CN111433165A - 高液相线粘度生物活性玻璃 - Google Patents

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CN111433165A CN201880077082.6A CN201880077082A CN111433165A CN 111433165 A CN111433165 A CN 111433165A CN 201880077082 A CN201880077082 A CN 201880077082A CN 111433165 A CN111433165 A CN 111433165A
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Abstract

生物活性玻璃组合物，其包含：50至70％SiO2，0.1至10％Al2O3，5至30％Na2O，0.1至15％K2O，0.1至15％MgO，0.1至20％CaO，和5至10％P2O5，以组合物为100重量％计。还揭示了生物活性玻璃组合物的制造方法。

Description

高液相线粘度生物活性玻璃
相关申请的交叉参考
本申请根据35U.S.C.§119，要求2017年11月28日提交的美国临时专利申请第62/591,446号的优先权，其全文通过引用结合入本文。
本申请涉及2016年5月25日提交的如下共同拥有和转让的USSN临时申请：
第62/342,384号，题为“BIOACTIVE ALUMINOBORATE GLASSES(生物活性铝硼酸盐玻璃)”；
第62/342,377号，题为“MAGNETIZABLE GLASS CERAMIC COMPOSITION ANDMETHODS THEREOF(可磁化玻璃陶瓷组合物及其方法)”；
第62/342,381号，题为“LITHIUM DISILICATE GLASS-CERAMIC COMPOSITIONS ANDMETHODS THEREOF(二硅酸锂玻璃陶瓷组合物及其方法)；”
第62/342,391号，题为“BIODEGRADABLE MICROBEADS(可生物降解微珠粒)”；以及
第62/342,411号，题为“BIOACTIVE GLASS MICROSPHERES(生物活性玻璃微球体)”，但是没有要求它们的优先权。
本申请还涉及如下共同拥有和转让的USSN申请：
2017年11月28日提交的第62/591,423号，题为“BIOACTIVE GLASS COMPOSITIONSAND METHODS OF TREATING DENTIN HYPERSENSITIVITY(生物活性玻璃组合物以及牙本质超敏性的治疗方法)”；
2017年11月28日提交的第62/591,438号，题为“CHEMICALLY STRENGTHENEDBIOACTIVE GLASS-CERAMICS(化学强化生物活性玻璃陶瓷)”；以及
2017年11月28日提交的第62/591,429号，题为“BIOACTIVE BORATE GLASS ANDMETHODS THEREOF(生物活性硼酸盐玻璃及其方法)”，它们与本申请同时提交，但是本申请没有要求它们的优先权。
本文所述的出版物或专利文献的全文内容分别通过参考结合于本文。
背景技术
本公开内容涉及具有高液相线粘度的生物活性玻璃以及生物活性玻璃的制造和使用方法。
发明内容
在实施方式中，本公开内容提供了生物活性玻璃组合物。以重量百分比(重量％)计，生物活性玻璃组合物可以包含例如：50至70％SiO2，0.1至10％Al2O3，5至30％Na2O，0.1至15％K2O，0.1至15％MgO，0.1至20％CaO，和5至10％P2O5，总计为100重量％计。
