WO2010046413A2 - Pharmaceutical keratin sponge - Google Patents

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WO2010046413A2
WO2010046413A2 PCT/EP2009/063834 EP2009063834W WO2010046413A2 WO 2010046413 A2 WO2010046413 A2 WO 2010046413A2 EP 2009063834 W EP2009063834 W EP 2009063834W WO 2010046413 A2 WO2010046413 A2 WO 2010046413A2
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Stephan Reichl
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Technische Universität Braunschweig
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    • A61L27/22Polypeptides or derivatives thereof, e.g. degradation products
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    • A61L15/16Bandages, dressings or absorbent pads for physiological fluids such as urine or blood, e.g. sanitary towels, tampons
    • A61L15/22Bandages, dressings or absorbent pads for physiological fluids such as urine or blood, e.g. sanitary towels, tampons containing macromolecular materials
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    • A61L27/50Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/56Porous materials, e.g. foams or sponges

Definitions

  • the present invention relates to a sponge of keratin and its use for pharmaceutical purposes, a process for its preparation and the use of the keratin sponge for the manufacture of products for medical use, for example for use in wound care or as a support framework for tissue to be formed, e.g. for an implant.
  • the keratin sponge according to the invention is capable of swelling in aqueous compositions and can therefore also be used as wound tamponade. Furthermore, the keratin sponge according to the invention is not cytotoxic and can be populated over the entire cross section of animal cells, so that the keratin sponge is suitable for implantation in the animal or human body, for example as an implant for filling defect sites, optionally with immunocompatible cells, preferably with autologous cells populated. State of the art
  • WO 99/26570 describes open-celled foams of keratin, for example by spraying or freeze-drying a keratin solution.
  • the keratin solution is generated under reducing conditions so that disulfide bridges are reduced to thiol groups.
  • oxidation of the keratin is carried out for crosslinking. Heating of the dry keratin does not take place.
  • Tanaga et al. (Materials Science and Engineering C24, 441-446 (2004)) describe the generation of a film of reduced keratin solution which has been treated with chemical crosslinking agents.
  • the keratin solution is according to Yamauchi et al. (Journal of Biomedical Materials Research 439-444 (1996)) and Yamauchi et al. (Journal Biomaterials Science Polymer Vol. 9, No. 3, 259-270 (1998)) by solubilizing wool under reducing conditions and as described by Yamauchi et al. previously described, including the reducing agent dried, for example by freeze-drying.
  • WO 01/19305 describes the preparation of swellable oxidized keratin in which disulfide bridges have been treated with a peroxide to prevent the formation of disulfide bridges in the finished gel.
  • EP 0 628 573 A1 describes the preparation of keratin films and fibers from a keratin solution prepared in the presence of a reducing agent and subsequently oxidized in the presence of thioglycolic acid to form a mixed disulfide, a carboxymethyl disulfide.
  • the protein obtained is water-soluble.
  • EP 1 470 824 A1 describes in one example the extraction of keratin from skin biopsin and hydrolysis of hair in the presence of a reducing agent, followed by pelleting, resuspension of the pelleted material and its dialysis for use as antigen.
  • keratin sponges Compared to known keratin sponges, it is an object of the invention to provide an alternative keratin sponge and an alternative method for its production.
  • a pharmaceutical i.e.. to provide for medical use suitable keratin sponge which is swellable, and e.g. can be used as an absorber for exudate water.
  • the invention achieves the above object with the features of the claims, in particular by providing a keratin sponge made from a keratin solution prepared under reducing conditions from natural keratin, preferably human hair keratin, and from which reducing compounds are removed, for example by dialysis against an aqueous medium without reducing ingredients.
  • the keratin sponge according to the invention preferably consists of keratin, which is solubilized without additional chemical derivatization in aqueous solution, optionally partially hydrolyzed partially alkaline, and freeze-dried without the presence of reducing and / or oxidizing agent from aqueous solution in the presence of a polyhydroxy compound and then to about 100%. 150 0 C was heated in the air.
  • the keratin sponge comprises a mixture of a first keratin solution prepared under reducing conditions from natural keratin and from which reducing compounds have been removed, for example by dialysis against an aqueous medium without reducing ingredients at neutral to slightly acidic pH, and a portion of a second keratin solution, also preferably made from natural keratin by hydrolysis under reducing conditions, removed from the reducing agent, for example by dialysis partially hydrolyzed by alkaline treatment, preferably by dialyzing the keratin solution against an alkaline aqueous composition followed by removal of the alkaline composition, for example by ultrafiltration, washing and / or dialysis, preferably against water at neutral pH.
  • keratin sponge which has a proportion of partially alkaline hydrolyzed keratin
  • a has higher absorbency for aqueous compositions, eg wound exudate.
  • solubilized hair keratin having a major proportion of about 70 to 80 +/- 10 wt .-% of about 50 to 60 kDa, and a smaller proportion with a MW of> 100 kDa.
  • Alkaline partially hydrolysed keratin suitable for the invention has a molecular weight of ⁇ 50 kDa for at least 50% by weight, preferably at least 75-80% by weight.
  • Partially hydrolyzed keratin produced by alkaline hydrolysis has, according to the preferred alkaline hydrolysis process, a proportion of about 50 to 70% by weight at ⁇ 5 kDa.
  • the portion with a MW of ⁇ 5 kDa is separated, e.g. by ultrafiltration with an exclusion limit of about 5 kDa, and the remaining higher molecular weight fraction is used.
  • the higher molecular weight portion of the partially alkaline hydrolysed keratin used has a MW of at least 5 kDa, e.g.
  • the proportion of alkaline partially hydrolyzed keratin therefore preferably at least 25 to 35 wt .-% with a MW of 5 to 10 kDa, optionally another 3 to 10 wt .-% with a MW of 10 to 30 kDa, further optionally further 5 to 12 wt .-% with a MW of 30 to 50 kDa.
  • the partially alkaline hydrolyzed keratin is obtainable by dialysis of hydrolyzed keratin according to the invention against 0.1 M sodium hydroxide solution at about 4 ° C. for 4 to 24 hours and separation of a fraction of low molecular weight.
  • a low molecular weight fraction of up to 3 kDa, more preferably 5 kDa, or up to 10 kDa or up to 30 kDa is separated off.
  • the keratin sponge of the present invention consists of reduced keratin, which is formed from a solution of reduced keratin which does not contain a reducing agent and no Contains oxidizing agent, followed by oxidation solely by contact with oxygen, for example in admixture with nitrogen, for example air, wherein preferably the keratin solution contains a proportion of reduced keratin, also in the absence of reducing agent, which is partially hydrolyzed alkaline.
  • the keratin sponge according to the invention particularly preferably consists of a skeleton of this keratin or of the mixture of keratin with partially alkaline hydrolyzed keratin, particularly preferably with an addition of a plasticizer which is in particular selected from polyhydroxy compounds, in particular glycerol and propylene glycol.
  • the content of polyhydroxy compound is in particular 0.5 to 3 wt .-% per 15 to 30 mg of keratin, measured as total protein according to Bradford, preferably 1 to 2 wt .-% polyhydroxy compound per 20 mg of keratin measured as a whole protein according to Bradford.
  • the keratin sponges of the present invention may be prepared by conventional methods of forming a porous structure from a solution of keratin, preferably by freeze-drying an aqueous solution of keratin, preferably by freeze-drying an aqueous solution of the mixture of keratin with a proportion of partially alkaline hydrolyzed keratin, preferably has a pH of 9 to 11, preferably 10.
  • partially (partially) alkaline hydrolyzed keratin is also referred to as alkaline partially hydrolyzed keratin.
  • the keratin sponges according to the invention are characterized by a high dimensional stability for a long time within the animal body and are essentially not biodegradable after being implanted in an animal body.
  • these keratin sponges preferably made by the method of the present invention, are for use in the preparation of wound tamponades, e.g. for the absorption of exudate, or for use in the manufacture of implants, since these sponges can be colonized over their entire volume or over their entire inner surface of cells of the implant recipient.
  • the keratin sponges according to the invention are capable of swelling in aqueous compositions, wherein the swelling capacity increases with increasing content of alkaline partially hydrolyzed keratin, so that the swellability is adjustable by the proportion of alkaline partially hydrolyzed keratin on the total keratin.
  • the keratin sponges according to the invention are colonized by their entire volume of cells which adhere within the open pore structure. Accordingly, the sponges according to the invention are suitable for use as builder substance for in vitro cultivation of animal cells in three-dimensional structure and in particular for use as an implant for filling defect sites, for example tissue, in particular soft tissue of the animal body, including man.
  • the preparation method according to the invention comprises a hardening of the keratin, which is hydrolyzed in water, optionally additionally partially alkaline hydrolyzed proportionally, and removed by freeze-drying from aqueous composition, from which reducing agents and / or oxidizing agents are removed and therefore not contained, in the presence of a Polyhydroxy compound by heat treatment, for example at 100 0 C to 160 0 C, preferably to 100 to 110 0 C for 0.5 to 1.5 h.
  • a Polyhydroxy compound by heat treatment for example at 100 0 C to 160 0 C, preferably to 100 to 110 0 C for 0.5 to 1.5 h.
  • the keratin sponge may be subjected to sterilization by ⁇ -irradiation.
  • the keratin sponges according to the invention have no harmful substances for the cell culture, for example no cytotoxic substances and no viruses.
  • tests on the cultivation of animal cells on the sponge showed no contamination of the sponges with cell-damaging agents and the absence of viruses. Therefore, the production method according to the invention, for example, starting from human hair in the production of keratin solution, allows the use for the production of a porous implant structure which is free of viruses and free of cytotoxins.
  • keratin sponges according to the invention have particles of keratin of approximately the same size, eg monomodal by about 50 -250 nm, which promote colonization by cells.
  • the monomodal size distribution of the particles identifiable in inventive keratin sponges is, in particular, a particle size in the size range of 50 up to 250 nm, preferably with a majority of the particle sizes around the mean value, eg around 150 nm in the manner of a Gaussian distribution.
  • the keratin sponges according to the invention have a high structural stability and a better resistance to degradation after implantation in the animal body and / or are populated faster and more uniformly by animal cells, so that when used for the production of an implant, they become an implant resulting in faster formation of natural tissue within the implant structure.
  • Keratin sponges that were prepared without polyhydroxy compound under otherwise identical conditions, a high brittleness, or low structural stability, and a significantly lower water resistance than inventive keratin sponges. It has been found in preliminary experiments that keratin sponges which were produced without a final heating step, for example in accordance with WO 99/26570, or with a heating step, but without a polyhydroxy compound, are not structurally stable in an aqueous medium. In particular, sponges prepared without polyhydroxy compound and without heating step disintegrate in an aqueous medium. In contrast, keratin sponges produced using the method according to the invention are structurally stable even in an aqueous medium. This can e.g. be recognized that electron micrographs of sponges according to the invention show substantially the same structure for sponges, which are analyzed immediately after preparation, or after contacting with aqueous medium and subsequent drying.
  • keratin sponges which are produced under otherwise identical conditions from a keratin solution which, however, still contains reducing agents, or an oxidizing agent, for example a peroxide.
  • the sponges of the present invention have better mechanical and absorption properties over such sponges made from a keratin solution which does not contain a proportion of partially alkaline hydrolyzed keratin, but e.g. essentially only solubilized keratin of> 50 or> 60 kDa.
  • the keratin solution used to make the keratin sponge by removing the solvent, especially water contains no reducing compounds, no oxidizing compounds, and preferably has an approximately neutral pH.
  • the keratin solution used for the production of keratin sponges is particularly preferably an aqueous composition which has reduced keratin, preferably a proportion of alkaline hydrolyzed reduced keratin in water.
  • a keratin solution i. the reduced keratin solution or a reduced keratin reduced keratin solution which is partially alkaline hydrolyzed (also referred to as partially alkaline hydrolyzed) is dialysed against pure water, preferably at pH 6.5-7.5.
  • aggregates of the particles are removed from the aqueous keratin solution, e.g. by ultracentrifugation at 10,000 x g, optionally by filtration.
