DE3500287C2

DE3500287C2 -

Info

Publication number: DE3500287C2
Application number: DE3500287A
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl.-Chem. Vogel; Wolfram Dipl.-Chem. Dr.Rer.Nat. Ddr 6902 Jena-Lobeda Dd Hoeland; Werner Prof. Dr.Habil. Ddr 6900 Jena Dd Vogel
Original assignee: Jenaer Glaswerk GmbH
Current assignee: Vitron Spezialwerkstoffe 07745 Jena De GmbH
Priority date: 1984-01-24
Filing date: 1985-01-07
Publication date: 1988-03-10
Also published as: DE3500287A1; US4698318A; DD247888A1; JPH0155204B2; JPS60166247A

Description

Die Erfindung betrifft Phosphatglaskeramik zur biologischen Anwendung.

Die erfindungsgemäße Glaskeramik kann insbesondere als Biomaterial in der Medizin und Biologie eingesetzt werden, wobei vor allem die Anwendung als Hartgewebs- bzw. Knochenersatz möglich ist.

Durch die Entwicklung von apatithaltigen Glaskeramiken war es gelungen, bioaktive Implantationsmaterialien für den Knochenersatz in der Humanmedizin einzusetzen. Da der Hauptbestandteil des menschlichen Knochens Apatit, Ca₁₀(PO₄)₆(OH, F)₂, ist, kommt es zu einem direkten Verwachsen zwischen Knochen und bioaktivem Implantat. Derartige apatithaltige bzw. CaO- und P₂O₅-haltige bioaktive Glaskeramiken auf der Basis eines Silikatgrundglases werden in der DE-OS 28 18 630, DE-AS 23 26 100 und DE-OS 33 06 683 sowie von Kokubo et. al. (Yogyo-Kyokai-Shi 89, 1981, 44) beschrieben.

Obwohl sich ein großer Teil der bekannten Glaskeramiken in der Praxis gut bis sehr gut bewährt haben, ist die Auswirkung der Langzeitwirkung von Siliziumverbindungen auf den menschlichen Körper noch nicht geklärt.

Dem haben eine Reihe von Entwicklungen bereits Rechnung getragen und es wurden hoch P₂O₅- und CaO-haltige Gläser, hoch P₂O₅- und CaO-haltige Glaskeramiken und hoch P₂O₅- und CaO-haltige Sinterkeramiken hergestellt.

Gläser für biologische Einsatzzwecke im System P₂O₅-CaO-Na₂O- (MgO, BaO, B₂O₃) wurden von Courpied et. al. (Inter. Orthopaedics 6, 1982, 1) beschrieben. Die Materialien sind jedoch resorbierbar, besitzen keine Apatitkristalle und sind im biologischen Medium nicht langzeitstabil. Gläser im System CaO- P₂O₅-Al₂O₃ werden von Wihsmann und Mitarbeitern (Wissenschaftliche Zeitschrift der Friedrich-Schiller-Universität Jena, Math.-Naturwissenschaftl. Reihe 32, 2/3, 1983, 553) beschrieben. Diese Gläser werden als biokompatibel bezeichnet, sie enthalten keine Apatitkristalle und bestehen aus ring- und kettenförmigen Phosphatstrukturen hohen Kondensationsgrades. Im Knochen dagegen liegen kleine Phosphatstrukturelemente in Form von Apatitkristallen vor.

Phosphatreiche Sinterkeramiken, wie in der US-PS 41 95 366, in der US-PS 40 97 935 und in der US-PS 41 49 893 beschrieben, besitzen zwar einen hohen Kristallanteil an Apatit oder Whitlockit, haben jedoch den Nachteil, daß die für das Knochenwachstum förderlichen Ionenaustauschreaktionen sowohl durch zu geringe oder fehlende Alkaligehalte als auch durch die minimale Glasphase nicht steuerbar sind. Außerdem wird die amorphe Phase zwischen den Kristallen durch Reaktionen mit der Körperflüssigkeit zum Teil beträchtlich ausgelaugt. Gleiches trifft für die Whitlockitkristalle, Ca₃(PO₄)₂, zu.

Bisher bekannte SiO₂-freie Phosphatglaskeramiken für biologische Anwendungen, insbesondere für den Knochenersatz, enthalten keine Apatitkristalle. In der JP-AS 55-11 625 enthält die Phosphatglaskeramik die Kristallphase β-Ca(PO₃)₂. Die Glaskeramik nach Zhu et. al. (J. Non-Cryst. Sol. 52, 1982, 503- 510), die in einem Sinterprozeß aus einem Glas und einer kristallinen Verbindung hergestellt wurde, enthält als Hauptkristallphase Ca₂P₂O₇ und die Schaumglaskeramik nach Pernot et. al. (J. Mat. Sci. 14, 1979, 1694) enthält die Hauptkristallphase Ca(PO₃)₂.

