DE2022498A1

DE2022498A1 - Prostetische Strukturen als Derivate von Kollagen

Info

Publication number: DE2022498A1
Application number: DE19702022498
Authority: DE
Inventors: Cruz Mamerto M
Original assignee: FMC Corp
Current assignee: FMC Corp
Priority date: 1969-05-12
Filing date: 1970-05-08
Publication date: 1970-12-17
Also published as: CA922856A; JPS5230192B1; FR2047600A5; GB1271763A; JPS5416677B1; DE2022498C3; DE2022498B2

Description

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PATENTANWÄLTE

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ITIC Corporation, 1617 Pennsylvania Boulevard, Philadelphia, Pa.,V.St.A.

Prostetische Strukturen als Derivate von Kollagen

Die Erfindung betrifft eine prosthetische Struktur und ein Verfahren zur Herstellung derselben.

Das Stützgefüge von Rückenwirbeln besteht aus Knorpel und Knochen. In den embryonalen Stadien bildet Knorpel dieses Stützgefüge, und der größte Teil des Knorpels wird beim Erwachsenen durch Knochen ersetzt. Knorpel bleibt bei Erwachsenen an Knochengelenken und anderen Stellen, beispielsweise am Ohr, an der Nase usw. Der organische Hauptbestandteil von Knorpel- und Knochengewebe ist Kollagen, und der anorganische Hauptbestandteil in Knorpel- und Knochengeweben sind Calciumphosphatkomplexe oder -verbindungen, beispielsweise Hydroxyapatit. Die anorganischen Hauptbestandteile sind Calcium, Magnesium, Phosphatradikale, Carbonatradikale, das Fluoridradikal und Wasser, wobei die Verbindungen in unterschiedlichen Zusammensetzungen vorhanden sind und allgemein zur Apatitgruppe gehören. Andere anorganische Ionen sind im allgemeinen in

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Spuren vorhanden, und es sind auch andere organische Substanzen vorhanden. Die anderen Elemente, die man in kleineren Anteilen und in Spuren in Knochengewebe findet, sind Aluminium, Barium, Bor, Chlor, Kupfer, Eisen, Blei, Mangan, Kalium, Natrium, Strontium, Zinn, während' Arsen, Bismuth, Lithium, Molybdän, Nickel, Selen, Silizium, Silber und Zink spektrographisch festgestellt worden sind. Allgemein sind die Unterschiede in der Härte und in der Starrheit zwischen Knorpel- und Knochengewebe die Folge der Unterschiede in der Zusammensetzung, beispielsweise in den Unterschieden in den Verhältnissen von Kollagen zu den anorganischen Calciumphosphatverbindungen und dem Vorhandensein anderer Radikale sowie der morphologischen Struktur.

Das Knochengewebe besteht aus Bündeln kollagenhaltiger Fasern in einem amorphen Zement, bei dem es sich wahrscheinlich um einen Protein-Polysaccharid-Komplex handelt, der mit den Calciumphosphatkomplexen oder -Verbindungen imprägniert ist. Schwefel ist ebenfalls enthalten und scheint als Estersulfat vorhanden zu sein, das den Polysacchariden zugeordnet ist. Unterschiede in der Härte und in anderen Eigenschaften der verschiedenen Knochengewebe und der Teile des Knochens dürften die Folge von Inderungen in den Anteilen von Oalciumoarbonat und anderen Bestandteilen sein, beispielsweise Magnesium, Fluor, an der Oberfläche der Hydroxyapatitkristalle absorbiertes Carbonat, oder das Fluorid- und Carbonatradikal können daB Hydroxyradikal ersetzen. Gleichgültig, in welcher Weise diese zusätzlichen Stoffe den Oalciumphosphatverbin-

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düngen zugeordnet sind, sie scheinen die Kristallgitter der Phosphatverbindungen zu ändern. Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften werden auch durch die Morphologie des speziellen "bzw. individuellen Knochengewebes beeinflußt. Im groben ist das Verhältnis der kollagenhaltigen Substanz zur anorganischen Substanz im menschlichen Knochen etwas weniger als 1 : J>. Es shwankt dabei zwischen etwa 1 : 2,65 und etwa 1 : 2,89 im menschlischen Oberschenkelbein, bezogen auf das Gewicht trockenen entfetteten Knochens. Das vorstehende ist offensichtlich eine Übervereinfachung der Struktur und der Zusammensetzung von Knochengewebe, bei dem es sich tatsächlich um eine überaus komplizierte Struktur handelt, die sich in ihrer genauen Zusammensetzung mit dem Alter, mit dem Einzelnen und mit der Gattung ändert.

Bas genaue Verfahren, durch das diese Gewebeart gebildet wird, ist nicht bekannt. Physikalisch-chemische Theorien sind weiterentwickelt worden, um die Bildung von Zahnstein zu erklären, und es ist möglich, \ daß Knochengewebe in einer vergleichbaren Weise entsteht. Nach dieser Theorie wird Speichel als eine kolloidale Lösung von Proteinen angesehen, die mehr oder weniger mit Calcium- und Phosphationen gesättigt ist. Die Oberflächenspannung, so wird angenommen, bewirkt eine Konzentration der Proteine an der Oberfläche des Speichels, um damit die Viskosität der Flüssigkeit .zu verringern und ein Ausscheiden von anorganischen Salzen hervorzurufen, die sich an den Zahnflächen ablagern.

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Bisher sind Knorpel- und Knochengewebe nicht im synthetischen Vege hergestellt oder nachgemacht worden. In der Knochenchirurgie sind eine Vielzahl von Stoffen verwendet worden, u.a. Knochen, Knochenderivate und synthetische Ersatzstoffe. Knochen, aus denen bestimmte bestandteile entfernt worden sind, beispielsweise Mnerale, Proteine, Lipide und Wasser, werden im allgemeinen als Knochenderivate eingestuft. Zu synthetischen Ersatzstoffen gehören Metalle, bestimmte synthetische Polymere, Calciumsulfat und Hydroxyapatit.

