DE1620797C

DE1620797C - Process for making a water-soluble piston compound

Info

Publication number: DE1620797C
Application number: DE19661620797
Authority: DE
Inventors: Orlando Aloysius Yardley Pa Battista (V St A)
Original assignee: FMC Corp
Current assignee: FMC Corp
Priority date: 1965-03-01
Filing date: 1966-02-23
Publication date: 1973-05-30

Description

2020th

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer wasserunlöslichen Kollagen verbindung, die eine stabile, wäßrige Dispersion bildet, und wobei eine wäßrige Lösung einer Säure mit einem pH-Wert unter 3,0 in einem Kollagenkörper gleichmäßig verteilt und die erhaltene Masse zerkleinert wird.The invention relates to a method for producing a water-insoluble collagen compound which forms a stable, aqueous dispersion, and wherein an aqueous solution of an acid having a pH below 3.0 evenly distributed in a collagen body and the mass obtained is crushed.

Der Grundbaustein eines Kollagens ist das sögenannte Tropokollagen. Die Tropokollagenmakromoleküle bestehen aus drei Ketten von Polypeptiden, die schraubenförmig miteinander verschlungen sind und einen Durchmesser von etwa 10 bis 15 Ä sowie eine Länge von etwa 3000Ä haben. Wie sein Degradationsprodukt Gelatine ist Tropokollagen in angesäuertem Wasser vollständig löslich. Weil Tropokollagen den natürlichen Baustein bei der Herstellung von Kollagenfibrillen darstellt, wurde es in großem Umfange zur Herstellung von wiederaufgebauten, faserigen Kollagenerzeugnissen benutzt (u.a. gemäß USA.-Patentschrift 3,157,524). Den nächst höher organisierten Zustand, in dem Kollagen in diesem. Zusammenhang bekannt ist, stellen Kollagenfibrillen aus langen, dünnen Strängen aus Tausenden einzelner Tropokollageneinheiten dar. Diese Fibrillen haben Durchmesser von 100 bis 1000 Ä und variieren in der Länge; sie sind im allgemeinen V₁₀ μ lang. In.dieser Form ist das Kollagen wasserunlöslich. Diese Fibrillen fügen sich wieder zusammen bzw. sind einander zugeordnet, um mikroskopisch feine Fasern zu bilden, wie sie in natürlichen Substanzen vorkommen, in denen sie wieder zu Tausenden von Fibrillen zusammengeschlossen sind.The basic building block of a collagen is the so-called tropocollagen. The tropocollagen macromolecules consist of three chains of polypeptides that are helically entwined with one another and are about 10 to 15 Å in diameter and about 3000 Å in length. Like its degradation product, gelatin, tropocollagen is completely soluble in acidified water. Because tropocollagen is the natural building block in the production of collagen fibrils, it has been used extensively for the production of reconstructed, fibrous collagen products (among other things according to US Pat. No. 3,157,524). The next higher organized state, the collagen in this one. As is known, collagen fibrils are made up of long, thin strands of thousands of individual tropocollagen units. These fibrils have a diameter of 100 to 1000 Å and vary in length; they are generally V ₁₀ μ long. In this form, the collagen is insoluble in water. These fibrils reassemble or are assigned to one another in order to form microscopically fine fibers, such as those found in natural substances, in which they are again joined together to form thousands of fibrils.

Das Verfahren nach der Erfindung zur Herstellung einer wasserunlöslichen Kollagenverbindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine wäßrige Lösung» mit einem pH-Wert zwischen 1,7 und 2,6 in nicht denaturiertem Kollagen verteilt wird und dabei der. pH-Wert der Masse auf 2,6 bis 3,8 eingestellt wird und die feuchte Masse so weit zerkleinert wird, daß mindestens 10 Gewichtsprozent der Teilchen eine Teilchengröße von weniger als 1 Mikron, gemessen in jeder Richtung, aufweisen.The method of the invention for making a water-insoluble collagen compound is thereby characterized in that an aqueous solution »with a pH value between 1.7 and 2.6 in undenatured Collagen is distributed and thereby the. pH of the mass is adjusted to 2.6 to 3.8 and the moist mass is comminuted so far that at least 10 percent by weight of the particles have a particle size less than 1 micron measured in any direction.

