MXPA04001903A

MXPA04001903A - Produccion de pelicula, fibra o materiales adhesivos de biopolimero a partir de derivados de queratina s-sulfonados solubles.

Info

Publication number: MXPA04001903A
Application number: MXPA04001903A
Authority: MX
Inventors: Glen Bryson Warren
Original assignee: Keratec Ltd
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2005-03-07
Also published as: US20050053743A1; JP2005501153A; US20090062513A1; CA2458631A1; US20090069541A1; KR20040029096A; JP2009001015A; CA2458631C; EP1430090A1; CN1639233A; AU2002330798B2; US7465321B2; ZA200401408B; BR0212389A; JP4302518B2; KR100978348B1; WO2003018673A1; EP1430090A4; CN100560639C

Abstract

Se produce una pelicula, fibra, espuma y materiales adhesivos a partir de queratinas S-sulfonadas solubles. Una vez formadas las peliculas, fibras, espumas o adhesivos se tratan para modificar las propiedades de los materiales, en particular par mejorar la resistencia en humedo de los materiales. Los tratamientos usados incluyen la separacion del grupo S-sulfonato por tratamiento con un agente reductor, tratamiento con un acido o tratamiento con un agente de reticulado de proteina comun o tratamiento con una forma reducida de queratina o proteina de queratina. Se hacen las peliculas por vaciado de solvente de una solucion de proteinas de una queratina S-sulfonada, la espuma se hace por secado de congelacion de una solucion de proteinas de queratina S-sulfonada y las fibras se hacen por extrusion de una solucion de proteina de queratina S-sulfonada.

Description

PRODUCCIÓN DE PELICULA, FIBRA, ESPUMA O MATERIALES ADHESIVOS DE BIOPOLIMERO A PARTIR DE DERIVADOS DE QUERATINA S- SULFONADOS SOLUBLES.

CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a la preparación y uso de derivados solubles de queratina en la producción de un rango de materiales de biopolímero, tales como películas, fibras, espumas y adhesivos, y a la mejora de esos materiales usando tratamientos químicos adicionales.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las queratinas son un tipo de proteínas estructurales, ampliamente representadas en estructuras biológicas, especialmente en tejidos epiteliales de los vertebrados superiores . Las queratinas se pueden dividir en dos clases principales, las queratinas suaves (que se presentan en la piel y unos cuantos tejidos) y las queratinas duras formando el material de la uñas, pezuñas, cabello, cuernos y (en aves y reptiles) plumaje y escamas. Las queratinas duras pueden a su vez subdividirse además en los tipos estructurales descritos como a-queratina, ß-queratina, o queratina de las plumas. Las queratinas de los tipos a y ß tienen porciones estructurales predominantes diferentes en sus proteínas, en el caso anterior las Ref: 154249 estructuras supramoleculares basadas en la estructura secundaria de hélice alfa de las cadenas de protexna, y en el caso posterior en las porción de lámina plegada beta. Todas las queratinas se caracterizan por un alto nivel de cistina. de diaminoácido que contiene azufre, que actúa como un punto de reticulado entre las cadenas de proteína. Esta característica de un alto nivel de reticulado entre cadena a través de la cistina, da a las queratinas, especialmente a las queratinas duras, sus características de dureza, durabilidad, resistencia a la degradación y propiedades mecánicas deseables. Los contenidos de cistina varían ampliamente en las queratinas, lo cual se refleja en su variación en las propiedades mecánicas . La lana y el pelo son ejemplos de alfa queratina dura. Sin embargo aun en una alfa queratina dada, existen muchas clases de proteína estructural presente, y las propiedades mecánicas aparecen a partir de una organización supramolecular sofisticada de proteínas de muchos tipos diferentes, para crear una morfología compleja con un comportamiento mecánico correspondientemente complejo. Un objetivo de la invención es proporcionar materiales de biopolímeros derivados de derivados de queratinas solubles, y métodos de producción para la producción de los materiales de biopolímeros.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN De acuerdo con aspecto más amplio de la invención, se suministran materiales derivados de proteínas de queratina S-sulfonada como se define aquí, en forma de películas, fibras, espumas o adhesivos. Las proteínas de queratina S-sulfonada se pueden derivar de queratina de la lana y enriquecerse en proteínas de filamentos intermediarias . De acuerdo con otro aspecto de la invención, se suministra un método de proceso para la formación de películas a partir de proteínas de queratina S-sulfonadas , en las cuales una solución de las proteínas se vacía y los solventes en solución se evaporan para dejar una película de proteína . Las soluciones usadas pueden ser de base acuosa, incluyendo una proporción de solventes orgánicos. Las películas producidas por este método de procesamiento, son inherentemente solubles en agua o la mezcla de solvente s'e usa para vaciar la película. Otro aspecto de la invención, describe un método para mejorar la resistencia en húmedo de películas, producidas por el método del proceso al usar agentes químicos tales como tioles y fosfinas, que retiran el grupo sulfonato y permiten la formación de enlaces bisulfuro dentro de la película de proteínas. Los enlaces bisulfuro proporcionan a la película resistencia en húmedo.

Se describe otro método de mejora de la resistencia en húmedo en una película producida por el método del proceso, en el cual las soluciones acidas de usan para tratar la película de proteína, y a través de un proceso de protonación de los grupos sulfonato y cualesquiera otros grupos polares adecuados dentro de la proteína, la película se vuelve insoluble en agua y tiene una resistencia importante en húmedo . Otro aspecto de la invención, describe la introducción de reticulados en una película, producido por el método del proceso a través del uso de agentes de reticulado tales cómo aquellos usados comúnmente en modificaciones de proteínas, que se dirigen a un rango de grupos funcionales presentes dentro de la proteína. Un aspecto adicional de la invención es un método para la producción de películas de proteína, usando una solución que comprende una combinación de proteínas de queratina S-sulfonada y proteínas reducidas en queratina, o péptidos que contienen residuos de cisteína reactivos. Las especies se combinan para formar una red de queratina reticulada y posteriormente una película de proteínas con buenas propiedades de resistencia en húmedo. Este método de combinación de las queratinas S-sulfonadas y reducidas, también se puede aplicar a la producción de fibras, espumas y adhesivos de queratina.