  • the keratin used to prepare the solution is ⁇ -keratin;
  • the keratin solution is made from hair, such as human hair.
  • an aqueous composition consisting of thiourea, urea and mercaptoethanol in aqueous solution, it being possible for the mercaptoethanol to be replaced by another reducing compound.
  • the reducing agent-free aqueous keratin solution is obtained by subsequently removing the reducing agent initially used to prepare the solution, e.g. by replacing the solvent medium with water without reducing agent, in particular by dialysis or ultrafiltration.
  • a further advantage of the keratin sponges according to the invention is that they are at least partially optically transparent, and allow a simple optical control of the colonization with cells, in particular after staining of the cells, e.g. by microscopy in the areas close to the surface of the sponge.
  • keratin sponges having a monomodal size distribution of keratin particles whose major value is in the range of 20 to 5,000 nm, preferably 100 to 1,000 nm, more preferably 100 to 200 nm, are produced from the keratin solution used in the invention for producing the keratin sponges.
  • the invention also relates to methods for culturing animal, in particular human cells in the presence of a sponge according to the invention, or for the use of the sponges according to the invention in the cultivation of such cells. It is currently believed that the significantly better cultivation results are due to the particular structure of the keratin sponges with their nanoparticulate structure.
  • a keratin sponge prepared by the method according to the invention which consists of a mixture of an aqueous keratin solution, which is obtained by hydrolysis of hair in denaturing aqueous solution containing reducing agent, which serves to hydrogenate disulfide bridges of keratin, followed by removal of the reducing agent from the solution, the solution containing no oxidizing agent, with a portion of the aqueous keratin solution thus prepared containing no reducing agent and no oxidizing agent which is partially alkaline hydrolyzed by drying the mixture containing polyhydroxy compound, preferably 1 to 3% by weight per 20 mg of keratin, measured as a total protein according to Bradford, wherein the mixture is converted by the drying to a porous structure.
  • the dried mixture is heated to about 100 to 150 0 C, preferably 100 to 110 0 C, for at least 1 h, preferably 2.5 h without the addition of further compounds in air.
  • the advantageous properties of the keratin sponge thus obtained are particularly evident when using the production process for medical products, for example for implants.
  • Beneficial properties include stability against degradation after implantation in the animal body, ie the high resistance to absorption, the elasticity and stability properties and the good colonization by cells which make the keratin sponges suitable for use as an implant, eg for filling defect sites in the animal body, including man.
  • the advantageous properties include, in particular, swelling capacity, for example for receiving wound exudate.
  • nanostructures in the keratin sponge according to the invention can be made visible, which are also referred to herein as nanoparticles. It is assumed that the mechanical properties and also the suitability of the keratin sponge according to the invention for colonization by animal cells are due to this nanoparticulate structure.
  • the keratin sponge contains essentially no free thiol groups after drying and before the heat treatment. It is believed that thiol groups are already fully oxidized in the dialysate of water-soluble keratin, of which one portion is preferably partially alkaline hydrolyzed, due to the absence of reducing agent.
  • the keratin sponge according to the invention therefore has a nanoparticulate microstructure with a substantially monomodal size distribution of the nanoparticles, and contains no reducing agent and / or oxidizing agent added to the keratin.
  • the keratin is prepared by drying an aqueous keratin solution containing no added reducing agents and / or oxidizing agents and containing solubilized keratin, particularly hair, in aqueous solution, preferably wherein a portion of the solubilized keratin is partially alkaline (partially) hydrolyzed. More preferably, the keratin sponge is made from keratin solution consisting of solubilized keratin in water, i.
  • the keratin sponge according to the invention contains a plasticizer, in particular selected from glycerol and propylene glycol, which is e.g. the aqueous keratin solution is added before freeze-drying and before the subsequent heat treatment.
  • a plasticizer in particular selected from glycerol and propylene glycol, which is e.g. the aqueous keratin solution is added before freeze-drying and before the subsequent heat treatment.
  • keratin sponges according to the invention retain their structural stability even in the swollen state, ie in the presence of aqueous compositions, so that, for example, absorbed liquid is essentially not released even under pressure.
  • swollen sponges give under pressure a small portion of absorbed liquid from, for example, the only capillary bound portion of the liquid, and retain the majority of the absorbed liquid.
  • keratin sponges according to the invention are solid and gel-like, so that bound liquid is essentially not released even under pressure.
  • the elastic resilience is maintained substantially in the swollen state. As the proportion of alkaline hydrolyzed keratin increases, the elastic recovery decreases.
  • FIG. 1 shows the measurement result of the photon correlation spectroscopy of the keratin solution according to Comparative Example 1 (Y axis shows intensity in percent),
  • FIG. 2 shows the measurement result of the photon correlation spectroscopy of the keratin solution according to Example 1 (Y axis shows intensity in percent),
  • FIG. 3 shows a scanning electron micrograph of a keratin sponge according to the invention with about 10% hydrolyzed keratin
  • FIG. 4 shows an enlarged scanning electron micrograph of a keratin sponge according to the invention from FIG. 3,
  • FIG. 5 shows an enlarged scanning electron micrograph of a keratin sponge according to the invention from FIG. 3,
  • FIG. 6 shows a scanning electron micrograph of a keratin sponge according to the invention with about 20% hydrolyzed keratin and
  • FIG. 7 shows a scanning electron micrograph of a keratin sponge according to the invention with about 30% hydrolyzed keratin.
  • a keratin sponge was prepared from a keratin solution by freeze-drying, which according to Yamauchi et al. (J. Biomater, Polym. Ed 9: 259-270 (1998)), but without SDS in the keratin solution.
  • human hair (20 g) was washed in 0.5% SDS solution, dried and degreased overnight in n-hexane after removal of the hexane in 360 mL of 7 M urea with 32 mL of 2-mercaptoethanol in a closed glass bottle at 50 Shake 0 C for 24 h and then filter.
  • the filtrate was dialyzed three times against 12 L of distilled water with 0.2% by weight of 2-mercaptoethanol overnight. A turbid solution of approx. 480 mL was obtained.
  • the analysis of the particle size distribution with photon correlation spectroscopy is shown in Figure 1 and gave a multimodal size distribution with a Z-average value around a particle size of about 125 nm and a polydispersity index of 0.41 due to a highly multimodal distribution.
  • the distribution curve shows three peaks at approximately 115 nm, 700 nm and 4770 nm.
  • the solution was used either directly for the production of sponges or after removal of aggregates by ultracentrifugation.
  • the solution was frozen at -20 0 C and then freeze-dried.
  • the analysis showed a lower seeding efficiency and a lower growth of animal cells in culture, a lower mechanical structural strength of the dry and water-hydrated sponge, and a low swelling capacity in connection with a small increase in volume, e.g. when taking wound exudate.
  • aqueous keratin solution to be used according to the invention, 20 g of human hair were washed with 0.5% SDS solution, dried and degreased overnight by incubation with n-hexane. After removal of the hexane, 400 ml of a 25 mM Tris solution (pH 8.5) 2 M thiourea, 5 M urea and 5% mercaptoethanol in water were added. After sealing the vessel with parafilm was stirred at 50 0 C for 72 h. Undissolved constituents were removed by centrifugation at approximately 4,500 ⁇ g (laboratory centrifuge), 10 min, 5,000 rpm).
  • the supernatant was additionally filtered through a filter having a pore size of 2.5 ⁇ m.
  • the filtrate could be stored at 4 0 C or frozen in aliquots without significant changes in the properties.
  • the filtrate was dialyzed against distilled water, eg with a Spectrapore 1 membrane (exclusion limit 6,000-8,000 Da), usually per 100 mL filtrate against 5 L water over 72 h with 6-fold replacement of the water.
  • the dialysate was centrifuged in an ultracentrifuge at 15,000 rpm for 10 min to remove aggregates.
  • the protein content of this keratin solution was about 20 mg / mL (Bradford).
  • the centrifugate can be used directly for the production of keratin sponges, preferably by freezing the solution and subsequent freeze-drying.
  • a portion of the keratin solution described above was hydrolyzed alkaline, for example by dialysis against 0.1 M sodium hydroxide solution at 4 0 C.
  • the resulting alkaline dialysate was purified by ultrafiltration (exclusion limit 5000 Da, filter available under the name Vivaspin) and with 0.1 mM sodium hydroxide solution, the remaining pH was 10.
  • the dissolved keratin was partially hydrolyzed.
  • the protein content was determined to Bradford to 25 to 30 mg / mL.
  • the mixtures of the keratin solution shown in the table below were prepared with the alkaline hydrolyzed keratin solution and freeze-dried after freezing.
  • the polyhydroxy compound in each case 1% by weight of glycerol per ml of keratin solution was added to the keratin solution.
  • the weight gain was measured as drained weight after immersion in water.
  • For the sponge formation about 1 mL of the mixture of Keratinrawen with 1 wt% glycerol was frozen in cylindrical tubes at -20 0 C, freeze-dried and then heated at 110 0 C for about 2.5 hours.
  • FIG. 3 shows an edge length of the image of 1,800 ⁇ m) a sponge which is produced from a keratin solution with 10% by volume of alkaline partially hydrolyzed keratin solution,
  • Figure 4 shows a detail of Fig. 3, edge length of the figure 450 microns
  • Figure 5 shows a detail of Fig. 3 with an edge length of the image of 9 microns.
  • Figures 3, 4 and 5 show that the structure of the sponge is very uniform, and the pore walls are smooth and closed in itself, wherein in Figure 5, the nanoparticulate surface structure is clear.
  • FIG. 6 shows a scanning electron micrograph of a sponge produced from a mixture of keratin solutions containing 20% by volume of alkaline hydrolyzed keratin solution
  • FIG. 7 shows a scanning electron micrograph of a sponge consisting of a mixture with 30% by volume. alkaline partially hydrolyzed keratin solution was prepared.
  • the images of Figures 6 and 7 each have an edge length of 1,800 microns.
  • FIGS. 6 and 7 show that a higher proportion of alkaline partially hydrolysed keratin solution produces larger pores in the keratin sponge, but the self-contained surface of the pore walls is retained.
  • the sponges shown in Figures 3-7 were analyzed without intermediate contact with water. Equally prepared sponges showed in the REM analysis in Substantially identical structures, if the sponges were previously introduced in aqueous medium and dried after complete wetting and swelling, for example at ambient temperature or at the drying temperature.
  • the cultivation of cells can be carried out in vitro with the sponge according to the invention by incubation of the sponge in cell culture medium under cell culture conditions with added animal cells.
  • approximately 100,000 human stromal keratocytes were incubated with a sponge prepared according to the invention (10% by volume of alkaline partially hydrolyzed keratin) in standard medium for three days.
  • a keratin sponge was treated the same, but without adding cells.
  • MTT yellow tetrazolium salt
  • FIG. 8 shows a photograph, namely the control without cells on the left in the image, and on the right in the image the sponge incubated with cells after conversion of MTT. It becomes clear that the livid staining occurs through the entire volume of the sponge according to the invention, which indicates a complete colonization of the keratin sponge by its entire volume.
  • the sponge of the present invention is colonized by its total volume of cells, preferably faster and / or more uniformly than sponges made from keratin solution containing a reducing or oxidizing agent or prepared without heating the dried structure.

Abstract

The invention relates to a keratin sponge manufactured from a keratin solution prepared under reducing conditions from natural keratin, preferably keratin from human hair, from said solution reducing compounds are extracted, for example through dialysis against an aqueous medium without reducing contents.  The keratin sponge according to the invention preferably comprises keratin that is solubilized in an aqueous solution without chemical derivatization, or that is optionally partially alkalinically hydrolyzed, and that is freeze-dried from an aqueous solution in the presence of a polyhydroxy compound without any reduction and/or oxidation agents present, and then heated in air to about 100 - 150°C.

