CN105289021B - 一种浓缩用于关节软骨再生的胶原蛋白溶液的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了浓缩胶原蛋白溶液的装置和方法。所述装置包括密封壳体；用于包含胶原蛋白溶液的至少一个托盘，其设置在壳体中并且包括外侧壁和底面；电机，其具有基本上垂直于托盘设置的电机轴；至少一个搅拌装置，其由电机轴驱动并且包括用于搅拌胶原蛋白溶液的至少一个叶片，叶片的下边缘被限定并且设置为基本上平行于托盘的底面移动，下边缘和托盘底面之间的距离为1至3cm；用于控制壳体内真空度的真空泵；用于控制壳体内温度的温度控制器。本发明以降低的成本和提高的效率制造胶原蛋白，产生的胶原蛋白尤其适合用于关节软骨再生。

Description

一种浓缩用于关节软骨再生的胶原蛋白溶液的装置和方法

技术领域

本发明大体上涉及一种浓缩用于关节软骨再生的胶原蛋白溶液的核心装置和方法。具体而言，本发明涉及在低温和真空下使用所述装置浓缩胶原蛋白溶液的方法。

背景技术

软骨损伤与软骨退行性病变的治疗长久以来一直是医学界的世界性难题。经过科学家的研究，发现并证实胶原蛋白可以诱导人体干细胞生成新的软骨。虽然胶原蛋白已被广泛用于整形外科、伤口护理等领域，但用于其加工、提取的方法所限，并且不适用于软骨和软组织再生。

胶原蛋白是脊椎动物中存在的主要结构蛋白。天然的胶原蛋白可获得自各种驯养动物。胶原蛋白可溶解在水性稀酸或碱溶液中，以形成液相。溶液中胶原蛋白的浓度越高，溶液的粘度越高。使通过从各种原料提取产生的胶原蛋白进行过滤，以产生医用级材料。但是，过滤之后，胶原蛋白的浓度非常低，例如，按重量计约0.1％。

为了获取可用于关节软骨再生的浓缩胶原蛋白溶液，已经尝试和进行了各种方法。例如，使用氯化钠从水和胶原蛋白的溶液沉淀胶原蛋白。将高度浓缩的氯化钠溶液添加至胶原蛋白溶液，以获得0.7M氯化钠溶液，用于沉淀的目的。随后，通过重力分开沉淀的胶原蛋白。因为在最终的用于人应用的胶原蛋白产物中不希望有氯化钠，并且残留的高度浓缩的氯化钠可能阻碍干细胞分化成软骨细胞，所以需要通过另外的去除过程将在胶原蛋白制造过程中添加的氯化钠去除，而这样会增加方法的步骤的数量和增加成本。因此，需要不使用氯化钠而浓缩胶原蛋白溶液的方法。

现有技术也使用过滤器进一步从胶原蛋白和水的混合物分离胶原蛋白。使用压缩力或挤出力将混合物溶液挤过过滤器表面，以迫使水离开混合物溶液，由此浓缩胶原蛋白溶液。但是，当胶原蛋白的浓度从1％增加至3％，或从3％增加至6％时，用过滤器的压缩方法不能很好地起作用，因为混合物溶液已经太浓，使得水在该过程中不能从这样浓的混合物溶液分离，所以往往达不到软骨再生所需要的浓度。因此，需要不使用过滤器和压缩力而浓缩物胶原蛋白的方法。

现有技术也使用在高温(约120℃)下加热，以进一步将胶原蛋白从胶原蛋白和水的混合物分离。施用热通过水的蒸发从混合物去除水。但是，加热的缺点是耗时(例如，1-2天)，因为水的蒸发在混合物溶液的顶面进行缓慢。而且，加热不均会破坏胶原蛋白的微观结构，不利于作为骨细胞的生长基质。因此，仍需要不使用在高温下加热而浓缩物胶原蛋白的方法。