Die Chemie schwerlöslicher Phosphatsalze oder insbesondere des Systems Ca-Pp0c-2Hp0 und die genaue Chemie und Struktur der Calciumphosphatverbindungen, die in natürlichem Knorpel- und Knochengewebe auftreten, sind außerordentlich komplex. Demgemäß umfaßt der Begriff "Calciumphosphat·¹ hier und in den Ansprüchen Dicalciumphosphat, Tricalciumphosphat, Octacalciumphosphat, Hydroxyapatit, Carbonatapatit, Chlorapatit, Fluorapatit und Gemische davon.

Aus der TJS-Patentschrift 5443261 ist ein Verfahren zur Herstellung von Strukturen aus einem homogenen Gemisch aus einem wasserunlöslichen mikrokristallinen ionisierbaren Salz von Kollagen und Calciumphosphat bekannt, mit oder ohne Einschluß anderer Ionen, wie sie in natürlichem Knochen und Knorpel zu finden sind. Das Produkt besteht hauptsächlich aus einem innigen und homogenen mechanischen Gemisch der verschiedenen

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Bestandteile, und es können verschiedene Ionen* darin*-enthalten*-sein,.* um die Härte des Produktes zu erhöhen, Ferner könnenKollagen-Vernetzungsmittel in der Herstellung der Produkte verwendet werden, um die 3?euchtigkeitsbeständigkeit und Wasserbeständigkeit der Produkte zu verbessern.

Aufgabe der Erfindung ist es hauptsächlich, eine neue Stoffzusammensetzung für die Herstellung von Strukturen zu schaffen, die Knorpel- und Knochengeweben ähnlich sind und verbesserte Eigenschaften hinsichtlich der Peuchtigkeits- und Wasserbeständigkeit haben.

Die Erfindung sieht die Herstellung einer geschlossenen dreidimensionalen Struktur vor, die durch ein wasserunlösliches, kolloidal dispergierbares komplexes partielles Salz von Kollagen mit einemmehrwerti- gen Metallkation und einem ionisierbaren Anion gebildet ist, mit oder ohne einem homogenen, innigen Gemisch aus einem Salz des mehrwerti- . f gen Metalls und des ionisierbaren Anions in einem mesoamorphen Zustand» '■■*:. :-■".. -.. ^:- ■*"■■-.

Das Kollagenmolekül enthält sowohl Carboxylgruppen als auch Aminogruppen, wobei die freien und zur Verfügung stehenden Carboxylgruppen die Stellen für das infügen elnee Kations und die freien und zur ■VorfUgung-stehenden ,Aminogruppen die Stellen für das Anfügen von .' lonislerbaren Anlernen Bind, iJowohl dio Carboxyl-· als. atich'die Amino-

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gruppen sind auch innerhalb der drei verspulten Polypeptidketten des Kollagens vorhanden, die Behandlungsbedingungen reichen aber nicht aus, um das makromolekulare Gefüge zu durchdringen. In der Herstellung der Substanz wird das Kollagenausgangsmaterial, beispielsweise mechanisch desintegriertes und gemahlenes Kollagen vom Rind, mit einer Lo-" sung eines mehrwertigen Metallhydroxids behandelt, wobei die Lösung einen pH-Wert von etwa 8 - 12, vorzugsweise von 10,0 - 12 hat. Die mehrwertigen Metalle, die sich für die Zwecke der Erfindung gut eignen, sind die mehrwertigen Metalle, deren Hydroxide in Wasser zwischen einem PH-Uert von 8 und einem pH-Wert von 12 löslich sind, beispielsweise Aluminium, Cadmium, Calcium, Chrom, Eisen, Magnesium und Zink. Me Behandlung des Kollagens mit der alkalischen Lösung des Metallhydroxids führt zu einer Salzbrückenreaktion, bei der das Metallkation mit den freien und zur Verfügung stehenden Carboxylgruppen aufeinanderfolgender Kollagenmoliküle reagiert, um ein partielles Metallsalz P zu bilden. Dieses Metallsalz wird dann vorzugsweise gewonnen und von löslichen Salzen freigespült.

Das gewonnene partielle Metallsalz wird mit einer verdünnten Lösung ionisierbarer Säuren behandelt, beispielsweise Salzsäure, Bromwasserstoff säure, Jodwasserstoffsäure, Phosphorsäure, Schwefelsäure, Essigsäure, Zitronensäure und Oxalsäure. Andere ionieierbare Säuren, die Aminsalze mit den freien und vorhandenen Aminogruppen am Kollagenmoleld.ll bilden, Bind geeignet, vom praktisch kommerziellen Standpunkt

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aus gesehen Bind die genannten Säuren* aber die günstigsten. Nach der Heaktion mit der Säure kann dss komplexe GaIz in trockener Form gewonnen werden. Vorzugsweise wird das Reaktionsprodukt durch Schleudern getrennt, um überahüssige Flüssigkeit auszuscheiden. Das Produkt wird dann in einem-mit Wasser mischbaren Lösungsmittel aufgeschlämmt, beispielsweise -Methanol, Äthanol oder Isopropanol. Das Produkt wird erneut geschleudert, um es von dem größten Teil der Flüssigkeit zu trennen, und danach wird es luftgetrocknet oder ofengetrocknet» vorzugsweise unter 100 ⁰C, um eine trockene, weiße, flockige, fasrige Substanz' zu bilden.