Description

Pharmazeutischer Keratinschwamm Pharmaceutical Keratin Sponge
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schwamm aus Keratin und dessen Verwendung für pharmazeutische Zwecke, ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie die Verwendung des Keratinschwamms zur Herstellung von Produkten für die medizinische Verwendung, beispielsweise zur Verwendung bei der Wundversorgung oder als Trägergerüst für neu zu bildendes Gewebe, z.B. für ein Implantat.The present invention relates to a sponge of keratin and its use for pharmaceutical purposes, a process for its preparation and the use of the keratin sponge for the manufacture of products for medical use, for example for use in wound care or as a support framework for tissue to be formed, e.g. for an implant.
Der erfmdungsgemäße Keratinschwamm ist in wässrigen Zusammensetzungen quellfähig und kann daher auch als Wundtamponade Verwendung finden. Weiterhin ist der erfindungsgemäße Keratinschwamm nicht zytotoxisch und kann über den gesamten Querschnitt von tierischen Zellen besiedelt werden, sodass sich der Keratinschwamm zur Implantation in den tierischen oder menschlichen Körper eignet, beispielsweise als Implantat zur Auffüllung von Defektstellen, optional mit immunkompatiblen Zellen, vorzugsweise mit autologen Zellen besiedelt. Stand der TechnikThe keratin sponge according to the invention is capable of swelling in aqueous compositions and can therefore also be used as wound tamponade. Furthermore, the keratin sponge according to the invention is not cytotoxic and can be populated over the entire cross section of animal cells, so that the keratin sponge is suitable for implantation in the animal or human body, for example as an implant for filling defect sites, optionally with immunocompatible cells, preferably with autologous cells populated. State of the art
Die WO 99/26570 beschreibt offenzellige Schäume aus Keratin, beispielsweise durch Versprühen oder Gefriertrocknen einer Keratinlösung. Die Keratinlösung wird unter reduzierenden Bedingungen erzeugt, sodass Disulfidbrücken zu Thiolgruppen reduziert werden. Nach der Bildung eines Films oder Schaums aus der reduzierten Keratinlösung, die noch ein Reduktionsmittel enthält, wird nach Trocknung eine Oxidation des Keratins zur Vernetzung durchgeführt. Eine Erwärmung des trockenen Keratins erfolgt nicht.WO 99/26570 describes open-celled foams of keratin, for example by spraying or freeze-drying a keratin solution. The keratin solution is generated under reducing conditions so that disulfide bridges are reduced to thiol groups. After the formation of a film or foam from the reduced keratin solution, which still contains a reducing agent, after oxidation, oxidation of the keratin is carried out for crosslinking. Heating of the dry keratin does not take place.
Tanaga et al. (Materials Science and Engineering C24, 441-446 (2004)) beschreiben die Erzeugung eines Films aus reduzierter Keratinlösung, die mit chemischen Vernetzungsmitteln versetzt ist. Die Keratinlösung wird nach Yamauchi et al. (Journal of Biomedical Materials Research 439-444 (1996)) bzw. Yamauchi et al. (Journal Biomaterials Science Polymer VoI 9, Nr. 3, 259-270 (1998)) durch Solubilisieren von Wolle unter reduzierenden Bedingungen hergestellt und wie von Yamauchi et al. vorbeschrieben, einschließlich des Reduktionsmittels getrocknet, beispielsweise durch Gefriertrocknen.Tanaga et al. (Materials Science and Engineering C24, 441-446 (2004)) describe the generation of a film of reduced keratin solution which has been treated with chemical crosslinking agents. The keratin solution is according to Yamauchi et al. (Journal of Biomedical Materials Research 439-444 (1996)) and Yamauchi et al. (Journal Biomaterials Science Polymer Vol. 9, No. 3, 259-270 (1998)) by solubilizing wool under reducing conditions and as described by Yamauchi et al. previously described, including the reducing agent dried, for example by freeze-drying.
Reichl (5th World Meeting of Pharmaceutics, Biopharmaceutics and Pharmaceutical Technology Genf, 27-30 März 2006) beschreibt die Beschichtung eines Trägers mit einer reduzierten Keratinlösung durch Ausfällung mit Trichloressigsäure.Reichl (5th World Meeting of Pharmaceutics, Biopharmaceutics and Pharmaceutical Technology Geneva, 27-30 March 2006) describes coating a carrier with a reduced keratin solution by precipitation with trichloroacetic acid.
Die WO 01/19305 beschreibt die Herstellung von quellfähigem oxidiertem Keratin, in welchem Disulfidbrücken mit einem Peroxid behandelt wurden, um die Bildung von Disulfidbrücken im fertigen Gel zu verhindern.WO 01/19305 describes the preparation of swellable oxidized keratin in which disulfide bridges have been treated with a peroxide to prevent the formation of disulfide bridges in the finished gel.
Die EP 0 628 573 Al beschreibt die Herstellung von Filmen und Fasern aus Keratin aus einer Keratinlösung, die in Gegenwart eines Reduktionsmittels hergestellt wird und anschließend in Gegenwart von Thioglycolsäure oxidiert wird, um ein gemischtes Disulfid, ein Carboxymethyldisulfϊd zu bilden. Das erhaltene Protein ist wasserlöslich.EP 0 628 573 A1 describes the preparation of keratin films and fibers from a keratin solution prepared in the presence of a reducing agent and subsequently oxidized in the presence of thioglycolic acid to form a mixed disulfide, a carboxymethyl disulfide. The protein obtained is water-soluble.
Die EP 1 470 824 Al beschreibt in einem Beispiel die Extraktion von Keratin aus Hautbiopsin und Hydrolyse von Haar in Gegenwart eines Reduktionsmittels, und anschließende Pelletierung, Resuspendierung des pelletierten Materials und dessen Dialyse zur Verwendung als Antigen. Aufgabe der ErfindungEP 1 470 824 A1 describes in one example the extraction of keratin from skin biopsin and hydrolysis of hair in the presence of a reducing agent, followed by pelleting, resuspension of the pelleted material and its dialysis for use as antigen. Object of the invention
Gegenüber bekannten Keratinschwämmen ist es Aufgabe der Erfindung, einen alternativen Keratinschwamm und ein alternatives Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, einen für pharmazeutische Zwecke, d.h. für die medizinische Verwendung geeigneten Keratinschwamm bereitzustellen, der quellfähig ist, und z.B. als Absorber für Exudatwasser verwendet werden kann.Compared to known keratin sponges, it is an object of the invention to provide an alternative keratin sponge and an alternative method for its production. In particular, it is an object of the invention to provide a pharmaceutical, i.e.. to provide for medical use suitable keratin sponge which is swellable, and e.g. can be used as an absorber for exudate water.
Allgemeine Beschreibung der ErfindungGeneral description of the invention
Die Erfindung löst die vorgenannte Aufgabe mit den Merkmalen der Ansprüche, insbesondere durch Bereitstellung eines Keratinschwamms, der aus einer Keratinlösung hergestellt ist, die unter reduzierenden Bedingungen aus natürlichem Keratin, vorzugsweise menschlichem Haarkeratin hergestellt ist, und aus der reduzierende Verbindungen entfernt sind, beispielsweise durch Dialyse gegen ein wässriges Medium ohne reduzierende Inhaltsstoffe. Der erfindungsgemäße Keratinschwamm besteht vorzugsweise aus Keratin, das ohne zusätzliche chemische Derivatisierung in wässriger Lösung solubilisiert, optional anteilig alkalisch partiell hydrolysiert ist, und ohne Anwesenheit von Reduktions- und/oder Oxidationsmittel aus wässriger Lösung in Gegenwart einer Polyhydroxyverbindung gefriergetrocknet und anschließend auf ca. 100 - 150 0C an der Luft erwärmt wurde.The invention achieves the above object with the features of the claims, in particular by providing a keratin sponge made from a keratin solution prepared under reducing conditions from natural keratin, preferably human hair keratin, and from which reducing compounds are removed, for example by dialysis against an aqueous medium without reducing ingredients. The keratin sponge according to the invention preferably consists of keratin, which is solubilized without additional chemical derivatization in aqueous solution, optionally partially hydrolyzed partially alkaline, and freeze-dried without the presence of reducing and / or oxidizing agent from aqueous solution in the presence of a polyhydroxy compound and then to about 100%. 150 0 C was heated in the air.
In bevorzugter Ausführungsform umfasst der Keratinschwamm eine Mischung einer ersten Keratinlösung, die unter reduzierenden Bedingungen aus natürlichem Keratin hergestellt ist, und aus der reduzierende Verbindungen, beispielsweise durch Dialyse gegen ein wässriges Medium ohne reduzierende Inhaltsstoffe bei neutralem bis leicht saurem pH- Wert entfernt wurden, und einem Anteil einer zweiten Keratinlösung, die ebenfalls vorzugsweise aus natürlichem Keratin durch Hydrolyse unter reduzierenden Bedingungen hergestellt ist, aus der Reduktionsmittel entfernt sind, beispielsweise durch Dialyse, die durch alkalische Behandlung teilweise hydrolysiert ist, vorzugsweise durch Dialyse der Keratinlösung gegen eine alkalische wässrige Zusammensetzung, gefolgt von anschließender Entfernung der alkalischen Zusammensetzung, beispielsweise durch Ultrafiltration, Waschen und/oder Dialyse, vorzugsweise gegen Wasser bei neutralem pH- Wert. Denn es hat sich gezeigt, dass Keratinschwamm, der einen Anteil partiell alkalisch hydrolysierten Keratins aufweist, ein höheres Absorptionsvermögen für wässrige Zusammensetzungen, z.B. Wundexudat, aufweist. Vorzugsweise beträgt der Anteil alkalisch partiell hydrolysierten Keratins an dessen wässriger Mischung mit solubilisiertem Keratin 10 bis 100 Gew.-%, insbesondere 20 bis 80 Gew.-%.In a preferred embodiment, the keratin sponge comprises a mixture of a first keratin solution prepared under reducing conditions from natural keratin and from which reducing compounds have been removed, for example by dialysis against an aqueous medium without reducing ingredients at neutral to slightly acidic pH, and a portion of a second keratin solution, also preferably made from natural keratin by hydrolysis under reducing conditions, removed from the reducing agent, for example by dialysis partially hydrolyzed by alkaline treatment, preferably by dialyzing the keratin solution against an alkaline aqueous composition followed by removal of the alkaline composition, for example by ultrafiltration, washing and / or dialysis, preferably against water at neutral pH. Because it has been shown that keratin sponge, which has a proportion of partially alkaline hydrolyzed keratin, a has higher absorbency for aqueous compositions, eg wound exudate. Preferably, the proportion of alkaline partially hydrolyzed keratin in its aqueous mixture with solubilized keratin 10 to 100 wt .-%, in particular 20 to 80 wt .-%.
