DE10141117A1 - Antimikrobielles Silicatglas und dessen Verwendung - Google Patents

Antimikrobielles Silicatglas und dessen Verwendung

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein antimikrobielles Silicatglas mit nachfolgender Zusammensetzung in Gew.-% auf Oxidbasis: DOLLAR A SiO¶2¶ 20 bis 70 DOLLAR A Na¶2¶O 5 bis 30 DOLLAR A K¶2¶O 0 bis 5 DOLLAR A P¶2¶O¶5¶ 1 bis 15 DOLLAR A B¶2¶O¶3¶ 0 bis 10 DOLLAR A CaO 4 bis 30 DOLLAR A AgO 0 bis 2 DOLLAR A ZnO 0 bis 8 DOLLAR A CuO 0 bis 5 DOLLAR A MgO 0 bis 8 DOLLAR A Al¶2¶O¶3¶ 0 bis 7 DOLLAR A CeO¶2¶ 0 bis 5 DOLLAR A Fe¶2¶O¶3¶ o bis 2 DOLLAR A wobei die Summe der Komponenten AgO, ZnO, CuO, CeO¶2¶ > 10 ppm, bevorzugt >= 100 ppm und < 8 Gew.-% ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein antimikrobielles Silicatglas sowie ein Glaspulver umfassend ein derartiges Silicatglas.
  • Antimikrobiell wirkende Silicatgläser sind aus einer Vielzahl von Schriften bekanntgeworden.
  • So werden in der US 5,290,544 wasserlösliche Gläser für die Anwendungen in kosmetischen Produkten mit sehr geringen SiO2 und sehr hohen B2O3 bzw. hohen P2O5-Gehalten beschrieben. Die Gläser weisen Silberkonzentrationen größer 0,5 Gew.-% auf. Diese Gläser besitzen eine extrem niedrige hydrolytische Beständigkeit und neigen dazu, sich in Wasser komplett aufzulösen. Die hierbei freiwerdenden Ag- und/oder Cu-Ionen wirken antibakteriell. Auch in der JP-A-92178433 wird ein wasserlösliches Glaspulver mit SiO2 < 37 Gew.-% als Polymerzusatz mit hohen Silberkonzentrationen > 1 Gew.-% beschrieben.
  • In der US 6,143,318 werden silberhaltige Phosphatgläser beschrieben, die afs antimikrobielles Material für die Wundinfektionsbehandlung mit Kombinationen aus Cu, Ag und Zn verwendet werden. Hierbei handelt es sich ebenfalls um wasserlösliche Gläser, die niedrige SiO2 Konzentrationen und sehr hohe P2O5-Gehalte aufweisen.
  • Diese Gläser sind aufgrund ihrer niedrigen hydrolytischen Beständigkeit nur sehr beschränkt für eine Mahlung in wäßrigen Medien geeignet.
  • Silicatgläser ohne antibakterielle Wirkung werden beispielsweise in der DE 23 46 778 C2 beschrieben. Die DE 23 46 778 C2 zeigt ein Grundglas ohne AgO und CuO als Emailglas. In der DE 22 39 307 wird ein Ionenaustauschglas beschrieben, das kein AgO, ZnO, CuO und CeO2 enthält. Des weiteren zeigt die GB 1294337 eine ionenaustauschbare Glaskeramik, die ebenfalls kein AgO, ZnO, CuO und CeO2 enthält.
  • Antimikrobielle silberhaltige Borosilikatgläser bzw. Borophosphatgläser werden in den Schriften JP 10218637, JP 08245240, JP 07291654, JP 03146436, JP 2000264674, JP 2000203876 beschrieben. Diese Gläser weisen größtenteils eine gute hydrolytische Beständigkeit auf und können daher in wäßrigen Medien gemahlen werden.
  • Zeolithe, die Silber enthalten, das durch Ionenaustausch eingebracht wird, finden ebenfalls als antibakterielles Mittel Verwendung. Dies wird beispielsweise in der US 6,245,732 und WO 0038552 beschrieben.
