CS272350B1

CS272350B1 - Povrchově bioaktivni skalně’krystalický materiál

Info

Publication number: CS272350B1
Application number: CS893317A
Authority: CS
Inventors: Zdenek Ing Csc Strnad; Jana Ing Krupickova; Petr Ing Pospisil
Original assignee: Zdenek Ing Csc Strnad; Jana Ing Krupickova; Pospisil Petr
Priority date: 1989-06-01
Filing date: 1989-06-01
Publication date: 1991-01-15
Also published as: CS331789A1

Abstract

Povrchově bioaktivni skelně krystalický materiál, vhodný zejména pro kostní náhrady a umělé kořeny zubů; obsahuje hmotnostně 20 ai 35 % oxidu křemičitého SiOo,4 30 až 45 % oxidu vápenatého CaO; 2 až 5 % oxidu hořečnatého MgO, 10 až 18 % oxidu fosforečného P20s; 0,1 až 0,*3 % fluoru F a dála oxia zirkoničitý ZrO? a oxid yttritý Yg03 v množství 8 až 40 % hmotnoeti a/nebo oxid hlinitý Al203 v množství 0,4 až 10 % hmotnosti.

Description

Vynález ee týká povrchově bioaktivního skelně krystalického materiálu, vhodného zejména pro náhradu kostní tkáně v lidském organismu nebo pro umělé kořeny zubů, na bázi oxidu křemičitého Si0₂ vápenatého CaO a fosforečného Ρ₂θ5*

Pro náhradu kostní tkáně je známa řada materiálů, zejména ze skupiny kovových materiálů, plastických polymernich látek, keramických korundových nebo zirkoničitých materiálů i jejich kompozitů.

Všechny skupiny používaných materiálů pro kostní náhrady jsou neustále předmětem intenzivního výzkumu s cílem dosáhnout takových biologických, mechanických a chemických vlastností, aby se co nejvíce blížily vlastnostem nahrazované tkáně. Použitelnost jednotlivých materiálů pro implantace do živého organismu závisí na jejich vlastnostech, zejména tkáňové biokompatibilitě, enzymatické a hydrolytické stabilitě, chemických, fyzikálních, mechanických a dalších vlastnostech.

Biokompatibilita každého implantátu je určována především typsm chemických; fyzikálních a biologických interakcí mezi tkání hostitele a implantátem. Organismus ss snaží každé cizí těleso izolovat od okolní tkáně, vytváří kolem něho demarkačni vazivový obal a snaží se jej z těla vyloučit. Tloušíka stěny pouzdra kolem implantátu ja považována za rozhodující pro posouzení stupně snášenlivosti implantátů s tkání. Tenká stěna pouzdra charakterizuje dobrou snášenlivost materiálu, silná signalizuje vysoký stupeň odmítavé reakce. Samozřejmým požadavkem na kompatibilní látky je, že nesmí působit cytotoxicky, vyvolávat tkáňové nekrozy a zánětlivé reakce.

’ Tvorba více nebo méně silného vazivového pouzdra js charakteristická pro všechny výše uvedené' materiály, což přináší nemalé obtíže při fixaci implantátů v organismu při chirurgické praxi.

