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Die Erfindung betrifft eine formgebende Struktur zur Herstellung eines langgestreckten Zellulosekörpers mit Hilfe Zellulose bildender Mikroorganismen gemäß dem Patentanspruch 1, die Verwendung einer formgebenden Struktur gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9, sowie einen entsprechend hergestellten Zellulosekörper gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Zellulose bildende Mikroorganismen bekannt. So synthetisiert z. B. das Bakterium Glukonacetobacter Xylinus (früher als Acetobacter Xylinum bezeichnet) in einer Standkultur an der Grenzschicht zwischen einem Nährmedium und der Luft reine Zellulose, die extrazellulär abgegeben wird. Die sehr langkettigen Zellulosemoleküle lagern sich zu Bändern, so genannten „Ribbons“ zusammen, wobei sich durch Wasserstoffbrückenbindungen und Wasseranlagerungen hochkristalline Strukturen ausbilden. Die Zellulose wird deshalb auch als mikrokristalline Zellulose bezeichnet. Die Bänder verfilzen miteinander und bilden makroskopisch eine feste Schicht von gel- bis knorpelartiger Konsistenz. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise langgestreckte, hohle Zellulosekörper herstellen, die als Blutgefäßersatz in den menschlichen Körper implantiert werden können.
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Aus der
WO 2008/040729 A2 ist ein Verfahren zum Herstellen eines langgestreckten Hohlkörpers aus Zellulose bekannt, bei dem die Zellulose bildenden Organismen im Innenraum einer Hohlform kultiviert werden. Die Hohlform enthält eine mit Mikroorganismen geimpfte Nährlosung und einen Kern, über den Sauerstoff zugeführt wird. Die Mikroorganismen siedeln sich an der Oberfläche des Kerns an und bilden dort Zellulose. Mit dieser Vorrichtung kann die Herstellung eines Zellulosekörpers mehrere Wochen betragen. Die Herstellungsdauer ist daher relativ lang.
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Aus der
DE 10 2006 007 412 A1 ist ein anderes Verfahren zum Herstellen eines langgestreckten Hohlkörpers aus Zellulose bekannt, bei dem die Zellulose bildenden Organismen im Innenraum einer Hohlform kultiviert werden. Die Hohlform umfasst in diesem Fall einen Glaszylinder mit seitlichen Öffnungen, durch die die Zellulose in den Innenraum des Zylinders hinein wächst. Die Wachstumsrichtung verläuft dabei im Wesentlichen quer zur Längsrichtung des Zylinders. Die Herstellungsdauer ist mit dieser Vorrichtung zwar kürzer, aber immer noch relativ lang.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Herstellungsdauer für langgestreckte Zellulosekörper weiter zu verkürzen.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patenanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, zur Herstellung eines langgestreckten Zellulosekörpers eine formgebende Struktur zu verwenden, die wenigstens einen spiralförmigen oder netzartigen Abschnitt aufweist. Der Abschnitt definiert einen Innenraum, in dem der langgestreckte Zellulosekörper wächst. Mit Hilfe einer solchen Struktur lässt sich ein wesentlich schnelleres Wachstum der Zellulose erreichen, da die effektiv nutzbare Stoffaustauschoberfläche erhöht wird.
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Unter der Bezeichnung „spiralförmig“ wird im Rahmen der Erfindung auch eine Anordnung aus mehreren ringförmigen Elementen verstanden, die z.B. über Stege miteinander verbunden sind. Eine solche Struktur kann ebenso dazu verwendet werden, einen langgestreckten Zellulosekörper herzustellen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die formgebende Struktur eine Spirale, in deren Innenraum der Zellulosekörper heranwächst. Die einzelnen Windungen der Struktur sind vorzugsweise im Abstand zueinander angeordnet.
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Im Falle einer netzartigen Struktur ist das Netz vorzugsweise zu einer Mantelfläche geformt, die einen Innenraum umgibt. Die Mantelfläche kann beispielsweise rohrförmig sein und einen runden oder ovalen Querschnitt aufweisen.
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Der spiralförmige bzw. netzartige Abschnitt besteht vorzugsweise aus einem drahtförmigen Material oder aus einem Flachband. Das drahtförmige Material kann z. B. aus einem einzelnen Drahtfilament bestehen oder aus mehreren Filamenten gebildet sein, die miteinander verdrillt, verflochten oder anderweitig verbunden sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die formgebende Struktur flexibel, wobei sie insbesondere in Richtung ihrer Längsachse gestaucht oder gedehnt werden kann. Dadurch wird das Entformen des im Innenraum der Struktur gewachsenen Zellulosekörpers wesentlich vereinfacht.