在实施方式中，本公开内容提供了生物活性玻璃组合物，以重量％计，其具有如下组分，例如：60至70％SiO2，15至30％Na2O，5至15％K2O，1至10％CaO，和5至10％P2O5，即不含Al2O3、MgO或不含它们两者。
在实施方式中，本公开内容提供的生物活性玻璃组合物具有较高粘度，该粘度实现了不同或替代性的成形方法。
在实施方式中，本公开内容提供的生物活性玻璃组合物具有优异的生物相容性。
在实施方式中，本公开内容提供的生物活性玻璃组合物可以被连续地拉制成直径是例如1至100微米的玻璃纤维。
附图说明
在本公开内容的实施方式中：
图1A和1B分别显示采用下拉工艺从表1中所揭示的组成5生产的玻璃纤维的500微米规格(1A)和50微米规格(1B)的SEM图像。
图2A至2D显示活细胞/死细胞化验的细胞形态的光学图像。
具体实施方式
下面参考附图(如果有的话)对本公开内容的各个实施方式进行详细描述。参考各个实施方式不限制本发明的范围，本发明的范围仅受所附权利要求书的范围限制。此外，在本说明书中列出的任何实例都不是限制性的，并且仅列出了要求保护的本发明的诸多可能的实施方式中的一些实施方式。
在一些实施方式中，所揭示的组合物、制品以及制造和使用方法提供了一个或多个优势特征或方面，包括例如，如下文所述。任一项权利要求所述的特征或方面一般在本发明的所有方面适用。在任一项权利要求中所述的任意单个或多个特征或方面可以结合或与任一项或多项其它权利要求中所述的任意其它特征或方面置换。
定义
“液相线温度”(TL或Tliq)指的是这样的边界温度，在该温度，当玻璃试样保持在具体的温度梯度时，形成第一晶体化合物，在梯度的整个长度上，持续获得晶相与玻璃质相之间的热平衡所需的时间段(参见ASTM C829-81)。可以采用ASTM C829-81所规定的梯度炉方法测量玻璃的液相线温度。
“高温粘度”指的是通过剪切应力或拉伸应力使得液体对于逐渐变形的抗性的测量(ηliq)。可以采用ASTM 965-96规定的熔融玻璃的坩埚中浸入铂合金纺锤来测量玻璃高于其软化点的粘度。液相线粘度指的是处于对应的液相线温度时的玻璃粘度。
“包括”、“包含”或类似术语意为包括但不限于，即内含而非排他。
本文所述的实施方式中用来对例如组合物中成分的量、浓度、体积、加工温度、加工时间、产率、流速、压力、粘度和类似数值及其范围或者组件的尺寸以及类似数值及其范围进行修饰的“约”是指可能发生的数值量的改变，例如，源自制备材料、组合物、复合体、浓缩物、组件部件、制品制造或使用制剂所用的常规测量和操作过程；源自这些过程中的偶然性误差；源自用来实施所述方法的起始材料或成分的制造、来源或纯度的差异；以及类似因素。术语“约”还包括由于具有特定初始浓度或混合物的组合物或制剂的老化而不同的量，以及由于混合或加工具有特定初始浓度或混合物的组合物或制剂而不同的量。
“任选的”或“任选地”指的是随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，描述内容包括事件或情况发生的场合以及事件或情况没有发生的场合。
除非另有说明，否则，本文所用的不定冠词“一个”或“一种”及其相应的定冠词“该”表示至少一(个/种)，或者一(个/种)或多(个/种)。
可采用本领域普通技术人员熟知的缩写(例如，表示小时的“h”或“hrs”；表示克的“g”或“gm”；表示毫升的“mL”；表示室温的“rt”；表示纳米的“nm”以及类似缩写)。
在组分、成分、添加剂、尺寸、条件、时间和类似方面公开的具体和优选的数值及其范围仅用于说明；它们不排除其他限定数值或限定范围内的其他数值。本公开内容的组合物和方法可包括本文所述的任何数值或数值、具体数值、更具体的数值和优选数值的任何组合，包括明示或暗示的中间值和范围。
在实施方式中，本公开内容涉及具有如下能力的生物活性玻璃：与硬和软的哺乳动物组织牢固粘结，以及促进骨细胞和软骨细胞的生长(参见Rahaman等人，“Bioactiveglass in tissue engineering(组织工程学中的生物活性玻璃)”，Acta Biomater 2011，7:2355-2373)。据报道，生物活性玻璃释放激活成骨基因的表达并刺激血管生成的离子(参见上文的Rahaman)。示例性的商业产品包括例如：
