WO2004065328A1 - Bioaktive keramische kompositmaterialien und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Bioaktive keramische kompositmaterialien und verfahren zu deren herstellung Download PDF

Info

Publication number
WO2004065328A1
WO2004065328A1 PCT/EP2004/000209 EP2004000209W WO2004065328A1 WO 2004065328 A1 WO2004065328 A1 WO 2004065328A1 EP 2004000209 W EP2004000209 W EP 2004000209W WO 2004065328 A1 WO2004065328 A1 WO 2004065328A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
composite material
material according
biological
ceramic
solidification
Prior art date
Application number
PCT/EP2004/000209
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martina KÜHN
Dietmar Koch
Georg Grathwohl
Ulrich Soltmann
Horst Böttcher
Original Assignee
Universität Bremen
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universität Bremen filed Critical Universität Bremen
Priority to US10/540,936 priority Critical patent/US20060148633A1/en
Priority to EP04701933A priority patent/EP1587771A1/de
Publication of WO2004065328A1 publication Critical patent/WO2004065328A1/de

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62645—Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering
    • C04B35/62655—Drying, e.g. freeze-drying, spray-drying, microwave or supercritical drying
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B28/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
    • C04B28/005—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing gelatineous or gel forming binders, e.g. gelatineous Al(OH)3, sol-gel binders
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/10—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminium oxide
    • C04B35/111—Fine ceramics
    • C04B35/117—Composites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/71—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/78—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents containing non-metallic materials
    • C04B35/80—Fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/06—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by burning-out added substances by burning natural expanding materials or by sublimating or melting out added substances
    • C04B38/063—Preparing or treating the raw materials individually or as batches
    • C04B38/0635—Compounding ingredients
    • C04B38/0645—Burnable, meltable, sublimable materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N11/00—Carrier-bound or immobilised enzymes; Carrier-bound or immobilised microbial cells; Preparation thereof
    • C12N11/14—Enzymes or microbial cells immobilised on or in an inorganic carrier
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00474—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/00793—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 as filters or diaphragms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00474—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/0081—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 as catalysts or catalyst carriers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/34—Non-metal oxides, non-metal mixed oxides, or salts thereof that form the non-metal oxides upon heating, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3418—Silicon oxide, silicic acids, or oxide forming salts thereof, e.g. silica sol, fused silica, silica fume, cristobalite, quartz or flint
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/48—Organic compounds becoming part of a ceramic after heat treatment, e.g. carbonising phenol resins
    • C04B2235/483—Si-containing organic compounds, e.g. silicone resins, (poly)silanes, (poly)siloxanes or (poly)silazanes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/52—Constituents or additives characterised by their shapes
    • C04B2235/5208—Fibers
    • C04B2235/5216—Inorganic
    • C04B2235/522—Oxidic
    • C04B2235/5224—Alumina or aluminates

