DE102005041414A1 - Glass sponge collagen obtained by gradually corroding glass sponge basal spicule in alkaline solution; dialyzing the obtained extract and subsequently lyophilizing, useful for the production of e.g. biological material and bullets - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Glasschwammkollagen, Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung. Die aus Meeres-Glasschwämmen gewonnenen Kollagene können zur Herstellung einer Vielzahl von Biomaterialien auf der Basis von Kollagen und Siliziumdioxid genutzt werden.The The invention relates to glass sponge collagen, process for its preparation and its use. The collagens obtained from marine glass sponges can be used for Production of a variety of biomaterials based on Collagen and silica are used.
Wirbellose Tiere der Tiefsee, einschließlich Glasschwämme, weisen eine große Zahl außergewöhnlicher Skelettstrukturen auf. Verschiedene Vertreter von Glasschwämmen der Klasse Hexactinellida (Porifera) sind durch ihre Basal-Spiculen bekannt.invertebrates Animals of the deep sea, including Glass sponges, have a big one Number of exceptional Skeletal structures on. Various representatives of glass sponges of The genus Hexactinellida (Porifera) are characterized by their basal spicules known.
Hyalonema
Glasschwämme
sind wegen der verdrillten basalen Spiculen auch unter dem Namen „Glasseil-Schwamm" bekannt. Diese basalen
Wurzelbündel
verankern den Schwamm im weichen Grundsediment und können bis
zu einem Meter lang werden. Diese Art von Stängel aus Spiculen kann sich
unter dem Einfluss von Wasserströmung
biegen und krümmen
und sich auf diese Weise einfach an die Änderung der Strömungsrichtung
bzw. -stärke
anpassen.
Die Herkunft und die mögliche Rolle der organischen Matrix inmitten dieser siliziumhaltigen Skelettbildungen sind noch unbekannt. Die Untersuchung der biochemischen Zusammensetzung und der Mikrostruktur der Spiculen von Meeres-Glasschwämmen als Vertreter natürlicher strukturierter Biomaterialien ist von grundlegender wissenschaftlicher und praktischer Bedeutung. Das wirkliche Verständnis der Rolle der organischen Matrix der Hexactinellida, die strukturbildend auf die Siliziumdioxid-Mineralisierung wirkt, ist möglicherweise der Schlüssel zur Entwicklung neuer biomimetisch hergestellter siliziumhaltiger Biomaterialien für biomedizinische und technische Anwendungen.The Origin and the possible Role of the organic matrix in the midst of these skeletons containing silicon are still unknown. The investigation of the biochemical composition and the microstructure of the spicules of marine glass sponges as Representative of natural Structured biomaterials is of fundamental scientific nature and practical meaning. The real understanding of the role of the organic matrix the hexactinellida, which structurally affects the silica mineralization works, is possibly the key for the development of new biomimetic silicates Biomaterials for biomedical and technical applications.
Um die Rolle der organischen Matrix in Basal-Spiculen zu verstehen ist jedoch zuvor die Isolation derselben notwendig.Around to understand the role of the organic matrix in basal spicules However, before the isolation of the same is necessary.
Bisher basierte die übliche Technik der Desilizierung von Schwamm-Spiculen auf der Verwendung von Flusssäure (vgl. auch Uriz et al., Siliceous Spicules and Skeleton Frameworks in Sponges: Origin, Diversity, Ultrastructural Patterns, and Biological Functions, Microscopy Research and Technique 62: 279-299 (2003)). Unlängst wurde diese Methode als zu aggressiv eingeschätzt, die drastische Veränderungen der Struktur gegebenenfalls eingelagerter Proteine bewirken kann (vgl. z.B. Croce et al., Structural characterization of siliceous spicules from marine sponges, Biophysical Journal 86: 526-534 (2004)).So far based on the usual Technique of desilication of sponge spicules on use of hydrofluoric acid (See also Uriz et al., Siliceous Spicules and Skeleton Frameworks in Sponges: Origin, Diversity, Ultrastructural Patterns, and Biological Functions, Microscopy Research and Technique 62: 279-299 (2003)). Recently became This method is considered too aggressive, the drastic changes the structure of possibly stored proteins can cause (See, e.g., Croce et al., Structural characterization of siliceous spicules from marine sponges, Biophysical Journal 86: 526-534 (2004)).
Eine weitere biogene Auflösungsmethode basiert auf der Behandlung mit 0,5 M NaOH und nachfolgender Erwärmung auf 85 °C (vgl. auch Conley, D.J. An interlaboratory comparision for the measurement of biogenic silica in sediments, Marine Chemistry 63: 39-48 (1998)). Sie ist wegen der damit verbundenen Denaturierung eingelagerter Proteine ebenfalls nicht akzeptabel.A further biogenic dissolution method is based on treatment with 0.5 M NaOH and subsequent heating 85 ° C (cf. also Conley, D.J. An interlaboratory comparision for the measurement of biogenic silica in sediments, Marine Chemistry 63: 39-48 (1998)). It is stored because of the associated denaturation Proteins also not acceptable.