Die fasrige Substanz kann in Wasser dispergiert werden, vorzugsweise durch Zerreiben, um eine kolloidal dispergierbare Substanz zu bilden. Sie bildet stabile zähflüssige Gele bei Feststoffkonzentrationen von hinab bis zu 0,5 $· Die Dispersion, vorzugsweise bei höheren Konzentrationen, wird getrocknet, um Strukturen in der gewünschten Form zu bilden. Der pH-Wert der Dispersionen und das spezielle Trocknungsverfahren bestimmen die physikalischen Eigenschaften der Produkte. Beispielsweise zeigte ein Produkt, das durch die Behandlung von Kollagen mit einer Calciumhydroxidlösung und der anschließenden Behandlung des gewonnenen Calciumsalzes mit Phosphorsäure gebildet wurde, bei Dispersion in Wasser in einem Anteil von 3 Gramm des Calciumphosphatkollagenreaktionsproduktes in 497 Gramm entionisiertem Wasser in einem Waring-Blendor-Apparat einen Anfangs-pH-Wert von 3,5 nach Aufschlämmen in

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Wasser und einen pH-Wert von 3>7 nach einer Einwirkung von Reibung nach 5 Minuten. Die Tiskosität betrug zwei Stunden nach der Herstellung der Dispersion, gemessen mit einem Brookfield-Viscometer Modell HAT bei 10 UpM und 20 ⁰G, 12200 Centipoise. Nach 24 Stunden betrug die Viskosität 12620 Centipoise, und diesen Wert behielt die Substanz über die Versuchsdauer hinweg, die mehrere Tage betrug. Eine ähnliche Dispersion, bei der der pH-Wert durch das Zusetzen von verdünnter Phosphorsäure auf einen Ausgangs-pH-Wert von 2,9 gebracht wurde, hatte einen End-pH-Wert von 3,1. Die Viskosität betrug nach 2 Stunden 1468O Centipoise und nach 24 Stunden 13760 Centipoise, und die Viskosität blieb auch hier wieder konstant.

In beiden Fällen bildete das Gel nach Gießen in eine flache Schale und nach Trocknung an der Luft zähe, flexible, bernsteinfarbene knorpelartige Strukturen. Dieselben Dispersionen bildeten, wenn sie gefriergetrocknet wurden, schwammartige Strukturen, wobei die verbindenden Partien der Substanz zwischen fas.erartigen und kleinen film- oder flockenartigen mikroskopischen Unterstrukturen variierten.

Das gefriergetrocknete Produkt, das aus dem Gel entstand, das einen pH-Wert von 3»7 hatte, zeigte eine pxöse, schwammartige Struktur. Seim Eintauchen in Wasser schwoll das Produkt erheblich an, hielt aber seine kohärente Struktur bei, ohne zu desintegrieren. Eine Wärmebehand-

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lung, beispielsweise ein Erhitzen der trockenen Struktur bei 105 G über einen Zeitraum von drei Stunden hinweg, verringert das Maß des Schwellens beim Eintauchen in Wasser. Andererseits zeigt das entstandene Produkt bei Erhöhung des pH-Werts der Dispersion durch den Zusatz von Ammoniak auf einen pH-Wert von etwa 4» 5 vor dem Gefriertrocknen eine markante Verringerung im Schwellen. Luftgetrocknete oder ofengetrocknete Produkte, die in der Form ununterbrochener. Filme ™ oder unporöser Strukturen vorgesehen sind, haben die gleichen Eigenschäften hinsichtlich Wasserabsorbtion und Schwellen, wenn sie aus Dispersionen mit verschiedenen pH-Werten hergestellt werden.

Elfenbeinartige und knochenartige Strukturen erhält man dadurch, daß man mit der Dispersion des partiellen Salzes von Kollagen ein mesoamorphes Salz des mehrwertigen Metalls und der betreffenden Säure mischt. Bei der Herstellung dieser Strukturen kann der Anteil an mehrwertigem Metallsalz zwischen mehreren °/o und 70 $ variieren, bezogen | auf das Gewicht des partiellen Salzes von Kollagen. Die Substanzen, die die geringeren Anbelle an Metallsalz enthalten, haben eine knorpelartige Struktur, während die, die mehr als etwa 4° f° ties Metallsalzes enthalten elfenbein- und knochenähnlich sind. Offensichtlich gilt, daß je höher der Anteil des mehrwertigen Metallsalzes, desto dichter das Undprodukt. Es gibt keinen scharfen Trennungsstrich zwischen der Flexibilität, Geschmeidigkeit, Dichte und Härte der Produkte inner-

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halb des angegebenen Anteilbereichs. Es erfolgt eine graduelle"Abnahme in der Flexibilität und Schmiegbarkeit und eine Zunahme in der Härte mit der Erhöhung des Anteils des Metallsalzes. Die Stabilität dieser Produkte variiert in Abhängigkeit von dem -pH-Wert- der Dispersion, aus dem das Produkt in der zuvor beschriebenen Heise entsteht. ^: .

In der Herstellung von Gubstanzen für knochenartige Strukturen können in der Dispersion oder in dem Gel andere gewünschte .Ionen und die sog. Spurenelemente und Radikale enthalten sein. Für den Fall eines Calciuuiphosphatkollagensalzes und einer Calciumphosphatdispersion oder einem Calciumphosphatgel kann beispielsweise das Fluorid- oder Carbonation ■ usw. darin enthalten sein, um Fluorapatit und Carbonatcalciumphosphatverbindungen zu bilden, beispielsweise die Hydroxyapatitcarbonatverbindungen, die in manchen Knochengeweben vorhanden sind.

Bei Säugetieren müssen Knorpel und Knochen gegen eine oder mehrere verschiedener Kräfte widerstandsfähig sein, beispielsweise gegen Druck-, Biege-, Verdreh- und Schlagkräfte. Der Viderstand gegen einige dieser Kräfte und bestimmte der mechanischen Festigkeitseigenschaften der Produkte gemäß der Erfindung können geändert und verbessert werden, indem den wässrigen Dispersionen oder Gelen Fasern zugesetzt werden, die als Terstärkungselemente fungieren.

