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Kollagendispersion und Verfahren zu ihrer Herstellung Aus den beiden
USA-Patentschriften 2 934 446 und 2 934 447 sind Verfahren zur Herstellung von Kollagenfasermassen
bekannt, bei denen eine teilweise Lösung des Kollagens eintritt. Das nicht gelöste
Material besteht aus Kollagenfasern, die nicht bis in die kleinsten Bestandteile,
nämlich Kollagen-Fäserchen zerlegt worden sind. Die Lösung des Kollagens hat aber
eine Zersetzung der Faserstruktur zur Folge. Das zersetzte Kollagen wird ausgefällt
und die Elektrolyt-Salze werden zur Steuerung des Niederschlags des gelösten entarteten
Kollagens zugesetzt. Der Anteil von Feststoffen in den unvollständigen Teillösungen
bei den beiden bekannten Verfahren liegt bei etwa 4 bis 8 %.
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Die deutsche Patentschrift 682 491, die ein Verfahren zur Herstellung
von Formgebilden aus Fasermassen tierischen Ursprungs betrifft, beschreibt den Zusatz
von Salzen zur Entziehung des Wassers aus den Kollagenmassen, nachdem diese die
Formvorrichtungen verlassen haben. Die Formkörper werden wasserentziehenden ammoniumsalzhaltigen
Bädern zugeführt und es wird kein Einfluss zur Verringerung der Viskosität und zur
Steigerung hinsiohtlich der Reissfestigkeit auf die Masse ausgeübt.
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Beim Verfahren der französischen Patentschrift 1 255 858, das die
Herstellung von Folien und Fasern aus Kollagenmaterial betrifft, werden die Formkörper
ebenfalls erst nach dem Extrudieren der Masse in eine Lösung mit Ammoniumsulfat
geführt.
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Die Erfindung betrifft eine Dispersion aus gequollenen Kollagenfäserchen
in einer sauren Lösung unter Zusatz eines Elektrolyten und ein Verfahren zur Herstellung
einer solchen Dispersion. Die Kollagendispersionen gemäss der vorliegenden Erfindung
sind bei der Herstellung von absorbierbaren Nähfäden und chirurgischen Hilfsmitteln
in Form von Filmen, Fäden, Strängen, Röhren und Schwimmen verwendbar. Der sehr geringe
Salz-Zusatz beim beanspruchten Verfahren dient der Verbesserung der Kollagenfäserchen-Dispersion,
d.h. die Viskosität wird herabgesetzt und die Reissfestigkeit gesteigert. Die Dispersion
enthält die Fäserehen in ihrem natürlichen Zustand und nicht Kollagenfaßern oder
gelöstes Kollagen, wie es bei den bekannten Verfahren der Fall ist.
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Die Extrudierung einer homogenen Dispersion von gequollenen Kollagenfäserchen
zur Bildung von KollagenstrSngen, die als chirurgische Nähfäden verwendet werden
können, sind in den USA-PatentschrtRten 3 114 372 und 3 114 593 beschrieben. Ein
bedeutendes Merkmal des darin beschriebenen Verfahrens ist die Herstellung einer
homogenen Dispersion aus gequollenen Kollagenfäserchen, die geeignet ist rUr die
Extrudierung und eine nachfolgende Verarbeitung. Insbesondere muss die Integrität
der Kollagenräserchenstruktur, wie sie im natürlichen Zustand vorhanden ist, beibehalten
werden während der Stufen der Zerkleinerung, Enzymbehandlung, Säurequellung, Filtration,
Extrudierung, Streckung, Gerbung und Trocknung.
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Geeignete Dispersionen von gequollenen Kollagenfäserohren, hergestellt
gemäss der vorgenannten Erfindung, haben
einen Feststoffgehalt in
der Grössenordnung von 0,72 s bis 1,1 %. Jedoch verursacht die Verwendung solcher
Kollagendispersionen mit dem vorgenannten niedrigen Feststoffgehalt und einem Kollagenmaterial,
das auf Teilchen von Fäserchengrösse verringert iStg schwierige Probleme bei der
Behandlung und Handhabung des extrudierten Fadens vom Augenblick des Verlassens
der Spinndtlse bis zur Vereinigung mit anderen Fäden und der Trocknung auf die endgültige
Grösse, mit der sie später verwendet werden. Eine Kollagendispersion mit einem Feststoffgehalt
von etwa 1 ffi ist stark viskos und schwierig zu extrudleren. Darüber hinaus fällt
die Viskosität solcher Dispersionen mit der parallelen Ausrichtung der Kollagenfäsereben
nach der Extrudierung zusammen.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, eine Dispersion von
gequollenen Kollagenfäserchen mit niederer Viskosität herzustellen, die zur Bildung
eines Kollagen strangs von verbesserter Reissfestigkeit extrudiert werden kann.