Kollagen wird üblicherweise aus Haut, Sehnen oder anderen Teilen von Tieren (Rind, Schwein, Geflügel) gewonnen und zwar in Prozessen, die Extraktionen in Säure und/oder mittels Enzymen einschließen. Grundlegend gesprochen, beinhalten Kollagen-Präparationsmethoden die Reinigung des rohen Kollagens durch Extraktion mit verdünnten organischen Säuren, die Fällung mit Salzen, Gelierung und/oder Lyophilisierung, Filtration usw. Nach Entfernung von Bindegewebe, Fett und Verunreinigungen wird das Gewebe einer moderaten Behandlung mit proteolytischen Enzymen, wie z.B. Pepsin, unterworfen, nach der das Kollagen bei neutralem pH-Wert abgeschieden wird. Anschließend wird es wieder gelöst und verbliebene Verunreinigungen werden im sauren Milieu abgeschieden (z.B. US.6,548,077).collagen becomes common from skin, tendons or other parts of animals (bovine, swine, Poultry) obtained in processes that extractions in acid and / or by enzymes. Fundamental spoken, include collagen preparation methods the purification of crude collagen by extraction with dilute organic acids, the precipitation with salts, gelation and / or lyophilization, filtration, etc. After removal of connective tissue, fat and impurities will be the tissue of a moderate treatment with proteolytic enzymes, such as. Pepsin, after which the collagen is neutral pH is deposited. Then it is solved again and remaining Impurities are deposited in an acidic environment (e.g., U.S. 6,548,077).
Säugerkollagene
sind potentiell risikoreich, das sie Pathogene (Prionen, Viren) übertragen
können, während Kollagene
aus Meerestieren in dieser Hinsicht weniger risikoreich sind. Kollagene
werden isoliert aus Haut (vgl. japanische Patente Nr.
Bisher publizierte Vorschriften zur Isolierung von Schwammkollagen tragen Laborcharakter, beinhalten viele Schritte und sind daher schlecht für eine Maßstabsvergrößerung geeignet (s. z.B. Jungua et al., Biochemical and morphological studies on the collagen of horny sponges. Ircinia filaments compared to spongines, Connective Tissue Research 2: 193-203 (1974); Swatschek et al., Marine sponge collagen: isolation, characterization and effects on the skin parameters surface-pH, moisture and sebum, European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 53: 107-117 (2002)).So far published regulations for the isolation of sponge collagen Laboratory character, involve many steps and are therefore bad for one Scale magnification suitable (see, for example, Jungua et al., Biochemical and morphological studies on the collage of horny sponges. Ircina filaments compared to spongines, Connective Tissue Research 2: 193-203 (1974); Swatchek et al., Marine sponge collagen: isolation, characterization and effects on the skin parameters surface-pH, moisture and sebum, European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 53: 107-117 (2002)).
Travis et al., 1967, verwendete 0,3 M EDTA bei pH 7,8 und 4 °C für die Demineralisierung der Spiculen eines Meeresschwammes (Genus Scypha: Calcarea: Porifera) und Fluorwasserstoff als Gas für die Demineralisierung silikatischer Spiculen von Euplectella (Hexactinellida: Porifera) mit dem Ziel, kollagenartige Proteine zu isolieren (Travis et al., Comparative Studies of the Organic Matrices of Invertebrate Mineralized Tissues, Journal of Ultrastructure Research 18: 519-550 (1967)). Dabei wurden mittels Transmissionselektronenmikroskopie kollagenartige fibrilläre Strukturen nachgewiesen, die jedoch aufgrund mangelnder molekularbiologischer und biochemischer Methoden nicht als definierter Typ von Kollagen identifiziert werden konnten.Travis et al., 1967, used 0.3 M EDTA at pH 7.8 and 4 ° C for demineralization the spicules of a sea sponge (Genus Scypha: Calcarea: Porifera) and hydrogen fluoride as a gas for demineralization of silicic spicules of Euplectella (Hexactinellida: Porifera) with the aim of isolating collagenous proteins (Travis et al., Comparative Studies of Organic Matrices of Invertebrates Mineralized Tissues, Journal of Ultrastructure Research 18: 519-550 (1967)). They were analyzed by transmission electron microscopy collagenous fibrillar Structures detected, but due to lack of molecular biological and biochemical methods not as a defined type of collagen could be identified.
In
Ethanol konserviertes Material des Hornschwamms Chondrosia reniformis
wurde dreimal unter fließendem
Wasser gewaschen, in kleine Teile geschnitten und homogenisiert,
während
ein Tris-HCl-Puffer-Gemisch (100 mM, pH 9,5; 10 nM EDTA; 8 M Harnstoff;
10 mM 2-Mercaptoethanol)
hinzugefügt
wurde. Nach ständigem
Rühren
bei Raumtemperatur über
24 Stunden hinweg wurde der viskose Extrakt zentrifugiert. Das Pellet
wurde verworfen und Kollagen wurde aus dem Überstand durch Einstellung
des pH auf 4,0 mittels Essigsäure
ausgefällt
und durch Zentrifugation letztlich gewonnen (
Die bekannten Methoden zur Kollagengewinnung aus Meeresschwämmen sind unbefriedigend und vor allem ist für die Isolierung von Kollagen aus Glasschwämmen (Hexactinellida) noch gar keine Methode bekannt. So gibt es unzweifelhaft Bedarf nach verbesserten Verfahren zur Isolierung von Kollagen hoher Qualität, das für die Entwicklung neuartiger Biomaterialien auf der Basis von Kollagen-Siliziumdioxid verwendbar ist.The known methods for collagen extraction from marine sponges are unsatisfactory and, above all, is for the isolation of collagen made of glass sponges (Hexactinellida) no method known yet. So there is no doubt Need for improved methods for isolating collagen high Quality, that for the Development of novel biomaterials based on collagen-silica is usable.
