DD246288B1

DD246288B1 - Glaskristallines bioaktives material und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DD246288B1
Application number: DD28238085A
Authority: DD
Inventors: Georg Berger; Andrea Spitzer; Renate Sauer; Gabriele Steinborn; Peter-Olaf Kunth; Steffen Koehler; Volker Thieme; Herbert Hofmann; Jutta Radestock
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1985-11-01
Filing date: 1985-11-01
Publication date: 1988-12-07
Also published as: DD246288A1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft bioaktive Glaskeramiken, die nach dem Umformgebungsprozeß, nach in der Glasbranche herkömmlicher Enformgebung oder nach maschineller Bearbeitung direkt und/oder als Komposit- bzw. Verbundmaterial für prothetische Zwecke angewendet werden können.

Charakterisierung der bekannten technischen Lösungen

Es gilt allgemein als gesichert, daß die Synthetisierung der Mineralphase des Knochens durch glasige bzw. glaskristalline Materialien erfolgen kann, sofern genügend hohe Anteile an Caiciumorthophosphat-Strukturelememen in dem Material vorhanden sind, die letztlich die notwendige Voraussetzung für eine direkte Verbindung zwischen dem Knochen und dem Knochensubstitut schaffen.

Zur Erzielung höherer mechanischer Festigkeiten von aus solchen Materialien geformten Implantatkörpern wurde vorwiegend auf glaskristalline Materialien zurückgegriffen und unter diesem Aspekt der klinischen Anwendung traten die bioaktiven Gläser in den Hintergrund.

Während Glaskeramiken, die lediglich Hydroxylapatit als ausschließliche Hauptkristallphase aufweisen (DE-AS 2.326.100; DE-AS 2.349.859; DE-OS 2.606.540), eine gegenüber den Gläsern zwar verbesserte Festigkeit besitzen, werden höhere Festigkeiten in der Regel durch die kombinierte Ausscheidung mit weiteren (nicht bioaktiven) Kristallphasen erzielt.

Eine Reihe von Patentschriften beschreibt die Erzeugung von Glaskeramiken bzw. daraus hergestellten Formkörpern, die neben apatitischen Phasen auch wollastonitische als Hauptkristallphasenbestandteil enthalten (JP-PS 57/191.252; DD-PS CO3C/ 255974/3; DE-OS 3305572).

Diese Materialien besitzen den Nachteil, daß infolge der Ausbildung von breiten Reaktionszonen zwischen Implantatwerkstoff und dem Knochen ihre Anwendungsbreite eingeschränkt ist und sie sich z. B. zur dünnen Beschichtung durch Flammenspritzen etc. nur bedingt eignen.

Auch treten hier komplizierte Wechselwirkungen bei der Gefügeausbildung zwischen der apatitischen, der wollastonitischen und der Restglasphase auf, so daß zur Erhaltung optimaler Glaskeramiken für den Knochenersatz relativ enge Toleranzen bei der Herstellung sowohl im Hinblick auf die chemische Zusammensetzung als auch auf den Keramisierungsprozeß einzuhalten

Es wurde weiterhin vorgeschlagen, durch bestimmte Zusätze die Reaktionsschicht zu stabilisieren und durch eine weitere Kristallphase die mechanische Festigkeit zu erhöhen. Dabei sind jedoch im Material auch bestimmte Anteile an AI₂O₃ enthalten, von denen in jüngster Zeit berichtet wurde, daß daraus resultierende Nebenwirkungen (z. B. Osteomalazie usw.) unter dem Aspekt des Langzeiteinsatzes der bioaktiven Materialien nicht auszuschließen sind (Gross, Strunz: J. Biomedical Materials Research, Bd. 19/1985/264).

Der Nachteil eines erheblich hohen AI₂O3-Anteils trifft auch auf die maschinell bearbeitbare bioaktive Glaskeramik der DE-OS 3.306.648ZU, die Apatit und insbesondere Phlogopit als Hauptkristallphase enthält. Von anderen AI₂O₃-freien Glaskeramiken

(z. B. DE-OS 2.2208.236; US-PS 3.839.056; DE-OS 2.432.662) ist nichts über bioaktive Eigenschaften bekannt, vielmehr stehen dort werkstofftechnische Eigenschaften im Vordergrund.

