DE19841649A1 - Verfahren zur Herstellung und produktorientierten Verarbeitung von konzentrierten Lösungen fibrillärer Proteine in NMMNO-Monohydrat - Google Patents
Verfahren zur Herstellung und produktorientierten Verarbeitung von konzentrierten Lösungen fibrillärer Proteine in NMMNO-MonohydratInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von vorzugsweise konzentrierten Lösungen fibrillärer Proteine in N-Methylmorpholin-N-Oxid, das weniger als 1,5 Mol Wasser enthält und im folgenden als NMMNO-Monohydrat bezeichnet wird sowie deren produktorientierte Verarbeitung durch Spinn-, Gieß-, Blas- und andere Verformungsverfahren zu mono- und polyfilen Filamenten, Stapelfasern, Mikrofasern, Vliesen, Folien, Membranen, Beschichtungen, Filmen, Schlauchfolien oder zu anderen Formkörpern, die wiederum ihrerseits vielfältig genutzt werden können. Fibrilläre Proteine im Rahmen dieser Erfindung sind sowohl native Fibrillärproteine, vorzugsweise das Fibroin des Maulbeerseidenspinners bombyx mori L. sowie Spinnseidenfibroine verschiedener Radnetzspinnen als auch gentechnisch durch homologe und heterologe Expression gewonnene und durch biotechnologische Verfahren erzeugte Proteine und Proteinsequenzen mit einer naturidentischen, ähnlichen und/oder gezielt modifizierten Primärstruktur. Erfindungsgemäß nach diesem Verfahren hergestellte und verarbeitete Lösungen können die fibrillärproteine sowohl allein als auch in Kombination mit anderen, im NMMNO-Monohydrat gelösten und/oder darin fein genug dispergierten nieder- und/oder hochmolekularen anorganischen und/oder organischen Substanzen enthalten.
Description
Gegenstand der Erfindung ist ein umweltfreundliches Verfahren zur Herstellung von
vorzugsweise konzentrierten Lösungen fibrillärer Proteine in N-Methylmorpholin-N-Oxid
das weniger als 1,5 Mol Wasser enthält und im folgenden als NMMNO-Monohydrat
bezeichnet wird sowie deren vielfältige produktorientierte Verarbeitung durch Spinn-,
Gieß-, Blas- und andere Verformungsverfahren zu mono- und polyfilen Filamenten,
Stapelfasern, Mikrofasern, Vliesen, Folien, Membranen, Beschichtungen, Filmen,
Schlauchfolien oder zu anderen Formkörpern, die wiederum ihrerseits vielfältig genutzt
werden können, zum Beispiel als alleinige oder in Mischungen anwendbare Ausgangs
materialien für die Fertigung von Seilen und Taue, von Angelschnüren und Saiten für
Musikinstrumente, von Verstärkungsfasern für faserverstärkte Verbundmaterialien und
Composites, von chirurgischen Nahtmaterialien, von textilen Flächengebilden für den
Personenschutz und für Bekleidungsartikel, für die Erzeugung von Bindefasern zur
Vliesverfestigung und zur Armierung in Biokompositen und Polymerfolien, für Lebens
mittelverpackungen, für die Herstellung von Lederimitaten, von Papieren, von Filtern,
Membranen und Adsorptionsmaterialien, von Hygieneartikeln, von Kosmetikzusätzen
und von Materialien zum Wundmanagement sowie von Biomaterialien für künstliche
Haut, für Implantate und Prothesen und/oder deren Beschichtung, für das "tissue
engineering" sowie für chromatographische Trenn- und Trägermaterialien.
Fibrilläre Proteine im Rahmen dieser Erfindung sind sowohl native Fibrillärproteine, wie
unter anderem das entbastete, d. h. vom Sericin befreite Fibroin des Maulbeerseiden
spinners bombyx mori L., auch "Naturseide" oder "Edle Seide" genannt sowie die
Fibroine anderer seidenerzeugender Lebewesen, vor allem die der Spinnen,
beispielsweise die Spinnenseidenfibroine verschiedener Radnetzspinnen, als auch
gentechnisch durch homologe und heterologe Expression gewonnene und durch
biotechnologische Verfahren erzeugte Proteine und Proteinsequenzen mit einer
naturidentischen, ähnlichen und/oder gezielt modifizierten Primärstruktur.
Erfindungsgemäß nach diesem Verfahren hergestellte und verarbeitete Lösungen
können die Fibrillärproteine sowohl allein als auch in Kombination mit anderen, im
NMMNO-Monohydrat gelösten und/oder darin fein genug dispergierten nieder- und/oder
hochmolekularen anorganischen und/oder organischen Substanzen enthalten.