Un aspecto adicional de la invención, es un método para la producción de fibras de queratina a través de la extrusión de una solución que comprende proteínas de queratina S-sulfonadas, a través de una hilera para filamentos dentro de un baño de coagulación que provoca que la proteína se vuelva insoluble. En particular el baño de coagulación puede contener reductores, tales como tioles o fosfinas, que provocan la eliminación del grupo sulfonato de la proteína y conducen a la formación de grupos bisulfuro. Además el baño de coagulación puede contener agentes de reticulado tal como formaldehído o glutaraldehído, los cuales provocan que" las proteínas se vuelvan insolubles al contacto con el baño de coagulación. Además el baño de coagulación puede ser a un pH ácido, lo cual también provoca que la solución de proteínas se vuelva insoluble . Un aspecto adicional de la invención, es un método para la producción de fibras de queratina a través de la extrusión de una solución que comprende proteínas de queratina S-sulfonada, a través de un hilera para filamentos dentro de un ambiente caliente, a través del cual se retira rápidamente el solvente y permanece un material de queratina fibroso. Las fibras producidas de esta manera, se pueden además procesar a través de tratamientos químicos en húmedo para mejorar la resistencia en húmedo de las fibras a través de la formación de reticulados, o por la protonación de la proteína en formas similares a aquellas antes descritas para películas de queratina . Un aspecto adicional de la invención, es un método para la producción de espumas de queratina a través del secado por congelación de una solución de proteína de queratina S-sulfonada. Las espumas producidas de esta manera, se pueden modificar usando métodos similares a aquellos descritos para las películas de queratina, esto es, a través del uso de un reductor tal como un tiol o una fosfina para retirar el grupo S-sulfonato, a través del uso de proteínas o péptidos reducidos de queratina para retirar el grupo S-sulfonato, a través del uso de una solución acida para protonar el grupo S-sulfonato y la proteína, o a través del uso de agentes de reticulado tales como el formaldehído y glutaraldehído para modificar la proteína. Un aspecto adicional de la invención es un rango de adhesivos basados en queratina que comprenden al menos en parte una solución de proteínas de queratina S-sulfonada. Estos adhesivos se pueden hacer para tener propiedades de resistencia en húmedo a través del uso de agentes reductores tales como tioles o fosfinas. Alternativamente, se puede impartir la resistencia en húmedo a través del uso de una proteína de queratina reducida o péptido de queratina reducido, para crear una red de queratina reticulada. Estos dos conjuntos de reactivos pueden formar un adhesivo de dos recipientes . La flexibilidad de las películas, fibras, espumas, y adhesivos producidos por los métodos descritos, se puede modificar a través del uso de plastificantes tales como aquellos a partir de familias de glicerol o del polietilenglicol . De acuerdo con aspecto adicional de la invención, se suministra una película, fibra, espuma o material adhesivo derivado de derivados de queratina de alto peso molecular, como se describe y reivindica en PCT/NZ02/00125 , por lo cual el proceso incluye un paso de digestión de primera etapa de sulfonación de una fuente de queratina, por una sulfitólisis oxidante, seguida por una extracción acuosa repetitiva de segunda etapa, que involucra la separación de queratina soluble e insoluble y la reextracción posterior de la queratina insoluble para con ello, producir un derivado de queratina altamente S-sulfonado. La fuente de queratina de proteína puede ser una fuente de proteína que se presenta naturalmente . De acuerdo todavía con un aspecto adicional de la invención, se suministra un película, fibra, espuma o material adhesivo, derivado de proteínas de un filamento intermediario de queratina altamente S-sulfonada, peptidos de queratina solubles o una proteína purificada con poco o ningún daño a la integridad estructural de la proteína cuando se produce a partir de un fuente de protelna impura como se describe o reivindica en PCT/NZ02/00125. De acuerdo todavía con un aspecto adicional de la invención, se suministra una combinación de soluciones de ingeniería para producir un material de película, fibra, espuma, o adhesivo derivados de proteínas de queratinas S-sulfonadas . De acuerdo todavía con otro aspecto de la invención se proporciona un material de película, fibra, espuma o adhesivo obtenido de una proteína producida a partir de un método de recuperación a gran escala como se describe y reivindica en PCT/NZ02/00125.

