DE19811900A1

DE19811900A1 - Biokompatibles Kompositmaterial

Info

Publication number: DE19811900A1
Application number: DE19811900A
Authority: DE
Inventors: Ingo Brasack; Horst Boettcher; Karl-Heinz Kallies
Original assignee: Feinchemie GmbH Sebnitz
Current assignee: Kallies Feinchemie AG
Priority date: 1998-03-18
Filing date: 1998-03-18
Publication date: 1999-09-23
Anticipated expiration: 2018-03-19
Also published as: DE19811900C2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein biokompatibles Kompositmaterial, bestehend aus einem Komposit, das ein anorganisches Gel und als bioaktive Komponenten ein oder mehrere homogen eingebettete Skleroproteine oder deren Hydrolyseprodukte und/oder Glycosaminoglycane enthält, und ein Verfahren zur dessen Herstellung. Das Kompositmaterial begünstigt die Abscheidung basischer Calciumphosphat-Phasen und ist als Werkstoff für den Knochen- oder Zahnersatz oder zur Beschichtung von Implantaten aus Metall, Keramik, Silicium oder Polymeren sowie zur Beschichtung textiler Gewebe geeignet.

Description

Die Erfindung betrifft ein biokompatibles Kompositmaterial auf der Grundlage eines anorganischen Gels. Das Kompositmaterial ist bioaktiv und als Werkstoff für den Knochen- oder Zahner satz, zur Beschichtung von Implantaten aus Metallen, Keramik, Silicium oder Polymeren sowie zur Beschichtung textiler Gewebe geeignet.

Es ist allgemein bekannt, daß lasttragende Implantate (spezi ell Hüftprothesen) mit Überzügen ausgestattet werden, um die Biokompatibilität von Prothesen zu verbessern. Wichtige Forde rungen an die Überzüge sind, daß diese nicht resorbierbar, physiologisch unbedenklich und bioaktiv sind, d. h. daß ein Verwachsen mit umliegendem Gewebe möglich ist. Weiterhin ist es notwendig, daß die Überzüge in der Belastungssituation über mehrere Jahre abriebfest sind und in ihrem mechanischen Ver halten zwischen Knochen und Implantat liegen. Diese Forderun gen werden von bisherigen Beschichtungsmaterialien nur unzu reichend erfüllt.

Es ist derzeitig möglich, Implantatoberflächen durch elektro chemische Verfahren oder Vakuumverfahren zu beschichten. Elek trochemische Verfahren erfordern leitfähige Substrate, sind stoffspezifisch und ermöglichen keine Integration von Biopoly meren (DE 44 31 862 C2, DE 195 04 386 A1). Vakuumverfahren ge statten keine Einbettung von Biopolymeren und erfordern einen hohen gerätetechnischen und energetischen Aufwand (EP 0 029 787 B1, US 4 818 512).

Eine bekannte Alternative ist die Beschichtung nach dem Sol- Gel-Verfahren mit anschließender Sinterung. So können Calciumphosphat-Phasen (WO 95/13101), TiO₂- (WO 93/21969), ZrO₂- und SiO₂-Gel-Schichten (JP 95-308284, 951 031) auf Implan tatwerkstoffen abgeschieden werden. Die Schaffung von Metal loxidschichten mit dem Sol-Gel-Verfahren ist auf die Ausbil dung bioinerter Materialien, d. h. Materialien ohne biologisch wirksame Bestandteile, beschränkt, da die für eine genügende Substrathaftung notwendige Sinterung biologisch wirksame Kom ponenten oder organische beste aus den Schichten austreibt. Neben der Bereitstellung einer ausreichenden Haftung wird durch die Sinterung der herkömmlichen Metalloxidschichten außerdem eine Sterilität der Beschichtungen angestrebt.

