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Verfahren zur Herstellung von Blutplasmaersatzmitteln aus Kollagenabbauprodukten
Die Anwendung von Blutplasmaersatzmitteln ist nach wie vor von größter Bedeutung
in Fällen, in denen menschliches Blut oder Plasma in der Form von Konserven nicht
oder nicht ausreichend verfügbar ist. Ein solches Ersatzmittel muß hydrophile Kolloide
enthalten, deren Molekülgröße so eingestellt ist, daß sie mindestens 12 bis 24 Stunden
im Blutkreislauf verbleiben; der kolloidosmotische Druck muß etwa den gleichen Wert
wie der des Blutplasmas haben; das Ersatzmittel soll nach einigen Tagen aus dem
Blutkreislauf verschwunden und vollständig abgebaut oder ausgeschieden worden sein.
Weiter ist es notwendig, daß ein solches Mittel frei von fiebererregenden und antigenen
Eigenschaften und in jeder Beziehung gut verträglich ist.
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Eine Reihe von Stoffen ist als Plasmaersatzmittel vorgeschlagen worden,
z. B. tierisches Blutplasma, Gummiarabikum, Pektine, Polysaccharide, wie Dextrane
oder Laevane, künstliche Kolloide, wie Polyvinylpyrrolidon oder Polyvinylalkohol.
Über das Schicksal dieser Stoffe im menschlichen Körper und ihre Ausscheidung oder
Speicherung sowie über ihre antigene Wirkung besteht in den meisten Fällen noch
keine Klarheit, so daß sie nicht immer unbedenklich anwendbar sind.
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Es ist weiter vorgeschlagen worden, Gelatinelösungen als Plasmaersatzmittel
zu verwenden. Die Gelatine hat vor vielen anderen Blutersatzmitteln den Vorteil,
daß sie ein Protein ist, das nur geringe antigene Eigenschaften besitzt und durch
proteolytische Fermente abgebaut bzw. vom menschlichen Körper leicht ausgeschieden
werden kann. Ein Nachteil der Gelatine ist, daß ihre Lösungen bei Zimmertemperatur
gelieren können, so daß sie vor dem übertragen durch Erwärmen verflüssigt werden
müssen, und daß infolge der raschen Ausscheidung die Verweilzeit im Blutkreislauf
zu kurz ist.
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Es sind verschiedene Versuche unternommen worden, die Eigenschaften
der Gelatine zu verbessern. Durch hydrolytischen Abbau kann man eine Verringerung
der mittleren Molekülgröße erreichen, so daß auch bei Zimmertemperatur keine Gelierung
mehr auftritt. Eine derart abgebaute Gelatine wird aber noch schneller ausgeschieden
als unbehandelte Gelatine.
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Weiterhin hat man Gelatine »gehärtet« bzw. vernetzt, indem man sie
mit Aldehyden, wie Formaldehyd oder Glyoxal, behandelte und anschließend oder während
der Vernetzungsreaktion hydrolytisch oder durch Oxydation teilweise abbaute, um
von den zunächst erhaltenen hochmolekularen Produkten zu solchen mit einem niedrigeren
Molekulargewicht zu kommen. Die Endprodukte besitzen eine größere Zahl ionisierbarer
Carboxylgruppen als die Ausgangsgelatine,- wodurch deren isoelektrischer Punkt herabgesetzt
und deren Löslichkeit verbessert wird. Aber auch diese veränderten Geiatinen befriedigen
nicht hinsichtlich ihres pharmakologischen Verhaltens; teils sind sie giftig, teils
ist ihre Verweilzeit im menschlichen Körper noch ungenügend.
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Eine andere Verbesserung wurde durch die Umsetzung von Gelatine mit
Anhydriden oder Chloriden gewisser Polycarbonsäuren erreicht (vgl. die deutsche
Patentschrift 945 650). Auch dadurch entstehen Produkte mit einem verändertem Verhältnis
von freien Amino- zu Carboxylgruppen und damit erhöhter Löslichkeit und günstigeren
kolloidosmotischen Eigenschaften.
