DD248351A1 - Glass-ceramic bioactive material - Google Patents
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Abstract
Erfindungsbetreff ist ein glaskeramisches bioaktives Material vom CaO-P2O5-SiO2-Typ mit Apatit-, Wollastonit- und Cristobalit-Kristallphase fuer den alloplastischen Knochenersatz. Erfindungsziel ist es, bei glaskeramischem bioaktivem Material vom CaO-P2O5-SiO2-Typ mit Apatit- und Wollastonit-Kristallphase zum alloplastischen Knochenersatz die chemische Bestaendigkeit, unter Beibehaltung bekannter Spitzenwerte der Bioaktivitaet und des bruchmechanischen Verhaltens, weiter zu verbessern. Erfindungsaufgabe ist die Veraenderung der chemischen Zusammensetzung und des Keramisierungsprozesses von glaskeramischem bioaktivem Material vom CaO-P2O5-SiO2-Typ mit Apatit- und Wollastonit-Kristallphase fuer den alloplastischen Knochenersatz im Hinblick auf das Herbeifuehren eines direkten bindegewebsfreien Knochenkontaktes nach Implantation, Verbesserung der hydrolytischen Bestaendigkeit und eine gleichzeitige Gefuegeausbildung im Formkoerper, die gute bruchmechanische Eigenschaften (hohe KIc-Werte) hervorbringt. Das erfindungsgemaesse Material ist gekennzeichnet durch einen Gehalt (auf Oxidbasis und in Ma.-% berechnet) 30 bis 50 CaO, 2 bis 20 P2O5, 27 bis 53 SiO2, 0,1 bis 4 Na2O, 0,1 bis 0,5 K2O, 0,1 bis 4 MgO, 0,1 bis 5,5 Al2O3, 0,1 bis 6 CaF2 und 0,1 bis 7,5 ZrO2, wobei die Summe von CaF2 und ZrO2 1 bis 10 Ma.-% und die Summe von Al2O3 und ZrO2 1 bis 8 Ma.-% betraegt. Das Herstellungsverfahren des Materials ist der Erfindungsbeschreibung zu entnehmen.The subject of the invention is a glass-ceramic bioactive material of the CaO-P2O5-SiO2 type with apatite, wollastonite and cristobalite crystal phase for alloplastic bone replacement. The object of the invention is to further improve the chemical stability of ceramic-active bioactive material of the CaO-P2O5-SiO2 type with apatite and wollastonite crystal phase for alloplastic bone replacement, while maintaining known peak bioactivity and fracture mechanical behavior. Object of the invention is the change in the chemical composition and the Keramisierungsprozesses of glass-ceramic bioactive material CaO-P2O5-SiO2-type with apatite and wollastonite crystal phase for alloplastic bone replacement with regard to the creation of a direct connective tissue bone contact after implantation, improvement of hydrolytic resistance and a simultaneous formation of the structure in the mold, which produces good fracture-mechanical properties (high KIC values). The material according to the invention is characterized by a content (calculated on an oxide basis and in% by mass) 30 to 50 CaO, 2 to 20 P2O5, 27 to 53 SiO2, 0.1 to 4 Na2O, 0.1 to 0.5 K2O, 0.1 to 4 MgO, 0.1 to 5.5 Al2O3, 0.1 to 6 CaF2 and 0.1 to 7.5 ZrO2, the sum of CaF2 and ZrO2 being 1 to 10 mass% and the sum of Al 2 O 3 and ZrO 2 are 1 to 8% by mass. The manufacturing process of the material is shown in the description of the invention.
Description
Die Erfindung betrifft glaskeramisches bioaktives Material vom CaO-P2O5-SiO2-TyP mit Apatit-, Wollastonit- und Cristobalit-Kristallphase für den alloplastischen Knochenersatz.The invention relates to glass-ceramic bioactive material of CaO-P 2 O 5 -SiO 2 -TyP with apatite, wollastonite and cristobalite crystal phase for the alloplastic bone substitute.
Dieses Material zeichnet sich durch verbesserte chemische Beständigkeit infolge der Stabilisierung und strukturellen Veränderung der für eine hohe Bioaktivität bisher als notwendig betrachtete oberflächliche Ca-/P-reiche Schicht mit hydroxylapatitähnlicher Struktur aus. Trotz dieser Stabilisierung der im Verlaufe des Korrosionsprozesses in vivo gebildeten Ca-/P-reichen Schicht wird eine ebenso gute Bioaktivität erreicht, wie es bei den bisher bekannten Lösungen der Fall war. Gleichzeitig erfolgt durch die entsprechenden Zusätze eine Änderung des Kristallisationsverhaltens. Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des glaskeramischen bioaktiven Materials wird ein Gefügeaufbau geschaffen, der durch das Vorhandensein, von Apatit-, Wollastonit- und Cristobalit-Kristallphasen gekennzeichnet ist. Dieser Gefügeaufbau wirkt sich.positiv auf das bruchmechanische Verhalten der entsprechenden Formkörper aus.This material is characterized by improved chemical resistance as a result of the stabilization and structural alteration of the superficial Ca / P-rich layer with hydroxylapatite-like structure which was hitherto considered necessary for high bioactivity. Despite this stabilization of the Ca / P-rich layer formed in vivo in the course of the corrosion process, an equally good bioactivity is achieved, as was the case with the previously known solutions. At the same time, the corresponding additives cause a change in the crystallization behavior. By means of a method according to the invention for producing the glass-ceramic bioactive material, a microstructure is created which is characterized by the presence of apatite, wollastonite and cristobalite crystal phases. This structural structure has a positive effect on the fracture-mechanical behavior of the corresponding shaped bodies.