Von besonderem Interesse sind Biomaterialien aus Siliziumdioxid-Strukturen, die durch lebende Schwämme erzeugt werden, sowie die Möglichkeiten der Ausnutzung der entsprechenden Bildungsmechanismen für die Synthese dieser bemerkenswerten Biomaterialien.From Of particular interest are biomaterials of silicon dioxide structures, by living sponges be generated, as well as the possibilities the utilization of the corresponding formation mechanisms for the synthesis of these remarkable biomaterials.
Silizium wird vielfach genutzt für die Herstellung von poly-Siloxan-haltigen Werkstoffen wie Halbleitern, Gläsern, Keramiken, Kunststoffen, optischen Fasern usw. Die Herstellung dieser Materialien erfordert üblicherweise hohe Temperaturen oder die Verwendung ätzender Substanzen.silicon is often used for the production of poly-siloxane-containing materials such as semiconductors, glasses, ceramics, Plastics, optical fibers, etc. The production of these materials usually requires high temperatures or the use of corrosive substances.
Im Gegensatz dazu läuft die biologische Produktion amorphen Siliziumdioxids vollständig unter physiologischen Bedingungen ab wobei eine Vielzahl von gut strukturierten Schalen, Dornen, Fasern und Kugeln in vielen Protista, Diatomae, Schwämmen, Weichtieren und auch höheren Pflanzen produziert werden können (See e.g. Weaver & Morse, 2003; Perry C.C & Keeling-Tucker T., Biosilification: the role of the organic matrix in structure control, Journal of Biological and Inorganic Chemistry 5: 537-550 (2000)).in the Contrast runs The biological production of amorphous silica completely under Physiological conditions starting with a variety of well-structured Shells, thorns, fibers and spheres in many protista, diatomae, sponges, Mollusks and also higher ones Plants can be produced (See E.G. Weaver & Morse, 2003; Perry C.C & Keeling-Tucker T., Biosilification: the role of the organic matrix in structure control, Journal of Biological and Inorganic Chemistry 5: 537-550 (2000)).
Gegenwärtig werden eine Reihe von biotechnologisch orientierten Versuchen unternommen, den molekularen Mechanismus der poly-Siloxan-Synthese unter physiologischen Bedingungen zu entschlüsseln, was die Aussicht auf neue, umweltverträgliche Strategien für die Synthese und Strukturierung dieser wichtigen Materialien eröffnet.Becoming present undertaken a series of biotechnologically oriented experiments the molecular mechanism of poly-siloxane synthesis under physiological Decipher conditions, what the prospect of new, environmentally sound strategies for synthesis and structuring of these important materials.
Um den Vorteil von Meeresorganismen auszunutzen, die relative große Mengen von biogenem Siliziumdioxid produzieren, haben Molekularbiologen damit begonnen, solche Gene und Proteine (mit Ausnahme von Kollagen) zu isolieren, die letztlich die Biosynthese und gegebenenfalls Nanofabrikation von Siliziumdioxid steuern können.Around exploiting the advantage of marine organisms, the relatively large quantities of biogenic silica, have molecular biologists started using such genes and proteins (except for collagen) ultimately isolating the biosynthesis and optionally nanofabrication of silicon dioxide.
Morse
et al., 2003 (
Silicatein-Filamente und ihre Untereinheiten bilden chemisch gesehen die axialen Kernstrukturen von Silizium-Spiculen bei Meeresschwämme der Klasse Demospongia: Porifera. In vitro steuern sie räumlich die Bildung von polymeren Siliziumdioxid- und Silizium-Netzwerken aus den entsprechenden Alkoxid-Substraten unter physiologischen Bedingungen. Normalerweise wären hier Säure- oder Basenkatalyse notwendig. Die Silicatein-Filamente werden aus mit Säuren und Hypochlorit gereinigten Siliziumdioxid-Spiculen des Schwammes Tethya aurantia gewonnen, indem der Schwamm in gepufferter Flusssäure gelöst wird.Silicatein filaments and their subunits chemically form the axial core structures of silicon spicules in marine sponges of the genus Demospongia: Porifera. In vitro they control spatially the formation of polymeric silica and silicon networks from the corresponding alkoxide substrates under physiological Conditions. Usually would be here acid or base catalysis necessary. The silicatein filaments are out with acids and hypochlorite purified silica spicules of sponge Tethya aurantia obtained by dissolving the sponge in buffered hydrofluoric acid.