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Sie besitzen zwar eine genügend lange Verweilzeit im menschlichen
Körper; sie bewirken jedoch nicht unbedenkliche Veränderungen in der Leber und in
der Niere, die sich histomorphologisch durch Azan-, Fibrin- und Glykogenfärbung
nachweisen lassen (vgl. C z o k und Mitarbeiter, Klinische Wochenschrift, Bd. 37,
1959, S. 511 bis 519).
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Es wurde nun ein Verfahren zur Herstellung von Blutplasmaersatzmitteln
aus Kollagenabbauprodukten gefunden, die durch anschließende thermisch schonende,
hydrolytische Spaltung weiter abgebaut worden sind, das dadurch gekennzeichnet ist,
daß man Kollagenabbauprodukte in wäßriger Lösung bei einer Temperatur von 60 bis
150° C bis zu einem Molekulargewicht von 2000 bis 20 000, vorzugsweise 5000 bis
10 000, abbaut, das abgebaute Kollagen mit einem
Diisocyanat bei
Temperaturen von 0 bis 100° C im neutralen bis schwach alkalischen pH-Bereich, gegebenenfalls
in Gegenwart inerter organischer Lösungsmittel in der Weise umsetzt, daß die angewandte
Isocyanatmenge geringer ist als die, welche sich aus der Anzahl der im abgebauten
Kollagen vorhandenen Amino- und Guanidinogruppen errechnet, und vorzugsweise etwa
20 bis 80% dieser Menge beträgt, dann das entstandene Vernetzungsprodukt auf einen
pH-Wert von etwa 7 einstellt und die Lösung durch Zusatz von Natriumchlorid isotonisch
macht.
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Die als Ausgangsstoffe verwendeten Kollagenabbauprodukte sollen frei
sein von fiebererregenden und sonstigen pharmakologisch wirksamen Bestandteilen;
am geeignetsten ist eine möglichst reine Knochengelatine. Unerwünschte anorganische
Bestandteile, vor allem Calciumsalze, können durch Dialyse, Elektrodialyse oder
am besten durch Behandeln mit einem Ionenaustauscher entfernt werden.
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Der Abbau der Kollagenabbauprodukte bzw. der Gelatine kann auf verschiedene
Weise vorgenommen werden, z. B. durch saure, alkalische oder fermentative Hydrolyse.
Bei der Gelatine läßt sich eine besonders schonende Hydrolyse dadurch erreichen,
daß man eine wäßrige Lösung bei etwa neutraler Reaktion so lange auf eine Temperatur
von 60 bis 150° C, vorzugsweise auf 120° C, erhitzt, bis ein Molekulargewicht von
2000 bis 20 000, besonders 5000 bis 10 000, erreicht ist. Bei einer guten Knochengelatine
genügt ein etwa 5- bis 6stündiges Erhitzen auf 120° C im geschlossenen Gefäß für
den Abbau bis zu einem Molekulargewicht von 5000 bis 10 000. Die vorzugsweise verwendeten
Lösungen enthalten 4. bis 611/o Gelatine bzw. der fertigen Plasmaersatzmittel, da
diese Konzentration etwa der Proteinkonzentration im Blut entspricht; jedoch läßt
sich der hydrolytische Abbau und die anschließende Vernetzung auch mit niedriger-
oder höherkonzentrierten Lösungen durchführen.
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Die Umsetzung der entstandenen Kollagenabbauprodukte mit den Diisocyanaten
kann unmittelbar nach dem Abbau in der gleichen Lösung durchgeführt werden. Die
Isocyanatgruppe reagiert unter diesen Bedingungen bevorzugt mit den reaktionsfähigen
Aminogruppen bzw. Amid- oder Guanidinogruppen der Peptidketten, wodurch Harnstoffgruppen
gebildet werden. Dadurch erfolgt eine Vernetzung von zwei oder mehreren Polypeptidketten
über Harnstoff brücken zu einem größeren Molekül. Den Reaktionsverlauf zeigt folgendes
Formelbild:
Die Vernetzungsreaktion wird im neutralen bis schwach alkalischen
pH-Bereich vorgenommen, da in saurer Lösung die Reaktion sehr langsam oder gar nicht
vor sich geht. Da bei der Umsetzung die basischen Aminogruppen in sehr schwach basische
Hamstoffgruppen umgewandelt werden, werden vorher als innere Salze vorhandene Carboxylgruppen
frei, und der pH-Wert verschiebt sich nach dem sauren Bereich. Es ist daher zweckmäßig,
durch fortlaufende Zugabe von verdünntem Alkali in dem Maße, wie das Isocyanat verbraucht
wird, den pH-Wert zwischen 7 und 8 zu halten.