Bisher sind bioaktive glaskristalline Materialien im wesentlichen aus folgender Patentliteratur bekannt:Heretofore, bioactive glass crystalline materials are essentially known from the following patent literature:
a) aufder Basis von Apatitkristallphase DE-AS 2.326.1 OOa) on the basis of apatite crystal phase DE-AS 2.326.1 OO
DE-AS 2.349.859 DE-OS 2.606.540DE-AS 2,349,859 DE-OS 2,606,540
b) aufder Basisvon Apatit-und Glimmerkristallphasen DE-OS 3.306.648b) on the basis of apatite and mica crystal phases DE-OS 3,306,648
c) aufderBasisvonApatit-undWollastonitkristallphase IP-Patent57/191.252c) based on apatite and wollastonite crystal phase IP patent 57 / 191,252
In der DE-AS 2.326.100 werden glaskeramische Materialien für prothetische Zwecke mit apatitischen Kristallphasen durch einen Bereich der chemischen Zusammensetzung in den Grenzen von (Ma.-%) 20-60SiO2, 5-40P2O6, 2,7-20Na20,0,4-20K2O 2,9-30MgO, 5-40 CaO und 0,05-3 F gekennzeichnet, wobei der Zusatz von Fluoriden bzw. Fluorionen abgebenden Verbindungen erfindungsgemäß zu einer vorteilhaften Ausbildung des Rekristallisationsprozesses, insbesondere hinsichtlich einer verbesserten Keimbildungsneige führt.In DE-AS 2,326,100 glass ceramic materials for prosthetic purposes with apatitic crystal phases through a range of chemical composition in the limits of (Ma .-%) 20-60SiO 2 , 5-40P 2 O 6 , 2.7-20Na 2 0.04-20K 2 O 2.9-30MgO, 5-40 CaO and 0.05-3 F, wherein the addition of fluoride or fluorine ion donating compounds according to the invention to an advantageous embodiment of the recrystallization process, in particular with respect to a improved nucleation tendency leads.
In der DE-AS 2.349.859 werden glaskeramische Materialien mit apatitischer Kristallphase innerhalb des in der DE-AS 2.326.100 beanspruchten Bereiches der chemischen Zusammensetzung durch einen zusätzlichen lonenaustauschprozeß in der oberflächennahen Schicht des Materials mit verbesserten mechanischen Eigenschaften {Festigkeitsverhalten) erhalten. Die DE-OS 2.606.540 beschreibt biologisch verträgliche Glaskeramiken für die Implantation mit apatitischer Kristallphase unter Zusatz von Fluoriden und seltenen Erdoxiden (Yttrium- bzw. Lanthanoxide), wobei bis zu drei mit dem natürlichen Hydroxylapatit isomorphe Kristallphasen, z. B. vom Typ fluorierter lanthanhaltiger Apatite, gebildet werden. Dem Zusatz der seltenen Erdoxide wird dabei eine die Bioverträglichkeit vorteilhaft beeinflussende Wirkung zugeschrieben.In DE-AS 2,349,859, glass ceramic materials with apatitic crystal phase are obtained within the range of the chemical composition claimed in DE-AS 2,326,100 by an additional ion exchange process in the near-surface layer of the material with improved mechanical properties {strength behavior). DE-OS 2,606,540 describes biocompatible glass ceramics for implantation with apatitic crystal phase with the addition of fluorides and rare earth oxides (yttrium or lanthanum oxides), wherein up to three isomorphic with the natural hydroxyapatite crystal phases, eg. B. of the type of fluorinated lanthanum Apatite be formed. The addition of the rare earth oxides is attributed to biocompatibility advantageous influencing effect.
Die unter a) angeführten Schriften berücksichtigen lediglich einen Stand der Technik, der ausschließlich auf apatitische Kristallphasen orientiert ist und noch nicht die Koexistenz weiterer Kristallphasen zur Festigkeitsverbesserung berücksichtigt, die dem glaskeramischen Formkörper neben der Bioaktivität weitere vorteilhafte Eigenschaften bietet, wie beispielsweise eine Bearbeitbarkeit im Falle der unter b) angeführten Schrift.The writings cited under a) take into account only one prior art, which is oriented exclusively on apatitic crystal phases and does not yet take into account the coexistence of further crystal phases for improving the strength, which offers the glass-ceramic molded body, in addition to the bioactivity, further advantageous properties, such as, for example, machinability under b) cited font.