Další skupinou známých materiálů jsou povrchově bioaktivní materiály, například bioD aktivní sklo Bioglass CL.L.BENCH. Proceedings of the 10th International Congress on Glass. Kyoto, Japan, July 1974 Ceramic Society of Oapan, Tokyo, 1974, N_o. 9. p. 30). U . tohoto typu bioaktivniho skla dochází k chemické vazbě mezi implantátem a kostní tkání bez vzniku vazivového pouzdra, takže ukotvení těchto implantátů v hostitelské tkáni skýtá zcela nové možnosti aplikace. Povrchově bioaktivní skla na bázi sodnovápenatých skel s přídavkem oxidu fosforečného P₂0g, například o složsní 45 % hmot* oxidu křemičitého Si0₂, 25,5 % hmot, oxidu vápenatého CaO, 24,5 % hmot, oxidu sodného Na₂0 a 6 % hmot, oxidu fosforečného ^ρ2θ5’ ^{ve v}°dném prostředí, in vitro nebo in' vivo, vytvářejí nejdříve vyluhováním sodných iontů povrchový film obohacený oxidem křemičitým Si02, na jehož vnější straně se tvoři fosfátovápenatý povlak, zpočátku amorfní, který se během 1 až 6 týdnů mění na polykrystalickou vrstvu apatitových aglomsrátů, které mohou inkorporovat organické složky, například kolagen. Tato vrstva má zásadní význam při fyzikálně chemických procesech, které umožňují vazbu mezi povrchem skla při implantaci do lidského organismu a nově ss tvořící kostní tkání. Neméně důležitou funkcí vytvořených povrchových vrstev je potlačení dalšího rozpouštěni skla a tak zajištění žádoucí stability implantátu při dlouhodobé aplikaci. Tyto materiály přes vysokou bioaktivitu však vykazují nízké mechanické vlastnosti a jsou křehké, takže jejich aplikační možnosti jsou výrazně omezeny.

Známé jsou také povrchově aktivní skalné krystalické materiály, například CERAVITAL^R CH.BROMER. K.DEU· SHER, B.BLENKE, E.PFEIL and V.STRUNZ, Sci. Ceram. 9 (1977) 219) nebo Sklokeramika A/W na bázi oxidů křemičitého SiO₂, vápenatého CaO, fosforečného P₂0_gCT.KOKUBO, S.ITO, M.SHIGEMATSU, S.SAKKA and YAMAMURO, 3. Mater. Sci. 20 (1985) 2001). Tyto bioaktivní sklokeramické materiály vykazují relativně lepší mechanické vlastnosti, ale stále nedosahují požadovaných hodnot, zejména pevnosti v ohybu a lomové houževnatosti, vs srovnání s bioinsrtními materiály, jako je korundová keramika nebo kovy. Další nevýhodou je omezená možnost kontroly, predikce a řízsní, bioaktivity těchto materiálů.

Z experimentů prováděných in vitro a in vivo je známo, že vytvoření pevné vazby mezi povrchově bioaktivním materiálem a živou kostní tkáni závisí na vzájemné rychlosti cheΜ .

CS 272 350 Bl ² mických procesů; probíhajících na povrchu bioaktivního materiálu, jak byly popsány výše, a na rychlosti tvorby nové kostní tkáně. Probíhají-li tyto procesy s podstatně odlišnou rychlostí, takže reaktivita biologicky aktivního materiálu není schopna sledovat tvorbu nové kostní tkáně, vazba mezi implantátem a kostní tkání je velmi slabá a vmezeřeni vazivového obalu je vysoce pravděpodobné. Na druhé straně vysoká bioaktivita může být příčinou usmrcováni živých buněk organismu a vede k celkově nežádoucímu efektu. Navíc každý živý organismus reaguje specificky a individuálně, takže optimální míra bioaktivity bude odlišná pro různá místa v lidském těle, kde je implantát zaváděn,' a dále bude záviset na věku pacienta a jeho celkové kondici. Tyto podmínky je nutno respektovat, chceme-li dosáhnout optimálního výsledku z hlediska biokompatibility a současně dobrých mechanických vlastností. Proto je nutné mít možnost kontroly a ještě lépe predikce bioaktivního chování skelně krystalického implantátu v závislosti na jeho chemickém i fázovém složeni.