  • Schwermetallfreie Gläser, bei denen eine antimikrobielle Wirkung nachgewiesen werden kann, sind in der DE 199 32 238 und der DE 199 32 239 beschrieben.
  • Nachteil der im Stand der Technik beschriebenen Gläser ist, daß viele der Substanzen unerwünschte Nebenwirkungen aufweisen und gesundheitlich nicht unbedenklich sind. Sie können allergieauslösend, hautreizend oder in anderer Form belastend für den menschlichen Körper oder die Umwelt sein.
  • Ein weiterer Nachteil ist, daß die aus dem Stand der Technik bekannten Gläser nur bedingt großtechnisch vorstellbar sind.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, Gläser bzw. Glaskeramiken bzw. Glaspulver anzugeben, die die Nachteile des Standes der Technik vermeiden.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Glas bzw. eine Glaskeramik gemäß einem der Ansprüche 1, 4 oder 5 gelöst.
  • Das erfindungsgemäße Silicatglas kann im großtechnischen Maßstab mit Standardverfahren hergestellt werden.
  • Die Gläser und Glaskeramiken gemäß der Erfindung können in Pulverform Produkten zugesetzt werden. Daher sind die Gläser vorteilhafterweise für Mahlungen in unterschiedlichen Mahlmedien, zum Beispiel Wasser, geeignet, d. h. das Glas weist eine hinreichende Wasserunlöslichkeit auf.
  • Das erfindungsgemäße Silicatglas bzw. die Silicatglaskeramik zeigt gegenüber Bakterien, Pilzen sowie Viren eine biozide bzw. eine biostatische Wirkung; ist im Kontakt mit dem Menschen hautverträglich, toxikologisch unbedenklich und insbesondere auch zum Verzehr geeignet.
  • Aufgrund der Anforderungen an die toxikologische Unbedenklichkeit des Silicatglases sowie deren Eignung zum Verzehr ist das erfindungsgemäße Glas bzw. die Glaskeramik besonders rein. Die Belastung durch Schwermetalle ist gering. So beträgt die Maximalkonzentration im Bereich kosmetischer Produkte vorzugsweise für Pb < 20 ppm, Cd < 5 ppm, As < 5 ppm, Sb < 10 ppm, Hg < 1 ppm, Ni < 10 ppm.
  • Mit den antimikrobiellen Substanzen kann eine Konservierung der Produkte selbst erzielt oder eine antimikrobielle Wirkung nach außen erreicht werden. Anwendungsbereiche hierfür sind zum Beispiel kosmetische Produkte, Deoprodukte, Lebensmittel, Farben, Lacke, Putze, Papierhygieneprodukte, Medizinprodukte und Reiniger.
  • Im kosmetischen Bereich spielen Hautirritationen eine wesentliche Rolle. Daher ist es vorteilhaft, wenn der antimikrobielle Glaszusatz besonders hautfreundlich ist.
  • Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Glases bzw. der Glaskeramik ist, daß das Glas bzw. die Glaskeramik aufgrund des Schmelz- und Heißformgebungsverhaltens geeignet ist, um in entsprechenden großtechnischen Anlagen hergestellt werden zu können.
  • Neben der Herstellung über ein Schmelzverfahren sind auch alternative Herstellungsverfahren über die Sol-Gel- oder Reaktionssinter-Route denkbar.
  • Die Aufgabe wird durch ein silberhaltiges Silicatglas gemäß dem Hauptanspruch gelöst.
  • Überraschenderweise ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung eine extrem starke antimikrobielle Wirkung des Glases aus einem synergistischen Effekt zwischen der antimikrobiellen Wirkung der Schwermetallionen Ag, Cu, Zn, Ce und der Wirkung durch den Ionenaustausch des Glases. Durch Reaktionen an der Oberfläche des Glases werden Alkalien des Glases durch H+-Ionen des wäßrigen Mediums ausgetauscht. Die antimikrobielle Wirkung des Ionenaustausches beruht unter anderem auf einer Erhöhung des pH-Wertes und dem osmotischen Effekt auf Mikroorganismen.
