DE19752585B4

DE19752585B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Verkapseln von mikrobiellen, pflanzlichen und tierischen Zellen bzw. von biologischen und chemischen Substanzen

Info

Publication number: DE19752585B4
Application number: DE19752585A
Authority: DE
Inventors: Raphael Dr. Plüss-Wenzinger; Christoph Dr. Heinzen; Fritz Prof. Dr. Widmer; Harry Dipl.-Ing. Brandenberger
Original assignee: Inotech AG
Current assignee: Inotech AG
Priority date: 1997-11-27
Filing date: 1997-11-27
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2017-11-28
Also published as: CA2254536A1; DE19752585A1; JPH11225739A; US6312942B1

Abstract

Vorrichtung zum Verkapseln von mikrobiellen pflanzlichen und tierischen Zellen bzw. von biologischen und chemischen Substanzen durch eine Düse (24) in kleine, kugelförmige Teilchen, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Düse (24) vorgeordneten und das Immobilisierungsgemisch aufnehmenden Pulsationskammer (14) ein Dauermagnet (40) zugeordnet, dieser gegenüber einer elektrischen Spule (44) angebracht sowie die Schwingung durch die mit Wechselstrom durchflossene Spule (44) und den Dauermagneten (40) erzeugbar ist, wobei sich eines der beiden Aggregate innerhalb der Pulsationskammer (14) bzw. auf einer die Pulsationskammer (14) überspannenden Membrane (32) befindet oder auf der Düse (24) bzw. auf der Düsenaufhängung (10) befestigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verkapseln von mikrobiellen, pflanzlichen und tierischen Zellen bzw. von biologischen und chemischen Substanzen durch eine Düse in kleine, kugelförmige Teilchen sowie ein damit durchführbares Verfahren.

Die Verkapselung von mikrobiellen, pflanzlichen und tierischen Zellen und von biologischen und chemischen Substanzen – wie Katalysatoren – ist vor allem in der Biotechnologie und der Medizin zur Immobilisierung von großer Bedeutung. In der Medizin dient die Verkapselung zusätzlich zum Abschirmen vor dem Immunsystem. Durch die Immobilisierung ist es möglich, die Zellen oder den Katalysator im Prozeß zurückzuhalten und gleichzeitig das Produkt zu ernten. Dadurch sind ein verlängerter Nutzen und eine erhöhte Raum-Zeit-Ausbeute möglich. Durch die Abschirmung der Zellen vor dem Immunsystem ist es möglich, einem Patienten körperfremde Zellen zu implantieren, die über längere Zeit einen gewünschten Stoff in den Körper des Patienten abgeben, ohne daß sie durch das Immunsystem des Patienten angegriffen und zerstört werden.

Die Verkapselung von Zellen und Katalysatoren in Biopolymere – wie Carrageenan oder Alginat – und synthetische Polymere – wie Polyacrylamid – ist eine in Forschungslabors seit einigen Jahren angewandte Methode. In der Literatur werden dafür viele verschiedene Vorrichtungen beschrieben. Eine der effizientesten Methoden ist das Zerteilen eines Strahls durch die Überlagerung einer externen Schwingung auf die Immobilisierungsflüssigkeit. Die Flüssigkeit wird dadurch beim laminaren Ausströmen aus einer Düse in gleich große Fraktionen aufgeteilt. Mehrere Methoden zur Schwingungsübertragung werden genutzt oder beschrieben, z.B. Koppelung an einen Vibrator, Piezokristall, Schallwellen.