Definitions

  • the invention relates to ceramic composite materials, in particular bioactive ceramic composite materials, processes for their production and applications of the composite materials.
  • biocomposite materials offer numerous new potential advantageous applications, e.g. B. for the production of biocompatible surfaces in medical technology, for biocatalysis, biogenesis and for novel drug delivery systems.
  • sol-gel systems should be the homogeneous embedding of biomolecules in ceramic materials, since these are cheaper, more stable and more malleable than sol-gel matrices, and 'moreover. an established manufacturing technology is available. So far, however, one obstacle has been the need to solidify classic ceramic moldings by means of a sintering process at high temperatures, for example above 600 ° C. Since all organic matter is destroyed at these temperatures, it has so far not been possible to embed biomolecules or living cells in conventional ceramic materials.
  • DE 100 65 138 describes the production of porous ceramic molded parts, deviating from the classic process at low temperatures. This process uses a special composition of a ceramic suspension which is subjected to a freeze-drying process which is controlled in a certain way. In the method known from DE 100 65 138, however, embedding of biomaterials could not be considered, since after the drying process to solidify the ceramic molded parts, a damaging effect on biomaterials before additional treatment with acids or alkalis was necessary. The additional treatment is used for leaching, which leads to solidification.
  • biomolecules or microorganisms have so far only been added to ceramic materials as auxiliaries (pore-forming substances), which result in a controlled porosity of the ceramic during the sintering process, e.g. for artificial bone materials (GB 2 365 423) or other functional ceramics (US 5 683 664, EP 631 998).
  • the object of the invention is to provide improved ceramic composite materials which contain at least one biomaterial, the composite materials being intended to avoid the disadvantages of conventional composite materials.
  • the object of the invention is in particular to provide composite materials with an improved degree of immobilization for the at least one biomaterial and an increased viability and / or effectiveness of the biomaterial.
  • Composite materials according to the invention are also said to be producible with an expanded range of medium pore sizes and to be usable for new applications.
  • Another object of the invention is to provide improved processes for producing such composite materials, which are characterized in particular by a process procedure which is gentle on the biomaterial.
  • a 'first basic idea of the invention is to further develop the effect a ceramic composite material that is formed on the basis of a ceramic substrate material that in the • substrate material at least one biological material and at least a solidifying material are embedded homogeneously, wherein the solidifying material connected to each other, from inorganic nanoparticles formed from a nanoparticulate sol.
  • a nanoparticulate, gel-forming and cross-linking hardening material is used.
  • a homogeneous embedding of the biomaterial in the composite material means a high degree of immobilization and thus a high stability and long-term effectiveness of the composite material.
  • the solidification material contained in the composite material enables the use of a procedure for ceramic solidification at low temperatures that is gentle on the biomaterial.
  • the bioactive ceramic composite material according to the invention consisting of a ceramic substrate and homogeneously distributed therein, e.g. living cells, can be produced at such low temperatures that there is no denaturation of the cell material during the solidification process.
  • the invention ensures such a high viability of the embedded cells that a use of the biocomposite z. B. is possible as a biocatalyst or biofilter for the purification of polluted wastewater.
  • the invention is based in particular on a modification of the method known from DE 100 65 138 in such a way that the use according to the invention of the nanoparticulate strengthening material is based on conventional use of acids for leaching, which leads to solidification, can be dispensed with. Surprisingly, it has been shown that the method according to the invention enables the composite to solidify at room temperature or at lower temperatures.
  • the ceramic composites according to the invention are preferably produced by solidifying known ceramic slips consisting of aqueous dispersions of aluminum oxide or aluminum silicate powders or fibers.
  • aqueous dispersions of aluminum oxide or aluminum silicate powders or fibers.
  • fiber material is particularly advantageous since it allows the production of mechanically particularly stable moldings at room temperature.
  • aqueous dispersions means that aqueous cell dispersions can also be admixed without problems.
  • Nanosoles with an average particle diameter below 200 nm are preferably used for this.
  • the solidifying nanosols consist of nanoparticulate oxides of elements from the II. To V. main or subgroup of the periodic table or their mixtures in water or an aqueous-organic solvent.
  • nanosoles of Si0 2 , A1 2 0 3 , Zr0 2 , Ti0 2 , B0 3 , ZnO, CaO, P 2 0s or mixtures thereof can be used, which are obtained, for example, by acidic or alkaline hydrolysis of the corresponding metal alkoxides.
  • R is an organic alkyl or aryl radical which contains A ino, hydroxy, E May contain poxy or alkoxy groups or is substituted by halogens.
  • R ' is an alkyl radical, preferably having 1 to 16 carbon atoms.
  • This modification allows, for example, the mechanical and surface properties of the composites to be specifically adapted to the desired application.
  • the proportion of the solidification material in the composite can be up to 70 percent by weight, depending on the desired degree of consolidation.
  • the inventive method for the production of bioactive ceramic composite materials allows the effective immobilization of a wide range of different biomaterials, especially the use of living organisms such as. B. bacteria, fungi, • algae and protozoa. Multicellular animal and vegetable cell networks can be immobilized accordingly.
  • the proportion of living cells can advantageously be up to 30% by weight, based on the dried biocomposite.
  • the method is alternatively suitable for the immobilization of dead cells, cell components, enzymes and other proteins, biopolymers and other bioactive molecular substances.
  • the addition of special additives can be advantageous to increase the utility value properties of the bioactive ceramic composite materials.
  • Glycerol or other polyols and / or nutrients can be added.
  • the dispersibility of the slip components can be improved by adding water-soluble polymers such as polyvinyl alcohol or polyacrylic acid, and the mechanical stability of the bioactive ceramic composite materials can be increased by polar interactions of the inorganic oxide matrix.
  • the proportion of the additives can advantageously be up to 30% by weight, based on the dry biocomposite.
  • Freezecasting is a shaping process in which the mixture of a ceramic powder and the solidifying nanosol is frozen in a freezer or a nitrogen bath, the sol irreversibly getting into the Gel phase converts and thus encloses the ceramic grains and cross-linked.
  • the crystallized water is removed either by thawing and evaporation or (in the case of conventional freeze drying) by sublimation.
  • the freezecasting process is advantageously characterized by a homogeneous structure and good dimensional stability of the molded body and by a low shrinkage in drying. freezing, which means that little reworking is required.
  • the shaping according to (3a) can be carried out at temperatures below freezing point of water that preserve the viability of biomaterials. It can be particularly advantageous if the freezecasting is carried out at temperatures down to -80 ° C and the possible freeze drying at temperatures down to -40 ° C.
  • the so-called green body is removed from the metal mold in the frozen state and freeze-dried.
  • the green body is dried in air or in vacuo at room temperature.
  • Composite materials of this type can therefore be used in the form of a shaped body or a membrane as a biocatalyst or biofilter for the purification of polluted wastewater. Due to their good mechanical stability, shredded molded parts are advantageous as column filling material in bioreactors.
  • bioactive ceramic composite materials according to the invention offer new possibilities for production Porous ceramics with a defined uniform pore size by producing ceramic materials with a pore structure by thermal decomposition of the biological components at temperatures of at least 500 ° C, which corresponds to the shape and amount of the immobilized biocomponent (see Example 3).
  • spherical yeast spores which leave true-to-shape pores when volatilized during sintering, due to their easy accessibility and their almost monodisperse size distribution. It has been observed that various biological components act like an organic binder and are solid at temperatures of at least 70 ° C form shrink-free green bodies. This allows the proportion of nanoparticulate solidifying agents for the production of bioactive ceramic composite materials to be drastically reduced.
  • bioactive ceramic composite materials according to the invention can thus be summarized in the following points: for the first time, living cells can be immobilized in a ceramic molded body which are bioactive ceramic composite materials in a homogeneous distribution and high biological activity while maintaining viability Mouldable as required according to the requirements of the specific application and show a high mechanical stability, the porosity of the composites and thus their biological activity and reactivity can be controlled within wide limits due to the nature of the composition and production technology.
  • the process is universally applicable, different microorganisms and cell systems can be converted into a composite by the process according to the invention, numerous applications as a biocatalyst or biofilter are possible, and The thermal removal of the biocomponent offers new possibilities for the production of porous ceramics.
  • Bacillus sphaericus cells Bacillus sphaericus cells, corresponding spores (which were obtained from the cells by reduced food supply and addition of manganese salts), and normal baker's yeast cells (Saccharomyces cerevisxae) were used as cell material.
  • the slip had the following composition:
  • Nyacol 1440 (Akzo Nobel Chemicals Wort) as a nanoparticulate solidification material
  • Table 1 Number of live Bacillus sphaericus cells and spores (CFU) after storage at 4 ° C. (determined by cultivation test)
  • Table 3 Biological activity of 100 mg biocomposite compared to the corresponding amount of non-immobilized cells (using standard microbiological tests)
  • Enzymes formed by the cells reduce resazurin (blue) to ressorufin (pink) 3) biocatalytic conversion of glucose
  • Example 2 Immobilization of Saccharomyces cerevisiae hex room temperature and air drying
  • the slip had the following composition: 20.5% by weight of Al 2 O 3 fibers
  • the Nyacol is neutralized with HC1.
  • the dry yeast is suspended in approx. 1/3 of the Nyacol.
  • the A10 3 fibers and powder are mixed with the remaining Nyacol and then the Nyacol-yeast mixture is added.
  • a pasty mass is formed in which the yeast cells are distributed homogeneously.
  • the slip is spread out as a layer with a thickness of approx. 0.5 cm, compressed at a pressure of 1.5 kN and air-dried.
  • the pourability can be improved by adding water or, if necessary, increasing the proportion of Nyacol.
  • the plates were then sawn into cubes and tested for their biological effectiveness.
  • Table 4 Number of living Saccharomyces cerevisiae cells and their biological activity in 100 mg biocomposite compared with the corresponding amount of non-immobilized cells (using standard microbiological tests)
  • An aqueous slurry of 40 g of Al 2 0 3 powder, 45g Al0 3 fibers and 5 g of Nyacol 1440 is added as a premix, and dried in a suspension with 10 g of Bacillus spaerlcus.
  • the suspension is poured into a mold and dried at 70 ° C. After drying, there is a solid green body that remains true to shape.
  • the green body can be sintered up to 1400 ° C, for example, so that a highly porous, non-shrinking ceramic is created.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Immobilizing And Processing Of Enzymes And Microorganisms (AREA)