现有技术也使用离心力，以进一步将胶原蛋白与胶原蛋白和水的混合物分开。该方法基于水和胶原蛋白之间密度的差异。但是，水和胶原蛋白之间的密度差异不是非常大，因而使用离心力分离不能非常有效地用于胶原蛋白溶液，所以往往达不到软骨再生所需要的浓度。因此，需要不用离心力而浓缩物胶原蛋白的方法。

鉴于上述现状，需要开发新的没有上面提到的缺点的方法用于浓缩可用于关节软骨再生的胶原蛋白溶液。

发明内容

本发明涉及在低温和真空下浓缩胶原蛋白溶液的装置和方法。该装置和方法能够以低成本和高效率使胶原蛋白溶液的浓度从按重量计0.5％增加至1％，或从3％增加至6％。通过这样的方式产生的胶原蛋白，经试验验证尤其适于关节软骨再生。

一方面，本发明提供了用于浓缩胶原蛋白溶液的装置，其包括

(i)密封壳体；

(ii)用于容纳胶原蛋白溶液的至少一个托盘，其设置在所述壳体中并且包括外侧壁和底面；

(iii)电机，其具有基本上垂直于所述托盘设置的电机轴；

(iv)至少一个搅拌装置，其由所述电机轴驱动并且包括用于搅拌胶原蛋白溶液的至少一个叶片，所述叶片的下边缘被限定并且设置为基本上平行于所述托盘的底面移动，所述下边缘和所述托盘底面之间的距离为1.0至3.0cm；

(v)用于控制所述壳体内真空度的真空泵；

(vi)用于控制所述壳体内温度的温度控制器。

优选地，所述托盘的外侧壁的高度是2.0至5.0cm。

优选地，所述托盘的底面的面积是100至1,000cm²。

优选地，所述外侧壁的高度与所述托盘的底面的径向尺寸的比例是0.1至0.5。

优选地，所述托盘的形状是正方形或圆形；更优选为圆形。

优选地，所述装置包括2-20个，优选地2-12个，更优选地2-7个托盘，所述托盘的底面彼此平行。此外，所述装置包括多个搅拌装置，其中每个托盘上方设置一个搅拌装置。更优选地，每个托盘还包括内侧壁和内侧壁限定出的中心孔，并且所述电机轴设置为穿过托盘的中心孔。优选地，每个搅拌装置包括1-10个，优选为2-6个，更优选为3个叶片。

优选地，两个相邻托盘之间的间隔是2至5cm。

优选地，所述装置进一步包括：

(vi)与所述托盘流体连通的进料口和排料口，用于转移胶原蛋白溶液。

优选地，所述装置进一步包括：

(vii)用于显示所述壳体内压力的压力计和用于显示所述壳体内温度的温度计板。

另一方面，本发明提供了使用上面提到的装置浓缩胶原蛋白溶液的方法，其包括下述步骤：

(a)在托盘中提供初始的胶原蛋白溶液；

(b)设置壳体内的真空度为1,000至2,500Pa；

(c)设置壳体内的温度为7至21℃；

(d)搅拌胶原蛋白溶液；

(e)在所述温度和真空度下浓缩胶原蛋白溶液8至16小时；

(f)收获浓缩的胶原蛋白产物。

优选地，所述初始胶原蛋白溶液的浓度是按重量计0.55％至3％。

优选地，所述搅拌的速度是20至120rpm。

优选地，所述托盘中的初始胶原蛋白溶液的深度是3至8cm。

优选地，所述浓缩的胶原蛋白产物的浓度是按重量计1％至6％。

优选地，收获的胶原蛋白产物为凝胶片形式。

本发明的装置和方法可用于浓缩物胶原蛋白溶液，而不使用氯化钠、过滤器和压缩力、高温加热或离心力，这可降低生产成本并且提高制造胶原蛋白的效率。产生的胶原蛋白适合用于医学、食品或化妆品制剂，尤其适用于关节软骨再生所用基质。