Natur- und Spinnenseidenfibroine sind von Arthropoden erzeugte fibrilläre Proteine, die
sich als Bausteine von Fäden durch ein außergewöhnliches, vom Menschen mit
synthetisch hergestellten Materialien bisher nicht erreichtem Eigenschaftsprofil
auszeichnen. Dies betrifft insonderheit die sehr großen Trocken- und Naßmoduli, die
hohen Zugfestigkeitswerte bei relativ großen Reißdehnungen - sowohl im trockenen als
auch im feuchten Zustand -, die auch bei niedrigen Temperaturen hohen Elastizitäts
werte, das überdurchschnittliche Energiedissipationspotential durch ein ausgeprägtes
viskoelastisches Verhalten, das gute Wasseraufnahme- und -rückhaltevermögen sowie
die reversible Superkontraktion beim Übergang vom feuchten in den trockenen Zustand
und umgekehrt. Da es sich um Proteine handelt, sind sie zudem biokompatibel,
biologisch abbaubar und recyclingfähig. Auf Grund dieses exzellenten Eigenschafts
niveaus kommt sowohl den nativen Fibroinen selbst als auch den durch rekombinante
Expression und durch biotechnologische Verfahren gewonnenen oder synthetisch
erzeugten naturidentischen, ähnlichen und/oder gezielt modifizierten Proteinen sowie
den Sequenzen dieser Primärstrukturen ein hohes Innovationspotential zu, wenn die
industrielle Herstellung solcher Fibrillärproteine in erforderlichen Mengen unter
international wettbewerbsfähigen ökonomischen Bedingungen und ihre Verarbeitung im
technischen Maßstab mit einem vertretbaren technologischen Aufwand gelingt.
Die Verarbeitung dieser speziellen fibrillären Proteine und Proteinsequenzen kann
jedoch nur über den Lösungszustand erfolgen, da sie unschmelzbar sind. Das
Auffinden eines dafür geeigneten Lösungsmittels ist mit erheblichen Schwierigkeiten
verbunden, denn bekanntermaßen ist die Löslichkeit dieser Fibroine in üblichen
Protein- und Polymerlösungsmitteln auf Grund des sehr großen Anteils an
Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den hochmolekularen Proteinmolekülen und
des damit einhergehenden hohen Kristallinitäts- und Ordnungsgrades als
bestimmendes Merkmal der übermolekularen Struktur überaus eingeschränkt.
Dennoch sind einige Lösungsmittel und Lösungsmittelsysteme in der Fach- und Patent
literatur beschrieben. Seit langem bekannt ist die Löslichkeit des entbasteten Fibroins
des Maulbeerspinners in kalten und heißen Schwefel-, Salz-, Salpeter- und Phosphor
säuren, in heißer konzentrierter Ameisensäure, in heißen Natrium- und Kaliumhydroxid
lösungen, in konzentrierten wäßrigen Zinkchloridlösungen [ZnCl2] {siehe: Zahn, H.;
Wulfhorst, B.; Steffens, M.; "Seide (Maulbeerseide) - Tussahseide" Faserstoff-Tabellen
nach Koch (1994)} sowie in konzentrierten wäßrigen Lösungen aus Zinntetrachlorid,
Nickelsalzen oder Kalziumthiocyanat [Ca(SCN)2] {siehe: Zahn, H.; Ullmann's Encyclo
pedia of Industrial Chemistry, Vol. A24, 95-106 VCH Publishers, Inc. (1993)}. Das
Naturseidenfibroin läßt sich bekanntermaßen noch in weiteren wäßrigen Salzlösungen
mit hohen Ionenstärken lösen. So beispielsweise in konzentrierten Lösungen von
Lithiumbromid [LiBr] und Lithiumiodid [Lil], von Calcium- [CaCl2] und Magnesiumchlorid
[MgCl2], von Thiocyanaten des Lithiums [LiSCN], des Natriums [NaSCN], des
Magnesiums [Mg(SCN)2] und des Zinks [Zn(SCN)2] sowie von diversen Kupfersalzen
{vgl.: Lock, R. L.; WO 93/15244}. In diesen chaotropen Lösungsmittelsystemen
unterliegen die darin gelösten nativen und künstlichen Proteine und Proteinsequenzen
molekularen Degradationsprozessen, die zum Teil erhebliche Verringerungen der
Molmasse oder den Abbau bis hin zu den molekularen Grundbausteinen der Proteine,
den Aminosäuren, zur Folge haben. Eine Verarbeitung der Proteine aus solchen
Lösungen führt folgerichtig zu Produkteigenschaften mit sehr geringem Qualitätsniveau.