  • Ionenaustauschbare Gläser gemäß der Erfindung wirken in wäßrigen Medien antimikrobiell durch pH-Wert-Erhöhung durch Ionenaustausch zwischen Na bzw. Ca und den H+-Ionen der wäßrigen Lösung sowie durch ionenbedingte Beeinträchtigung des Zellwachstums (osmotischer Druck, Störung von Stoffwechselvorgängen der Zellen). Je nach Partikelgröße, Konzentration und der Zusammensetzung des Pulvers werden pH-Werte von bis zu 13 erreicht.
  • Das Glas enthält SiO2 als Netzwerkbildner, bevorzugt zwischen 35 bis 70 Gew.-%. Bei niedrigen Konzentrationen nimmt die hydrolytische Beständigkeit stark ab, so daß das Mahlen in wäßrigen Medien nicht mehr ohne signifikante Auflösung des Glases gewährleistet ist. Bei höheren Werten kann die Kristallisationsstabilität abnehmen und die Verarbeitungstemperatur wird deutlich erhöht, so daß sich die Schmelz- und Heißformgebungseigenschaften verschlechtern.
  • Na2O wird als Flußmittel beim Schmelzen des Glases eingesetzt. Bei Konzentrationen kleiner 5% wird das Schmelzverhalten negativ beeinflußt. Außerdem wirkt der notwendige Mechanismus des Ionenaustausches nicht mehr hinreichend, um eine antibakterielle Wirkung zu erzielen. Bei höheren Na2O-Konzentrationen als 30 Gew.-% ist eine Verschlechterung der chemischen Resistenz bzw. hydrolytischen Beständigkeit, insbesondere in Verbindung einer Abnahme des SiO2-Anteils, zu beobachten.
  • P2O5 ist ein Netzwerkbildner und kann die Kristallisationsstabilität erhöhen. Die Konzentrationen sollten nicht oberhalb von 15 Gew.-% liegen, da ansonsten die chemische Beständigkeit des Silicatglases zu stark abnimmt. P2O5 verbessert die Oberflächenreaktivität der Gläser.
  • CaO verbessert die chemische Beständigkeit, insbesondere im leicht alkalischen Bereich und ist daher notwendig, um eine Auflösung des Glases in wäßrigen Medien zu verhindern.
  • K2O-Zugaben begünstigen die Austauschbarkeit des Natriums bzw. Kalium kann selber gegen H+-Ionen ausgetauscht werden.
  • Die Menge an Al2O3 kann zur Erhöhung der chemischen Beständigkeit der Kristallisationsstabilität bis zu maximal 8 Gew.-% hinzugegeben werden.
  • ZnO ist eine wesentliche Komponente für die Heißformgebungseigenschaften des Glases. Es verbessert die Kristallisationsstabilität und erhöht die Oberflächenspannung. Außerdem kann es den antimikrobiellen Effekt unterstützen. Bei geringen SiO2-Gehalten erhöht es die Kristallisationsstabilität. Zur Erzielung einer antimikrobiellen Wirkung können bis zu 8 Gew.-% ZnO enthalten sein. Eine bevorzugte Ausführung enthält < 4 Gew.- % ZnO oder < 2 Gew.-%. Ausführungen mit < 1 Gew.-% oder 0,5 Gew.-% bzw. < 0,1 Gew.-% sind besonders bevorzugt.
  • AgO, CuO, CeO2 sind antimikrobiell wirkende Zusätze, die synergistisch die intrinsische antimikrobielle Wirkung des Grundglases verstärken, so daß verhältnismäßig geringe Konzentrationen zugesetzt werden müssen.
  • Um die gewünschte antimikrobielle Wirkung zu erzielen, enthält das Glas vorzugsweise < 2 Gew.-% oder 1 Gew.-% AgO, CuO, CeO2. Eine bevorzugte Ausführung enthält < 0,5 Gew.-% oder 0,2 Gew.-% AgO, CuO, CeO2. Eine besonders bevorzugte Ausführung enthält Gehalte von < 0,1 oder 0,01 AgO, CuO, CeO2 wobei die untere wirksame Menge 0,001 Gew.- % AgO, CuO, CeO2 beträgt.