Nach der britischen Patentschrift 915,066 wird zur Herstellung von wasserunlöslichem Kollagen nicht denaturiertes faseriges Kollagen gefroren, in feine Scheibchen einer Dicke von ungefähr 0,27 bis 0,6 mm geschnitten und dann dieses natürliche Kollagen einer Vorbehandlung in zunächst einer Lösung eines proteolytischen Enzymes und dann mit Wasserstoffperoxid unterworfen.According to British patent specification 915,066, undenatured collagen is used to produce water-insoluble collagen Frozen fibrous collagen, cut into fine slices approximately 0.27-0.6 mm thick and then this natural collagen a pretreatment in first a solution of a proteolytic Enzymes and then subjected to hydrogen peroxide.

Dann erst werden diese. so vorbehandelten Kollagenfibrillen oder -fasern in Cyanessigsäurelösung mit einem bevorzugten pH-Wert von 2 bis 3 gequollen, um eine homogene Dispersion aus den gequollenen Fibrillen zu erhalten. Der ungequollene, nicht kollagenhaltige Anteil wird von der homogenisierten Dispersion mittels Durchpressen durch eine Folge von Filterplatten mit so kleinen Öffnungen, wie etwa 0,1mm (S. 3, Zeilen 10 bis 109) abgeschieden. Zur Größe der so erhaltenen gequollenen Kollagenfasern ist dabei ausgeführt, daß sie Durchmesser von 0,02 bis 10 μ (200 bis' 100 000 Ä) aufweisen.Only then will these. collagen fibrils or fibers pretreated in this way are swollen in cyanoacetic acid solution with a preferred pH of 2 to 3 in order to obtain a homogeneous dispersion from the swollen fibrils. The unswollen, non-collagen-containing portion is separated from the homogenized dispersion by pressing it through a series of filter plates with openings as small as 0.1 mm (page 3, lines 10 to 109). As regards the size of the swollen collagen fibers thus obtained, it is stated that they have a diameter of 0.02 to 10 μ (200 to 100,000 Å).

Es handelt sich sonach bei diesem bekannten Verfahren um eine Herstellung von Dispersionen von unabgebauten Kollagenfasern, wobei die ursprüngliche Kollagenfibrillenstruktur nicht verändert wird.This known method is therefore a production of dispersions of undegraded Collagen fibers, whereby the original collagen fibril structure is not changed.

Die Erfindung beruht dagegen darauf, daß es möglich ist, eine Zwischenform aus Kollagenfibrillen und aus Tropokollagen herzustellen, die die Eigenschaft hat, in Wasser zu Gelen gequollen werden zu können, die ihre ursprüngliche Viskosität im wesentlichen beibehalten, wenn sie eine oder mehrere Wochen stehen und die zu verschiedenen Produkten verarbeitet werden können.The invention is based on the fact that it is possible, an intermediate form of collagen fibrils and made from tropocollagen, which has the property of being able to swell into gels in water, which essentially retain their original viscosity after standing for one or more weeks and which can be processed into various products.

Die erfmdungsgemäße ganz spezielle. Säurebehandlung in dem genannten pH-Bereich führt zu einer wasserunlöslichen ■ Kollagenverbindung, weil' in diesem pH-Bereich die Säure mit den vorhandenen Amino-Gruppen des Kollagens reagiert. Auf diese Weise bildet sich eine mikrokristalline Form von Kollagen, die eine Form eines Kollagens bisher unbekannter Art darstellt. Nur eine solche Form von Kollagen läßt sich auf kolloidale Ausmaße zerkleinern, das heißt auf Teilchenabmessungen, die in jeder Richtung ein Mikron nicht überschreiten. Die Fibrillen nach der obengenannten britischen Patentschrift dagegen haben Durchmesser von 0,2 bis 10 Mikron — gegenüber Durchmessern von 25 bis zu mehreren Hundert Ä bei den mikrokristallinen Kollagen gemäß der Erfindung —, ihre Langen aber überschreiten diese Dimensionen um ein Vielfaches.The very special one according to the invention. Acid treatment in the pH range mentioned leads to a water-insoluble collagen compound because 'in this pH range the acid reacts with the existing amino groups of the collagen. That way it forms a microcrystalline form of collagen, which is a form of collagen of a previously unknown type represents. Only such a form of collagen can be broken down to colloidal dimensions, that is to particle dimensions that do not exceed one micron in any direction. The fibrils after the The aforementioned British patent, on the other hand, have diameters of 0.2 to 10 microns - as opposed to Diameters from 25 to several hundred Å in the case of the microcrystalline collagen according to the invention -, but their lengths exceed these dimensions many times over.