Výše uvedený problém řeší povrchově bioaktivni skelně krystalický materiál podle tohoto vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že obsahuje oxid křemičitý XiOg v množství 20 až 35 %, oxid vápenatý CaO v množství 30 až 45 %, oxid hořečnatý MgO v množství 2 až 5 %, oxid fosforečný P₂0₅ v množství 10 až 18 %, fluor F v množství 0,^!l až 0,3 %

a.dále oxid zirkoničitý ZrO₂ a oxid yttritý Y₂0₃ v množství 8 až 40 % hmot., a/nebo oxid hlinitý AlgOg v množství 0,4 až 10 % hmot. ' Z důvodů dodržení požadovaných povrchově bioaktivních vlastností skelně krystalického materiálu je výhodné^ když se vnáší surovinami do výsledného skelně krystalického materiálu jako nečistoty maximálně 0,3 % hmot, oxidu sodného Na₂0, maximálně 0,3 % hmot, oxidu draselného K₂0 a maximálně 0,05 % hmot, oxidu železitého Fe₂0g.

Hlavni přednosti tohoto povrchově bioaktivního skelně krystalického materiálu, vhodného pro implantace kostních náhrad nebo kořenů zubů v lidském organismu,' je, že jeho povrchová bioaktivita se dá řídit na základě chemického složení.

Podle výsledků řady předběžných pokusů a jak,_:je .zřejmé z dále uvedených příkladů, bioaktivita skelně krystalických materiálů je v zásadě určována složením a strukturou zbytkové skelné fáze. Rychlost a charakter chemických procesů na povrchu bioaktivního skelně krystalického materiálu v udaném rozsahu složení, jejichž výsledkem je vytvořeni spoje mezi implantátem a živou kostní tkání, jsou.dány otevřeností struktury zbytkové skelné fáze skelně talického materiálu, což lze kvalitativně postihnout určitou hodnotou rovnovážné konstanty mezi můstkovými kyslíky 0° a nemůstkovými kyslíky O“ ve struktuře skla zbytkové skelné fáze. Tuto rovnováhu lze vyjádřit vztahem

0° + O² ** 2 07

2·· ^J kde O označuje volné kyslíkové ionty. • i i .

Pro první přiblížení lze otevřenost struktury skla vyjádřit pomocí parametrů Y a X, kde udává střední počet můstkových kyslíků 0° a.X střední počet nemůstkových kyslíků O“ vždy na jeden polyedr skelné mříže, Y a X jsoi, definovány vztahy:

Y » 2Z - 2R ·

X - 2R - Z · kde Z je střední počet všech kyslíků na poyedr, tj. střední koordinační číslo sklotvorného kat ion tu,’ a R je poměr celkového počtu kyslíků k celkovému počtu sklotvorných kationtů ve skle. Čím větší je hodnota Y, tím pevněji a kompaktněji ke prostorově sí£ spojena. Naopak při menši hodnotě Y je strukturní spojení sítě volnější,’ s většími dutinami v

2+ prostorech sítě a snazší pohyblivostí modifikátorů iontů hořečnatých Mg a vápenatých 2+ *

Ca , což se odráží ve vlastnostech skla a jeho bioaktivni schopnosti.

•P ·

CS 272 350 Bl

Praktický výpočet parametrů Y a X je ukázán na následujících příkladech složení 1 a 3 podle tabulky.

V tabulce je uvedeno molární složení zbytkové skelné fáze pro skelně krystalický materiál v příkladu 3;

oxid křemičitý SiOg oxid vápenatý CaO	43,15 % 3,90 %
oxid hořečnatý MgO	31,55 %
oxid fosforečný	2,34 %
oxid hlinitý AlgOg	19,04 %

Z tohoto molárního složení zbytkové skelné fáze lze určit hodnotu R následujícím

postupem:
složka	celk. počet kyslíků počet sklotvorných kationtů
oxid křemičitý SiOg	86,30	43,15
oxid vápenatý CaO .	3;90	-
oxid hořečnatý MgO	31,55	-
oxid fosforečný PgOg	11,‘70	4,68
oxid hlinitý AlgOg	57,12	30,O8

190,57 85,91 z toho R - 190,57 : 85,91 « 2,2182 «^tcparametr X = 2R - Z π 4;4365 - 4 = 0,4365