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Die Zugabe des Isocyanats erfolgt unter starkem Rühren der Lösung
entweder unmittelbar oder in einem organischen, mit Wasser mischbaren, aber gegen
Isocyanate inerten Lösungsmittel gelöst, z. B. in Tetrahydrofuran oder Aceton. Die
Temperatur der Lösung kann zwischen 0 und 100° C schwanken, am zweckmäßigsten arbeitet
man bei 30° C. Die Zugabe des Isocyanats erfolgt am besten in mehreren Anteilen,
weil dann der Verlauf der Reaktion an der Änderung des pH-Wertes bzw. an dem Verbrauch
von Alkali verfolgt werden kann.
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Als Isocyanate sind geeignet aliphatische Diisocyanate der allgemeinen
Formel OCN-(CHz),-NCO in der x eine ganze Zahl von 2 bis 20 ist, oder auch aromatische
und hydroaromatische Diisocyanate.
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Die zur Vernetzung günstigste Diisocyanatmenge hängt von der Molekülgröße
des Kollagenabbauproduktes und auch von der Güte des Ausgangsstoffes ab. Die angewendete
Isocyanatmengesoll geringer sein als die, welche sich aus der Anzahl der im abgebauten
Kollagen vorhandenen Amino- und Guanidinogruppen errechnet; sie beträgt vorzugsweise
etwa 20 bis 80% dieser Menge. Durch Vernetzen eines Abbauprodukts mit dem Molekulargewicht
5000 bis 10 000 werden besonders brauchbare Blutplasmaersatzmittel erhalten, wenn
man etwa 30 bis 40% der Menge eines Diisocyanats anwendet, die sich aus dem Gehalt
an Amino- bzw. Guanidinogruppen nach dem Gehalt an Aminosäuren der Gelatine bzw.
aus dem Abbaugrad ergibt.
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Nach der Vernetzung muß das zur Lösung des Diisocyanats verwendete
organische Lösungsmittel aus dem Endprodukt entfernt werden. Dies geschieht am besten
durch Abdestillieren des Lösungsmittels im Vakuum, wobei zum Unterdrücken des Schäumens
eine geringe Menge eines Schaumverhinderungsmittels, wie Octylalkohol, zugesetzt
werden kann, das bei der Destillation mit dem Wasserdampf wieder entfernt wird.
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Die Lösung wird nunmehr auf ein solches Volumen gebracht, daß sie
5% Protein enthält. Dann wird so viel Kochsalz oder physiologisches Salzgemisch
zugesetzt, daß eine isotonische Lösung entsteht. Die Lösung wird hierauf sterilisiert
und in Ampullen abgefüllt. Das Sterilisieren kann z. B. durch Filtrieren oder auch
durch 10- bis 20minutiges Erhitzen auf 120° C vorgenommen werden. Es kann auch durch
Gefriertrocknung ein Trockenpulver hergestellt werden, das bei der unmittelbaren
Anwendung wieder in sterilem Wasser gelöst wird.
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Die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellten Lösungen sind ausgezeichnete
Blutplasmaersatzmittel und haben gegenüber den bekannten Mitteln gewisse Vorzüge.
Ihre Lösungen sind vollkommen klar und im Gegensatz zu anderen aus Gelatine hergestellten
Ersatzmitteln auch farblos; der Erstarrungspunkt liegt unterhalb von 10° C. Das
Molekulargewicht der Produkte nach dem Verfahren der Erfindung liegt bei 15 000
bis 60 000, es kann durch Änderung der Herstellungsbedingungen weitgehend
den Bedürfnissen bei ihrer Anwendung angeglichen werden.
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Am besten haben sich Produkte mit einem Molekulargewicht von etwa
20 000 bewährt. Die Endprodukte besitzen, wie die Messungen in der Ultrazentrifuge
zeigen, im wesentlichen eine einheitliche Molekülgröße.