Abstract

Es werden ein keramisches Kompositmaterial, das ein keramisches Substratmaterial enthält, in das mindestens ein biologisches Material und mindestens ein nanopartikuläres Verfestigungsmaterial homogen eingebettet sind, und Verfahren zur Herstellung des Kompositmaterials beschrieben.

Description

Bioaktive keramische Kompositmaterialien und Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung betrifft keramische Kompositmaterialien, insbesondere bioaktive keramische Kompositmaterialien, Verfahren zu deren Herstellung und Anwendungen der Kompositmaterialien.
Es ist bekannt, dass derzeit große Anstrengungen unternommen werden, Biomoleküle und lebende Zellen in anorganischen Matrizen zu immobilisieren, da daraus im Vergleich zu den bislang verwendeten poly eren Matrizen insbesondere die folgenden Vorteile erwartet werden:
- hohe mechanische, thermische und photochemische Stabilität,' hohe Transparenz, biologische Inertheit (d.h. keine Nahrungsquelle für Mikroorganismen) , und
- steuerbare Porosität und variabler Immobilisierungsgrad.
Solche Biokompositmaterialien bieten zahlreiche neue potenzielle vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten, z. B. zur Herstellung biokompatibler Oberflächen in der Medizintechnik, zur Biokatalyse, Biogenese und für neuartige Wirkstoff-Freisetzungssysteme.
Neben der Möglichkeit, Biomoleküle oder Bakterienzellen an anorganischen Trägern wie Silicagel, Bentonit u.a. adsorptiv an • der Oberfläche zu fixieren, wie es beispielsweise in IN 171Q47 beschrieben wird, besteht die Möglichkeit einer direkten Einbettung von Biomolekülen in eine anorganische Matrix durch Nutzung der Sol-Gel-Technik (vgl. C. J. Brinker und G. Scherer in "Sol-Gel Science: The Physics and Chemistry of Sol-Gel- Processing", Acade ic Press Inc., Boston 1990). Auf diese Weise ist zum Beispiel die Einbettung von Enzymen o- der Proteinen in anorganische Matrizen möglich (siehe z. B. US 5 200 334 oder US 5 300| 564) . Nach der Immobilisierung von lebenden Hefezellen in Si02-Sol-Gel-Matrizen (G. Carturan et al.> Mol. Catal. .57 (1989) L13) wurden in prinzipiell ähnlicher Weise Zellgewebe in Organosilikone (US 5 693 513) , Pflanzenzellen in poröse Si02-Gele (WO 96/36703) , tierische Zellen in ein' Gel, hergestellt aus einem Organosilkon (US 5 739 020) bzw. eine aus der Gasphase erzeugte Si02-Schicht eingekapselt (WO 97/45537) . Zur Einkapselung von Mikroorganismen wird ferner die Kombination von Si02-Geleh mit wasserlöslichen Polymeren wie Po- lyvinylalkohol, Gelatine (US 4 148 689) oder Alginaten (US 4 797 358, WO 96/35780) beschrieben.
Eine Alternative zu den Sol-Gel-Systemen sollte aus praktischer Sicht die homogene Einbettung von Biomolekülen in keramische Werkstoffe darstellen, da diese gegenüber Sol-Gel-Matrizen billiger, stabiler und formbar sind, und' zudem. eine etablierte Herstellungstechnologie zur Verfügung steht. Ein Hindernis besteht jedoch bisher in der Notwendigkeit, klassische keramische Formkörper durch einen Sinterprozess bei hohen Temperaturen, zum Beispiel oberhalb 600°C zu verfestigen. Da bei diesen Temperaturen jede organische Materie zerstört wird, war es bislang nicht möglich, Biomoleküle oder lebende Zellen in konventionelle keramische Massen einzubetten.
Aus DE 100 65 138 wird die Herstellung poröser Keramikformteile abweichend von den klassischen Verfahren bei niedrigen Temperaturen beschrieben. Bei diesem Verfahren wird eine spezielle..Zusammensetzung einer keramischen Suspension verwendet, die einem in bestimmter Weise gesteuerten Gefrier-Trocknungsvorgang unterzogen wird. Bei dem aus DE 100 65 138 bekannten Verfahren konnte jedoch eine Einbettung von Biomaterialien nicht in Betracht gezogen werden, da nach dem Trocknungsvorgang zur Verfestigung der Keramikformteile eine für Biomaterialien schädli- ehe Zusatzbehandlung mit Säuren oder Laugen erforderlich war. Die Zusatzbehandlung dient einer Auslaugung, die zur Kompositverfestigung führt.
Biomoleküle oder Mikroorganismen wurden darum bislang nur als Hilfsmittel (porenbildende Substanzen) keramischen Massen zuge.- setzt, die beim Sintervorgang eine gesteuerte Porosität der Keramik ergeben, z.B. für künstliche Knochen-Materialien (GB 2 365 423) oder andere funktioneile Keramiken (US 5 683 664, EP 631 998) .
Die Immobilisierung von lebenden Mikroorganismen an Keramiken war bislang nur durch nachträgliche Tränkung poröser keramischer Oberflächen mit wässrigen Dispersionen von Mikroorganismen möglich (WO 98/13307). Dieses Verfahren hat jedoch eine • Reihe von Nachteilen: der Immobilisierungsgrad ist gering, die Reproduzierbarkeit schlecht und die dazu geeigneten Keramiken erfordern mittlere Porengrößen, die über der z. T. beträchtlichen Größe der Mikroorganismen liegen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte keramische Kompositmaterialien bereitzustellen, die mindestens ein Biomaterial enthalten, wobei die Kompositmaterialien die Nachteile herkömmlicher Kompositmaterialien vermeiden sollen. Die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere in der Bereitstellung von Kompositmaterialien mit einem verbesserten Immobilisierungsgrad für das mindestens eine Biomaterial und einer erhöhten Lebensfähigkeit und/oder Wirksamkeit des Biomaterials. Erfindungsgemäße Kompositmaterialien sollen ferner mit einem erweiterten Bereich mittlerer Porengrößen herstellbar und für neue Anwendungen nutzbar sein. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Verfahren zur Herstellung derartiger Kompositmaterialien bereitzustellen, die sich insbesondere durch eine für das Biomaterial schonende Verfahrensführung auszeichnen. Diese Aufgaben werden durch Kompositmaterialien und Verfahren mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1 oder 15 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung' ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Eine' erste Grundidee der Erfindung ist es, ein keramisches Kompositmaterial, das auf der Basis eines keramischen Substratmaterials gebildet ist, dahingehend weiterzubilden, dass in das • Substratmaterial mindestens ein biologisches Material und mindestens ein Verfestigungsmaterial homogen eingebettet sind, wobei das Verfestigungsmaterial miteinander verbundene, aus einem nanopartikulären Sol gebildete, anorganische Nanopartikel um- fasst. Es wird ein nanopartikuläres, gelbildendes und vernetzendes Verfestigungsmaterial verwendet. Eine homogene Einbettung des Biomaterials in das Kompositmaterial bedeutet einen hohen Immobilisierungsgrad und damit eine hohe Stabilität und langdauernde Wirksamkeit des Kompositmaterials. Das im Kompositmaterial enthaltene Verfestigungsmaterial ermöglicht die Anwendung einer für das Biomaterial schonenden Prozedur zur Keramikverfestigung bei niedrigen Temperaturen.