LOCK schlägt nun in der Patentanmeldung WO 93/15244 vor, aus solchen
Proteinlösungen sowohl das Salz als auch das Wasser zu entfernen, um die danach
vorliegenden Proteine in Hexafluorisopropanol (HFIP), in dem sie sich vor dieser
Prozedur nicht auflösen lassen, zu lösen. Aus diesen Lösungen können dann
beispielsweise Fäden ersponnen werden. Vor allem aber beim Auflösen der Proteine in
einem der oben beschriebenen chaotropen Lösungsmittelsystemen und auch bei der
Entfernung von Wasser aus den Proteinen nach der Dialyse dieser Salzlösungen durch
Trocknungsverfahren sind hach wie vor molekulare Abbauprozesse nicht
auszuschließen. Um jedoch verspinnbare Proteinlösungen in HFIP auf diesem Wege
zu erhalten, werden vor allem zwei zusätzliche Verfahrensschritte notwendig, die den
technologischen Aufwand erhöhen.
Noch immer existiert demnach die Notwendigkeit, geeignete Lösungsmittel
beziehungsweise Lösungsmittelsysteme zu finden, die eine problemarme und
technologisch einfache Herstellung von Fibroinlösungen mit zudem günstigen
Eigenschaften in Bezug auf die Realisierbarkeit nachfolgend beabsichtigter
Verarbeitungsprozesse, wie beispielsweise die Verarbeitung solcher Lösungen zu
Filamenten und Fasern durch entsprechende Spinntechnologien, erlauben.
Ziel der Erfindung ist mithin ein technologisch einfaches und damit kostengünstiges
Verfahren zur Herstellung von vorzugsweise konzentrierten Lösungen fibrillärer
Proteine, um eine vielfältige Verarbeitung von sowohl nativen Fibrillärproteinen als auch
von gentechnisch durch homologe und heterologe Expression gewonnenen und durch
biotechnologische Verfahren erzeugte Proteine und Proteinsequenzen mit einer natur
identischen, ähnlichen und/oder gezielt modifizierten Primärstruktur zu ermöglichen.
Im Rahmen von Forschungsarbeiten zum Löslichkeitsverhalten derartiger fibrillärer
Proteine wurde überraschenderweise gefunden, daß sich solche Fibrillärproteine in
N-Methylmorpholin-N-Oxid-Monohydrat (NMMNO-MH) lösen. Bei Temperaturen im
Bereich von 75°C bis 160°C sind die Wechselwirkungen zwischen den N-Methyl
morpholin-N-Oxid-Molekülen und den Makromolekülen der fibrillären Proteine
offensichtlich so intensiv, daß eine für die Löslichkeit ausreichende Solvatation der
Proteinmoleküle durch Lösen der intra- und intermolekularen Wasserstoffbrücken, die
als stärkste Nebenvalenzwechselwirkungen wesentlich zur Ausbildung der jeweiligen
Sekundär-, Tertiär- und Quartärstrukturen in diesen Fibrillärproteinen beitragen, erreicht
wird. Ohne großen apparativen Aufwand lassen sich in NMMNO-Monohydrat mittels
Magnetrührwerk problemlos Lösungen mit einem Proteinanteil von bis zu zwei Prozent
herstellen.
Auf Grund des relativ hohen Gehaltes an Aminosäuren mit kleinen Substituenten wie
Glycin, Alanin und Serin in den Fibroinen, des daraus resultierenden sehr großen
Anteils an Wasserstoffbrückenbindungen sowohl innerhalb eines Makromoleküls als
auch zwischen den hochmolekularen Fibroinmolekülen und des damit einhergehenden
hohen Kristallinitäts- und Ordnungsgrades als bestimmendes Merkmal der
übermolekularen Struktur ist bei diesen fibrillären Proteinen die Zugänglichkeit für
Lösungsmittelmoleküle generell überaus eingeschränkt. Es hat sich daher als
vorteilhaft erwiesen, das aufzulösende Protein in Wasser, in einer 60%igen wäßrigen
NMMNO-Lösung und/oder in flüssigem Ammoniak einige Stunden vorzuquellen
und/oder diese Voraktivierung mittels eines geeigneten Enzymsystems durchzuführen.