Ziel der Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung, die nachteiligen Eigenschaften von AI₂O₃ bei bioaktiven Glaskeramiken auszuschalten, unter Beibehaltung bisher erreichter günstiger Eigenschaften.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues glaskristallines bioaktives Material vom CaO-P₂Os-SiO₂-TyP zu entwickeln, das infolge der Kombination der chemischen Bestandteile und der auftretenden Kristallphasen die erwünschten Eigenschaften aufweist, sowie dazu ein entsprechendes Herstellungsverfahren bereitzustellen.

Erfindungsgemäß weist das glaskristalline bioaktive Material neben einer apatitischen Kristallphase eine amphibolische und/ oder glimmerartige Kristallphase auf, wobei diese Phasen die Hauptkristallphasen darstellen, und das Material enthält (in Ma.-% und auf Oxidbasis berechnet)

5 bis 45CaO 4 bis 34P₂O₅

4 bis 24MgO 0,5 bis 12 F"

5 bis 22 Me₂ ¹O 16bis68Me^lv0₂.

Me' bedeutet darin Kalium oder Natrium, wobei der K₂O-Gehalt zwischen 5 und 17 liegt und der Na₂O-Gehalt zwischen 0 und

Me'^v bedeutet Silicium oder Zirkonium, wobei der SiO₂-Gehalt zwischen 16 und 60 und der ZrO₂-Gehalt zwischen 0 und 8 Ma.-% liegt.

Vorzugsweise können als Hauptkristallphasen die apatitische und amphibolische, die apatitische und glimmerartige oder die apatitische und amphibolische und glimmerartige Phase auftreten. Hierdurch und in Kombination mit den entsprechenden chemischen Bestandteilen sind die werkstofftechnischen und Bioeigenschaften des Materials, d.h. hydrolytische Beständigkeit, direkter Verbund mit dem lebenden Knochen, hoher Knochenkontaktgrad und maschinelle Bearbeitbarkeit in einem weiten Rahmen steuerbar. Man erhält mit diesem Material einen Knochenersatz, dessen nach der Implantation gebildete

Korrosionsschicht an der Oberfläche des Implantates wie körpereigenes Hartgewebe behandelt wird und bei dem aus der Reaktionszone keine Stoffe hervortreten können, die zu mindermineralisiertem Knochen führen oder anderweitige nachteilige Reaktionen induzieren

Die bevorzugten Bereiche für die chemischen Bestandteile des erfindungsgemäßen glaskristallinen bioaktiven Materials liegen

CaO zwischeniO und 30,insbesondere 10 und 25,

P₂O₅	zwischen	4	0,	5	und	30, insbesondere	4	und	20
MgO	zwischen	8			und	22, insbesondere	12	und	20
F~	zwischen	0,		1	und	8, insbesondere	0,5	und	5
K₂O	zwischen	7		und	15, insbesondere	7	und	12
Na₂O zwischen	0,	1	und	8, insbesondere	1	und	5
SiO₂	zwischen 16	und	50, insbesondere	20	und	47
ZrO₂	zwischen	und	5, insbesondere	0,5	und	5

die Angaben erfolgten in Ma.-%.

Wie bereits ausgeführt, enthält das glaskristalline bioaktive Material bestimmte Hauptkristallphasen. Das schließt nicht aus, daß weitere Nebenkristallphasen enthalten sind, die jedoch auf die erwünschten Wirkungen keinen oder nur unwesentlichen Einfluß ausüben.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Herstellungsverfahren des glaskristallinen bioaktiven Materials durch Aufbereiten eines erfindungsgemäßen Gemenges, bestehend aus (in Ma.-% auf Oxidbasis berechnet)