DESCRIPCIÓN DE LOS EJEMPLOS PREFERIDOS Las características de esta invención citan específicamente algunos métodos y aplicaciones con base en alfa-queratinas duras de la lana. Sin embargo el principio puede igualmente aplicar bien a alfa-queratinas alternativas, cualquier fuente de queratina que pueda producir proteínas de tipo filamento intermediario (IF por sus siglas en inglés) . Se han aplicado métodos preparativos similares por los solicitantes a otras fuentes de queratina tales como plumas, para producir materiales igualmente bien adecuados para algunas de las aplicaciones abajo descritas. Las características de esta invención, pretenden cubrir el uso de tales queratinas, en aplicaciones que no dependen de la presencia de proteínas del tipo alfa (proteínas IF) . Esto incluye aplicaciones en donde las preparaciones basadas en queratina beta o de plumas pueden combinarse con proteínas IF. Las características de dureza e insolubilidad típica de las queratinas duras son propiedades deseables en muchos materiales industriales. Además los materiales de queratina son biodegradables y se producen ' a través de un recurso sostenible y como tal, tienen un potencial importante para su uso como un substituto de polímero de base aceite en muchas aplicaciones, tales como películas, fibras y adhesivos. Su uso en cosméticos y en aplicaciones para el cuidado personal ya está bien establecido, y se propone una extensión a los materiales médicos usando materiales tales como aquellos descritos en esta especificación. La lana representa una fuente conveniente de alfa-queratina duras, aunque cualquier otra fibra animal, o cuernos, o pezuñas, serviría igualmente bien como fuente de proteínas deseadas. La lana está compuesta aproximadamente de 95% de queratina, que se puede dividir ampliamente en tres clases de proteínas. Las proteínas de filamento intermedio, son típicamente de alto peso molecular (45-60kD) , con una estructura terciaria fibrilar parcialmente y un contenido de cisteína del orden del 6%. Cuenta por aproximadamente 58% de la fibra de lana en masa aunque solamente una parte de esta masa forma realmente hélices en la estructura. Las proteínas de alto azufre y ultra alto azufre aproximadamente 26% de la fibra de lana, son globulares en estructura, tienen un peso molecular en el rango de 10-40kD y pueden contener niveles de cisterna de hasta 30 % mol. Las proteínas de alta glicina-tirosina son una clase menor que comprende 6 % de la fibra de lana, tienen pesos moleculares del orden de 10 kD y se caracterizan por su alto contenido de residuos de aminoácidos de glicina y tirosina. Las proteínas de tipos diferentes de queratinas de lana, poseen características que les darán ventajas únicas en aplicaciones específicas. Esta invención se refiere principalmente, al uso de proteínas de filamentos intermediarios, y el uso de estos para producir películas, fibras, espumas y adhesivos. Sin embargo, las. otras proteínas no fibrilares tienen aplicaciones por su propio derecho en campos más restringidos . Similarmente las queratinas de plumas, derivadas de procesos extractivos similares a aquellos aplicados a la lana, tienen aplicaciones valiosas específicas en ciertas áreas como se define a continuación, pero no contienen las proteínas IF que parecen ser deseables en algunos usos finales .

Los derivados de queratina solubles usados en el método y los tratamientos químicos posteriores descritos ' en esta especificación, se obtuvieron de lana o plumas ya sea por reducción usando sulfuro de sodio o por sulfitólisis oxidante . Un ej emplo del proceso para la producción de derivados solubles de queratina, se describe en la especificación de patente del solicitante PCT/NZ02/00125 la descripción lo cual se incorpora aquí a manera de referencia. La reducción de lana o queratina de plumas usando sulfuro de sodio, involucra la disolución en una solución diluida de sulfuro de sodio (u otra solución de sulfuro) . La combinación de un alto pH de la solución y la concentración del S-sulfuro resulta que la queratina se degrada hasta cierto grado, con una hidrólisis posible de alguno de los enlaces péptidos que se presentan, así como los enlaces bisulfuro que se reducen para producir una proteína rica en tiol y en funcionalidad de polisulfuro. La función rica en tiol de la proteína aislada, se puede confirmar usando reactivos tales como nitroprusida . La sulfitólisis oxidante involucra la conversión de la cisteína en queratina, hacia S-sulfocisteína por la acción del sulfito de sodio y un oxidante. No sucede la hidrólisis de péptidos y la queratina solubilizada tiene una distribución de peso molecular muy similar a aquella en el estado sin queratinizar . Las proteínas derivadas de esta manera se refieren aquí como proteínas de queratina S-sulfonada a través de los métodos de proceso, o se aislan a partir de una solución de sulfitólisis oxidante en forma cida, que es como ácido queratein S-sulfonico. La proteína de queratina S-sulfonada es soluble solamente como la sal que ^se puede preparar por la adición de la base a la proteína de queratina S-sulfonada. Para la preparación de películas a partir de la proteína del filamento intermediario de queratina de lana S-sulfonada, es conveniente preparar una solución de proteína al 5% al suspender la proteína de queratina S-sulfonada en agua, y agregar una base tal como hidróxido de sodio o amoniaco para dar una composición final de 1 mi de NaOH 1M, o una base equivalente por gramo de proteína para dar una solución con un pH final en el rango de 9-10. Al vaciar esta solución en una superficie plana tal como una placa de vidrio y permitir que se evapore el agua y/o amoniaco a temperatura ambiente, resulta en la formación de una película de queratina. Estas películas de queratina tiene un alto grado de claridad y tienen las propiedades físicas detalladas en la tabla 1 a continuación. En las películas no tratadas es probable que haya poco o ningún enlace covalente que suceda entre las proteínas de queratina dentro del material cuando los enlaces bisulfuro presentes en la queratina original se ha convertido a la S-sulfocisteína . El enlace de hidrógeno y otras interacciones no covalentes que se presentan entre las proteínas son claramente importantes ya que la resistencia la tensión del material en el estado seco es relativamente alta. Las interacciones de tipo de enlace de hidrogeno se superan en presencia de agua, se reflejan por una gran disminución en la resistencia a la tensión bajo condiciones húmedas. Las propiedades físicas de los materiales derivados de las proteínas de queratina S-sul onadas , dependen en un amplio grado en la naturaleza de las interacciones entre las proteínas que comprenden el material . Esto se puede afectar significativamente por diversos tratamientos químicos, siendo uno de los tratamientos más importantes el uso de un reductor para retirar el grupo sulfonato de la proteína para dejar una función tiol . Bajo condiciones atmosféricas o en presencia de un oxidante tal como peróxido de hidrógeno diluido, estas funciones de tiol se recombinan para formar enlaces bisulfuro y regresan la naturaleza química del material de queratina a uno más cercano a su forma original, esto es, proteínas que contienen una alta proporción de ligaduras de bisulfuro y cistina. El tratamiento con agente reductor tal como el tioglicolato de amonio a un pH de 7 por 30 minutos, o tributilfosfina por 24 horas, es una forma efectiva de retirar la función sulfonato de queratina S-sulfonada. Esto se puede confirmar utilizando estudios infrarrojo ya que el grupo S-sulfonato da lugar a absorbancia fuerte uniforme a 1022cm"1 que parece desaparecer al exponerse al S-sulfonado a los reactivos descritos. En un aspecto de la invención el reductor usado para retirar la función sulfonato e introducir bisulfuro de cistina es en si mismo una proteína de queratina. Las proteínas reducidas de queratina o péptidos de queratina que contiene la función tiol se pueden producir fácilmente por el proceso de disolución de bisulfuro antes descrito. Las proteínas de queratina preparadas de esta manera contienen el grupo reductor de cisterna que se puede colocar covalentemente de manera directa al grupo S-sulfonato para formar un bisulfuro de cistina. De esta manera una red de queratina reticulada se forma sin el uso de otros agentes. En el caso de las películas de proteínas de filamento intermediario de queratina de lana S-sulfonada, el tratamiento reductor mejora significativamente las propiedades de resistencia en húmedo del material como se indica por la tabla 1. El material conserva un buen grado de flexibilidad cuando está húmedo. Otros tratamientos químicos también afectan las propiedades de la película. El tratamiento con un ácido tal como el ácido clorhídrico 1M, protona los grupos básicos dentro de la proteína y convierte la S-sulfocisteína presente como sal de sodio o de amonio al ácido S-sulfónico. Esto puede mejorar las interacciones de enlace de hidrógeno ya que la resistencia en húmedo de la película se mejora claramente y no se han introducido enlaces covalentes. La funcionalidad del S-sulfonato como se determina por absorción infrarroja permanece intacta. Los tratamientos de reticulado con proteína estándar tal como el uso del formaldehído o glutaraldehído, también mejoran la resistencia en húmedo de la película e introducen rigidez en los estados seco y húmedo. Esto se logra a través del reticulado de proteínas en un forma que no se dirige específicamente a la funcionalidad sulfonato y muchos de los residuos de aminoácidos que contienen grupos laterales nucleofílieos tales como lisina, tirosina y cistina pueden involucrarse en el reticulado.