Figure BDA0002513104580000041
(佛罗里达州阿拉卡瓦市的新型骨产品有限公司(NovaBone Products LLC,Alachua,FL))，
Figure BDA0002513104580000042
(新型骨产品有限公司)，或者
Figure BDA0002513104580000043
(英国葛兰素史克公司(Glaxo-Smith-Kline,UK))，它们是基于生物活性玻璃颗粒的(参见Jones的“生物活性玻璃概述：从Hench到混合物”(Review ofbioactive glass:From Hench to hybrids)，Acta Biomater 2013，9：4457-4486)。常规生物活性玻璃的低液相线粘度限制了它们的成形能力(参见Q.Fu等人，“Bioactive GlassInnovations Through Academia-Industry Collaboration(产学合作的生物活性玻璃创新)”，Int J Appl Glass Sci，2016,7:139-146)。例如，参照生物活性玻璃45S5组合物在1185℃的液相线粘度是24泊(本文表1中的对照样1)，而另一种得到广泛研究的玻璃13-93玻璃组合物在1145℃的液相线粘度是200泊(本文表1中的对照样2)。作为对比，典型的钠钙硅酸盐玻璃在1010℃的液相线粘度约为10000泊(参见上文的Q.Fu，以及Wallenberger等人，“The Liquidus Temperatures；Its Critical Role in Glass Manufacturing(液相线温度，其在玻璃制造中的关键作用)”，Int J Appl Glass Sci，2010，1:151-163)。
在实施方式中，本公开内容提供了生物活性组合物，其包含：
50至70％SiO2；
0.1至10％Al2O3；
5至30％Na2O，
0.1至15％K2O，
0.1至15％MgO，
0.1至20％CaO，以及
5至10％P2O5，以组合物为100重量％计。
在实施方式中，组合物的液相线粘度可以是例如200至5000泊。
在实施方式中，生物活性玻璃组合物可以具有例如以下至少一种生物相容性，例如：活细胞系(live cell line)在生物活性玻璃的表面上的增殖，细胞数量从0天到7天的持续增加，或其组合。
在实施方式中，组合物(作为拉制纤维形式因子)的直径可以是1至100微米。
在实施方式中，本公开内容可以提供例如：牙科制剂、伤口愈合制剂、骨生长或再生制剂以及类似的有用制剂。
在实施方式中，组合物还可以包括制剂成分(例如量为5至300重量％的载剂，作为生物活性玻璃组合物的超添加)以形成生物活性玻璃制剂。载剂可以是例如任意已知的固体、液体、凝胶或其组合。生物活性玻璃组合物与载剂的制剂可以提供许多优点，例如：预先选定的剂量水平、预先选定的浓度、生物活性玻璃与辅料的稳定化的混合物或悬液，以及类似优点。
在实施方式中，载剂可以是例如选自下组的一种或多种成分：磨料，保湿剂(即，抗干燥剂，例如：丙三醇、山梨糖醇、木糖醇、1,2-丙二醇，聚乙二醇和类似化合物)，香料，着色剂，抗菌剂，表面活性剂，增白剂和本领域已知的其他类似的合适成分，或其混合物。
在实施方式中，本公开内容提供了牙科制剂组合物，其中，合适的载剂包括选自下组的一种或多种形式：口香糖、糊料、粉末、牙膏、漱口水、膏药、茶、吸剂(sucker)、喷雾剂以及类似形式，或其混合物。
在实施方式中，本公开内容提供了优选的生物活性玻璃组合物，其包含：
60至70％SiO2，
15至30％Na2O，
5至15％K2O，
