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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

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 Download PDF

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Publication number
DE102005041414A1
DE102005041414A1 DE200510041414 DE102005041414A DE102005041414A1 DE 102005041414 A1 DE102005041414 A1 DE 102005041414A1 DE 200510041414 DE200510041414 DE 200510041414 DE 102005041414 A DE102005041414 A DE 102005041414A DE 102005041414 A1 DE102005041414 A1 DE 102005041414A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
collagen
glass
basal
glass sponge
sponge
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE200510041414
Other languages
German (de)
Inventor
Hermann Ehrlich
Hartmut Prof. Worch
Carsten Eckert
Thomas Hanke
Sascha Heinemann
Heike Meissner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Dresden
Original Assignee
Technische Universitaet Dresden
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Publication date
Application filed by Technische Universitaet Dresden filed Critical Technische Universitaet Dresden
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Glass sponge collagen, obtained by gradually corroding glass sponge basal spicule in alkaline solution; dialyzing the obtained extract and subsequently lyophilizing. Independent claims are included for: (1) the preparation of the glass sponge collagen comprising crushing and washing the glass sponge of basal spicule in alkaline solution at 35-37[deg]C and gradually corroding; dialyzing to isolate the glass sponge collage and subsequently lyophilizing; and (2) a procedure for in-vitro-production of nano-structured composite and materials, which consist of sea-glass sponge collagen and silicon dioxide, comprising: lyophilizing the solution in alkaline buffer solution; mineralizing through a mixture of the solved collagen with silane solution as silicate precursor; growing and agglomerating the silicate nano particle in room temperature; and air drying the obtained product in room temperature for a period of at least 4 days.

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. 1 zeigt einen marinen Glasschwamm Hyalonema sieboldi, einen typischen Vertreter der Familie der Hyalonematidae. Vermutlich resultiert die Flexibilität dieser Spiculen aus dem Vorhandensein organischer Netzwerke.Hyalonema glass sponges are also known as "glass sponge" because of the twisted basal spicules, which anchor the sponge in the soft ground sediment and can grow up to a meter long.This type of stem of spicules can be affected by water flow bend and curve and thus easily adapt to the change in the flow direction or strength. 1 shows a marine glass sponge Hyalonema sieboldi, a typical member of the family Hyalonematidae. Presumably, the flexibility of these spicules results from the presence of organic networks.

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. JP8283665 , JP2000050811 , JP2003301144 , JP2003092997 , JP2004269478 , JP2005053847 , and WO2004035625), Schuppens (vgl. japanische Patente Nr. JP5155900 , JP5093000 , JP11266803 , JP2003023970 , JP2003327599 ) und Flossen (s. Takeshi Nagai & Nobutaka Suzuki, Isolation of collagen from fish waste material – skin, bone and fins, Food Chemistry 68(3): 277-281 (2000)) verschiedener Fischarten, sowie aus verschiedenen Meeres-Wirbellosen. (z.Bsp. US 5,714,582 , US 6,916,910 ; US .2004167318 A1 ) einschließlich Quallen (vgl. JP10084916 , JP2003321497 , JP2004099513 , US 6,894,029 ), Weichtiere (z.B. JP61000100 ; Nagai et al., Isolation and characterisation of collagen from the outer skin waste material of cuttlefish (Sepia lycidas), Food Chemistry 72(4): 425-429 (2001); Takeshi Nagai & Nobutaka Suzuki, Preparation and partial characterisation of collagen from paper nautilus (Argonauta argo, Linnaeus) outer skin, Food Chemistry 76: 149-153 (2002)), Korallen (see e.g. Tillet-Barret et al., Characterisation of heterotrimeric collagen molecules in a sea-pen (Cnidaria, Octocorallia), European Journal of Biochemistry 203: 179-184 (1992)), und Seeigel ( JP2003082152 ).Mammalian collagens are potentially risky in that they can transmit pathogens (prions, viruses), while marine collagens are less risky in this regard. Collagens are isolated from skin (see Japanese patents no. JP8283665 . JP2000050811 . JP2003301144 . JP2003092997 . JP2004269478 . JP2005053847 , WO2004035625), Schuppens (see Japanese patents no. JP5155900 . JP5093000 . JP11266803 . JP2003023970 . JP2003327599 ) and fins (see Takeshi Nagai & Nobutaka Suzuki, Isolation of collagen from fish waste material - skin, bone and fins, Food Chemistry 68 (3): 277-281 (2000)) of various fish species, as well as of various marine invertebrates. (e.g. US 5,714,582 . US 6,916,910 ; US 20042007318 A1 ) including jellyfish (cf. JP10084916 . JP2003321497 . JP2004099513 . US 6,894,029 ), Molluscs (eg JP61000100 ; Nagai et al., Isolation and characterization of collagen from the outer skin waste material of cuttlefish (Sepia lycidas), Food Chemistry 72 (4): 425-429 (2001); Takeshi Nagai & Nobutaka Suzuki, Preparation and partial characterization of collagen from paper nautilus (Argonauta argo, Linnaeus) outer skin, Food Chemistry 76: 149-153 (2002)), corals (see, eg, Tillet-Barret et al., Characterization of heterotrimeric collagen molecules in a sea pen (Cnidaria, Octocorallia), European Journal of Biochemistry 203: 179-184 (1992)), and sea urchins ( JP2003082152 ).

