DD297170A5 - PROCESS FOR FIXING LIPID LAYERS ON POLYMER TRAUGER SURFACES - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fixierung von Lipidschichten an polymeren Traegeroberflaechen. Dieses neuartige Kompositmaterial wird angewendet als biokompatible Matrix in der Medizin, in der Zell- und Gewebezuechtung, als Traegermaterial fuer die Bioaffinitaetschromatographie, bzw. fuer immunodiagnostische Verfahren und nach Enzymfixierung in Bioreaktoren zur biotechnologischen Stoffwandlung. Das Wesen der Erfindung besteht darin, Lipide kovalent ueber ihre Kopfgruppe an der Oberflaeche monodisperser Melamin/Formaldehyd-Kugeln zu binden, indem vor der Kupplung entweder die Methylolgruppen an der Traegeroberflaeche oder die Lipidkopfgruppen aktiviert werden und danach die entstandene Lipidmonolayer durch Adsorption zusaetzlichen Lipids zu einem Bischichtsystem aufzubauen.{Oberflaechenbeschichtung; Traegeroberflaeche, polymer; Lipid; Lipidschicht; Monolayer; Bilayer; Proteine, membrangebunden}The invention relates to a method for fixing lipid layers on polymeric Traegeroberflaechen. This novel composite material is used as a biocompatible matrix in medicine, in cell and tissue culture, as a carrier material for bioaffinity chromatography, or for immunodiagnostic procedures and after enzyme fixation in bioreactors for biotechnological conversion. The essence of the invention is to bind lipids covalently via their head group on the surface of monodisperse melamine / formaldehyde spheres by either the methylol groups on the Traegeroberflaeche or the lipid head groups are activated before the coupling and then the resulting lipid monolayer by adsorption of additional lipid to a Build up the bishops system {surface coating; Traegeroberflaeche, polymer; lipid; Lipid layer; Monolayers; bilayer; Proteins, membrane bound}
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fixierung von Lipidschichten an polymeren Trägeroberflächen.The invention relates to a method for fixing lipid layers on polymeric support surfaces.
An derartigen oberflächenmodifizierten Polymerpartikeln können sich membrangebundene Eiweiße in spezifischer Weise anlagern. Lipidbeschichtete Trägermaterialien sind für den Einsatz in der medizinischen Diagnostik, speziell für immunologische Verfahren geeignet, sie können als biokompatible Matrix in der Medizin und in der Zeil- und Gewebezüchtung verwendet worden und eignen sich auch als Trägermaterial für chromatographische Verfahren (HPLC und Bioaffinitätschromatographie).Membrane-bound proteins can accumulate in a specific manner on such surface-modified polymer particles. Lipid-coated carrier materials are suitable for use in medical diagnostics, especially for immunological methods, they have been used as a biocompatible matrix in medicine and in cell and tissue engineering and are also suitable as carrier material for chromatographic methods (HPLC and bioaffinity chromatography).
Nach Enzymfixierung an solcherart lipidbeschichteten Polymeroberflächen können sie in Bioreaktoren zur biotechnologischen Stoffwandlung eingesetzt werden.After enzyme fixation on such lipid-coated polymer surfaces, they can be used in bioreactors for biotechnological material conversion.
Auch als Membranmodell in der biochemischen Forschung sind lipidbeschichtete Trägermaterialien nutzbar.Lipid-coated support materials can also be used as a membrane model in biochemical research.
Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions
Bekannt sind Verfahren /1,2,3/ zur oberflächlichen, kovalenten Fixierung von Phospholipiden und Glycolipiden über ihre Kopfgruppe an Methylmethacrylatpartikel. Durch nachfolgende Lipidadsorption wurde eine Bilayerbeschichtung erreicht.Methods / 1,2,3 / for the superficial, covalent fixation of phospholipids and glycolipids via their head group to methyl methacrylate particles are known. Subsequent lipid adsorption achieved a bilayer coating.