-parametr Y = 2Z - 2R a 8.000 - 4,4365 » 3,5635

Střední počat můstkových kyslíků 0° na tstraedr je tedy Y 3,50 a jde tedy o velmi stabilní sklo, v jehož struktuře jsou v průměru více než tři rohy každého tetraedru společ,né. Oak bylo prokázáno experimenty, tento skelně krystalický materiál je inertní a nevykazuje bioaktivní schopnosti,

Molární složení zbytkové skelné fáze pro skelně krystalický materiál příkladu 1 je podle tabulky následující:

oxid křemičitý SiOg oxid vápenatý CaO	47,92 % 16,64 %
oxid hořečnatý MgO	30,46 %
oxid fosforečný PgO_g	3,75 %
oxid hlinitý AlgOg	1,18 %

Z toho výpočet R : složka celk. počet kyslíků počet sklotvorných kationtů

oxid křemičitý SiOg	95,84	47,92
oxid vápenatý CaO	16,64	-
oxid hořečnatý MgO	30,46	-
oxid fosforečný PgOg	18,75	7,50
oxid hlinitý AlgOg	3,54	2,36

165,23 57,78

Z toho R - 165,23 : 57,78 > 2,8596 parametr X - 2R - Z 5,'7183 - 4 = 1,7183 parametr Y « 2Z - 2R « 8,0000 - 5,7183 - 2,2817

Střední počet můstkových kyslíků 0° je tedy 2,28, což indikuje vysokou bioaktivní schopnost skelně krystalického materiálu, jak bylo potvrzeno experimenty in vitro a in vivo.

Oe zřejmé, že bipaktivitu skelně krystalického materiálu ve vymezeném složení lze kontrolovat parametrem Y zbytkové skelné fáze s tím, že při nejnižších· doporučených hodnotách Y = 1,8 až 2,0 materiál vykazuje vysokou bioaktivitu a se zvyěující se hodnoCS 272 350 Bl tou Y bioaktivita kleaá, takže při hodnotě Y = 3,5 ja bioinertní. Další výhodou bioaktivniho materiálu podle vynálezu je, že bioaktivni skelně krystalický materiál s kontrolovanou bioaktivitou obsahuje polykrystallcký oxid zirkoničitý Zr0₂ a oxid yttritý ^a/^ne bo oxid hlinitý AlgOg, což současně umožňuje vadle kontrolované bioaktivity i dosaženi vysoké mechanické pevnosti a houževnatosti při lomu.

Praktické provedeni podle vynálezu je dále popsáno na čtyřech příkladných provedeních, uvedených v tabulce. ·

Příklad 1 '

Taveniny o příkladném složení 1, 2, 3, uvedené v tabulce, byly připraveny smísením odpovídajících poměrů křemičitého písku, uhličitanů vápenatého a hořačnatého, fosforečnanu vápenatého, oxidu hlinitého a kazivce a utavsním v platinovém kelímku v elektrické peci při 1 550 °C. Složeni 1, 2, 3 obsahovala vedls složek uvedených v tabulce stopy oxidu sodného Na₂0 a oxidu železitého Fe₂0₃, které byly do taveniny zaneseny nečistotami ze surovin. Pro zlepšení homogenity byly taveniny míchány během tavby platinovým michadlam. Po utavaní byly taveniny vylity mezi kovové válce za vzniku skel požadovaného složení. Suplny zchlazených skel byly drceny v čelistovém drtiči a potom mlety v achátové misce s tloučkem. Třídění drtí bylo prováděno na sítech. Z frakce o velikosti částic menší nsž 40 /Um byly připraveny výlisky izostatickým lisováním při tlacích 80 a 150 Mpa. Jako pojivá bylo použito parafínu nebo vody. Vlastni slinování a krystalizace probíhaly v elektrické peci podle předem určeného teplotního programu plynulým zahříváním rychlostí ,0,5 °C/min s časovou prodlevou při teplotách 750 až 800 °G a 1 050 až 1 100 °C. Získané skelně krystalické materiály byly drobeny RTG-difrakční analýze a stanoveny krystalické fáze a jejich hmotnostní zastoupení, které jsou spolu s určeným složením zbytkově skelné fáze uvedeny v tabulce.