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Die Pasern können aus synthetischen Polymeren gebildet sein, 'beispielsweise Polyester, Nylon, Polytetrafluoräthylen, Polyolefinen mad Polycarbonaten, sowie aus natürlichen Polymeren, beispielsweise KollagenfaBern, Amylosefasern und Chitin. Diese Fasern können jede gewünschte Größe haben, beispielsweise die konventionellen Textilgrößen, die zwischen etwa 1 und, 10 Denier liegen, und sie können in ihrer Länge zwi-

sehen etwa 6 mm und konventionellen Stapellängen von etwa 31 ^m liegen. ^ Die Pasern können als Einzelfasern eingeschlossen sein, oder sie können auch verfilzt, gewebt oder gewirkt sein, um nach Bedarf ein poröses oder durchlöchertes Gewebe in Flach- oder Rohrform oder in einer sonstigen Form zu bilden, das anschließend mit dem Calciumphosphatkollagen-. salz und der Oalciumphosphatdispersion imprägniert und beschichtet wird. Die Pasern können etwa 1 - 80 Gew.-Jo, vorzugsweise 15 - 60 Gew.-φ des · ^l Bndproduktes ausmachen, je nach der speziellen Anwendung.

Das komplexe partielle Calciumphosphatkollagensalz wird von undenatu- i riertem Kollagen abgeleitet bzw. hergestellt. Die bevorzugte Herkunft des Kollagens ist Kollagen bzw. Haut vom Eind, d.h. der Teil der Haut, der im wesentlichen Kollagen bildet und von dem das Haar und das ^: Fleisch entfernt worden sind. Dieser Stoff wird auch das Korium der Haut genannt. Andere Herkünfte des Kollagens, "beispielsweise Elchhaut, Schweinehaut, Ziegenhaut und Schafhaut, sind ebenfalls geeignet.

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Das Kollagenausgangsmaterial hat vorzugsweise eine gemahlene fasrige Form, wie sie durch die Verwendung der konventionellen Tlrschel-Mühle entsteht. Das fein zerkleinerte fasrige Kollagen wird in einer Lösung des Metallhydroxids aufgeschlämmt, das einen pH-Wert von etwa 8-12 hat. Die Feststoffkonzentration, d.h. der Anteil des fasrigen Kollagens, kann nach Bedarf gewählt sein, vorzugswei se bis zu etwa 10 ^i, wobei eine Schlämme mit einem Pest stoff anteil von 5 i° gut zu verarbeiten ist. Zweckmäßigerweise wird die Schlämme konstant umgerührt. Es ist festgestellt worden, daß eine zweckmäßige Praxis darin besteht, die Reaktion mit etwa 90 °fo der Metallhydroxidlösung zu beginnen und langsam zusätzliche Lösung zuzusetzen, um den gewünschten pH-Wert zu erreichen. Im allgemeinen ist eine Mischzeit von etwa 10 Minuten bis etwa 30 Minuten zufriedenstellend, je nach der Feststoffkonzentration. Bei einer Feststoffkonzentration von 5 fo ist eine Mischzeit, von 15 Minuten zufriedenstellend. Die Temperatur wird unter etwa 30 C gehalten und soll unter der Temperatur liegen, bei der Kollagen denaturiert wird.

Während des Uchlämmens reagiert das aufgelöste Metallhydroxid mit den freien vorhandenen Carboxylgruppen an aufeinanderfolgenden Kollagenmolekülen, um eine söge Salabrüoke zu bilden. Das Reaktionsprodukt wird vom Hauptteil der Flüssigkeit durch Schleudern getrennt und kann zweckmäßigerweise als nasser Kuchen gewonnen werden, der beispielsweise zwischen 20 und 40 $ Feststoffe enthält.

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Der nasse Kuchen wird in einem mit Wasser mischbaren organischen Lösungsmittel auf ge schlämmt, das die aufgelöste Säure enthalten kann. Die wässrige Säurelösung wird vorzugsweise mit dem in Wasser mischbaren organischen Lösungsmittel vorgemischt, um die Möglichkeit zu vermeiden, daß Teile des Metallkollagenreaktionsproduktes mit höher konzentrierter Säure in Kontakt gelangen, als das andere Teile des Metallkollagenreaktionsproduktes tun. Der Anteil der vorhandenen ™

Säure kann zwischen etwa 0,4 und etwa 0,8 Millimol Säure pro Gramm Kollagen variieren. Kollagen vom Rind enthält etwa 0,78 Millimol vorhandene primäre Aminogruppen pro Gramm Kollagen, und aus einem solchen Kollagen hergestellte Produkte haben einen gebundenen Säuregehalt, der im Bereich von etwa 0,4 bis etwa 0,7 Millimol pro Gramm Kollagen liegt, wobei der Durchschnittswert bei etwa 0,58 Millimol pro Gramm Kollagen liegt.

Die Reaktion kann in einem TJmlaufmixer durchgeführt werden, um eine gründliche Dispersion des Metallkollagensalzes in der verdünnten Säurelösung sicherzustellen Die Feststoffkonzentration kann bis zu etwa 15 "/o schwanken, und die Mischzeit kannzwischen 10 und 30 Minuten liegen. Ein zufriedenstellendes Mischen läßt sich mit Hilfe eines normalen Hobart-Mixers mit einer Feststoffkonzentration von etwa 10 ^c/o für die Dauer von etwa 15 Minuten durchführen. Wegen der Art der aufgeschlämmten kollagenhaltigen Substanz sind die Konzentrationen als

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Folge von Verarbeitungsschwierigkeiten begrenzt. Die spezielle Art der Mischapparatur, die in den "beiden Reaktionen verwendet wird, kann auf der Grundlage der Feststoffkonzentration gewählt werden. Einfache Rührwerke eignen sich für die niedrigeren Konzentrationen, während Umlaufmixer und Apparate wie der Gowles Dissolver oder eine Bauer-Mühle für die höheren Feststoffkonzentrationen verwendet werden können.

