DE60030777T2

DE60030777T2 - Verfahren zur Herstellung von aus Sol-Gel stammenden, bioaktiven Silicafasern und zugehörige Verfahren und Aufwendungen

Info

Publication number: DE60030777T2
Application number: DE60030777T
Authority: DE
Inventors: Timo Peltola; Mika Jokinen; Sinikka Veittola; Antti Yli-Urpo
Original assignee: DelSiTech Oy
Current assignee: DelSiTech Oy
Priority date: 1999-12-01
Filing date: 2000-11-28
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2020-11-29
Also published as: EP1268893B1; US6632412B2; DE60030777D1; ES2270883T3; US20040033187A1; EP1268893A1; US20020064493A1; ATE339535T1; AU1866801A; WO2001040556A1

Description

Die Erfindung betrifft bioaktive aus einem Sol-Gel stammende Silicafasern, Verfahren für ihre Herstellung, eine implantierbare Vorrichtung, umfassend die erwähnten Fasern, und die Verwendung der besagten Vorrichtung zur Gewebeführung oder Knochenreparatur.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Das Sol-Gel-Verfahren wurde weithin als ein alternatives Verfahren verwendet, um eine große Vielzahl von Anwendungen, einschließlich Monolithen, Pulvern, Überzügen und Fasern herzustellen. Ein wachsendes Interessengebiet sind die Biokeramiken, die als Implantate, Füllstoffe oder Wirkstoffabgabevorrichtungen verwendet werden können.
Die rheologischen Eigenschaften der Silicasole und die Verarbeitung der aus einem Sol-Gel stammenden Silicafasern sind gut bekannt.^1–9 Die häufigste gemeinsame Eigenschaft der Sole beim Faserspinnen ist ein niedriges Wasser-zu-TEOS-Molverhältnis (etwa 2) (TEOS = Tetraethylorthosilicat oder Tetraethoxysilan). Das niedrige Wasser-zu-TEOS-Verhältnis zeigte eine Bildung bzw. Formation linearer Silica-Polymere an, was ein wichtiger Faktor für spinnfähige Sole ist. Verschiedene aus einem Sol-Gel stammende Fasern (enthaltend Ti, Si, Zr, Pb, Y, Mg oder Al) wurden erfolgreich hergestellt.^5,6,10–13 Die häufigste gemeinsame Verwendung für diese Fasern sind Anwendungen für optische und elektronische Zwecke.^14–27
Im Allgemeinen wurden die Fasern verwendet, um mechanische Eigenschaften in verschiedenen Materialien zu verbessern. Die Volumenstruktur ("bulk structure") der aus einem Sol-Gel stammenden Silicafasern kann durch Kontrollieren des Grades der Verzweigung von Silica-Clustern variiert werden. Die Hitzebehandlung der Fasern ist ein anderes bekanntes Verfahren zum Verdichten der Volumenstruktur. Die mechanischen Eigenschaften werden nach Hitzebehandlung bei hohen Temperaturen besser. In Anwendungen, in denen die Fasern als Wirkstoffabgabevorrichtung in weichem Gewebe verwendet werden, sind die mechanischen Eigenschaften von geringerer Wichtigkeit. Wenn bessere mechanische Eigenschaften benötigt werden, muss angemerkt werden, dass sich der biologische Abbau nach Hitzebehandlung bei hohen Temperaturen verringert. In dem früheren Artikel der Erfinder²⁸ wurde der biologische Abbau der aus einem Sol-Gel stammenden Silicafasern (die nicht hitzebehandelt waren) untersucht. Es wurde festgestellt, dass der biologische Abbau der Fasern im grünen Zustand ("green state") durch Einstellen der Stufe der Spinnbarkeit (durch Variieren des Spinnmoments) und der Viskosität des Sols variiert und kontrolliert werden kann. Es wurde festgestellt, dass Fasern, die in der frühen Stufe der Spinnbarkeit gesponnen wurden, sich in der simulierten Körperflüssigkeit ("simulated body fluid") (SBF) langsamer abbauen als Fasern, die in einer späteren Stufe gesponnen wurden.
Eine andere wichtige Eigenschaft der Biomaterialien, Bioaktivität, wurde weitgehend auch für aus einem Sol-Gel stammenden Materialien untersucht. Die Fähigkeit der Materialien HCA (HCA = knochenartiges Calciumphosphat) zu bilden, kann zu Osteokonduktion und weiterhin zu Knochenbindung unter in-vivo-Bedingungen führen.^29,30
Die Bildung der HCA-Schicht kann in einer in-vitro-Umgebung unter Verwendung von simulierter Körperflüssigkeit simuliert werden. Die SBF-Lösung enthält anorganische Ionen in Konzentrationen, die denjenigen in menschlichem Blutplasma entsprechen.³¹ Das gebildete HCA weist mehrere Charakteristika auf, die dem Apatit im Knochengewebe ähnlich sind, und es wird angenommen, dass es durch eine anorganische chemische Reaktion in vitro ähnlich derjenigen, die in dem Knochengewebe auftritt, gebildet wird. Bei diesem in-vitro-Bioaktivitätstest wird allgemein akzeptiert, dass er einen Hinweis bezüglich der in-vitro-Bioaktivität liefert.³²
Das Dokument WO 97/45367 offenbart kontrolliert auflösbare Silica-Xerogel-Fasern, die über ein Sol-Gel-Verfahren hergestellt wurden, und ihre Verwendung. Es offenbart speziell ein Abgabesystem, umfassend kontrollierbar auflösbares Silica-Xerogel, wobei ein biologisch aktives Agens in diese Struktur eingearbeitet ist. Es offenbart auch das Ziehen von Fasern aus einem Sol, wenn seine Viskosität etwa 10 mPa·s betrug. Es offenbart auch das Sterilisieren der Fasern mit heißer Luft.