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Überraschenderweise wurde gefunden, dass der Zusatz sehr geringer
Mengen eines Elektrolyten oder Salzes zu einer homogenen Dispersion von gequollenen
Kollagenfäserchen eine bedeutsame Verringerung der Viskosität der Dispersion verursacht
und dabei das Filtrieren, das Pumpen und die Extrudierung erleichtert. Kollagenstränge
aus Dispersionen, die eine geringe Menge eines Elektrolyten enthalten, besitzen
bessere Reissfestigkeiten als jene, die aus Dispersionen ohne Zusatz eines Elektrolyten
erhalten werden.
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Der verwendete Elektrolyt kann aus irgendeinem wasserlöslichen Salz
eines monovalenten, divalenten oder trivalenten Metalls, wie Natriumnttrit, Natriumchlorid,
Kaliumacetat, Kaliumsulfat, Kupfersulfat, Chromchlorid; einem Ammoniumsalz, wie
Ammoniumnitrat, Ammoniumsulfat, Ammoniumchlorid
usw. oder einem
quaternären Ammoniumsalz, d.h.
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Benzäthoniumchlorid mit der Struktur:
bestehen.
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Während die vorliegende Erfindung nicht auf eine besondere Verfahrens
theorie beschränkt ist, so kann man annehmen, dass der Zusatz eines Elektrolyten
zu einer sauren Dispersion von gequollenen Kollagenfäserchen eine Verringerung der
Quellung der Fäserchen verursacht, wie man durch eine Abnahme der Viskosität des
Systems feststellt.
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Besondere Wechselwirkungen zwischen den Salzionen und den geladenen
Gruppen der Proteine und/oder ein Schutz der geladenen Proteingruppen durch die
Salzionen sind in betrEchtlichem Masse für diese Wirkung verantwortlich. Es kann
angenommen werden, dass die verminderte Quellung der Kollagenfäserchen in Gegenwart
eines zugesetzten Elektrolyten die Entartung und die morphologischen Veränderungen
in saurer Lösung aufhält. Diese Wirkung ist bei niederem pH und erhöhter Temperatur
ausgeprägter, tritt aber in geringem Grad bei langer Lagerung bei Raumtemperatur
auf.
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Das Rohmaterial für die Dispersion gemäss der Erfindung besteht aus
Säugetiersehne. Walfische sind eine grosse Kollagenquelle und Walfischsehne ist
ein befriedigendes Ausgangsmaterial. Schweine-, Schafs- und Ochsensehnen sind auch
befriedigend. Die besten Ergebnisse wurden bis heute unter Verwendung der unteren
Beugemuskelsehne des Rindviehs erhalten.
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Die Rindviehsehnendispersionen der vorliegenden Erfindung können
nach dem allgemeinen Verfahren hergestellt werden, wie es in der USA-Patentschrift
2 920 000 beschrieben
ist. Die Ochsensehne, wie sie vom Schlachthof
erhalten wird, wird zur Verhinderung der Zersetzung gefroren und muss aufgetaut
werden, um eine Reinigung der Sehne von Fett, oberflächlichem nicht kollagenem Protein
und anderen Unreinheiten zu ermöglichen. Die gereinigte Sehne wird dann auf eine
Dicke von etwa 0,25 mm bis 0,63 mm (10 bis 25 Tausendstel Zoll) in Scheiben geschnitten.
Dickere Scheiben quellen langsam in wässriger saurer Lösung und sind schwierig zu
dispergieren. Dünnere Scheiben dispergieren leicht, aber die Dispersion hat beim
Extrudieren nur geringe Festigkeit. Zweckmässig werden die Sehnenabschnitte quer
zur Hauptachse in Scheiben geschnitten, da ein Schneiden in Längsrichtung zu einer
langsameren Quellung führt.