Nach der Reaktion mit der Säure wird das komplexe partiell ionisierbare Salz von dem Hauptteil der Flüssigkeit getrennt, "beispielsweise durch Abschleudern, und das Salz bzw. das Reaktionsprodukt wird als nasser Kuchen gewonnen. Der nasse Kuchen wird in Wasser oder in einem in Wasser mischbaren organischen Lösungsmittel aufgeschlämmt, vorzugsweise in einem organischen Lösungsmittel, um lösbare Substanzen zu entfernen. Das Salz wird dann vom Hauptteil der Flüssigkeit getrennt und getrocknet, um des komplexe Salz zu gewinnen. Vorzugsweise wird das mit Wasser mischbare organische Lösungsmittal sumindest in der Endwaschstufe benutzt, um ein Trockenprodukt zu liefern, das flockig und faserartig ist« Durch Ersetzen eines organischen Lösungsmittels wird die Schwellwirkung verringert, und es wird auch eine Wasserstoffbindung während des Trocknens verhindert.

Das trocken«; weiße, flockige Produkt ist in Wasser-dispergierbar. Vorzugsweise wird die Dispersion durch die Verwendung von Apparaten

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gebildet, in denen das komplexe Salz in einen kolloidalen Zustand gerieben wird. Dispersionen, die o,5 $ Feststoffanteile enthalten, haben eine Verringerung bzw. Erhöhung in der Viskosität von nicht mehr als etwa 10 $ innerhalb. von 24 Stunden nach der Hers teilung. Danach bleibt die Viskosität im wesentlichen konstant, d.h. sie ändert sich nicht mehr als um einige wenige Prozent über eine Lagerdauer von einer Woche bei einer Lagerung von 5 G unter Bedingungen, die den Verlust von Wasser verhindern.

In der Herstellung der Struktur aus dem trockenen, weißen, flockigen Produkt, das in dem wässrigen Medium dispergiert worden ist, wird das Wesen, der Struktur durch die spezielle Art der Trocknung bestimmt. Eine luftgetrocknete Dispersion, die frei von dispergiertem Gas ist, bildet eine harte, dichte, horaartige Struktur. Wenn die Dispersion dispergiertes Gas enthält, ist die Struktur porös, jedoch hart und hornartig. Eine gefriergetrocknete Dispersion, die frei von dispergiertem Gas ist, bildet eine'Struktur, die porös, jedoch hart und starr im Vergleich zur natürlichen, schwammig-porigen Knochenstruktur ist. Wenn die Struktur aus einer Dispersion gefriergetrocknet ist, die dispergiertes Gas enthält, beispielsweise aus einer schaumartigen Dispersion, ist die Struktur hochgradig porös.

Um die Beschreibung zu vereinfachen, wird auf die Herstellung von Strukturen Bezug genommen, die mit natürlichem Konochengewebe ver-

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gleichbar sind, und zwar durch Bezugnahme auf die Verwendung des Calciumphosphatkollagenkomplexsalzes und Calciumphosphat. Ss ist klar, daß dann, wenn andere Kationen und andere Anionen verwendet werden sollen, sie an die Stelle der Calcium- und Phosphationen treten können, um Strukturen mit ähnlichen Eigenschaften zu bilden.

^w In der Herstellung synthetischer knorpelartiger und knochenartiger Strukturen gemäß der Erfindung wird mesoamorphes Calciumphosphat mit einem wässrigen Gel des wasserunlöslichen ionisierbaren komplexen Kollagensalzes gemischt. Da Knochengewebe etwas Zitronensäure und Phosphatsalze enthalten, wird das komplexe Kollagensalz vorzugsweise dadurch hergestellt, daß das Kollagenausgangsmaterial mit Zitronensäure oder Phosphorsäure oder einem Säurephosphatsalz behandelt wird, um dadurch das Vorhandensein dessen zu vermeiden, was man als Fremdionen in dem Produkt bezeichnen könnte. Das Calciumphosphat kann

b ' dadurch gebildet werden, daß man Lösungen eines löslichen Phosphats, beispielsweise Natriumphosphat, mit einem löslichen Calciumsalz mischt, beispielsweise Calciumacetat, um damit ein gewünschtes Molverhältnis von Calcium zu Phosphat zu erhalten, vorzugsweise um ein Verhältnis von etwa 1,6 : 1 zu erhalten.

In der biologischen Bildung vonKnochengewebe und insbesondere dem harten Gewebe von Zähnen wird ©ine Apatitcarbonatverbindung produziert, die anscheinend für die extreme Härte solcher Gewebe verant-

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wortlich ist. In der Herstellung von Strukturen gemäß der Erfindung können geeignete Mengen der verschiedenen Anionen in den Gelgemischen, aufgenommen werden, vorzugsweise'-in der Herstellung des Calciumphosphats, um Relativverhältnisse zu liefern, die denen natürlicher Knochengewebe nahekommen. Beim Zusetzen "beispielsweise desCarbonatanions und des iluoridanions können etwa 1 - 10 Nol-fä, vorzugsweise 2 - 5 ^cß>i des Phosphatanions durch das Carbonatanion ersetzt werden, und etwa %

0,05-2 Μοί-',ί, vorzugsweise 0,1 - 0,6 ^, des Phosphatanions können durch das Fluoridanion ersetzt werden. Wenn andere Ionen aufgenommen werden sollen, beispielsweise die Oarbonat- und Fluoridanionen, werden vorzugsweise Salzlösungen, beispielsweise Natriumcarbonat und Uatriumfluorid, v/ährend der Herstellung des Oalciumphosphats zugesetzt. Vorzugsweise werden diese Lösimgen der löslichen Phosphatlösung zugesetzt, so daß bei Mischen der Lösung mit dem Calciumsalz die Salze, die die anderen Ionen enthalten, zusammen mit-dem Calciumphosphat niederschlagen. ■ _ ^: - ;.' - ; ■ J

Die Lösungen der löslichen Salze werden vorzugsweise unter heftigem-Umrühren gemischt. Die entstehende Schlämme der unlöslichen Salze wird im allgemeinen einen alkalischen pH-Wert von 10,5 ^is etwa 12 haben. DaB mesoamorphe Oalciumphosphat wird durch Filtration getrennt und gründlich mit Wasser gewaschen, um lösliche Salze zu entfernen. Das gewonnene nasse Salz wird in Wasser aufgeschlämmt, und unmittelbar vor dem Zusetzen der Schlämme zu einem wässrigen Gel des mikro-