Das erfindungsgemäße bioaktive keramische Kompositmaterial, bestehend aus einem keramischen Substrat und darin homogen verteilten, z.B. lebenden Zellen, kann bei so niedrigen Temperaturen hergestellt werden, dass keine Denaturierung des Zellmaterials während des Verfestigungsprozesses erfolgt. Die Erfindung gewährleistet eine so hohe Lebensfähigkeit der eingebetteten Zellen, dass eine Verwendung des Biokompositmaterials z. B. als Biokatalysator oder Biofilter zur Reinigung von schadstoffbelastetem Abwasser möglich ist.
Verfahrensbezogen basiert die Erfindung insbesondere auf einer Abwandlung des aus DE 100 65 138 bekannten Verfahrens dahingehend, dass durch die erfindungsgemäße Verwendung des nanopartikulären Verfestigungsmaterials auf den herkömmlichen Einsatz von Säuren zur Auslaugung, die zur Kompositverfestigung führt, verzichtet werden- kann. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren eine Verfestigung des Komposits bei Raumtemperatur oder bei niedrigeren Temperaturen ermöglicht.
Die erfindungsgemäßen keramischen Komposite werden vorzugsweise durch Verfestigung an sich bekannter keramischer Schlicker, bestehend -aus wäßrigen Dispersionen von Aluminiumoxid- oder Alu- mosilikat-Pulvern oder -Fasern, erzeugt. Besonders vorteilhaft, ist die Verwendung von Fasermaterial, da es die Herstellung mechanisch besonders stabiler Formkörper bei Raumtemperatur gestattet. Durch den Einsatz wäßriger Dispersionen ist auch die Zumischung wäßriger Zelldispersionen ohne Probleme möglich.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht nun darin, durch die Zumischung gelierungsfähiger anorganischer Nanosole den Schlicker zu verfestigen. Dazu werden vorzugsweise Nanosole mit einem mittleren Teilchendurchmesser unter 200 nm verwendet. Die verfestigenden Nanosole bestehen gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung aus nanopartikulären Oxiden von Elementen der II. bis V. Haupt- oder Nebengruppe des Periodensystems oder deren Gemische in Wasser oder einem wässrig-organischen Lösungsmittel. Es können beispielsweise Nanosole aus Si02, A1203, Zr02, Ti02, B03, ZnO, CaO, P20s oder deren Gemische verwendet werden, die man z.B. durch saure oder alkalische Hydrolyse der entsprechenden Metallalkoxide erhält.
Für die Modifizierung der Nanosol-Eigenschaften kann der Hydrolyseprozeß der Metallalkoxide in Gegenwart zugemischter Trial- koxysilane R-Si(0R')3 und/oder Dialkoxysilane R2-Si(OR; )2 durchgeführt werden, wodurch modifizierte Metalloxidsole gebildet werden, die bezogen auf 1 Gewichtsanteil Metalloxid 0 bis 2 Gewichtsanteile R-Si03/2 und/oder R2=SiO enthalten. R ist dabei ein organischer Alkyl- oder Arylrest, der A ino-, Hydroxy-, E- poxy- oder Alkoxygruppen enthalten kann oder durch Halogene substituiert ist. R' ist ein Alkylrest, vorzugsweise mit 1 bis 16 Kohlenstoffatomen. Durch diese Modifizierung können z.B. die mechanischen und Oberflächen-Eigenschaften der Komposite gezielt an die jeweils gewünschte Anwendung angepasst werden. Der Anteil des Verfestigungsmaterials im Komposit kann je nach gewünschtem Verfestigungsgrad bis zu 70 Gewichtsprozent betragen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von bioaktiven keramischen Kompositmaterialien gestattet die effektive Immobilisierung eines breiten Spektrums verschiedener Biomaterialien, speziell den Einsatz lebender Organismen wie z. B. Bakterien, Pilzen, • Algen und Protozoen. Entsprechend können vielzellige tierische und pflanzliche Zeilverbunde immobilisiert werden. Der Anteil der lebenden Zellen kann dabei vorteilhafterweise bis 30 Gew.-% bezogen auf das getrocknete Biokomposit betragen.
Das Verfahren eignet sich alternativ zur Immobilisierung von toten Zellen, Zellbestandteilen, Enzymen und anderen Proteinen, Biopolymeren und anderen bioaktiven molekularen Stoffen. Für die Erhöhung der Gebrauchswerteigenschaften der bioaktiven keramischen Kompositmaterialien kann der Zusatz spezieller Additive vorteilhaft sein. Zur Erhöhung der biologischen Aktivität . können Glycerol oder andere Polyole und/oder Nährstoffe zugesetzt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann durch den Zusatz wasserlöslicher Polymere wie Polyvi- nylalkohol oder Polyacrylsäure die Dispergierbarkeit der Schlickerbestandteile verbessert und durch polare Wechselwirkungen der anorganischen Oxidmatrix die mechanische Stabilität der bioaktiven keramischen Kompositmaterialien erhöht werden. Der Anteil der Zusätze kann vorteilhafterweise bis 30 Gew.-% bezogen auf das trockene Biokomposit betragen. Das Verfahren zur Herstellung eines bioaktiven keramischen Kompositmaterials ist insbesondere durch die folgenden Schritte gekennzeichnet :
(1) Mischung eines Schlickers aus einer wäßriger Dispersionen von Aluminiumoxid- oder Alumosilikat-Pulvern oder -Fasern und dem dispergiertem Biomaterial, insbesondere bioaktiven Zellmaterial
(2) Zugabe des nanopartikulären Verfestigungsmaterials und ggf. anderer Additive zur Verbesserung der biologischen Aktivität und Erhöhung der mechanischen Stabilität, und
(3) Verfestigung des Materials; ggf. in Gussformen, durch
(a) einen Freezecasting-Prozeß (vgl. Beispiel 1) Freezecasting (oder: Gefriergelieren) ist ein Formgebungsverfahren, bei dem die Mischung eines keramischen Pulvers und des verfestigenden Nanosols in einem Gefrierschrank oder einem Stickstoffbad eingefroren wird, wobei sich das Sol irreversibel in die Gelphase umwandelt und damit die keramischen Körner umschließt und miteinander vernetzt. Das auskristallisierte Wasser wird entweder durch Auftauen und Verdampfen oder (im Falle der üblichen Gefriertrocknung) durch Sublimation entfernt. Der Freezecasting-Prozeß zeichnet sich in vorteilhafter Weise durch ein homogenes Gefüge und eine gute Maßhaltigkeit der Formkö.rper sowie durch geringe Trocknungsschwindung nach. dem Gefrieren aus, wodurch geringe Nachbearbeitungen erforderlich sind.