Das Dokument DE 196 09 551 offenbart bioabbaubare und/oder biologisch resorbierbare Fasern und ihre Verwendung als Verstärkungsfasern, z.B. in Implantatmaterialien. Es offenbart weiter als mögliche Verwendungen der Fasern der Erfindung die Herstellung von Depots aktiver Agenzien, die allmählich während des Faserabbaus freigesetzt werden. Es offenbart auch ein Verfahren zum Herstellen der Fasern, welches das Verwenden einer Viskosität zwischen 0,05 und 50 Pa·s, vorzugsweise zwischen 0,5 und 3 Pa·s, umfasst.
Aus einem Sol-Gel stammende bioaktive Silicafasern werden im Stand der Technik nicht erwähnt. Solche bioaktiven Silicafasern würden Alternativen zur Entwicklung neuer Produkte, z.B. implantierbare Vorrichtungen, die bei der Gewebeführung oder Knochenreparatur verwendet werden sollen, bereitstellen.
AUFGABEN UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das Ziel dieser Erfindung ist es, eine aus einem Sol-Gel stammende bioaktive Silicafaser bereitzustellen. Das Ziel ist insbesondere, eine aus einem Sol-Gel stammende Silicafaser bereitzustellen, deren Löslichkeit und Bioaktivität innerhalb eines weiten Rahmens variiert werden können und wobei die Löslichkeit und Bioaktivität bis zu einem gewissen Maß unabhängig voneinander variiert werden können.
Eine andere Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer aus einem Sol-Gel stammenden, bioaktiven Silicafaser der zuvor genannten Art bereitzustellen.
Noch eine Aufgabe ist es, eine implantierbare Vorrichtung, basierend auf der zuvor genannten Faser, gegebenenfalls beladen mit einem biologisch aktiven Agens, zu erzielen, wobei die Vorrichtung vorzugsweise in Form einer gewebten oder nicht-gewebten Stoffbahn, eines gewirkten Gewebes oder einer Flechtleine, insbesondere geeignet zur Verwendung als Gewebeführung oder Knochenreparatur, vorliegt.
Gemäß einem Aspekt betrifft diese Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer aus einem Sol-Gel stammenden, bioaktiven Silicafaser, wobei das Verfahren das Spinnen der Faser auf einem Silicasol umfasst, wobei der Startpunkt des Spinnprozesses einer Solviskosität von mindestens 3.000 cP entspricht, gefolgt von Hitzebehandlung für eine ausreichende Zeitdauer bei einer Temperatur im Bereich von 150 bis 200°C.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft diese Erfindung eine aus einem Sol-Gel stammende, bioaktive Silicafaser, erhältlich durch Spinnen aus einem Sol bei einem Startpunkt des Spinnverfahrens, entsprechend einer Solviskosität von mindestens 3.000 cP, wonach die Faser einer Hitzebehandlung für eine ausreichende Zeitdauer bei einer Temperatur im Bereich von 150 bis 200°C unterzogen wurde.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft diese Erfindung eine implantierbare Vorrichtung, umfassend eine Faser gemäß dieser Erfindung.
Weiterhin betrifft diese Erfindung die Verwendung der implantierbaren Vorrichtung gemäß dieser Erfindung zur Gewebeführung oder Knochenreparatur.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die 1a bis 1f zeigen die SiO₂-Löslichkeit als Funktion der Eintauchzeit in SBF für verschiedene aus einem Sol-Gel stammende SiO₂-Fasern, die für 2 Wochen, 3 Monate bzw. 5 Monate gealtert waren.
Die 2a bis 2f zeigen die in-vitro-Bioaktivität (gemessen als Veränderung der Ca-Konzentration in der SBF-Lösung) als Funktion der Eintauchzeit in SBF für verschiedene aus einem Sol-Gel stammende SiO₂-Fasern, die für 2 Wochen, 3 Monate bzw. 5 Monate gealtert waren.
Die 3a bis 3c zeigen die SiO₂-Löslichkeit als Funktion der Eintauchzeit in SBF für verschiedene aus einem Sol-Gel stammende SiO₂-Fasern, die bei 175°C (a) bzw. 250°C (b) hitzebehandelt waren.
Die 4a und 4b zeigen die in-vitro-Bioaktivität (gemessen als Veränderung der Ca-Konzentration in der SBF-Lösung) als Funktion der Eintauchzeit in SBF für verschiedene aus einem Sol-Gel stammende SiO₂-Fasern, die bei 175°C (a) bzw. 250°C (b) hitzebehandelt waren.