Ähnliche
Resultate wurden durch Müller
et al. 2004 (
Nur wenige Publikationen hinsichtlich Kollagen-Siliziumdioxid-Verbunden sind bekannt. So beschreiben Coradin et al., 2002 (Coradin et al., A novel route to collagen-silica biohybrids, in: Organic/Inorganic Hybrid Materials, C. Sanchez, R.M Laine, S.Yang and C.J. Brinker, eds, Materials Research Society Symposium Proceedings 726: 79-83 (2002)) und Eglin et al., 2004 (Eglin et al., Collagen-silica hybrid materials: Sodium silicate and sodium chloride effects on type I collagen fibrillogenesis, Bio-Medical Materials and Engineering 21:1-8 (2004)) Kollagen-Siliziumdioxid-Verbünde, die auf Kollagengel-Matritzen beruhten. Sie wurden aus Rattenschwanz-Sehnen-Kollagen und Natriumsilikat durch Ko-Gelierung hergestellt. Die erhaltenen Materialien zeigten eine sehr gute Biokompatibilität, aber ihre mechanischen Eigenschaften waren der begrenzende Faktor für eine breite Nutzung.Just few publications regarding collagen-silica composites are known. Thus, Coradin et al., 2002 (Coradin et al. A novel route to collagen-silica biohybrids, in: Organic / Inorganic Hybrid Materials, C. Sanchez, R. M. Laine, S. Yang and C.J. Brinker, eds, Materials Research Society Symposium Proceedings 726: 79-83 (2002)) and Eglin et al., 2004 (Eglin et al., Collagen-silica hybrid Sodium silicate and sodium chloride effects on type I collagen fibrillogenesis, Bio-Medical Materials and Engineering 21: 1-8 (2004)) collagen-silica composites supported on collagen gel matrices were based. They were made from rat tail tendon collagen and sodium silicate produced by co-gelation. The resulting materials showed a very good biocompatibility, but their mechanical properties were the limiting factor for one wide use.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung sind deshalb Verfahren zur Isolierung von Kollagen aus Meeres-Glasschwämmen und Methoden für die biomimetische Herstellung von Kompositen und Materialien auf der Basis von Kollagen und Siliziumdioxid.task The present invention therefore provides methods of isolation collagen from marine glass sponges and methods for the biomimetic production of composites and materials on the Base of collagen and silica.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Glasschwammkollagen gelöst, das erhältlich durch langsames Ätzen von Glasschwamm-Basal-Spiculen in alkalischer Lösung, Dialyse des so erhaltenen Extraktes und anschließender Lyophylisierung.According to the invention Problem solved by a glass sponge collagen, which can be obtained by slow etching of Glass sponge basal spicules in alkaline solution, dialysis of the thus obtained Extract and subsequent Lyophilization.
Erfindungsgemäß wird das Glasschwammkollagen aus Glasschwamm-Basal-Spiculen nach folgenden Verfahrensschritten hergestellt:
- 1. Zerkleinern und Waschen von Glasschwamm-Basal-Spiculen
- 2. langsames Ätzen in alkalischer Lösung, in geschlossenen Behältnissen bei 35 bis 37°C
- 3. Dialyse zur Isolation des Glasschwammkollagens aus dem alkalischen Extrakt
- 4. Trocknen (Lyophilisierung)
- 1. Mincing and washing glass sponge basal spicules
- 2. slow etching in alkaline solution, in closed containers at 35 to 37 ° C
- 3. Dialysis to isolate the glass sponge collagen from the alkaline extract
- 4. Drying (lyophilization)
Bevorzugt sind Glasschwämme der Klasse der Hexactinellida, insbesondere der Gattungen Hyalonema sieboldi, H. affine, Monorhaphis chuni, welche sich besonders aufgrund der Größe ihrer Basal-Spiculen und deren Glassfasern von einigen Millimetern Durchmesser bis zu 3 m Länge eignen.Prefers are glass sponges of the genus Hexactinellida, in particular of the genera Hyalonema sieboldi, H. affine, Monorhaphis chuni, which is particularly due to the size of her Basal spicules and their glass fibers of a few millimeters in diameter up to 3 m in length suitable.
Als alkalische Lösung wird eine 2,5M wässrige NaOH-Lösung (pH 12) oder eine alkalische auf pH 8 eingestellte 1 %ige Natriumdodecylsulfatlösung oder eine alkalische auf pH 8 eingestellte 1 %ige Rhamnolipid-Biosurfactant-Lösung verwendet. Das alkalische NaOH dient jeweils zur Auflösung des amorphen Silikatnetzwerkes. Erfindungsgemäß wird langsam, über einen Zeitraum von mindestens 10 Tagen geätzt. Die Extraktion des Kollagens aus den vorhandenen Silikatnetzwerken wird durch die Natriumdodecylsulfat- und Rhamnolipid-Biosurfactant-Lösung zusätzlich gefördert.When alkaline solution becomes a 2.5M aqueous NaOH solution (pH 12) or an alkaline adjusted to pH 8 1% sodium dodecyl sulfate or used an alkaline pH adjusted to pH 8 1% rhamnolipid biosurfactant solution. The alkaline NaOH serves in each case to dissolve the amorphous silicate network. According to the invention is slow, over a Period of at least 10 days etched. The extraction of collagen from the existing silicate networks is determined by the sodium dodecylsulfate and rhamnolipid biosurfactant solution additionally promoted.
Im Rahmen der Dialyse werden verbliebene anorganische Reste von den extrahierten organischen Anteilen (Kollagen) getrennt.in the Dialysis dialysis remains remaining inorganic residues of the extracted organic portions (collagen) separately.
Das
erfindungsgemäße Glasschwammkollagen
hat folgende Merkmale:
Der Fibrillendurchmesser beträgt ca. 20
nm. Das Kollagen hat eine weiße
Farbe und ist resistent gegen Säure- und
Pepsinbehandlung. In leicht basischen Medien lassen sich homogene
hochkonzentrierte Kollagensuspensionen herstellen. Das Kollagen
lässt sich
leicht mit Trypsin spalten. Im Gegensatz zu Kalbshautkollagen lässt sich
das Glasschwammkollagen leicht silikatisieren.The glass sponge collagen according to the invention has the following features:
The fibril diameter is about 20 nm. The collagen has a white color and is resistant to acid and pepsin treatment. In slightly basic media homogeneous highly concentrated collagen suspensions can be prepared. The collagen is easily cleaved with trypsin. Unlike calfskin collagen leaves the glass sponge collagen silicate easily.