In der DE-OS 3.306.648 werden maschinell bearbeitbare bioaktive Glaskeramiken auf derBasisvon Apatit- und Glimmerkristallen bzw. auf der Basis von Apatit-, Glimmer- und Anorthit-Kristallen vorgeschlagen. Derartige Glaskeramiken, die sowohl durch kontrollierte Abkühlung der Schmelze als auch durch thermische Nachbehandlung entstehen können, enthalten als Ausgangsmaterialien (in Ma.-%) 19-52SiO2,12-23AI2O3, 5-15MgO, 9-30CaO, 4-24P2O5, 0,5-7F" und 3-10R2O, wobei R2O gleich Summe aus 0-8Ma-% Na2O und 0-8Ma.-% K2O darstellt. Die vorteilhafte Eigenschaft einer Bearbeitbarkeit dieser bioaktiven Glaskeramiken (beispielsweise auch während der Operation) wird durch den Nachteil eines beachtlich hohen Gehalts an AI2O3-Zusatz von größer 10 Ma.-% gemindert. Durch WIHSMANN et al. (Wiss. Zeitschrift der Friedrich-Schiller-Universität) Jena, Math.-naturwiss. Reihe 32 (1983), (553 bis 569) wurde bekannt, daß hohe Gehalte an AI2OaIm Verlaufe von langen Liegezeiten in vivo zu einer separaten Al-reichen Schutzschicht führen, die die Bioaktivität einschränken und zu erheblich geringeren Knochenkontaktgraden führen. Ferner wurde bekannt, daß beim Einsatz von hohen Gehalten an AI2O3 besonders aus toxikologischer Sicht Aufmerksamkeit zu.widmen ist, da bereits sehr geringe Auslaugungen zu Schädigungen führen können, so daß die physiologische Varianz der lonenkonzentrationen im Blut bzw. der Körperflüssigkeit streng einzuhalten ist. (vgl. hierzu: RICKENBACHER und SCHLATTER, Naturwiss. 70 [1983], 303).In DE-OS 3,306,648, machinable bioactive glass-ceramics are proposed on the basis of apatite and mica crystals or on the basis of apatite, mica and anorthite crystals. Such glass-ceramics, which can be formed both by controlled cooling of the melt and by thermal aftertreatment, contain as starting materials (in% by mass) 19-52SiO 2 , 12-23Al 2 O 3 , 5-15MgO, 9-30CaO, 4- 24P 2 O 5 , 0.5-7F "and 3-10R 2 O, where R 2 O is equal to the sum of 0-8Ma% Na 2 O and 0-8Ma% K 2 O. The advantageous property of machinability of these bioactive glass-ceramics (for example also during the operation) is diminished by the disadvantage of a remarkably high content of Al 2 O 3 addition of more than 10 mass% By WIHSMANN et al. (Wiss. Journal of the Friedrich Schiller University) Jena , Math. Naturwiss Row 32 (1983), (553-569), it has become known that high levels of Al 2 Oa in the course of prolonged in-vivo lifetimes lead to a separate Al-rich protective layer which limits bioactivity and to significantly lower levels Furthermore, it has been known that when using high levels attention must be paid to AI 2 O 3, especially from a toxicological point of view, since even very small leaching can lead to damage, so that the physiological variance of the ion concentrations in the blood or body fluid must be strictly adhered to. (See: RICKENBACHER and SCHLATTER, Naturwiss 70 [1983], 303).