Tabla 1. Datos de resistencia, extensión y crecimiento de volumen para películas de proteína.

Cv = coeficiente de variación, Las soluciones de proteina S-sulfonadas de queratina, se pueden usar para producir fibras reconstituidas de queratina por una diversidad de métodos de extrusión. Usando un método de hilatura en húmedo, similar en concepto a la hilatura de rayón viscosa, en la_ cual se extruye una solución de un material en un baño de coagulación en el cual el material es insoluble, se pueden extruir soluciones de proteína de queratina S-sulfonadas en soluciones que contienen productos químicos que hacen que la proteína se vuelva insoluble. Cualquiera de los 3 métodos descritos para tratar químicamente películas de queratina S-sulfonadas se puede emplear en el baño de coagulación usado para generar fibras de queratina. Al emplear reductores tales como el tioglicolato de amonio en el baño de coagulación, las proteínas de queratina S-sulfonadas se convierten de vuelta a queratinas que contienen bisulfuros de cistina a través de un proceso de hilatura en húmedo, con lo cual se producen fibras reconstituidas de queratina que tienen una multitud de ligaduras de bisulfuro y buenas propiedades físicas. Al utilizar condiciones acidas, las proteínas de queratina S- sulfonadas se protonan y se hacen posteriormente insolubles . Al usar agentes de reticulado tales como el formaldehído y glutaraldehído, la proteína también se vuelve insoluble. Los baños de coagulación pueden también contener altas concentraciones de sal o solvente para ayudar en el proceso de formación de fibra. En cada caso, la precipitación de la proteína extruida sucede, posiblemente solo en ' la capa externa del filamento extruido, y se forma una fibra con integridad mecánica suficiente, para permitir que se recolecte del baño de coagulación y se someta a tratamientos adicionales tales como estirado u otros procesos químicos. Se puede también emplear un método de hilatura en seco para la producción de fibras de queratina reconstituidas. El método es similar en concepto a la formación de películas de queratina S-sulfonadas antes descritas, en el cual se retira el solvente de una solución de proteína de queratina S-sulfonada, y permanece el material de queratina. En la formación de fibras, este método se emplea al extruir una solución de proteína de queratina S-sulfonada que tiene una composición típicamente desde 6-10% de proteína y hasta un 50% . de un solvente tal como acetona, etanol o alcohol isopropílico, con la porción restante de la solución que es agua y una base tal como el hidróxido de sodio para dar un pH de 9-10. Esta solución se extruye hacia abajo en una cámara que contiene una corriente de aire caliente descendente continuo, que provoca que se evapore rápidamente el solvente, y permanezca una fibra de queratina S-sulfonada. Los tratamientos químicos posteriores, tales como los tratamientos de reticulado, ácidos o reductores descritos para las películas de queratina antes descritas, se pueden emplear para impartir propiedades de resistencia en húmedo para las fibras de queratina producidas por este método. Se pueden usar soluciones de queratinas S-sulfonadas para preparar espumas de proteina altamente porosas . Esto se logra por secado de congelación de una solución, preparada como se describe para el vaciado de películas de queratina. Con objeto de producir espumas, se vacía la solución en un recipiente adecuado o superficie y se congela previo a secarse por congelación. La red porosa resultante es una espuma de una proteína de queratina S-sulfonada. Al igual que en las formas de película y fibra de este material, la aplicación de modificaciones químicas a la proteína tiene un efecto importante en las propiedades húmedas del material . En particular, la aplicación de reductores tales como el tioglicolato de amonio o tributilfosfina, bajo condiciones similares a aquellas aplicadas a la película de proteína, resulta en el retiro del grupo S-sulfonato y la formación de una red de enlaces bisulfuro y disminuye posteriormente la solubilidad e incrementa la resistencia en húmedo de la espuma. También se puede usar una forma reducida de queratina para un efecto similar,- resultando nuevamente en la formación de una espuma que comprende una proteína de queratina interconectada a través de una red de enlace bisulfuro. El tratamiento de la espuma con un ácido tal como el ácido clorhídrico 1M, resulta en la protonación de algunos grupos disponibles dentro del material tal como grupo S-sulfonato y un incremento posterior en la resistencia en húmedo del material. También se pueden usar agentes de reticulado tal como el formaldehído y glutaraldehído para modificar significativamente las propiedades en húmedo de la espuma. Todas las aplicaciones anteriores se refieren preferentemente al caso de las proteínas de tipo IF preparadas a partir de a-gueratinas duras tal como lana, pero otras aplicaciones tales como las siguientes pueden usar gueratinas de otras fuentes tales como queratinas de plumaje.