Dieses Bilayersystem ähnelt dem Aufbau der normalen Zellmembran, es ist regenerierbar, und es können darin membrangebundene Eiweiße stabil inkorporiert werden.This bilayer system resembles the structure of the normal cell membrane, it is regenerable, and it can stably incorporated into it membrane-bound proteins.
Für den Einsatz als Träger wurden bisher nichtporöse CALLOCRYL-Partikel, mikroporöses / CRYLEX-Material und makroporöse Perlzellulose beschrieben. Als Lipide wurden Phosphatidylethanolamin und einige Glycolip Ie eingesetzt und als Spacer wurde bisher nur Pentaalanin verwendet. Die Einführung eines Spacers ist notwendig, wenn transr embrane Eiweiße incorporiert werden sollen.For use as a carrier, non-porous CALLOCRYL particles, microporous / CRYLEX material and macroporous perl cellulose have been described. As lipids phosphatidylethanolamine and some Glycolip Ie were used and as spacer only Pentaalanin was used so far. The introduction of a spacer is necessary if trans-embrane proteins are to be incorporated.
Die Nachteile der so erhaltenen Materialien liegen in ihrer Größenheterogenität, in der geringen Resistenz gegenüber organischen Lösungsmitteln, in den hohen Herstellungskosten für Träger, Lipid und Spacer und in den extrem alkalischen Bedingungen für die Trägerderivatisierung, die zu uneinheitlichen Produkten führt.The disadvantages of the materials thus obtained are their size heterogeneity, low resistance to organic solvents, the high cost of manufacturing supports, lipid and spacer, and the extremely alkaline carrier derivatization conditions which result in non-uniform products.
Des weiteren ist die Fixierung einer Lipidmonoschicht an aminopropylmodifiziertes Kieselgel (Nucleosil-300) bekannt /4/.Furthermore, the fixation of a lipid monolayer to aminopropyl-modified silica gel (Nucleosil-300) is known / 4 /.
Allerdings erfolgt die kovalente Kupplung hier über eine zuvor in die KW-Kette des Lipids eingeführte terminate COOH-Gruppe.However, the covalent coupling takes place via a terminal COOH group previously introduced into the HC chain of the lipid.
Damit ist nur eine Monolayerbeschichtung möglich.Thus, only a monolayer coating is possible.
Ferner wurden durch Adsorption erzeugte Lipidauflagen an Polystyrol-Trägerkugeln untersucht /5/. Die Langzeitstabilität solcher adsorbierter Lipidschichten ist unbefriedigend.Furthermore, adsorption-induced lipid deposits on polystyrene carrier beads were examined / 5 /. The long-term stability of such adsorbed lipid layers is unsatisfactory.
Ferner ist bekannt /6,7,8/, Lipidschichten an planen Flächen (Glas, Glimmer, silanisiertes Glas) zu adsorbieren. Dabei bildeten sich an diesen Oberflächen zwar geordnete, regulär strukturierte Lipidmono- und Bilayer aus, jedoch waren diese Schichten empfindlich gegen mechanischen Streß und konnten durch Detergenzeinwirkung zerstört werden,It is also known / 6,7,8 / to adsorb lipid layers on flat surfaces (glass, mica, silanized glass). Although ordered, regularly structured lipid mono- and bilayers were formed on these surfaces, these layers were sensitive to mechanical stress and could be destroyed by detergency,
Literatur:Literature:
1. Rolhe, Ulrich Dissertation B (1989) MLU Halle1. Rolhe, Ulrich Dissertation B (1989) MLU Halle
2. Rothe, U. und Aurich, H. Biotechnology and applied Biochemistry 11 (1989) 18-302. Rothe, U. and Aurich, H. Biotechnology and Applied Biochemistry 11 (1989) 18-30
3. Rothe, U. und Aurich, H. Wiss. Beitrage der MLU WB 1989/32 (P38) S.40-613. Rothe, U. and Aurich, H. Wiss. Contributions of MLU WB 1989/32 (P38) pp. 40-61
4. Pidgeon, C. und Venkolaram, U. V. Analyt. Biochem. 176 (1989) S. 36-474. Pidgeon, C. and Venkolaram, U.V. Analyte. Biochem. 176 (1989) p. 36-47
6. Reuinger, G.S.; Meredith,CS.; Lau, S.H.; Kaiser, E.T.; Kezdy, F.J. Analyt. Biochem. 150 (1985) S. 131-1406. Reuinger, G.S. Meredith, CS .; Lau, S.H .; Kaiser, E.T .; Kezdy, F.J. Analyte. Biochem. 150 (1985) pp. 131-140
6. v.Tscharner.V.; McConnell.H.M.Biophys. J.36(1981)S.421-4276. v.Tscharner.V .; McConnell.H.M.Biophys. J.36 (1981) S.421-427
7. Tamm, L. K.; McConnell, H. M. Biophys. J. 36 (1985) S. 105-1137. Tamm, L.K .; McConnell, H.M. Biophys. J. 36 (1985) pp. 105-113
8. Sagiv,J.;J.Amer.Chem.Soc.102(1980)S.82-988. Sagiv, J., J.Amer.Chem.Soc.102 (1980) p.82-98
Ziel der ErfindungObject of the invention
Es ist das Ziel der Erfindung, an der Oberfläche geeigneter polymerer Materialien eine fest gebundene und dicht gepackte Lipidschicht zu erzeugen, an die durch Adsorption eine weitere Lipidschicht angelagert werden kann, so daß eine der biologischen Membran ähnliche Bilayer entsteht.It is the object of the invention to produce on the surface of suitable polymeric materials a tightly bound and densely packed lipid layer to which another lipid layer can be adsorbed so as to form a bilayer similar to the biological membrane.
-2- 297 170 Darlegung des Wesens der Erfindung-2- 297 170 Explanation of the nature of the invention
kovalente Bindung fest fixierten, monomolekularen Lipldauflage zu entwickeln, wobei die so fixierte Lipidmonoschicht durchTo develop covalent bond firmly fixed, monomolecular Lipldauflage, wherein the thus fixed lipid monolayer
danach Lipide mit Amlno-Kopfgruppen an die aktivierte Oberfläche gekuppelt werden.then lipids with Amlno head groups are coupled to the activated surface.
die zuvor an ihrer Kopfgruppe aktiviert wurden.who were previously activated on their head group.
erfindungsgemäß erhaltene Lipldschicht kann auf verschiedene Weise modifiziert werden. Durch nachträgliches Anlagern vonverschiedenen Lipiden oder Lipidgemlschen wird eine Bilayer ausgebildet, die sowohl symmetrisch als auch asymmetrischaufgebaut sein kann. Gleichfalls können hydrophile, linear gebaute Spacermoleküle mit variabler Länge im Bereich von 10-50Azwischen Trägeroberfläche und der inneren Lipidschlcht eingefügt werden.The lipid layer obtained according to the invention can be modified in various ways. By subsequent attachment of various lipids or lipid mixtures, a bilayer is formed which may be constructed both symmetrically and asymmetrically. Likewise, hydrophilic linearly-built spacer molecules of variable length in the range of 10-50A can be inserted between the support surface and the inner lipid layer.
stabil inkorporiert werden.be incorporated stably.