. Biokompatibilita a bioaktivita skelně krystalických materiálů byla testována jednak implantací v pokusných zvířatech (psech) a jednak laboratorně makrokontaktním a dynamickým testem cytotoxicity, testem na karcinogenitu a testy mutagenní aktivity pomocí Amosova tastu. Tasty cytotoxicity prokázaly, že připravené materiály jsou zcela cytotolerantni s negativní indikací karcinogenity a mutagenní aktivity. Implantace hranolků skelně krystalických materiálů o rozměrech 10x5x5 mm byly prováděny do tible a fomuru kolenních kloubů pokusných psů obojího pohlaví neurčité rasy a hmotnosti 12 _+ 2 kg.

Implantáty připravené ze skelně krystalických materiálů složení 1 byly po dvou měsících od implantace ve všech případech pevně spojeny s kostní tkáni bez intermediální vazivové vrstvy. Ve většině případů byl povrch implantátů složení i částečně nebo úplně přerostlý kompaktní kostí. Protože implantované hranolky nelze vyjmout z kosti bez použití násilí, byly pomocí dláta odštěpovány kousky kosti a povrchově bioaktivniho skelně krystalického materiálu o velikosti 1x2x2 mm nebo byl vzorek rozříznut diamantovou pilou tak, aby byla přístupna místa spojení kosti a skelně krystalického materiálu pro detailnější studium na elektronovém mikroskopu a elektronové mikrosondě, které opět potvrdily vytvoření pevně bezprostřední vazby mszi implantátem a kostní tkání. Implantáty skelně krystalického materiálu vykazující parametr Y 3,’5 zbytkové skalné fáze za stejnou dobu od implantace byly obklopeny vazivovým, pouzdrem šířky 0,5 až 1 mm a bylo možno je vyjmout z lůžka pinzetou bez použití násilí, což dokazuje, že nedošlo ke vzniku pevně vazby mezi implantátem a kostní tkání.

Schopnost mutuální vazby připravených skelně krystalických materiálů byla testována na srůstu dvou kusů skelně krystalického materiálu o definované ploše styku v simulovaném .roztoku lidské plazmy. Dva vzorky skelně krystalického materiálu, válečky o průměru cca 10 mm a výšce 10 mm, byly zabroušenou plochou přiloženy k sobě a svázány nylonovou nití. Potom byly ponořeny do připraveného roztoku v polyetylénové nádobě o objemu 100 ml. Vzorky byly temperovány při teplotě 37 °C a v Časových intervalech byly odebírány k pozorováni. Těliska složeni 1 vytvořila spoj již po 4 týdnech. Po 8 týdnech byl spoj psvný, takže

CS 272 350 Bl ho nebylo možné namáháním v ruce oddělit. Při improvizovaném zatížení nebyl spoj porušen ani při namáháni cca 10 MPa.

Reaktivita a schopnost skalně krystalického materiálu vytvořit spoj pro složení 1 (Y * 2,28), 2 (Y » 2,82) a 3 (Y « 3,56) se zmenšovala s rostoucí hodnotou Y, až opět při Y 3,5 spoj nebyl vytvořen ani po 20 týdnech, takže testovací válečky o složení 3 bylo možné po uvolněni nylonových niti oddělit v ruce.

Přiklad 2

Nejdříve byla připravena směs křemičitého písku, uhličitanů vápenatého a hořečnatého, fosforečnanů vápenatého a hořečnatého, hydroxidu hlinitého a fluoridu vápenatého, odpovídajici oxidovému množství 22,42 g oxidu křemičitého SiOg, 30,2 g oxidu vápenatého CaO, 2,80 g oxidu hořečnatého MgO, 11,5 g oxidu fosforečného Pg0₅, ^{0,3 9} oxidu hlinitého AlgOg a 0,1 g fluoru F. Směs byla utavena v platinovém kelímku při 1 550 °C na homogenní taveninu a zchlazena mezi kovovými válci. Vzniklé šupiny skla byly rozdrceny na velikost zrna menši než 15 /Um. K takto připravenému prášku skla byla přidána směs 24 g oxidu zirkoničitého ZrOg s přidavksm 2,04 g oxidu yttritého YgOg a 6,5 g oxidu hlinitého AlgOg,' která byla předem tepelně zpracována za zvýšeného tlaku při 1 450 °C po dobu 3,5 hodiny a rozdrcena na prášek s velikosti zrna menši než 20 ^um.