Zur Erfindung gehört auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Glasschwammkollagens für die Herstellung von Biomaterialien, wie Kugeln, Fasern, Stäben, Pulver, Granulaten, Scaffolds, Plättchen.to Invention belongs also the use of the glass sponge collagen according to the invention for the production of biomaterials such as spheres, fibers, rods, powders, granules, scaffolds, Tile.
Die in-vitro-Herstellung von nanostrukturierten Kompositen und Materialien, die aus Meeres-Glasschwamm-Kollagen und Siliziumdioxid bestehen, erfolgt mit folgenden Verfahrensschritten:
- 1. Lösung des Lyophilisats in alkalischer Puffer-Lösung
- 2. Mineralisation durch Mischung des gelösten Kollagens mit Silan-Lösung als Silikat-Precursor
- 3. Wachstum und Agglomeration bei Raumtemperatur
- 4. Lufttrocknung bei Raumtemperatur über einen Zeitraum von mindestens 4 Tagen
- 1. Solution of the lyophilisate in alkaline buffer solution
- 2. Mineralization by mixing the dissolved collagen with silane solution as silicate precursor
- 3. Growth and agglomeration at room temperature
- 4. Air dry at room temperature for at least 4 days
Der erste Schritt ist die Lösung des gereinigten und getrockneten Meeres-Glasschwamm-Kollagens in Tris-HCL-Pufferlösung (100mM; pH 8,5). Im Gegensatz zu anderen tierischen Kollagenen, die nur in sauren Lösungen löslich sind und unlöslich in basischen Lösungen, hat Meeres-Glasschwamm-Kollagen die bemerkenswerte Eigenschaft, in saueren Lösungen unlöslich und in basischen Lösungen löslich zu sein.Of the First step is the solution of the purified and dried marine glass sponge collagen in Tris-HCl buffer solution (100 mM; pH 8.5). Unlike other animal collagens that only in acidic solutions soluble are and insoluble in basic solutions, Marine Glass Sponge Collagen has the remarkable property in acidic solutions insoluble and in basic solutions soluble to be.
Der nächste Schritt ist die Mischung des gelösten Kollagens als organisches Templat für die Siliziumdioxid-Mineralisierung mit dem Siliziumdioxid-haltigen Substrat. Das Substrat ist vorzugsweise Tetramethoxysilan (TMOS, (Si(OCH3)4) wegen seiner Stabilität bei neutralen pH-Werten. Bei höheren pH-Werten hydrolysiert TMOS in Kieselsäure (Si(OH)4). Monomere Kieselsäuremoleküle kondensieren unter dem Einfluß der Kollagen-Mikrofibrillen zu Nanopartikeln und bilden amorphes Siliziumdioxid.The next step is to mix the dissolved collagen as an organic template for the silica mineralization with the silica-containing substrate. The substrate is preferably tetramethoxysilane (TMOS, (Si (OCH 3 ) 4 ) because of its stability at neutral pH values At higher pH values, TMOS hydrolyzes in silica (Si (OH) 4 ) Monomeric silicic acid molecules condense under the influence of collagen Microfibrils to nanoparticles and form amorphous silica.
Hydrolyse hydrolysis
Kondensation condensation
Bildung von Siliziumdioxid Nanopartikeln Formation of silica nanoparticles
Die nächsten Schritte sind das Wachstum und die Agglomeration amorpher Siliziumdioxid-Nanopatikel zu Schichten im Nanometer-maßstab, die sich entlang der und um die Kollagenfibrillen abscheiden. Dabei handelt es sich um eine nicht katalytische Selbstorganisation. Ultrastrukturanalyse dieser selbst organisierten, Kollagen-Siliziumdioxid-Komposite zeigt, dass sich amorphes Siliziumdioxid auf der Oberfläche der Kollagenfibrillen abgeschieden und „Nano-Perlenketten" gebildet hat, die sehr stark an die nanopartikulären Strukturen natürlicher Spiculen erinnern.The next Steps are the growth and agglomeration of amorphous silica nanoparticles into layers on the nanometer scale, which deposit along and around the collagen fibrils. there it is a non-catalytic self-organization. Ultrastructural analysis this self-assembled, collagen-silica composite shows that amorphous silica deposited on the surface of collagen fibrils and has formed "nano-pearl necklaces" that very strong to the nanoparticulate Structures of natural Remember spicules.
Der letzte Schritt ist eine langsame Lufttrocknung (keine schnelle Gefriertrocknung) der wie oben beschrieben gewonnenen Proben, bei der sich nach einigen Tagen ein kompaktes Material mit erhöhter Festigkeit und Elastizität (vergleichbar mit natürlichen Äquivalenten) bildet. Zur Formung von Nadeln und Scaffolds wird die Trocknung in einem entsprechend geformten Behältnis durchgeführt. Zur Herstellung von Kugeln wird die Kollagensuspension in Form eines Tropfens in die TMOS-Lösung pipettiert.Of the last step is a slow air drying (no fast freeze-drying) the samples obtained as described above, which after some A compact material with increased strength and elasticity (comparable with natural equivalents) forms. To form needles and scaffolds is the drying carried out in a suitably shaped container. to Production of balls, the collagen suspension in the form of a Drop into the TMOS solution Pipette.