•Die neue Form einer wasserunlöslichen Kollagenverbindung besteht aus Bündeln von Tropokollageneinheiten, die in der Länge variieren, und zwar von der Länge einer Tropokollageneinheit herab bis unter ein μ und im Durchmesser von etwa 25 A bis zu einigen Hundert Ä. Die durch die Erfindung erhältliche Kollagen verbindung enthält mindestens 10 Gewichtsprozent mikrokristalline, kolloidale Partikel, die im wesentlichen frei von Tropokollagen und Abkömmlingen davon sind und die viskositätsstabile vorteilhafte : wäßrige Gele mit niedrigen Konzentrationen in der Größenordnung von etwa 1 % bilden. :• The new form of a water-insoluble collagen compound consists of bundles of tropocollagen units that vary in length, from the length of a tropocollagen unit down to less than one μ and in diameter from about 25 Å to several hundred Å. The collagen compound obtainable by the invention contains at least 10 percent by weight of microcrystalline, colloidal particles which are essentially free of tropocollagen and derivatives thereof and which form viscosity-stable, advantageous: aqueous gels with low concentrations of the order of about 1%. :

Dies steht in scharfem Gegensatz zum Typ wäßriger Gele aus Tropokollagen und abgebauten Kollagen, wie Gelatine. Die Gele, die aus . diesen wasserlös- : liehen Substanzen bestehen, verdicken sich beim Stei hen, bilden gummiartige Massen und ihre Gebrauchs-¹ fähigkeit ist durch diesen Stabilitätsmangel stark eingeschränkt. Die wasserunlösliche Komposition nach der Erfindung bildet Gele mit wesentlich geringerem Prozentsatz von Feststoffen, wenn die wäßrige Dispersion einen pH-Wert von 2,6 bis 3,8, vorzugsweise von 3,2 hat. .This is in sharp contrast to the type of aqueous gels made from tropocollagen and degraded collagen, such as gelatin. The gels that made. These water- soluble: borrowed substances, then thicken the Stei hen, rubbery masses and their utility ¹ form capability is severely limited by this lack of stability. The water-insoluble composition according to the invention forms gels with a significantly lower percentage of solids when the aqueous dispersion has a pH of 2.6 to 3.8, preferably 3.2. .

Beim Verfahren nach der Erfindung kann jedes nicht denaturierte Kollagen im natürlichen Zustand entweder in Form von Hautstücken, Eingeweidestükken oder aus anderen Quellen, vorzugsweise im getrockneten Zustand benutzt werden, wobei die Trocknung unter nicht denaturierenden Bedingungen erfolgt, mit Rücksicht auf eine einfachere Behandlung im zerkleinerten Zustand.In the method according to the invention, any undenatured collagen can be used in its natural state either in the form of pieces of skin, intestines or from other sources, preferably in the dried form Condition, whereby the drying takes place under non-denaturing conditions, with a view to simpler handling in the crushed state.