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Die als Blutersatzmittel für klinische Versuche verwendete Lösung
nach dem Verfahren der Erfindung besteht aus 3,50/a vernetzter Gelatine unter Zusatz
von 0,85% Natriumchlorid, 0,038'% Kaliumchlorid, 0,020/a Calcium, 0,0025'% Magnesium,
0,007% gebundenem Kohlendioxyd, Spuren von 0,0002% Phosphat, 0,014/a Sulfat und
doppeltdestilliertem Wasser, auf 100,0 g aufgefüllt.
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Der isoelektrische Punkt des Plasmaersatzmittels liegt beim pH-Wert
4,5 bis 5. Der kolloidosmotische Druck einer 2,8- bis 3Q/o:igen Lösung der abgebauten
und wieder vernetzten Gelatine entspricht dem des menschlichen Serums. Die relative
Viskosität beträgt 1,7 bis 1,8 (Wasser= 1). Der Gelierungspunkt liegt unterhalb
4° C.
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Im Tierversuch zeigen die Lösungen eine ausgezeichnete Verträglichkeit
und besitzen keine giftigen Wirkungen. Es ist besonders hervorzuheben, daß mit Produkten
mit dem Molekulargewicht von nur etwa 20 000 im Blutaustauschversuch und durch den
Vergleich der Überlebenszeiten volle Plasmaersatzwirkung erzielt wird.
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Die niedrige Sterblichkeit der Ratten als Versuchstiere in den ersten
48 Stunden beweist, daß das Plasmaerzatzmittel geeignet ist, 70 bis 80°/o des im
Blutkreislauf vorhandenen Blutplasmas vollwertig zu ersetzen, und daß eine genügende
Verweilzeit vorhanden ist. Die Todesfälle bis zum B. Tage gehen zu Lasten anderer
Folgen der Operation (Infektionen oder Verschluß der Gefäße).
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Acht Hunde überlebten den Verlust von 20 ccm Blut je Kilogramm Tier,
nachdem diese Blutmenge durch das neue Plasmaersatzmittel ausgetauscht wurde, ohne
Nebenwirkungen.
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Die Bestimmung des ausgeschiedenen Oxyprolins als Bestandteil der
Gelatine ergab, daß erst nach 24 Stunden die Hälfte des Ersatzmittels aus dem Blut
verschwunden und die weitere Ausscheidung innerhalb von 2 bis 3 Tagen beendet ist.
Im Gegensatz hierzu zeigt Gelatine viel ungünstigere Ausscheidungsverhältnisse und
ist schon nach wenigen Stunden im Blut nicht mehr nachweisbar.
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Die Ursache für diese erwünschte verlängerte Verweilzeit der vernetzten
Ersatzmittel im Blut liegt darin, daß sie durch Fermente wie Trypsin, Pepsin und
Gewebefermentelangsamer gespalten werden als Gelatine. Auch die durch die Vernetzung
erhöhte Sperrigkeit der Moleküle trägt zu einer langsameren Ausscheidung bei.
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Das Plasmaersatzmittel beeinfiußte die Blutdruckverhältnisse im akuten
Versuch nicht, es traten keine Veränderungen und Schädigungen im Blutkreislauf auf,
Blutdruckuntersuchungen wurden an Katzen, Ratten und am Herz-Lungen-Präparat nach
Star 1 i n g durchgeführt.
Es zeigte sich, daß auch nach mehrmaligem
Plasmaaustausch bei der Ratte keine Veränderung in der Versorgung der Gewebe mit
Blut oder Sauerstoff stattfindet.
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Die Blutkörperchensenkungsgeschwindigkeit und Haematokritwerte (Bestimmung
der roten Blutkörperchen in a/e im Verhältnis zum Plasma) wurden nicht beeinflußt.
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Aus den Untersuchungen des Gesamtblutbildes und der Blutgerinnung
konnte nicht auf eine pathologische Beeinflussung der blutbildenden Organe geschlossen
werden.
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Das Plasmaersatzmittel war gut verträglich. Chemisch waren keine Ablagerungen
des Plasmaersatzmittels in den parenchymatösen Organen, wie Leber, Milz und Nieren,
von Ratten nachzuweisen.
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Auch aus den pathologisch-histologischen Befunden ging hervor, daß
das Plasmaersatzmittel nicht im retikuloendothelialen Geweben gespeichert wird.