1至10％CaO，以及
5至10％P2O5，以组合物为100重量％计。
在实施方式中，优选的生物活性玻璃组合物可以不含Al2O3、MgO，或者不含它们两者。
在实施方式中，优选的生物活性玻璃组合物还可以包含例如：量为5至300重量％的载剂(作为生物活性玻璃组合物的超添加)，从而形成上文所提到的生物活性玻璃制剂。
在实施方式中，本公开内容提供了制造生物活性玻璃纤维的方法，其包括例如：
形成玻璃组合物的熔体，其包含：
50至70％SiO2；
0.1至10％Al2O3，
5至30％Na2O，
0.1至15％K2O，
0.1至15％MgO，
0.1至20％CaO，以及
5至10％P2O5，以组合物为100重量％计，直到熔体的粘度为200至2000泊；以及
将熔体拉制成纤维。
在实施方式中，拉制的玻璃纤维的直径可以是例如1至100微米。
在实施方式中，可以以例如间歇式方式、半连续方式或者连续方式将熔体拉制成纤维。
在实施方式中，处于熔体中的玻璃的温度可以是例如1050至1200℃，以及比玻璃液相线温度高了10至200℃。
本公开内容具有如下数方面的优势，包括例如：
所揭示的生物活性玻璃组合物具有高得多的液相线粘度，例如相比于参照45S5生物活性玻璃至少是10倍那么高，这使得所揭示的生物活性玻璃组合物更适用于工业制造平台。
所揭示的生物活性玻璃组合物具有优异的生物相容性，通过例如体外细胞培养研究所证实。这些研究证实了所希望的支持细胞附着和在最高至7天时间段上生长的能力。
所揭示的生物活性玻璃组合物可以从玻璃熔体连续地拉制成直径为1至100微米的玻璃纤维。
在实施方式中，本公开内容提供的生物活性玻璃组合物具有经过证实的高液相线粘度和优异的生物相容性。所揭示的组合物的改进的液相线实现了例如连续拉制1至100微米的玻璃纤维。
在实施方式中，在批料组合物中或者在最终玻璃中，以重量％计，所揭示的玻璃包含例如：50至70％SiO2，0.1至10％Al2O3，5至30％Na2O，0.1至15％K2O，0.1至15％MgO，0.1至20％CaO，和5至10％P2O5。示例性组合物见表1。
在实施方式中，以重量％计，更优选的组成可以是例如：60至70％SiO2，15至30％Na2O，5至15％K2O，1至10％CaO，和5至10％P2O5。这些玻璃通常可以在低于1300℃的温度下熔化，在某些实施方式中低于1400℃，这使得可以在较小的商用玻璃罐中熔化。
表1列出了刚配料的示例性组成1至8以及对照样1(45S5)和对照样2(13-93)。
表1：刚配料的组成
Figure BDA0002513104580000071
本文所揭示的组合物的液相线粘度(ηliq)可以是例如最高至2000泊(表1)，这使得它们与宽范围的成形方法(包括压制、吹塑、浇铸、薄辊制、浮法和类似方法)是相容的。这种可成形性使得与所揭示的组合物具有不同成形因子。这些玻璃可以通过不同的技术加工成例如粉末、纤维、珠粒、片材或者3D支架。通常可以通过例如玻璃料的喷射研磨或球磨来制备玻璃粉末；可以通过例如熔纺或电纺来制造短纤维；可以通过例如使得玻璃颗粒流动通过垂直炉来生产珠粒；可以通过例如使用薄辊制、浮法或熔融拉制工艺来制造片材；以及可以通过例如快速原型制作、聚合物发泡复制、颗粒烧结和类似方法来生产支架。所揭示的所需形式的玻璃可以被用于例如支撑细胞生长、软组织和硬组织再生、模拟基因表达或血管新生以及类似应用。