In dem IP-Patent 57/191.252 wird ein durch Sinterung und nachfolgende Kristallisation hergestelltes Implantatmaterial beansprucht, welches kristalline Phasen vom Typ des Hydroxylapatits zur biologischen Ankopplung und des Wollastonits zur Festigkeitssteigerung enthält und in Ma.-% aus 42 bis 53CaO, 22 bis 41 SiO2,10 bis 27P2O51 bis 7 MgO sowie kleiner 10Li-, Na-, K-, Sr-, B-, Al-, Ti-, Zr-, Nb- und Ta-oxide sowie CaF2 besteht. Diese vorgeschlagene Lösung besitzt den Nachteil, daß mit diesem Material nur bruchmechanische Eigenschaften (Kic-Wert von 0,79 MPa · m1/2) Eigenschaften erzielt werden können, die lediglich eine geringfügige Verbesserung gegenüber den Werten der Ausgangsgläser darstellen (vgl. KOKUBO, Vortrag, Int. Congress of Glass, Hamburg, BRD, 1983). Als Ursache hierfür könnte der erhöhte MgO-Anteil angesehen werden, da entweder die Restglasphase den MgO-Anteil aufnehmen muß oder aber — was in dem Fall eines hohen MgO-Gehaltes wahrscheinlich ist — es treten weitere MgO-haltige Kristallphasen hinzu. Darüber hinaus ist bekannt, daß eine mit hohen MgO-Gehalten in Verbindung stehende erhöhte Freisetzung von Mg2+-lonen aus dem Implantatmaterial sich negativ auf den Mineralisationsprozeß des neugebildeten Knochens auswirkt. Ein weiterer Nachteil ist die eingeschränkte, chemische Beständigkeit.In the patent IP 57 / 191,252 an implant material prepared by sintering and subsequent crystallization is claimed, which contains crystalline phases of the type hydroxyapatite for biological coupling and wollastonite to increase the strength and in Ma .-% of 42 to 53CaO, 22 to 41 SiO 2 , 10 to 27P 2 O 5 1 to 7 MgO and smaller 10Li, Na, K, Sr, B, Al, Ti, Zr, Nb and Ta oxides and CaF 2 consists. This proposed solution has the disadvantage that with this material only fracture mechanical properties (K ic value of 0.79 MPa.m- 1/2 ) properties can be achieved, which represent only a slight improvement over the values of the starting glasses (see KOKUBO , Lecture, International Congress of Glass, Hamburg, FRG, 1983). The reason for this could be considered to be the increased MgO content, since either the residual glass phase must take up the MgO fraction or else, which is likely in the case of a high MgO content, additional MgO-containing crystal phases are added. In addition, it is known that increased release of Mg 2+ ions from the implant material associated with high MgO levels adversely affects the mineralization process of the newly formed bone. Another disadvantage is the limited chemical resistance.
Schließlich wird in der DD-Patentanmeldung WPC 03C/255974/3 ein glaskeramisches bioaktives Material vom CaO-P2O5-SiO2-Typ mit Apatit-und Wollastonit-Kristallphase für den Knochenersatz vorgeschlagen, das gekennzeichnet ist durch einen Gehalt (aus Oxidbasis und in Ma.-% berechnet) an 30-50CaO, 2 bis 20 P2O5,27-53SiO2,4,7 Nn20,0,2 Na2O und 0,95 MgO sowie 1-6CaF2, wobei das Masseverhältnis CaO:P2O5 zwischen 2 und 20 beträgt. Dieses Material wird auf glaskeramischem Wege erhalten. EsFinally, in the DD patent application WPC 03C / 255974/3, a glass-ceramic bioactive material of the CaO-P 2 O 5 -SiO 2 type with apatite and wollastonite crystal phase proposed for the bone substitute, which is characterized by a content (from oxide base and in Ma calculated .-%) of 30-50CaO, 2 to 20 P 2 O 5, 27-53SiO 2, 4,7 2 0,0,2 Nn Na 2 O and 0.95 MgO and 1-6CaF 2 wherein the mass ratio CaO: P 2 O 5 is between 2 and 20. This material is obtained by glass ceramic. It
— ύ- AtO ΟΌ I - ύ- AtO ΟΌ I
wird eine erhebliche Verbesserung der bruchmechanischen Eigenschaften (K^-Wert zwischen 1,8 und 2,6 MPa m1/2) in Verbindung mit der chemischen Beständigkeit von 1,4 bis 2,6ml 0,01 η HCI gemäß Standard TGL 14809 erzielt. Nach herkömmlichem Prinzip erscheint jedoch eine weitere Verbesserung der chemischen Beständigkeit nicht sinnvoll, da dies automatisch zur Einschränkung der Bioaktivität führt (die hydrolytische Beständigkeit und die Bioaktivität sind durch einen reziproken Verlauf gekennzeichnet).a significant improvement of the fracture mechanical properties (K ^ value between 1.8 and 2.6 MPa m 1/2 ) in combination with the chemical resistance of 1.4 to 2.6 ml 0.01 η HCl according to standard TGL 14809 achieved , According to the conventional principle, however, a further improvement of the chemical resistance does not make sense, since this automatically leads to a limitation of the bioactivity (the hydrolytic resistance and the bioactivity are characterized by a reciprocal course).
Es wäre jedoch vorteilhaft, eine neue Lösung zur Erhöhung der hydrolytischen Beständigkeit zu finden, die die Bioaktivität nicht einschränkt und somit zur Aufhebung der bestehenden Abhängigkeit des gegenläufigen Verhaltens zwischen Bioaktivität und hydrolytischer Beständigkeit führt.However, it would be advantageous to find a new solution for increasing hydrolytic stability which does not limit bioactivity and thus abolishes the existing dependence of the counteracting behavior between bioactivity and hydrolytic resistance.