Ein entscheidender Nachteil der bisher bekannten Verfahren ist, daß aufgrund der hohen Anregungsenergien (CVD- und PVD-Ver fahren), Sintertemperaturen (Sol-Gel-Verfahren) oder der hohen Stoffspezifität (elektrochemische Verfahren) eine Inte gration von Biopolymeren nicht möglich ist und damit die Bio aktivität der Schichten unzureichend ist. Außerdem wird durch den rein anorganischen Charakter der Schichten ein zu sprödes Materialverhalten und eine verringerte Festigkeit beobachtet.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Kompositma terial anzugeben, das eine Integration von Biopolymeren be reitstellt und als Knochen- oder Zahnersatz-Werkstoff oder zur Implantat-Beschichtung geeignet ist. Die Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kompositmaterials anzugeben.

Diese Aufgaben werden durch ein Kompositmaterial und ein Ver fahren zu dessen Herstellung mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungs formen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Überraschenderweise konnte die Aufgabe mit einfachen Mitteln insbesondere dadurch gelöst werden, daß Skleroproteine oder deren Hydrolyseprodukte und/oder Glycosaminoglycane unter Ver wendung der Sol-Gel-Technik als bioaktive Komponente in Metalloxidgele eingebettet werden. Bei Wahl geeigneter Zusam mensetzungen und Technologien entstehen stabile Komposite mit hoher Härte, Verschleißresistenz und Haftfestigkeit, die bio aktiv und nicht resorbierbar sind. Auf eine Wärmebehandlung zur Verbesserung der physikalisch-mechanischen Eigenschaften kann ganz oder zumindest teilweise verzichtet werden. Ein be sonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die Einbettung von Biopolymeren in eine organische Matrix aus ei nem Material ähnlich dem natürlichen Knochenmaterial ein Mate rial mit hoher mechanischer Stabilität und hoher Bioaktivität bereitgestellt wird.

Abweichend vom bisherigen Sol-Gel-Verfahren konnten mit der Erfindung erstmalig die folgenden besonderen Vorteile erzielt werden. Die interessierenden biokompatiblen Materialien sind verhältnismäßig schwer löslich. Trotzdem kann erfindungsgemäß eine hervorragende Beschichtungsqualität mit einer homogenen Verteilung der biokompatiblen Materialien erzielt werden. Die biokompatiblen Materialien erfüllen simultan mehrere Funktio nen. Erstens stellen sie die jeweils gewünschten bioaktiven Eigenschaften bereit. Außerdem wird die Bildung klarer, trans parenter Überzüge großer Härte und Gleichmäßigkeit auch in ge ringen Dickenbereichen ermöglicht. Schließlich fördern die bioaktiven Materialien die Haftung eines erfindungsgemäßen Kompositmaterials am jeweiligen Substrat.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein biokompatibles Kompo sitmaterial, das ein Metalloxidgel und ein oder mehrere homo gen eingebettete Skleroproteine oder Glycosaminoglycane und/oder Hydrolyseprodukte dieser Proteine enthält, und die Verwendung eines derartigen Kompositmaterials. Das Komposit material begünstigt die Abscheidung basischer Calciumphosphat- Phasen und ist als Werkstoff für den Knochen- oder Zahnersatz oder zur Beschichtung von Implantaten aus Metallen, Keramik, Silicium oder Polymeren sowie zur Beschichtung textiler Gewebe geeignet. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen biokompatiblen Kompositmaterials.

Die eingesetzten Skleroproteine umfassen eine Gruppe von Pro teinen, die in biologischen Organismen Stützfunktionen aus üben. Die Skleroproteine werden auch als fibrilläre Proteine oder Linear- Faserproteine bezeichnet. Beispiele für Sklero proteine sind die Keratine der Haare, Nägel, Federn, Wolle und dergleichen, das Seiden-Fibroin, Kollagene des Stütz- und Bin degewebes, der Haut, der Knochen und Knorpel, die im Bindege webe auftretenden Elastine sowie Chitin-Protein-Verbindungen wie z. B. die Conchagene.