(b) Neutralisation bei Raumtemperatur (vgl. Beispiel 2) Insbesonders im Fall von Schlickermaterialien auf Basis faser- förmiger Oxide (z.B. Sintermullit) gelingt eine Verfestigung bei Raumtemperatur durch Neutralisation, da am Neutralpunkt die Nanosole spontan gelieren und ähnliche Vernetzungs- und Verfestigungs-Prozesse wie beim Freezecasting ablaufen.
Gemäß einem besonderen Vorteil der Erfindung kann die Formgebung gemäß (3a) bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser durchgeführt werden, bei denen die Lebensfähigkeit von Biomaterialien erhalten bleibt. Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn das Freezecasting bei Temperaturen bis -80°C und die mögliche Gefriertrocknung bei Temperaturen bis zu -40 °C durchgeführt wird.
Nach dem Gefrieren entsprechend (3a) wird der sog. Grünkörper im gefrorenen Zustand aus der Metallform entfernt und gefriergetrocknet. Entsprechend (3b) wird nach Neutralisation und Erstarrung der Grünkörper bei Raumtemperatur an der Luft oder im Vakuum getrocknet.
Aufgrund der Herstellung des bioaktiven keramischen Kompositmaterials bei niedrigen Temperaturen und geringer Restfeuchten ist eine hohe Lebensfähigkeit der immobilisierten Zellen und Bioaktivität gewährleistet. Darum können derartige Kompositmaterialien in Form eines Formkörpers oder einer Membran als Biokatalysator oder Biofilter zur Reinigung von schadstoffbelastetem Abwasser verwendet werden. Aufgrund ihrer guten mechanischen Stabilität bieten sich zerkleinerte Formteile vorteilhaft als Säulenfüllungsmaterial in Bioreaktoren an.
Erfolgreiche Versuche wurden durchgeführt zur Verwendung von erfindungsgemäßen Kompositen mit
(i) immobilisierten Hefezellen Saccharomyces cerevisiae als Fermentationskatalysator
(ii) immobilisierte Bakterien Bacillus sphaericus als Biofilter zur Entfernung von Schwermetallionen aus Uranabwässern
(iii) immobilisierte Bakterien Rhodococcus spec. als Biokatalysator zum Abbau von Phenol und Glykolen in salzhaltigen Industrieabwässern.
Darüber hinaus bieten die erfindungsgemäßen bioaktiven keramischen Kompositmaterialien neue Möglichkeiten zur Herstellung poröser Keramiken mit definierter einheitlicher Porengröße, indem durch thermische Zersetzung der biologischen Bestandteile bei Temperaturen von mindestens 500 °C keramische Werkstoffe mit e.iner Porenstruktur erzeugt werden, die der Form und der Menge der immobilisierten Biokomponente entspricht (vgl. Beispiel 3) . Von besonderem Interesse sind aufgrund ihrer leichten Zugänglichkeit und ihrer fast monodispersen Größenverteilung sphärische Hefesporen, die beim Verflüchtigen während des Sin-, terns formgetreue Poren hinterlassen Es wurde beobachtet, dass verschiedene biologische Bestandteile wie ein organischer Binder fungieren und bei Temperaturen von mindestens 70 °C feste schwindungsfreie Grünkörper bilden. Dadurch läßt sich der Anteil nanopartikulärer Verfestigungsmittel zur Herstellung bioaktiver keramischer kompositmaterialien drastisch senken.
Damit lassen sich die Vorteile der erfindungsgemäßen bioaktiven keramischen Komposit-materialien gegenüber dem Stand der Technik in folgenden Punkten zusammenfassen: es können erstmals lebende Zellen in homogener Verteilung und hoher biologischer Aktivität unter Erhaltung der Lebensfähigkeit in einem keramischen Formkörper immobilisiert werden, die bioaktiven keramischen Kompositmaterialien sind beliebig je nach den Anforderungen der konkreten Anwendung formbar und zeigen eine hohe mechanische Stabilität, durch die Art der Zusammensetzung und Herstellungstechnologie kann die Porosität der Komposite und damit deren biologische Aktivität und Reaktivität in weiten Grenzen gesteuert werden das Verfahren ist universell anwendbar, unterschiedliche Mikroorganismen und Zellsysteme können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in ein Komposit überführt werden, es sind zahlreiche Anwendungen als Biokatalysator oder Biofilter möglich, und die thermische Entfernung der Biokomponente bietet neue Möglichkeiten zur Herstellung poröser Keramiken.
Ausführungsbeispiele
Beispiel 1
Immobilisierung von Bacxllus spaerlcus und Saccharomyces ce- revϊslae durch Freezecasting
(a) Herstellung des Kompositmaterials
Als Zellmaterial wurden Bacillus sphaericus Zellen, entsprechende Sporen (die aus den Zellen durch verringertes Nahrungsangebot und Zusatz von Mangan-Salzen erhalten wurden) , sowie normale Bäckerhefe-Zellen ( Saccharomyces cerevisxae) verwendet.
Der Schlicker hatte folgende Zusammensetzung:
+ 54 Gew.-% Mullit (Mullit73, Osthoff-Petrasch, Hamburg) und 16 Gew.-% A1203 (mittlerer Teilchendurchmesser 700 nm) als keramische Matrix
+ 27 Gew.-% Nyacol 1440 (Akzo Nobel Chemicals Würzen) als nano- partikuläres Verfestigungsmaterial, Kieselsäuresol mit 40 % Feststoffgehalt und mittlerem Partikeldurchmesser von 14 nm 3 % Glycerol als Additiv.
+ 4 ml der Schlickerlösung wurden mit jeweils 1 ml Zellkultur mit definierten Zellzahlen gemischt und auf eine -40°C- Metallplatte getropft, wodurch Pellets (mit 3 bis 6 mm Durchmesser) bzw. Scheiben (3 cm Durchmesser, 1 cm Höhe) gebildet werden, die anschließend gefriergetrocknet werden. (b) Test des Kompositmaterials
Tabelle 1: Anzahl lebender Bacillus sphaericus- Zellen und Sporen (CFU) nach Lagerung bei 4°C (bestimmt durch Kultivierungstest)
Lagerzeit Lebende Zellen Lebende Sporen /Tage CFU / g Komposit CFU / g Komposit
1.2 x 10e 6.4 x 106
124 9.0 x 105 5.7 x 106
Tabelle 2: Anzahl lebender Zellen (bestimmt durch Kultivierungstest)
J3. sphaericus Saccharomyces cerevisiae
Nicht immocontrol 1.1 x 109 / 15 μl 3.2 x 106 / 1.5 mg bilisierte freeze . 2.1 x 105 / 15 μl Zellen dried
Freezecasting Kom7 x 104 / 15 μl resp, posit resp. 100 mg 4 x 103 / 1.5 mg 100 mg Komposit Komposit
Tabelle 3: Biologische Aktivität von 100 mg Biokomposit verglichen mit der entsprechenden Menge nicht-immobilisierter Zellen (anhand mikrobiologischer Standardtests)
Bacillus sphaeri-
Substrate cus Saccharomyces cerevisiae nicht Biokom- nicht-immo- Biokom-posit immoposit bilisiert bilisiert
26
FDA l) nMol/h 7 nMol/h — —
Resazurin 89
2) nMol/h 40 nMol/h — —
Glucose
3) — — 16 μMol/h 2.2 μMol/h
1J von den Zellen gebildete Enzyme (Esterasen) hydrolysieren Fluorescein-diacetat (FDA)
2 ) von den Zellen gebildete Enzyme (Dehydrgenasen) reduzieren Resazurin (blau) zu Ressorufin (pink) 3 ) biokatalytische Umsetzung von Glucose
Beispiel 2 : Immobilisierung von Saccharomyces cerevisiae hex Raumtemperatur und Lufttrocknung
(a) Herstellung des Kompositmaterials