5 zeigt die Viskosität des Spinn-Sols gegen die Zeit und gibt das Spinnbarkeitssystem zum Spinnen der verschiedenen aus einem Sol-Gel stammenden SiO₂-Fasern an.
6 zeigt den Bioaktivitätsindex als Funktion der Solviskosität beim Start des Faserspinnens für aus einem Sol-Gel stammende SiO₂-Fasern, die für 2 Wochen, 3 Monate oder 5 Monate gealtert waren oder bei 175°C oder 250°C hitzebehandelt waren.
7 zeigt die SiO₂-Löslichkeit, gemessen als Sättigungskonzentration von Siliciumdioxid in SBF als Funktion der Solviskosität beim Start des Faserspinnens für aus einem Sol-Gel stammende SiO₂-Fasern, die für 2 Wochen, 3 Monate oder 5 Monate gealtert waren oder bei 175°C oder 250°C hitzebehandelt waren.
8 zeigt die SiO₂-Löslichkeit in Gew.-% pro Stunde (berechnet aus dem linearen Anteil der Kurven vor der Siliciumdioxid-Sättigungskonzentration) in SBF als Funktion der Solviskosität beim Start des Faserspinnens für aus einem Sol-Gel stammende SiO₂-Fasern, die für 2 Wochen, 3 Monate oder 5 Monate gealtert waren oder bei 175°C oder 250°C hitzebehandelt waren.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Wirkung des Alterns und der Hitzebehandlung auf die Bioaktivität der Fasern gemäß dieser Erfindung ist bei Fasern stärker, die aus Solen höherer Viskosität gesponnen wurden, als bei Fasern, die aus Solen bei geringerer Viskosität gesponnen wurden. Somit sollte der Startpunkt für das Spinnen der Fasern vorzugsweise bei einer Solviskosität von mindestens 3.000 cP liegen, um eine gute Bioaktivität zu erhalten.
Die Hitzebehandlung sollte für eine ausreichende Zeit, z.B. 2 Stunden, in einem Temperaturbereich von 150 bis 200°C, vorzugsweise etwa 175°C, durchgeführt werden.
Die Wirkung des Alterns auf die Löslichkeit (Bioabbaubarkeit) der Fasern gemäß dieser Erfindung ist bei Fasern stärker, die aus Solen höherer Viskosität gesponnen wurden, als bei Fasern, die aus Solen bei geringerer Viskosität gesponnen wurden. Somit sollte der Startpunkt des Spinnens der Fasern bei einer Solviskosität von mindestens 3.000 cP beginnen, um Fasern mit erhöhter Löslichkeit zu erhalten. Wenn Fasern mit hoher Bioaktivität und ziemlich geringer Löslichkeit gewünscht werden, soll die Bioaktivität der Fasern durch Hitzebehandlung der Fasern erzeugt werden.
Wenn eine mäßig bioaktive Faser, beladen mit einem biologisch aktiven Mittel, z.B. einem therapeutisch aktiven Mittel, gewünscht wird, wird dieses Mittel vorzugsweise vor dem Spinnen zu dem Sol hinzugefügt. In diesem Fall wird die Bioaktivität vorzugsweise durch Hitzebehandlung bei niedriger Temperatur erzeugt, um nachteilige Effekte der Hitze auf das biologisch aktive Mittel zu vermeiden.
Bevorzugte biologisch aktive Mittel sind insbesondere Mittel, die zweckmäßig sind, um die Biokompatibilität der implantierten Vorrichtung im Körper eines Säugers zu ermöglichen bzw. zu erleichtern und um Komplikationen nach der Operation zu vermeiden. Somit können als Beispiele zweckmäßiger biologisch aktiver Mittel entzündungshemmende, antimikrobielle und Beruhigungsmittel, antithrombotische Mittel, Wachstumsfaktoren und dergleichen genannt werden.
Die implantierbare Vorrichtung kann aus einer einzelnen Art von Fasern gemäß dieser Erfindung hergestellt sein. Alternativ kann die Vorrichtung eine Mischung aus zwei oder mehreren Arten von Fasern gemäß dieser Erfindung umfassen. In diesem Fall kann eine bestimmte Faser mit einem biologisch aktiven Mittel beladen sein, während die anderen Fasern nicht beladen sind. Alternativ können alle Arten von Fasern mit einem biologisch aktiven Mittel beladen sein. Die Vorrichtung kann weiterhin andere Komponenten, z.B. Füllstoffe oder Fasern, die per se bekannt sind, umfassen. Durch Auswählen geeigneter Arten und Mengen verschiedener Fasern und gegebenenfalls anderer Komponenten können implantierbare Vorrichtungen gewünschter Eigenschaften, wie Festigkeit, Bioresorbierbarkeit, Bioaktivität etc., erzielt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung gemäß dieser Erfindung in Form einer gewebten oder nicht-gewebten Stoffbahn, eines gewirkten Gewebes oder einer Flechtleine.