Dies sowie der Einsatz eines Kneters als Dispergierwerkzeug unterstützen den Solvata
tionsprozeß. Erfindungsgemäß lassen sich auf diese Weise Proteinkonzentrationen in
Abhängigkeit von der Molmasse der Fibroine von 36 Masseprozent, im Falle geringer
Molmassen auch darüber hinaus, erreichen. Ein Auflösen der fibrillären Proteine im
oben angegebenen Temperaturbereich gelingt jedoch nur mit N-Methylmorpholin-N-
Oxid, das weniger als 1,5 Mol Wasser, am günstigsten 1,0 Mol Wasser, enthält. Diese
Molverhältnisse können durch Abdestillieren überschüssigen Wassers eingestellt
werden und sollten während des Solvatationsprozesses konstant bleiben. Die
Bestimmung des Wassergehaltes ist leicht an Hand des Brechungsindexes möglich.
Erfindungsgemäß nach diesem Verfahren hergestellte und verarbeitete Lösungen
können die Fibrillärproteine sowohl allein als auch in Kombination mit anderen, im
N-Methylmorpholin-N-Oxid-Monohydrat gelösten und/oder darin fein genug dispergier
ten nieder- und/oder hochmolekularen anorganischen und/oder organischen
Substanzen enthalten. So ist es beispielsweise möglich, in eine solche Proteinlösung
noch Ruß, Metalloxide, -carbide und/oder -sulfate mit geringen Korngrößen
einzuarbeiten. Zudem lassen sich Fibrillärproteine zusammen mit in NMMNO-Monohy
drat löslichen synthetischen, wie z. B. Poly(N-vinylpyrrolidon), Polyvinylalkohol oder
Polyethylenoxid, und/oder natürlichen Polymeren, wie beispielsweise Stärke oder
Cellulose (Zellstoff), auflösen. Derartige erfindungsgemäß hergestellte konzentrierte
Lösungen kann man vorzugsweise durch bekannte Naß- bzw. Trocken/Naß-
Spinnprozesse umweltfreundlich zu Mono- und Multifilamenten oder Stapelfasern
verarbeiten. Darüber hinaus sind weitere vielfältige produktorientierte
Verarbeitungsverfahren für diese erfindungsgemäß hergestellten Lösungen anwendbar,
die beispielsweise durch Scherkoagulation zu Mikrofasern und Vliesen, durch Gieß- oder
Blasverfahren zu Folien, Membranen, Beschichtungen, Filmen, Schlauchfolien
oder anderen Formkörpern führen. Diese Produkte in ihrer Gesamtheit können
wiederum ihrerseits vielfältig genutzt werden.
Nachstehend soll die Erfindung an vier Ausführungsbeispielen erläutert werden.
Die jeweils benötigte Masse (z. B. 8,4 g) kleingeschnittener entbasteter Naturseide des
Bombyx mori wird in Wasser (100 ml) dispergiert und 24 Stunden lang vorgequollen.
Nach dem Abpressen von möglichst viel Wasser maischt man die noch feuchten
Fasern mit 88,9 g der 60%igen wäßrigen N-Methylmorpholin-N-Oxid-Lösung, der man
zuvor 0,4 Masseprozent Propylgallat als Stabilisator zugesetzt hat, in einem Kneter an,
evakuiert den Knetraum mittels einer Ölpumpe und beginnt gleichzeitig mit dem
Aufheizen der temperierbaren Knetkammer. Bei einer Temperatur von 125°C wird nur
noch solange Wasser abdestilliert bis die Lösung bei 50°C einen Brechungsindex von
mindestens nD 50 = 1,4757 besitzt und ihr Wassergehalt somit 13,3 Masseprozent
bezogen auf N-Methylmorpholin-N-Oxid (53,1 g) beträgt. Die Homogenität der nun
entstehenden Proteinlösung kontrolliert man an Hand entnommener Proben unter dem
Polarisationsmikroskop. Zur Herstellung von 70 g einer 12 masseprozentigen
Fibroinlösung in N-Methylmorpholin-N-Oxid-Monohydrat beträgt die Lösezeit minde
stens 280 Minuten. Aus einer solchen Lösung können beispielsweise Monofilamente
nach der Naßspinntechnologie mittels einer Kolbenspinnapparatur hergestellt werden.