1. Melamln-Harz und Phosphatldylethanolamln (FMP-Aktlvlerung)1. Melamine resin and phosphate dithiol ethanol (FMP)
1 g trockenes Trägermaterial (Melamin/Formaldehyd-Latex) mit einem Partikeldurchmesser von 2,1 μιη und einer Oberflächevon ca. 2,8m2 (Lerche, K-H. und Kretschmar, G. WP DD 224 602 A1) wird in 10 ml trockenes DIV.F eingerührt. Die Suspension wirdentgast und dem gerührten Ansatz werden 0,9g (3,2 mMol) FMP zugefügt. Die Aktivierung oberflächlicher Methylolgruppen istnach Sstündigem Schütteln bei 2O0C beendet. Das aktivierte Polymermaterial wird auf einer Fritte mit DMF gewaschen und nachdem Absaugen überschüssiger Flüssigkeit in den Kopplungsansatz überführt.1 g of dry support material (melamine / formaldehyde latex) with a particle diameter of 2.1 μm and a surface area of about 2.8 m 2 (Lerche, KH and Kretschmar, G. WP DD 224 602 A1) is dissolved in 10 ml of dry DIV .F stirred. The suspension is degassed and to the stirred batch is added 0.9 g (3.2 mmol) FMP. The activation superficial methylol istnach Sstündigem shaking at 2O 0 C ended. The activated polymer material is washed on a frit with DMF and transferred to the coupling batch after aspiration of excess liquid.
(Dihexadecyl-etherlipld) enthält und 3min mit Ultraschall dispergiert wurde.(Dihexadecyl etherlipld) and was 3 minutes with ultrasound dispersed.
geschüttelt. An Hand des im Überstand bei 297 nm nachweisbaren Reaktionsprodukts Methylpyridon kann der Reaktionsverlaufphotometrisch verfolgt werden.shaken. The course of the reaction can be monitored photometrically on the basis of the reaction product methylpyridone detectable in the supernatant at 297 nm.
2. Melamln-Harz und O-Succinyl-Cardiolipln2. Melamlin resin and O-succinyl cardioliplin
15mg (10μΜοΙ) des durch Reaktion von Cardiolipin mit Succinanhydrid in Gegenwart von Dimethylaminopyridin in Pyridin hergestellten O-Succinyl-Cardiolipins werden nach Variante A in 5ml 1%iger wäßriger Oktylglucosidlösung suspendiert und durch3minütige Ultraschallbehandlung homogen dispergiert. Mit 1N HCI wird derpH 3,3 eingestellt und 10mg (50μΜοΙ) festes EDC zugefügt. Unter pH-Kontrolle wird 5min aktiviert. Danach gießt man das aktivierte Lipld in die vorbereitete Partikelsuspension (0,25g Melamin/Formaldehyd-Latex mit einem 0 = 2 pm in 5 ml 0,1 M Borax pH 8,5) und schüttelt über Nacht. Variante B nutzt die Resistenz des Trägers gegen organische Lösungsmittel aus. 15mg O-Succ-CL werden in 20ml Chloroform gelöst, und unter Rühren fügt man 0,25g Melamin/Formaldehyd-Latex sowie 0,5g Dicyclohexylcarbodiimid zu. Nach 5 Stunden ist die Reaktion beendet. Durch gründliches Waschen werden die Partikel von anhaftenden Dicyclohexylharnstoff befreit.15mg (10μΜοΙ) of prepared by reaction of cardiolipin with succinic anhydride in the presence of dimethylaminopyridine in pyridine O-succinyl-cardiolipins are suspended according to variant A in 5ml of 1% aqueous Oktylglucosidlösung and homogeneously dispersed by 3-minute ultrasound treatment. With 1N HCl the pH is adjusted to 3.3 and 10mg (50μΜοΙ) solid EDC is added. Under pH control, activate for 5 min. The activated lipid is then poured into the prepared particle suspension (0.25 g melamine / formaldehyde latex with 0 = 2 pm in 5 ml 0.1 M Borax pH 8.5) and shaken overnight. Variant B exploits the resistance of the carrier to organic solvents. 15 mg of O-Succ-CL are dissolved in 20 ml of chloroform and, while stirring, 0.25 g of melamine / formaldehyde latex and 0.5 g of dicyclohexylcarbodiimide are added. After 5 hours, the reaction is complete. Thorough washing frees the particles of adhering dicyclohexylurea.