  • Die Summe der Gehalte von AgO, ZnO, CuO und CeO2 liegt < 8 Gew.-% oder 5 Gew.-%. In einer bevorzugten Ausführung beträgt die Menge < 2 Gew.-% oder 1 Gew.-%. Eine bevorzugte Ausführung enthält Mengen von < 0,5 oder 2 Gew.-%. Eine besonders bevorzugte Ausführung enthält Gehalte von < 0,1, 0,05 oder 0,01 Gew.-%, wobei als untere wirksame Menge vorzugsweise 0,001 Gew.-% verwendet wird.
  • Die Summe der Gehalte von AgO, CuO, ZnO und CeO2 in Gläsern, die mehr als eine dieser Komponenten enthalten, liegt aufgrund synergistischer Effekte jeweils unterhalb den zugesetzten Mengen in Gläsern, die jeweils nur eine dieser Oxidkomponenten enthalten.
  • Das erfindungsgemäße Glas ruft keine hautirritierenden Wirkungen hervor. Teilweise sind hingegen sogar entzündungshemmende Wirkungen zu beobachten.
  • Durch eine Kombination der pH-Wirkung und der Ag-Abgabe kann eine erheblichen Steigerung der antimikrobiellen Wirkung erzielt werden, die über die Summe der Einzelwirkungen deutlich hinausgeht. Die in das Produkt freigesetzte Konzentration von Ag-Ionen kann hierbei deutlich unter 1 ppm liegen.
  • Die Einbringung des Ag kann hierbei entweder bereits bei der Schmelze durch entsprechende Silbersalze erfolgen oder aber durch Ionenaustausch des Glases nach der Schmelze.
  • Zur Erzielung von Farbwirkungen können den Gläsern einzelne oder auch mehrere farbgebende Komponenten wie z. B. Fe2O3, CoO, CuO, V2O5, Cr2O5 in einer Gesamtkonzentration kleiner 4 Gew.-%, vorzugsweise kleiner 1 Gew.-% zugesetzt werden.
  • Die innerhalb des beanspruchten Zusammensetzungsbereiches liegenden Gläser erfüllen alle Anforderungen bezüglich eines Einsatzes in den Bereichen Papierhygiene, Kosmetik, Farben, Lacken, Putzen, Medizinprodukten, kosmetischen Anwendungen, Nahrungsmittelzusatz sowie Verwendung in Deoprodukten.
  • Das Glas kann als Glaspulver eingesetzt werden, wobei durch einen Mahlprozeß Partikelgrößen < 100 µm erhalten werden. Als zweckmäßig haben sich Partikelgrößen < 50 µm bzw. < 20 µm erwiesen. Besonders geeignet sind Partikelgrößen < 10 µm sowie kleiner 5 µm. Als ganz besonders geeignet haben sich Partikelgrößen < 1 µm herausgestellt.
  • Der Mahlprozeß kann sowohl trocken als auch mit wäßrigen und nicht- wäßrigen Mahlmedien durchgeführt werden.
  • Wesentliche Eigenschaft, auch des Glaspulvers, ist die überraschenderweise nachgewiesene Hautverträglichkeit, die auch bei hohen Konzentrationen mit hohen pH-Werten gegeben ist.
  • Das Glas kann in jeder geeigneten Form einschließlich der genannten Pulverform eingesetzt werden. Mischungen unterschiedlicher Glaspulver aus dem Zusammensetzungsbereich mit unterschiedlichen Zusammensetzungen sind ebenfalls möglich. Die Mischung mit anderen Glaspulvern ist ebenfalls möglich, um bestimmte Effekte zu kombinieren.
  • Komponenten wie Fluor können je nach Anwendungsgebiet dem Glas bis zu Konzentrationen von in Summe 5 Gew.-% zugesetzt werden.