Damit ist nach dem bisherigen Stand der Technik ein optimaler Verbund zwischen Glaskeramik und Knochen nicht erreichbar.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, bei Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik eine dem Knochen weitgehend angepaßte Glaskeramik mit einstellbaren biologisch aktiven Eigenschaften zu entwickeln.

Aufgabe der Erfindung ist, eine SiO₂-freie bzw. SiO₂-arme, hoch P₂O₅- und CaO-haltige, dem Knochen weitgehend angepaßte Glaskeramik mit einstellbaren biologisch aktiven Eigenschaften zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Phosphatglaskeramik aus der Zusammensetzung

Al₂O₃ 3-21 Masse-% CaO 8-26 Masse-% R₂O10-25 Masse-% P₂O₅43-58 Masse-%

besteht, wobei R₂O bis 25 Masse-% Na₂O und bis 18 Masse-% K₂O enthalten kann, und neben der Glasphase die Hauptkristallphasen Apatit oder Apatit und Aluminiumorthophosphat enthält. Diese Kristallphasen stimulieren das Knochenwachstum. Dabei sind in der erfindungsgemäßen Phosphatglaskeramik vorzugsweise Fluorapatit, Hydroxylapatit, gemischter Fluor-Hydroxylapatit bzw. durch Einbau von Magnesiumionen und/oder Eisenionen und/oder Kaliumionen in das Apatitgitter veränderte Apatite enthalten. Das trifft auch dann zu, wenn die erfindungsgemäße Glaskeramik die Zusatzkomponenten TiO₂, B₂O₃, F^-, SiO₂, FeO, Fe₂O₃ oder MgO einzeln oder gemeinsam in den Grenzen

TiO₂0-10 Masse-% B₂O₃0- 6 Masse-% F^-0- 7 Masse-% SiO₂0- 7 Masse-% FeO0- 6 Masse-% Fe₂O₃0- 5 Masse-% MgO0- 6 Masse-%

enthält.

Das erfindungsgemäße Glaskeramikmaterial wird aus einem Ausgangsglas, das bei 1150°C bis 1550°C erschmolzen wird, hergestellt. Das Ausgangsglas wird bis unterhalb der Transformationstemperatur abgekühlt oder direkt aus der flüssigen Schmelze einer gesteuerten Kristallisation unterworfen. Die Formgebung kann dabei durch Gießen als Massivmaterial oder durch Aufbringen auf einen Festkörper (Schichtmaterial) erfolgen. Erfolgt die gesteuerte Kristallisation erst nach Abkühlung der Schmelze, ist eine thermische Nachbehandlung des Ausgangsglases im Temperaturbereich von 450°C bis 650°C notwendig. Dieser Prozeß kann in einem oder mehreren Intervallen dieses Temperaturbereiches erfolgen.

Obwohl die bisher bekannten Voraussetzungen einer typischen gesteuerten Kristallisation, nämlich eine vorhergehende gesteuerte Phasentrennung, fehlen, kann je nach Zusammensetzung und thermischer Behandlung der Schmelze oder des Ausgangsglases eine gezielte Ausscheidung von Apatit- oder Apatit- und AlPO₄-Kristallen erfolgen. Diese, die Eigenschaften der Glaskeramik bestimmenden Kristallphasen, wurden durch Röntgenbeugungsuntersuchungen nachgewiesen.

Mit der erfindungsgemäßen Glaskeramik ist zum ersten Mal in einem Invertglas eine gesteuerte Kristallisation erreicht worden. Kernresonanzuntersuchungen haben durch einen quantitativen Nachweis von kleinen Phosphatstrukturelementen, insbesondere von Orthophosphat- und Diphosphatgruppierungen, den Invertglascharakter des Ausgangsglases bewiesen.

Die Apatitkristalle bewirken, daß die erfindungsgemäße Glaskeramik bioaktive Eigenschaften besitzt und mit dem Knochen in hohem Maße verwächst, was im tierexperimentellen Versuch nachgewiesen werden konnte. Ein weiteres wesentliches Merkmal gegenüber allen bekannt gewordenen Erfindungen ist, daß in der erfindungsgemäßen Glaskeramik neben Apatit gleichzeitig die den Quarz-Modifikationen isotypen AlPO₄-Kristallphasen zur Ausscheidung gebracht werden können. Unter den gegebenen Umständen ist die Kristallisation in Abhängigkeit von Zusammensetzung und Wärmebehandlung in der Weise zu steuern, daß sowohl neben Fluorapatit oder Hydroxylapatit als auch neben gemischten Fluor-Hydroxylapatit oder Apatitphasen, die Eisen-, Natrium-, Kalium- oder Magnesiumionen einzeln oder gemeinsam enthalten, Aluminiumorthophosphat zur Ausscheidung gebracht werden kann. Dabei entsteht das Aluminiumorthophosphat vorzugsweise in der Tridymit-Form und/oder der dem Tiefquarz isotypen Form, dem Berlinit. Außerdem können durch Einbau anderer Ionen veränderte AlPO₄-Strukturen auftreten. Tiefquarz und Berlinit sind piezoelektrisch. Es ist medizinisch erwiesen, daß elektrische Reize eine Knochenbruchheilung ganz enorm fördern können. Im vorliegenden Fall müssen bei der mechanischen Belastung einer implantierten erfindungsgemäßen Keramik an Berlinitkristallen piezoelektrische Impulse auftreten. Sowohl die gleichfalls nachgewiesenen Oberflächenaufladungen der Glaskeramik als auch die piezoelektrischen Effekte geben zu einem optimalen Verbund zwischen Knochen und Biokeramik Anlaß. Eine derartige Lösung des Verbundproblems zwischen Biokeramik und Knochen ist bisher noch nicht beschrieben worden.