Anhand beigefügter Darstellungen und Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen:Based enclosed Representations and embodiments the invention will be closer explained. Showing:
- * Datenbank: MSDB, Imperial College London (http://www.matrixscience.com)
- ** Protein-Scores größer als 61 sind signifikant (p<0.05)
- * Database: MSDB, Imperial College London (http://www.matrixscience.com)
- ** Protein scores greater than 61 are significant (p <0.05)
Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1
Herstellung von Kollagenfibrillen aus Hyalonema sieboldi Basal-Spiculenmanufacturing of collagen fibrils from Hyalonema sieboldi basal spicules
Die
Wirksamkeit dieser langsamen alkalischen Ätzung wurde durch Untersuchungen
mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) (
Die REM-Bilder nach dem langsamen Ätzprozess zeigen sehr deutlich, dass eine fibrilläre organische Matrix die Biomineralisierung hinsichtlich Struktur bzw. Morphologie bestimmt, also eine Art Templat darstellt.The SEM images after the slow etching process show very clearly that a fibrillar organic matrix is the biomineralization in terms of structure or morphology, ie a kind of template represents.
Die
Mikrofibrillen mit Durchmessern von ca. 20...30 nm liegen in Bündeln mit
einem Gesamtdurchmesser zwischen 1 μm und 5 μm vor, die leicht mittels REM
(
Die in den Plastikgefäßen enthaltene Lösung, welche nun die Extrakte der Hyalonema Spiculen, also auch fibrilläres Protein enthielt, wurde mit einer Pipette aufgenommen, in Dialyse-Membranen der Fa. Roth/Deutschland mit einer Ausschlussgrenze (MWCO) von 14 kD gegeben und 48 Stunden bei 4°C gegen entionisiertes Wasser dialysiert.The contained in the plastic containers Solution, which are now the extracts of Hyalonema spicules, so also fibrillar protein was taken with a pipette, in dialysis membranes Roth / Germany with an exclusion limit (MWCO) of 14 kD and 48 hours at 4 ° C dialyzed against deionized water.
Das durch die Dialyse gewonnene organische Material wurde im Vakuum getrocknet (Christ Lyophilisator/Deutschland), wodurch ein pulvriges, weißliches Lyophylisat erhalten wurde.The Organic material obtained by the dialysis was in a vacuum dried (Christ lyophilizer / Germany), whereby a powdery, whitish Lyophylisate was obtained.
Das Lyophilisat wurde mittels HPLC fraktioniert. Dazu diente ein Acetonitril-Gradient (0-60%) in 0,1 %iger Trifluoressigsäure. Nur ein Hauptpeak wurde beobachtet.The Lyophilisate was fractionated by HPLC. An acetonitrile gradient was used for this purpose (0-60%) in 0.1% Trifluoroacetic. Only one main peak was observed.
Die ungefähren Molmassen der Proteine im Lyophilisat wurden durch Gel-Elektrophorese (Natriumdodecylsulfat, SDS, Laemmli, Großbritannien 1970) auf 10% und 12%igen Gelplatten bestimmt. Dazu wurde ein Satz von Markern für die Molmasse (Silver stain SDS molecular standard mixtures, Sigma, USA) genutzt. Das Lyophilisat wurde in Puffer (1M Tris-HCl, pH 6.8, 2.5% SDS, 10% Glycerol, 0,0125% Bromphenolblau) gelöst, für 5 min bei 95 °C inkubiert und anschließend auf die 10% oder 12%igen SDS-Polyacrylamid-Gels gegeben. Nach der Elektrophorese (75 V über 1,5 Stunden) wurden die Gele gefärbt. Um die Proteine sichtbar zu machen wurde für das 10%ige Gel GelCode Silver SNAP Stain Kit II (Pierce, USA), für das 12%ige Coomassie Brilliant Blau R250 verwendet.The approximate Molecular weights of the proteins in the lyophilisate were determined by gel electrophoresis (Sodium dodecyl sulfate, SDS, Laemmli, Great Britain 1970) to 10% and 12% gel plates determined. This was done using a set of molecular weight markers (Silver stain SDS molecular standard mixtures, Sigma, USA). The lyophilizate was dissolved in buffer (1M Tris-HCl, pH 6.8, 2.5% SDS, 10% glycerol, 0.0125% bromophenol blue), incubated for 5 min at 95 ° C and subsequently added to the 10% or 12% SDS-polyacrylamide gels. After Electrophoresis (75 V over 1.5 hours), the gels were stained. To visualize the proteins, GelCode Silver was used for the 10% gel SNAP Stain Kit II (Pierce, USA) for the 12% Coomassie Brilliant Blue R250 used.
Um Gewissheit über die Natur der aus den Spiculen der Glasschwämme isolierten Proteine zu bekommen, wurden die mit Coomassie-Blau gefärbten Elektrophoresegele zur Bestimmung der Aminosäuresequenz durch massenspektrometrische Sequenzierungstechniken (MALDI und Finnigan LTQ) verwendet (beschrieben in: Shevchenko et al., Mass Spectrometric Sequencing of Proteins from Silver-stained Polyacrilamide Gels. Analytical Chemistry 68: 850-858 (1996)).Around Certainty about the nature of the proteins isolated from the spicules of glass sponges Coomassie blue stained electrophoresis gels were added to the Determination of the amino acid sequence by Mass spectrometric sequencing techniques (MALDI and Finnigan LTQ) (described in: Shevchenko et al., Mass Spectrometric Sequencing of Proteins from Silver-stained Polyacrilamide Gels. Analytical Chemistry 68: 850-858 (1996)).