Als anorganisches Gel können Metalloxide von Elementen der II.-IV. Haupt- und Nebengruppe des Periodensystems wie SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, B₂O₃, ZnO, CaO, P₂O₅ oder deren Gemische ver wendet werden, die man durch einen Sol-Gel-Prozeß, z. B. durch Hydrolyse der entsprechenden Metallalkoxide entsprechend Gl. (1), zu den entsprechenden Metalloxidsolen und anschlie ßende Gelbildung durch Neutralisation, Erwärmen oder Aufkon zentrierung, erhält, vgl. J.C. Brinker, G.W. Scherer, Sol-Gel Science, Academic Press, London 1990. Für die Modifizierung der Sol-Gel-Schichteigenschaften kann der Hydrolyseprozeß der Metallalkoxide in Gegenwart zugemischter Alkyl-trialkoxysilane R-Si(OR')₃ und/oder Dialkoxysilane R₂-Si(OR')₂ durchgeführt werden, wodurch modifizierte Metalloxidgele gebildet werden, die bezogen auf 1 Gewichtsanteil Metalloxidgel 0 bis 1 Gewichtsteile R-SiO_3/2 und/oder R₂-SiO enthalten. R ist ein organischer Alkylrest, der Amino-, Hydroxy- oder Alkoxygruppen enthalten kann. R' ist ein Alkylrest, vorrangig mit 1-4 Kohlenstoffatomen. Durch diese Modifizierung kann z. B. die Elastizität und das Haftverhalten der Gelschichten gezielt verbessert werden.

Die Herstellung des biokompatiblen Kompositmaterials erfolgt in folgenden Schritten:

(1) Solherstellung

Herstellung des Metalloxidsols durch saure oder basische Hydrolyse von Metallalkoxiden (einschließlich Siliciumverbin dungen) oder Metallhalogeniden zu den entsprechenden Solen.

M(OR)_n + n/2 H₂O → (MO_n/2)_Sol + n ROH (1)

M = z. B. Si, Al, Ti, Zr, Ti, B, Zn, Ca, P oder deren Gemische
R' = Alkylrest mit 1-4 Kohlenstoffatomen.

Zur Modifizierung der Metalloxidsole können vor der Solbildung Alkyl-trialkoxysilane P-Si(OR')₃ und/oder Dialkoxysilane R₂-Si(OR')₂ zugesetzt werden. Die Hydrolyse der entsprechenden Metallalkoxide erfolgt vorzugsweise in einem wäßrigen, organi schen oder gemischten Lösungsmittel, ggf. unter Zusatz von verdünnter Mineralsäure, wäßrigem Alkali, Fluorid oder tertiären Aminen als Hydrolysekatalysator. Als organisches Lösungsmittel wird vorzugsweise Ethanol, Aceton oder Dioxan verwendet. Die entstehenden Metalloxidsole sind wasserklare Lösungen mit Feststoffgehalten von 3-20 Gew.-%.

(2) Bildung von Biokompositsolen

Zugabe der Biokomponente (ein oder mehrere homogen einge bettete Skleroproteine oder deren Hydrolyseprodukte und/oder Glycosaminoglycane) in gelöster oder fester Form zum Metall oxidsol. Die Biokomponente kann auch vor oder während der hy drolytischen Bildung der Metalloxidsole zugemischt werden, wenn sie stabil gegenüber den Hydrolysebedingungen (pH- und Lösungsmittel-Milieu) ist.

(MO_n/2)_Sol + Biokomponente → (MO_n/2 + Biokomponente)_Sol (2).

Für proteinische Komponenten ist es empfehlenswert, den Anteil organischer Lösungsmittel im Metalloxidsol gering zu halten, um Denaturierungen zu vermeiden. Das läßt sich z. B. leicht durch destillative Entfernung des organischen Lösungsmittels bei gleichzeitiger Zugabe der volumenäquivalenten Mengen Wasser erreichen. Auf diese Weise erhält man hinreichend stabile, rein wäßrige modifizierte Metalloxidsole, die mit den proteinischen Biokomponenten homogene Biokompositsole entspre chend (2) ergeben. Der Anteil der Biokomponente kann je nach Anwendungszweck 1-50 Gew.-% bezogen auf die gesamte Komposit menge betragen. Für zahlreiche Anwendungen erwiesen sich ca. 20 Gew.-% Biokomponente im Komposit als besonders vorteilhaft.