Die partielle alkalische Hydrolyse eines Anteils des in Wasser solubilisierten Keratins, das kein Reduktionsmittel und kein Oxidationsmittel aufweist, führt zu einer Erniedrigung des Molekulargewichts. So weist erfindungsgemäßes solubilisiertes Haarkeratin mit einem Hauptanteil von ca. 70 bis 80 +/-10 Gew.-% von ca. 50 bis 60 kDa auf, und einen kleineren Anteil mit einem MG von >100 kDa. Für die Erfindung geeignetes alkalisch partiell hydrolysiertes Keratin weist zu zumindest 50 Gew.-%, vorzugsweise zu zumindest 75-80 Gew.-% ein Molkulargewicht von < 50 kDa auf. Mit alkalischer Hydrolyse hergestelltes partiell hydrolysiertes Keratin weist nach dem bevorzugten alkalischen Hydrolyseverfahren einen Anteil von ca. 50 bis 70 Gew.-% bei < 5 kDa auf. Vorzugsweise wird der Anteil mit einem MG von < 5 kDa abgetrennt, z.B. durch Ultrafiltration mit einer Ausschlußgrenze von ca. 5 kDa, und der verbleibende höhermolekulare Anteil wird verwendet. In der bevorzugten Ausführungsform weist der verwendete höhermolekulare Anteil des partiell alkalisch hydrolysierten Keratins ein MG von mindestens 5 kDa auf, der sich z.B. aus 25 bis 35 Gew.-%, insbesondere ca. 30 Gew.-% mit einem MG von 5 bis 10 kDa, 3 bis 10 Gew.-%, insbesondere ca. 6 Gew.-% mit einem MG von 10 bis 30 kDa, 5 bis 12 Gew.-%, insbesondere ca. 9 Gew.-% mit einem MG von 30 bis 50 kDa und 45 bis 65 Gew.-%, insbesondere ca. 55 Gew.-% mit einem MG von > 50 kDa zusammensetzt. Erfindungsgemäß bevorzugt weist der Anteil des alkalisch partiell hydrolysierten Keratins daher zumindest 25 bis 35 Gew.-% mit einem MG von 5 bis 10 kDa auf, optional weitere 3 bis 10 Gew.-% mit einem MG von 10 bis 30 kDa, weiter optional weitere 5 bis 12 Gew.-% mit einem MG von 30 bis 50 kDa.The partial alkaline hydrolysis of a portion of the water-solubilized keratin, which has no reducing agent and no oxidizing agent, results in a lowering of the molecular weight. Thus, according to the invention solubilized hair keratin having a major proportion of about 70 to 80 +/- 10 wt .-% of about 50 to 60 kDa, and a smaller proportion with a MW of> 100 kDa. Alkaline partially hydrolysed keratin suitable for the invention has a molecular weight of <50 kDa for at least 50% by weight, preferably at least 75-80% by weight. Partially hydrolyzed keratin produced by alkaline hydrolysis has, according to the preferred alkaline hydrolysis process, a proportion of about 50 to 70% by weight at <5 kDa. Preferably, the portion with a MW of <5 kDa is separated, e.g. by ultrafiltration with an exclusion limit of about 5 kDa, and the remaining higher molecular weight fraction is used. In the preferred embodiment, the higher molecular weight portion of the partially alkaline hydrolysed keratin used has a MW of at least 5 kDa, e.g. from 25 to 35 wt .-%, in particular about 30 wt .-% with a MW of 5 to 10 kDa, 3 to 10 wt .-%, in particular about 6 wt .-% with a MW of 10 to 30 kDa , 5 to 12 wt .-%, in particular about 9 wt .-% with a MW of 30 to 50 kDa and 45 to 65 wt .-%, in particular about 55 wt .-% with a MW of> 50 kDa composed , According to the invention, the proportion of alkaline partially hydrolyzed keratin therefore preferably at least 25 to 35 wt .-% with a MW of 5 to 10 kDa, optionally another 3 to 10 wt .-% with a MW of 10 to 30 kDa, further optionally further 5 to 12 wt .-% with a MW of 30 to 50 kDa.
Vorzugsweise ist das partiell alkalisch hydrolysierte Keratin durch Dialyse erfindungsgemäß hydrolysierten Keratins gegen 0,1 M Natronlauge bei ca. 4°C für 4 bis 24 h und Abtrennen einer Fraktion niederen Molekulargewichts erhältlich. Vorzugsweise wird eine Fraktion niederen Molekulargewichts von bis zu 3 kDa, bevorzugter bis 5 kDa, oder bis 10 kDa oder bis 30 kDa abgetrennt.Preferably, the partially alkaline hydrolyzed keratin is obtainable by dialysis of hydrolyzed keratin according to the invention against 0.1 M sodium hydroxide solution at about 4 ° C. for 4 to 24 hours and separation of a fraction of low molecular weight. Preferably, a low molecular weight fraction of up to 3 kDa, more preferably 5 kDa, or up to 10 kDa or up to 30 kDa is separated off.
Vorzugsweise besteht der erfindungsgemäße Keratinschwamm aus reduziertem Keratin, das aus einer Lösung reduzierten Keratins gebildet ist, die kein Reduktionsmittel und kein Oxidationsmittel enthält, mit anschließender Oxidation allein durch Kontakt mit Sauerstoff, beispielsweise in Mischung mit Stickstoff, z.B. Luft, wobei bevorzugt die Keratinlösung einen Anteil reduzierten Keratins, ebenfalls in Abwesenheit von Reduktionsmittel enthält, der alkalisch partiell hydrolysiert ist. Besonders bevorzugt besteht der erfindungsgemäße Keratinschwamm aus einem Gerüst aus diesem Keratin oder der Mischung des Keratins mit teilweise alkalisch hydrolysiertem Keratin, besonders bevorzugt mit einem Zusatz eines Weichmachers, der insbesondere ausgewählt ist unter Polyhydroxyverbindungen, insbesondere Glycerin und Propyplenglycol. Der Gehalt an Polyhydroxyverbindung, vorzugsweise gemessen vor der Wärmebehandlung, beträgt insbesondere 0,5 bis 3 Gew.-% pro 15 bis 30 mg Keratin, gemessen als Gesamtprotein nach Bradford, vorzugsweise 1 bis 2 Gew.-% Polyhydroxyverbindung pro 20 mg Keratin, gemessen als Gesamtprotein nach Bradford.Preferably, the keratin sponge of the present invention consists of reduced keratin, which is formed from a solution of reduced keratin which does not contain a reducing agent and no Contains oxidizing agent, followed by oxidation solely by contact with oxygen, for example in admixture with nitrogen, for example air, wherein preferably the keratin solution contains a proportion of reduced keratin, also in the absence of reducing agent, which is partially hydrolyzed alkaline. The keratin sponge according to the invention particularly preferably consists of a skeleton of this keratin or of the mixture of keratin with partially alkaline hydrolyzed keratin, particularly preferably with an addition of a plasticizer which is in particular selected from polyhydroxy compounds, in particular glycerol and propylene glycol. The content of polyhydroxy compound, preferably measured before the heat treatment, is in particular 0.5 to 3 wt .-% per 15 to 30 mg of keratin, measured as total protein according to Bradford, preferably 1 to 2 wt .-% polyhydroxy compound per 20 mg of keratin measured as a whole protein according to Bradford.
Die erfindungsgemäßen Keratinschwämme können durch herkömmliche Verfahren zur Bildung einer porösen Struktur aus einer Lösung des Keratins hergestellt werden, vorzugsweise durch Gefriertrocknen einer wässrigen Lösung des Keratins, bevorzugt durch Gefriertrocknen einer wässrigen Lösung der Mischung des Keratins mit einem Anteil an partiell alkalisch hydrolysiertem Keratin, der vorzugsweise einen pH von 9 bis 11, vorzugsweise von 10 aufweist. Vorliegend wird partiell (teilweise) alkalisch hydrolysiertes Keratin gleichbedeutend auch als alkalisch partiell hydrolysiertes Keratin bezeichnet.The keratin sponges of the present invention may be prepared by conventional methods of forming a porous structure from a solution of keratin, preferably by freeze-drying an aqueous solution of keratin, preferably by freeze-drying an aqueous solution of the mixture of keratin with a proportion of partially alkaline hydrolyzed keratin, preferably has a pH of 9 to 11, preferably 10. In the present case partially (partially) alkaline hydrolyzed keratin is also referred to as alkaline partially hydrolyzed keratin.
Die erfindungsgemäßen Keratinschwämme zeichnen sich durch eine hohe Formstabilität für lange Zeit innerhalb des tierischen Körpers aus und sind im Wesentlichen nach Implantation in einen tierischen Körper biologisch nicht abbaubar. Insbesondere sind diese Keratinschwämme, die vorzugsweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind, zur Verwendung für die Herstellung von Wundtamponaden, z.B. zur Absorption von Exudat, oder zur Verwendung für die Herstellung von Implantaten geeignet, da diese Schwämme über ihr ganzes Volumen bzw. über ihre gesamte inneren Oberfläche von Zellen des Implantatempfängers besiedelt werden können.The keratin sponges according to the invention are characterized by a high dimensional stability for a long time within the animal body and are essentially not biodegradable after being implanted in an animal body. In particular, these keratin sponges, preferably made by the method of the present invention, are for use in the preparation of wound tamponades, e.g. for the absorption of exudate, or for use in the manufacture of implants, since these sponges can be colonized over their entire volume or over their entire inner surface of cells of the implant recipient.
Die erfindungsgemäßen Keratinschwämme sind in wässrigen Zusammensetzungen quellfähig, wobei die Quellfähigkeit mit zunehmendem Gehalt an alkalisch partiell hydrolysiertem Keratin zunimmt, sodass die Quellfähigkeit durch den Anteil des alkalisch partiell hydrolysierten Keratins am gesamten Keratin einstellbar ist. Die erfϊndungsgemäßen Keratinschwämme werden durch ihr ganzes Volumen von Zellen besiedelt, die innerhalb der offenen Porenstruktur anhaften. Entsprechend eignen sich die erfindungsgemäßen Schwämme zur Verwendung als Gerüstsubstanz zur in vitro Kultivierung tierischer Zellen in dreidimensionaler Struktur und insbesondere zur Verwendung als Implantat zur Auffüllung von Defektstellen, beispielsweise von Gewebe, insbesondere von Weichgewebe des tierischen Körpers, einschließlich des Menschen.The keratin sponges according to the invention are capable of swelling in aqueous compositions, wherein the swelling capacity increases with increasing content of alkaline partially hydrolyzed keratin, so that the swellability is adjustable by the proportion of alkaline partially hydrolyzed keratin on the total keratin. The keratin sponges according to the invention are colonized by their entire volume of cells which adhere within the open pore structure. Accordingly, the sponges according to the invention are suitable for use as builder substance for in vitro cultivation of animal cells in three-dimensional structure and in particular for use as an implant for filling defect sites, for example tissue, in particular soft tissue of the animal body, including man.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren umfasst eine Härtung des Keratins, das in Wasser hydrolysiert ist, das optional anteilig zusätzlich alkalisch partiell hydrolysiert ist, und durch Gefriertrocknung aus wässriger Zusammensetzung, aus der reduzierende Mittel und/oder oxidierende Mittel entfernt und daher nicht enthalten sind, in Gegenwart einer Polyhydroxyverbindung durch Wärmebehandlung, beispielsweise bei 100 0C bis 160 0C, vorzugsweise bis 100 bis 110 0C für 0,5 bis 1,5 h. Die Kombination der Abwesenheit reduzierender Mittel von der wässrigen Zusammensetzung solubilisierten Keratins mit der Anwesenheit einer Polyhydroxyverbindung mit der Wärmebehandlung führen zu einem Keratinschwamm mit hoher struktureller Stabilität, Elastizität, Wasseraufnahmefähigkeit und Beständigkeit gegen Abbau im tierischen Körper. Optional kann der Keratinschwamm einer Sterilisation durch γ-Bestrahlung unterworfen werden. Die erfϊndungsgemäßen Keratinschwämme weisen keine für die Zellkultur schädlichen Stoffe auf, beispielsweise keine zytotoxischen Stoffe und keine Viren. So zeigten Tests zur Kultivierung von tierischen Zellen auf dem Schwamm keine Kontamination der Schwämme mit zellschädlichen Agenzien und die Abwesenheit von Viren. Daher ermöglicht das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren, beispielsweise ausgehend von menschlichen Haaren bei der Herstellung von Keratinlösung, die Verwendung zur Herstellung einer porösen Implantatstruktur, die frei von Viren und frei von Zytotoxinen ist.The preparation method according to the invention comprises a hardening of the keratin, which is hydrolyzed in water, optionally additionally partially alkaline hydrolyzed proportionally, and removed by freeze-drying from aqueous composition, from which reducing agents and / or oxidizing agents are removed and therefore not contained, in the presence of a Polyhydroxy compound by heat treatment, for example at 100 0 C to 160 0 C, preferably to 100 to 110 0 C for 0.5 to 1.5 h. The combination of the absence of reducing agents from the aqueous composition of solubilized keratin with the presence of a polyhydroxy compound with the heat treatment results in a keratin sponge having high structural stability, elasticity, water absorbency and resistance to degradation in the animal body. Optionally, the keratin sponge may be subjected to sterilization by γ-irradiation. The keratin sponges according to the invention have no harmful substances for the cell culture, for example no cytotoxic substances and no viruses. Thus, tests on the cultivation of animal cells on the sponge showed no contamination of the sponges with cell-damaging agents and the absence of viruses. Therefore, the production method according to the invention, for example, starting from human hair in the production of keratin solution, allows the use for the production of a porous implant structure which is free of viruses and free of cytotoxins.