Die Erfindung wird detaillierter in dem experimentellen Abschnitt bei den folgenden nicht-einschränkenden Beispielen beschrieben werden.
Experimenteller Teil
Das Ziel der Versuche war es, die Wirkung des Alterns oder der Hitzebehandlung auf die Löslichkeit (Bioabbaubarkeit) und die Calciumphosphat-Bildungs-Fähigkeit (Bioaktivität) der verschiedenen aus einem Sol-Gel stammenden, möglicherweise bioaktiven Silicafasern im grünen Zustand zu untersuchen. Verschiedene Fasern mit verschiedenen Volumenstrukturen wurden durch Verändern der Zusammensetzung (Variieren des Katalysators) und Kontrollieren der Stufe der Spinnbarkeit und der Viskosität des Sols hergestellt. Der Einfluss der Alterungszeit oder der Temperatur in dem Hitzebehandlungsschritt der Fasern auf die Volumenstruktur der Proben wurde untersucht. Darüber hinaus wurde die Fähigkeit, Calciumphosphat zu bilden, indirekt als strukturelle Veränderungen der Fasern durch den Löslichkeitstest untersucht. Die in-vitro-Bioaktivität- und -Löslichkeitstests wurden in einer simulierten Körperflüssigkeit durchgeführt. Trockenspinnen wurde verwendet, um Fasern herzustellen.
Materialien und Methoden
Aus einem Sol-Gel stammende SiO₂-Fasern
Die Fasern im grünen Zustand wurden unter Verwendung des Sol-Gel-Verfahrens und der Trockenspinntechnik hergestellt. Die Silicasole wurden aus Tetraethylorthosilicat (TEOS), deionisiertem Wasser, absolutem Ethanol und HNO₃ oder NH₃ als Katalysatoren hergestellt. Die Solzusammensetzung in molaren Verhältnissen der verschiedenen hergestellten Fasern ist in Tabelle I gezeigt. TEOS (500 g) wurde mit Ethanol und HNO₃ mit Wasser gemischt. Die Säure/Wasser-Lösung wurde zu der TEOS/Ethanol-Lösung unter kräftigem Rühren zugefügt, und dann wurde die Lösung in eine Abdampfschale gegossen. Die Abdampfschale wurde in einem Wasserbad bei einer konstanten Temperatur von 40°C gehalten. Das Sol wurde dort für 20 bis 24,5 Stunden in Abhängigkeit von dem verwendeten Solrezept gehalten. Eine gewisse Menge Ethanol (445 bis 480 ml) wurde verdampft, um die Reaktionskinetiken des Sols zu beschleunigen. Die Herstellung von FIB 3 unterschied sich von den anderen Solen hinsichtlich des Katalysators (NH₃ wurde als Katalysator zusätzlich zu HNO₃ verwendet). NH₃ wurde nach 24 Stunden Altern bei 40°C zu dem Sol hinzugefügt. Das Sol wurde 2 Minuten lang kräftig gerührt. Nach dem Rühren wurde das Verdampfen des Ethanols begonnen.
Nach dem Verdampfen von Ethanol wurden die Sole auf entweder 20°C oder 0°C (in Abhängigkeit von der Probe, wie in Tabelle II gezeigt) abgekühlt. Das Spinnen wurde gestartet, wenn ein bestimmter Viskositätslevel des Sols erreicht war. Ein Rotationsviskometer mit einer scheibenförmigen Spindel (Brookfield LVDV II+) wurde verwendet, um den Punkt zu definieren, an dem das Spinnen gestartet wurde. Die Messungen wurden bei einer konstanten Scherrate von 3 U/min durchgeführt. Um das Brechen der Sol-Gel-Filamente zu vermeiden, wurden Luftblasen aus der Spinnlösung unter teilweisem Vakuum entfernt.
Trockenspinnen wurde verwendet, um Sol-Gel-Fasern herzustellen. Die Spinnlösung wurde in einen Behälter vorgehalten, dessen Temperatur einstellbar war. Um die Spinnlösung zu einer Zahnradpumpe zu drücken, wurde Stickstoffgas verwendet. Die Zahnradpumpe (Zenith 958736) mit einer Kapazität von 0,6 ml/Umdrehung dosierte die Spinnlösung zum Spinnkopf. Die Spinndüse war aus einem Gold/Platin-Gemisch hergestellt. Der Durchmesser der Löcher war 65 μm und das 1/d-Verhältnis war 1. Die Anzahl der Löcher war 6. Der Abstand zwischen der Spinndüse und der Aufwickelspule war so eingestellt, dass die Erfordernisse der jeweiligen Faser erfüllt wurden. Nach dem Spinnen wurden die Fasern in einem Ofen bei 50°C 2 Stunden lang getrocknet. Das Trocknen kann auch bei einer geringeren Temperatur durchgeführt werden oder der Trocknungsschritt kann ausgelassen werden.
Altern
Die vorgefertigten Fasern wurden in einen Exsikkator bei Raumtemperatur (~25°C) für 2 Wochen oder 3 oder 5 Monate gealtert.