Vier
elektrophoretische Banden wurden herausgeschnitten (
Ausführungsbeispiel 2Embodiment 2
Herstellung von Kollagenfibrillen aus Hyalonema sieboldi Basal-Spiculenmanufacturing of collagen fibrils from Hyalonema sieboldi basal spicules
Getrocknete basale Glasschwamm-Spiculen von Hyalonema sieboldi (Länge 50 cm, Durchmesser 1,5 mm) dreimal mit destilliertem Wasser gewaschen, in 2 ... 5 cm lange Stücke geschnitten und in ein 10 ml-Plastikgefäß verbracht, in dem sich 5 ml einer 1%igen Natriumdodecylsulfatlösung (SDS, eingestellt auf pH 8,0 mit 0,1M NaOH) befinden.dried basal sponge glass sponges from Hyalonema sieboldi (length 50 cm, Diameter 1.5 mm) washed three times with distilled water, in 2 ... 5 cm long pieces cut and placed in a 10 ml plastic jar containing 5 ml of a 1% sodium dodecyl sulfate solution (SDS, adjusted to pH 8.0 with 0.1M NaOH).
Alle nachfolgenden Schritte erfolgten analog zu Ausführungsbeispiel 1.All subsequent steps were carried out analogously to Embodiment 1.
Die Untersuchung des so erhaltenen Kollagens zeigt, dass sich auf diese Weise Kollagen gleicher Qualität wie in Ausführungsbeispiel 1, jedoch in größeren Mengen gewinnen lässt.The Investigation of the collagen thus obtained shows that this Way collagen of the same quality as in embodiment 1, but in larger quantities win.
Ausführungsbeispiel 3Embodiment 3
Herstellung von Kollagenfibrillen aus Hyalonema sieboldi Basal-Spiculenmanufacturing of collagen fibrils from Hyalonema sieboldi basal spicules
Getrocknete basale Glasschwamm-Spiculen von Hyalonema sieboldi (Länge 50 cm, Durchmesser 1,5 mm) werden dreimal mit destilliertem Wasser gewaschen, in 2 ... 5 cm lange Stücke geschnitten und in ein 10 ml-Plastikgefäß verbracht, in dem sich 5 ml einer 1 %igen Rhamnolipid-Biosufactant-Lösung (eingestellt auf pH 8,0 mit 0,1M NaOH) befinden. Alle nachfolgenden Schritte erfolgten analog zu Ausführungsbeispiel 1.dried basal sponge glass sponges from Hyalonema sieboldi (length 50 cm, Diameter 1.5 mm) are washed three times with distilled water, in 2 ... 5 cm long pieces cut and placed in a 10 ml plastic jar containing 5 ml of a 1% rhamnolipid biosurfactant solution (adjusted to pH 8.0 with 0.1M NaOH). All subsequent steps were carried out analogously to embodiment 1.
Die Untersuchung des so erhaltenen Kollagens zeigt, dass sich auf diese Weise Kollagen gleicher Qualität wie in Ausführungsbeispiel 2, jedoch in größeren Mengen gewinnen lässt.The Investigation of the collagen thus obtained shows that this Way collagen of the same quality as in embodiment 2, but in larger quantities win.
Ausführungsbeispiel 4Embodiment 4
Herstellung von Kollagenfibrillen aus basalen Glasschwamm-Spiculen von Hyalonema affinemanufacturing collagen fibrils from basal sponge glass sponges from Hyalonema affine
Getrocknete basale Glasschwamm-Spiculen von Hyalonema affine (Länge 50 cm, Durchmesser 1,5 mm) dreimal mit destilliertem Wasser gewaschen, in 2 ... 5 cm lange Stücke geschnitten und in ein 10 ml-Plastikgefäß verbracht, in dem sich 5 ml einer 2,5M wässrigen NaOH-Lösung oder einer 1%igen Natriumdodecylsulfatlösung (SDS, eingestellt auf pH 8,0 mit 0,1M NaOH) oder einer 1%igen Rhamnolipid-Biosurfactant-Lösung (eingestellt auf pH 8,0 mit 0,1M NaOH) befinden.dried basal glass sponge sponges of Hyalonema affine (length 50 cm, Diameter 1.5 mm) washed three times with distilled water, in 2 ... 5 cm long pieces cut and placed in a 10 ml plastic jar containing 5 ml of a 2.5M aqueous NaOH solution or a 1% sodium dodecyl sulfate solution (SDS, adjusted to pH 8.0 with 0.1M NaOH) or a 1% rhamnolipid biosurfactant solution (adjusted to pH 8.0 with 0.1M NaOH).
Alle nachfolgenden Schritte erfolgten analog zu Ausführungsbeispiel 1.All subsequent steps were carried out analogously to Embodiment 1.
Das so erhaltene Kollagen wurde analysiert. Die Analyseergebnisse zeigten, dass sich auf diese Weise Kollagen gleicher Qualität wie bei der Isolation aus Hyalonema sieboldi gewinnen lässt. Gleichermaßen unterscheiden sich auch in diesem Ausführungsbeispiel die Methoden in der Menge des isolierten Kollagens je nach verwendeter Extraktionslösung.The thus obtained collagen was analyzed. The analysis results showed that in this way collagen of the same quality as in the isolation from Hyalonema sieboldi lets win. Equally different also in this embodiment Methods in quantity of the isolated collagen depending on used Extraction solution.