5 bis 45 CaO 4 bis 34 P₂O₅

4 bis 24 MgO 0,5bis12F~

5 bis 22 Me₂O 16bis68Me^lv0₂,

worin Me¹ Kalium oder Natrium bedeutet und der K₂O-Gehalt zwischen 5 und 17 und der Na₂O-Gehalt zwischen 0 und 10 liegt, und worin Me'^v Silicium oder Zirkonium bedeutet, und der SiO₂-Gehalt zwischen 16 und 60 und der ZrO₂-Gehalt zwischen 0 und 8 liegt (alle Angaben sind in Ma.-%),

Schmelzen des Gemenges bei 1300 bis 1 580⁰C, Formen des geschmolzenen Gemisches und Abkühlen unter Spontankristallisation oder Abkühlen des ausgeformten Glasformkörpers auf eine Temperatur unter dem Erweichungspunkt und anschließendes Tempern.

Das Tempern kann erfindungsgemäß bei einer Temperatur bis maximal 1 000⁰C erfolgen, wobei gegebenenfalls auch Temperatur-Haltestufen zwischengeschaltet sein können.

Die Zeitdauer etwaiger Haltestufen sollte mindestens 5 Minuten betragen, jedoch erfahrungsgemäß unter 24 Stunden. Nach Erreichen der Endtemperatur im Falle von 1000°C kann diese Temperatur ebenfalls bis 24 Stunden gehalten werden. Danach tritt keine merkliche Änderung des Gefügeaufbaus mehr ein.

Das Tempern kann aber auch erfindungsgemäß bei einer Temperatur bis maximal 1 200⁰C erfolgen. Auch hier können Haitestufen von 5 Minuten bis 24 Stunden eingeschaltet werden. Nach Erreichen der Endtemperatur von maximal 1 200⁰C kann diese Temperatur sinvollerweise bis 5 Stunden gehalten werden, da längeres Halten bei dieser Temperatur keine die Eigenschaften des Materials wesentlich beeinflussende Wirkung erzielt.

Durch die erfindungsgemäße Wahl der Temperbedingungen ist u. a. der Anteil von wenigstens zwei Kristallphasen im erwünschten Maße variierbar.

Unter dem hier verwendeten Begriff „Bioaktivität" wird die Fähigkeit des Implantatmaterials verstanden, mit dem Knochen einen direkten, bindegewebsfreien Verbund einzugehen.

Die Verwendung des glaskristallinen bioaktiven Materials kann in erster Linie als Knochenersatz erfolgen, wobei es auch als Komposit- oder Verbundmaterial z. B. mit organischen Materialien wie beispielsweise dafür geeigneten Polyurethanen eingesetzt werden kann. Besonders vorteilhaft ist es, daß das erfindungsgemäße Material zum großen Teil mit normalen Werkzeugstählen maschinell bearbeitbar ist und daß die Möglichkeit der Abgabe von Aluminiumionen in das Körpergewebe völlig entfällt.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird durch folgende Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei sie jedoch nicht allein auf diese Beispiele beschränkt ist.

Es wird ein Gemenge entsprechend der in Tab. 1 angegebenen chemischen Zusammensetzung von glaskristallinen Endprodukten hergestellt. Dabei finden folgende Komponenten eine Verwendung:

Tricalciumphosphat, p.a.; 2h bei 1 300⁰C vorgeglüht

Siliciumdioxid (Weferlinger Quarzsand, gemahlen, opt. Qualität)

Natriumcarbonat, p.a.

Kaliumcarbonat, p.a.

Magnesiumoxid, p.a.; 2h bei 1 300⁰C geglüht

Magnesiumfluorid, rein

Calciumfluorid, rein

Zirkoniumoxid, rein.