3. Einführung unterschiedlich langer PE-(PEG)-Melamin-Spacer3. Introduction of variable length PE (PEG) melamine spacers
Die beiden endständigen OH-Gruppen von 3 verschiedenen PEG-Chargen (PEG 200,400 und 600) werden mit Succinanhydrid zum Halbester umgesetzt und die freien COOH-Gruppen in das aktive Imidazolid überführt (Ferruti, P.; Tanzi, M. C. und Vaccaroni, F. Macromol.Chem.180 [1979] S.375-382). 0,2g des PEG-200-lmidazolids (bzw. entsprechende Mengen der höheren Oligomeren) werden in 10ml trockenem Chloroform gelöst, und unter kräftigem Rühren fügt man 0,1 g Melamin/Formaldehyd-Latexpartikel zu. Die Umsetzung des Imidazolids mit oberflächlichen Amino-, bzw. rViethylolgruppen ist nach 4 h Lei 4O0C beendet. Das überschüssige, nichtreagierte PEG-Imidazolid wird mit Chloroform ausgewaschen. Anschließend wird der Träger erneut in 10ml Chloroform suspendiert und 50mg Phosphatidyl-ethanolamin aus Hühnerei, gelöst in 1 ml CHCI3 zugesetzt. Man schüttelt über Nacht, filtriert und wäscht den Träger mit Chloroform, Methanol und Wasser.The two terminal OH groups of 3 different PEG batches (PEG 200, 400 and 600) are converted to half ester with succinic anhydride and the free COOH groups are converted to the active imidazolide (Ferruti, P. Tanzi, MC and Vaccaroni, F. Macromol Chem.180 [1979] p.375-382). 0.2 g of the PEG-200 imidazolide (or equivalent amounts of the higher oligomers) are dissolved in 10 ml of dry chloroform, and with vigorous stirring to add 0.1 g of melamine / formaldehyde latex particles. The reaction of the imidazolide with superficial amino or rViethylolgruppen is complete after 4 h Lei 4O 0 C. The excess, unreacted PEG-imidazolide is washed out with chloroform. Subsequently, the carrier is resuspended in 10 ml of chloroform and 50 mg of phosphatidylethanolamine from chicken egg dissolved in 1 ml of CHCl 3 are added. It is shaken overnight, filtered and the carrier washed with chloroform, methanol and water.
4. Delipldlerungs-Rellpldlerungsverfahren für PE-Melamin-Harze4. Delphilization Rellpldlerverfahren for PE melamine resins
Die nach den Beispielen 1-3 hergestellten lipidbeschichteten Trägerpartikel können durch sukzessive Waschung mit dem 20fachem Trägervolumen Chloroform, Methanol und Wasser vom nur adsorptiv gebundenen Lipidanteil befreit werden (Delipidierung).The lipid-coated carrier particles prepared according to Examples 1-3 can be freed from the only adsorptively bound lipid portion by successive washing with the 20-fold carrier volume of chloroform, methanol and water (delipidation).
Durch Dialyse einer Suspension der delipidierten Partikeln gemeinsam mit einem beliebigen Lipid oder einem Lipidgemisch dispergiert in einem Detergenz mit hoher CMC (z. B. Oktylglucosid) gegen einen geeigneten detergenzfreien Puffer kann an die kovalent am Träger fixierte Lipidmonolayer eine zweite Lipidschicht angelagert werden (Relipidierung). Überraschenderweise gelingt die Ablösung und eine erneute Anlagerung dieser äußeren Bilayerhälfte problemlos um* wiederholt, so daß bilayerbeschichtete Partikel regenerierbar sind. Da die adsorptive Lipidanlagerung der oberen Schicht nicht von der Natur des fest gebundenen inneren Lipidanteils abhängt, lassen sich somit auf einfache Weise asymmtrisch aufgebaute Lipidschichten erzeugen.By dialyzing a suspension of the delipidated particles together with any lipid or lipid mixture dispersed in a high CMC detergent (eg octylglucoside) against a suitable detergent-free buffer, a second lipid layer can be attached to the lipid monolayer covalently attached to the carrier (relipidation). , Surprisingly, the detachment and a renewed attachment of this outer bilayer half are easily repeated *, so that bilayer-coated particles can be regenerated. Since the adsorptive lipid accumulation of the upper layer does not depend on the nature of the firmly bound inner lipid portion, it is thus possible to produce asymmetrically constructed lipid layers in a simple manner.