Die DE 690 01 683 T2 befasst sich mit der Verwendung einer Lösung von Atelokollagen und Polyholosiden – beispielsweise Glucosaminoglykanen – zur Herstellung von Mikrokapseln, die vorzugsweise einen aktiven Wirkstoff, insbesondere des kosmetischen, pharmazeutischen oder essbaren Typs, enthalten. Dazu werden Mikrokapseln beschrieben, die eine gemischte Wand aus vernetztem Atelokollagen und Polyholosiden, beispielsweise Glucosaminoglykanen, enthalten. Das zum Erzeugen dieser Mikrokapseln vorgesehene Verfahren umfasst nacheinander die folgenden Schritte. Zuerst werden eine Lösung von Atelokollagen und eine Lösung von Polyholosiden – beispielsweise Glucosaminoglykanen – getrennt hergestellt, dann wird die Atelokollagenlösung mit der Lösung von Polyholosiden gemischt, um eine homogene Lösung von Atelokollagen und Polyholosiden zu bilden. Mit der Lösung von Atelokollagen und Polyholosiden – beispielsweise jenen Glucosaminoglykanen – als der dispersen Phase in einer die kontinuierliche Phase bildenden hydrophoben Flüssigkeit, wird eine Emulsion gebildet, in welcher das Atelokollagen und/oder die Polyholoside im wesentlichen unlöslich sind. Zur resultierenden Emulsion wird eine Lösung eines Vernetzungsmittels, enthaltend reaktive Gruppen, die mit den acylierbaren Gruppen des Atelokollagens und den Polyholosiden, beispielsweise Glucosaminoglykanen, reagieren können, zugegeben, um eine Grenzflächenvernetzungsreaktion zwischen dem Atelokollagen und den Polyholosiden einerseits und dem Vernetzungsmittel anderseits zu bewirken, um Mikrokapseln zu bilden, deren Wand eine gemischte Wand aus vernetztem Atelokollagen und Polyholosiden, ist.

Aus der EP 0 265 924 B1 geht eine Vorrichtung zur Erzeugung von einheitlichen Flüssigkeitströpfchen mit enger Teilchengrößenverteilung hervor, die einen Zylinder mit einem Einlass für eine Flüssigkeit und mindestens einer Öffnung auf weist, durch welche die Flüssigkeit abgegeben wird, einen in den Zylinder eingesetzten vibrierenden Stab, einen mit letzterem in Verbindung stehenden Vibrationsgenerator und einen O-Ring zur Abdichtung des Zwischenraums zwischen dem Zylinder und jenem vibrierenden Stab, der Vibrationen der Flüssigkeit erzeugt. Die einheitlichen Flüssigkeitströpfchen sind Polymerteilchen, deren jedes eine kugelförmige Gestalt, eine dreidimensionale Netzwerkstruktur sowie auf seiner Oberfläche eine Hautschicht aufweist, wobei mindestens 80 Vol.-% der gesamten Teilchen eine Teilchengröße haben, die innerhalb des Bereiches der volumendurchschnittlichen Teilchengröße ± 20 % liegt; die restlichen Teilchen besitzen eine Teilchengröße, die mehr als 5 % der volumendurchschnittlichen Teilchengröße beträgt.

DE 27 25 849 , EP 0 173 518 , US 4,981,625 , US 4,302,166 sowie JP 0 615 4587 A betreffen weitere Vorrichtungen zur Erzeugung sphärischer Teilchen unterschiedlicher Größe gegebenenfalls unter Einwirkung von Vibrationen und/oder eines elektrischen Feldes, welche Vorrichtungen jedoch noch verbesserungswürdig sind

WO 96/28247 der Anmelderin zeigt ein kommerzielles Verkapselungsgerät, bei dem die Schwingung durch eine starre Verbindung zu einem Vibrator übertragen wird. Diese Methode besitzt die Schwierigkeit, dass die Achse des Vibrators und die Achse zur Düse exakt ausgerichtet sein müssen, da sonst Störungen auftreten, welche die Homogenität der Kugelgröße massiv beeinträchtigen. Zudem ist der Vibrator teuer.

In Kenntnis dieses Standes der Technik hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu optimieren.

Zur Lösung dieser Aufgabe führen die Lehren der unabhängigen Patentansprüche; die Unteransprüche geben günstige Weiterbildungen an.

