DE1620797C - Verfahren zur Herstellung einer wasserlöslichen Kolbenverbindung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer wasserunlöslichen Kollagen verbindung, die eine stabile, wäßrige Dispersion bildet, und wobei eine wäßrige Lösung einer Säure mit einem pH-Wert unter 3,0 in einem Kollagenkörper gleichmäßig verteilt und die erhaltene Masse zerkleinert wird.

Der Grundbaustein eines Kollagens ist das sögenannte Tropokollagen. Die Tropokollagenmakromoleküle bestehen aus drei Ketten von Polypeptiden, die schraubenförmig miteinander verschlungen sind und einen Durchmesser von etwa 10 bis 15 Ä sowie eine Länge von etwa 3000Ä haben. Wie sein Degradationsprodukt Gelatine ist Tropokollagen in angesäuertem Wasser vollständig löslich. Weil Tropokollagen den natürlichen Baustein bei der Herstellung von Kollagenfibrillen darstellt, wurde es in großem Umfange zur Herstellung von wiederaufgebauten, faserigen Kollagenerzeugnissen benutzt (u.a. gemäß USA.-Patentschrift 3,157,524). Den nächst höher organisierten Zustand, in dem Kollagen in diesem. Zusammenhang bekannt ist, stellen Kollagenfibrillen aus langen, dünnen Strängen aus Tausenden einzelner Tropokollageneinheiten dar. Diese Fibrillen haben Durchmesser von 100 bis 1000 Ä und variieren in der Länge; sie sind im allgemeinen V₁₀ μ lang. In.dieser Form ist das Kollagen wasserunlöslich. Diese Fibrillen fügen sich wieder zusammen bzw. sind einander zugeordnet, um mikroskopisch feine Fasern zu bilden, wie sie in natürlichen Substanzen vorkommen, in denen sie wieder zu Tausenden von Fibrillen zusammengeschlossen sind.

Das Verfahren nach der Erfindung zur Herstellung einer wasserunlöslichen Kollagenverbindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine wäßrige Lösung» mit einem pH-Wert zwischen 1,7 und 2,6 in nicht denaturiertem Kollagen verteilt wird und dabei der. pH-Wert der Masse auf 2,6 bis 3,8 eingestellt wird und die feuchte Masse so weit zerkleinert wird, daß mindestens 10 Gewichtsprozent der Teilchen eine Teilchengröße von weniger als 1 Mikron, gemessen in jeder Richtung, aufweisen.

Nach der britischen Patentschrift 915,066 wird zur Herstellung von wasserunlöslichem Kollagen nicht denaturiertes faseriges Kollagen gefroren, in feine Scheibchen einer Dicke von ungefähr 0,27 bis 0,6 mm geschnitten und dann dieses natürliche Kollagen einer Vorbehandlung in zunächst einer Lösung eines proteolytischen Enzymes und dann mit Wasserstoffperoxid unterworfen.

Dann erst werden diese. so vorbehandelten Kollagenfibrillen oder -fasern in Cyanessigsäurelösung mit einem bevorzugten pH-Wert von 2 bis 3 gequollen, um eine homogene Dispersion aus den gequollenen Fibrillen zu erhalten. Der ungequollene, nicht kollagenhaltige Anteil wird von der homogenisierten Dispersion mittels Durchpressen durch eine Folge von Filterplatten mit so kleinen Öffnungen, wie etwa 0,1mm (S. 3, Zeilen 10 bis 109) abgeschieden. Zur Größe der so erhaltenen gequollenen Kollagenfasern ist dabei ausgeführt, daß sie Durchmesser von 0,02 bis 10 μ (200 bis' 100 000 Ä) aufweisen.

Es handelt sich sonach bei diesem bekannten Verfahren um eine Herstellung von Dispersionen von unabgebauten Kollagenfasern, wobei die ursprüngliche Kollagenfibrillenstruktur nicht verändert wird.