Die besondere Eignung der erfϊndungsgemäßen Keratinschwämme zur Zellkultur und zur Verwendung bei der Herstellung von Implantaten für medizinische Zwecke, insbesondere als Gerüstsubstanz zur Ausfüllung von Defektstellen von Weichgewebe, wird darauf zurückgeführt, dass erfmdungsgemäße Keratinschwämme Partikel von Keratin etwa gleicher Größe aufweisen, z.B. monomodal um etwa 50-250 nm, die eine Besiedelung durch Zellen fördern. Die monomodale Größenverteilung der in erfϊndungsgemäßen Keratinschwämmen identifϊzierbaren Partikel ist insbesondere eine Partikelgröße in einem Größenbereich von 50 bis 250 nm, vorzugsweise mit einem Hauptanteil der Partikelgrößen um den Mittelwert, z.B. um ca. 150 nm nach Art einer Gauß Verteilung.The particular suitability of the keratin sponges according to the invention for cell culture and for use in the production of implants for medical purposes, in particular as a scaffold for filling defect sites of soft tissue, is attributed to the fact that keratin sponges according to the invention have particles of keratin of approximately the same size, eg monomodal by about 50 -250 nm, which promote colonization by cells. The monomodal size distribution of the particles identifiable in inventive keratin sponges is, in particular, a particle size in the size range of 50 up to 250 nm, preferably with a majority of the particle sizes around the mean value, eg around 150 nm in the manner of a Gaussian distribution.
In Vergleichsversuchen lässt sich zeigen, dass die erfϊndungsgemäßen Keratinschwämme eine hohe Strukturstabilität und eine bessere Beständigkeit gegen den Abbau nach Implantation in den tierischen Körper haben und/oder schneller und gleichmäßiger von tierischen Zellen besiedelt werden, sodass sie bei der Verwendung zur Herstellung eines Implantats ein Implantat ergeben, das schneller zur Ausbildung natürlichen Gewebes innerhalb der Implantatstruktur fuhrt.In comparative experiments it can be shown that the keratin sponges according to the invention have a high structural stability and a better resistance to degradation after implantation in the animal body and / or are populated faster and more uniformly by animal cells, so that when used for the production of an implant, they become an implant resulting in faster formation of natural tissue within the implant structure.
So zeigen z.B. Keratinschwämme, die ohne Polyhydroxyverbindung unter ansonsten gleichen Bedingungen hergestellt wurden, eine hohe Brüchigkeit, bzw. niedrige Strukturstabilität, und eine wesentlich geringere Wasserfestigkeit als erfindungsgemäße Keratinschwämme. In Vorversuchen hat sich gezeigt, dass Keratinschwämme, die ohne schließ liehen Erwärmungsschritt, beispielsweise gemäß der WO 99/26570, oder mit Erwärmungsschritt, jedoch ohne Polyhydroxyverbindung hergestellt wurden, in wässrigem Milieu nicht strukturstabil sind. Insbesondere zerfallen ohne Polyhydroxyverbindung und ohne Erwärmungsschritt hergestellte Schwämme in wässrigem Medium. Demgegenüber sind unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Keratinschwämme auch in wässrigem Medium strukturstabil. Dies kann z.B. daran erkannt werden, dass elektronenmikroskopische Aufnahmen erfindungsgemäßer Schwämme im Wesentlichen dieselbe Struktur für Schwämme zeigen, die unmittelbar nach der Herstellung analysiert werden, oder nach Kontaktierung mit wässrigem Medium und anschließendem Trockenen.Thus, e.g. Keratin sponges that were prepared without polyhydroxy compound under otherwise identical conditions, a high brittleness, or low structural stability, and a significantly lower water resistance than inventive keratin sponges. It has been found in preliminary experiments that keratin sponges which were produced without a final heating step, for example in accordance with WO 99/26570, or with a heating step, but without a polyhydroxy compound, are not structurally stable in an aqueous medium. In particular, sponges prepared without polyhydroxy compound and without heating step disintegrate in an aqueous medium. In contrast, keratin sponges produced using the method according to the invention are structurally stable even in an aqueous medium. This can e.g. be recognized that electron micrographs of sponges according to the invention show substantially the same structure for sponges, which are analyzed immediately after preparation, or after contacting with aqueous medium and subsequent drying.
Zum Vergleich können beispielsweise auch Keratinschwämme herangezogen werden, die unter ansonsten gleichen Bedingungen aus einer Keratinlösung hergestellt sind, die jedoch noch Reduktionsmittel enthält, oder ein Oxidationsmittel, beispielsweise ein Peroxid. Insbesondere haben die erfindungsgemäßen Schwämme bessere mechanische und Absorptionseigenschaften gegenüber solchen Schwämmen, die aus einer Keratinlösung hergestellt sind, die keinen Anteil partiell alkalisch hydrolysierten Keratins aufweist, sondern z.B. im Wesentlichen nur solubilisiertes Keratin von > 50 oder >60 kDa.For comparison, it is also possible, for example, to use keratin sponges which are produced under otherwise identical conditions from a keratin solution which, however, still contains reducing agents, or an oxidizing agent, for example a peroxide. In particular, the sponges of the present invention have better mechanical and absorption properties over such sponges made from a keratin solution which does not contain a proportion of partially alkaline hydrolyzed keratin, but e.g. essentially only solubilized keratin of> 50 or> 60 kDa.
Nachfolgend wird die bevorzugte Ausführungsform zur Herstellung von Keratinschwämmen aus Keratinlösung beschrieben, die zur Ausbildung von Nanopartikeln aus Keratin in etwa monomodaler Größenverteilung fuhrt. Die Keratinlösung, die zur Herstellung des Keratinschwamms durch Entzug des Lösungsmittels, insbesondere Wasser, eingesetzt wird, enthält keine reduzierenden Verbindungen, keine oxidierenden Verbindungen und hat vorzugsweise einen etwa neutralen pH. Besonders bevorzugt ist die zur Herstellung von Keratinschwämmen eingesetzte Keratinlösung eine wässrige Zusammensetzung, die reduziertes Keratin, bevorzugt davon einen Anteil alkalisch hydrolysierten reduzierten Keratins in Wasser aufweist.In the following, the preferred embodiment for the production of keratin sponges from keratin solution is described, which is used to form nanoparticles of keratin in about monomodal size distribution leads. The keratin solution used to make the keratin sponge by removing the solvent, especially water, contains no reducing compounds, no oxidizing compounds, and preferably has an approximately neutral pH. The keratin solution used for the production of keratin sponges is particularly preferably an aqueous composition which has reduced keratin, preferably a proportion of alkaline hydrolyzed reduced keratin in water.
Vorzugsweise werden beim erfindungsgemäßen Verfahren eine Keratinlösung, d.h. die Lösung aus reduziertem Keratin oder eine Mischung einer Lösung aus reduziertem Keratin mit reduziertem Keratin, das partiell alkalisch hydrolysiert (auch bezeichnet als teilweise alkalisch hydrolysiert) ist, gegen reines Wasser dialysiert, vorzugsweise bei pH 6,5-7,5.Preferably, in the method of the invention, a keratin solution, i. the reduced keratin solution or a reduced keratin reduced keratin solution which is partially alkaline hydrolyzed (also referred to as partially alkaline hydrolyzed) is dialysed against pure water, preferably at pH 6.5-7.5.
Besonders bevorzugt werden Aggregate der Partikel aus der wässrigen Keratinlösung entfernt, z.B. durch Ultrazentrifugation bei 10.000 x g, optional durch Filtration. Bevorzugt ist das zur Herstellung der Lösung eingesetzte Keratin α-Keratin; insbesondere bevorzugt wird die Keratinlösung aus Haaren hergestellt, beispielsweise menschlichen Haaren. Zur Solubilisierung von Keratin aus Haaren wird vorzugsweise eine wässrige Zusammensetzung einsetzt, die in wässriger Lösung aus Thioharnstoff, Harnstoff und Mercaptoethanol besteht, wobei das Mercaptoethanol durch eine andere reduzierende Verbindung ersetzt sein kann. Die von Reduktionsmittel freie wässrige Keratinlösung wird durch anschließendes Entfernen der anfänglich zur Herstellung der Lösung eingesetzten Reduktionsmittel erhalten, z.B. durch Austausch des Lösungsmediums gegen Wasser ohne Reduktionsmittel, insbesondere durch Dialyse oder Ultrafiltration.More preferably, aggregates of the particles are removed from the aqueous keratin solution, e.g. by ultracentrifugation at 10,000 x g, optionally by filtration. Preferably, the keratin used to prepare the solution is α-keratin; Most preferably, the keratin solution is made from hair, such as human hair. For the solubilization of keratin from hair, it is preferable to use an aqueous composition consisting of thiourea, urea and mercaptoethanol in aqueous solution, it being possible for the mercaptoethanol to be replaced by another reducing compound. The reducing agent-free aqueous keratin solution is obtained by subsequently removing the reducing agent initially used to prepare the solution, e.g. by replacing the solvent medium with water without reducing agent, in particular by dialysis or ultrafiltration.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Keratinschwämme liegt darin, dass diese zumindest teilweise optisch transparent sind, und eine einfache optische Kontrolle der Besiedlung mit Zellen, insbesondere nach Anfärbung der Zellen erlauben, z.B. per Mikroskopie in den oberfiächennahen Bereichen des Schwamms.A further advantage of the keratin sponges according to the invention is that they are at least partially optically transparent, and allow a simple optical control of the colonization with cells, in particular after staining of the cells, e.g. by microscopy in the areas close to the surface of the sponge.
Die Analyse der Größenverteilung von solubilisiertem Keratin in den erfindungsgemäß für die Herstellung der Keratinschwämme eingesetzten Lösungen, die auch als nanopartikuläre Suspension von Keratin, wässrige Zusammensetzung von Keratin oder solubilisiertes Keratin bezeichnet werden können zeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren zum Lösen bzw. Solubilisieren des Keratins aus Haaren eine sehr enge, monomodale Größenverteilung um etwa 50 bis 250 nm erzeugt. Mittels Photonenkorrelationsspektroskopie mit dynamischer Laserlichtstreuung kann ein Polydispersitätsindex analysiert werden, der signifikant kleiner als der für Keratinlösungen nach dem Stand der Technik ist. Entsprechend werden aus der erfindungsgemäß verwendeten Keratinlösung zur Herstellung der von Keratinsschwämmen Keratinschwämme erzeugt, die eine monomodale Größenverteilung von Keratinpartikeln aufweisen, deren Hauptwert im Bereich von 20 bis 5.000 nm, vorzugsweise 100 bis 1.000 nm, bevorzugter 100 bis 200 nm liegt.The analysis of the size distribution of solubilized keratin in the solutions used according to the invention for the preparation of the keratin sponges, which can also be referred to as nanoparticulate suspension of keratin, aqueous composition of keratin or solubilized keratin, shows that the method according to the invention for dissolving or Solubilizing the keratin from hair produces a very narrow, monomodal size distribution around 50 to 250 nm. By means of photon correlation spectroscopy with dynamic laser light scattering a polydispersity index can be analyzed which is significantly smaller than that for prior art keratin solutions. Accordingly, keratin sponges having a monomodal size distribution of keratin particles whose major value is in the range of 20 to 5,000 nm, preferably 100 to 1,000 nm, more preferably 100 to 200 nm, are produced from the keratin solution used in the invention for producing the keratin sponges.