(3) Bildung der Biokomposit-Gele

Die Herstellung von bulk- oder Volumen-Produkten erfolgt durch Gelieren der Biokompositsole nach Erwärmen oder Neutralisieren und anschließende Trocknung. Die Herstellung dünner Überzüge erfolgt durch Aufkonzentrieren während eines Beschichtungs prozesses auf einem Träger. Durch den Gelierungsprozeß erfolgt eine homogene Einbettung der Biokomponente in das anorganische Gel und eine effektive Immobilisierung:

(MO_n/2 + Biokomponente)_Sol → (MO_n/2 + Biokomponente)_Gel (3).

Die Herstellung schichtförmiger Komposite kann durch übliche Beschichtungstechniken wie Tauchen ("Dip Coating"), Sprühen ("Spray Coating"), Schleudern ("Spin Coating"), Streichen oder Begießen erfolgen. Die Schichtdicken liegen typischerweise in einem Bereich von 0.08 . . . 2 µm. Als Schichtträger können alle in der Medizintechnik üblichen Substrate aus Metallen, Kera mik, Silicium oder Polymeren verwendet werden. Außerdem ist die Imprägnierung textiler Gewebe z. B. von medizinischem Ver bandsmaterial, problemlos möglich.

Zur Stabilisierung des Kompositmaterials muß abschließend das Lösungsmittel aus dem erstarrten Biogel durch einen Trocknungsprozeß entfernt werden und man erhält sog. Xerogele in Form von bulk-Produkten oder Filmen. Die Alterung bei Raum temperatur, Wärmebehandlung oder chemische Härtung kann zu weiterer Verbesserung der Materialeigenschaften führen.

Für die Herstellung biokompatibler Kompositmaterialien werden als Skleroprotein-Komponente vorzugsweise Kollagen I, Elastin, Fibroine oder deren Gemische verwendet. Alternativ oder be gleitend ist der Zusatz der Glycosaminoglycan-Komponente mög lich. Außer Hyaluronsäure, deren Derivaten und Hydrolyse produkten können Chondroitinsulfat, Keratansulfat oder andere Vertreter der Stoffklasse oder Gemische zugesetzt werden. Als Hydrolysate werden bevorzugt Gelatinelösungen, Kollagenhydro lysate oder deren Gemische eingesetzt. Die Gewinnung der Pro teinkomponente kann aus nativen Quellen oder durch gentechni sche Herstellung erfolgen.

Der Proteinzusatz bewirkt die entscheidende Verbesserung von Biokompatibilität und mechanischen Eigenschaften des entste henden biokompatiblen Kompositmaterials. Die Zelladhäsion wird verbessert. Weiterhin verbessert sich das mechanische Verhal ten gegenüber bekannten Beschichtungswerkstoffen für Implan tate, da durch Variation der Zusammensetzung des Kompositsols Bruchzähigkeit, E-Modul, Biegefestigkeit, Druckfestigkeit, Substrathaftung und Verschleißparameter des entstehenden bio kompatiblen Kompositmaterials optimiert werden können.