Die Erfindung beruht dagegen darauf, daß es möglich ist, eine Zwischenform aus Kollagenfibrillen und aus Tropokollagen herzustellen, die die Eigenschaft hat, in Wasser zu Gelen gequollen werden zu können, die ihre ursprüngliche Viskosität im wesentlichen beibehalten, wenn sie eine oder mehrere Wochen stehen und die zu verschiedenen Produkten verarbeitet werden können.

Die erfmdungsgemäße ganz spezielle. Säurebehandlung in dem genannten pH-Bereich führt zu einer wasserunlöslichen ■ Kollagenverbindung, weil' in diesem pH-Bereich die Säure mit den vorhandenen Amino-Gruppen des Kollagens reagiert. Auf diese Weise bildet sich eine mikrokristalline Form von Kollagen, die eine Form eines Kollagens bisher unbekannter Art darstellt. Nur eine solche Form von Kollagen läßt sich auf kolloidale Ausmaße zerkleinern, das heißt auf Teilchenabmessungen, die in jeder Richtung ein Mikron nicht überschreiten. Die Fibrillen nach der obengenannten britischen Patentschrift dagegen haben Durchmesser von 0,2 bis 10 Mikron — gegenüber Durchmessern von 25 bis zu mehreren Hundert Ä bei den mikrokristallinen Kollagen gemäß der Erfindung —, ihre Langen aber überschreiten diese Dimensionen um ein Vielfaches.

•Die neue Form einer wasserunlöslichen Kollagenverbindung besteht aus Bündeln von Tropokollageneinheiten, die in der Länge variieren, und zwar von der Länge einer Tropokollageneinheit herab bis unter ein μ und im Durchmesser von etwa 25 A bis zu einigen Hundert Ä. Die durch die Erfindung erhältliche Kollagen verbindung enthält mindestens 10 Gewichtsprozent mikrokristalline, kolloidale Partikel, die im wesentlichen frei von Tropokollagen und Abkömmlingen davon sind und die viskositätsstabile vorteilhafte : wäßrige Gele mit niedrigen Konzentrationen in der Größenordnung von etwa 1 % bilden. :

Dies steht in scharfem Gegensatz zum Typ wäßriger Gele aus Tropokollagen und abgebauten Kollagen, wie Gelatine. Die Gele, die aus . diesen wasserlös- : liehen Substanzen bestehen, verdicken sich beim Stei hen, bilden gummiartige Massen und ihre Gebrauchs-¹ fähigkeit ist durch diesen Stabilitätsmangel stark eingeschränkt. Die wasserunlösliche Komposition nach der Erfindung bildet Gele mit wesentlich geringerem Prozentsatz von Feststoffen, wenn die wäßrige Dispersion einen pH-Wert von 2,6 bis 3,8, vorzugsweise von 3,2 hat. .

Beim Verfahren nach der Erfindung kann jedes nicht denaturierte Kollagen im natürlichen Zustand entweder in Form von Hautstücken, Eingeweidestükken oder aus anderen Quellen, vorzugsweise im getrockneten Zustand benutzt werden, wobei die Trocknung unter nicht denaturierenden Bedingungen erfolgt, mit Rücksicht auf eine einfachere Behandlung im zerkleinerten Zustand.

Es ist wesentlich, daß das Ausgangsmaterial nicht denaturiert ist. Gebrauchsfähiges Material stellen frische Kuh- und Kalbshäute, ausgesalzene Kuhhäute, feuchte Elchhäute und in der Sonne getrocknete Schweinehäute, ferner Schaf- und Ziegenhäute, wie sie gewöhnlich für die Lederherstellung verwendet werden, dar, weiterhin ist ein spezielles, technisches Hautkollagen geeignet, das aus Hautabfallen mit einer reduzierten Bakterienzahl (ca. 30 bis 625 Bakterien pro cm²) hergestellt worden ist. Gefriergetrocknete Häute sind besonders geeignet. Wenn eine Haut in einem solchen' Zustand ist, daß sie für die Benutzung in der Gerberei zur Herstellung von zufriedenstellendem Leder verwendet werden kann, so ist sie ganz allgemein brauchbar für das Verfahren nach der Erfindung. Bei der Vorbereitung von rohen Kuhhäuten für die beschriebenen Zwecke ist es natürlich wünschenswert, Haar und Fleisch zu entfernen, damit keine Verunreinigungen auftreten können, die später entfernt werden müßten.