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 ( EP 1259120 A ).Ethanol-preserved material of the horn sponge Chondrosia reniformis was washed three times under running water, cut into small pieces and homogenized while a Tris-HCl buffer mixture (100 mM, pH 9.5, 10 nM EDTA, 8 M urea, 10 mM 2-mercaptoethanol) was added. After stirring at room temperature for 24 hours, the viscous extract was centrifuged. The pellet was discarded and collagen was precipitated from the supernatant by adjusting the pH to 4.0 with acetic acid and finally recovered by centrifugation ( EP 1259120 A ).

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 ( US 6,670,438 ) entwickelten spezielle Techniken für die Polymerisierung von Siliziumdioxid und Silizium-Netzwerken einschließlich eines Silizium Alkoxid-Substrates sowie einem Katalysator, der bei etwa neutralem pH zur Assemblierung, Hydrolyse und anschließenden Kondensation dieser Substrate führt, also strukturbildend wirkt. Ein Katalysator im Sinne dieser Erfindung ist im Allgemeinen ein Protein oder Polypeptid. Bevorzugte Proteine oder Polypeptide sind Silicatein-Filamente (aber nicht Kollagen oder Kollagen-ähnliche Proteine), Silicatein-Untereinheiten, Cystein-Homopolymere usw.Morse et al., 2003 ( US 6,670,438 ) developed special techniques for the polymerization of silicon dioxide and silicon networks including a silicon alkoxide substrate and a catalyst, which leads at about neutral pH to the assembly, hydrolysis and subsequent condensation of these substrates, that is structurally effective. A catalyst in the context of this invention is generally a protein or polypeptide. Preferred proteins or polypeptides are silicatein filaments (but not collagen or collagen-like proteins), silicatein subunits, cysteine homopolymers, etc.

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 ( EP 1 320 624 B1 ) mit rekombinantem Silicatein erzielt.Similar results were reported by Müller et al. 2004 ( EP 1 320 624 B1 ) with recombinant silicatein.

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)
According to the invention, the glass sponge collagen is produced from glass sponge basal spicules by the following process steps:
  • 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
The in-vitro production of nanostructured composites and materials consisting of marine glass sponge collagen and silicon dioxide is carried out with the following process steps:
  • 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

Figure 00070001
hydrolysis
Figure 00070001

Kondensation

Figure 00070002
condensation
Figure 00070002

Bildung von Siliziumdioxid Nanopartikeln

Figure 00080001
Formation of silica nanoparticles
Figure 00080001

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:

1 Aufnahmen eines Hyalonema sieboldi Glasschwamms (a) dessen flexible Basal-Spiculen zu einem Vollkreis gebunden werden können (b). 1 Images of a Hyalonema sieboldi glass sponge (a) whose flexible basal spicules can be bound to a full circle (b).

2 REM-Aufnahmen einer natürlichen H. sieboldi Basal-Spicule (a) und nach der Behandlung mit der Alkali-Lösung (2.5 M NaOH) (b). 2 SEM images of a natural H. sieboldi basal spicule (a) and after treatment with the alkaline solution (2.5 M NaOH) (b).

3 REM-Bild (a) und Aufnahme mit konfokaler Laser-Scanningmikroskopie (LSM) (b) einer H. sieboldi Basal-Spicule, welche mit alkalischer Lösung behandelt wurde. 3 SEM image (a) and Confocal Laser Scanning Microscopy (LSM) image (b) of H. sieboldi basal spicule treated with alkaline solution.