Weiterhin hat sich beim Vergleich der erfindungsgemäßen Keratinschwämme mit anderen porösen keratinhaltigen Materialien gezeigt, dass zumindest für einige Zelltypen und immortalisierte Zelllinien so wie für Primärzellen eine erhöhte Aussaateffizienz und/oder ein besseres Wachstum auf den erfindungsgemäßen Keratinschwämmen erhalten wird. Entsprechend bezieht sich die Erfindung auch auf Verfahren zur Kultivierung tierischer, insbesondere humaner Zellen in Gegenwart eines erfindungsgemäßen Schwamms, bzw. auf die Verwendung der erfindungsgemäßen Schwämme in der Kultivierung solcher Zellen. Gegenwärtig wird angenommen, dass die signifikant besseren Kultivierungsergebnisse auf die besondere Struktur der Keratinschwämme mit ihrer nanopartikulären Struktur zurückgehen.Furthermore, when comparing the keratin sponges according to the invention with other porous keratin-containing materials, it has been shown that increased seeding efficiency and / or better growth on the keratin sponges according to the invention is obtained, at least for some cell types and immortalized cell lines, as well as for primary cells. Accordingly, the invention also relates to methods for culturing animal, in particular human cells in the presence of a sponge according to the invention, or for the use of the sponges according to the invention in the cultivation of such cells. It is currently believed that the significantly better cultivation results are due to the particular structure of the keratin sponges with their nanoparticulate structure.
Es hat sich herausgestellt, dass ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Keratinschwamm, der aus einer Mischung einer wässrigen Keratinlösung, die durch Hydrolyse von Haaren in denaturierender wässriger Lösung mit einem Gehalt an Reduktionsmittel, das zur Hydrierung von Disulfidbrücken des Keratins dient, anschließender Entfernung des Reduktionsmittels aus der Lösung, wobei die Lösung kein Oxidationsmittel enthält, hergestellt ist, mit einem Anteil der so hergestellten wässrigen Keratinlösung, die kein Reduktionsmittel und kein Oxidationsmittel enthält, der partiell alkalisch hydrolysiert ist, durch Trocknen der Mischung mit einem Gehalt an Polyhydroxyverbindung, vorzugsweise zu 1 bis 3 Gew.-% pro 20 mg Keratin, gemessen als Gesamtprotein nach Bradford, wobei die Mischung durch das Trocknen zu einer porösen Struktur umgesetzt wird. Anschließend wird die getrocknete Mischung auf ca. 100 bis 150 0C, bevorzugt 100 bis 110 0C, für mindestens 1 h, bevorzugt 2,5 h ohne Zusatz weiterer Verbindungen an Luft erwärmt. Die vorteilhaften Eigenschaften des so erhaltenen Keratinschwamms zeigen sich insbesondere bei Verwendung des Herstellungsverfahrens für medizinische Produkte, beispielsweise für Implantate. Zu den vorteilhaften Eigenschaften zählen neben der Stabilität gegen einen Abbau nach Implantation im tierischen Körper, d.h. der hohen Widerstandsfähigkeit gegen Resorption, die Elastizitätsund Stabilitätseigenschaften und die gute Besiedelung durch Zellen, die die Keratinschwämme zur Verwendung als Implantat, z.B. zum Auffüllen von Defektstellen im tierischen Körper, einschließlich des Menschen, geeignet machen. Zu den vorteilhaften Eigenschaften zählen neben der Elastizität und der strukturellen Beständigkeit im Körper insbesondere die Quellfähigkeit, z.B. zur Aufnahme von Wundexudat.It has been found that a keratin sponge prepared by the method according to the invention, which consists of a mixture of an aqueous keratin solution, which is obtained by hydrolysis of hair in denaturing aqueous solution containing reducing agent, which serves to hydrogenate disulfide bridges of keratin, followed by removal of the reducing agent from the solution, the solution containing no oxidizing agent, with a portion of the aqueous keratin solution thus prepared containing no reducing agent and no oxidizing agent which is partially alkaline hydrolyzed by drying the mixture containing polyhydroxy compound, preferably 1 to 3% by weight per 20 mg of keratin, measured as a total protein according to Bradford, wherein the mixture is converted by the drying to a porous structure. Subsequently, the dried mixture is heated to about 100 to 150 0 C, preferably 100 to 110 0 C, for at least 1 h, preferably 2.5 h without the addition of further compounds in air. The advantageous properties of the keratin sponge thus obtained are particularly evident when using the production process for medical products, for example for implants. Beneficial properties include stability against degradation after implantation in the animal body, ie the high resistance to absorption, the elasticity and stability properties and the good colonization by cells which make the keratin sponges suitable for use as an implant, eg for filling defect sites in the animal body, including man. In addition to the elasticity and the structural resistance in the body, the advantageous properties include, in particular, swelling capacity, for example for receiving wound exudate.
Bei elektronenmikroskopischer Analyse können Nanostrukturen im erfindungsgemäßen Keratinschwamm sichtbar gemacht werden, die vorliegend auch als Nanopartikel bezeichnet werden. Es wird angenommen, dass die mechanischen Eigenschaften und auch die Eignung des erfindungsgemäßen Keratinschwamms zur Besiedelung durch tierische Zellen durch diese nanopartikuläre Struktur begründet sind. Der Keratinschwamm enthält bereits nach der Trocknung und vor der Wärmebehandlung im Wesentlichen keine freien Thiolgruppen. Es wird angenommen, dass Thiolgruppen bereits im Dialysat aus in Wasser gelöstem Keratin, von dem vorzugsweise ein Anteil partiell alkalisch hydrolysiert ist, aufgrund der Abwesenheit von Reduktionsmittel vollständig oxidiert sind.By electron microscopic analysis, nanostructures in the keratin sponge according to the invention can be made visible, which are also referred to herein as nanoparticles. It is assumed that the mechanical properties and also the suitability of the keratin sponge according to the invention for colonization by animal cells are due to this nanoparticulate structure. The keratin sponge contains essentially no free thiol groups after drying and before the heat treatment. It is believed that thiol groups are already fully oxidized in the dialysate of water-soluble keratin, of which one portion is preferably partially alkaline hydrolyzed, due to the absence of reducing agent.
Der erfindungsgemäße Keratinschwamm weist daher eine nanopartikuläre Mikro struktur mit im Wesentlichen monomodaler Größenverteilung der Nanopartikel auf, und enthält keine dem Keratin zugesetzten Reduktionsmittel und/oder Oxidationsmittel. Das Keratin ist durch Trocknung einer wässrigen Keratinlösung hergestellt, die keine zugesetzten Reduktionsmittel und/oder Oxidationsmittel enthält und in wässriger Lösung solubilisiertes Keratin, insbesondere aus Haaren, enthält, wobei vorzugsweise ein Anteil des solubilisierten Keratins alkalisch partiell (teilweise) hydrolysiert ist. Besonders bevorzugt ist der Keratinschwamm aus Keratinlösung hergestellt, die aus solubilisiertem Keratin in Wasser besteht, d.h. ohne Reduktionsmittel und/oder Oxidationsmittel. Erfindungsgemäß enthält der erfindungsgemäße Keratinschwamm einen Weichmacher, insbesondere ausgewählt aus Glycerin und Propylenglycol, der z.B. der wässrigen Keratinlösung vor deren Gefriertrocknung und vor der anschließenden Wärmebehandlung zugesetzt ist.The keratin sponge according to the invention therefore has a nanoparticulate microstructure with a substantially monomodal size distribution of the nanoparticles, and contains no reducing agent and / or oxidizing agent added to the keratin. The keratin is prepared by drying an aqueous keratin solution containing no added reducing agents and / or oxidizing agents and containing solubilized keratin, particularly hair, in aqueous solution, preferably wherein a portion of the solubilized keratin is partially alkaline (partially) hydrolyzed. More preferably, the keratin sponge is made from keratin solution consisting of solubilized keratin in water, i. without reducing agent and / or oxidizing agent. According to the invention, the keratin sponge according to the invention contains a plasticizer, in particular selected from glycerol and propylene glycol, which is e.g. the aqueous keratin solution is added before freeze-drying and before the subsequent heat treatment.
Dabei hat sich gezeigt, dass erfindungsgemäße Keratinschwämme auch im gequollenen Zustand, d.h. in Gegenwart wässriger Zusammensetzungen, eine strukturelle Stabilität beibehalten, so dass z.B. aufgenommene Flüssigkeit auch unter Druckbelastung im Wesentlichen nicht freigesetzt wird. So geben gequollene Schwämme unter Druckbelastung einen geringen Teil aufgenommener Flüssigkeit ab, z.B. den nur kapillar gebundenen Anteil der Flüssigkeit, und behalten den überwiegenden Anteil der aufgenommenen Flüssigkeit. Im gequollenen Zustand sind erfindungsgemäße Keratinschwämme z.B. fest und gelartig, so dass gebundene Flüssigkeit auch bei Druckbelastung im Wesentlichen nicht freigesetzt wird. Das elastische Rückstellvermögen bleibt im Wesentlichen auch im gequollenen Zustand erhalten. Mit zunehmendem Anteil alkalisch hydrolysierten Keratins nimmt das elastische Rückstellvermögen ab.It has been shown that keratin sponges according to the invention retain their structural stability even in the swollen state, ie in the presence of aqueous compositions, so that, for example, absorbed liquid is essentially not released even under pressure. Thus, swollen sponges give under pressure a small portion of absorbed liquid from, for example, the only capillary bound portion of the liquid, and retain the majority of the absorbed liquid. In the swollen state, for example, keratin sponges according to the invention are solid and gel-like, so that bound liquid is essentially not released even under pressure. The elastic resilience is maintained substantially in the swollen state. As the proportion of alkaline hydrolyzed keratin increases, the elastic recovery decreases.
Genaue Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Die Erfindung wird nun genauer anhand von Beispielen mit Bezug auf die Figuren beschrieben, in denenThe invention will now be described in more detail by way of example with reference to the figures in which:
- Figur 1 das Messergebnis der Photonenkorrelationsspektroskopie der Keratinlösung nach Vergleichsbeispiel 1 zeigt (Y-Achse zeigt Intensität in Prozent),FIG. 1 shows the measurement result of the photon correlation spectroscopy of the keratin solution according to Comparative Example 1 (Y axis shows intensity in percent),
- Figur 2 das Messergebnis der Photonenkorrelationsspektroskopie der Keratinlösung nach Beispiel 1 zeigt (Y-Achse zeigt Intensität in Prozent),FIG. 2 shows the measurement result of the photon correlation spectroscopy of the keratin solution according to Example 1 (Y axis shows intensity in percent),
- Figur 3 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines erfindungsgemäßen Keratinschwamms mit ca. 10% hydrolysierten Keratins zeigt,FIG. 3 shows a scanning electron micrograph of a keratin sponge according to the invention with about 10% hydrolyzed keratin,
- Figur 4 eine vergrößerte rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines erfindungsgemäßen Keratinschwamms von Figur 3 zeigt,FIG. 4 shows an enlarged scanning electron micrograph of a keratin sponge according to the invention from FIG. 3,
- Figur 5 eine vergrößerte rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines erfindungsgemäßen Keratinschwamms von Figur 3 zeigt,FIG. 5 shows an enlarged scanning electron micrograph of a keratin sponge according to the invention from FIG. 3,
- Figur 6 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines erfindungsgemäßen Keratinschwamms mit ca. 20% hydrolysierten Keratins zeigt undFIG. 6 shows a scanning electron micrograph of a keratin sponge according to the invention with about 20% hydrolyzed keratin and
- Figur 7 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines erfindungsgemäßen Keratinschwamms mit ca. 30% hydrolysierten Keratins zeigt.FIG. 7 shows a scanning electron micrograph of a keratin sponge according to the invention with about 30% hydrolyzed keratin.