Die in Tab. 1 enthaltenen Gehalte an Natrium- und Kaliumoxid werden mit Hilfe bekannter Umrechnungstabellen auf die entsprechenden Anteile in Carbonaten umgerechnet und als solche eingesetzt. Nach genügender Homogenisierung des Gemenges, z. B. mittels Kugelmühle, werden die Gemenge im Pt-Tiegel je nach Zusammensetzung bei einer Temperatur zwischen 1350⁰C und 1 550⁰C 3 bis 10 Stunden lang geschmolzen und anschließend zu Formkörpern verarbeitet oder in Wasser gefrittet. Das Gießen der Schmelze erfolgt in Stahlformen. Die Gußkörper werden in einem Kühlofen (600⁰C) auf Raumtemperatur abgekühlt. Daran schließt sich die Keramisierung an, die nach unterschiedlichen Temperatur-Zeit-Programmen erfolgt, wobei ein Teil der Ergebnisse für die Ausführungsbeispielzusammensetzungen nach Tab. 1 und Tab. dargestellt sind und zum Teil im folgenden einzeln erläutert werden.

Es ist ersichtlich, daß die Ausscheidung von apatitischen, amphibolischen und/oder glimmerartigen Kristallphasen und die damit verbundenen werkstofftechnischen und Bioeigenschaften der Materialien sowohl über die Zusammensetzung als auch über die Temperaturbehandlung steuerbar sind. In nahezu allen Proben treten neben den bekannten Hauptkristallphasen bekannte Nebenkristallphasen bzw. Fremdinterferenzen auf. Eine nennenswerte Beeinflussung der werkstofftechnischen und Bioeigenschaften der Materialien durch Nebenkristallphasen, z. B. durch Forsterit, ist nicht zu beobachten. Für die tierexperimentellen Untersuchungen wurden Probekörper verschiedener Abmessungen gefertigt. Teilweise wurde das kristalline Material mit normalen Werkzeugstählen maschinell bearbeitet. Für eine gesteuerte Kristallphasenausscheidung wurden folgende Temperprogramme benutzt:

TI: Aufheizen auf eine Endtemperatur von 1000⁰C und Einschalten von Haltestufen unterhalb der Endtemperatur. F2: Aufheizen auf eine Endtemperatur von 1100⁰C und Haltestufe bei 1100⁰C. T3: Aufheizen auf eine Endtemperatur von 1 200°C und Haltestufe bei 1 200⁰C.

Tabelle 1: Zusammensetzungen von Proben der Ausführungsbeispiele

Ausführungs- Gehalt in Ma.-%

beispiele CaO P₂O₅ SiO₂ K₂O MgO MgF₂

CaF₂

Na₂O

ZrO₂

1	9,75	8,25	37,02	13,96	11,95	18,47	—	0,60	0,0
1 a	9,75	8,25	37,02	13,96	11,95	14,47	4,0	0,60	0,0
2	14,63	12,37	32,66	12,22	10,46	16,16	—	0,90	0,60
2a	14,63	12,37	46,54	7,85	6,72	10,39	—	0,90	0,60
2b	14,63	12,37	32,66	12,22	10,46	15,00	1,16	0,90	0,60
3	17,07	14,43	37,63	9,16	7,84	12,12	—	1,05	0,70
4	19,51	16,49	28,72	10,47	8,96	13,85	—	1,20	0,80
4a	19,51	16,49	28,72	6,00	8,96	13,85	—	1,20	5,27
5	24,40	20,60	24,77	8,72	7,47	11,54	—	1,50	1,00
6	29,26	24,74	20,81	6,98	5,97	9,24	—	1,80	1,20

Tabelle 2: Eigenschaften von Proben der Ausführungsbeispiele

Ausf.-bsp.

Bioeigenschaften Biokompati- Bioaktivi-

bilität

¹¹

tät²

hydrolyt. Beständigkeit³¹

WBKImI.0,0InHCl)

Glas Vitrokeram(TI)

Temperprogram

3(0,666)	5(12,46)	T2
		T3
3(0,656)	5(12,27)	T2
3(0,616)	5(10,51)	T2
3(0,320)	3(0,55)	T1
		T2
3 (0,330)	3(0,54)	T1
3 (0,588)	5(9,81)	T1
		T2
3(0,516)	5(8,81)	T2
3(0,316)	3(0,45)	T2
n.b.	n.b.	T3
n.b.	n.b.	T3