Dabei drückt man die in einem innen geläppten Stahlzylinder auf 110°C temperierte
und möglichst luftblasenfreie Fibroinlösung mit einem motorgetriebenen Kolben durch
Spinndüsen direkt in ein Fällbad, das aus einer wäßrige Lösung von Ammoniumsulfat
[400 g/l (NH4)2SO4] als Koagulationsmittel besteht. Vor der Spinndüse, die beispielswei
se einen Lochdurchmesser d von 75 µm sowie ein I/d-Verhältnis von 2 besitzt, befindet
sich noch eine aus 3 Stahlsieben bestehende Filterpackung, in der die Siebe
Maschenweiten von 300 µm, 100 µm und 30 µm aufweisen. Die so erhaltenen
Monofilamente beläßt man noch 15 Stunden im Fällbad und wäscht mehrmals
gründlich mit Wasser ehe sie im noch feuchten Zustand auf eine Spule gewickelt und
bei 40 °C in einem Umlufttrockner getrocknet werden.
8,4 g kleingeschnittene entbastete Naturseide des Bombyx mori und ebenso vorberei
teter Zellstoff (8,4 g) werden im Massenverhältnis von 1 : 1 trocken gemischt, in Wasser
dispergiert und 24 Stunden lang vorgequollen. Nach dem Abpressen von möglichst viel
Wasser maischt man die feuchten Fasern mit 278,7 g der 60%igen wäßrigen N-Methyl
morpholin-N-Oxid-Lösung, der man 0,377 Masseprozent Propylgallat als Stabilisator
zusetzte, in einem Kneter an, evakuiert den Knetraum mittels einer Ölpumpe und
beginnt gleichzeitig mit dem Aufheizen der temperierbaren Knetkammer. Bei einer
Temperatur von 110°C wird nur noch solange Wasser abdestilliert bis der Brechungs
index der Lösung nD 50 = 1,4757 beträgt. Die Homogenität der nun entstehenden
Proteinlösung mit der Zusammensetzung Fibroin/Cellulose/NMMNO/Wasser/Stabilisa
tor = 4,0/4,0/79,3/12,2/0,5 kontrolliert man an Hand entnommener Proben unter dem
Polarisationsmikroskop. Zur Herstellung von 210 g einer 8 masseprozentigen
Fibroin/Cellulose-Lösung in NMMNO-Monohydrat (NMMNO/Wasser = 86,7/13,3) beträgt
die Lösezeit mindestens 300 Minuten. Aus einer solchen Lösung lassen sich
Multifilamente beispielsweise nach der Trocken/Naß-Spinntechnologie mittels einer
Druckpumpenspinnapparatur herstellen. Dabei wird die im Vorratsgefäß auf 100°C
temperierte und möglichst luftblasenfreie Fibroin/Cellulose-Mischlösung mit der
Spinnpumpe durch eine Spinndüse, die zum Beispiel 6 Kapillarbohrungen mit
Düsenlochdurchmessern d von je 40 µm und einem I/d-Verhältnis von 1 : 1 besitzt,
gedrückt. Vor der Düse befindet sich noch eine aus 3 Stahlsieben bestehende
Filterpackung, in der die Siebe Maschenweiten von 300 µm, 100 µm und 30 µm
aufweisen. Über einen Luftspalt von 8 mm entstehen in einem 3 Meter langen Fällbad
mit Wasser als Koagulationsmedium die 6 Einzelfilamente, die sich unter Verzug im
feuchten Zustand auf eine Spule aufwickeln lassen. Man wäscht mehrmals gründlich
mit Wasser ehe sie mittels beheizbarer Walzen getrocknet werden.
7,0 g kleingeschnittene entbastete Naturseide des Bombyx mori wird in 91 g einer
60%igen wäßrigen N-Methylmorpholin-N-Oxid-Lösung dispergiert und 24 Stunden lang
durch Quellung voraktiviert. Nach dem Überführen der Maische in einen Kneter
evakuiert man den Knetraum mittels einer Ölpumpe und beginnt gleichzeitig mit dem
Aufheizen der temperierbaren Knetkammer. Bei einer Temperatur von 95°C wird nur
noch solange Wasser abdestilliert bis der Brechungsindex nD 50 = 1,4757 beträgt. Die
Homogenität der nun entstehenden Proteinlösung, die nur noch 8,4 g Wasser enthält,
kontrolliert man an Hand entnommener Proben unter dem Polarisationsmikroskop. Zur
Herstellung von 70 g einer 10 masseprozentigen Fibroinlösung in N-Methylmorpholin-
N-Oxid-Monohydrat beträgt die Lösezeit mindestens 360 Minuten. Aus einer solchen
Lösung können beispielsweise Folien bzw. Membranen erhalten werden. Dazu streicht
man eine ausreichende Menge (5 g) dieser viskosen Lösung mittels einer Rakel auf
einer sehr gut gesäuberten sowie auf 80°C vortemperierten Glasplatte aus und läßt
diese sofort vorsichtig in ein Fällbadwanne gleiten, die z. B. mit Isopropanol, gefüllt ist.