Ausführungsbeispiel 5Embodiment 5
Herstellung von Kollagenfibrillen aus basalen Glasschwamm-Spiculen von Monorhaphis chuniProduction of collagen fibrils Basal glass sponge spicules from Monorhaphis chuni
Getrocknete basale Glasschwamm-Spiculen von Monorhaphis chuni (Länge 50 cm, Durchmesser 5 mm) werden dreimal mit destilliertem Wasser gewaschen, in 2 ... 5 cm lange Stücke geschnitten und in ein 10ml-Plastikgefäß verbracht, in dem sich 5 ml einer 2,5 M wässrigen NaOH-Lösung oder 1 %ige Natriumdodecylsulfatlösung (eingestellt auf pH 8,0 mit 0,1M NaOH) oder Rhamnolipid-Biosurfactant-Lösung (eingestellt auf pH 8,0 mit 0,1M NaOH) befinden.dried basal glass sponge spicules of Monorhaphis chuni (length 50 cm, Diameter 5 mm) are washed three times with distilled water, in 2 ... 5 cm long pieces cut and put in a 10ml plastic jar containing 5 ml of a 2.5 M aqueous NaOH solution or 1% sodium dodecyl sulfate solution (adjusted to pH 8.0 with 0.1M NaOH) or rhamnolipid biosurfactant solution (adjusted to pH 8.0 with 0.1M NaOH).
Um Verdampfen zu vermeiden, wurde das gefäß verschlossen und über einen Zeitraum von 14 Tagen unter leichtem Schütteln bei 35 ... 37 °C thermostatiert.Around To avoid evaporation, the tube was closed and placed over a Thermostated for 14 days with gentle shaking at 35 ... 37 ° C.
Die
Wirksamkeit dieser langsamen alkalischen Ätzung wurde durch Untersuchungen
mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) (
Die
REM-Bilder nach dem langsamen Ätzprozess
zeigen sehr deutlich, dass eine fibrilläre, igelartige organische Matrix
(
Die
Mikrofibrillen mit Durchmessern von ca. 20...30 nm können mittels
TEM (
Extrakte der Spiculen von Monorhaphis chuni, die fibrilläres Protein enthalten, wurden gegen entionisiertes Wasser dialysiert. Die Membranen (Roth/Deutschland) hatten eine Ausschlussgrenze (MWCO) von 14 kDa. Die Dialyse lief 48 Stunden bei 4 °C. Das gewonnene material wurde im Vakuum getrocknet (Christ Lyophilisator/Deutschland). (Die weitere Prozedur ist dieselbe wie in Beispiel 1 beschrieben) extracts the spicules of Monorhaphis chuni containing fibrillar protein became dialyzed against deionized water. The membranes (Roth / Germany) had an exclusion limit (MWCO) of 14 kDa. Dialysis was on 48 hours at 4 ° C. The recovered material was dried in vacuo (Christ Lyophilizer / Germany). (The further procedure is the same as described in Example 1)
Soweit wir wissen ist diese Arbeit, die erste, deren Resultate klar auf das Vorkommen von Kollagen in den Spiculen von Monorhaphis chuni hinweisen.So far we know this work, the first, the results are clear the presence of collagen in the spicules of Monorhaphis chuni clues.
Nach Ausführungsbeispiel 5 lässt sich Kollagen gleicher Qualität wie bei der Isolation aus Hyalonema sieboldi und Hyalonema affine gewinnen. Aufgrund des ca. 4-mal größeren Durchmessers ließen sich deutlich erhöhte Ausbeuten im Rahmen der Kollagen-Extraktion erzielen.To embodiment 5 leaves collagen of the same quality as in the isolation of Hyalonema sieboldi and Hyalonema affine win. Due to the approximately 4 times larger diameter could be significantly increased Achieve yields in the context of collagen extraction.
Gleichermaßen unterscheiden sich auch in diesem Ausführungsbeispiel die Methoden in der Menge des isolierten Kollagens je nach verwendetem Lösungsmittel.Equally different also in this embodiment Methods in quantity of the isolated collagen depending on used Solvent.
Ausführungsbeispiel 6Embodiment 6
Herstellung von Kollagen-Silikat-Verbundmaterialienmanufacturing of collagen-silicate composites
Kollagen
aus den Meeres-Glasschwämmen
Hyalonema sieboldi, Hyalonema affine und Monorhaphis chuni wurde
wie oben beschrieben isoliert (Beispiele 1...5). Ein Kollagen-Alliquot (0,1...100
mg Trockenmasse je ml Tris-HCl pH 8,5) wird in ein bedecktes Plastikgefäß gebracht
und in 5...10 ml Tris-HCl-Puffer (100 mM; pH 8,5) gelöst, bei
Raumtemperatur und intensivem Schütteln mittels Vortex-Genie
2 für 15
Minuten. Ein entsprechendes Alliquot (0,1...10 ml) der so gewonnenen
Kollagensuspension wird in ein Plastikgefäß, welches durch seine Form
die Geometrie des später
erhaltenen Verbundmaterials vorgibt, gegeben, das eine 0,1 ... 10 M
Tetramethoxysilanlösung
(TMOS) enthält
(ABCR GmbH, Deutschland). Nach 40...80 sec intensiven Schütteln bei
Raumtemperatur, wiederum auf dem Vortex Genie 2, wird der Inhalt
des Gefäßes hart.
Das Gefäß wird geöffnet, um
die flüchtigen
Reaktionsprodukte entweichen zu lassen. Damit beginnt der langsame
Lufttrocknungsprozess. Nach 4...5 Tagen der Lufttrocknung ist der
ursprüngliche
Durchmesser des Materials von etwa 10 auf 4...6 mm geschrumpft (
Auf
diese Weise können
Kollagen-Silikat-Verbundmaterialien nicht nur in Form von Stäben (
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