Der Schlicker hatte folgende Zusammensetzung: 20,5 Gew.-% Al203-Fasern
20,5 Gew.-% Al203-Pulver (mittlerer Teilchendurchmesser 700 nm) 56,5 Gew.-% Nyacol 1440 (Akzo Nobel Chemicals Würzen) 2,5 Gew.-% Trockenhefe
Das Nyacol wird mit HC1 neutralisiert. In ca. 1/3 des Nyacols wird die Trockenhefe suspendiert. Die A103 Fasern und Pulver werden mit dem verbleibenden Nyacol durchmischt und dann das Nyacol-Hefe-Gemisch zugegeben. Es entsteht eine pastöse Masse in der die Hefezellen homogen verteilt sind. Der Schlicker wird als Schicht mit ca. 0,5 cm Dicke ausgestrichen, bei einem Pressdruck von l,5kN verdichtet und luftgetrocknet. Die Gießfähigkeit kann durch Zugabe von Wasser oder ggf. Erhöhung des Anteils an Nyacol verbessert werden. Die Platten wurden anschließend in Würfel zersägt und hinsichtlich ihrer biologischen Wirksamkeit getestet.
(b) Test des Kompositmaterials
Tabelle 4: Anzahl lebender Saccharomyces cerevisiae Zellen und deren biologische Aktivität in 100 mg Biokomposit verglichen mit der entsprechenden Menge nicht-immobilisierter Zellen (anhand mikrobiologischer Standardtests)
Lebende Zellen Biologische Aktivität
Biokomposit 7 x 105 CFU/100 mg 7,3 μMol/hχl00 mg Komposit Komposü
Nicht- i mobilisierte 1,6 x 107 CFU/2,5 mg 60,3 μMol/hx2,5 mg freie-
Zellen freie Zellen Zellen Beispiel 3 : Thermische Umwandlung eines bioaktiven keramischen Kompositmaterials in eine poröse Keramik
Ein wässriger Schlicker aus 40g Al203-Pulver, 45g Al03-Fasern und 5g Nyacol 1440 wird als Vormischung getrocknet und in eine Suspension mit 10g Bacillus spaerlcus gegeben. Die Suspension wird in eine Form gegossen und bei 70°C getrocknet. Nach der Trocknung liegt ein fester Grünkörper vor, der formtreu bleibt. Der Grünkörper kann z.B. bis 1400°C gesintert werden, so dass eine hochporöse schwindungsfreie Keramik entsteht.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Keramisches Kompositmaterial, das ein keramisches Substratmaterial enthält, dadurch gekennzeichnet, dass in das Substratmaterial mindestens ein biologisches Material und mindestens ein nanopartikuläres Verfestigungsmaterial homogen eingebettet sind.
2. Kompositmaterial nach Anspruch 1, bei dem das Verfestigungsmaterial nanopartikuläre Oxide von Elementen der II. bis V. Haupt- oder Nebengruppe des Periodensystems oder deren Gemische umfasst .
3. Kompositmaterial nach Anspruch 2, bei dem das Verfestigungsmaterial nanopartikuläre Hydrolyseprodukte von Trialkoxysilanen oder deren Gemische umfassen.
4. Kompositmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Anteil des Verfestigungsmaterials bis zu 70 Gewichtsprozent beträgt.
5. Kompositmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verfestigungsmaterial Nanopartikel mit einem mittleren Teilchendurchmesser kleiner als 200 nm umfasst.
6. Kompositmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das biologische Material biologische Zellen, Zellgruppen, Zellbestandteile oder biologisch wirksame Makromoleküle umfasst.
7. Kompositmaterial nach Anspruch 6, bei dem das biologische Material lebende oder lebensfähige Organismen umfasst.
8. Kompositmaterial nach Anspruch 7, bei dem das biologische Material Bakterien, Pilze, Sporen von Bakterien oder Pilzen, Protozoen, Algen, tierische Zellen, pflanzliche Zellen, tierische Zellgruppen oder pflanzliche Zellgruppen umfasst.
9. Kompositmaterial nach Anspruch 7 oder 8, bei dem der Anteil der lebenden Organismen 0.1 bis 30 Gew.-% bezogen auf das trockene Kompositmaterial beträgt.
10. Kompositmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das keramische Substratmaterial Aluminiumoxid oder Alu- mosilikat umfasst.
11. Kompositmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei dem in das Substratmaterial mindestens ein Additiv zur Erhöhung der biologischen Aktivität und/oder mindestens ein wasserlösliches Polymer eingebettet ist.
12. Kompositmaterial nach Anspruch 11, bei dem das Additiv zur Erhöhung der biologischen Aktivität Polyole, Glycerol, und/oder Nährstoffe umfasst.
13. Kompositmaterial nach Anspruch 11, bei dem das mindestens eine wasserlösliche Polymer Polyvinylalkohol oder Polyacrylsäu- re umfasst.
14. Kompositmaterial nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem der Anteil der eingebetteten Zusätze bis zu 30 Gew.-% bezogen auf das trockene Kompositmaterial beträgt.
15. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Kompositmaterials nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten: - Herstellung eines Schlickers aus einer wässrigen Dispersion des Substratmaterials und einer Dispersion des dispergierten biologischen Materials,
- Zugabe des nanopartikulären Verfestigungsmaterials,
- Verfestigung des Materials durch Neutralisation des Schlickers mit dem Verfestigungsmaterial bei Raumtemperatur oder durch einen Gefrierprozess, so dass das Kompositmaterial gebildet wird, und
- Abschlusstrocknung des Kompositmaterials.
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem dem Schlicker als Substratmaterial Aluminiumoxid oder Alumosilikat-Pulver oder -Fasern zugesetzt werden.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, bei dem dem Schlicker zusätzliche Additive zur Verbesserung der biologischen Aktivität und Erhöhung der mechanischen Stabilität zugesetzt werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei dem die Verfestigung in einer Gussform erfolgt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, bei dem der Gefrierprozess eine Gefrierbehandlung des Kompositmaterials bei einer Temperatur von bis -80 °C umfasst.
20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Gefriertrocknung des Kompositmaterials bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser bis - 10° C erfolgt.
21. Verwendung eines Kompositmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 14 als Biokatalysator oder Biofilter zur Reinigung von Flüssigkeiten.
22. Verwendung eines Kompositmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Herstellung keramischer Werkstoffe.
PCT/EP2004/000209 2003-01-17 2004-01-14 Bioaktive keramische kompositmaterialien und verfahren zu deren herstellung WO2004065328A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US10/540,936 US20060148633A1 (en) 2003-01-17 2004-01-14 Bioactive ceramic composite materials and methods for the production thereof
EP04701933A EP1587771A1 (de) 2003-01-17 2004-01-14 Bioaktive keramische kompositmaterialien und verfahren zu deren herstellung