Hitzebehandlung
Die Fasern wurden in einem Ofen platziert, und die Temperatur wurde mit 10°C/h bis zur Spitzentemperatur (175°C oder 250°C) erhöht, wo sie für 2 Stunden gehalten wurde. Danach wurde die Temperatur auf Raumtemperatur abfallen gelassen.
SBF-Tests
Die in-vitro-Bioaktivitätstests wurden unter Verwendung einer simulierten Körperflüssigkeit (SBF)³¹ durchgeführt, die durch Auflösen der Reagenschemikalien NaCl, NaHCO₃, KCl, K₂HPO₄·3H₂O, MgCl₂·6H₂O, CaCl₂·2H₂O und Na₂SO₄ in deionisiertem Wasser hergestellt wurde. Die Flüssigkeit wurde auf den physiologischen pH 7,40 bei 37°C mit Tris(hydroxymethyl)aminomethan und Salzsäure gepuffert.
Drei Proben aus jeder Fasercharge bei den verschiedenen Alterungszeiten (in Tabelle II gezeigt) wurden verwendet, um die Reaktionen der Fasern in SBF zu untersuchen. Jeder Probenkörper (10 mg) wurde in 50 ml SBF in einen geschlossenen Polyethylenbehälter eingetaucht. Drei SBF-Proben, eingeschlossen in Flaschen ohne einen Probenkörper, wurden als Kontrolle verwendet, um die Stabilität der Lösung zu untersuchen. Die Proben wurden in die SBF-Flüssigkeit für 2 Wochen eingetaucht, wobei die Flaschen in einem Schüttelwasserbad (Heto SBD 50 (Schütteln 2, 36 mm, Geschwindigkeit = 160)) mit einer konstanten Temperatur bei 37°C platziert wurden.
Ionenkonzentrationsanalyse
Das Calcium, das für die HCA-Bildung auf den SiO₂-Faseroberflächen benötigt wird, wurde aus SBF extrahiert. Dies zeigte sich durch die Verringerung der Konzentration des Calciums in SBF. Die Probenlösungen wurden hinsichtlich der Calcium- und Siliciumkonzentrationen als eine Funktion der Eintauchzeit überwacht. Die Calciumkonzentrationen wurden mit einem Atomabsorptionsspektrofotometer (AAS, Perkin-Elmer 460) bestimmt. Die Siliciumkonzentrationen wurden mittels einer Molybdänblau-Methode³³ mit einem UV-Visspektrofotometer (Hitachi Modell 100-60) analysiert. Die Siliciumanalyse basierte auf einer Reduktion mit 1-Amino-2-naphthol-4-sulfonsäure. Alle Probenlösungen wurden jeweils dreimal getestet.
Ergebnisse
Wirkungen des Alterns
Die Löslichkeitsergebnisse der Fasern, die für 2 Wochen, 3 und 5 Monate gealtert waren, werden in den 1a bis 1f gezeigt und in Tabelle II zusammengefasst. Beim Vergleichen der Löslichkeitsergebnisse der verschiedenen Fasern, die für 2 Wochen gealtert waren, unterschieden sich die Löslichkeitsraten (vor der Sättigungskonzentration) und die Sättigungskonzentrationen deutlich voneinander. Die Fasern, die in der späteren Stufe der Spinnbarkeit (höhere Viskosität; FIB 1 (B) und FIB 2 (B)) gesponnen worden waren, waren etwa 10-mal löslicher als die Fasern, die die gleichen Solzusammensetzungen (Tabelle I) hatten, die aber in der früheren Stufe der Spinnbarkeit (FIB 1 (A) und FIB 2 (A)) gesponnen worden waren. Die am besten lösliche Faser (FIB 1 (C)) wurde in der späteren Stufe der Spinnbarkeit gesponnen. Jedoch ist in diesem Fall der mittlere Faserdurchmesser kleiner als bei den anderen (in Tabelle I gezeigt), was einen leichten Einfluss auf die Löslichkeit haben kann. FIB 1 (C) hatte die gleiche Solzusammensetzung wie FIB 1 (B), aber die Viskosität des Sols (FIB 1 (C)) war auf 15.000 cP vor dem Spinnen erhöht. Die Löslichkeit (Sättigungskonzentration) von FIB 3 scheint etwas geringer zu sein als bei den anderen Fasern, die in der späten Stufe der Spinnbarkeit gesponnen worden waren. Wie in 1d bis 1f gesehen wird, sind die Löslichkeitsraten von FIB 1 (B), FIB 2 (B) und FIB 1 (C) anfänglich recht langsam, aber sie beginnen schneller zu steigen, bevor die Sättigungskonzentration erreicht ist. Dies legt nahe, dass die äußere Struktur der Fasern dichter ist als die innere Struktur. Diese Eigenschaft wird auch für andere Fasern beobachtet, wenn auch nicht so klar, was eine ähnlichere Struktur zwischen der inneren und der äußeren Struktur nahelegt. Die Unterschiede zwischen der Löslichkeit der inneren und der äußeren Struktur haben einen klaren Einfluss auf die gegebenen Lösungsraten (Tabelle II), berechnet aus dem linearen Anteil der Kurven vor der Sättigungskonzentration. Daher ist die Sättigungskonzentration ebenfalls für einen zuverlässigen Vergleich der Lösungsraten der verschiedenen Fasern wichtig.
