Untersuchung der vollständigen Extraktion organischer Stoffe aus Knochenmaterial mit Wasser und überkritischen Fluiden
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieser Arbeit konnte die Machbarkeit des Verfahrens zur Entfernung organischer Substanzen aus tierischem Knochenmaterial mit Wasser und überkritischen Fluiden experimentell nachgewiesen werden. Zudem wurde gezeigt, dass sich die hydrothermale Behandlung als Alternative der konventionellen Behandlungsmethoden mit Lösungs- und Oxidationsmitteln zur einstufigen, vollständigen Reinigung sowohl größerer Knochenfragmente als auch pulverförmiger Materialien eignet. Zur Ermittlung der Reaktionsgeschwindigkeit wurden umfangreiche Untersuchungen unter Variierung der Betriebsparameter und der Verweilzeit in Abhängigkeit vom Reaktorkonzept mit Wasser und im System Wasser/Kohlendioxid durchgeführt. Der Reinigungsprozess lässt sich unter der Annahme einer Kinetik einer Reaktion erster Ordnung mit ausreichender Genauigkeit beschreiben. Die pH-Senkung durch Zugabe von Kohlendioxid zum Behandlungswasser weist im Temperaturbereich bis 250°C eine messbare Beschleunigung des Reinigungsprozesses auf. Der Erfolg der Reinigung wurde anhand der Bestimmung der Proteinkonzentration, des Gehaltes an Gesamtstickstoff und organischem Gesamtkohlenstoff bewertet. Im Hinblick auf die Gewinnung wertvoller, organischer Substanzen wie Kollagenpeptide hat sich die Hydrolyse von Knochenkollagen mit Wasser unter erhöhten Drucken und Temperaturen als vielversprechend bewiesen. Die stark verdünnten, wasserreichen Hydrolysatlösungen wurden mit Hilfe der Ultrafiltration aufkonzentriert und in vier Fraktionen mit Molekulargewicht zwischen 50 kD und 650 D fraktioniert. Bei höheren Temperaturen und kürzeren Verweilzeiten wurden in den Hydrolysatlösungen überwiegend hochmolekulare Peptidketten größer 50 kD festgestellt. Diese Peptidketten wurden im nahekritischen Zustandsbereich des Wassers (300°C) innerhalb von Minuten weiter bis zu gasförmigen Produkten abgebaut. Im Temperaturbereich von 200-250°C und längeren Verweilzeiten überwiegen die niedermolekularen Peptide mit einem Molekulargewicht zwischen 10 kD und 650 D. Bei diesen Bedingungen wurde eine komplette Verflüssigung der organischen Substanzen ohne Bildung von gasförmigen Abbauprodukten in detektierbaren Mengen festgestellt, wie aus der vollständigen Wiederfindungsrate in der wässrigen Phase zu schließen ist. Mit Hilfe von Analysen zur Charakterisierung der mineralischen Knochenkomponente konnten Kontaminierungen des gereinigten Knochenmaterials mit Metallen durch Wechselwirkungen zwischen dem Knochenmaterial und dem Reaktorwerkstoff nachgewiesen werden. Als Maßnahme gegen die Korrosion wurde anstelle von Edelstahl eine hochkorrosionsbeständige Titanlegierung eingesetzt. Mit Hilfe dieser Maßnahme konnten die Metallkonzentrationen im Knochenmaterial deutlich reduziert werden. Anhand der durchgeführten Analysen wurden keine weiteren Veränderungen der Kristallinität und der Zusammensetzung des gereinigten Materials festgestellt. Anhand von Untersuchungen zur Zellbesiedlung konnten erste vielversprechende Ergebnisse gewonnen werden. Im Rahmen einer Proliferationsstudie konnte gezeigt werden, dass das gereinigte Knochenmaterial keine toxische Wirkung auf die Zellkulturen aufweist, sodass eine Vermehrung der Knochenzellen an der Knochenmaterialoberfläche stattfindet. Die weitere Charakterisierung der Implantationseigenschaften ist im Hinblick auf die Eignung des gereinigten Knochenmaterials als Knochenersatzmaterial von besonderer Bedeutung. Hierzu sollte die Fähigkeit der Knochenzellen zur Besiedlung an der Oberfläche des gereinigten Materials sowie zur Wanderung in das Knocheninnere untersucht werden. In einem nächsten Schritt sollte geprüft werden, ob von den Knochenzellen des besiedelten Materials Kollagen Typ I gebildet wird und ob Knochenauf- und Abbauprozesse im gereinigten Knochenmaterial stattfinden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Proceedings „8th Conference on Supercritical Fluids and Their Applications” May 28-31, 2006, Ischia (Napoli), Italy. Cleaning of Bone Xenografts From Organic Compounds with Supercritical Fluids
Daniela Doncheva, Gerd Brunner
- Proceedings „Green Solvents for Processes“ (DECHEMA Tagung), October 8-11, 2006, Friedrichshafen, Germany. Reactions of Biopolymers in Sub- and Supercritical water
Tim Rogalinski, Daniela Doncheva, Gerd Brunner
- Proc. 5th International Symposium on High Pressure Process Technology and Chemical Engineering, Segovia 2007 (Spain), 24th - 27th June. Cleaning of Animal-derived Bone Material for Implantation by Combined Extraction/Reaction Process of Organic Matrix with Subcritical Water and Characterisation of Hydrolyzates
Daniela Doncheva, Gerd Brunner