Eine Modifizierung des biokompatiblen Kompositmaterials kann unter Verwendung chemischer Härtungsmittel erfolgen. Das sind bi- oder polyfunktionelle Verbindungen, die mit Seitenketten der Aminosäuren von Skleroproteinen reagieren, so daß eine intermolekulare Vernetzung erfolgt. Typischerweise beträgt der Anteil des eingesetzten Vernetzungsmittels weniger als 1 Gew.-% des biokompatiblen Kompositmaterials. Es können anor ganische Vernetzer (z. B. Chrom- und Aluminium-Salze) oder organische Vernetzungsmittel (z. B. Diimide, Diisocyanate, Epoxide, Formaldehyd oder Dialdehyde) verwendet werden. Die chemische Härtung führt zu einer erhöhten Stabilität des Kom posits in physiologischen Medien, zu verbesserten mechanischen Eigenschaften und verhindert die Metabolisierung des Kompo sits. Weitere Eigenschaftsmodifizierungen des biokompatiblen Kompositmaterials können durch Zusatz spezieller bioaktiver Wirkstoffe oder Wirkstoffgemische zum Kompositsol erhalten werden. Üblich sind dabei Zusätze bis 5 Gew.-% (bezogen auf den Feststoffgehalt des Komposits). Unter bioaktiven Wirk stoffen sind bevorzugt Breitbandantibiotika (z. B. Gentamycin, Erythromycin oder Colistin) zu verstehen. Durch die antimikro bielle Wirkung der Antibiotika wird das Infektionsrisiko im Zusammenhang mit der Implantation verringert. Unter bioaktiven Wirkstoffen sind auch Substanzen zu verstehen, die das Ein wachsen des Implantats in Knochengewebe beschleunigen können. Dazu können z. B. Hormone, Wachstumsfaktoren, Cytokine oder Signalpeptid-Sequenzen verwendet werden. Zu den bekanntesten Wirkstoffen der Substanzklassen gehören TGF β, BMP-2, RGD-Peptide oder Calcitonin. Eingeschlossen sind einfache Verbin dungen, wie O-Phosphoserin, Asparaginsäure, Glycin, Arginin oder deren Derivate. Das verbesserte Einwachsen begünstigt den Heilungsprozeß und führt dazu, daß früher mit Rehabilitations maßnahmen nach der Operation begonnen werden kann.

Durch Zusatz von Calciumsalzen, Phosphaten oder basischen Calciumphosphat-Suspensionen in Konzentrationen bis 30 Gew.-% kann das biokompatible Kompositmaterial weiter modifiziert werden. Auf diese Weise können mechanische Eigenschaften ver bessert und die Bioaktivität des Kompositmaterials weiter er höht werden.

Das erfindungsgemäße Kompositmaterial ist als Werkstoff für den Knochen- oder Zahnersatz geeignet. Das Xerogel kann nach Mahlen als Granulat zu Formteilen verpreßt werden, die als Im plantate zur Reparatur von Knochen und Zahndefekten geeignet sind.

Darüberhinaus ist das biokompatible Kompositmaterial vorteil haft für die Beschichtung von Implantaten aus Metallen oder anderen Werkstoffen geeignet. Typisch ist die Verwendung als Beschichtung auf lasttragenden Implantaten aus Titan und sei nen Legierungen, z. B. Hüftprothesen, kieferorthopädischen Im plantaten oder Knieprothesen. Kennzeichnend ist, daß die Ver wendung des Materials als Beschichtung die Bioaktivität des metallischen Werkstoffs entscheidend verbessert. Das biokompa tible Kompositmaterial induziert in vitro oder in vivo die Ab scheidung basischer Calciumphosphate. Durch den hohen Anteil an Proteinkomponente verbessert sich die Zelladhäsion auf dem Material. Aufgrund der guten Substrathaftung auf unterschied lichen Substraten (z. B. Glas, Titan, Silicium) eignet sich das biokompatible Kompositmaterial auch als Beschichtung auf ande ren nichtresorbierbaren Implantaten.