4 REM (a), TEM (b) und AFM (c) Bilder der Mikrofibrillen, welche nach der langsamen alkalischen Demineralisationsbehandlung der Basal-Spicule von H. sieboldi erhalten wurden. 4 REM (a), TEM (b) and AFM (c) Images of the microfibrils obtained after the slow alkaline demineralization treatment of the basal spicule of H. sieboldi.

5 Mascot Such-Resultate für das fibrilläre Protein von H. sieboldi Spicules, welches durch die alkalische Behandlung isoliert wurde.

  • * Datenbank: MSDB, Imperial College London (http://www.matrixscience.com)
  • ** Protein-Scores größer als 61 sind signifikant (p<0.05)
5 Mascot search results for the fibrillar protein of H. sieboldi spicules, which was isolated by the alkaline treatment.
  • * Database: MSDB, Imperial College London (http://www.matrixscience.com)
  • ** Protein scores greater than 61 are significant (p <0.05)

6a, b REM-Bild einer Monorhaphis chuni Basal-Spicule, welche mit alkalischer Lösung (2.5 M NaOH) behandelt wurde. Es zeigt, dass die multifibrillare organische Matrix als Templat für die Silikat-Mineralisation dient 6a , b SEM image of a Monorhaphis chuni basal spicule treated with alkaline solution (2.5 M NaOH). It shows that the multifibrillar organic matrix serves as a template for silicate mineralization

7 TEM-Bild der Mikrofibrillen, welche nach der langsamen alkalischen Demineralisationsbehandlung der Basal-Spicule von Monorhaphis chuni erhalten wurden. 7 TEM image of the microfibrils obtained after the slow alkaline demineralization treatment of the basal spicule of Monorhaphis chuni.

8 REM-Bilder: Das Bild (a) zeigt Nanopartikel aus amorphen Silikat, welche in vitro, ausgehend von einer Kieselsäurelösung, an dem zuvor aus Spiculen isolierten Kollagen abgeschieden wurden. Die beobachtenen Strukturen weisen große Ähnlichkeit mit denen natürlicher Glasschwamm-Spiculen auf (b). 8th SEM images: The image (a) shows nanoparticles of amorphous silicate, which were deposited in vitro on the previously isolated from spicules collagen from a silica solution. The observed structures are very similar to those of natural glass sponge spicules (b).

9 Biomimetisch hergestellte stabförmige Kollagen-Silikat-Verbundwerkstoffe (oben), welche den natürlichen Spiculen von Monorhaphis chuni ähneln (unten). 9 Biomimetic rod-shaped collagen-silicate composites (top) that resemble the natural spicules of Monorhaphis chuni (below).

10 Biomimetisch hergestelltes kugelförmiges Kollagen-Silikat-Verbundmaterial 10 Biomimetic spherical collagen-silicate composite material

11 Biomimetisch hergestellte Kollagen-Silikat-Scaffolds 11 Biomimetic-made collagen-silicate scaffolds

Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1

Herstellung von Kollagenfibrillen aus Hyalonema sieboldi Basal-Spiculenmanufacturing of collagen fibrils from Hyalonema sieboldi basal spicules

1b zeigt eine hoch-flexible Hyalonema sieboldi Basal-Spicule, zu einem Vollkreis gebunden. 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 2,5 M wässrigen NaOH-Lösung befinden. Um Verdampfen zu vermeiden, wurde das Gefäß verschlossen und über einen Zeitraum von 14 Tagen unter leichtem Schütteln bei 35 ... 37 °C thermostatiert. 1b shows a highly flexible Hyalonema sieboldi basal spicule, tied to a full circle. Dried basal sponge sponges from Hyalonema sieboldi (length 50 cm, diameter 1.5 mm) are washed three times with distilled water, cut into 2 to 5 cm pieces and placed in a 10 ml plastic flask containing 5 ml a 2.5 M aqueous NaOH solution. To avoid evaporation, the vessel was sealed and thermostated for a period of 14 days with gentle shaking at 35 ... 37 ° C.