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10301669A DE10301669A1 (de) 2003-01-17 2003-01-17 Bioaktive keramische Kompositmaterialien und Verfahren zu deren Herstellung
DE1031669.4 2003-01-17

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2004065328A1 true WO2004065328A1 (de) 2004-08-05

Family

ID=32602665

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2004/000209 WO2004065328A1 (de) 2003-01-17 2004-01-14 Bioaktive keramische kompositmaterialien und verfahren zu deren herstellung

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20060148633A1 (de)
EP (1) EP1587771A1 (de)
DE (1) DE10301669A1 (de)
WO (1) WO2004065328A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2082999A1 (de) * 2008-01-23 2009-07-29 Technische Universiteit Delft Mittel zur Selbstheilung von zementartigen Materialien und Strukturen und Verfahren zu seiner Herstellung
DE102009037768A1 (de) 2009-08-17 2011-02-24 Gesellschaft zur Förderung von Medizin-, Bio- und Umwelttechnologien e.V. Bioaktives Kompositmaterial

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006031212B3 (de) * 2006-07-03 2007-09-20 Igv Institut Für Getreideverarbeitung Gmbh In vivo Extraktion von Sekundärmetaboliten aus Mikroalgen
JP5582944B2 (ja) * 2009-09-28 2014-09-03 京セラ株式会社 配線基板、積層板及び積層シート
JP6433490B2 (ja) * 2013-06-24 2018-12-05 デルシテク オサケ ユキチュア シリカハイドロゲルコンポジット
CN103922784B (zh) * 2014-03-25 2015-07-29 西安理工大学 微生物发酵低温成型制备多孔陶瓷的方法
WO2020263116A1 (ru) * 2019-06-28 2020-12-30 Общество С Ограниченной Ответственностью "Наноком" Теплозащитный и теплоизоляционный волокнистый керамический материал "наноксилен" и способ его получения
CN112456835A (zh) * 2020-12-21 2021-03-09 吴江永盛混凝土有限公司 生态混凝土添加剂及生态混凝土