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Selbst bei Ratten, die einen volkommenen Austausch des Blutplasmas
(10°/o des Körpergewichtes) gegen das neue Plasmaersatzmittel überlebten, traten
keine der von C z o k und Mitarbeitern gefundenen pathologisch-histologischen Änderungen
auf (vgl. Klinische Wochenschrift, Bd. 37, 1959, S. 511 bis 519).
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Das Plasmaersatzmittel ist ferner frei von fiebererregenden Stoffen.
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Durch die lange Erhitzungszeit beim Abbau werden geringe Mengen antigen
wirkender Stoffe, die im Kollagenabbauprodukt noch vorhanden sein können, mit Sicherheit
zerstört; denn es wurde keine Überempfindlichkeit gegenüber Proteinen (Anaphylaxie)
in ausgedehnten Versuchen festgestellt; es sind also keine antigenen Eigenschaften
vorhanden.
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Das Plasmaersatzmittel ist abbaufähig und frei von Antigenen. Es finden
sich nach einfacher intravenöser Verabfolgung des Plasmaersatzmittels und nach einem
vollkommenen Blutplasmaaustausch keine histologischen Veränderungen in der Leber
und in den Nieren. Die Nierentätigkeit wird nicht beeinflußt. Es lassen sich mit
dem Plasmaersatzmittel ohne Schwierigkeit 10%, des Körpergewichts austauschen, wobei
etwa 85'% der Tiere die kritischen 24 bis 48 Stunden überlebten. Es traten keine
Kreislaufnebenwirkungen auf; die Sauerstoff- und Blutversorgung der Gewebe blieb
erhalten.
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Beispiel 1 11 einer 5%igen wäßrigen Lösung von Knochengelatine, hergestellt
aus 60 g einer Gelatine mit 15,12% Feuchtigkeit und 1,68'% Asche, wird auf einen
p11-Wert von 6,9 eingestellt und in einem geschlossenen Gefäß im Dampfdruckgefäß
51/2 Stunden auf 1200 C erhitzt. Nach dem Abkühlen der Lösung auf etwa 90° C läßt
man das Gefäß auf Zimmertemperatur abkühlen. Die Lösung wird filtriert und mit 9
g reinem Kochsalz versetzt. Nach dem Einstellen des pff-Wertes der Lösung auf etwa
7 läßt man unter starkem Rühren eine Lösung von 1,66 ccm Hexamethylendiisocyanat
in 25 ccm Tetrahydrofuran zufließen. wobei die Temperatur etwa 30° C beträgt. Der
pH-Wert der Lösung wird laufend verfolgt und durch Zugabe von verdünnter Natronlauge
auf dem Wert von 7 gehalten. Nach 3 Stunden ist die Reaktion beendet. Zur Entfernung
des Tetrahydrofurans wird nunmehr die Lösung unter Zusatz einiger Tropfen Octylalkohol
zur Verhinderung des Schäumens im Vakuum bei 5 bis 10 mm Quecksilberdruck auf etwa
die Hälfte eingeengt; hierbei geht auch der zugesetzte Octylalkohol mit über. Man
füllt die Lösung mit Wasser wieder auf 11 auf und filtriert sie gegebenenfalls nochmals.
Die Lösung wird in Flaschen oder Ampullen abgefüllt und dann durch 20minutiges Erhitzen
auf 120° C keimfrei gemacht. Der Zusatz von Natriumchlorid zum Herstellen der isotonischen
Lösungen kann auch schon am Anfang, vor dem Abbau der Gelatine, oder zuletzt, vor
dem Sterilisieren, erfolgen. Die Lösung hat eine relative Viskosität von 1,8 ±0,1
(Wasser= 1).
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An Stelle von Tetrahydrofuran kann auch Aceton zum Lösen des Hexamethylendiisocyanats
verwendet werden.