1) Zelltoxikologische Untersuchungen u. Überprüfung in vitro 2I Knochenkontakt nach 3 Mon. Liegezeit 70 % 3) nach TGL 14809

Ausf.-

bsp. Kristallisationsprodukte

apatitische glimmerähnliche amphibol.Phasez. B. Orthosilicat

Phase Phase z. B. Kmg_X26 KNaCaMg₅Si₈O₂₂(OH) z. B. 2 MgO SiO₂

Si₃,₆₂₅O₁₀(OH)₂

1a

2a

2b 3

4a

Ausführungsbeispiel 1:

Ausführungsbeispiel 1 zeichnet sich durch einen relativ geringen Gemengeanteil an Tricalciumphosphat und einen relativ hohen Gehalt an Siliciumdioxid aus. Das geschmolzene Gemenge gibt ein klares Glas mit guter Wasserbeständigkeit (siehe Tabelle 2). Wird das Glas einer Wärmebehandlung nach T2 unterworfen, enthält das resultierende kristalline Produkt apatitische Kristallphasen neben einem geringen Anteil einer glimmerähnlichen Phase, die nicht texturierbar ist, sowie eine amphibolische Kristallphase. Bei einer Wärmebehandlung nach T3 nimmt der Anteil der glimmerartigen Phase stark zu und wird texturierbar. Der Anteil der amphibolischen Phase nimmt dagegen stark ab.

Bei einer Implantation der nach T2 kristallisierten Proben konnte nach dreimonatiger Liegedauer ein sehr hoher Knochenkontaktgrad ohne nennenswerte bindegewebige Abkapselungen gefunden werden.

Ausführungsbeispiel 2:

Mit zunehmendem Gehalt an Tricalciumphosphat nimmt die Glasigkeit der Schmelze ab. Die chemische Beständigkeit, sowie das Kristallisationsverhalten und die Bioeigenschaften entsprechen denen des Ausführungsbeispiels 1.

Eine nach T2 getemperte Glasprobe enthält apatitische und glimmerähnliche Phasen, wobei letztere wie in Ausführungsbeispiel 1 nicht texturierbar ist.

Durch eine Erhöhung des SiO₂-Gehaltes entsprechend Ausführungsbeispiel 2 b ist es möglich, die Wasserbeständigkeit des kristallinen Produktes von HK 5 auf HK3 zu verbessern. Nach einer Wärmebehandlung nach TI findet man neben der apatitischen Hauptkristallphase nur sehr geringe Mengen einer glimmerähnlichen Phase sowie geringe Mengen einer amphibolischen Phase.

Bei einer Temperaturbehandlung nach T2 tritt Apatit auf, neben einer ebenfalls erheblichen Menge einer texturierbaren glimmerähnlichen Phase, deren Interferenzen sich den Literaturwerten von KMg₃,₂₅Si3,6250io(OH)₂ nähern. Implantierte Proben zeigen nach dreimonatiger Liegezeit sehr guten Knochenkontakt.

Ausführungsbeispiel 3:

Ausführungsbeispiel 3 verhält sich hinsichtlich des Schmelz- u. Kristallisationsverhaltens, sowie hinsichtlich seiner Bioeigenschaften ähnlich wie Ausführungsbeispiel 2. In Proben, die nachTI wärmebehandelt werden, kann eine apatitische sowie eine amphibolische und glimmerähnliche Phase nachgewiesen werden. Bei einer Temperaturbehandlung nach T2 verschwindet der Anteil der amphibolischen Phase zu Gunsten der glimmerähniichen.