Die strukturelle Stabilität der Fasern wurde als Funktion der Alterungszeit untersucht. Bei FIB 1 (A) waren die Lösungswerte nach 2 Wochen, 3 und 5 Monaten Alterung praktisch die gleichen, was auf eine recht stabile Struktur hinweist. Die Lösungsraten von FIB 2 (A), gealtert für 3 oder 5 Monate, waren höher als die Lösungsrate von FIB 2 (A), das für 2 Wochen gealtert war. Dies legt nahe, dass die Fasern als Funktion der Alterungszeit brüchiger werden. Jedoch war die Lösungsrate von FIB 3, gealtert für 5 Monate, geringer als die Lösungsraten von FIB 3, das für 2 Wochen oder 3 Monate gealtert war. Dies legt einen gewissen Grad an Verdichtung als Funktion der Alterungszeit nahe. Wie in der 1 (1d bis 1f) gesehen wird, nehmen die Lösungsraten der äußeren Struktur von FIB 1 (B), FIB 2 (B) und FIB 1 (C) als Funktion der Alterungszeit zu. Jedoch scheinen die Siliciumdioxid-Sättigungskonzentrationen als Funktion der Alterungszeit abzunehmen. Die Löslichkeiten der Fasern, die in der frühen Stufe der Spinnbarkeit (FIB 1 (A) und FIB 2 (A)) gesponnen worden waren, unterscheiden sich voneinander. Jedoch waren die Lösungsraten und Kurven für die Fasern nahezu identisch, welche die gleichen Solzusammensetzungen hatten, aber in der späteren Stufe der Spinnbarkeit (FIB 1 (B) und FIB 2 (B)) gesponnen worden waren.
In den 2a bis 2f ist die in-vitro-Bioaktivität als Abnahme der Calciumkonzentration in der SBF als eine Funktion der Zeit veranschaulicht. Die Bioaktivitätsergebnisse sind in Tabelle II zusammengefasst. Es gab keine direkte Verbindung zwischen der in-vitro-Bioaktivität und den SiO₂-Löslichkeitsergebnissen (die Siliciumdioxidkonzentrationlevels und Sättigungskonzentration). Gemäß den Siliciumdioxid-Löslichkeitsergebnissen scheint sich die Struktur der Fasern als Funktion der Alterungszeit zu ändern, wie es auch die in-vitro-Bioaktivität tat.
In den 2 sind die Eintauchzeitbereiche gezeigt (angegeben durch Sternchen), in denen die Siliciumdioxidsättigung erreicht wird. Dies wird deutlich gesehen, nachdem der Siliciumdioxidsättigungspunkt erreicht wurde. Gemäß den Löslichkeitsergebnissen wird die Siliciumdioxidsättigungskonzentration vor 7 Tagen des Eintauchens in der SBF für jede Probe erreicht. Jedoch bildeten einige Fasern kein Calciumphosphat innerhalb der 2 Wochen des Eintauchens.
Wirkungen der Hitzebehandlung
Die Ergebnisse sind in Tabelle III und in den 3a bis 3d (Löslichkeit) und in den 4a bis 4b (in-vitro-Bioaktivität) für die zwei getesteten Temperaturen, 175 bzw. 250°C, gezeigt.
Wenn sie bei 175°C behandelt worden waren, nahm die Löslichkeit aller Fasern außer FIB 1 (C) im Wesentlichen ab, offensichtlich weil die Struktur dichter wurde. Die Geschwindigkeit der HCA-Bildung nahm zu. Wenn sie bei 250°C behandelt worden waren, nahmen die Löslichkeit sowie die Bioaktivität ab, verglichen mit denjenigen der Fasern, die bei 175°C behandelt worden waren.
Schlußfolgerungen
Die 6 bis 8 fassen die Wirkung der verschiedenen Parameter auf die Bioaktivität und die Löslichkeit der hergestellten Fasern zusammen. Der "Bioaktivitätsindex", dargestellt in 6, bezieht sich auf die in-vitro-Bioaktivitätsuntersuchungen und kann als eine Funktion von a) dem Startpunkt der Abnahme der Ca-Konzentrationskurve und b) dem Unterschied zwischen der anfänglichen Ca-Konzentration und der Ca-Konzentration nach 14 Tagen definiert werden. Die Berechnung des Bioaktivitätsindex wird am besten veranschaulicht, indem auf das folgende Beispiel Bezug genommen wird: Aus 2c kann gesehen werden, dass der Beginn der Abnahme der Ca-Konzentrationskurve für FIB 3, 3 Monate, nach 5 bis 7 Tagen (6 Tage als ein Mittelwert) Eintauchzeit stattfindet. Der Endpunkt (14 Tage) minus dem Startpunkt (6 Tage) ist 8. Der Unterschied zwischen der Ausgangs-Ca-Konzentration (5,0 mg/50 ml) und der Endpunkts-Ca-Konzentration (4,15 mg/50 ml) ist 0,85. Der Bioaktivitätsindex ist das Produkt 8 × 0,85 = 6,8.