Die Wirksamkeit dieser langsamen alkalischen Ätzung wurde durch Untersuchungen mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) (2a, b und 3a) und konfokaler Laser-Scanningmikroskopie (LSM) (3b) außen an verschiedenen Stellen der Spiculen und innerhalb des Querschnittes derselben überprüft.The effectiveness of this slow alkaline etching was confirmed by scanning electron microscopy (SEM) ( 2a , Federation 3a ) and Confocal Laser Scanning Microscopy (LSM) ( 3b ) outside at different points of the spicules and within the cross section of the same.

2a zeigt eine REM-Aufnahme einer natürlichen H. sieboldi Basal-Spicule. 2b zeigt eine REM-Aufnahme derselben Basal-Spiculen nach der Behandlung mit der Alkali-Lösung (2.5 M NaOH). 2a shows an SEM image of a natural H. sieboldi basal spicule. 2 B shows an SEM image of the same basal spicules after treatment with the alkali solution (2.5 M NaOH).

3a und 3b zeigen Aufnahmen einer H. sieboldi Basal-Spicule, welche mit alkalischer Lösung behandelt wurde. Das REM-Bild (3a) zeigt, dass die multifibrillare organische Matrix als Templat für die Silikat-Mineralisation dient. 3b zeigt eine Aufnahme mit einem Laser-Scanning-Mikroskop, wobei das fluoreszierende fibrilläre Netzwerk in der alkalisch behandelten H. sieboldi Basal-Spicule sichtbar ist. 3a and 3b show pictures of a H. sieboldi basal spicule, which was treated with alkaline solution. The SEM image ( 3a ) shows that the multifibrillar organic matrix serves as a template for silicate mineralization. 3b shows a photograph with a laser scanning microscope, wherein the fluorescent fibrillar network is visible in the alkaline treated H. sieboldi basal spicule.

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 (4a), TEM (Transmissionselektronenmikroskopie) (4b) sowie AFM (Atomkraftmikroskopie) (4c) sichtbar gemacht werden können.The microfibrils with diameters of about 20 ... 30 nm are present in bundles with a total diameter of between 1 μm and 5 μm, which can be easily determined by means of SEM ( 4a ), TEM (Transmission Electron Microscopy) ( 4b ) and AFM (Atomic Force Microscopy) ( 4c ) can be visualized.

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 (5) und das im Gel enthaltene Proteinmaterial mittels Trypsin herausgelöst. Dann wurde die Trypsin Protein-Mischung mit Finnigan LTQ behandelt und mit MALDI Peptide-Fingerprinting analysiert. Ein nachfolgender Vergleich der MSDB-Protein-Datenbank (MSDB, Imperial College London (http://www.matrixscience.com) führte zur Identifizierung von Kollagen alpha 1 und 2 in drei von vier Banden (hochmolekular) (5). Übereinstimmungen gibt es mit Hunde-Kollagen alpha 1, Rattenkollagen, Mauskollagen und Kollagen alpha 2 vom Rind.Four electrophoretic bands were excised ( 5 ) and the protein material contained in the gel was removed by means of trypsin. Then the trypsin protein mixture was treated with Finnigan LTQ and analyzed by MALDI peptide fingerprinting. A subsequent comparison of the MSDB Protein Database (MSDB, Imperial College London (http://www.matrixscience.com) led to the identification of collagen alpha 1 and 2 in three out of four bands (high molecular weight) ( 5 ). There are similarities with canine collagen alpha 1, rat collagen, mouse collagen and bovine collagen alpha 2.

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) (6a, b) außen an verschiedenen Stellen der Spiculen und innerhalb des Querschnittes derselben überprüft.The effectiveness of this slow alkaline etching was confirmed by scanning electron microscopy (SEM) ( 6a , b) checked on the outside at different points of the spicules and within the cross-section thereof.

Die REM-Bilder nach dem langsamen Ätzprozess zeigen sehr deutlich, dass eine fibrilläre, igelartige organische Matrix (6b) 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, egg-like organic matrix ( 6b ) determines the biomineralization in terms of structure or morphology, ie represents a kind of template.

Die Mikrofibrillen mit Durchmessern von ca. 20...30 nm können mittels TEM (7) sichtbar gemacht werden.The microfibrils with diameters of approx. 20 ... 30 nm can be analyzed by means of TEM ( 7 ) are made visible.