附图说明

为了更充分理解本发明的特征和优势，现参考发明详述以及附图进行说明，并且其中：

图1是根据本发明的一个实施方式的浓缩胶原蛋白溶液的装置的示意图。

具体实施方式

尽管下面详细讨论了本发明各种实施方式的形成和使用，但是应当认识到本发明提供了可在各种具体环境中实施的许多适用的发明构思。本文讨论的具体实施方式仅仅是形成和使用本发明的示意性例子，并不限制本发明的范围。

图1示出了根据本发明的用于浓缩胶原蛋白溶液的装置10。用于浓缩胶原蛋白溶液的装置10包括密封的壳体107、用于容纳胶原蛋白溶液的5个托盘105和电机102，该电机102具有基本上垂直于托盘105设置的电机轴108。所述托盘布置在壳体内并且它们中的每一个均包括外侧壁109和底面110。托盘105的底面110彼此基本上平行布置。此外，装置10还包括由电机轴108驱动的5个搅拌装置111，其中每个托盘105上方设置一个搅拌装置111。每个搅拌装置111包括用于搅拌胶原蛋白溶液的3个叶片104，所述叶片限定出下边缘112并被构造成基本上平行于托盘105的底面110运动，其中，下边缘112和托盘的底面110之间的距离为3cm。每个托盘105还包括内侧壁113和由该内侧壁113限定出的中心孔114，并且电机轴108被构造成穿过托盘105的中心孔114。托盘的外侧壁109的高度是4cm。托盘105的底面110的面积是500cm²。外侧壁109的高度与托盘底面110的半径尺寸之比为0.3。托盘105的形状是圆形。两个相邻托盘105之间的间隔是3cm。

装置10还包括用于控制壳体内真空度的真空泵103；用于控制壳体内温度的温度控制器106；与托盘105流体连通的、用于输送胶原蛋白溶液的进料口和排料口(未显示)；用于显示壳体内压力的压力计101和用于显示壳体内温度的温度计仪表板101。

现在将通过仅参照图1的实施例来描述本发明。在下述实施例中，猪皮用于制备初始胶原蛋白溶液。重量测量方法用于测量胶原蛋白溶液的浓度(参见，BritishPharmacopoeia，2001)。

实施例1

将2500g初始胶原蛋白溶液放置在托盘105中，每个托盘500g。每个托盘105中初始胶原蛋白溶液的深度是3cm。然后启动真空泵103和温度控制器106直到壳体107内的真空度达到1500Pa且壳体107内的温度达到13℃。通过搅拌装置111以60rpm的速度搅拌胶原蛋白溶液12小时。初始胶原蛋白溶液的浓度按重量计是3％。以凝胶片的形式收获浓缩的胶原蛋白产物。浓缩的胶原蛋白产物的浓度按重量计是6％。

实施例2

将2500g初始胶原蛋白溶液放置在托盘105中，每个托盘500g。每个托盘105中初始胶原蛋白溶液的深度是4cm。然后启动真空泵103和温度控制器106直到壳体107内的真空度达到2500Pa且壳体107内的温度达到21℃。通过搅拌装置111以60rpm的速度搅拌胶原蛋白溶液12小时。初始胶原蛋白溶液的浓度按重量计是3％。以凝胶片的形式收获浓缩的胶原蛋白产物。浓缩的胶原蛋白产物的浓度是(6％按重量计)。

实施例3

将5000g初始胶原蛋白溶液放置在托盘105中，每个托盘1000g。每个托盘105中初始胶原蛋白溶液的深度是4cm。然后启动真空泵103和温度控制器106直到壳体107内的真空度达到1000Pa，和壳体107内的温度达到7℃。通过搅拌装置111以60rpm的速度搅拌胶原蛋白溶液12小时。初始胶原蛋白溶液的浓度是按重量计3％。以凝胶片的形式收获浓缩的胶原蛋白产物。浓缩的胶原蛋白产物的浓度是按重量计6％。