Ziel der Erfindung ist es, bei glaskeramischem bioaktivem Material vom CaO-P2O5-SiO2-TyP mit Apatit- und Wollastonit-Kristallphase zum alloplastischen Knochenersatz die chemische Beständigkeit, unter Beibehaltung der bekannten Spitzenwerte für die Bioaktivität und hinsichtlich des bruchmechanischen Verhaltens, weiter zu verbessern.The aim of the invention is, in the case of glass-ceramic bioactive material of CaO-P 2 O 5 -SiO 2 -Typ with apatite and wollastonite crystal phase, for alloplastic bone replacement, the chemical resistance, while maintaining the known peak values for the bioactivity and with respect to the fracture mechanical behavior, continue to improve.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die chemische Zusammensetzung und den Keramisierungsprozeß von glaskeramischem bioaktivem Material vom CaO-P2O5-SiO2-TyP mit Apatit-und Wollastonit-Kristallphase für den Knochenersatz so zu verändern, daß die nach Implantation gebildete Korrosionsschicht an der Oberfläche des Implantats vom Organismus wie körpereigenes Hartgewebe behandelt wird, d. h. zu direktem bindegewebsfreiem Knochenkontaktführt, diese Schicht insgesamt die hydrolytische Beständigkeit verbessert und es gleichzeitig im Formkörper zu einer Gefügeausbildung kommt, die gute bruchmechanische Eigenschaften, gekennzeichnet durch hohe K|C-Werte, hervorbringt.The invention has for its object to change the chemical composition and the ceramization process of glass-ceramic bioactive material of CaO-P 2 O 5 -SiO 2 -Typ with apatite and wollastonite crystal phase for the bone substitute so that the corrosion layer formed after implantation the surface of the implant is treated by the organism as endogenous hard tissue, ie leads to direct connective tissue free bone contact, this layer overall improves the hydrolytic resistance and at the same time in the molding body to a microstructure, the good fracture mechanical properties, characterized by high K | C values, yields.
Es wurde ein glaskeramisches bioaktives Material vom CaO-P2O5-SiO2-TyP mit Apatit-, Wollastonit-und Cristobalit-Kristallphase für den alloplastischen Knochenersatz gefunden, bei dem im Verlaufe der Liegezeit in vivo eine besondere Reaktions-Korrosionszone gebildet wird und das eine Art des Gefügeaufbaus unter Einbeziehung von erheblichen Cristobalitanteilen ermöglicht, die zu guten bruchmechanischen Eigenschaften, gekennzeichnet durch hohe K|C-Werte, führen. Dieses Material ist dadurch gekennzeichnet, daß es aus (auf Oxidbasis berechnet)A glass-ceramic bioactive material of CaO-P 2 O 5 -SiO 2 -TyP with apatite, wollastonite and cristobalite crystal phase was found for the alloplastic bone substitute, in which a special reaction corrosion zone is formed in the course of the lying time in vivo, and which allows for a kind of microstructure including considerable cristobalite parts, which have good fracture mechanical properties, characterized by high K | C values, lead. This material is characterized by being (calculated on an oxide basis)
undand
besteht, wobei die Summe von CaF2 und ZrO21 bis 10Ma.-%und die Summe von AI2O3 und ZrO21 bis 8 Ma.-% beträgt, und folgende Eigenschaftsparameter aufweist:where the sum of CaF 2 and ZrO 2 is 1 to 10% by mass and the sum of Al 2 O 3 and ZrO 2 is 1 to 8% by mass, and has the following property parameters:
Bruchmechanische Eigenschaften:Fracture Mechanical Properties:
Kritischer Spannungsintensitätsfaktor(K|C) zwischen 1,6 und 2,6 MPn · m1/2 Critical Stress Intensity Factor (K | C ) between 1.6 and 2.6 MPn · m 1/2
Hydrolytische Beständigkeit (gemäß Standard TGL 14809:Hydrolytic resistance (according to standard TGL 14809:
0,15 bis 0,85 ml 0,01 η HCI0.15 to 0.85 ml 0.01 η HCl
Bioaktivität (ausgedrückt durch die Größe der nach einjähriger Liegezeit vorhandenen Kontaktfläche zwischen Knochen und Implantat in %):Bioactivity (expressed as the size of the bone-implant interface in% after one year of laytime):
bis 80%up to 80%
Biokompatibilität:biocompatibility:
— keine zelltoxischen Reaktionen in verschiedenen Zellkulturen,- no cytotoxic reactions in different cell cultures,
— nachweisbares entzündungsfreies Einwachsen im Hartgewebe.- Detectable inflammation-free ingrowth in the hard tissue.