Außerdem eignet sich das biokompatible Kompositmaterial zur Imprägnierung textiler Gewebe, z. B. von medizinischem Ver bandsmaterial. Die Imprägnierung führt bei guter Hautverträg lichkeit zu einer verbesserten mechanischen Stabilität und einer je nach Proteingehalt steuerbaren Wasseraufnahme des Gewebes.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen biokompatiblen Kompositma terials bestehen gegenüber den bisherigen Beschichtungen

1. in der Kombination einer hohen Biokompatibilität mit guten mechanischen Eigenschaften sowohl bei bulk-Produkten als auch bei Überzügen,
2. in der verbesserten mechanischen Anpassung lasttragender Implantate (z. B. Hüftprothese) durch Aufbringen des Materials als Zwischenschicht zwischen Prothese und Knochengewebe,
3. in geringeren thermischen Vorbehandlung des Materials, welche die Einbettung thermoinstabiler Skleroproteine und die damit verbundene hohe Biokompatibilität des Kompositmaterials ermöglicht,
4. in der Möglichkeit, durch Rezepturveränderung Proteine und Wirkstoffe (z. B. Antibiotika oder Interleukine) in die Be schichtung einbetten zu können,
5. in der guten Haftung auf unterschiedlichen Implantatmate rialien und hoher Verschleißfestigkeit der modifizierten Ober flächen,
6. in der Möglichkeit, durch Variation der Mengenverhältnisse zwischen anorganischem Sol und Skleroprotein mechanische Eigenschaften an den späteren Anwendungszweck anzupassen,
7. im geringen gerätetechnischen, energetischen und zeitlichen Aufwand zur Herstellung des Kompositmaterials,
8. in der Schaffung nicht-spröden, verformbaren Kompositmate rials, das dem Auftreten von Langzeitlockerungserscheinungen am Knochen- oder Zahnersatz entgegenwirkt, und
9. in der Begünstigung der Abscheidung basischer Calciumphos phatphasen.

Das erfindungsgemäße biokompatible Kompositmaterial eignet sich darum besonders als Werkstoff für den Knochen- oder Zahn ersatz, zur Beschichtung von Implantaten aus Metallen, Kera mik, Silicium oder Polymeren sowie zur Imprägnierung textiler Gewebe.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1

10 ml Tetraethoxysilan, 40 ml 1,4-Dioxan und 20 ml 0.01 M Salzsäure werden 20 h bei Raumtemperatur gerührt. Man erhält ein stabiles SiO₂-Sol A (Feststoffgehalt ca. 4.2% in 70% 1,4-Dioxan, pH ca. 2.0).

7 ml des Sols A werden mit 7 ml Wasser, 2.3 ml eines kommer ziellen wäßrigen 10%-igen ZrO₂-Sols (MERCK KGaA, Darmstadt) und 10 g Collapur-Lösung (1%-ige Kollagen I-Lösung, Grünau Illertissen GmbH, Illertissen) gemischt. Es entsteht ein kla res Sol. Die Tauchbeschichtung eines Titan-Prüflings 1 × 4.4 cm² (Ziehgeschwindigkeit 30 cm/min) ergibt nach Trock nen an der Luft einen transparenten Überzug von ca. 1 µm Dicke, der ca. 16 Gew.-% Kollagen enthält.

Die mechanische Prüfung der Beschichtung ergab für die Vickers-Härte HV 0.0008 einen Wert von 44 (Nanoindenter SHIMADZU DUH-202, 0.08 p Prüflast, Eindringtiefe: 126-381 nm). Die Schicht verschleißt bei einer Prüflast von 122 g selbst nach 2000 Reibcyclen nicht (Oszillierendes Kugeltribometer, Kugeldurchmesser 5 mm, Bewegungsfrequenz 3 Hz).

Die Immersion des beschichteten Prüflings in einer simulierten Blutflüssigkeit ergab nach 12 h die Abscheidung basischer Cal ciumphosphate auf der Schichtoberfläche. (Test nach S. Li, Q. Liu, J. de Wijn, K. de Groot, B. Zhou J. Materials Sci. Lett. 15 (1996) 1882 ff.).

Weiterhin wurde der Prüfling in Zellkulturuntersuchungen mit Zellinie L 929 (Lungenfibroblasten Maus) auf Zelladhäsion binnen 24 h geprüft. Der quantitative Vergleich erfolgte nach MTT-Test, d. h. Synthese eines Formazan-Farbstoffs durch Akti vität der zellulären Succinat-Dehydrogenase (vgl. E. Winter mantel, S. Ha "Biokompatible Werkstoffe und Bauweisen", Sprin ger-Verlag 1996, S. 68-80.). Die Auswertung des Zellwachstums ergab eine Steigerung auf 111% (zum Vergleich unbeschichtetes Glas 100%).