Die Säurekonzentration variiert mit Art und Stärke der verwendeten Säure. Bei der Verwendung von Salzsäure werden optimale Ergebnisse mit einer Salzsäurelösung mit einem pH-Wert von etwa 2 erreicht. Bei Lösungen mit höheren Werten wird das erzielte Produkt nicht ganz so gut und wenn der pH-Wert unter 1,6 liegt, tritt eine Verringerung des Molekulargewichtes ein, die begleitet ist von der Bildung eines lösbaren Tropokollagens. Die gewünschten .Geleigenschaften gehen dabei verloren.

■ Die Hautsubstanz, die die Säure aufgesogen hat, wird in irgendeiner der bekannten Einrichtungen, wie Drehblatt- oder Scherblattmischer, behandelt, um mikrokristalline kolloidale Partikel zu erhalten, und zwar so lange, bis mindestens 10 Gewichtsprozent, vorzugsweise 15 bis 20 Gewichtsprozent, der Teilchen eine Teilchengröße von weniger als 1 Mikron, gemessen in jeder Richtung, aufweisen.

Beispiel

Gefriergetrocknete Kuhhaut wurde in Salzsäurelösung vom pH-Wert 2 (2 g vakuumgetrocknete Haut, 200 ml verdünnte Säure) 15 Minuten lang bei Raumtemperatur eingeweicht. Danach folgte eine 25-minütige Behandlung bei nicht höherer Temperatur als 25 "C in einem Küchenmixer. Etwa 16% des Materials waren danach auf unter 1 Mikron aufgeschlossen. Das sich ergebende Gel hatte einen pH-Wert von 3,0 und eine Viskosität von 42 90OcP. Die Viskosität wurde bei. 25° C auf einem HBT Brookfield-Viskosimeter mit TB^:Spindel gemessen (10 μ/Minute).

Bei Benutzung einer Säurelösung mit einem pH-Wert von 3 ergab sich ein Produkt mit einem pH-Wert von 5,4, das eine geringe Eindickungsneigung zeigte und mit nicht zerteilten Fasern angefüllt war. Die Viskosität betrug 480OcP. Eine stabile Dispersion ergab sich selbst dann nicht, wenn die mechanische Zerteilung verlängert wurde. Bei einem pH-Wert von 2,6 wurde eine Viskosität von 30 000 cP erhalten. Die Viskositäten der Produkte erreichten ein Maximum, wenn der pH-Wert der benutzten Säurelösungen in dem Bereich von 2,3 bis 2 lagen und fielen schnell in der Weise ab, daß - bei pH-Werten von unter 1,7 die Viskositäten wieder unter 30 000 cP lagen, worin sich der Abbau des Kollagens und die Bildung lösbarer Komponenten mit niedrigem Molekulargewicht spiegelt. Bei Benutzung einer wäßrigen Salzsäurelösung mit einem pH-Wert von 1,3 wird ein großer Teil des Hautmaterials zu Material mit sehr niedrigem Molekulargewicht abgebaut. Das Produkt hatte einen pH-Wert von 1,5 und eine Viskosität von weniger als 1000 cP.

π Die Menge des auf unter I μ aufgeschlossenen Materials kann durch Sedimentation nach Verdünnung auf eine ausreichend niedrige Konzentration gemessen werden, die es zuläßt, daß sich die schweren Teilchen absetzen können.' Beispielsweise wurde ein lpro- zentiges Gel wie oben angeführt zubereitet und mindestens um das Zehnfache verdünnt. Diese Zubereitung blieb sechs Stunden stehen. Danach wurde der Feststoffgehalt des oberen Fünftels gemessen.