Prášky byly dobře promíchány a potom slinovány a krystalovány při zvýšeném tlaku a teplotě 1 100 až 1 150 °C po dobu 2 až 3 hodin. Výsledný materiál byl podroben RTG-difrakční analýze, bylo-určeno zastoupení jednotlivých krystalických fázi a byl určen parametr Y zbytkové skelné fáze, jak je uvedeno v tabulce, složeni 4. Materiál vykazoval vysokou bioaktivitu, odpovidajíci hodnotě parametru zbytkové skelné fáza Y 1,96,’ a mechanickou pevnost v ohybu okolo 400 až 500 MPa.

Tabulka

Příklady složení skelně krystalických materiálů.

2 3 4

Chemické hmotnosti složeni

oxid křemičitý SiOg	33 ;23	32,64	31,44	22,42
oxid vápenatý CaO	44,71	43,92	42,30	30,20
oxid hořečnatý MgO	4,24	4,16	4;01	2,80
oxid fosforečný PgOg	17,08	16 ,‘78	16,16	11,50
oxid hlinitý AlgOg	0,42	2/38	6,07	6,80
oxid zirkoničitý ZrOg	-	-	·	24,00
oxid yttritý Y₂°3	-	-	-	2,04
fluor F	0,11	O;ll	0,11	0,10
		Fázové hmotnostní	složení
apatit	30	35	35	20
wollastonit	45	35	35	20
whitlockit	5	0	0	0
oxid zirkoničitý Zr0₂a oxid yttritý Yg0₃	0	0	0	26
korund	0	0	0	10
zbytková skelná fáze	20	20	20	7

CS 272 350 Bl

Chemické molárni složeni zbytkové skelné fáze v procentech

oxid křemičitý Si0₂	47,92	46,24	43,15	33,36
oxid vápenatý CaO	16,^μ64	12,30	3,90	8,31
oxid fosforečný P₂0_g .	3 ,'75	3,58	2,34	12,66
oxid hořečnatý MgO	30 ,‘46	30;'83	31,55	43,90
oxid hlinitý Al₂0₃	1,18	7 ,'02	19,04	1,70
Parametr Y zbytkové skelné fáze	2,28	2,82	3,56	1,96

P K E O M 6 T VYNÁLEZU

Claims

1. Povrchové bioaktivni skelné krystalický materiál; vhodný zejména pro kostní náhrady nebo umělé kořeny zubů, na bázi oxidu křemičitého S10₂, vápenatého CaO a fosforečného P₂°5’ vyznačující se tím; že obsahuje oxid křemičitý Si0₂ v množství 20 až 35 % hmot, oxid vápenatý CaO v množství 30 až 45 % hmot.

oxid hořečnatý MgO v množství 2 až 5 % hmot.

oxid fosforečný P₂0₅ v množství 10 až. 18 % hmot. . .

fluor F v množství 0,1 až 0,3 % hmot.

a dále oxid zirkoničitý Zr0₂ a oxid yttritý Υ₂0θ v množství 8 až 40 % hmot, a/nebo oxid hlinitý Al₂0₃ v množství O,4 až 10 % hmot.

2. Povrchové bioaktivni skalně krystalický materiál podle bodu 1, vyznačující oe tím, žo obsah oxidu eodného Na₂0,’ jakož i oxidu draselného K₂0, nepřesahuje 0,3 % hmot, a obsah oxidu želszitého FegOg nepřesahuje 0,05 % hmot.