可以从所要求保护的玻璃组合物容易地拉制连续纤维。可以采用直接加热的铂套管(即，电流直接通过)，来形成纤维。将碎玻璃装载到套管中，加热直到玻璃熔化。温度设定为1000至1200℃以实现所需的玻璃粘度，例如：200至2000泊、335至2000泊、200至1500泊，例如小于1000泊，实现在套管内在孔口上形成液滴。可以对套管尺寸进行选择以产生影响可能的纤维直径范围的限制。可以手动牵拉液滴以开始形成纤维。一旦建立了纤维，可以将纤维连接到转动的牵拉和收集鼓，从而以恒定的速度继续牵拉过程。利用鼓速度(或者圈数每分钟RPM)和玻璃粘度，可以操控纤维直径，即发生变化和进行控制。通常来说，纤维牵拉速度越快，纤维直径越小。重要的是保持玻璃温度高于玻璃液相线温度，从而消除(或降低)套管孔口上的失透(参见Yue等人，“Fiber Spinnability of Glass Melts(玻璃熔体的纤维纺锤性)”，Int.J.Appl.Glass Sci.2017，8:37-347)。当开始形成失透(即，结晶)时，由于缓慢的玻璃流动或者玻璃完全丧失流动，纤维会倾向于破裂。可以从玻璃熔体连续地拉制直径为1至100微米的玻璃纤维(参见图1A和1B)。或者，还可以采用上拉工艺产生测试纤维。在这个工艺中，从位于盒式炉中的玻璃熔体表面牵拉纤维。通过控制玻璃的粘度，使用石英棒从熔体表面牵拉玻璃以形成纤维。可以连续地向上拉纤维以增加纤维长度。棒的上拉速度决定了纤维厚度。
表1的实施例玻璃组成1至8分别证实了具有优异的生物相容性。在由所揭示的组成制造的示例性玻璃制品的表面上以及在TCT培养孔中，清楚地观察到细胞附着和生长。在所揭示的组成与TCT培养孔之间没有观察到视觉可见的细胞形态差异。图2A至2D显示活细胞化验/死细胞化验的细胞形态的光学图像。在24孔培养板中，在组合物5的玻璃碟(12.5mm直径乘2.0mm厚)上，采用MC3T3细胞系完成细胞培养。(原始为绿色的；未提供的)点表示存活细胞；以及(原始为红色的；未提供的)点表示死细胞。在图2的任何图像中都没有看到死细胞(即，红色图像)。图2A显示第1天时的细胞培养，以及图2B显示第4天时的细胞培养。作为对比，获得组织培养处理(TCT)孔中培养的细胞的图像，并如图2C和2D所示(分别是第1天和第4天)。
生物相容性和分解会受到玻璃组成的影响。在所揭示的玻璃组合物中，SiO2会作为主要的形成玻璃的氧化物。但是，玻璃优选不含太多的SiO2，因为纯SiO2或高SiO2玻璃的熔化温度(例如，200泊温度)太高。此外，由于高SiO2含量，玻璃的生物活性会下降(参见L.L.Hench，“生物陶瓷”，J Am Ceram Soc，1998，81:1705-1728)。
P2O5也可以起到网络形成剂的作用。此外，磷酸根离子释放到生物活性玻璃的表面会对形成磷灰石做出贡献。通过生物活性玻璃提供磷酸根离子增加了磷灰石的形成速率以及骨组织的结合能力。此外，P2O5增加了玻璃的粘度，这进而扩大了操作温度范围，并且对于制造玻璃是有利的。
碱性氧化物(Li2O、Na2O、K2O、Rb2O和Cs2O)对于实现低熔融温度和低液相线温度会起到助剂的作用。据报道添加碱性氧化物改善了生物活性(参见上文的Q.Fu等人)。二价阳离子氧化物(例如，碱土氧化物)也可以改善玻璃的熔融行为和生物活性。具体来说，当浸入模拟体液(SBF)或者在体内时，CaO能够与P2O5反应形成磷灰石。从玻璃表面释放的Ca2+离子会对形成富集了磷酸钙的层起到贡献。
用于生产本公开内容的组合物的原材料和/或设备会引入某些不是故意添加的杂质或组分，并且它们会存在于最终的玻璃组合物中。此类材料会在所揭示的组合物中以少量存在，并且本文称作“杂物”。
所揭示的组合物通常会以痕量包含杂物。类似地，“不含铁”、“不含钠”、“不含锂”、“不含锆”、“不含碱土金属”、“不含重金属”或者类似描述表示组合物没有故意添加杂物，但是组合物仍然可能包含铁、钠、锂、锆、碱土金属或者重金属等，但是是近似痕量或者痕量。
除非另有说明，否则本文所引用的所有组分的浓度是以重量百分比(重量％)表示。
实施例
以下实施例示范了根据上文一般程序制造、使用和分析所揭示的组合物和方法。
实施例1