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kristallinen Kollagensalzes wird der pH-Wert der uchlämme vorzugsweise auf etwa 5-5 durch das Zusetzen von Essigsäure gebracht. Alternativ wird die Schlämme, die den alkalischen pH-Wert hat, langsam der komplexen Kollagensalzdisperion zugesetzt, die einen pH-¥ert von etwa 2,5 - etwa 5»5 hat, und zwar unter ständigem umrühren. Der pH-Wert der vereinigten Schlämme und der Dispersion wird dann auf einen Wert gesenkt, der innerhalb des pH-¥ertbereiehs der Dispersion liegt, indem eine Säure zugesetzt wird, beispielsweise Essigsäure oder Phosphorsäure. Mit dem Senken des pH-Werts der Flüssigkeit, die das aufgeschlämmte Calciumphosphat enthält, auf die Säure entsteht eine strukturelle kristalline Umformung des Calciumphosphats.

Die Gemische werden auf einen Feuchtigkeits- bzw. Wassergehalt von etwa 5 °ß> bis etwa 25 $ getrocknet. Wenn poröse Strukturen gebildet werden sollen, wird die Trocknung vorzugsweise mit Hilfe eines Gefriertrockenverfahrens vorgenommen. Nachdem der Feuchtigkeitsgehalt auf einen Wert innerhalb des genannten Bereichs gesenkt worden ist, werden die Strukturen vorzugsweise erhitzt, beispielsweise in einem Ofen mit einer inerten Atmosphäre, und zwar auf eine Temperatur zwisohen etwa 100 ⁰C und etwa 120 ⁰C für die Dauer von 2-10 Stunden. Dieser HeiζVorgang erhöht die Stabilität der Gtruktureigenschaften der Produkte ia Gegenwart wässriger Flüssigkeiten erheblich.

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Die gewünschte Struktur wird durch Strangpressen oder Formen oder sonstwie gebildet. Um relativ dünne Strukturen zu Mlden, kann die Vereinigung aus Schlemme und Dispersion in eine Schale "bis zu einer gewünschten Stärke gegossen und dann in geeigneter Weise getrocknet werden. Alternativ können schwere Dispersionen oder pastenartige Dispersionen (Diepersionen mit höheren Feststoffkonzentrationen) in geeigneten Formen gegossen werden. Als weitere Möglichkeit können Blöcke gebildet und die gewünschten Produkte durch eine maschinelle Bearbeitung geformt werden.

Die folgenden speziellen Beispiele dienen lediglich zur Yeranschaulichung der Anwendung der ürfindung!

Beispiel 1 '

In einer Orschel-Mühle gemahlenes und vakuumgefriergetrocknetes Kollagen..vom Rind wurde mit Wasser gemischt, um eine geschwollene fasrige i Masse zu bilden, die einen Feststoffanteil von 30 $ hatte. Eine Calciumhydroxidlösung wurde in entionisiertem Wasser hergestellt, die einen pH-Wert von 11,6 hatte. 67O Gewichtsteile der geschwollenen fasrigen Masse wurden in 3330 Teile der Calciumhydroxidlösung eingemischt. Etwa 300 ml einer normalen GaIciumhydroxidlösung wurden während des Mischens zugesetzt, um den pH-Wert bei 11,6 zu halten. Das Mischen wurde bei Haumtemperatur 15 Minuten lang durchgeführt. Die Sohlämme wurde dann auf einen nassen Kuchen mit einer Feststoff konzentration von 30 °/j ge-

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schleudert. Eine Schlämme mit 10 fo Feststoffanteilen wurde in einem Hobart-Mixer hergestellt, in dem 67O Teile des nassen Kuchens einem vorgeformten Gemisch zugesetzt wurden, das aus 133° Teilen Isopropanol und 13,34 Teilen einer 85 jiigen Lösung von Phosphorsäure bestand. Es wurde 15 Minuten weitergemischt. Das entstandene Reaktionsprodukt ^ wurde von dem Hauptteil der Flüssigkeit getrennt, indem eine Schleuderung auf einen Feststoff gehalt von etwa 30 ','■· erfolgte. Die gewonnene nasse Substanz wurde in 1330 Teilen Isopropanol aufgeschlämmt, erneut geschleudert und dann luftgetrocknet.

Das Calciumphosphatkollagenkomplexsalz, das auf diese Weise hergestellt wurde, war eine weiße, flockige, fasrige Substanz. ITach Bilden einer 3 ^c/oigen Peststoffdispersion des Produktes in entionisiertem Wasser in einem Waring-Blendor-Apparat innerhalb von 15 Minuten entstand eine viskose dispersionsartige Substanz, die zwei Stunden ™ nach der Herstellung eine Viskosität von 12200 Gentipoise hatte, gemessen in einem Brookfield-Yiscometer, Modell HAT, bei 10 UpM und 25 ⁰C. Hach 24 Stunden hatte die Viskosität 12620 Centipoise erreicht,und sie blieb praktisch während der weiteren Lagerung bei 5 konstant. Beim-Anfangsstadium der Dispersion betrug der pH-Wert der Flüssigkeit etwa 3»5ι und beim Abschluß betrug der pH-Wert etwa 3,7·

In entsprechender Weise wurde eine andere dispersionsartige Substanz hergestellt, und der Anfangs-pH-Wert wurde auf 2,9 durch Zusetzen

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verdünnter Phosphorsäure .gebracht. Der End-pH-Wert betrug 3,1. Die Viskosität betrug 2 Stunden nach der Herstellung 14.680 Centipoise und fiel auf 1376O Centipoise am Ende von 24 Stunden ab. Eine weitere Lagerung erbrachte keine nennenswerte Änderungen in der Viskosität.