  • Die Gesamt-Metallionenabgabe der Gläser zur Erzielung hinreichender biozider bzw. konservierender Wirkungen in einem Produkt kann aufgrund des synergistischen Effektes < 50 ppm, 10 ppm sein, eine bevorzugte Ausführung ergibt < 1 ppm, insbesondere < 100 ppb, für pH-Werte zwischen 9 bis 13 pH.
  • Das in dieser Erfindung beschriebene Glas ist nicht wasserlöslich, sondern wirkt in erster Linie durch Ionenaustausch bzw. Ionenabgabe, was mit einer Oberflächenreaktion, pH-Erhöhung und Metallionen-Freisetzung verbunden ist. Durch die synergistische antimikrobielle Wirkung des Glases selbst sowie die antimikrobielle Wirkung der Metallionen sind die benötigten Mengen an Metallionen geringer, um eine entsprechende Wirkung zu erzielen.
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele beschrieben werden.
    • Ausführungsbeispiele
  • Aus den Rohstoffen wurde das Glas in einem Platintiegel bei 1600°C erschmolzen und zu Halbzeug oder Ribbons verarbeitet. Die Ribbons wurden in einer Trommelmühle auf Korngrößen von bis zu 4 µm gemahlen. Korngrößen unter 4 µm wurden mit Attritormahlungen in wäßrigem oder nicht wäßrigem Medium erreicht. Tabelle 1 Zusammensetzungen von erfindungsgemäßen Gläsern

  • Für Ausführungsbeispiel 2 ergab sich folgende antimikrobielle Wirkung einer 0,1 Gew.-% wäßrigen Suspension eines Pulvers aus einem Glas nach Europ. Pharmakopoe (3. Auflage) gemäß Tabelle 2. Tabelle 2

  • Das Pulver selbst, umfassend ein Glas gemäß Ausführungsbeispiel 2 in nicht suspendierter Form, weist folgende antimikrobielle Wirkung nach Europ. Pharamkopoe (3. Auflage) gemäß Tabelle 3 auf. Tabelle 3

  • Die Silberkonzentration in wäßriger Suspension für ein Pulver, umfassend ein Glas gemäß Ausführungsbeispiel 2, zeigt Tabelle 4 nach verschiedenen Zeiten: Tabelle 4

  • Im Vergleich hierzu zeigt Tabelle 5 die Silberkonzentration in wäßriger Suspension eines Pulvers, umfassend ein Glas gemäß Ausführungsbeispiel 3, nach verschiedenen Zeiten. Tabelle 5

  • Wie aus den Tabellen 1 bis 5 hervorgeht, besitzen die erfindungsgemäßen Gläser eine antimikrobielle und konservierende sowie stark antimikrobielle Wirkung bei nur geringer Schwermetall-Freisetzung und eine geringe Toxizität.
  • Damit sind die Gläser hervorragend geeignet als antimikrobieller Zusatz für unterschiedlichste Anwendungen.

Claims (20)

1. Antimikrobielles Silicatglas mit nachfolgender Zusammensetzung in Gew.-% auf Oxidbasis:
SiO2 20 bis 70
Na2O 5 bis 30
K2O 0 bis 5
P2O5 1 bis 15
B2O3 0 bis 10
CaO 4 bis 30
AgO 0 bis 2
ZnO 0 bis 8
CuO 0 bis 5
MgO 0 bis 8
Al2O3 0 bis 7
CeO2 0 bis 5
Fe2O3 0 bis 2
wobei die Summe der Komponenten AgO, ZnO, CuO, CeO2 > 10 ppm, bevorzugt ≥ 100 ppm und < 8 Gew.-% ist.
2. Antimikrobielles Silicatglas gemäß Anspruch 1 mit nachfolgender Zusammensetzung in Gew.-% auf Oxidbasis:
SiO2 38 bis 65
Na2O 10 bis 30
P2O5 4 bis 15
B2O3 0 bis 3
CaO 10 bis 30
AgO 0 bis 1
ZnO 0 bis 4
CuO 0 bis 2
MgO 0 bis 8
CeO2 0 bis 2
wobei die Summe der Komponenten AgO, ZnO, CuO, CeO2 > 10 ppm, bevorzugt ≥ 100 ppm und < 5 Gew.-% ist.