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Die geschnittene Sehne wird zunächst mit einer Enzymlösung zum-Löslichmachen
des Elastinnetzwerks, das die natürlichen Kollagenfasern umschliesst und sie zusammenhält,
behandelt. Durch diese Behandlung wird der grösste Teil des Elastins löslich gemacht
und kann entfernt werden. Es können mit Vorteil proteolytische Enzyme aus pflanzlichen
oder tierischen Quellen verwendet werden. Pankreatin ist ein Enzym, das wirksam
ist bei der Entfernung des Elastins.
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Enzyme aus Pflanzen, wie Ficin, sind ebenfalls verwendbar.
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Ein anderes Enzym, das diese Funktion erfüllt, wird durch Extrahieren
räumlicher Malzdiastase (U.S.P.IX) mit Wasser hergestellt. Die Sehnen-Enzymmischung
wird 15 bis 20 Stunden bei Raumtemperatur aufbewahrt.
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Nach der Enzymbehandlung werden die Sehnenscheiben mit Wasserstoffperoxyd
inaktiviert und mit Wasser gewaschen.
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Lösliche Proteine und Fette werden durch Behandlung der Scheiben mit
einer verdünnten wässrigen Lösung eines Chelat bildenden Mittels, wie Athylendiamintetranatriumtetraacetat,
entfernt. Anschliessend an diese Behandlung werden die Sehnenscheiben wieder zur
Entfernung restlicher Spuren des Chelat bildenden Mittels gewaschen.
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Die gereinigten Sehnenscheiben enthalten bei dieser Stufe einen hohen
Prozentsatz von gereinigtem Kollagen zusammen mit Material, das in saurer Lösung
nicht quillt.
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Die nächste Stufe besteht in der Quellung dieses Kollagens in einer
sauren Lösung zur Bildung einer homogenen Dispersion von Kollagenfäserchen, es ist
aber sehr wichtig, dass sich die einzelnen Kollagenscheiben während dieser Stufe
nicht vereinigen. Wenn das Kollagen quillt, wird es klebrig und wenn die einzelnen
Kollagenscheiben aneinander kleben, hat das Innere der Zusammenballung keine Berührung
mit der Quell-Lösung. Deshalb ist es zur Erzielung einer homogenen Faserdispersion
in einem annehmbaren Zeitraum sehr wünschenswert, eine Vereinigung der einzelnen
Sehnenscheiben zu verhindern. Es kann ein Dispergierkessel mit einem von der Mitte
versetzten RUhrwerk zur Verringerung der Klumpenbildung verwendet werden. Im Dispergierkessel
werden die Kollagenscheiben langsam in der wässrigen sauren Lösung gerührt. Die
Kollagenscheiben absorbieren die Säurelösung unter Quellung.
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Die Temperatur ist ein kritischer Faktor nach dem Zusatz der Säure
zu den Sehnenscheiben, da das Kollagen in Gegenwart von Säuren oberhalb etwa 300
C zerkleinert wird.
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Aus diesem Grund sollen alle sich an den Säurezusatz anschliessenden
Massnahmen bei Tempera turen etwa unterhalb 25°C durchgeführt werden.
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Die Quell-Lösung kann eine wässrige Lösung einer organischen Säure
sein, die gekennzeichnet ist durch einen pKi-Wert grösser als 2,40, d.h. Essigsäure
(pK@ = 4,76).
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Der wässrigen sauren Lösung kann zweckmässig Methanol zugesetzt werden.
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Im allgemeinen beläuft sich der Säuregehalt auf etwa 0,20 bis etwa
1 % des Gesamtgewichts der Lösung. SoI8he Lösungen haben ein pH von etwa 2,). Der
Elektrolyt wird zweckmässig in der Säurelösung vor der Quellugsstufe gelöst.
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Wenn die Kollagendispersion zum Extrudieren von Fäden verwendet wird,
beträgt die in der Quell-Lösung vorhandene Sehne zweckmässig etwa 1 1. Wie bereits
erwähnt, ist eine Dispersion von Kollagenfäserchen mit einem Feststoffgehalt unterhalb
etwa 0,7 % schwierig zu verspinnen. Andererseits führt eine Konzentration von Kollagenfäserchen
von mehr als etwa 1,1 % zu einer Dispersion, die schwieriger durch eine Spinndüse
zu extrudieren ist. Es ist wichtig, dass eine Kollagenfäserchendispersion bei der
Extrudierung homogen ist, da eine geringe änderung bezüglich der Feststoffkonzentration
des zu extrudierenden Materials zu grossen Querschnittsunterschieden im Endprodukt
führt.