Ein Teil der jeweiligen dispersionsartigen Substanz wurde in eine flache Schale auf eine Tiefe von etwa 12 mm gegossen und auf einen Feuch- . tigkeitsgehalt von etwa 10 Jj luftgetrocknet, und danach wurden die Schalen in einen Ofen gesetzt, der auf 100 C gehalten wurde. Die filmartige Struktur wurde auf einen feuchtigkeitsgehalt von etwa 3 /' getrocknet.

Ein Teil der dispersionsartigen Substanz, die einen End-pH-Wert von5»7 hatte, wurde 12 Stunden lang auf einen Wassergehalt von etwa 4 ^c/° gefriergetrocknet (minus 40 ° "bis minus 50 ° G, Yakuum 50 Mikron, Heizzyklus nicht mehr als 30 °0 mit Kondensation von Wasser bei 60 ⁰C). * Der pH-Wert eines anderen Teils der dispersionsartigen Substanz wurde auf einen pH-Wert von etwa 4»5 erhöht, indem eine Calciumhydroxidlösung zugesetzt wurde. Die dispersionsartige Substanz wurde dann gefriergetrocknet.

Beide Produkte hatten eine poröse, schwammartige Struktur mit feinen Poren. Die miteinander verbundenen Feststoffe, die unter einem Mikroskop untersucht wurden, schienen eine fasrige und flockenartige

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Struktur zu haben, ohne daß es einen sichtbaren Nachweis für ausgeschiedenes Calciumphosphat gab. Beide Strukturen schwellen beim Legen in Wasser, bleiben aber als kohärente, nicht-gelantöse Körper bestehen und desintegrieren nicht. Je höher der pH-Wert der disperekmsartigen Substanz vor dem Gefriertrocknen ist, desto niedriger schwillt die Substanz.

Beispiel 2

Ein Calciumphosphatkollagenkomplexsalz wurde hergestellt, wie das in Beispiel 1 beschrieben worden ist. Durch Mischen einer Lösung von 4»78 Teilen Trinatriumphosphat in 100 Gewichtsteilen entionisiertem Wasser mit einer Lösung von 17»6 Teilen Calciumacetat in 100 Teilen entionisiertem Wasser wurde eine Calciumphosphatschlämme hergestellt. Die entstandene Schlämme hatte einen pH-Wert von 11,5· Das Calciumphosphat wurde gewonnen und mit entionisiertem Wasser gewaschen, um lösliche Salze auszuscheiden.

Es wurde eine dispereionsartige Substanz hergestellt, die 6 Gew.-^ CaI-ciumphosphatkollagenkomplexsalz in entionisiertem Wasser enthielt. Me dispersionsartige Substanz hatte in diesem Fall einen pH-Wert von 4»5· Der frisch gewonnene nasse Kuchen aus Caloiumphosphat (etwa 40 f° Feststoffe) in einer Menge, die etwa dem 2,5-faohen der Menge an Kollagenkomplexsalz gleichkam, wurde der dispersionsartigen Substanz in einem.

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Sigma-Mixer zugesetzt. Der pH-Wert des nassen Kuchens betrug etwa 10,5. Der pH-Wert des Gemisches wurde langsam auf etwa 4»5 - 5i0 gebracht, indem Phosphorsäure zugesetzt wurde. Ee wurde etwa zwei Stunden weitergemischt, und die Temperatur wurde unter 25 C gehalten, während der pH-Wert eingestellt wurde (während der ereten halben Stunde), und danach ließ man die Temperatur auf etwa 80 ⁰C bis zum Ende des Mischens ansteigen. Das Endgemisch hatte die Form einer nassen formbaren Ilasse.

Ein Teil der Masse wurde in einen rechteckigen Körper geformt, den man bei Raumtemperatur mit Zwangsluftumwälzung lufttrocknen ließ. Das luftgetrocknete Material, das etwa 15 /» Feuchtigkeit enthielt, wurde dann bei 105 C etwa 12 Stunden lang im Ofen getrocknet.

Das Produkt war hat, dicht und knochenartig. Ein ähnlich hartes, knochenartiges Produkt, das jedoch eine geringere Dichtigkeit hatte, entstand dadurch, daß ein entsprechend rechteckig geformter Körper f gefriergetrocknet wurde, wie das im Beispiel 1 beschrieben worden ist.

Die Produkte sowohl des Beispiels 1 als auch deε Beispiels 2 haben eine ausreaichend hohe strukturelle Stabilität, um ein Kochen in Wasser zu überstehen, ohne zu desintegrieren. Proben der Produkte gemäß Beispiel 1 und 2 widerstehen kochendem Wasser über einen Zeitraum von mindestens 6 Stunden hinweg, wobei ein Verlust in der Kohärenz in der Struktur auftritt.

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Palls andere Anionen vorgesehen sein sollen, beispielsweise die Fluorid- oder Carbonationen, werden den Lösungen während der Herstellung des Calciumphosphats geeignete Salze zugegeben, beispielsweise Natrium- oder Galciunifluorid oder Natriumcarbonat.

Die vorstehenden Beispiele dienen lediglich zur Veranschaulichung. Beispielsweise können in der Herstellung des Kollagenkomplexsalz.es andere Metallhydroxide an die Stelle des im Beispiel 1 verwendeten Calciumhydroxids treten. Es ist bekannt, daß bestimmte Hydroxide, beispielsweise Aluminium- und Chromhydroxid, nicht als in echter Lösung befindlich betrachtet werden dürfen, sie liegen aber bei den hohen pH-Verten in einem solchen Zustand vor, daß sie genauso reagieren wie das Calciumhydroxid. Wenn also von Metallhydroxiden gesprochen wird, die bei einem pH-Wert von 8-12 löslich sind, sollen diese Arten von Metallhydroxiden von der Definition mit umfaßt sein. Die physikalischen Eigenschaften der Produkte, die durch eine solche Substitution gebildet werden, sind im wesentlichen die gleichen, wie sie im Beispiel 1 und 2 beschrieben worden sind.