Es ist wesentlich, daß das Ausgangsmaterial nicht denaturiert ist. Gebrauchsfähiges Material stellen frische Kuh- und Kalbshäute, ausgesalzene Kuhhäute, feuchte Elchhäute und in der Sonne getrocknete Schweinehäute, ferner Schaf- und Ziegenhäute, wie sie gewöhnlich für die Lederherstellung verwendet werden, dar, weiterhin ist ein spezielles, technisches Hautkollagen geeignet, das aus Hautabfallen mit einer reduzierten Bakterienzahl (ca. 30 bis 625 Bakterien pro cm²) hergestellt worden ist. Gefriergetrocknete Häute sind besonders geeignet. Wenn eine Haut in einem solchen' Zustand ist, daß sie für die Benutzung in der Gerberei zur Herstellung von zufriedenstellendem Leder verwendet werden kann, so ist sie ganz allgemein brauchbar für das Verfahren nach der Erfindung. Bei der Vorbereitung von rohen Kuhhäuten für die beschriebenen Zwecke ist es natürlich wünschenswert, Haar und Fleisch zu entfernen, damit keine Verunreinigungen auftreten können, die später entfernt werden müßten.It is essential that the starting material is not denatured. Usable materials are fresh cow and calf skins, salted out cow skins, damp elk skins and pork skins dried in the sun, as well as sheep and goat skins, as they are usually used for leather production, and a special, technical skin collagen made from skin waste is also suitable has been produced with a reduced number of bacteria (approx. 30 to 625 bacteria per cm ² ). Freeze-dried hides are particularly suitable. If a hide is in such a condition that it can be used for use in the tannery to make satisfactory leather, it is generally useful for the process of the invention. When preparing raw cowhides for the purposes described, it is of course desirable to remove hair and meat to avoid contamination which would later have to be removed.

Die Säurekonzentration variiert mit Art und Stärke der verwendeten Säure. Bei der Verwendung von Salzsäure werden optimale Ergebnisse mit einer Salzsäurelösung mit einem pH-Wert von etwa 2 erreicht. Bei Lösungen mit höheren Werten wird das erzielte Produkt nicht ganz so gut und wenn der pH-Wert unter 1,6 liegt, tritt eine Verringerung des Molekulargewichtes ein, die begleitet ist von der Bildung eines lösbaren Tropokollagens. Die gewünschten .Geleigenschaften gehen dabei verloren.The acid concentration varies with the type and strength of the acid used. When using For hydrochloric acid, optimal results are achieved with a hydrochloric acid solution with a pH of around 2. In the case of solutions with higher values, the product obtained is not quite as good and if the pH value is below 1.6, a decrease in molecular weight occurs, which is accompanied by the formation a soluble tropocollagen. The desired gel properties are then lost.

■ Die Hautsubstanz, die die Säure aufgesogen hat, wird in irgendeiner der bekannten Einrichtungen, wie Drehblatt- oder Scherblattmischer, behandelt, um mikrokristalline kolloidale Partikel zu erhalten, und zwar so lange, bis mindestens 10 Gewichtsprozent, vorzugsweise 15 bis 20 Gewichtsprozent, der Teilchen eine Teilchengröße von weniger als 1 Mikron, gemessen in jeder Richtung, aufweisen.■ The skin substance that has soaked up the acid is in any of the known facilities, such as Rotary blade or shear blade mixers, treated to obtain microcrystalline colloidal particles, and until at least 10 percent by weight, preferably 15 to 20 percent by weight, of the particles have a particle size of less than 1 micron measured in any direction.

example

Gefriergetrocknete Kuhhaut wurde in Salzsäurelösung vom pH-Wert 2 (2 g vakuumgetrocknete Haut, 200 ml verdünnte Säure) 15 Minuten lang bei Raumtemperatur eingeweicht. Danach folgte eine 25-minütige Behandlung bei nicht höherer Temperatur als 25 "C in einem Küchenmixer. Etwa 16% des Materials waren danach auf unter 1 Mikron aufgeschlossen. Das sich ergebende Gel hatte einen pH-Wert von 3,0 und eine Viskosität von 42 90OcP. Die Viskosität wurde bei. 25° C auf einem HBT Brookfield-Viskosimeter mit TB^:Spindel gemessen (10 μ/Minute).Freeze-dried cow skin was soaked in hydrochloric acid solution of pH 2 (2 g vacuum-dried skin, 200 ml dilute acid) for 15 minutes at room temperature. This was followed by a 25-minute treatment at a temperature no higher than 25 "C in a kitchen mixer. About 16% of the material was then digested to below 1 micron. The resulting gel had a pH of 3.0 and a viscosity of 42 90 ° C. The viscosity was measured at 25 ° C. on an HBT Brookfield viscometer with TB ^: spindle (10 μ / minute).