Faktoren, die die Bioaktivität bestimmen
Die Struktur der Fasermatrix ist der wichtigste Faktor beim Kontrollieren der in-vitro-Bioaktivität der Silicafasern. Die Struktur der Fasern kann unter Verwendung drei verschiedener Faktoren variiert werden: (1) Verwendung der spinnbaren Sole mit variierender Struktur und Größe der Silicapolymere, wobei variierende Viskositätslevel etabliert werden, (2) Altern der Fasern im grünen Zustand und (3) Hitzebehandlung der Fasern.
Das spinnbare Sol kann grob in drei verschiedene Systeme unterteilt werden: η < 3.000 cP (1α & 1β), η = 3.000–5.000 cP (2α) und η ≈ 15.000 cP (3α). Diese sind in 5 veranschaulicht. FIB 1 (A), FIB 2 (A) und FIB 3 gehören zu der gleichen Gruppe gemäß dem Viskositätslevel, aber FIB 1 (A) und FIB 2 (A) sind als 1α gekennzeichnet, weil sie bei 0°C gesponnen wurden, was eine Erhöhung der Viskosität verursacht.
Ein allgemeiner Trend der variierenden Bioaktivität ist in 6 gezeigt. Je höher die Ausgangsviskosität in dem Spinnsol ist, um so besser ist die Bioaktivität. Zusätzlich folgen die Lösungsraten der Fasern (in den 7 und 8 gezeigt) dem gleichen Muster. Die Lösungsrate von Siliciumdioxid sowie die Sättigungspunktkonzentration sind größer, während die Bioaktivität zunimmt.
Eine andere deutlich zu beobachtende Eigenschaft ist der Einfluss der Hitzebehandlung. Verglichen mit den Fasern im grünen Zustand (getrocknet bei 50°C & bei RT gealtert), wird eine erhöhte Bioaktivität für jede Probe erzielt, da sie bei 175°C hitzebehandelt sind, und sie nimmt nach der Hitzebehandlung bei 250°C ab.
Das Altern der Fasern weist kein gemeinsames Verhalten hinsichtlich der in-vitro-Bioaktivität auf. Die Fasern, die bei geringeren Viskositäten (1α) gesponnen wurden, zeigen nur, dass die Bioaktivität nicht sehr gut ist und die Unterschiede nicht groß sind. Bei den Fasern, die bei höheren Viskositäten (1β & 2α) gesponnen wurden, zeigt die Bioaktivität beste Ergebnisse nach 3 Monaten Alterung. Zusätzlich scheinen die Eigenschaften dieser Fasern gemäß der gleichen Muster zu variieren, wenn sie gealtert und hitzebehandelt sind. Die Faser (FIB 1 (C)), gesponnen bei der höchsten Viskosität (3α) wird beim Altern besser (bis zu 5 Monate).
Als Zusammensetzung kann gesagt werden, dass die Fasern, die bei η > 3.000 cP gesponnen wurden, gute Eigenschaften hinsichtlich der Bioaktivität und eine porösere Struktur haben, was bei den Löslichkeitsdaten beobachtet wird. Die Fasern, die bei η < 3.000 cP gesponnen wurden, haben eine verdichtete Struktur, sie sind strukturell stabiler (weniger löslich in der simulierten Körperflüssigkeit (SBF)) und die Bioaktivität ist deutlich geringer. Eine Hitzebehandlung bei 175°C war für jede Probe vorteilhaft.
Faktoren, die die Struktur der Fasern bestimmen
Innerhalb der gleichen Rezeptur und auch der Viskositätsgruppen gibt es Unterschiede, die von den kleinen Strukturveränderungen abhängen. Alle Faktoren, die bisher erwähnt wurden, haben einen Einfluss auf die Faserstruktur (Größe und Form der Silicapolymere in dem Sol, die Viskosität des Sols, Alterungszeit und Hitzebehandlung).
Die Größe und Form der Silicapolymere sind ein wichtiger Faktor, der die Faserstruktur beeinflusst, und diese Eigenschaften sind auch mit der Viskosität des Sols verbunden. Bei geringeren Viskositäten sind die Silicapolymere kleiner und sie werden leichter gepackt (erzeugt stärker verdichtete Strukturen) als ein größeres Polymer bei höheren Viskositäten. Auch der Viskositätslevel als solcher hat einen Einfluss auf die Struktur. Eine höhere Viskosität kann die Orientierung der Silicapolymere beim Spinnen ändern, was die resultierende Struktur poröser hinterlässt. Diese Faktoren bestimmen die Verbindung zwischen der Viskosität (und der Größe und Form der Silicapolymere): je höher die Viskosität (je höher die Polymergröße), um so höher die Löslichkeit (porösere Struktur).