Jede der beschriebenen Säuren kann an die Stelle der Phosphorsäure im Beispiel 1 in der Herstellung des KoIlagenkomplexεalzes treten. Beispielsweise kann Zitronensäure verwendet werden. Das im Beispiel 2 zugesetzte 3alz kann auch Calciumphosphat sein. Alternativ können Gemische von Säuren verwendet werden.

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Vie auch schon erwähnt worden ist, können die strukturellen Eigen- schäften dadurch geändert werden, daß inerte Fasern der dispersionsartigen Substanz beigefügt werden. Beispielsweise werden die Biegebzw. Verdrehfestigkeiten der Produkte gemäß Beispiel 1 und 2 dadurch erhöht, daß Stapelfasern aus ITyIon 66 von 1 1/2 Denier oder andere Fasernbeigefügt werden. In einer Urεehe1-Mühle gemahlene Kollagen- A fasern mit einem Durchmesser von 55 - 40 Mikron und in Länden von etwa 6 mm sind ebenfalls gut geeignet. ■

Die hier offenbarten Substanzen und insbesondere die Substanzen, die die höheren Verhältnisse von Calciumphosphatverbindungen zu Kollagen haben, sind gut für die Herstellung von dreidimensionalen selbsttragenden schlagfesten Strukturen geeignet. Die dreidimensionalen Strukturen lassen sich gut maschinell bearbeiten, sägen, bohren und formen und können auf recht gute Qualität poliert werden. Die Härten, Dichten, kompakten Strukturen haben nach der maschinellen Bearbeitung und nach dem Polieren in vieler Hinsicht das gleiche Aussehen wie Elfenbein, und sie fühlen sich auch in vieler Hinsicht so an. Demgemäß kann das strukturelle Material zum Ersatz von Elefenhein in Musikinstrumenten verwendet werden, beispielsweise Pianotasten, Billardkugeln, Kostümschmuok und für Skulpturen verwendete Blöcke. Wegen des Kollagengehaltes können eine Vielzahl von Parbstoffen ver wendet werden, um für jede gewünschte Farbe zu sorgen.

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Wie bereits erwähnt, kann der anorganische Hauptbestandteil der Substanzen, d.h. die Calciumphosphatverbindungen, im Verhältnis von Calcium zum Phosphation von etwa 1 : 1 bis etwa 1,6 j 1 variieren, und es ist möglich, daß in manchen Fällen in der Masse ein Mischen bestimmter Calciumphosphatverbindungen erfolgt. Bei der Herstellung bestimmter Artikel, beispielsweise bei der Herstellung von ■| Kämmen und Spachteln, kann ein wässriges Gemisch mit einem hohen Feststoffgehalt von der dispersionsartigen Substanz und von Calciumphosphat mit zusätzlichen Fasern verwendet werden, um die Biegefestigkeit zu erhöhen. Außerdem kann ein Vernetzungsmittel vorgesehen sein, um die Feuchtigkeits- und Wasserbeständigkeit zu verbessern. Das Gemisch kann unter Verwendung von Preßformen, die die gewünschte Gestalt haben, geformt werden.

In der Herstellung der Substanzen zur Verwendung in der Knochenchirurgie, bei der die Struktur in ein Säugetier eingesetzt wird, beispiels-

weise einen Hund oder eine Katze, können Bakterizide, Fiagizide und Antibiotika in die Produkte aufgenommen werden, und zwar entweder während deren Herstellung oder, da vielerlei Produkte porös sind, duroh Imprägnierung. Blutstillende Mittel können für bestimmte Zwecke enthalten sein, wenn entweder ein Koagulum oder ein Antikoagulum in einer bestimmten Stelle erwünscht ist. Alternativ kann ein wässriges Gemisch mit einem hohen Feststoffanteil des dispergierten Kollagensalzes und des Caloiumphosphats oder eine nasse Masse eines gemahle-

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nen Troclcenproduktes in der Behandlung von Enochensohäden in der Art verwendet werden, in der zurzeit gemahlener feuchter Knochen verwendet wird. In diesem Beispiel werden das Bakterizid, das Fungizid, das Antibiotikum, das blutstillende Mittel oder soBstige Additive der feuchten Masse beigegeben. Beispiele für Mittel, die in der Masse enthalten sein können, sind bekannt. Dazugehören Chlortetracyclin, Erythomycin, Becitracin und Heparin.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche

1. Geschlossene dreidimensionale Struktur, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein komplexes partielles Salz von Kollagen mit einem mehrwertigen Metallion und mit einem ionisierbaren Säurekation enthält, wobei das mehrwertige Metall ein solches ist, dessen Hydroxid in Uasser bei einem pH-Wert zwischen etwa 8 und 12 löslich ist, und wobei die Ctruktur einem Eintauchen in kochendes Wasser mindestens 6 Stunden lang widersteht*

2. Geschlossene dreidimensionale Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mehrwertige Metallion Calcium ist.

3· Geschlossene dreidimensionale Struktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Anion ein Phosphation ist.

P 4· Geschlossene dreidimensionale Struktur nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner damit vermengtes Calciumphosphat enthält.

5. Verfahren zur Herstellung der dreidimensionalen wasserunlöslichen Struktur nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet, daß undenaturiertes Kollagen mit einem mehrwertigen Metallhydroxid zur Iteaktion gebracht wird, das in Wasser bei einem pH-Vfert von zwischen

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etwa 8 und 12 löslich ist, das Metallkollagenreaktionsprodukt gewonnen wird, das MetallkollagenreaktiönsprodTikt mit einer ionisierbaren Satire zur Bildung eines komplexen partiellen Salzes von Kollagen mit dem mehrwertigen Metallkation und dem ionisierbaren Anion zur Reaktion gebracht wird, das komplexe partielle Salz in eine "bestimmte strukturelle Gestalt geformt wird und die geformte Struk- · tür getrocknet wird. . *

6· Verfahren nach Anspruch 5tdadurch gekennzeichnet, daß dem komplexen partiellen Salz des Kollagens Calciumphosphat zugesetzt wird, ehe ein Formen in die bestimmte strukturelle Gestalterfolgt.

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