Bei Benutzung einer Säurelösung mit einem pH-Wert von 3 ergab sich ein Produkt mit einem pH-Wert von 5,4, das eine geringe Eindickungsneigung zeigte und mit nicht zerteilten Fasern angefüllt war. Die Viskosität betrug 480OcP. Eine stabile Dispersion ergab sich selbst dann nicht, wenn die mechanische Zerteilung verlängert wurde. Bei einem pH-Wert von 2,6 wurde eine Viskosität von 30 000 cP erhalten. Die Viskositäten der Produkte erreichten ein Maximum, wenn der pH-Wert der benutzten Säurelösungen in dem Bereich von 2,3 bis 2 lagen und fielen schnell in der Weise ab, daß - bei pH-Werten von unter 1,7 die Viskositäten wieder unter 30 000 cP lagen, worin sich der Abbau des Kollagens und die Bildung lösbarer Komponenten mit niedrigem Molekulargewicht spiegelt. Bei Benutzung einer wäßrigen Salzsäurelösung mit einem pH-Wert von 1,3 wird ein großer Teil des Hautmaterials zu Material mit sehr niedrigem Molekulargewicht abgebaut. Das Produkt hatte einen pH-Wert von 1,5 und eine Viskosität von weniger als 1000 cP.Using an acid solution with a pH of 3 resulted in a product with a pH value of 5.4, which showed a slight tendency to thicken and filled with undivided fibers was. The viscosity was 480 ocP. A stable dispersion did not result even if the mechanical Fragmentation was extended. At a pH of 2.6, a viscosity of 30,000 cP receive. The viscosities of the products reached a maximum when the pH of the used Acid solutions in the range of 2.3 to 2 ranged and quickly fell off in such a way that - at pH values of below 1.7, the viscosities were again below 30,000 cP, in which the degradation of the Collagen and the formation of soluble low molecular weight components. When using An aqueous hydrochloric acid solution with a pH of 1.3 breaks down a large part of the skin material into material with a very low molecular weight. The product had a pH of 1.5 and a viscosity of less than 1000 cP.

π Die Menge des auf unter I μ aufgeschlossenen Materials kann durch Sedimentation nach Verdünnung auf eine ausreichend niedrige Konzentration gemessen werden, die es zuläßt, daß sich die schweren Teilchen absetzen können.' Beispielsweise wurde ein lpro- zentiges Gel wie oben angeführt zubereitet und mindestens um das Zehnfache verdünnt. Diese Zubereitung blieb sechs Stunden stehen. Danach wurde der Feststoffgehalt des oberen Fünftels gemessen.π The amount of material digested below I μ can be measured by sedimentation after dilution to a sufficiently low concentration that allows the heavy particles to settle. ' For example, a 1 percent gel was prepared as detailed above and diluted at least ten times. This preparation remained standing for six hours. The solids content of the upper fifth was then measured.

Dieses Material zeigte Brown'sche Bewegung und enthielt kolloidal verteiltes Material. Eine Betrachtung mit dem Mikroskop ergab, daß diese Teilchen im we-j sentlichen alle eine Größe unter einem Mikron hat-: ten. Der Prozentsatz des auf unter einem Mikron auf-; geschlossenen Materials im ganzen Versuchsansatz konnte hieraus errechnet werden.This material showed Brownian motion and contained colloidally dispersed material. A consideration with the microscope showed that these particles are essentially all less than a micron in size: th. The percentage of on-; closed material in the whole experimental approach could be calculated from this.

Die Gele nach dieser Erfindung haben die Eigenschaft, die sie von den Gelen unterscheidet, welche aus Tropokollagen und niedrigeren Abkömmlingen hergestellt werden: Sie zeigen nur ein geringes Ansteigen der Viskosität sofort nach ihrer Herstellung und danach bleiben sie tagelang stabil.The gels of this invention have the property that distinguishes them from the gels, which are made from tropocollagen and lower derivatives: they show only a slight increase the viscosity immediately after their production and afterwards they remain stable for days.

Beispielsweise zeigte ein lrjrozentiges Gel gemäß der Erfindung sofort nach seiner Herstellung eine Viskosität bei ΙΟΟμ/Minuten von etwa 360OcP, die sich in einer Stunde auf 410OcP änderte. Diese Viskosität blieb während einer Lagerdauer von sechs Tagen im wesentlichen in dieser Größe erhalten.For example, an iron percent gel according to FIG of the invention immediately after its production a viscosity at ΙΟΟμ / minutes of about 360OcP, which Changed to 410OcP in an hour. This viscosity remained essentially in this size during a storage period of six days.