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Nachdem ein grosser Teil der Quellung im Dispergierkessel stattgefunden
hat, wird die Dispersion durch wiederholte Durchgänge durch eine aus rostfreiem
Stahl hergestellte Messpumpe und nacheinander angeordnete Düsen aus rostfreiem Stahl
mit Offnungen von etwa 1,3 mm und 1,0 mm und 40 Tausendstel Zoll) homogenisiert.
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Das Rühren wird während der Homogenisierung fortgesetzt. Die besten
Ergebnisse werden mittels langsamen Rührens während der Quellungsstufe, durch Zwischenrühren
zu Beginn der Homogenisierung und Rühren mit höherer Geschwindigkeit gegen Ende
der Homogenisierung erhalten.
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Die in diesem Verfahren verwendete Homogenisierungspumpe besteht
aus einer rotierenden Pumpe (wie einer Zenith-Pumpe), die abgeändert wurde durch
Abschleifen von etwa 0,08 mm (3 Tausendstel Zoll) vom Umfang der Getrieberadzähne.
Der Einlass und der Auslass der Pumpe sind mit dem Dispergierkessel durch eine Leitung
aus rostfreiem Stahl verbunden, die dem hohen Druck wiederstehen kann.
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Die Dispersion enthält nach der Homogenisierung noch Fasern aus nicht
gequollenem, nicht kollagenem Material, das entrernt werden mussg Dies wird sehr
leicht durch Hindurchdrücken der Dispersion durch ein Blattfilter durchgeführt,
das das nicht gequollene, nicht kollagene Material zurückhält.
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Die Dispersion der Kollagenfäserchen wird nach dem Filtrieren unter
Vakuum entlüftet und ist dann fertig zur Aufbewahrung. Bei einer Lagerung bei 5°
C oder darunter bleibt die Dispersion im wesentlichen für Zeiträume von mehr als
2 oder 3 Wochen unverändert.
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In der Beschreibung und den Beispielen sind alle Mengenangaben in
Gewichtsteilen gemacht.
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Beispiele 1.) Der Teil der unteren Beugemuskelsehne des Rindviehs,
der in Figur 2 der USA-Patentschrift 2 920 000 als der WC"-und"D"-Abschnitt gekennzeichnet
ist, wird von Fett, oberflächlichem, nicht kollagenem Protein und anderen Unreinheiten
gereinigt und auf einer elektrischen Fleischschneidemaschine mit rotierendem Messer
in gefrorenem Zustand geschnitten. Die Sehnenabschnitte werden senkrecht zu ihrer
Längsachse auf eine Dicke von etwa 0,28 mm (11 Tausendstel Zoll) in Scheiben geschnitten.
Es wird eine Probe der Sehnenscheiben analysiert und der Trockenfeststoffgehalt
betrug 36,97 %.
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Die geschnittene Sehne wird dann mit einer Enzymlösung zum Löslichmachen
des Elastins und zur Entfernung von nicht kollagenem Protein behandelt. Die Enzymlösung
wird durch Lösen von 0,15 Teilen Ficin und 3,75 Teilen fithylendiamin tetranatriumtetraacetat
in 750 Teilen Wasser hergestellt.
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75 Teile der geschnittenen Sehne werden in diese Lösung eingetaucht,
die über Nacht bei Raumtemperatur stehen gelassen wird. Dann werden 2,25 Teile 30
% iges Wasserstoffperoxyd zur Zerstörung irgendeines restlichen Ficins zugesetzt.
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Dieser Mischung von Sehnenscheiben in etwa 750 Teilen Wasser werden
zusätzliche 2244 Teile Wasser und 5,87' Teile
Cyanessigsäure zugesetzt.
Die Quell-Lösung wird auf unterhalb 250 C gekühlt. Diese Mischung wird in einem
Dispergierkessel bei etwa 60 U/Min. gerührt. Es ist wichtig, dass die folgenden
Stufen des Verfahrens bei Temperaturen unterhalb etwa 250 C durchgeführt werden
und dass die Temperatur der Kollagendispersion diese Temperatur nicht überschreitet.