Beispiel 2

100 ml Tetraethoxysilan, 400 ml Ethanol und 200 ml 0.25%-ige Ammoniak-Lösung werden 20 h bei Raumtemperatur gerührt. Man erhält ein stabiles SiO₂-Sol B (Feststoffgehalt 4.2% in 70% Ethanol, pH = 9.2).

Zu 200 ml des Sols B wird eine Lösung von 1.3 g des Kollagen hydrolysats Nutrilan I-50 (Grünau Illertissen GmbH, Iller tissen) in 5 ml 0.1 M NH₄Cl/NH₃-Puffer vorsichtig zugetropft. Es entsteht ein klares, leicht gelbliches Sol (Viskosität bei 20 C = 3.5 mPas). Die Tauchbeschichtung einer 2.5 × 7.5 cm² Glasplatte (Ziehgeschwindigkeit 30 cm/min) ergibt nach Trock nen an der Luft einen transparenten Überzug von ca. 0.4 µm Dicke, der ca. 7.1 Gew.-% Biopolymer enthält.

Die mechanische Prüfung der Beschichtung ergab für die Vickers-Härte HV 0.0008 einen Wert von 21.

Die Immersion des beschichteten Prüflings in einer simulierten Blutflüssigkeit ergab nach 12 h die Abscheidung basischer Cal ciumphosphate auf der Schichtoberfläche.

Beispiel 3

80 ml Tetraethoxysilan, 20 ml 3-Glycidyloxypropyl trimethoxysilan (GLYMO), 400 ml 1,4-Dioxan und 200 ml 0.01 N Salzsäure werden gemischt und 20 h bei Raumtemperatur gerührt. Man erhält ein stabiles SiO₂-Sol C (ca. 5.0% Feststoffgehalt).

4 g Inertgelatine (FEW Wolfen) werden in 96 ml 0.01 N HCl-Lö sung gelöst und mit 1 N HCl-Lösung auf pH 4.0 eingestellt. Zu 120 ml Sol C werden 80 ml der Gelatinelösung zugetropft. Es entsteht ein klares Kompositsol.

Die Tauchbeschichtung einer 2.5 × 7.5 cm² Glasplatte (Ziehge schwindigkeit 30 cm/min) ergibt nach Trocknen an der Luft einen transparenten Überzug von ca. 1 µm Dicke, der ca. 35 Gew.-% Biopolymer enthält.

Weiterhin wurde das oben beschriebene Biokompositsol, das durch Mischen des Sols C mit 4%iger Gelatinelösung erhalten wurde, zur Beschichtung eines technischen Polyamidgewebes ver wendet (Zweiwalzenfoulard, 0.5 m/min Walzengeschwindigkeit). Nach dem Trocknen der Proben bei 4 h/60°C wurden an 2 × 6 cm² Streifen Zugfestigkeitsuntersuchungen durchgeführt, wobei die Streifen in Längsrichtung bis zum Zerreißen gespannt wurden. Es ergaben sich folgende Werte für die Höchstzugkraft: 1170 N für unbehandelte Streifen, 1320 N für den mit Biokompositsol imprägnierten Streifen.

Beispiel 4

100 ml Tetraethoxysilan, 400 ml Ethanol und 200 ml 0.01 M Salzsäure werden 20 h bei Raumtemperatur gerührt. 600 ml des so erhaltenen Sols werden mit 420 ml Wasser gemischt. Das Ge misch wird in einer Destillationsapparatur auf dem siedenden Wasserbad erhitzt und 420 ml Ethanol abdestilliert. Nach Abkühlen erhält man ein stabiles wäßriges SiO₂-Sol D (Feststoffgehalt 4.2% in Wasser, pH = 2.3).