Der Einfluss der Hitzebehandlung bei 175 oder 250°C ist offensichtlich. Eine morphologisch geeignete Oberfläche für HCA-Bildung wird bei 175°C erzeugt. Die Hitzebehandlung festigt die Fasermatrix und macht die Struktur weniger löslich in SBF. Jedoch scheint FIB 1 (C), welches bei hoher Viskosität gesponnen wurde, die gleichen günstigen Eigenschaften bei 5-monatigem Altern zu erhalten. Diese Faser hat die höchste Löslichkeit von allen und daher also die poröseste Struktur. Jedoch sind die Siliciumdioxidsättigungskonzentrationen so hoch, dass es schwierig ist, sie zuverlässig in Vergleichen zu verwenden. Andererseits stellt die Löslichkeitsrate Informationen von der Faseroberfläche bereit und die Analogie für das Altern und die Hitzebehandlung ist die gleiche wie für die anderen Proben. Obwohl die Struktur porös ist, hat sie auch die längsten Polymere und die Faserstruktur ist am günstigsten. In anderen Worten sind die Silicapolymere am besten geeignet, um den Strukturänderungen zu widerstehen (z.B. verursacht durch milde Hitzebehandlung bei 175°C), obwohl sie eine porösere Struktur bilden.
Die beobachteten Veränderungen innerhalb der gleichen Viskositätsgruppen oder beim Altern für eine bestimmte Rezeptur haben verschiedene Erklärungen. Die Strukturen der Sole und Fasern, die zu der ersten Gruppe gehören, 1α (FIB 1 (A) und FIB 2 (A)) sind leicht unterschiedlich. Die Löslichkeitsdaten (7 und 8) zeigen (indirekt), dass FIB 2 (A) poröser ist als FIB 1 (A). Auch bestätigen Transmissionselektronen-mikroskopische Aufnahmen diese Tatsache. Die Solzusammensetzung ist schon leicht unterschiedlich, FIB 2 (A) enthält mehr Katalysatoren (Salpetersäure) als FIB 1 (A). Die Reaktionen verlaufen etwas schneller bei FIB 2 (A), was mehr verzweigte Polymere erzeugt und somit eine porösere Struktur. Auch während des Alterns gibt es Unterschiede aufgrund der Katalysatorkonzentration und der noch immer voranschreitenden Reaktionen.
Die Fasern, die zu der Gruppe 2α gehören (FIB 1 (B) und FIB 2 (B)) haben nahezu identische Eigenschaften als Funktion der Alterung und Hitzebehandlung. Diese Fasern liefern ein gutes Beispiel für den Einfluss des Spinnmoments auf die Faserstruktur. Sie weisen die gleiche Rezeptur auf wie FIB 1 (A) und FIB 2 (A), aber sie wurden später bei höherer Viskosität gesponnen.
FIB 3 hat dazwischen liegende Eigenschaften, die andererseits recht ähnlich zu denjenigen von FIB 1 (B) und FIB 2 (B) sind. FIB 3 hat ebenfalls einen Viskositätswert nahe dem System 2α, obgleich geringer. Jedoch ist es das einzige Faser-Sol, das NH₃ enthält, welches die Kondensationsreaktionen katalysiert, und die Viskosität nimmt schneller zu als bei den anderen Proben.
LITERATURZITATE

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Claims

Verfahren zur Herstellung einer aus einem Sol-Gel stammenden, bioaktiven Silicafaser, wobei das Verfahren das Spinnen der Faser aus einem Silicasol umfasst, wobei der Startpunkt des Spinnverfahrens einer Solviskosität von mindestens 3000 cP entspricht, gefolgt von Hitzebehandlung für eine ausreichende Zeitdauer bei einer Temperatur in dem Bereich von 150 bis 200°C.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur etwa 175°C ist.
Aus einem Sol-Gel stammende, bioaktive Silicafaser, erhältlich durch Spinnen aus einem Sol bei einem Startpunkt des Spinnverfahrens entsprechend einer Solviskosität von mindestens 3000 cP, wonach die Faser einer Hitzebehandlung für eine ausreichende Zeitdauer bei einer Temperatur in dem Bereich von 150 bis 200°C unterzogen wurde.
Faser nach Anspruch 3, wobei die Faser bei etwa 175°C behandelt wurde.
Faser nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Faser auch ein biologisch aktives Mittel umfasst.
Implantierbare Vorrichtung, umfassend eine Faser nach Anspruch 3 oder 4.
Implantierbare Vorrichtung, umfassend ein Gemisch aus zwei oder mehr Arten von Fasern gemäß Anspruch 3 oder 4.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7 in der Form einer gewebten oder nicht-gewebten Stoffbahn, eines gewirkten Gewebes oder einer Flechtleine.
Implantierbare Vorrichtung, umfassend eine Faser gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei die Faser auch ein biologisch aktives Mittel umfasst.
Implantierbare Vorrichtung, umfassend ein Gemisch aus zwei oder mehr Arten von Fasern gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei eine oder mehrere Arten von Fasern auch ein biologisch aktives Mittel enthalten.
Verwendung einer Faser gemäß Anspruch 3 oder 4 zur Herstellung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 6 zur Gewebeführung oder Knochenreparatur.
Verwendung einer Faser gemäß Anspruch 3 oder 4 zur Herstellung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 9 zur Gewebeführung oder Knochenreparatur.