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Die nach der Entfernung des Tetrahydrofurans erhaltene eingeengte
Lösung wird gefriergetrocknet. Man erhält 54,1 g fast weißen Pulvers, das folgende
Zusammensetzung hat:
Feuchtigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,45 g |
Stickstoff nach K j e 1 d a h 1 ...... 17,15% |
daraus Gelatine-Hexamethylen- |
diisocyanat - Reaktionsprodukt |
berechnet .................. 51,5 g |
Natrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,023 g |
Calcium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,28 g |
Magnesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,036 g |
Chlorid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,35 g |
Gebundenes Kohlendioxyd ...... 0,10 g |
Phosphat . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 0,003 g |
Sulfat ........................ G 0,14 g |
53,88 g |
Das Pulver wird bei der klinischen Verwendung in Wasser gelöst, mit 12,1 g Natriumchlorid
und 0,54 g Kaliumchlorid versetzt und mit doppeltdestilliertem Wasser auf 1,431
aufgefüllt. Die Lösung ist, auf die eingesetzte Menge Gelatine berechnet, dann 3,5%ig.
Der isoelektrische Punkt des Blutersatzmittels liegt beim pH-Wert 4,5 bis 5,0. Der
kolloidosmotische Druck einer 2,8- bis 3,0'0higen Lösung entspricht der des menschlichen
Serums. Die relative Viskosität beträgt 1,7 ± 0,1 (Wasser= 1). Der Geherungspunkt
liegt unterhalb 41 C.
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Beispiel 2 11 einer 50/eigen Gelatinelösung wird wie im Beispiel 1
durch Erhitzen auf 120° C abgebaut. Dann gibt man eine Aufschlämmung von 1,66 ccm
Hexamethylendiisocyanat in 30 ccm Wasser zu und läßt unter starkem Rühren bei 30°
C die Vernetzungsreaktion ablaufen, wobei der pH-Wert durch fortlaufende Zugabe
von verdünnter Natronlauge auf etwa 7 gehalten wird. Wenn der pH-Wert sich nicht
mehr ändert, ist die Reaktion beendet. Die Lösung wird, falls es notwendig ist,
filtriert, mit 9 g reinem Kochsalz versetzt, in Ampullen oder Flaschen abgefüllt
und durch 20minutiges Erhitzen auf 120° C keimfrei gemacht. Die Lösung hat eine
relative Viskosität von 1,8 ± 0,1 (Wasser = 1).
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Beispiel 3 11 einer 5%igen Gelatinelösung wird wie im Beispiel 1 durch
Erhitzen auf 120° C abgebaut. Dann läßt man eine Lösung von 1,94 ccm Octamethylendüsocyanat
in 20 ccm Aceton tropfenweise unter
Rühren zulaufen und hält während
der Reaktion die Temperatur auf 30° C und durch fortlaufende Zugabe von verdünnter
Natronlauge den pH-Wert auf 7. Nach 3 Stunden ist die Reaktion beendet. Die weitere
Aufarbeitung der Lösung erfolgt wie im Beispiel 1. Die Lösung hat eine relative
Viskosität von 1,7 ± 0,1 (Wasser = 1).
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Die Lösung zeigt im Tierversuch die gleichen Eigenschaften wie die
des Beispiels 1 und 2. Beispiel 4 Es wird mit der gleichen Gelatinelösung wie im
Beispiel 3 gearbeitet, aber die Umsetzung mit 2,3g
Dekamethylendiisocyanat,
gelöst in 46 ccm Aceton, durchgeführt.
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Die Lösung zeigt im Tierversuch die gleichen Eigenschaften wie die
des Beispiels 1 und 2; sie hat die relative Viskosität von 1,7 ± 0,1 (Wasser =1).
Beispiel 5 Es wird mit der gleichen Gelatinelösung wie im Beispiel 3 gearbeitet,
aber die Umsetzung mit 4,2g
Naphthalin-1,5-diisocyanat in feiner Aufschlämmung
in 80 ccm Wasser durchgeführt.
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Die Lösung zeigt im Tierversuch die gleichen Eigenschaften wie die
des Beispiels 1 und 2; sie hat die relative Viskosität von 1,95 ± 0,1 (Wasser =1).
Beispiel 6 Es wird mit der gleichen Gelatinelösung wie im Beispiel 3 gearbeitet,
aber die Umsetzung mit 1,66 g Cyclohexan-1,4-diisocyanat, gelöst in 17 ccm Aceton,
durchgeführt. Die Lösung zeigt im Tierversuch die gleichen Eigenschaften wie die
des Beispiels 1 und 2; sie hat die relative Viskosität von 1,8±0,1 (Wasser = 1).