Es wurde auch ein Verfahren zur Herstellung des glaskeramischen bioaktiven Materials gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man ein Gemenge entsprechend der oben genannten Zusammensetzung (auf Oxidbasis und in Ma.-% berechnet) zu einem Glas erschmilzt,There has also been found a process for producing the glass-ceramic bioactive material which comprises melting a mixture of the above-mentioned composition (calculated on the basis of oxide and calculated in terms of% by weight) into a glass,
— das schmelzflüssige Glas verformt oderfrittet und das geformte odergefrittete Glas- the molten glass deforms orfrittet and the molded or fritted glass
— einem Temperatur-Zeit-Programm- a temperature-time program
Aufheizen mit einer zwischen 0,1 und 10K- min"1 liegenden Geschwindigkeit auf eine zwischen 8500C und 1 050 °C liegende Temperatur und Beibehalten dieser Temperatur zwischen 10 Minuten und 48 Stunden und Abkühlen mit einer zwischen 1 und 2OK · min"1 liegenden Geschwindigkeit auf RaumtemperaturHeating at a speed between 0.1 and 10K min -1 to a temperature between 850 0 C and 1050 ° C and maintaining this temperature between 10 minutes and 48 hours and cooling at between 1 and 2OK min -1 lying speed to room temperature
unterwirft. . "subjects. , "
Das Material kann nach dem Schmelzen geformt werden, was dann der Fall sein wird, wenn es zur Verwendung als Implantatformkörper vorgesehen ist, öderes kann gefrittet werden, wenn es als Bestandteil zur Herstellung eines bioaktiven Verbundkörpers (Komposit bzw. Beschichtung) Verwendung finden soll. In jedem dieser beiden Fälle wird das Material vorteilhafterweise einem Temperatur-Zeit-Programm unterworfen, damit die auf diese Weise gewonnenen glasigen Produkte in glaskristalline übergeführt werden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen bioaktiven Glaskeramiken bildet das für diese Umwandlung gefundene Verfahren, da es als ein Ein-Stufen-Programm ausgebildet ist und es zum Zwecke der Keimbildung für den Kristallisationsprozesses keines zusätzlichen Haltens bei einer dafür typischen Temperatur bedarf. Dadurch kann der Keramisierungsprozeß ökonomischer gestaltet werden.The material may be molded after melting, as will be the case when it is intended for use as an implant molding, or it may be fritted if it is to be used as a component for producing a bioactive composite (composite or coating). In each of these two cases, the material is advantageously subjected to a temperature-time program in order to convert the glassy products thus obtained into glass-crystalline ones. A further advantage of the bioactive glass-ceramics according to the invention is the process found for this transformation, since it is designed as a one-step program and, for the purpose of nucleation, no additional holding at a typical temperature is required for the crystallization process. As a result, the ceramization process can be made more economical.
Es ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, daß durch die Senkung des Gehaltes an Nebenbestandteilen die entstehende Restglasphase stabilisiert wird. Die dabei entstehenden Nachteile einer geringeren Glasbildungsneigung konnten durch AI2O3 bzw. ZrO2-Zusätze ausgeglichen werden. Es wurde überraschenderweise gefunden, daß, wenn ein bestimmter Gehalt an AI2O3 und ZrO2 (Summe zwischen 1 und 8Ma.-%) eingehalten wird, es zur Ausbildung einer stabilisierten Ca-/P-reichen Reaktions-Korrosionszone an der Oberfläche des bioaktiven glaskeramischen Materials im Verlauf der Liegezeit in vivo kommt. Durch in vitro-Untersuchungen (AES-, IRRS-Messungen) konnte geklärt werden, daß im Gegensatz zu den bekannten Lösungen auch andere Oberflächenstruktureinheiten als die bisher bekannten hydroxylapatitähnlichen (OGINO und HENCH, J. Non-Cryst. Solids 38/39 [1980], 673) zur Bioaktivität, d.h. direktem Knochenkontakt führen können. Die Einschränkung hinsichtlich des Mengengehaltes dieser beiden Oxid-Zusätze ergibt sich dadurch, daß bei zu geringen Gehalten (kleiner 1 %) die chemische Beständigkeit nicht entscheidend erhöht wird, d.h. keine genügende Stabilisierung bewirkt wird. Eine Erhöhung der Gehalte über den Bereich von 8 Ma.-% ruft separate, vorgelagerte ZrO2- bzw. AI2O3-Schichten hervor, die die Bioaktivität des glaskeramischen Materials erheblich einschränken. In diesem Zusammenhang wurde ferner gefunden, daß ein Zusatz von AI2O3 von größer oder gleich 5,5Ma.-% neben geringen ZrO2-Zusätzen diesen Umschlag hervorruft, d.h. im Sinne der hydrolytischen Beständigkeit verbessernd wirkt, jedoch die Bioaktivität stark einschränkt. Der Mengenzusatz an ZrO2 ist mit maximal 7,5 Ma.-% neben geringen AI2O3-Gehalten zulässig, da es ansonsten zur Ausbildung eines Gefüges kommt, das die bruchmechanischen Eigenschaften deutlich verschlechtert. Des weiteren wurde gefunden, daß günstige bruchmechanische Eigenschaften im erfindungsgemäß vorgegebenen Zusammensetzungsbereich erzielt werden, wenn Cristobalit als weitere Kristallphase am Gefügeaufbau beteiligt ist (bis 15Ma.