Vergleichsbeispiel: Herstellung eines Schwamms aus einer Keratinlösung mit einem Gehalt an reduzierenden VerbindungenComparative example: Preparation of a sponge from a keratin solution containing reducing compounds
Als Vergleich wurde ein Keratinschwamm aus einer Keratinlösung durch Gefriertrocknen hergestellt, die entsprechend Yamauchi et al. (J. Biomater. Sei. Polym. Ed 9: 259-270 (1998)) erzeugt wurde, jedoch ohne einen Gehalt an SDS in der Keratinlösung. Im einzelnen wurde menschliches Haar (20 g) nach Waschen in 0,5% SDS-Lösung, Trocknen und Entfetten Übernacht in n-Hexan nach Entfernen des Hexans in 360 mL 7 M Harnstoff mit 32 mL 2-Mercaptoethanol in einer geschlossenen Glasflasche bei 50 0C für 24 h geschüttelt und anschließend filtriert. Das Filtrat wurde dreimal gegen 12 L destilliertes Wasser mit 0,2 Gew.-% 2-Mercaptoethanol über Nacht dialysiert. Es wurde eine trübe Lösung von ca. 480 mL erhalten.As a comparison, a keratin sponge was prepared from a keratin solution by freeze-drying, which according to Yamauchi et al. (J. Biomater, Polym. Ed 9: 259-270 (1998)), but without SDS in the keratin solution. Specifically, human hair (20 g) was washed in 0.5% SDS solution, dried and degreased overnight in n-hexane after removal of the hexane in 360 mL of 7 M urea with 32 mL of 2-mercaptoethanol in a closed glass bottle at 50 Shake 0 C for 24 h and then filter. The filtrate was dialyzed three times against 12 L of distilled water with 0.2% by weight of 2-mercaptoethanol overnight. A turbid solution of approx. 480 mL was obtained.
Die Analyse der Partikelgrößenverteilung mit Photonenkorrelationsspektroskopie ist in Figur 1 gezeigt und ergab eine multimodale Größenverteilung mit einem Z-Average-Wert um eine Partikelgröße von ca. 125 nm und auf Grund einer stark multimodalen Verteilung einen Polydispersitätsindex von 0,41. Die Verteilungskurve zeigt drei Spitzenwerte bei ca. 115 nm, 700 nm und 4770 nm.The analysis of the particle size distribution with photon correlation spectroscopy is shown in Figure 1 and gave a multimodal size distribution with a Z-average value around a particle size of about 125 nm and a polydispersity index of 0.41 due to a highly multimodal distribution. The distribution curve shows three peaks at approximately 115 nm, 700 nm and 4770 nm.
Die Lösung wurde entweder unmittelbar zur Herstellung von Schwämmen eingesetzt, oder nach Entfernen von Aggregaten durch Ultrazentrifugation. Die Lösung wurde bei -200C eingefroren und anschließend gefriergetrocknet.The solution was used either directly for the production of sponges or after removal of aggregates by ultracentrifugation. The solution was frozen at -20 0 C and then freeze-dried.
Die Analyse zeigte eine geringere Aussaateffizienz bzw. ein geringeres Anwachsen von tierischen Zellen in Kultur, eine geringere mechanische Strukturfestigkeit des trockenen und des in Wasser hydratisierten Schwamms, sowie eine geringe Quellfähigkeit in Verbindung mit einer geringen Volumenzunahme, z.B. bei der Aufnahme von Wundexudat.The analysis showed a lower seeding efficiency and a lower growth of animal cells in culture, a lower mechanical structural strength of the dry and water-hydrated sponge, and a low swelling capacity in connection with a small increase in volume, e.g. when taking wound exudate.
Beispiel: Herstellung von KeratinschwämmenExample: Production of Keratin Sponges
Zur Herstellung einer erfindungsgemäß einzusetzenden wässrigen Keratinlösung wurden 20 g menschlicher Haare mit 0,5% SDS-Lösung gewaschen, getrocknet und durch Inkubation mit n-Hexan über Nacht entfettet. Nach Entfernen des Hexans wurden 400 mL einer 25 mM Tris- Lösung (pH 8,5) 2 M Thioharnstoff, 5 M Harnstoff und 5% Mercaptoethanol in Wasser zugeben. Nach Verschließen des Gefäßes mit Parafilm wurde für 72 h bei 50 0C gerührt. Ungelöste Bestandteile wurden durch Zentrifugieren bei ca. 4.500 x g (Laborzentrifuge), 10 min, 5.000 upm) entfernt. Der Überstand wurde zusätzlich durch einen Filter mit einer Porengröße von 2,5 μm filtriert. Das Filtrat konnte ohne wesentliche Veränderungen der Eigenschaften bei 4 0C aufbewahrt oder in Aliquots eingefroren werden. Zur Entfernung von Reduktionsmitteln wurde das Filtrat gegen destilliertes Wasser dialysiert, z.B. mit einer Spectrapore 1 Membran (Ausschlussgrenze 6.000-8.000 Da), üblicherweise je 100 mL Filtrat gegen 5 L Wasser über 72 h mit 6-fachem Auswechseln des Wassers. Das Dialysat wurde in einer Ultrazentrifuge bei 15.000 upm für 10 min zentrifugiert, um Aggregate zu entfernen. Der Proteingehalt dieser Keratinlösung betrug etwa 20 mg/mL (Bradford). Das Zentrifugat kann unmittelbar zur Herstellung von Keratinschwämmen eingesetzt werden, vorzugsweise durch Einfrieren der Lösung und anschließendes Gefriertrocknen.To prepare an aqueous keratin solution to be used according to the invention, 20 g of human hair were washed with 0.5% SDS solution, dried and degreased overnight by incubation with n-hexane. After removal of the hexane, 400 ml of a 25 mM Tris solution (pH 8.5) 2 M thiourea, 5 M urea and 5% mercaptoethanol in water were added. After sealing the vessel with parafilm was stirred at 50 0 C for 72 h. Undissolved constituents were removed by centrifugation at approximately 4,500 × g (laboratory centrifuge), 10 min, 5,000 rpm). The supernatant was additionally filtered through a filter having a pore size of 2.5 μm. The filtrate could be stored at 4 0 C or frozen in aliquots without significant changes in the properties. To remove reducing agents, the filtrate was dialyzed against distilled water, eg with a Spectrapore 1 membrane (exclusion limit 6,000-8,000 Da), usually per 100 mL filtrate against 5 L water over 72 h with 6-fold replacement of the water. The dialysate was centrifuged in an ultracentrifuge at 15,000 rpm for 10 min to remove aggregates. The protein content of this keratin solution was about 20 mg / mL (Bradford). The centrifugate can be used directly for the production of keratin sponges, preferably by freezing the solution and subsequent freeze-drying.
Für die bevorzugte Ausführungsform wurde ein Teil der vorstehend beschriebenen Keratinlösung alkalisch hydrolysiert, beispielsweise durch Dialyse gegen 0,1 M Natronlauge bei 4 0C. Das erhaltene alkalische Dialysat wurde durch Ultrafiltration (Ausschlussgrenze 5000 Da, Filter erhältlich unter der Bezeichnung Vivaspin) gereinigt und mit 0,1 mM Natronlauge gewaschen, der verbleibende pH betrug 10. Durch diese alkalische Behandlung war das gelöste Keratin partiell hydrolysiert. Der Proteingehalt wurde nach Bradford zu 25 bis 30 mg/mL bestimmt.For the preferred embodiment, a portion of the keratin solution described above was hydrolyzed alkaline, for example by dialysis against 0.1 M sodium hydroxide solution at 4 0 C. The resulting alkaline dialysate was purified by ultrafiltration (exclusion limit 5000 Da, filter available under the name Vivaspin) and with 0.1 mM sodium hydroxide solution, the remaining pH was 10. By this alkaline treatment, the dissolved keratin was partially hydrolyzed. The protein content was determined to Bradford to 25 to 30 mg / mL.
Zur Herstellung eines Schwamms wurden die in der nachfolgenden Tabelle dargestellten Mischungen der Keratinlösung mit der alkalisch hydrolysierten Keratinlösung hergestellt und nach Einfrieren gefriergetrocknet. Als Polyhydroxyverbindung waren der Keratinlösung jeweils 1 Gew.-% Glycerin pro mL Keratinlösung zugegeben.To prepare a sponge, the mixtures of the keratin solution shown in the table below were prepared with the alkaline hydrolyzed keratin solution and freeze-dried after freezing. As the polyhydroxy compound, in each case 1% by weight of glycerol per ml of keratin solution was added to the keratin solution.
Tabelle: Quellvermögen und WasseraufnahmeTable: Swelling capacity and water absorption
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Die Gewichtszunahme wurde als Abtropfgewicht nach Eintauchen in Wasser gemessen. Für die Schwammbildung wurde etwa 1 mL der Mischung von Keratinlösungen mit 1 Gew.- % Glycerin in zylindrischen Röhrchen bei -20 0C eingefroren, gefriergetrocknet und anschließend bei 110 0C für ca. 2,5 Stunden erwärmt.The weight gain was measured as drained weight after immersion in water. For the sponge formation about 1 mL of the mixture of Keratinlösungen with 1 wt% glycerol was frozen in cylindrical tubes at -20 0 C, freeze-dried and then heated at 110 0 C for about 2.5 hours.
Weiter in der Tabelle angegeben sind die Werte für die Volumenzunahme und die Gewichtszunahme der Schwämme bei Lagern in Wasser (20 0C, 30 min).Also shown in the table are the values for the increase in volume and the weight increase of the sponges for storage in water (20 ° C., 30 minutes).
Die Ergebnisse zeigen, dass mit höheren Anteil alkalisch partiell hydrolysierten Keratins das Quellvermögen zunimmt.The results show that with a higher proportion of alkaline partially hydrolyzed keratin the swelling capacity increases.
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der Keratinschwämme zeigen eine gleichmäßige offenporige Struktur. Im Einzelnen zeigt Fig. 3 darauf Kantenlänge der Abbildung 1.800 μm) einen Schwamm, der aus einer Keratinlösung mit 10 Vol.-% alkalisch partiell hydrolysierter Keratinlösung hergestellt ist,Scanning electron micrographs of the keratin sponges show a uniform open-pore structure. In detail, FIG. 3 shows an edge length of the image of 1,800 μm) a sponge which is produced from a keratin solution with 10% by volume of alkaline partially hydrolyzed keratin solution,
Figur 4 einen Ausschnitt aus Fig. 3, Kantenlänge der Abbildung 450 μm, und Figur 5 einen Ausschnitt der Fig. 3 mit einer Kantenlänge der Abbildung von 9 μm.Figure 4 shows a detail of Fig. 3, edge length of the figure 450 microns, and Figure 5 shows a detail of Fig. 3 with an edge length of the image of 9 microns.
Die Figuren 3, 4 und 5 zeigen, dass die Struktur des Schwamms sehr gleichmäßig ist, und die Porenwände in sich glatt und geschlossen sind, wobei in Figur 5 die nanopartikuläre Oberflächenstruktur deutlich wird.Figures 3, 4 and 5 show that the structure of the sponge is very uniform, and the pore walls are smooth and closed in itself, wherein in Figure 5, the nanoparticulate surface structure is clear.
Figur 6 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Schwamms, der aus einer Mischung von Keratinlösungen mit einem Anteil von 20 Vol.-% alkalisch hydrolysierter Keratinlösung hergestellt wurde, und Figur 7 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Schwamms, der aus einer Mischung mit 30 Vol.-% alkalisch partiell hydrolysierter Keratinlösung hergestellt wurde. Die Abbildungen von Figuren 6 und 7 haben jeweils eine Kantenlänge von 1.800 μm.FIG. 6 shows a scanning electron micrograph of a sponge produced from a mixture of keratin solutions containing 20% by volume of alkaline hydrolyzed keratin solution, and FIG. 7 shows a scanning electron micrograph of a sponge consisting of a mixture with 30% by volume. alkaline partially hydrolyzed keratin solution was prepared. The images of Figures 6 and 7 each have an edge length of 1,800 microns.
Im Vergleich mit Figur 3 zeigen die Figuren 6 und 7, dass ein höherer Anteil alkalisch partiell hydrolysierter Keratinlösung größere Poren im Keratinschwamm erzeugt, wobei jedoch die in sich geschlossene Oberfläche der Porenwände erhalten bleibt.In comparison with FIG. 3, FIGS. 6 and 7 show that a higher proportion of alkaline partially hydrolysed keratin solution produces larger pores in the keratin sponge, but the self-contained surface of the pore walls is retained.