Nach einer ausreichenden Verweildauer von maximal 18 Stunden kann vorsichtig eine
Fibroinfolie von der Glasplatte entfernt werden, deren Stofftrenn- bzw.
Membraneigenschaften eine Funktion der Herstellungsparameter sind. So läßt sich
beispielsweise die Schichtdicke der Folie bzw. Membran durch die Variation der
Parameter Protein/Polymer-Konzentration in der Lösung, Spaltgröße zwischen Rakel
und Glasplatte und/oder Geschwindigkeit der Rakel beeinflussen.
8 g gemahlene entbastete Naturseide des Bombyx mori und 16 g ebenso vorbereiteter
Zellstoff werden trocken gemischt, in 252,875 g 60%iger wäßriger N-Methylmorpholin-
N-Oxid-Lösung dispergiert und 24 Stunden lang voraktiviert. Nach dem Überführen der
Maische in einen Kneter und der Zugabe von 1 g Propylgallat als Stabilisator evakuiert
man den Knetraum mittels einer Ölpumpe und beginnt gleichzeitig mit dem Aufheizen
der temperierbaren Knetkammer. Bei einer Temperatur von 95°C wird nur noch
solange Wasser abdestilliert bis der Brechungsindex nD 50 = 1,4757 beträgt. Die
Homogenität der nun entstehenden Protein/Cellulose-Mischlösung kontrolliert man an
Hand entnommener Proben unter dem Polarisationsmikroskop. Zur Herstellung von
200 g einer 12 masseprozentigen Fibroin/Cellulose-Lösung mit einem Massenverhältnis
von Protein : Cellulose von 1 : 2 in NMMNO-Monohydrat beträgt die Lösezeit mindes
tens 270 Minuten. Aus einer solchen Lösung lassen sich Schlauchfolien beispielsweise
nach der Trocken/Naß-Spinntechnologie mittels einer Druckpumpenspinnapparatur
herstellen. Dabei wird die in einem Vorratsgefäß auf 95°C temperierte und möglichst
luftblasenfreie Fibroinmischlösung mit der Spinnpumpe durch eine Ringschlitzdüse
gedrückt. Durch das Düseninnere führt man vorsichtig Luft aus einer Druckgasflasche
in die sich bildende Polymerschlauchfolie zu. Vor der Düse befindet sich noch eine aus
3 Stahlsieben bestehende Filterpackung, in der die Siebe Maschenweiten von 300 µm,
100 µm und 30 µm aufweisen. Über einen Luftspalt von 13 mm entstehen auf diese
Weise in einem 15 Meter langen Fällbad mit verdünnter wäßriger NMMNO-Lösung als
Koagulationsmedium die Schlauchfolien, die sich unter Verzug im feuchten Zustand auf
eine Spule aufwickeln lassen. Man wäscht mehrmals gründlich mit Wasser ehe die so
hergestellten Fibroin/Cellulose-Schläuche im luftgefüllten Zustand getrocknet werden.
Aus diesen Schlauchfolien lassen sich durch Aufschneiden auch flache Folien
gewinnen.
Claims (13)
1. Verfahren zur Herstellung vorzugsweise konzentrierter Lösungen fibrillärer
Proteine für die Verarbeitung zu Formkörpern, dadurch gekennzeichnet, daß die
Fibrillärproteine in N-Methylmorpholin-N-Oxid, das weniger als 1,5 Mol Wasser,
bevorzugt 1 Mol Wasser, enthält, gelöst werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die angewandte
Lösetemperatur im Bereich zwischen 75°C und 160°C, vorzugsweise jedoch
zwischen 80°C und 140°C liegt.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Lösungen
hergestellt werden, die die fibrillären Proteine mit einer Konzentration von bis zu
36 Masseprozent, im Falle von Fibrillärproteinsequenzen mit relativ niedriger
Molmasse auch darüber hinaus, enthalten.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Beschleunigung des Löseprozesses eine Voraktivierung der fibrillären Proteine
durch Quellung in dafür geeigneten Medien, vorzugsweise in Wasser, in wäßrigen
Lösungen des Lösungsmittels NMMNO-Monohydrat und/oder in flüssigem
Ammoniak und/oder durch Behandlung mit geeigneten Enzymsystemen, vorzugs
weise mit den Proteasesystemen Trypsin und Chymotypsin, durchgeführt wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gelösten
fibrillären Proteine native Fibrillärproteine, wie unter anderem das entbastete, d. h.