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 (8 oben).Collagen from the marine glass sponges Hyalonema sieboldi, Hyalonema affine and Monorhaphis chuni was isolated as described above (Examples 1 ... 5). A collagen aliquot (0.1 ... 100 mg dry matter per ml Tris-HCl pH 8.5) is placed in a plastic covered container and placed in 5 ... 10 ml Tris-HCl buffer (100 mM, pH 8, 5), at room temperature and with vigorous shaking by Vortex Genius 2 for 15 minutes. A corresponding aliquot (0.1... 10 ml) of the collagen suspension obtained in this way is placed in a plastic vessel which, by its shape, determines the geometry of the composite material obtained later, containing a 0.1 to 10 M tetramethoxysilane solution (TMOS). contains (ABCR GmbH, Germany). After 40 ... 80 sec of intensive shaking at room temperature, again on the Vortex Genie 2, the contents of the vessel become hard. The vessel is opened to allow the volatile reaction products to escape. This starts the slow air drying process. After 4 to 5 days of air drying, the original diameter of the material has shrunk from about 10 to 4 ... 6 mm ( 8th above).

Auf diese Weise können Kollagen-Silikat-Verbundmaterialien nicht nur in Form von Stäben (9 oben), sondern auch in Form von Kugeln (10), Scaffolds (11) hergestellt werden.In this way, collagen-silicate composites can not only be in the form of rods ( 9 above), but also in the form of spheres ( 10 ), Scaffolds ( 11 ) getting produced.

Claims (7)

Glasschwammkollagen, erhältlich durch langsames Ätzen von Glasschwamm-Basal-Spiculen in alkalischer Lösung, Dialyse des so erhaltenen Extraktes und anschließender Lyophilisierung.Glass sponge collagen, obtainable by slow etching of Glass Sponge basal Spiculen in alkaline solution, Dialysis of the extract thus obtained and subsequent lyophilization. Glasschwammkollagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basal-Spiculen der Glasschwämme der Klasse der Hexactinellida verwendet werden.Glass sponge collagen according to claim 1, characterized that the basal spicules the glass sponges the class of Hexactinellida be used. Verfahren zur Herstellung von Glasschwammkollagen aus Glasschwamm-Basal-Spiculen dadurch gekennzeichnet, dass zerkleinerte und gewaschene Glasschwamm-Basal-Spiculen in alkalischer Lösung, in geschlossenen Behältnissen bei 35 bis 37°C langsam geätzt werden und dass der erhaltene Extrakt zur Isolation des Glasschwammkollagens dialysiert und lyophilisiert wird.Process for producing glass sponge collagen made of glass sponge basal spicules characterized in that comminuted and washed glass sponge basal spicules in alkaline solution, in closed containers at 35 to 37 ° C etched slowly and that the extract obtained for the isolation of glass sponge collagen dialyzed and lyophilized. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Glasschwämme der der Klasse der Hexactinellida verwendet werden.Method according to claim 3, characterized that glass sponges of the class of Hexactinellida. Verwendung des Glasschwammkollagens für die Herstellung von Biomaterialien, wie Kugeln, Fasern, Stäben, Pulver, Granulaten, Scaffolds, Plättchen.Use of glass sponge collagen for manufacturing of biomaterials such as spheres, fibers, rods, powders, granules, scaffolds, Tile. Verfahren zur in-vitro-Herstellung von nanostrukturierten Kompositen und Materialien, die aus Meeres-Glasschwamm-Kollagen und Siliziumdioxid bestehen, mit folgenden Verfahrensschritten: – Lösung des Lyophilisats in alkalischer Puffer-Lösung – Mineralisation durch Mischung des gelösten Kollagens mit Silan Lösung als Silikat-Precursor – Wachstum und Agglomeration der Silikat-Nanopartikel bei Raumtemperatur – Lufttrocknung bei Raumtemperatur über einen Zeitraum von mindestens 4 TagenProcess for the in vitro production of nanostructured Composites and materials made from marine glass sponge collagen and silicon dioxide, with the following process steps: - Solution of the Lyophilisate in alkaline buffer solution - Mineralization by mixing of the solved Collagen with silane solution as a silicate precursor - Growth and agglomeration of the silicate nanoparticles at room temperature - air drying at room temperature a period of at least 4 days Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Puffer ein Tris-HCl-Puffer verwendet wird.Method according to Claim 6, characterized that a Tris-HCl buffer is used as buffer.
DE200510041414 2005-08-26 2005-08-26 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 Withdrawn DE102005041414A1 (en)

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