Las soluciones de queratinas obtenidas de la lana o de las plumas por reducción usando sulfuro de sodio o por sulfitólisis oxidante como se describe arriba, muestran propiedades adhesivas importantes en diversas aplicaciones. Sin embargo, está limitado a la resistencia en húmedo en ambos de estos adhesivos. La queratina que se hace soluble por reducción de sulfuro se degrada hasta cierto grado y contiene cadenas de proteína de peso molecular inferior que en la lana original. Los polímeros de queratina derivados de S-sulfonato no contienen reticulados covalentes, y las interacciones de enlace a hidrógeno se debilitan significativamente en agua como se demuestra por las películas de queratina antes descritas. Sin embargo, la resistencia en húmedo y las propiedades adhesivas se pueden mejorar ampliamente al reformar los reticulados de bisulfuro, al agregar un oxidante en el caso de proteínas derivadas de sulfuro, o un agente reductor en el caso de proteína de queratina S-sulfonada. Por tales medios, se puede lograr un enlace adhesivo muy efectivo, por ejemplo en compuestos de partículas de madera unidos con proteínas derivadas de sulfuro oxidadas. Una característica particular de esta invención, se refiere al reconocimiento de que la proteína derivada de sulfuro y las proteínas de queratina S-sulfonadas se pueden usar en conjunto para crear estructuras altamente reticuladas con propiedades muy superiores. Como se observa arriba, la clase anterior de proteína se puede reticular por oxidación, y la última por reducción. Las 2 clase de proteínas, una que está en un estado reducido y la otra en un estado oxidado, formarán cuando se mezclen un sistema de autoreticulado . En efecto en tal sistema, la adición de una proteína derivada de sulfuro actúa como un reductor y un agente de reticulado para convertirlo en grupos S-sulfonato en el otro componente para los enlaces de bisulfuro. Tal sistema de autoreticulado de 2 recipientes es un aspecto particular de la invención, que tendrá aplicaciones en muchas formas de productos y tiene la ventaja de eliminar materiales de bajo peso molecular, volátiles y la necesidad de utilizar solventes en algunas formas de fabricación de productos. Así, se esperará que tales compuestos se puedan formar a partir de mezclas de sólidos o dispersiones viscosas sin encogimiento. En tales sistemas de 2 componentes, las proteínas de queratina de S-sulfonato y derivadas de sulfuro respectivas, se pueden producir a partir de fuentes de queratina iguales o diferentes. Por ejemplo, si las características de propiedades mecánicas asociadas con las proteínas IF fueron deseables, la proteína de queratina S-sulfonada se puede derivar a partir de una a-queratina dura tal como la lana, y la proteína derivada de sulfuro de otra fuente de queratina tal como las plumas . Un sistema alternativo de 2 componentes es uno que utilizará un reductor de la familia del tiol o la fosfina, además de las proteínas de queratina S-sulfonadas . Al combinar las soluciones de estos 2 materiales, resulta en la eliminación de un grupo sulfonato y la formación de bisulfuros de cistina en la forma antes descrita para películas y fibras de queratina. Esto da lugar a una formulación adhesiva con buenas propiedades de resistencia en húmedo . Por tales medios, las proteínas de fuentes diferentes a las queratinas duras se pueden incorporar en muchas clases de productos antes descritas, por lo tanto las características en esta invención abarcan fuentes de queratina en general, y no están restringidas a a-queratinas duras.

Los reactivos polares solubles, de bajo peso molecular tal como el polietilen glicol o el glicerol, se pueden emplear como agentes plastificantes para dar flexibilidad a loa materiales de queratina. Estos agentes se emplean mejor por la inclusión en las soluciones de queratina usadas como punto de partida para la formación de películas, fibras o adhesivos .

EJEMPLOS Ejemplo la. Preparación de una película de queratina. Con objeto de preparar una- película de queratina S-sulfonada, se prepara una solución de proteína de queratina al 5%, al suspender 0.5 g de proteína de filamento intermediario de queratina de lana S-sulfonada en agua, seguido por la adición gradual de 0.5 mi de hidróxido de sodio 1M a la solución vigorosamente agitada durante aproximadamente 2 horas . Se observa cuidadosamente el pH de la solución y se observa que se eleva hasta ~pH 10 con la adición inmediata de la base, y cae gradualmente cuando la base se absorbe por disolución de la proteína. Se obtuvo un pH final de 9.5. La solución de proteína se centrifuga a 34,000 g para retirar cualquier material insoluble y se vacía la solución resultante en una caja petri de 100 mm cuadrados y se deja secar bajo condiciones ambientes. Después de secar, permanece una película de proteína transparente que se puede retirar fácilmente de la caja petri .

Ejemplo Ib. Retic lado de bisulfuro de las películas de proteína Con objeto de mejorar la resistencia en húmedo de las películas de queratina S-sulfonada, se introdujeron reticulados de bisulfuro a la película al sumergir las películas producidas en el ejemplo la en una solución que contiene un agente reductor. Un ejemplo es una solución que comprende tioglicolato de amonio 0.25 M y solución amortiguadora de fosfato de potasio 0.1 M ajustada a pH 7.0. Otro ejemplo es una solución que comprende ácido tioglicolico 1M. Otro ejemplo es una solución que contiene 85 microlitros de tributilfosfina en 20 mi de solución amortiguadora de borato 0.2 al 10% (v/v) en dimetilformamida amortiguada hasta pH 9.0. Después de la inmersión en la solución con agitación moderada por 30 minutos en el caso de los tioles y 24 horas en el caso de la fosfina, se retiró la película de queratina, se enjuagó brevemente con agua y se dejó secar bajo condiciones ambientes.