-%). Der günstige Gefügeaufbau wird unterstützt, indem die Na2O- und K2O-sowie MgO-Gehalte gering gehalten werden und die vorgegebenen oberen Grenzwerte nicht überschreiten. Das erfindungsgemäße glaskeramische bioaktive Material ist als Implantatmaterial für sich allein einsetzbar und als Verbundwerkstoff mit bioaktiven Polymeren und als Beschichtungsmaterial für Implantatmaterialien aus Metall, vorzugsweise aus Titan, Tantal und/oder aus Keramik, vorzugsweise aus AI2O3-Keramik, verwendbar.It is an essential feature of the invention that is stabilized by reducing the content of minor constituents, the resulting residual glass phase. The resulting disadvantages of a lower tendency to glass formation could be compensated by Al 2 O 3 or ZrO 2 additions. It has been surprisingly found that when a certain content of Al2O3 and ZrO2 (the sum between 1 and 8 mA .-%) is maintained it for forming a stabilized Ca / P-rich reaction corrosion zone at the surface of the bioactive glass-ceramic material comes in the course of lying time in vivo. By in vitro investigations (AES, IRRS measurements) it could be clarified that, in contrast to the known solutions, also other surface structural units than the previously known hydroxylapatite-like ones (OGINO and HENCH, J. Non-Cryst. Solids 38/39 [1980] , 673) can lead to bioactivity, ie direct bone contact. The limitation with respect to the amount content of these two oxide additives results from the fact that at too low levels (less than 1%), the chemical resistance is not significantly increased, ie, no sufficient stabilization is effected. An increase in contents over the range of 8% by mass causes separate, upstream ZrO 2 or Al 2 O 3 layers, which considerably limit the bioactivity of the glass-ceramic material. In this context, it was also found that an addition of Al 2 O 3 of greater than or equal to 5.5Ma .-% in addition to low ZrO 2 additions causes this envelope, ie improving in terms of hydrolytic resistance, but severely limits the bioactivity. The addition of ZrO 2 with a maximum of 7.5 wt .-% in addition to low Al 2 O 3 levels allowed, otherwise there is a formation of a structure that significantly deteriorates the fracture mechanical properties. Furthermore, it has been found that favorable fracture mechanical properties are achieved in the composition range prescribed according to the invention when cristobalite is involved in the structure of the structure as a further crystal phase (up to 15 mass%). The favorable structure of the structure is supported by keeping the Na 2 O and K 2 O and MgO contents low and not exceeding the specified upper limit values. The glass-ceramic bioactive material according to the invention can be used as an implant material by itself and can be used as a composite material with bioactive polymers and as a coating material for implant materials made of metal, preferably titanium, tantalum and / or ceramic, preferably of Al 2 O 3 ceramic.
Die Erfindung wird durch folgende Ausführungsbeispiele noch näher erläutert, wobei die Erfindung aber nicht auf diese Beispiele beschränkt ist.The invention will be explained in more detail by the following embodiments, but the invention is not limited to these examples.
Es wird ein Gemenge hergestellt gemäß einer Zusammensetzung It. Tabelle 1, wobei folgende Komponenten eingesetzt werden:A mixture is prepared according to a composition It. Table 1, wherein the following components are used:
Tricalciumphosphat, p.a., 2h bei 1 300°C geglühtTricalcium phosphate, p.a., annealed at 1 300 ° C for 2 h
Calciumcarbonat, schwer, p.a.,.zur SilicatanalyseCalcium carbonate, heavy, p.a., for silicate analysis
Siliciumdioxid (Weferlinger Quarzsand, gemahlen, opt. Qualität) 'Natriumcarbonat, p.a. wasserfreiSilica (Weferlinger quartz sand, ground, opt. Grade) 'Sodium carbonate, p.a. anhydrous
Kaliumcarbonat, p.a.Potassium carbonate, p.a.
Magnesiumoxid, p.a., 2h bei 1300°C geglühtMagnesium oxide, p.a., annealed at 1300 ° C for 2h
Calciumfluorid, p.a.Calcium fluoride, p.a.
Zirkoniumdioxid, reinZirconia, pure
Die jeweils benötigten Mengen sind mit Hilfe bekannter Umrechnungstabellen zu errechnen, wobei zu bemerken ist, daß alle in Tabelle 1 angegebenen P2O5-Gehalte in Form von Tricalciumphosphat in die Gemenge eingebracht werden. Der jeweils verbleibende Rest an CaO wird als CaCO3 eingesetzt.The quantities required in each case are to be calculated by means of known conversion tables, it being noted that all the P 2 O 5 contents indicated in Table 1 are introduced into the mixture in the form of tricalcium phosphate. The remaining remainder of CaO is used as CaCO 3 .