实施例4

将5,000g初始胶原蛋白溶液放置在托盘105中，每个托盘1000g。每个托盘105中初始胶原蛋白溶液的深度是3cm。然后启动真空泵103和温度控制器106直到壳体107内的真空度达到1000Pa，和壳体107内的温度达到7℃。通过搅拌装置111以60rpm的速度搅拌胶原蛋白溶液12小时。初始胶原蛋白溶液的浓度是按重量计1％。以凝胶片的形式收获浓缩的胶原蛋白产物。浓缩的胶原蛋白产物的浓度是按重量计3％。

根据本发明可制备和实施本文公开和要求的所有装置和/或方法而不需要过度的实验。尽管已经根据优选的实施方式描述了本发明的装置和方法，但是对本领域技术人员显而易见，变型可适用于装置和/或方法和本文所述的方法的步骤或步骤的序列，而不背离本发明的概念、精神和范围。对于本领域技术人员显而易见的所有这些类似的替换和修饰视为在如所附的权利要求限定的本发明的精神、范围和概念内。

Claims (22)

1.一种用于浓缩胶原蛋白溶液的装置，其包括；

(i)密封壳体；

(ii)用于容纳胶原蛋白溶液的至少一个托盘，其设置在所述壳体中并且包括外侧壁和底面；

(iii)电机，其具有基本上垂直于所述托盘设置的电机轴；

(iv)至少一个搅拌装置，其由所述电机轴驱动并且包括用于搅拌胶原蛋白溶液的至少一个叶片，所述叶片的下边缘被限定并且设置为基本上平行于所述托盘的底面移动，所述下边缘和所述托盘底面之间的距离是1.0至3.0cm；

(v)用于控制所述壳体内真空度的真空泵；

(vi)用于控制所述壳体内温度的温度控制器。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述托盘的外侧壁的高度是2.0至5.0cm。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述托盘的底面的面积是100至1,000cm²。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述外侧壁的高度与所述托盘的底面的径向尺寸的比例是0.1至0.5。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述托盘的形状是正方形或圆形。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述托盘的形状是圆形。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括2至20个托盘，所述托盘的底面基本上彼此平行；所述装置包括多个搅拌装置，其中每个托盘上方设置一个搅拌装置。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置包括2-12个托盘。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置包括2-7个托盘。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个托盘还包括内侧壁和内侧壁限定出的中心孔，并且所述电机轴设置为穿过所述托盘的中心孔。

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个搅拌装置包括1-10个叶片。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，每个搅拌装置包括2-6个叶片。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，每个搅拌装置包括3个叶片。

14.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，两个相邻托盘之间的间隔是2至5cm。

15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括：

(vii)与所述托盘流体连通的进料口和排料口，用于转移所述胶原蛋白溶液。

16.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括：

(viii)用于显示所述壳体内压力的压力计和用于显示所述壳体内温度的温度计板。

17.使用根据权利要求1至16任一项所述的装置浓缩胶原蛋白溶液的方法，其包括下述步骤：

(a)在所述托盘中提供初始胶原蛋白溶液；

(b)设置所述壳体内的真空度为1,000至2,500Pa；

(c)设置所述壳体内的温度为7至21℃；

(d)搅拌所述胶原蛋白溶液；

(e)在所述温度和真空度下浓缩胶原蛋白溶液8至16小时；

(f)收获浓缩的胶原蛋白产物。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述初始胶原蛋白溶液的浓度是按重量计0.55％至3％。

19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述搅拌的速度是20至120rpm。

20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述托盘中的初始胶原蛋白溶液的深度是3至8cm。

21.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述所述浓缩的胶原蛋白产物的浓度是按重量计1％至6％。

22.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，收获的胶原蛋白产物为凝胶片形式。