Ausführungsbeispiel 4:

Die Fähigkeit zur Glasbildung nimmt mit zunehmendem Anteil an Tricalciumphosphat weiterhin ab und man erhält in diesem Zusammensetzungsbereich ein bereits stark getrübtes Glas. Es kann eine leichte Verbesserung der Wasserbeständigkeit sowohl der glasigen als auch der entsprechenden kristallinen Produkte beobachtet werden. Als Kristallphase wurden Apatit (ca. 60%) sowie geringe Mengen der glimmerähnlichen Phase sowie Richterit und Forsterit gefunden. Zur Verbesserung der chemischen Beständigkeit dieser Variante, die sich durch ein extrem gutes bioaktives Verhalten in Folge des hohen Anteils an Apatit auszeichnet, wird ein weiteres Ausführungsbeispiel 4a mit einem erhöhten ZrO₂-Anteil untersucht. Hierbei wird eine beträchtliche Verbesserung der Wasserbeständigkeit insbesondere des kristallisierten Produktes erzielt, wobei eine grundsätzliche Veränderung hinsichtlich der ausgeschiedenen Kristallphasen nicht zu beobachten ist.

Claims

1. Glaskristallines bioaktives Material der chemischen Zusammensetzung (Massenanteile in %)

5 bis 45 CaO 4 bis 34 P₂O₅

4 bis 24 MgO 0,5 bis 12 F"

5 bis 22 Me₂O 16bis68Me^lv0₂,

worin Me' Kalium oder Natrium bedeutet und der K₂O-Gehalt zwischen 5 und 17 und der Na₂O-Gehalt zwischen O und 10 liegt, und worin Me'^vSilicium oder Zirkonium bedeutet, und der SiO₂-Gehalt zwischen 16 und 60 und der ZrO₂-Gehalt zwischen 0 und 8 liegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine apatitische und eine amphibolische oder eine apatitische, eine amphibolische und eine glimmerartige Phase als Hauptkristallphasen aufweist sowie weitere Phasen als Nebenkristallphasen gegebenenfalls vorhanden sind.

2. Glaskristallines Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptkristallphasen bei einer vorzugsweisen Materialzusammensetzung von (Massenanteile in %)

CaO 10 bis 30, insbesondere 10 bis P₂O₅ 4 bis 30, insbesondere 4 bis MgO 8 bis 22, insbesondere 12 bis F~ 0,5 bis 8, insbesondere 0,5 bis

K₂O 7 bis 15, insbesondere 7 bis

Na₂O 0,1 bis8, insbesondere 1 bis5

SiO₂ 16 bis 50, insbesondere 20 bis ZrO₂ 0,1 bis 5, insbesondere 0,5 bis

vorhanden sind.

3. Verfahren zur Herstellung eines glaskristallinen bioaktiven Materials der chemischen Zusammensetzung (Massenanteile in %)

5 bis 45 CaO 4 bis 34 P₂O₅

4 bis 24 MgO 0,5 bis 12 F-

5 bis 22 Me₂O 16bis68Me^lv0_2/

worin Me' Kalium oder Natrium bedeutet und der K₂O-Gehalt zwischen 5 und 17 und der Na₂O-Gehalt zwischen 0 und 10 liegt, und worin Me'^vSilicium oder Zirkonium bedeutet, und der SiO₂-Gehalt zwischen 16 und 60 und der ZrO₂-Gehalt zwischen 0 und 8 liegt, durch Erschmelzen eines Gemenges bei 1 300 bis 1 580⁰C, beliebiger Formgebung des Materials, Abkühlen und Tempern der ausgeformten Körper, dadurch gekennzeichnet, daß das Material nach dem Abkühlen unter den Erweichungspunkt bis zum Erreichen einer apatitischen und amphibolischen oder apatitischen, amphibolischen und glimmerartigen Phase bei einer Temperatur bis maximal 1 200⁰C unter Einschaltung von Haltestufen unterhalb oder bei der Maximaltemperatur getempert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Temperung bei einer Temperatur bis maximal 1 000°C durchführt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer eventueller Haltestufen mindestens 5 Minuten, maximal 24 Stunden beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Temperatur nach Erreichen der Höchsttemperatur bis zu 24 Stunden hält.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperzeit nach Erreichen der Höchsttemperatur bis zu 5 Stunden beträgt.

8. Verwendung des glaskristallinen bioaktiven Materials nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es für den alloplastischen Knochenersatz eingesetzt wird.

9. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es als Komposit- oder Verbundmaterial eingesetzt wird.