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Das Rühren wird etwa 3 Stunden fortgesetzt. Während dieser Zeit werden
die einzelnen Kollagenscheiben gequollen.
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Die Dispersion wird dann durch wiederholte Durchgänge durch eine rotierende
Messpumpe aus rostfreiem Stahl und durch nacheinander angeordnete Düsen aus rostfreiem
Stahl mit Öffnungen von 1,3 mm und 1,0 mm (50 und 40 Tausendstel Zoll) homogenisiert.
Während der Homogenisierung wird der Rührer im Dispergierkessel mit Unterbrechungen
betrieben.
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Der Druck auf der Hochdruckseite der Homogenisierungsdüsen fällt
auf 4,9 At. (70 Pfund pro Quadratzoll) und bleibt nach 3,5 Stunden konstant, eine
im wesentlichen vollständige Homogenisierung anzeigend. Die Dispersion wird dann
durch ein Blattfilter gepresst.
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Die Dispersion von gelösten Kollagenfäserchen enthält 1,05 ffi Feststoffe
und hat ein pH von 2,52. Die Dispersion wird durch eine Spinndüse in ein Acetondehydratisierungsbad
extrudiert, wie dies in den Beispielen 10 und 11 der USA-Patentschrift) 114 372
beschrieben ist, zur Bildung eines chromgegerbten Nähfadens von der Grösse 1.
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Ein Nähfaden von derselben Grösse wird nach demselben Verfahren mit
der Ausnahme hergestellt, dass der Lösung von 2244 Teilen Wasser und 5,87 Teilen
Cyanessigsäure vor der Säurequellung der Kollagenscheiben 0,03 ffi Ammoniumnitrat
zugesetzt wird. Ein Vergleich der Reissfestigkeit dieses aus einer Kolilgendispersion
mit 0,03 % Ammoniumnitrat hergestellten Fadens und des aus einer Kollagen'dispersion
ohne Elektrolyten hergestellten Fadens führte zu den in Tabelle 1 aufgeführten Ergebnissen.
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Tabelle 1 Nähfaden Durchmesser Reissfestigkeit Bemerkungen trockener
nasser Knoten Knoten Probe IA 1,203 mm 9,82 7,94 Kein Salz zugesetzt.
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Probe IB 1,202 mm 10,72 8,42 0,03 % NH4NO) zugesetzt.
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2.) Zur Demonstration der Wirkung des Zusatzes eines Elektrolyten
zur Dispersion von Kollagenfäserchen vor der Extrudierung wird das Beispiel 12 gemäss
der USA-Patentschrift 3 114 372 wiederholt. In verschiedenen Versuchen werden verschiedene
Mengen von Natriumchlorid der wgssrigen sauren Lösung vor der Quellung der Kollagenscheiben
zugesetzt. Die Reissfestigkeit des Kollagenstreifens und der fertigen chromgegerbten
Stränge, wie sie unter diesen Bédingungen erhalten werden, sind in Tabelle 2 aufgeführt.
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Tabelle 2 Reissfestigkeit in Pfund Reissfestigkeit in Pfund des fertigen
2/0 chromgegerbten Stranges Zusatz Trocken Nass Trocken Trockener Knoten Nasser
Knoten 0 % NaCl 11,9 3,5 11,5 5,8 3,6 0,005 % " " 11,9 4,8 10,9 5,9 3,8 0,01 % "
" 13,8 5,3 14,5 6,9 4,0 0,03 % " " 12,3 3,1 11,7 6,3 3,6 0,05 % " " 13,9 5,3 10,4
6,4 3,7 Versuchsacnlage - Herstellung *0,05 % NaCl 13,7 4,2 11,9 6,5 4,4 *Durchschnitt
von sechs beliebigen Proben, erhal ten auf der Versuchsanlage.
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3.) Es werden Kollagenstränge Grösse 2/0 nach dem indirekten Spinnverfahren,
beschrieben in der USA-Patentschrift 3 114 372, hergestellt. Die Stränge werden
mit 2,4-Dihydroxybenzoesäure (1 %ige Lösung), Aluminiumformoacetat (1 %ige Lösung)
und Formaldehyd (0,25 %ige Lösung) gegerbt. Die Wirkung des Zusatzes von Natriumchlorid
zur Kollagendispersion ist in Tabelle 3 niedergelegt.