Dieses Material zeigte Brown'sche Bewegung und enthielt kolloidal verteiltes Material. Eine Betrachtung mit dem Mikroskop ergab, daß diese Teilchen im we-j sentlichen alle eine Größe unter einem Mikron hat-: ten. Der Prozentsatz des auf unter einem Mikron auf-; geschlossenen Materials im ganzen Versuchsansatz konnte hieraus errechnet werden.

Die Gele nach dieser Erfindung haben die Eigenschaft, die sie von den Gelen unterscheidet, welche aus Tropokollagen und niedrigeren Abkömmlingen hergestellt werden: Sie zeigen nur ein geringes Ansteigen der Viskosität sofort nach ihrer Herstellung und danach bleiben sie tagelang stabil.

Beispielsweise zeigte ein lrjrozentiges Gel gemäß der Erfindung sofort nach seiner Herstellung eine Viskosität bei ΙΟΟμ/Minuten von etwa 360OcP, die sich in einer Stunde auf 410OcP änderte. Diese Viskosität blieb während einer Lagerdauer von sechs Tagen im wesentlichen in dieser Größe erhalten.

Bei Konzentrationen unter 0,5% sind die wäßrigen Dispersionen zu dünn, um tatsächlich als Gele betrachtet werden zu können. Ein 5prozentiges Gel des Produktes gemäß Beispiel ist extrem dickflüssig, aber es kann mit hohem Druck noch aus einer öffnung ex-.trudiert werden. Gele können mit höheren Feststoffgehalten angesetzt werden, aber ihre Behandlung wird dann schwierig. '

Die nach der Erfindung hergestellten Gele haben noch eine weitere bemerkenswerte Eigenschaft: Dire Viskosität ist abhängig von der Scherkraft, das heißt, das lprozentige Gel gemäß Beispiel zeigt eine Viskosität, die in der Größenordnung von etwa 400 000 cP bei 0,5/VMinuten bis zu 360OcP bei lOO/iMinuten lag. Dabei ergibt sich in einem Diagramm bei Auftrag solcher Werte in logarithmischem Maßstab eine Gerade. Diese Verringerung der Viskosität mit wachsender Scherkraft macht dieses Material besonders geeignet als Trägersubstanz für auf Wasser basierende Farben, um Pigmentsuspensionen ohne Verlust der Streichfähigkeit einbringen zu können. Diese Gele zeigen kein Newtonsches Fließverhalten und kaum thixotropische Erscheinungen, und zwar durch die stäbchenförmige Struktur der in ihnen dispergierten, wasserunlöslichen, mikrokristallinen, kolloidalen Teilchen. Das mikrokristalline, kolloidale Kollagen nach der

5 ■ ' ■ ·. 6 J .

Erfindung kann durch bekannte Gerbereitechniken Jedoch ist bei Anwendung von anderen Säuren als

vernetzt werden, um lederartige Produkte zu erhalten. Salzsäure, wie Schwefelsäure, Essigsäure, Bromwas-

Anstelle von Salzsäure können bei dem Verfahren serstoffsäure und Zyanessigsäure, eine besondere

auch andere Säuren benutzt werden. sorgfältige Kontrolle des ph-Wertes erforderlich.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Herstellung einer wasserunlöslichen Kollagenverbindung, wobei eine wäßrige Lösung einer Säure mit einem pH-Wert unter 3,0 in einem Kollagenkörper gleichmäßig verteilt und die erhaltene Masse zerkleinert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine wäßrige Lösung mit einem pH-Wert zwischen 1,7 und 2,6 in nicht denaturiertem Kollagen verteilt wird und dabei der pH-Wert der Masse auf 2,6 bis 3,8 eingestellt und die feuchte Masse so weit zerkleinert wird, daß mindestens 10 Gewichtsprozent der Teilchen eine Teilchengröße von weniger als 1 Mikron, gemessen in jeder Richtung, aufweisen. .