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1267685A (en) * 1968-08-02 1972-03-22 Unilever Ltd Preparation of enzymatically active substances
US4752459A (en) * 1985-04-09 1988-06-21 Perrer Duncan S Preparation of porous bodies
US5824526A (en) * 1990-01-23 1998-10-20 Yissum, Research Development Company Of The Hebrew University Of Jerusalem, Israel Doped sol-gel glasses for obtaining chemical interactions
US6180378B1 (en) * 1999-01-29 2001-01-30 The United States Of America As Represented By The Secretary Of Agriculture Immobilization of bioactive protein in phyllosilicates

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4148689A (en) * 1976-05-14 1979-04-10 Sanraku-Ocean Co., Ltd. Immobilization of microorganisms in a hydrophilic complex gel
JPS60120987A (ja) * 1983-12-05 1985-06-28 Kikkoman Corp 固定化された微生物菌体もしくは酵素の製法
CA2077890A1 (en) * 1991-01-11 1992-07-12 Roger L. Sowerby Trithianes and phosphorus acid and/or thiophosphorus acid derivatives
US5200334A (en) * 1991-08-13 1993-04-06 The Regents Of The University Of California Sol-gel encapsulated enzyme
JPH0710640A (ja) * 1993-06-25 1995-01-13 Teruo Higa 機能性セラミックスの製造法
US5739020A (en) * 1995-01-10 1998-04-14 Pope; Edward J. A. Encapsulation of animal and microbial cells in an inorganic gel prepared from an organosilicon
US5693513A (en) * 1995-01-10 1997-12-02 Pope; Edward J. A. Encapsulation of living tissue cells in an organosilicon
US6696258B1 (en) * 1998-01-20 2004-02-24 Drexel University Mesoporous materials and methods of making the same
US20020115742A1 (en) * 2001-02-22 2002-08-22 Trieu Hai H. Bioactive nanocomposites and methods for their use

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1267685A (en) * 1968-08-02 1972-03-22 Unilever Ltd Preparation of enzymatically active substances
US4752459A (en) * 1985-04-09 1988-06-21 Perrer Duncan S Preparation of porous bodies
US5824526A (en) * 1990-01-23 1998-10-20 Yissum, Research Development Company Of The Hebrew University Of Jerusalem, Israel Doped sol-gel glasses for obtaining chemical interactions
US6180378B1 (en) * 1999-01-29 2001-01-30 The United States Of America As Represented By The Secretary Of Agriculture Immobilization of bioactive protein in phyllosilicates

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2082999A1 (de) * 2008-01-23 2009-07-29 Technische Universiteit Delft Mittel zur Selbstheilung von zementartigen Materialien und Strukturen und Verfahren zu seiner Herstellung
WO2009093898A1 (en) * 2008-01-23 2009-07-30 Technische Universiteit Delft Healing agent in cement-based materials and structures, and process for its preparation
US8460458B2 (en) 2008-01-23 2013-06-11 Technische Universiteit Delft Healing agent in cement-based materials and structures, and process for its preparation
DE102009037768A1 (de) 2009-08-17 2011-02-24 Gesellschaft zur Förderung von Medizin-, Bio- und Umwelttechnologien e.V. Bioaktives Kompositmaterial

Also Published As

Publication number Publication date
EP1587771A1 (de) 2005-10-26
US20060148633A1 (en) 2006-07-06
DE10301669A1 (de) 2004-07-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE3728812C2 (de)
DE3336235C2 (de)
DE69914207T3 (de) Schaumkeramik
KR102513376B1 (ko) 커피찌꺼기를 이용한 성형품의 제조방법
WO2004065328A1 (de) Bioaktive keramische kompositmaterialien und verfahren zu deren herstellung
DE69905610T2 (de) Verfahren zur herstellung poröser keramischen matrizen verwendbar als katalysatorträger
DE19827552C1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Gels aus Polyvinylalkohol und nach dem Verfahren hergestelltes mechanisch hochstabiles Gel
EP0017176B1 (de) Verfahren zur Immobilisierung von enzymatisch aktiven Präparaten
KR100331162B1 (ko) 바이오필터용다공성세라믹담체및그제조방법
DE102009037768A1 (de) Bioaktives Kompositmaterial
WO2006081932A1 (de) Schwermetalldekontamination durch hybride biofilter
DE10146375B4 (de) Biokompositmaterial, Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendung
EP3600464A1 (de) Trägerzusammensetzung für knochenersatzmaterialien
DE10054119B4 (de) Biokompositmaterial
EP2788171B1 (de) Herstellung anisotrop strukturierter werkstoffe
DD258713A3 (de) Calciumphosphathaltiger, biokompatibler schichtkoerper und verfahren zu seiner herstellung
KR20010074659A (ko) 바이오필터용 다공성 세라믹 담체 및 그 제조방법
Li et al. Preparation and properties of homogeneous oxidized sodium alginate/silica/polyacrylamide–gelatin composite hydrogel based on interpenetrating network technology
DE102012209909B4 (de) Homogenisiertes Kompaktkomposit, Verfahren zu dessen Herstellung sowie Kompositpulver und dessen Verwendung
DE102018200969B3 (de) Verfahren zur Herstellung poröser anorganischer Formkörper sowie damit hergestellte Formkörper und deren Verwendung
DE102008057186A1 (de) Verfahren zur Herstellung mineralisierter Proteinhohlkörper
DE10207708A1 (de) Verfahren zur Herstellung keramischer Formkörper mittels Mikroorganismen und Enzymen
DE10138580B4 (de) Nährstoffhaltiges Kompositmaterial
JP2006089311A (ja) β−リン酸三カルシウム多孔体、その製造方法及び生体材料
Mercado et al. Synthesis of glass ionomer cement gels using tetraethylorthosilicate xerogels in presence of a polymeric matrix

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BW BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DK DM DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NA NI NO NZ OM PG PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL SY TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): BW GH GM KE LS MW MZ SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LU MC NL PT RO SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2004701933

Country of ref document: EP

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 2004701933

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2006148633

Country of ref document: US

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 10540936

Country of ref document: US

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 10540936

Country of ref document: US

DPE2 Request for preliminary examination filed before expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)