Die in den Figuren 3-7 gezeigten Schwämme wurden ohne zwischenzeitliche Kontaktierung mit Wasser analysiert. Gleich hergestellte Schwämme zeigten in der REM-Analyse im Wesentlichen identische Strukturen, wenn die Schwämme zuvor in wässriges Medium eingebracht und nach vollständiger Benetzung und Quellung getrocknet wurden, z.B. bei Umgebungstemperatur oder bei der Trocknungstemperatur.The sponges shown in Figures 3-7 were analyzed without intermediate contact with water. Equally prepared sponges showed in the REM analysis in Substantially identical structures, if the sponges were previously introduced in aqueous medium and dried after complete wetting and swelling, for example at ambient temperature or at the drying temperature.
Die Kultivierung von Zellen kann in vitro mit dem erfϊndungsgemäßen Schwamm durch Inkubation des Schwamms in Zellkulturmedium unter Zellkulturbedingungen mit zugesetzten tierischen Zellen erfolgen. Vorliegend wurden ca. 100.000 humane stromale Keratozyten mit einem erfindungsgemäß hergestellten Schwamm (10 Vol.-% alkalisch partiell hydrolysiertes Keratin) für drei Tage in Standardmedium inkubiert. Zur Kontrolle wurde ein Keratinschwamm gleich behandelt, jedoch ohne dass Zellen zugesetzt wurden.The cultivation of cells can be carried out in vitro with the sponge according to the invention by incubation of the sponge in cell culture medium under cell culture conditions with added animal cells. In the present case, approximately 100,000 human stromal keratocytes were incubated with a sponge prepared according to the invention (10% by volume of alkaline partially hydrolyzed keratin) in standard medium for three days. As a control, a keratin sponge was treated the same, but without adding cells.
Im Anschluss an die Kultivierung wurde eine Lebendfärbung mit MTT (gelbes Tetrazoliumsalz) durchgeführt, das durch die mitochondriale Aktivität lebensfähiger Zellen zu blauem Formazan umgesetzt wird.Following culturing, live staining was performed with MTT (yellow tetrazolium salt), which is converted by the mitochondrial activity of viable cells to blue formazan.
Figur 8 zeigt eine photografische Aufnahme, nämlich links im Bild die Kontrolle ohne Zellen, und rechts im Bild den mit Zellen inkubierten Schwamm nach Umsetzung von MTT. Es wird deutlich, dass die Lebendfärbung durch das gesamte Volumen des erfϊndungsgemäßen Schwamms erfolgt, was eine vollständige Besiedlung des Keratinschwamms durch sein gesamtes Volumen anzeigt.FIG. 8 shows a photograph, namely the control without cells on the left in the image, and on the right in the image the sponge incubated with cells after conversion of MTT. It becomes clear that the livid staining occurs through the entire volume of the sponge according to the invention, which indicates a complete colonization of the keratin sponge by its entire volume.
Entsprechend wird der erfindungsgemäße Schwamm auch bei Verwendung als Implantat durch sein Gesamtvolumen von Zellen besiedelt, vorzugsweise schneller und/oder gleichmäßiger als Schwämme, die aus Keratinlösung hergestellt wurden, die ein Reduktionsoder ein Oxidationsmittel enthielt, oder die ohne Erwärmung der getrockneten Struktur hergestellt wurden. Accordingly, even when used as an implant, the sponge of the present invention is colonized by its total volume of cells, preferably faster and / or more uniformly than sponges made from keratin solution containing a reducing or oxidizing agent or prepared without heating the dried structure.

Claims

Ansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung eines Keratinschwamms mit offenzelliger Porenstruktur mit den Schritten:A method of making a keratinous sponge having an open cell pore structure comprising the steps of:
Solubilisierung von Haarkeratin unter reduzierenden Bedingungen in denaturierender, wässriger Lösung mit einem Gehalt an Reduktionsmittel,Solubilization of hair keratin under reducing conditions in denaturing, aqueous solution containing reducing agent,
Entfernen des Reduktionsmittels aus der wässrigen Lösung von Keratin zurRemoving the reducing agent from the aqueous solution of keratin
Herstellung einer wässrigen Keratinlösung, die kein Reduktionsmittel und/oderPreparation of an aqueous keratin solution which does not contain a reducing agent and / or
Oxidationsmittel enthält,Contains oxidizing agent,
Zusetzen einer Polyhydroxyverbindung,Adding a polyhydroxy compound,
Trocknen der Mischung zu einer porösen Struktur,Drying the mixture into a porous structure,
Erwärmen der getrockneten porösen Struktur auf eine Temperatur von mindestens 100Heating the dried porous structure to a temperature of at least 100
0C. 0 C.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Keratinlösung aus solubilisiertem Keratin und Wasser besteht.2. The method according to claim 1, characterized in that the aqueous keratin solution consists of solubilized keratin and water.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das partielle alkalische Hydrolysieren eines Anteils der wässrigen Keratinlösung zur Herstellung einer partiell hydrolysierten Keratinlösung, deren Keratin zu 85 bis 35 Gew.-% ein Molekulargewicht von < 50 kDa aufweist und die kein Reduktionsmittel oder Oxidationsmittel enthält und Mischen der wässrigen Keratinlösung mit dem Anteil der alkalisch partiell hydrolysierten Keratinlösung, Zusetzen einer Polyhydroxyverbindung, Trocknen der Mischung zu einer porösen Struktur und Erwärmen der getrockneten porösen Struktur auf eine Temperatur von mindestens 100 0C.3. The method according to any one of the preceding claims, characterized by the partial alkaline hydrolyzing a portion of the aqueous keratin solution for producing a partially hydrolyzed keratin solution whose keratin to 85 to 35 wt .-% has a molecular weight of <50 kDa and the no reducing agent or oxidizing agent containing and mixing the aqueous keratin solution with the portion of the alkaline partially hydrolyzed keratin solution, adding a polyhydroxy compound, drying the mixture to a porous structure and heating the dried porous structure to a temperature of at least 100 ° C.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der alkalisch partiell hydrolysierten Keratinlösung Bestandteile mit einem MG kleiner als 5 kDa abgetrennt werden.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that are separated from the alkaline partially hydrolyzed keratin solution constituents with a MW less than 5 kDa.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknen Gefriertrocknen ist. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the drying is freeze-drying.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Aggregate aus der Keratinlösung abgetrennt werden.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that aggregates are separated from the keratin solution.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyhydroxyverbindung Glycerin, Propylenglycol oder eine Mischung dieser ist.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the polyhydroxy compound is glycerol, propylene glycol or a mixture thereof.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyhydroxyverbindung zu 0,5 bis 3 Gew.-% pro 20 mg Keratin, gemessen als Gesamtprotein nach Bradford, zugesetzt ist.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the polyhydroxy compound to 0.5 to 3 wt .-% per 20 mg of keratin, measured as total protein according to Bradford added.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung des Verfahrens zur Herstellung eines medizinischen Implantats oder einer Wundtamponade.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized by the use of the method for producing a medical implant or a Wundtamponade.
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil alkalisch partiell hydrolysierter Keratinlösung an der Mischung mit wässriger Keratinlösung 10% bis 100% beträgt.10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the proportion of alkaline partially hydrolyzed keratin solution in the mixture with aqueous keratin solution is 10% to 100%.
11. Keratinschwamm zur Verwendung bei der Herstellung eines medizinischen Implantats, gekennzeichnet durch eine nanopartikuläre Struktur der Porenzellwände mit monomodaler Größenverteilung der in den Porenzellwänden enthaltenen Keratinpartikel, wobei die Porenzellwände aus solubilisiertem Keratin natürlichen Ursprungs in Mischung mit einer Polyhydroxyverbindung bestehen, wobei das solubilisierte Keratin nur die chemische Modifikation aufweist, die durch Anwesenheit eines Reduktionsmittels und/oder eines Oxidationsmittels und durch die Erwärmung des getrockneten Keratins in Mischung mit der Polyhydroxyverbindung erzeugt ist.A keratin sponge for use in the manufacture of a medical implant, characterized by a nanoparticulate structure of the pore cell walls with monomodal size distribution of the keratin particles contained in the pore cell walls, wherein the pore cell walls of solubilized keratin of natural origin are in admixture with a polyhydroxy compound, the solubilized keratin being only the chemical modification produced by the presence of a reducing agent and / or an oxidizing agent and by the heating of the dried keratin in admixture with the polyhydroxy compound.
12. Keratinschwamm nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das solubilisierte Keratin eine Mischung aus solubilisiertem Keratin natürlichen Ursprungs und einem alkalisch partiell hydrolysierten Anteil des solubilisierten Keratins natürlichen Ursprungs aufweist, wobei der partiell hydrolysierte Anteil zu 85 bis 35 Gew.-% Keratin mit einem Molekulargewicht von < 50 kDa aufweist. 12. keratin sponge according to claim 11, characterized in that the solubilized keratin comprises a mixture of solubilized keratin of natural origin and an alkaline partially hydrolyzed portion of the solubilized keratin of natural origin, wherein the partially hydrolyzed portion to 85 to 35 wt .-% keratin with a Molecular weight of <50 kDa.
13. Keratinschwamm nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Keratinschwamm erhältlich ist durch13. Keratin sponge according to claim 11 or 12, characterized in that the keratin sponge is obtainable by
Hydrolyse von Haar in denaturierender wässriger Lösung mit einem Gehalt anHydrolysis of hair in denaturing aqueous solution containing
Reduktionsmittel,Reducing agent,
Entfernen des Reduktionsmittels aus der wässrigen Lösung von Keratin zurRemoving the reducing agent from the aqueous solution of keratin
Herstellung einer wässrigen Keratinlösung, die kein Reduktionsmittel oderPreparation of an aqueous keratin solution which does not contain a reducing agent or
Oxidationsmittel enthält,Contains oxidizing agent,
Zusetzen einer Polyhydroxyverbindung,Adding a polyhydroxy compound,
Trocknen der Mischung zur Herstellung einer porösen Struktur undDrying the mixture to produce a porous structure and
Erwärmen der getrockneten porösen Struktur auf eine Temperatur von mindestens 100Heating the dried porous structure to a temperature of at least 100
0C. 0 C.
14. Keratinschwamm nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil der wässrigen Keratinlösung zur Herstellung einer alkalisch partiell hydrolysierten Keratinlösung, die kein Reduktionsmittel oder Oxidationsmittel enthält, durch Kontaktierung mit einer wässrigen alkalischen Lösung partiell hydrolysiert ist.14. keratin sponge according to claim 13, characterized in that a portion of the aqueous keratin solution for the preparation of an alkaline partially hydrolyzed keratin solution containing no reducing agent or oxidizing agent, is partially hydrolyzed by contacting with an aqueous alkaline solution.
15. Keratinschwamm nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das alkalisch partiell hydrolysierte Keratin zu zumindest 85 bis 35 Gew.-% ein Molekulargewicht von < 50 kDa aufweist und kein Reduktionsmittel oder Oxidationsmittel enthält.15. keratin sponge according to one of claims 11 to 14, characterized in that the alkaline partially hydrolyzed keratin to at least 85 to 35 wt .-% has a molecular weight of <50 kDa and contains no reducing agent or oxidizing agent.
16. Keratinschwamm nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyhydroxyverbindung Glycerin, Propylenglycol oder eine Mischung dieser ist.16. Keratin sponge according to one of claims 11 to 15, characterized in that the polyhydroxy compound is glycerol, propylene glycol or a mixture thereof.
17. Keratinschwamm nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyhydroxyverbindung zu 0,5 bis 3 Gew.-% pro 20 mg Keratin, gemessen als Gesamtprotein nach Bradford, zugesetzt ist. 17. Keratin sponge according to claim 16, characterized in that the polyhydroxy compound is added to 0.5 to 3% by weight per 20 mg of keratin, measured as a total protein according to Bradford.
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