandelten Polypropylenpulvers wird in einem 15 ml Glasgefäß mit 4 ml Enzymlösung inkubiert. Dazu wird ein 10 mM Natriumphosphatpuffer bei pH 7 eingesetzt. Die Inkubation erfolgt bei 20 °C über Nacht mit einer Rührgeschwindigkeit vom 200 Umdrehungen/min. Nach der Inkubation wird das Materials abfiltriert, 2 mal mit Immobilisierungspuffer gewaschen und über Nacht im Vakuum getrocknet. Die Lagerung vor den Aktivitätsmessungen erfolgt bei 4°C. 500 mg of the plasma-treated polypropylene powder is incubated in a 15 ml glass vessel with 4 ml of enzyme solution. For this purpose, a 10 mM sodium phosphate buffer at pH 7 is used. The incubation is carried out at 20 ° C overnight with a stirring speed of 200 revolutions / min. After incubation, the material is filtered off, washed twice with immobilization buffer and dried overnight in vacuo. Storage before the activity measurements takes place at 4 ° C.
Aktivitätsbestimmung der immobilisierten PestE -Esterase Activity determination of the immobilized PestE esterase
[0029] Die Bestimmung der Aktivität erfolgt mittels eines Schnelltest in 24-Well- Mikrotiterplatten. Dazu wird 400μ1 einer Lösung von Tributyrin in DMSO (10 mg/ml) zu 1,2 ml Natriumphosphat-Puffer (5 mM, pH 7,3) gegeben und die Lösung bei Raumtemperatur gerührt. Nach Zugabe von 400 μΐ Bromthymolblau (1 :10 (v/v) gelöst in DMSO) wird eine definierte Menge des immobilisierten Enzyms zugesetzt. Durch die Enzymreaktion freigesetzte Buttersäure verändert die Farbe der Lösung von blau nach gelb. Die Geschwindigkeit des Farbumschlags gibt einen Anhaltspunkt für die Aktivität des Materials. Für eine genaue Bestimmung der Aktivität wird die pH-Stat Methode (vgl. Ausführungsbeispiel 1) verwendet. The determination of the activity is carried out by means of a rapid test in 24-well microtiter plates. To this is added 400 μl of a solution of tributyrin in DMSO (10 mg / ml) to 1.2 ml of sodium phosphate buffer (5 mM, pH 7.3) and the solution stirred at room temperature. After addition of 400 μΐ bromothymol blue (1:10 (v / v) dissolved in DMSO), a defined amount of the immobilized enzyme is added. Butyric acid released by the enzyme reaction changes the color of the solution from blue to yellow. The speed of the color change gives an indication of the activity of the material. For an accurate determination of the activity, the pH-stat method (see Example 1) is used.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Behandlung von Kunststoffoberflächen mit kalten Plasmen (Niedertemperaturplasmen) und anschließender Immobilisierung von Enzymen auf den behandelten Oberflächen, wobei die Plasmabehandlung zu einer Hochaktivierung der Kunststoffoberfläche mit maximaler Tiefe von 3 nm führt und die Plasmabehandlung ohne spacerbildende, stickstoffhaltige Verbindungen mit Kohlenstoffketten erfolgt dadurch gekennzeichnet, dass Mikrowellenplasmen im GHz-Bereich oder Radio frequenzplasmen (1 kHz - 100 MHz) im Niederdruck- oder Atmosphärendruckbereich zur Hochaktivierung der Kunststoffoberfläche verwendet werden. 1. A process for the treatment of plastic surfaces with cold plasmas (low temperature plasmas) and subsequent immobilization of enzymes on the treated surfaces, wherein the plasma treatment leads to a high activation of the plastic surface with maximum depth of 3 nm and the plasma treatment without spacerbildende, nitrogen-containing compounds with carbon chains takes place in that microwave plasmas in the GHz range or radio frequency plasmas (1 kHz - 100 MHz) in the low-pressure or atmospheric-pressure range are used for highly activating the plastic surface.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mikrowellenplasmen im Bereich von 100 MHz bis 10 GHz, vorzugsweise 2,54 GHz, verwendet werden. 2. The method according to claim 1, characterized in that microwave plasmas in the range of 100 MHz to 10 GHz, preferably 2.54 GHz, are used.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass RF Plasmen mit Leistungen von 1 W bis 100 W oder Mikrowellenplasmen mit 100 W bis 1500 W bei Gasflussraten von 1 bis 100 sccm gezündet werden. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that RF plasmas are ignited with powers of 1 W to 100 W or microwave plasmas with 100 W to 1500 W at gas flow rates of 1 to 100 sccm.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffoberfläche 1 ms bis 600 s, vorzugsweise 10 ms bis 1 s, besonders bevorzugt 10ms bis 100ms lang behandelt wird. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the plastic surface is treated for 1 ms to 600 s, preferably 10 ms to 1 s, more preferably 10ms to 100ms long.