Ejemplo le. Protonacion de las películas de protexna Con objeto de mejorar la resistencia en húmedo de las películas de queratina S-sulfonadas , se usó ácido para protonar todos los sitios disponibles en las proteínas. Esto se logró a través de la inmersión de la película producida en el ejemplo la en ácido clorhídrico 1M por 30 minutos. Después de una lavada breve con agua se dejó secar la película bajo condiciones ambientes .

Ejemplo Id. Reticulados sin bisulfuro de las películas de proteína Con objeto de mejorar la resistencia en húmedo de películas de gueratina S-sulfonadas , se usaron agentes de reticulado para unir juntas a las proteínas químicamente. En un caso esto se logro a través del uso de una solución de formaldehído al 8% en solución amortiguadora de fosfato a 0.1M a pH 7.0. la película se sumergió en esta solución por 30 minutos, se lavó brevemente con agua y se dejó secar bajo condiciones ambientales. En otro caso, se logró el reticulado a través del uso de una solución de glutaraldehído al 5% en solución amortiguadora de fosfato 0.1 M a pH 7.0. Se sumergió la película en esta solución por 30 minutos, se lavó brevemente con agua y se dejó secar bajo condiciones ambientes por 30 minutos.

Ejemplo le, Plastificado de las películas de proteína En una variación del ejemplo la, las películas de proteínas flexibles se hacen al incorporar glicerol o polietilenglicol en la solución de proteínas descritas en el ejemplo la a un nivel de hasta 0.2g por gramo de proteína previo al colado de la película. Las películas resultantes tienen una flexibilidad superior, como se determina por la extensión con mediciones de rompimiento que las películas análogas que no contienen plastificant .

Ejemplo 2a. Producción de fibras de queratina a través de hilatura en húmedo y reticulado de bxsulfuro Con objeto de preparar la fibras derivadas de proteínas de queratina S-sulfonadas , se preparó un aditivo o mej orador de hilatura en una forma similar a aquella preparada en el ejemplo la, con la diferencia de que para la extrusión de las fibras, la concentración de proteína en la solución estuvo en el rango de 6-15%. Un plastificante , tal como aquellos descritos en el ejemplo le, se agregó al aditivo o mejorador de hilatura. Después de centrifugar para retirar los sólidos y el aire arrastrado, se forzó el aditivo o mejorador, usando una bomba de desplazamiento positivo tal como una bomba de engranes o de jeringa, o presión de aire a través de una hilera para filamentos en una baño de coagulación. El baño de coagulación tuvo una composición de tioglicolato de amonio 1M, fosfato de sodio 0.4M, sulfato de sodio 0.25M, glicerol al 2% todos a un pH de 7.0.

Ejemplo 2b, Producción de fibras de queratina a través de hilatura en húmedo y reticulado sin bisulfuro En una variación del ejemplo 2a, se extruyeron fibras en un baño de coagulación con una composición de tioglicolato de amonio 0.25M, fosfato de sodio 0.1M, formaldehído 8% y glicerol al 2%. Esto sirvió para formar fibras firmes sin formar enlaces bisulfuro como se muestra por el análisis infrarrojo que indica claramente la presencia del grupo S-sulfonato. El tratamiento posterior de las fibras con soluciones que contienen reductores tal como el tioglicolato de amonio a concentración de 0.25M y un pH de 7.0 con solución amortiguadora de fosfato de potasio 0.1M fue suficiente para retirar el grupo S-sulfonato y reformar los enlaces de bisulfuro.

Ejemplo 2c. Producción de fibras de queratina a través de hilatura en seco Con objeto de producir fibras a través de un proceso de hilatura en seco, primero se prepara un aditivo o mejorador de hilatura en una forma similar a aquella descrita en el ejemplo 2a. En una variación a la preparación del aditivo o mejorador, se agregó un solvente tal como acetona o alcohol isopropílico al aditivo para dar una proteína con composición final en el rango de 6-15%, solvente en el rango 20-50% y plastificante en el rango de 1-3%. Se extruyó el aditivo a través de una hilera para filamentos usando tecnología similar a aquella descrita en el ejemplo 2a, descendiendo en una cámara con una corriente de aire caliente descendiente continuo. Esto provocó que el solvente se evaporara rápidamente dejando una fibra de queratina. El procesamiento posterior en húmedo de la fibra a través del uso de ácido, reductor y agentes de reticulado del tipo descrito en los ejemplos 1, se usó para mejorar las propiedades de resistencia en húmedo de la fibra.

Ejemplo 3a. Producción de una espuma de queratina Una solución de proteína de queratina S-sulfonada, preparada hasta una concentración de proteína de 5% como se describe en el ejemplo la, se usó para crear una espuma de queratina al congelar la solución en una caja petri de 100' mm cuadrados y secando por congelación al sólido resultante.

Ejemplo 3b. Modificación química de la espuma de queratina Las soluciones químicas que contienen reductores, ácidos o agentes de reticulado de los descritos en los ejemplos Ib, c y d, se aplicaron a la espuma de queratina, a una forma idéntica a aquella descrita para la película de queratina. Resultó una espuma de queratina con una solubilidad significativamente reducida y una resistencia en húmedo mejorada.

Ejemplo 4a. Aplicación de un adhesivo de queratina para unir madera Una solución de protelna de queratina S-sulfonada preparada para una concentración de proteína de 5% como se describe en el ejemplo la, se usó para unir astillas de madera al mezclar la solución de queratina con astillas de madera, en una relación de 1 mi de solución por gramo de astillas de madera. La mezcla luego se presionó y calentó en una forma similar a la producción de un tablero de partículas unido con urea-formaldehído comercial (3MPa, 180°C, 300s) y resultó un compuesto de queratina y madera sólida.