生物活性玻璃熔体。通过如下方式制备表1所列出的玻璃组合物：将相应的批料成分(包括沙、碳酸钠、碳酸钾、偏硅酸钙、氧化镁、磷酸二钠)以所示的量混合。使用Turbula混合器，在塑料广口瓶中对批料原材料进行剧烈的混合。然后将它们转移到内部体积约为650cc的铂坩锅中。然后将坩埚装载到退火炉中，在250℃煅烧批料24小时。经煅烧的批料在1300至1500℃熔化16小时，然后将玻璃熔体倒到钢板上，以及在400至500℃退火。
实施例2
生物活性玻璃纤维。采用直接加热的铂套管，将实施例1的玻璃组合物拉制成纤维。将碎玻璃装载到套管中，并加热至1050至1200℃，以获得玻璃熔体。熔体的粘度是200至1500泊，从而实现在套管中的孔口上形成玻璃液滴。然后可以用手牵拉玻璃滴以开始形成纤维。一旦建立了纤维，将纤维连接到转动的牵拉/收集鼓，从而以恒定的速度继续牵拉过程。利用鼓速度(或者圈数每分钟RPM)和玻璃粘度，可以操控纤维直径。通常来说，牵拉速度越快，所得到的纤维直径越小。
实施例3
生物活性玻璃组合物的生物相容性。采用钻石芯钻从实施例1的退火饼料制备玻璃碟(12.5mm直径乘1mm厚)，然后采用CeO2浆料研磨抛光至1.0微米精整。通过超声振荡器中超声处理10分钟来对所有精整部件进行清洁。然后，将碟放入24孔微板的孔中。以10K/孔的密度向每个孔接种MC3T3细胞，以及在37℃/5％CO2的潮湿孵化器中培养1天、4天或7天。使用钙黄绿素AM和乙二胺均二聚体-1来染色活细胞/死细胞。在荧光显微镜下俘获细胞图像并如图1所示。
虽然会用过渡语“包括”来描述特定实施方式的各种特征、元素或步骤，但是在替代实施方式中，这包含了那些可以采用过渡语“由......构成”、“基本由......构成”描述在内的替代实施方式。
已经参考各种具体实施方式和技术描述了本公开内容。但是，可以做出许多变化和改进而仍旧在本公开内容的范围内。

Claims (12)

1.一种生物活性玻璃组合物，其包含：
50至70％SiO2；
0.1至10％Al2O3，
5至30％Na2O，
0.1至15％K2O，
0.1至15％MgO，
0.1至20％CaO，以及
5至10％P2O5，以组合物为100重量％计。
2.如权利要求1所述的组合物，其中，组合物的液相线粘度是200至5000泊。
3.如权利要求1或2所述的组合物，其中，生物活性玻璃组合物具有以下至少一种生物相容性：活细胞系在生物活性玻璃的表面上的增殖，在生物活性玻璃的表面附近的细胞数量从0天到7天的持续增加，或其组合。
4.如权利要求1-3中任一项所述的组合物，其中，组合物作为拉制纤维形式因子的直径是1至100微米。
5.如权利要求1-4中任一项所述的组合物，其还包括量为5至300重量％的载剂以形成生物活性玻璃制剂，以生物活性玻璃组合物的超添加计。
6.一种生物活性玻璃组合物，其包含：
60至70％SiO2，
15至30％Na2O，
5至15％K2O，
1至10％CaO，以及
5至10％P2O5，以组合物为100重量％计。
7.如权利要求6所述的组合物，其中，组合物不含Al2O3、MgO，或者不含它们两者。
8.如权利要求6或7所述的组合物，其还包括量为5至300重量％的载剂以形成生物活性玻璃制剂，以生物活性玻璃组合物的超添加计。
9.一种制造生物活性玻璃光纤的方法，其包括：
形成玻璃组合物的熔体，其包含：
50至70％SiO2；
0.1至10％Al2O3，
5至30％Na2O，
0.1至15％K2O，
0.1至15％MgO，
0.1至20％CaO，以及
5至10％P2O5，以组合物为100重量％计，直到熔体的粘度为200至2000泊；以及
将熔体拉制成拉制的玻璃纤维。
10.如权利要求9所述的方法，其中，拉制的玻璃纤维的直径是1至100微米。
11.如权利要求9或10所述的方法，其中，以连续的方式完成将熔体拉制成拉制的玻璃纤维。
12.如权利要求9-11中任一项所述的方法，其中，处于熔体的玻璃的温度是1050至1200℃，以及比玻璃液相线温度高了10至200℃。
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