Im Rahmen der Erfindung liegt eine Vorrichtung, bei der eine der Düse vorgeordnete und das Immobilisierungsgemisch aufnehmende Pulsationskammer von einem Dauermagneten überlagert und dieser gegenüber einer elektrischen Spule angeordnet ist; die Schwingung ist durch die mit Wechselstrom durchflossene Spule und den Dauermagneten erzeugbar, wobei eines der beiden Aggregate erfindungsgemäß innerhalb der Pulsationskammer vorgesehen ist oder auf einer Membrane, welche die Pulsationskammer überspannt. Das andere Aggregat ist von dem der Pulsationskammer zugeordneten durch einen Luftspalt getrennt.

Bei einer anderen Ausführung der Vorrichtung sind Dauermagnet und elektrische Spule der Düse oder ihrer Aufhängung zugeordnet, so dass diese die Pulsation einzuleiten vermag.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung erzeugen die mit Wechselstrom durchflossene Spule und der Dauermagnet Schwingungen im bevorzugten Bereich von 300 bis 4000 Hz.

Nach dem mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchzuführenden Verfahren wird das Immobilisierungsgemisch durch Überlagerung einer externen Schwingung in gleich große Fraktionen geteilt, wobei diese Schwingungen auf das Immobilisierungsgemisch entweder innerhalb eines Pulsationsraumes oder über die in Pulsation versetzte Düse übertragen werden.

Dank der Erfindung wird mit einfachen Mitteln eine Miniaturisierung der Schwingungsübertragung ermöglicht bei sehr geringem Material- und Energieaufwand. Dadurch können die Kosten des Verfahrens und der Vorrichtung um ein Mehrfaches gegenüber den bisher bekannten Vibrationsverfahren gesenkt werden.

Die Erfindung beruht i.w. darauf, daß das Prinzip des Vibrators aus Magnet und mit Wechselstrom durchflossener Spule aus dem Vibrator herausgenommen wird und ein Teil davon direkt der Pulsationskammer zugeordnet ist. Wenn durch die Spule Wechselstrom gesandt wird, wird diese abwechselnd positiv und negativ magnetisiert. Die Magnetwellen interagieren mit dem darunterliegenden Magneten und versetzen diesen in Schwingungen. Letztere werden fast widerstandslos auf die Immobilisierungsflüssigkeit übertragen.

Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß die Ausrichtung von Magnet und Spule nicht auf 0,1 mm genau zentriert sein muß. Auch sind keine Achsen vorhanden, die exakt ausgerichtet werden müssen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
1: eine Schrägsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
2: die Draufsicht auf die teilweise geschnittene Vorrichtung;
3: den Schnitt durch 2 nach deren Linie III-III.
In einer nicht dargestellten Anlage für das sterile Verkapseln mikrobieller, planzlicher und tierischer Zellen ist oberhalb eines Härtungsbades eine beispielsweise rechteckige Tragplatte 10 der Dicke a angeordnet mit in das Zentrum ihrer Oberfläche 12 eingeformter Vertiefung 14 der Tiefe b; letztere entspricht etwa einem Drittel der Plattendicke a.
Die Vertiefung 14 ist von einer kreisförmigen Umfangswand 16 des Durchmessers d begrenzt, und vom Mittelpunkt ihres Bodens 18 geht eine Bohrung 20 aus. Diese mündet andernends in einer – in die Unterfläche 11 der Tragplatte 10 eingebrachten – napfartigen Einformung 22 des Durchmessers d₁ (etwa ein Drittel d), in welcher eine mit jener Bohrung 20 verbundene Düse 24 sitzt. Zudem führt in der Ebene des Bodens 18 ein Radialkanal 26 zu einem seitlichen Sackloch 28 für einen Anschlußstutzen 30.
Der Vertiefung 14 ist ein auf der Plattenoberfläche 12 – unter Zwischenschaltung einer Membrane 32 und einer Dichtung 34 – festgelegter Druckring 36 zugeordnet; dieser ist – wie auch die Dichtung 34 – mit einem Innendurchbruch 38 des Durchmessers d ausgestattet und spannt die einen Schei benmagneten 40 tragende Membrane 32 über der Vertiefung 14 auf, Der Durchmesser e des Scheibenmagneten 40 ist etwas länger als der Durchmesser d₁ der Einformung 22 für die Düse 24.
In Abstand zum Scheibenmagneten 40 hängt – zu dessen Mittelachse M zentriert – an einer Halterung 42 eine elektrische Spule 44. Scheibenmagnet 40 und die mit Wechselstrom durchflossene Spule 44 bilden einen Vibrator; wenn durch die Spule 44 Wechselstrom geleitet wird, wird sie abwechselnd positiv und negativ magnetisiert. Die Magnetwellen wirken auf dem darunterliegenden Scheibenmagneten 40 und versetzen diesen mit samt der Membrane 32 in Schwingungen.
In die Vertiefung 14, welche eine Pulsationskammer bildet, ist durch den Radialkanal 26 eine Immobilisierungsflüssigkeit eingeleitet worden, auf welche die Schwingungen fast widerstandslos übertragen werden. Das Einbringen dieses Immobilisierungsgemisches erfolgt mittels eines mechanischen Vorschubes oder durch Luftdruck in die Pulsationskammer oder Vertiefung 14; von dort wird das Immobilisierungsgemisch durch die Düse 24 gedrückt. Der dort entstehende Strahl Q zerfällt kurz nach dem Austritt aus der Düse 24 entsprechend der Frequenz der überlagerten Schwingung in gleichgroße Kugeln K. Bei etwa 700 Hz entstehen unter optimalen Bedingungen 700 gleichgroße Kugeln K je Sekunde, wobei die Homogenität der Kugelgestalt dank der reibungslosen Übertragung ausgezeichnet ist. Messungen haben gezeigt, daß die benötigte Leistung unter 0,2 W liegt.
Bei einer nicht dargestellten Ausführung ist der Dauermagnet 40 oder die Spule 44 unmittelbar an der Düse 24 vorgesehen und das jeweils andere Aggregat unter Bildung eines Luftspaltes zugeordnet.

Claims

Vorrichtung zum Verkapseln von mikrobiellen pflanzlichen und tierischen Zellen bzw. von biologischen und chemischen Substanzen durch eine Düse (24) in kleine, kugelförmige Teilchen, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Düse (24) vorgeordneten und das Immobilisierungsgemisch aufnehmenden Pulsationskammer (14) ein Dauermagnet (40) zugeordnet, dieser gegenüber einer elektrischen Spule (44) angebracht sowie die Schwingung durch die mit Wechselstrom durchflossene Spule (44) und den Dauermagneten (40) erzeugbar ist, wobei sich eines der beiden Aggregate innerhalb der Pulsationskammer (14) bzw. auf einer die Pulsationskammer (14) überspannenden Membrane (32) befindet oder auf der Düse (24) bzw. auf der Düsenaufhängung (10) befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (44) und der Dauermagnet (40) voneinander durch einen Luftspalt getrennt festgelegt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Schwingungen im Bereich von 300 bis 4000 Hz.
Verfahren zum Verkapseln von mikrobiellen pflanzlichen und tierischen Zellen bzw. von biologischen und chemischen Substanzen durch eine Düse (24) in kleine, kugelförmige Teilchen durch Vibration eines Immobilisierungsgemisches, unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Immobilisierungsgemisch durch Überlagerung einer externen Schwingung in gleichgroße Fraktionen geteilt wird, wobei die Schwingung auf das Immobilisierungsgemisch innerhalb der Pulsationskammer (14) oder über die in Pulsation versetzte Düse übertragen wird.