Ejemplo 4b. Aplicación de un adhesivo de queratina para unir textiles Se usó una solución de proteína de queratina S- sulfonada, preparada hasta una concentración de proteína de 5% como se describe en el Ejemplo la, para unir textiles lanudos al recubrir una de las superficies de textil con la solución de queratina y presionar el otro textil sobre el textil recubierto con el uso de un sistema de rodillo y punzón. Después de secar la composición a temperatura elevada, se produjo un textil unido. En una variación pequeña se incluyó plastificante en la solución de proteína, en una forma similar aquella descrita en el ejemplo Id, para producir un adhesivo flexible.

Ejemplo 4c. Un sistema de adhesivo de 2 envases usando un reductor Se hizo un adhesivo al combinar una solución de proteína de queratina S-sulfonada preparada en la forma descrita en el ejemplo la, con una solución de un reductor. La solución del reductor contiene clorohidrato de triscarboxietilfosfina al 10%. Cuando se mezcla en una solución de 10 partes de solución de queratina con una parte de solución reductora y se aplica a 2 superficies de madera, esta formulación de 2 envases seca durante 12 horas para crear un fuerte enlace entre las superficies de madera que permanecen fuertes en un ambiente húmedo. En una variación de esta aplicación, se usa solución reductora que contiene tioglicolato de amonio 0.25M amortiguado a un pH de 7 con fosfato de potasio 0.1M. Cuando se mezcla en una relación de 10 partes de solución de queratina con una parte de solución reductora y se aplica a 2 superficies de madera esta formulación de 2 envases se seca durante 12 horas para crear un enlace fuerte entre las superficies de madera y permanecen fuertes en un ambiente húmedo.

Ejemplo 4d. Un sistema adhesivo de 2 envases usando 2 formas de queratina Se hace un adhesivo al combinar una solución de proteína de queratina S-sulfonada, preparada en la manera descrita en el ejemplo la, con una solución de péptido de queratina reducido que contiene los aminoácidos de azufre principalmente en forma de cisteína y tiene una composición de proteína al 5% y sulfuro de sodio al 2%. Cuando se mezcla en partes iguales y se aplica a 2 superficies de madera, esta formulación de 2 recipientes se seca durante 12 horas para crear un enlace fuerte entre las superficies de madera que permanecen fuertes en un ambiente húmedo. En una variación de esta aplicación, el péptido de queratina reducido se usa en forma de un sólido y se mezcla con la solución de proteína de queratina S-sulfonada en una solución de 5 partes de queratina S-sulfonada con una parte de solución de queratina reducida y se aplica a dos superficies de madera, esta formulación de 2 envases secada durante 12 horas para crear un enlace fuerte entre las superficies de madera que permanecen fuertes en un ambiente húmedo . En donde en la descripción particular se mencionan enteros, se apreciará que sus equivalentes se pueden substituir por lo tanto como si se estableciera en la presente . Así por la invención, se suministra un método para la preparación y uso de derivados de queratinas solubles en la producción de un rango de materiales de biopolímeros tales como películas, fibras, espumas y adhesivos, y la mejora de esos materiales usando tratamiento químico adicional .