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Die erfindungsgemäße Struktur kann beispielsweise aus Stahl oder Kunststoff hergestellt sein. Das für die Struktur verwendete Material sollte insbesondere Temperaturen von mehr als 100°C aushalten, die beim Reinigen bzw. Desinfizieren des Zellulosekörpers auftreten können.
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Im Innenraum der Struktur ist vorzugsweise ein Kern angeordnet. Auf diese Weise können hohle Zellulosekörper hergestellt werden, die beispielsweise als Gefäßersatz verwendet werden können. Der Kern kann z. B. stabförmig gebildet sein.
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Der Kern erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Länge der formgebenden Struktur, kann aber auch kürzer oder länger gebildet sein.
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Um den Kern im Innenraum der formgebenden Struktur in Position zu halten, sind vorzugsweise entsprechende Haltemittel vorgesehen. Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung können beispielsweise Ringe oder Hülsen vorgesehen sein, die in einem Zwischenraum zwischen dem Kern und der äußeren Struktur angeordnet sind. Wahlweise oder zusätzlich können an den Enden der Struktur auch Haltmittel, z.B. in Form von Platten, vorgesehen sein, in denen der Kern gelagert ist. Die Haltemittel haben in diesem Fall vorzugsweise entsprechende Ausnehmungen bzw. Öffnungen als Lager.
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Um die Struktur selbst in Form zu halten, sind vorzugsweise Stützmittel vorgesehen. Die Stützmittel können z. B. einen oder mehrere Stäbe umfassen, die am Außenumfang der Struktur 1 in Längsrichtung angeordnet sind.
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Der mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Struktur hergestellte Zellulosekörper ist vorzugsweise rohrförmig. Er hat insbesondere einen im Wesentlichen kreisringförmigen Querschnitt.
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Nach dem Entformen zeigt der Zellulosekörpers an seiner äußeren Oberfläche ein Muster, das im Wesentlichen einem Negativabdruck der formgebenden Struktur entspricht. Im Falle einer spiralförmigen Struktur zeigt die Oberfläche des Zellulosekörpers beispielsweise eine spiralförmige Einprägung und im Falle einer netzartigen Struktur einen netzartigen Abdruck.
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Die erfindungsgemäße Struktur wird vorzugsweise in einem Herstellungsprozess verwendet, bei dem das Wachstum der Zellulose im Wesentlichen quer zu einer Längsrichtung der Struktur erfolgt.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische, perspektivische Darstellung einer formgebenden Struktur gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung eines Gefäßes zum Kultivieren Zellulose erzeugender Bakterien und zur Herstellung eines Hohlkörpers aus Zellulose, und
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3 ein Beispiel eines schlauchförmigen Zellulosekörpers.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer formgebenden Struktur in Form einer Spirale 1. Die Spirale 1 hat mehrere – hier etwa 30 – Windungen 2, die im Abstand zueinander angeordnet sind. Sie erstreckt sich im Wesentlichen geradlinig entlang ihrer Längsrichtung L.
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Um die Spirale 1 in einer geraden Position zu halten, sind Stützmittel 3 vorgesehen. Diese umfassen im dargestellten Ausführungsbeispiel vier Stäbe, die am Außenumfang der Struktur 1 in Längsrichtung L angeordnet sind. Je nach Bedarf könnte die Struktur 1 auch in einer gekrümmten Position gehalten werden, um einen entsprechend gekrümmten Zellulosekörper 13 herzustellen.
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Die spiralförmige Struktur 1 hat, in Längsrichtung L betrachtet, einen im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt. Der Querschnitt könnte wahlweise aber auch oval sein oder eine andere Form aufweisen.
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Im Innenraum der Struktur 1 befindet sich ein stabförmiger Kern 4, der sich im Wesentlichen über die gesamte Länge der Struktur 1 erstreckt. Der Kern 4 ist im Zentrum der Struktur 1 angeordnet und hat einen kleineren Querschnitt als der Innenquerschnitt der Struktur 1. Zwischen dem Kern 4 und den Windungen 2 verbleibt somit, in Längsrichtung L betrachtet, ein ringförmiger Spalt, in dem ein Zellulosekörper 13 heranwächst, wie er in 3 gezeigt ist.