3. Antimikrobielles Silicatglas gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2 mit nachfolgender Zusammensetzung in Gew.-% auf Oxidbasis:
SiO2 38 bis 65
Na2O 10 bis 30
P2O5 4 bis 15
CaO 10 bis 30
AgO 0,001 bis 1
ZnO 0 bis 4
CuO 0 bis 2
CeO2 0 bis 2
wobei die Summe der Komponenten AgO, ZnO, CuO, CeO2 > 10 ppm und < 3 Gew.-% ist.
4. Antimikrobielles Silicatglas mit nachfolgender Zusammensetzung in Gew.-% auf Oxidbasis:
SiO2 35 bis 40
Na2O 10 bis 30
P2O5 4 bis 15
CaO 10 bis 30
AgO 0 bis 1
ZnO 0 bis 4
CuO 0 bis 2
CeO2 0 bis 2
wobei die Summe der Komponenten AgO, ZnO, CuO, CeO2 > 10 ppm und < 5 Gew.-% ist.
5. Antimikrobielles Silicatglas mit nachfolgender Zusammensetzung in Gew.-% auf Oxidbasis:
SiO2 35 bis 40
Na2O 10 bis 30
P2O5 4 bis 15
CaO 10 bis 30
AgO 0,001 bis 1
ZnO 0 bis 4
CuO 0 bis 2
CeO2 0 bis 2
6. Antimikrobielles Glaspulver umfassend ein antimikrobielles Silicatglas gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Partikel des Glaspulvers < 100 µm, 50 µm, 20 µm, vorzugsweise < 5 µm, besonders bevorzugt < 2 µm ist.
7. Antimikrobielles Glaspulver nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Partikel mit einer Größe < 5 µm durch Attritor- Mahlung des Glases in Wasser erhalten werden können.
8. Verwendung eines antimikrobiellen Silicatglases oder eines Glaspulvers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in der Wundversorgung.
9. Verwendung eines antimikrobiellen Silicatglases oder eines Glaspulvers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in Kosmetikprodukten zur Konservierung.
10. Verwendung eines antimikrobiellen Silicatglases oder eines Glaspulvers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in Kosmetikprodukten zur Konservierung und zusätzlich zur Verhinderung von Körpergeruch.
11. Verwendung eines antimikrobiellen Silicatglases oder eines Glaspulvers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in Kosmetikprodukten zur Konservierung und zusätzlich verbunden mit einer entzündungshemmenden Wirkung.
12. Verwendung eines antimikrobiellen Silicatglases oder eines Glaspulvers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in Deoprodukten zur Konservierung.
13. Verwendung eines antimikrobiellen Silicatglases oder eines Glaspulvers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in Deoprodukten zur Konservierung und zusätzlich zur Verhinderung von Körpergeruch.
14. Verwendung eines antimikrobiellen Silicatglases oder eines Glaspulvers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in Deoprodukten zur Konservierung und zusätzlich verbunden mit einer entzündungshemmenden Wirkung.
15. Verwendung eines antimikrobiellen Silicatglases oder eines Glaspulvers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in Farben, Lacken und Putzen zur Konservierung.
16. Verwendung eines antimikrobiellen Silicatglases oder eines Glaspulvers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in Farben, Lacken und Putzen zur Konservierung, verbunden mit einer Film- Konservierung.
17. Verwendung eines antimikrobiellen Silicatglases oder eines Glaspulvers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in Produkten der Papierhygiene zur Vermeidung von Geruchsbildung.
18. Verwendung eines antimikrobiellen Silicatglases oder eines Glaspulvers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in Produkten der Papierhygiene zur Vermeidung von Entzündungen der Haut.
19. Verwendung eines antimikrobiellen Silicatglases oder eines Glaspulvers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in Nahrungsmitteln zur Konservierung.
20. Verwendung eines antimikrobiellen Silicatglases oder eines Glaspulvers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in Nahrungsmitteln zur Konservierung und Desinfektion.
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