5. Einbau membrangebundener Proteine In die träger!Ixlerte LlplddoppelschichtMembrangebundene Proteine besitzen hydrophobe Ankerstrukturen, mit denen sie In der Biomembran verankert sind. Sie können durch Detergenzbehandlung aus der Membran herausgelöst werden. 1 mg der Isolierten Ankerform (oder d-Form) der Dipeptldytpeptidaee IV (DPP IV) wurden In 1 ml 1%iger Oktylglucosldlösung (5OmM Trls/HCI pH 7,8) aufgenommen und gemeinsam mit 5ml Trägersuspension (enthaltend 100mg des delipidierten Trägers hergestellt nach Beispiel 4) sowie 20mg Eilecithin (dispergiert in 1 ml 1%lger wäßriger Oktylglucosldlösung) In einem rotierenden Dialyseschlauch 24h gegen einen geeigneten detergenzfreien Puffer dialysiert. Nichtgebundenes Lipid und Protoin werden anschließend durch intensives Waschen der Partikel entfernt. 72% der eingesetzten Enzymaktivität war fest an der Trägoroberfläche fixiert.5. Incorporation of Membrane-Bound Proteins Into the Supported Spacer Layer Membrane-bound proteins have hydrophobic anchor structures anchoring them in the biomembrane. They can be dissolved out of the membrane by detergent treatment. 1 mg of the isolated anchor form (or d-form) of Dipeptldytpeptidaee IV (DPP IV) was taken up in 1 ml of 1% octylglucoside solution (50 mM Trls / HCl pH 7.8) and co-prepared with 5 ml of carrier suspension (containing 100 mg of the delipidated carrier Example 4) and 20 mg of egg lecithin (dispersed in 1 ml of 1% aqueous solution of octylglucoside) dialyzed in a rotating dialysis tube for 24 h against a suitable detergent-free buffer. Unbound lipid and protoin are then removed by intensive washing of the particles. 72% of the enzyme activity used was firmly fixed to the carrier surface.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DD34340390A DD297170A5 (en) | 1990-08-13 | 1990-08-13 | PROCESS FOR FIXING LIPID LAYERS ON POLYMER TRAUGER SURFACES |
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DD34340390A DD297170A5 (en) | 1990-08-13 | 1990-08-13 | PROCESS FOR FIXING LIPID LAYERS ON POLYMER TRAUGER SURFACES |
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DD (1) | DD297170A5 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10125713A1 (en) * | 2001-05-21 | 2002-11-28 | Nimbus Biotechnologie Gmbh | Preparing immobilized lipid double layers, useful e.g. for investigating membrane proteins, comprises modifying carrier surface to fix orientation of the two layers |
WO2006002616A1 (en) * | 2004-07-01 | 2006-01-12 | Surface And Interface Technologies Rosenhof Gmbh | Composite materials comprising tetraether lipids and production of said materials |
-
1990
- 1990-08-13 DD DD34340390A patent/DD297170A5/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10125713A1 (en) * | 2001-05-21 | 2002-11-28 | Nimbus Biotechnologie Gmbh | Preparing immobilized lipid double layers, useful e.g. for investigating membrane proteins, comprises modifying carrier surface to fix orientation of the two layers |
WO2006002616A1 (en) * | 2004-07-01 | 2006-01-12 | Surface And Interface Technologies Rosenhof Gmbh | Composite materials comprising tetraether lipids and production of said materials |
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