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Der Zellulosekörper 13 kann beispielsweise mit Hilfe eines Gefäßes hergestellt werden, wie es in 2 beispielhaft dargestellt ist. Das Gefäß umfasst eine erste Kammer 11 für ein Nährmedium und eine zweite Kammer 12, in der die Zellulose bildenden Organismen, z. B. Bakterien vom Stamm Gluconacetobacter Xylinus vorliegen. Zwischen den beiden Kammern 11, 12 ist eine Membran 10 angeordnet, welche die beiden Kammern 11, 12, trennt. Die Membran ist dabei für die Organismen und die Zellulose im Wesentlichen undurchlässig, für die Nährlösung jedoch durchlässig. Die Nährlösung kann somit durch die Membran 10 hindurch auf die andere Seite der Membran (nach oben) treten und dort die Mikroorganismen versorgen.
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Die erste Kammer 11 ist vollständig mit Nährmedium gefüllt, wobei über eine Zuführung 6 ständig neues Nährmedium zufließt und über einen Abfluss 7 wieder abließt. Die Nährlösung besteht z.B. aus 20g Glukose, 5g Hefeextrakt, 5g Pepton, 2,7g Natriumphosphat und 1,15g Zitronensäure-Monohydrat, 0,5g Magnesiumsulfatheptahydrat in einem Liter Wasser und hat einen pH-Wert von etwa 6,0. Die zweite Kammer 12 wird über eine Gaszuführung 8 und einen Gasauslass 9 mit einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch versorgt. Auf diese Weise können die Reaktionsbedingungen, insbesondere die Zusammensetzung und der pH-Wert des Mediums kontrolliert werden.
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Die formgebende Struktur 1 ist im Wesentlichen horizontal, auf der Membran 10 liegend, angeordnet. Auf der Oberfläche des Nährmediums entsteht nach einiger Zeit eine Schicht aus mikrobieller Zellulose, die nach oben hin wächst. Während des Wachstums wird vom Zellulosekörper 13 neues Nährmedium aufgenommen und durch Kapillareffekte zu dessen Oberfläche transportiert, an der ständig neue Zellulose aufgebaut wird. Die Wachstumsrichtung der Zellulose verläuft dabei im Wesentlichen in vertikaler Richtung, quer zur Längsrichtung L der spiralförmigen Struktur 1.
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Die Zellulose dringt während der Wachstumsphase in den Innenraum der Struktur 1 ein und füllt diesen aus. Nach wenigen Tagen ist die Struktur 1 vollständig von Zellulose umgeben. Wenn der Wachstumsprozess abgeschlossen ist, wird der entstandene Zelluloseblock aus dem Gefäß heraus genommen und die Struktur 1 frei gelegt. Der im Innenraum der Struktur 1 befindliche Zellulosekörper 13 wird danach entformt. Zu diesem Zweck kann die Spirale 1 beispielsweise in Längsrichtung zusammengedrückt werden, so dass sich deren Querschnitt ausdehnt und öffnet. Der langgestreckte Zellulosekörper 13 wird schließlich entnommen. Außerdem wird der im Inneren des Zellulosekörpers 13 befindliche Kern 4 entfernt. Ein auf diese Weise hergestellter Zellulosekörper 13 ist beispielhaft in 3 gezeigt. In der Außenfläche des Zellulosekörpers 13 ist noch der Negativabdruck 14 der Struktur 1 zu erkennen.
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Ein Zellulosekörper 13 könnte alternativ auch in einem Gefäß ohne Membran 10 hergestellt werden. In diesem Fall kann die Struktur 1 z. B. mittels eines Trägers, der in eine Kultur aus Zellulose bildenden Mikroorganismen eintaucht, knapp oberhalb des Fluidspiegels der Kultur gehalten werden. Die in 1 dargestellte Form 1,3 kann z. B. in eine Kultur eingetaucht werden, deren Flüssigkeitsspiegel so niedrig ist, dass keine Flüssigkeit in den Innenraum der Struktur 1 eindringt. Im Laufe der Zeit entsteht auf der Kultur wiederum eine Schicht aus mikrobieller Zellulose, die nach oben hin in die darüber liegende Struktur 1 hinein wächst und diese schließlich vollständig umgibt.
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Der Zellulosekörper 13 wird nach dem Entformen vorzugsweise gereinigt und sterilisiert. Ein mit dem beschriebenen Verfahren hergestellter Zellulosekörper 13 kann beispielsweise eine Länge von 1150 mm bei einem Außendurchmesser von 6 mm aufweisen. Ein solcher Zellulosekörper 13 ist innerhalb weniger Tage herstellbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/040729 A2 [0003]
- DE 102006007412 A1 [0004]