vom Sericin befreite Fibroin des Maulbeer-Seidenspinners bombyx mori L., auch
"Naturseide" oder "Edle Seide" genannt und/oder die Fibroine anderer seiden
erzeugender Lebewesen, vor allem die der Spinnen, beispielsweise die Spinnen
seidenfibroine aus den großen Ampullendrüsen verschiedener Radnetzspinnen
wie Nephila clavipes, Nephila senegalensis, Nephila madagascariensis,
Nephilengys cruentata (Fabricius), Micrathena schreibersi (Perty), Argiope lobata,
Araneus sericatus oder Araneus diadematus, und/oder aus diesen nativen Fibrillär
proteinen gewonnenen Proteinsequenzen und/oder auf chemisch-synthetischen
Wegen hergestellten Proteinen und/oder Proteinsequenzen mit einer
naturidentischen, ähnlichen und/oder gezielt modifizierten Primärstruktur sind.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gelösten
fibrillären Proteine gentechnisch durch homologe und heterologe Expression in
pro- und eukaryontischen Wirtsorganismen, beispielsweise auch in Pflanzenzellen
gewonnenen und durch biotechnologische Verfahren erzeugte Proteine und/oder
Proteinsequenzen mit einer naturidentischen, ähnlichen und/oder gezielt
modifizierten Primärstruktur sind.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gelösten
fibrillären Proteine Mischungen von Fibrillärproteinen mit anderen Fibrillärproteinen
und/oder mit Fibrillärproteinsequenzen mit einer naturidentischen, ähnlichen
und/oder gezielt modifizierten Primärstruktur sind und sie sowohl aus nativen
Quellen stammen und/oder auf chemisch-synthetischen Wegen hergestellt und/oder
gentechnisch gewonnen und durch biotechnologische Verfahren erzeugt worden.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den herge
stellten Lösungen neben Fibrillärproteinen und/oder Fibrillärproteinsequenzen sowie
gegebenenfalls weiteren organischen nieder- und/oder hochmolekularen Verbin
dungen noch in NMMNO-Monohydrat gelöste und/oder darin dispergierte
anorganische Substanzen, vorzugsweise Sulfate und/oder andere Salze und/oder
Silikate und/oder Ruß und/oder Oxide und/oder Nitride und/oder Carbide enthalten
sind, um beispielsweise den Löseprozeß zu beschleunigen und/oder die Lösungen
anzufärben und/oder die Anfärbbarkeit zu verbessern und/oder das Schäumen der
Lösungen zu reduzieren und/oder die Standzeit der Lösungen durch Inhibierung
enzymatischer und/oder mikrobieller Abbauprozesse zu erhöhen und/oder
antiseptische und/oder fungizide Wirkungen zu erzielen und/oder die Benetzbarkeit
von Oberflächen zu verbessern und/oder um nach der Verarbeitung der Lösungen
gewünschte Produkteigenschaften, wie z. B. Farbe und/oder Glanz und/oder
Mattigkeit und/oder elektrische Leitfähigkeit und/oder antistatisches Verhalten
und/oder sensorische Eigenschaften und/oder verbesserte Licht- und/oder höhere
Temperaturbeständigkeit und/oder poröse Strukturen und/oder beeinflußbare
Adsorptions- und/oder Desorptionseigenschaften und/oder die Nachweisbarkeit
durch und/oder die kontrastverbessernde Wirkung bei Teilchenbestrahlung
und/oder magnetische und/oder optische Eigenschaften und/oder ein spezifisches
Stofftrennvermögen und/oder verbesserte mechanische Eigenschaften zu erzielen.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die in den
hergestellten Lösungen gegebenenfalls vorhandenen niedermolekularen
organischen Substanzen vorzugsweise in NMMNO-Monohydrat gelöste oder darin
dispergierte Farbstoffe und/oder Färbereihilfsstoffe und/oder Flammschutzmittel
und/oder üblicherweise zum Schutz gegen eventuell stattfindende Polymerabbau
prozesse eingesetzte Stabilisatoren und/oder andere, die Anwendungs- und/oder
Verarbeitungsbedingungen der hergestellten Lösungen günstig beeinflussende,
wie beispielsweise Spinnpräparationen und/oder grenzflächenaktive Stoffe
und/oder die Anwendungs- und/oder Gebrauchseigenschaften der wiederum
daraus hergestellten Produkte verbessernde und/oder beeinflussende Additive, wie
z. B. Haftvermittler und/oder reaktive bi- und/oder multifunktionelle Vernetzer