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Tabelle 3 Reissfestigkeit in Pfund Zusatz Trocken Trockener Knoten
Nasser Knoten 0 % 10,4 5,2 4,2 0,05 % NaCl 12,6 5,9 3,8 4.) Es werden Kollagenstränge
Grösse 2/0 nach dem indirekten Spinnverfahren, beschrieben in der USA-Patentschrift
3 114 372, hergestellt. Die Wirkung des Zusatzes von Benzäthoniumchlorid zur Kollagendispersion
ist in Tabelle 4 gezeigt.
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Tabelle 4 Bandreissfestigkeit Reissfestigkeit in Pfund des in Pfund
fertigen 2/0 chromgegerbten Strangs Zusatz Trocken Nass Trocken Trockener Knoten
Nasser Knoten 0 % Benzäthoniumchlorid 8,5 2,3 10,8 5,0 4,3 0,1% " 10,1 2,5 11,8
5,5 4,3 0,4 % " 11,6 3,2 11,1 6,0 4,4
5.) Es werden Kollagennähfäden
nach dem indirekten Spinnverfahren hergestellt, wie es in der USA-Patentschrift
3 114 372 beschrieben ist. Die Wirkung des Zusatzes von Ammoniumnitrat zur Kollagendispersion
ist in Tabelle 5 gezeigt.
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Tabelle 5 Reissfestigkeit in Pfund Zusatz Strang Trockener Knoten
Trocken 0,01 NH4N03 Größe 2/0 * 4,06 10,66 0,02 NH4NO3 Größe 2/0 chromgegerbt 4,74
11,25 0,07 NH4NO3 Größe 2/0 chromgegerbt 5,33 13,35 kein Größe 2/0 * 3,82 10,23
kein Größe 2/0 chromgegerbt 4,49 11,76 Gegerbt mit 2,4-Dihydroxybenzoesäure (1 %ige
Lösung), Aluminiumformoacetat (1 %ige Lösung) und Formaldehyd (0,25 %ige Lösung).
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3.) Es werden Kollagennähfäden nach dem indirekten Spinnverfahren
gemäss USA-Patentschrift 3 114 372 hergestellt. Die Wirkung des Zusatzes von Natriumchlorid
zur Kollagendispersion ist in Tabelle 6 gezeigt.
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Tabelle 6 Reissfestigkeit in Pfund Zusatz Strang Trockener Knoten
Trocken 0,,05 % NaCl Größe 1 chromgegerbt 8, 86 18,00 0,045% NaCl Größe 3/0 chromgegerbt
3,55 6,69 0,05 % NaCl Größe 5/0 chromgegerbt 1, 19 2,49 kein Größe 1 chromgegerbt
8,33 15,30 kein Größe 3/0 chromgegerbt 3,17 5,80 kein Größe 5/0 chromgegerbt 1,09
2,44
7.) Es werden KolNagendispersionen durch Quellen von Sehnenko
llagenfäs erchen in verdünnter Milchsäure (pH 3,0) hergestellt. Der Hälfte der Dispersion
wird 0,5 % Kaliumchlorid zugesetzt. Die Nähfäden, hergestellt aus dieser Kollagendispersion
mit Kaliumchlorid nach dem indirekten Spinnverfahren gemäss USA-Patentschrift 3
114 372, haben eine höhere-Trockenknotenreissfestigkeit als diese nigen, hergestellt
nach demselben Verfahren aus der Kollagendispersion ohne zugesetztes Kaliumchlorid.
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Eine statistische Analyse einer grossen Anzahl kontrollierter Versuche
lässt einen Vergleich zu zwischen Kollagendispersionen unter Zusatz eines Elektrolyten
und solchen Dispersionen, die keinen Elektrolyten enthalten, und zeigt, dass die
extrudierten Kollagenstränge eine höhere Trockenknotenfestigkeit und eine Reissfestigkeit
in gerader Richtung besitzen, wenn eine geringe Menge eines Elektrolyten in der
zu extrudierenden Dispersion von Kollagenfäserchen anwesend ist.