Se han descrito ejemplos particulares de la invención y se vislumbra que pueden tener lugar mejoras y modificaciones sin alejarse del alcance de las reivindicaciones anexas. Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones 1. Una espuma o material adhesivo caracterizado porque se deriva de proteínas de queratina S-sulfonadas.
2. Una espuma o material adhesivo caracterizado porque se deriva principalmente de proteínas de filamento intermediario de queratina de lana S-sulfonada.
3. Una espuma o material adhesivo de conformidad con la reivindicación 1 o reivindicación 2, caracterizado porque las proteínas de queratina se reconstituyen de una solución.
4. Un método para la elaboración de películas de proteína caracterizado por el vaciado de solvente de una solución de proteínas de queratina S-sulfonadas.
5. Un método para mejorar la resistencia en húmedo de una película producida por el método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque se introducen reticulados de bisulfuro en la película a través de un tratamiento con un reductor para retirar el grupo sulfonato y reformar las ligaduras de bisulfuro.
6. El método de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el reductor es un tiol o una fosfina.
7. Un método par mejorar la resistencia en húmedo de la película producida de conformidad con el método de la reivindicación 4, caracterizado porgue se introducen reticulados de bisulfuro dentro de la película a través de un tratamiento con una forma reducida de queratina o una forma reducida de péptido de queratina.
8. Un método para mejorar la resistencia en húmedo de la película producida de conformidad con el método de la reivindicación 4, caracterizado por la protonación de los grupos S-sulfonato dentro de la proteína y cualesquiera otros grupos polares a través del tratamiento de la película con ácido.
9. Un método para mejorar la resistencia en húmedo de la película producida de conformidad con el método de la reivindicación 4, caracterizado por la introducción de reticulados en la película a través del uso de agentes de reticulado de proteína comunes tales como formaldehído glutaraldehído y otras especies reactivas con proteínas .
10. Una película caracterizada porque se elabora por el método reivindicado en la reivindicación 4, y se modifica posteriormente por cualesquiera de los métodos reivindicados en las reivindicaciones 5 a la 9.
11. Un método para la elaboración de películas de proteínas caracterizado por el vaciado de solventes de una solución que contiene una mezcla de queratina S-sulfonada con una forma reducida de queratina o péptidos de queratina.
12. Una película caracterizada porque se produce por el método descrito en la reivindicación 11.
13. Un método para la elaboración de fibras de proteínas, caracterizado por la extrusión de una solución de queratina S-sulfonada en una solución acuosa que contiene sales y un reductor que provoca que se vuelva insoluble la proteína en solución.
14. El método de conformidad con la reivindicación 13 caracterizado porque el reductor es un tiol o una sal de tioglicolato .
15. Un método para la elaboración de fibras de proteína, caracterizado por la extrusión de una solución de queratinas S-sulfonadas en una solución acuosa que contiene sales, un reductor y un agente de reticulado que provoca que se vuelva insoluble la proteína en solución.
16. El método de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque el reductor es un tiol o una sal de tiolgicolato .
17. El método de conformidad con la reivindicación 15 o la reivindicación 16, caracterizado porque el agente de reticulado es formaldehído .
18. Un método para la elaboración de fibras de proteína, caracterizado por la extrusión de una solución de queratinas S-sulfonadas en una solución acuosa que contiene sales y un ácido que provoca que se vuelva insoluble la proteína en solución.
19. El método de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque el ácido es ácido sulfúrico.
20. Un método para la elaboración de fibras de proteínas, caracterizado por la extrusión de una solución de queratinas S-sulfonadas en un ambiente caliente y la evaporación rápidamente del solvente para dejar detrás un material fibroso.
21. La aplicación de cualesquiera de los métodos de tratamiento químico reivindicados en la reivindicación 5 hasta 9 al producto fibroso del proceso de extrusión descrito en la reivindicación 20.
22. Fibras derivadas de queratina S-sulfonada caracterizadas porque se producen por los métodos descritos cualesquiera de las reivindicaciones 15 hasta 21.
23. Un método para la elaboración de espumas de proteína caracterizada por el secado de congelación de una solución de proteína de queratina S-sulfonada.
24. Un método para mejorar la resistencia en húmedo en una espuma producida por el método en la reivindicación 23, caracterizado por la introducción de reticulados de bisulfuro en la espuma a través de un tratamiento con un reductor para retirar el grupo sulfonato y reformar las ligaduras de bisulfuro.
25. El método de conformidad con la reivindicación 24, caracterizado porque el reductor es un tiol o una fosfina.
26. Un método para mejorar la resistencia en húmedo de la espuma producida por el método de la reivindicación 23, caracterizado por la introducción de reticulado de bisulfuro en la espuma a través de un tratamiento con una forma reducida de queratina o una forma reducida de péptido de queratina .
27. Un método para mejorar la resistencia en húmedo de la espuma producida por el método de la reivindicación 23, caracterizado por la protonación de los grupos S-sulfonato dentro de la proteína y cualesquiera otros grupos polares a través del tratamiento de la película con el ácido.
28. Un método para mejorar la resistencia en húmedo de la espuma producida por el método de la reivindicación 23, caracterizado por la introducción de reticulado de la película a través del uso de agentes de reticulado de proteínas comunes tales como formaldehído, glutaraldehído y otras especies reactivas con proteínas .
29. Una espuma caracterizada porque se elabora por el método de conformidad con la reivindicación 23 y modifica posteriormente por cualesquiera de los métodos reivindicados en la reivindicaciones 24 hasta 28.
30. Un método para modificar la flexibilidad de películas, espumas o fibras, caracterizado por la inclusión en la solución de queratina de agentes plastificantes, tales como aquellos de la familias del glicerol y del polietilen glicol .
31. Un adhesivo caracterizado porque incluye una solución de queratinas S-sulfonadas .
32. Un adhesivo caracterizado porque incluye una solución de queratinas S-sulfonadas y un reductor tal como una fosfina o un tiol que tiene propiedades de resistencia en húmedo superiores al adhesivo descrito en la reivindicación 31.
33. Una formulación de adhesivo de dos envases caracterizado porque un componente es una solución de proteína de queratina S-sulfonada y el otro componente es una solución de queratinas reducidas o péptidos de queratinas reducidos, que en combinación reaccionan para formar una red reticulada y posteriormente un adhesivo con mayor resistencia en húmedo que aquel descrito en la reivindicación 31.
34. Una película, fibra, espuma o material adhesivo derivado de derivados de queratina de alto peso molecular mediante un proceso caracterizado porque involucra una primera etapa de digestión de sulfonación de una fuente de queratina por sulfitólisis oxidante, seguido por una segunda etapa de extracción acuosa repetitiva que involucra la separación de queratina soluble e insoluble y la reextracción posterior de la queratina insoluble para con ello producir un derivado de queratina altamente S-sulfonado.
35. Una película, fibra, espuma o material adhesivo de conformidad con la reivindicación 34, caracterizado porque la fuente de proteínas es una fuente de proteína que se presenta naturalmente .
36. Una película, fibra, espuma o material adhesivo derivado de proteínas de intermediario de queratina altamente S-sulfonada caracterizado por un paso de digestión de primera etapa de sulfonación de una fuente de queratina por sulfitólisis oxidante, seguido por una extracción acuosa repetitiva de segunda etapa que involucra la separación de queratina soluble e insoluble, y la reextracción posterior de la queratina insoluble para con ello producir un derivado de queratina altamente S-sulfonado.
37. Una película, fibra, espuma o material adhesivo caracterizado porque se deriva a partir de péptidos de queratina solubles por el proceso detallado en la reivindicación 34.
38. El método de conformidad con cualesquiera de las reivindicación 4 hasta 9, 11, 12 hasta 20, 23 hasta 28 o 30, caracterizado porque utiliza una combinación de soluciones de ingeniería para producir una película, fibra, espuma o material adhesivo derivado de proteínas de queratina S-sulfonadas .
39. Una película, fibra, espuma o adhesivo caracterizado porque se deriva a partir de una proteína purificada con poco o ningún daño de la integridad estructural de la proteína cuando se produce a partir de una fuente de proteina impura por el proceso detallado de la reivindicación 34.
40. Una película, fibra, espuma o material adhesivo caracterizado porque se obtiene a partir de una proteína producida de un método de recuperación a gran escala como se detalla en la reivindicación 34.
41. Una película, fibra, espuma o. material adhesivo caracterizado porque se elabora de conformidad con el método de cualesquiera de las reivindicaciones 4-9.