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass reaktive Spezies wie Radikale und Ionen für die Hochaktivierung der Oberfläche erzeugt werden, wobei die Ionen mit Spannungen von maximal 500 V beschleunigt werden. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that reactive species such as radicals and ions are generated for the high activation of the surface, wherein the ions are accelerated with voltages of at most 500 V.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoffoberflächen Polyalken-Oberflächen, vorzugsweise Polypropylen-Oberflächen fungieren. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that act as plastic surfaces polyalkene surfaces, preferably polypropylene surfaces.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Plasma- Gas Argon oder ein Argon/Sauerstoff-Gemisch oder ein Argon/Luftgemisch verwendet wird. 7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that is used as the plasma gas argon or an argon / oxygen mixture or an argon / air mixture.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma-Gas zusätzlich Stickstoff und / oder Ammoniak enthält. 8. The method according to claim 7, characterized in that the plasma gas additionally contains nitrogen and / or ammonia.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Enzymen um Enzyme der Klasse der 9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the enzymes are enzymes of the class of
9.1. Hydro lasen,  9.1. Hydro read,
9.1.1. vorzugsweise Carboxylesterasen,  9.1.1. preferably carboxylesterases,
9.1.2. besonders bevorzugt Esterasen oder Lipasen oder  9.1.2. particularly preferred esterases or lipases or
9.2. Oxygenasen,  9.2. oxygenases
9.2.1. vorzugsweise Oxidoreduktasen,  9.2.1. preferably oxidoreductases,
9.2.2. besonders bevorzugt Monooxygenasen,  9.2.2. particularly preferred monooxygenases,
9.2.3. speziell bevorzugt Baeyer-Villiger-Monooxygenasen,  9.2.3. especially preferred Baeyer-Villiger monooxygenases,
handelt.  is.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Plasmabehandlung die Immobilisierung der Enzyme aus Lösungen mit und ohne Puffer durch Lagern in einer Enzym-Lösung für mindestens 1 min bis zu mehreren Stunden oder Tagen, vorzugsweise 8-16 Stunden mit oder ohne rühren, erfolgt. 10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that after the plasma treatment, the immobilization of the enzymes from solutions with and without buffer by storing in an enzyme solution for at least 1 min to several hours or days, preferably 8-16 Hours with or without stirring.
11. Enzym-Träger-System mit einer Kunststoffoberfläche als Träger, die mit maximaler Tiefe von 3 nm hochaktiviert wurde und eine Hydrophilierung von kleiner 30 grad für den Wasserkontaktwinkel, bevorzugt kleiner 10 grad, aufweist, erhältlich durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.. 11. Enzyme-carrier system with a plastic surface as a carrier which has been highly activated with maximum depth of 3 nm and a hydrophilization of less than 30 degrees for the water contact angle, preferably less than 10 degrees, obtainable by a method according to one of claims 1 to 10 ..
12. Enzym-Träger-System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Enzymen um Enzyme der Klasse der 12. Enzyme carrier system according to claim 11, characterized in that the enzymes are enzymes of the class of
12.1. Hydrolasen,  12.1. Hydrolases
12.1.1. vorzugsweise Carboxylesterasen,  12.1.1. preferably carboxylesterases,
12.1.2. besonders bevorzugt Esterasen oder Lipasen oder  12.1.2. particularly preferred esterases or lipases or
12.2. Oxygenasen,  12.2. oxygenases
12.2.1. vorzugsweise Oxidoreduktasen,  12.2.1. preferably oxidoreductases,
12.2.2. besonders bevorzugt Monooxygenasen,  12.2.2. particularly preferred monooxygenases,
12.2.3. speziell bevorzugt Baeyer-Villiger-Monooxygenasen,  12.2.3. especially preferred Baeyer-Villiger monooxygenases,
handelt.  is.
13. Enzym-Träger-System nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Träger in Form von Platten, Netzen, Membranen oder Pulvern vorliegen. 13. Enzyme carrier system according to claim 11 or 12, characterized in that the carriers are in the form of plates, nets, membranes or powders.
14. Enzym-Träger-System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Träger porös oder nicht porös vorliegen. 14. Enzyme carrier system according to claim 13, characterized in that the carriers are porous or non-porous.
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