und/oder Photosensibilisatoren und/oder biologisch wirksame Substanzen sind.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die in den
hergestellten Lösungen gegebenenfalls vorhandenen und mithin im NMMNO-Mono
hydrat gelösten oder darin dispergierten hochmolekularen organischen Substanzen
vorzugsweise synthetische Polymere, wie zum Beispiel Poly(N-vinylpyrrolidon),
Polyvinylalkohol oder Polyethylenoxid und/oder natürliche Polymere, wie beispiels
weise Stärke oder Cellulose (Zellstoff), sind, um thermo- und/oder quellungs
reversible Netzwerke und/oder poröse Strukturen mit Depotwirkung zu erzeugen
und/oder um gezielte Verarbeitungs- und Produkteigenschaftsmodifizierungen im
Anspruch 8 und/oder im Anspruch 9 zu befördern.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
hergestellte Lösung neben Fibrillärproteinen und/oder Fibrillärproteinsequenzen
vorzugsweise Cellulose als natürliches Polymer und gegebenenfalls Stabilisatoren,
die die beiden makromolekularen Verbindungen vor polymerabbauende oder
schädigende Prozesse schützen, und/oder andere anorganische und/oder
organische nieder- und/oder hochmolekulare Substanzen enthält, wobei das
Massenverhältnis von Protein zu Cellulose im Bereich zwischen 100 : 0 und 1 : 99
variiert werden kann.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß insonder
heit die Cellulose als zweite Polymerhauptkomponente enthaltenden konzentrierten
Fibroinlösungen in NMMNO-Monohydrat als Lösungsmittel für eine vielfältige
produktorientierte Verarbeitung eingesetzt werden, vorzugsweise auf der Basis
bekannter Naß- und Trocken/Naß- (Luftspaltgröße zwischen 1 mm und 100 mm)
Spinntechnologien, gegebenenfalls in Kombination mit Multikomponentenspinn- und/oder
Blastechnologien sowie mit Wasser, wäßrigen Salzlösungen, beispiels
weise die einiger Sulfate, Carbonate und Phosphate, diversen mono- und multi
funktionellen Alkoholen, Aceton sowie deren bi-, tri- und/oder multikomponentigen
Mischungen, z. B. Ethandiol/Aceton- oder Isopropanol/Natriumcarbonat/Wasser- oder
Ethandiol/Ammoniumsulfat/Wasser-Mischungen als Fällbadflüssigkeit zur
Herstellung von Mono- und Multifilamenten und/oder von Stapelfasern.
13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß man die in
N-Methylmorpholin-N-Oxid-Monohydrat als Lösungsmittel hergestellten, vorzugs
weise konzentrierten, fibrilläre Proteine und/oder deren Sequenzen enthaltenden
Lösungen durch Spinn-, Gieß-, Blas- oder andere Verformungstechnologien, z. B.
auf der Basis der Scherkoagulation, verarbeitet, um auf diesen Wegen beispiels
weise mono- und polyfile Filamente, Stapelfasern, Mikrofasern, Vliese, Folien,
Membranen, Beschichtungen, Filme, Schlauchfolien oder andere Formkörper zu
produzieren, die wiederum ihrerseits als alleinige oder in Mischungen anwendbare
Ausgangsmaterialien für die Fertigung von Seilen und Taue, von Angelschnüren
und Saiten für Musikinstrumente, von Verstärkungsfasern für faserverstärkte
Verbundmaterialien und Composites, von chirurgischen Nahtmaterialien, von
textilen Flächengebilden für Bekleidungsartikel und den Personenschutz, für die
Erzeugung von Bindefasern zur Vliesverfestigung und zur Armierung in
Biokompositen und Polymerfolien, für Lebensmittelverpackungen, für die
Herstellung von Lederimitaten, von Papieren, von Filtern, Membranen und
Adsorptionsmaterialien, von Hygieneartikeln, von Kosmetikzusätzen und von
Materialien zum Wundmanagement sowie von Biomaterialien für künstliche Haut,
für Implantate und Prothesen und/oder deren Beschichtung, für das "tissue
engineering" sowie für chromatographische Trenn- und Trägermaterialien
einsetzbar sind.
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DE1998141649 DE19841649A1 (de) | 1998-09-11 | 1998-09-11 | Verfahren zur Herstellung und produktorientierten Verarbeitung von konzentrierten Lösungen fibrillärer Proteine in NMMNO-Monohydrat |
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