Neben den die Haupteigenschaften der Biokeramik bestimmenden Kristallphasen kann die erfindungsgemäße Phosphatglaskeramik weitere Nebenkristallphasen enthalten. In einigen Fällen weisen diese Nebenkristallphasen jedoch auch Röntgenbeugungspeaks auf, die Hinweise auf stark gestörte oder neuartige eventuell auch nichtstöchiometrische Verbindungen gegben.

Die erfindungsgemäße Phosphatglaskeramik kann als Kompaktmaterial, als dünne Schicht oder in Form von Granulat als Mischung, z. B. mit Polyurethanen als Knochenzement, zur biologischen Anwendung kommen.

Anhand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden. Ein Überblick über die Zusammensetzungen der erfindungsgemäßen Phosphatglaskeramikmaterialien wird in Tabelle 1 in Masse-% angegeben.

Die Tabelle 2 enthält ausgewählte typische Beispiele für den Kristallphasenbestand in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und der thermischen Behandlung der erfindungsgemäßen Phosphatglaskeramik.

Die als Phosphatmischphase gekennzeichneten Kristallphasen stellen stark gestörte oder neuartige, eventuell auch nichtstöchiometrische Verbindungen dar.

Tierexperimentelle Untersuchungen haben bewiesen, daß die erfindungsgemäße Phosphatglaskeramik eine sehr gute biologische Verträglichkeit und sehr gute biologisch aktive Eigenschaften aufweist, was in einem bindegewebsfreien Verbund zwischen Knochen und Glaskeramikimplantat nachgewiesen wurde.

Tabelle 1 (Masse-%)

Tabelle 2

Claims

1. Apatithaltige bioaktive Calcium-Phosphatglaskeramik, gekennzeichnet dadurch, daß die Phosphatglaskeramik aus der Zusammensetzung Al₂O₃ 3-21 Masse-% CaO 8-26 Masse-% R₂O10-25 Masse-% P₂O₅43-58 Masse-%besteht, wobei R₂O bis 25 Masse-% Na₂O und bis 18 Masse-% K₂O enthalten kann, und neben der Glasphase und der Hauptkristallphase Apatit, gegebenenfalls Aluminiumorthophosphat enthält.

2. Phosphatglaskeramik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material die Zusatzkomponenten TiO₂, B₂O₃, F^-, SiO₂, FeO, Fe₂O₃ oder MgO einzeln oder gemeinsam in folgenden Grenzen enthalten kann TiO₂0-10 Masse-% B₂O₃0- 6 Masse-% F^-0- 7 Masse-% SiO₂0- 7 Masse-% FeO0- 6 Masse-% FE₂O₃0- 5 Masse-% MgO0- 6 Masse-%

3. Phosphatglaskeramik nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß neben Fluorapatit Aluminiumorthophosphat auftritt.

4. Phosphatglaskeramik nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß neben Hydroxylapatit Aluminiumorthophosphat auftritt.

5. Phosphatglaskeramik nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß neben gemischtem Fluor-Hydroxylapatit Aluminiumorthophosphat auftritt.

6. Phosphatglaskeramik nach Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Apatitphase Eisenionen
und/oder Magnesiumionen
und/oder Magnesiumionen
und/oder Natriumionen
und/oder Kaliumionenenthalten kann.

7. Phosphatglaskeramik nach Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Apatitphase die Tridymit-Form des Aluminiumorthophosphates auftritt.

8. Phosphatglaskeramik nach Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Apatitphase die Berlinit-Form des Aluminiumorthophosphates auftritt.

9. Phosphatglaskeramik nach Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Apatitphase die Berlinit-Form und die Tridymit-Form des Aluminiumorthophosphates auftritt.

10. Phosphatglaskeramik nach Ansprüchen 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß neben den beschriebenen Hauptkristallphasen Apatit und Aluminiumorthophosphat weitere kristalline Phosphatphasen auftreten.

11. Verwendung der Phosphatglaskeramik nach den Ansprüchen 1-10 als Material zur biologischen Anwendung in Form eines Kompaktmaterials, in Form dünner Schichten oder in Form von Granulat als Mischung, z. B. mit Polyurethanen als Knochenzement.