Bei Konzentrationen unter 0,5% sind die wäßrigen Dispersionen zu dünn, um tatsächlich als Gele betrachtet werden zu können. Ein 5prozentiges Gel des Produktes gemäß Beispiel ist extrem dickflüssig, aber es kann mit hohem Druck noch aus einer öffnung ex-.trudiert werden. Gele können mit höheren Feststoffgehalten angesetzt werden, aber ihre Behandlung wird dann schwierig. 'At concentrations below 0.5%, the aqueous dispersions are too thin to actually be regarded as gels to be able to. A 5 percent gel of the product according to the example is extremely thick, but it can still be extruded from an opening at high pressure will. Gels can be made up with higher solids contents, but their treatment will then difficult. '

Die nach der Erfindung hergestellten Gele haben noch eine weitere bemerkenswerte Eigenschaft: Dire Viskosität ist abhängig von der Scherkraft, das heißt, das lprozentige Gel gemäß Beispiel zeigt eine Viskosität, die in der Größenordnung von etwa 400 000 cP bei 0,5/VMinuten bis zu 360OcP bei lOO/iMinuten lag. Dabei ergibt sich in einem Diagramm bei Auftrag solcher Werte in logarithmischem Maßstab eine Gerade. Diese Verringerung der Viskosität mit wachsender Scherkraft macht dieses Material besonders geeignet als Trägersubstanz für auf Wasser basierende Farben, um Pigmentsuspensionen ohne Verlust der Streichfähigkeit einbringen zu können. Diese Gele zeigen kein Newtonsches Fließverhalten und kaum thixotropische Erscheinungen, und zwar durch die stäbchenförmige Struktur der in ihnen dispergierten, wasserunlöslichen, mikrokristallinen, kolloidalen Teilchen. Das mikrokristalline, kolloidale Kollagen nach derThe gels prepared according to the invention have another remarkable property: dire Viscosity depends on the shear force, i.e. the 1 percent gel according to the example shows a viscosity those of the order of about 400,000 cP at 0.5 / VMminute up to 360OcP at 100 / 1minute lay. This results in a diagram when such values are plotted on a logarithmic scale Just. This decrease in viscosity with increasing shear force makes this material particularly suitable as a carrier for water-based Colors in order to be able to introduce pigment suspensions without losing their spreadability. These gels show no Newtonian flow behavior and hardly any thixotropic phenomena, due to the rod-shaped Structure of the water-insoluble, microcrystalline, colloidal particles dispersed in them. The microcrystalline, colloidal collagen after the

5 ■ ' ■ ·. 6 J . 5 ■ '■ ·. 6 y .

Erfindung kann durch bekannte Gerbereitechniken Jedoch ist bei Anwendung von anderen Säuren alsInvention can be made by known tanning techniques. However, when using acids other than

vernetzt werden, um lederartige Produkte zu erhalten. Salzsäure, wie Schwefelsäure, Essigsäure, Bromwas-be crosslinked to obtain leather-like products. Hydrochloric acid, such as sulfuric acid, acetic acid, bromine

Anstelle von Salzsäure können bei dem Verfahren serstoffsäure und Zyanessigsäure, eine besondereInstead of hydrochloric acid, the process can use hydrogen acid and cyanoacetic acid, a special one

auch andere Säuren benutzt werden. sorgfältige Kontrolle des ph-Wertes erforderlich.other acids can also be used. careful control of the pH value is required.

Claims

Claim:

Process for the preparation of a water-insoluble collagen compound, wherein an aqueous solution an acid with a pH value below 3.0 is evenly distributed in a collagen body and the obtained mass is comminuted, characterized in that an aqueous solution with a pH between 1.7 and 2.6 is distributed in undenatured collagen and thereby the The pH of the mass is adjusted to 2.6 to 3.8 and the moist mass is crushed to such an extent that at least 10 percent by weight of the particles having a particle size of less than 1 micron, measured in any direction. .