Nach geeigneter Homogenisierung des Gemenges, z.B. mit einer Kugelmühle, werden die Gemenge in Platintiegeln erschmolzen, und zwar 5 h bei 1 55O0C. Die Schmelzen werden sodann entweder zu Platten vergossen oder in Wasser gefrittet. Das Gießen der Schmelzen erfolgt in Stahlformen. Die Gußkörper werden in einem Kühlofen bei 700°C gelegt und darin auf Raumtemperaturabgekühlt, um darauf auf die ungefähren Dimensionen von 90 χ 40 χ 5mm zurechtgesägt bzw. geschliffen zu werden. Daran schließt sich die Keramisierung an, die nach folgendem Temperatur-Zeit-Programm erfolgt:After suitable homogenization of the mixture, for example with a ball mill, the mixture is melted in platinum crucible, namely 5 h at 1 55O 0 C. The melts are then either cast into plates or fritted in water. The casting of the melts takes place in steel molds. The castings are placed in a cooling oven at 700 ° C and cooled to room temperature therein to be sawn or ground thereon to the approximate dimensions of 90 χ 40 χ 5mm. This is followed by ceramization, which is carried out according to the following temperature-time program:
Aufheizen mit 1 K · min"1 bis 92O0CHeating with 1 K · min " 1 to 92O 0 C
Halten bei 9200Cfür 24hHold at 920 0 C for 24h
Abkühlen im Ofen bis Raumtemperatur.Cool in the oven to room temperature.
Die Messung der Rißwachstumskurve zur Bestimmung des K|C-Wertes erfolgt an den vorgenannten Platten. Zur genauen Dimensionierung werden diese auf einer Naßschleifscheibe, zuletzt mit der SiC-Körnung F28 (20-28μ,ίτι, TGL 29-804), nachgeschliffen. Die an diesen Proben erhaltenen Ergebnisse sind der Tabelle 2 zu entnehmen. Sie weisen aus, daßThe measurement of the crack growth curve for the determination of K | C value takes place on the aforementioned plates. For exact sizing, they are reground on a wet grinding wheel, last with the SiC grain size F28 (20-28μ, ίτι, TGL 29-804). The results obtained on these samples are shown in Table 2. They indicate that
— die Biokompatibilität durchweg ausgzeichnet ist,- that biocompatibility is consistently excellent,
— die Bioaktivität gut bis sehr gut einzustufen ist,- the bioactivity is good to very good,
— die hydrolytische Beständigkeit in den Klassen 2 bis 3 liegt und- the hydrolytic resistance is in classes 2 to 3 and
— die bruchmechanischen Eigenschaften zwischen den Werten 1,6 und 2,59MPa · m1'2 liegen.- the fracture mechanical properties are between 1.6 and 2.59MPa · m 1 ' 2 .
Tabelle 1: Zusammensetzungen von Proben der AusführungsbeispieleTable 1: Compositions of samples of the embodiments
Ausführungs- BeispielExecution example
CaOCaO
P2O5 P 2 O 5
SiO2 SiO 2
Na2ONa 2 O
K2O MgOK 2 O MgO
AI2O3 Al 2 O 3
CaF2 CaF 2
ZrO2 ZrO 2
31,031.0
32,532.5
33,033.0
31,031.0
33,5533.55
30,030.0
31,5831.58
30,9830.98
30,3830.38
10,810.8
11,411.4
11,011.0
11,011.0
11,4511,45
12,012.0
11,0911.09
10,8710.87
10,6710.67
43,8543.85
44,9544,95
42,5542.55
45,4545.45
42,442.4
46,4546.45
44,0344,03
43,7843.78
42,9842,98
3,5 3,5 3,5 1,5 2,5 0,1 4,3 3,5 3,23.5 3.5 3.5 1.5 2.5 0.1 4.3 3.5 3.2
0,150.15
0,150.15
0,150.15
0,150.15
0,10.1
0,15.0.15.
0,150.15
0,10.1
0,120.12
0,1 0,1 2,0 5,0 1,0 0,5 1,0 3,0 5,10.1 0.1 2.0 5.0 1.0 0.5 1.0 3.0 5.1
Tabelle 2: Eigenschaften von Proben der AusführungsbeispieleTable 2: Properties of samples of the embodiments
1 nach TGL 148091 according to TGL 14809
2 Zelltoxikologische Untersuchungen und Überprüfung in vitro2 Cell-toxicological tests and in vitro testing
3 > 50bis70%(+ + )und70%(+ ++) nach 20 Wochen Liegezeit; n.b. — nicht bestimmt3> 50 to 70% (+ +) and 70% (+ ++) after 20 weeks of laytime; n.d. - not determined
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- 1984-09-14 DD DD26730284A patent/DD248351B5/en active IP Right Maintenance
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