25 ml Sol D werden mit 1.357 g 1%-ige Hyaluronsäure-Lösung (GfN, Herstellung von Naturextrakten GmbH, Wald-Michelbach) gemischt. Es entsteht ein klares viskoses Sol (Viskosität = 51.7 mPas bei 20°C).

Die Tauchbeschichtung einer 2.5 × 7.5 cm² Glasplatte (Ziehge schwindigkeit 15 cm/min) ergibt nach Trocknen an der Luft ei nen transparenten Überzug von ca. 1 µm Dicke.

Die mechanische Prüfung der Beschichtung ergab für die Vickers-Härte HV 0.0008 einen Wert von 76. Die Schicht ver schleißt bei einer Prüflast von 222 g selbst nach 2000 Reib cyclen nicht.

Die Immersion des beschichteten Prüflings in einer simulierten Blutflüssigkeit ergab nach 12 h die Abscheidung basischer Calciumphosphate auf der Schichtoberfläche.

Claims

1. Biokompatibles Kompositmaterial bestehend aus einem anorga nischen Gel und einer bioaktiven Komponente, ein oder mehrere homogen eingebettete Skleroproteine oder deren Hydrolysepro dukte und/oder Glycosaminoglycane umfaßt.

2. Biokompatibles Kompositmaterial gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das anorganische Gel Oxide von Elementen der II.-IV. Haupt- und Nebengruppe des Periodensystems ent hält.

3. Biokompatibles Kompositmaterial gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das anorganische Gel durch Hydro lyseprodukte von Trialkoxysilanen und/oder Dialkoxysilanen mo difiziert ist.

4. Biokompatibles Kompositmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Skleroproteine Kollagen, Elastin und/oder Fibroin umfassen.

5. Biokompatibles Kompositmaterial gemäß einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Hydrolyse produkte der Skleroproteine Kollagenhydrolysate, Gelatine oder Aminosäurekombinationen aus Glycin, Arginin, Asparaginsäure oder O-Phosphoserin eingesetzt werden.

6. Biokompatibles Kompositmaterial gemäß einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Glycosaminoglycane Hyaluronsäure- oder Chondroitin-Derivate eingesetzt werden.

7. Biokompatibles Kompositmaterial gemäß einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Skleroproteins oder deren Hydrolyseprodukte und/oder des Glycosaminoglycans 1-50 Gew.-% bezogen auf das Komposit beträgt.

8. Biokompatibles Kompositmaterial gemäß einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Antibiotika, Cytokine, Hormone oder Signalpeptide in Konzentrationen bis 5 Gew.-% bezogen auf das Komposit enthalten sind.

9. Biokompatibles Kompositmaterial gemäß einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Komposit 1-30 Gew.-% bezogen auf das Komposit Calciumphosphate oder deren Vorstufen in gelöster oder dispergierter Form enthält.

10. Biokompatibles Kompositmaterial gemäß einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material die Abscheidung basischer Calciumphosphat-Phasen begünstigt und als Werkstoff für den Knochen- oder Zahnersatz oder zur Beschichtung von Implantaten aus Metallen, Keramik, Silicium oder Polymeren oder zur Beschichtung textiler Gewebe geeignet ist.

11. Verfahren zur Herstellung eines biokompatiblen Kompositma terials gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem ein anor ganisches Sol durch Hydrolyse von Metallalkoxiden oder Metall halogeniden hergestellt und dem anorganischen Sol zur Bildung eines Biokompositsols die bioaktive Komponente in Form der Skleroproteine, deren Hydrolyseprodukte und/oder der Glycosaminoglycane zugesetzt und dann das Biokompositsol ge liert wird.

12. Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem das Gelieren ein Wär men, Neutralisieren und/oder Trocknen des Biokompositsols um faßt.

13. Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, bei dem das Biokompo sitsol schichtförmig auf einen Schichtträger aufgebracht und dort geliert wird.

14. Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, bei dem das Biokompo sitsol in Volumenform geliert wird.