DE60210460T2

DE60210460T2 - Bioaktive Glaszusammensetzung

Info

Publication number: DE60210460T2
Application number: DE60210460T
Authority: DE
Inventors: Heimo Ylänen; Antti Yli-Urpo; Mikko Hupa
Original assignee: Vivoxid Oy
Current assignee: Vivoxid Oy
Priority date: 2002-10-03
Filing date: 2002-10-03
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2022-10-04
Also published as: DE60210460D1; EP1405647B1; ATE322295T1; EP1405647A1; DK1405647T3; ES2260387T3

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf eine bioaktive Glaszusammensetzung, umfassend SiO₂, Na₂O, CaO, K₂O, MgO, P₂O₅ und B₂O₃. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf die Verwendung der Zusammensetzung und Vorrichtungen, die daraus hergestellt sind. Die Erfindung bezieht sich auch noch auf ein Verfahren zum Herstellen einer bioaktiven Glaszusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In dieser Anmeldung ist mit bioaktivem Glas ein Material gemeint, das entworfen wurde, um eine spezifische biologische Aktivität in Körpergewebe zu induzieren. Der Begriff bioabbaubar bedeutet in diesem Kontext, dass es bei anhaltender Implantation abbaubar ist, wenn es in den Körper eines Säugers eingebracht wurde. Mit Biomaterial ist ein nicht-lebensfähiges Material gemeint, das als medizinische Vorrichtung verwendet wird, ein Material, das mit biologischen Systemen wechselwirken soll.
Gläser wurden umfassend auf Anwendungen in der medizinischen und der Dentalchirurgie und bei Implantaten untersucht. Eine medizinische Vorrichtung kann in ein beliebiges menschliches oder tierisches Gewebe implantiert werden. Dies ermöglicht eine örtliche Applizierung, so dass das Abzielen auf den Freisetzungsort des biologisch aktiven Mittels möglich ist. Da nur eine nicht-kristallisierte Glaszusammensetzung die beste Bioaktivität zeigt und da sich bioaktive Glaszusammensetzungen in dem Bereich nahe der Phasentrennung befinden, ist es sehr schwierig, Glaszusammensetzungen herzustellen, die während einer wiederholten Hitzebehandlung nicht kristallisieren, d.h. die bioaktiv bleiben.
Bioaktive Gläser entwickeln reaktive Schichten auf ihren Oberflächen, die in Bindung zwischen der Vorrichtung und dem Wirtsgewebe resultieren. Anders als bei den meisten anderen bioaktiven Materialien kann die Geschwindigkeit der chemischen Reaktionen von bioaktiven Gläsern leicht durch Veränderung der chemischen Zusammensetzung des Glases kontrolliert werden. Daher sind bioaktive Gläser insbesondere in klinischen Anwendungen interessant und wurden tatsächlich z.B. verwendet, um geschädigte Teile von Gesichtsverletzungen zu ersetzen, zum Ersetzen kleiner Knochen (Ossicula) im Mittelohr und in der Chirurgie, um Defekte bzw. Mängel im Knochen zu füllen.
Unglücklicherweise halten die herkömmlich bekannten bioaktiven Glaszusammensetzungen keine wiederholten Wärmebehandlungen aus, da Wiedererwärmen in einer Abnahme der Bioaktivität resultiert. Dies verursacht große Probleme bei der Herstellung von Vorrichtungen aus diesen Zusammensetzungen, da sie nur geformt werden können, indem sie bereits in der Herstellungsstufe des Glases in die endgültige Form geformt werden oder indem die zuvor gebildeten Glaspartikel zerkleinert werden. Das Formgebungsverfahren erlaubt nur die Herstellung starrer nicht-poröser Vorrichtungen.
Eine verbesserte bioaktive Glaszusammensetzung im Hinblick auf die Wärmebehandlungseigenschaften wurde von Brink et al. in WO 96/21628 vorgestellt. Dieses Dokument offenbart ein bioaktives Glas der folgenden Zusammensetzung:
SiO₂ in einer Menge von 53–60 Gew.-%,
Na₂O in einer Menge von 0–34 Gew.-%,
K₂O in einer Menge von 1–20 Gew.-%,
MgO in einer Menge von 0–5 Gew.-%,
CaO in einer Menge von 5–25 Gew.-%,
B₂O₃ in einer Menge von 0–4 Gew.-%,
P₂O₅ in einer Menge von 0,5–6 Gew.-%,
mit der Maßgabe, dass
Na₂O + K₂O = 16–35 Gew.-%
K₂O + MgO = 5–20 Gew.-% und
MgO + CaO = 10–25 Gew.-%.
Die Wärmebehandlungseigenschaften dieser Gläser sind jedoch nicht optimal für wiederholtes Erwärmen, wenn Vorrichtungen für technisch anspruchsvolle Anwendungen von bioaktivem Glas hergestellt werden (z.B. Fasern, gesinterte Fasergewebe etc.).
Die Veröffentlichung von Itälä et al., veröffentlicht in Journal of Biomedical Materials Research (2001), 56 (2), Seiten 282–288, offenbart ein bioaktives Glas mit der folgenden Zusammensetzung:
SiO₂ in einer Menge von 53 Gew.-% der Ausgangsoxide,
Na₂O in einer Menge von 6 Gew.-% der Ausgangsoxide,
CaO in einer Menge von 22 Gew.-% der Ausgangsoxide,
K₂O in einer Menge von 11 Gew.-% der Ausgangsoxide,
MgO in einer Menge von 5 Gew.-% der Ausgangsoxide,
P₂O₅ in einer Menge von 2 Gew.-% der Ausgangsoxide und
B₂O₃ in einer Menge von 1 Gew.-% der Ausgangsoxide.
Dieses Dokument diskutiert jedoch nicht die Eigenschaften der Glaszusammensetzung, wenn sie wiederholt erhitzt wird.
ZIELE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das Ziel dieser Erfindung ist es, eine bioaktive Glaszusammensetzung bereitzustellen, die wiederholt wärmebehandelt werden kann, ohne Kristallisieren des Glases und Verlust seiner bioaktiven Eigenschaften. Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, eine bioaktive Glaszusammensetzung bereitzustellen, die zum Herstellen von Vorrichtungen für technisch anspruchsvolle Anwendungen von bioaktivem Glas geeignet ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wird in den beigefügten Ansprüchen offenbart.
Die bioaktive Glaszusammensetzung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an
SiO₂ 51–56 Gew. % der Ausgangsoxide ist,
Na₂O 7–9 Gew.-% der Ausgangsoxide ist,
CaO 21–23 Gew.-% der Ausgangsoxide ist,
K₂O 10–12 Gew.-% der Ausgangsoxide ist,
MgO 1–4 Gew.-% der Ausgangsoxide ist,
P₂O₅ 0,5–1,5 Gew.-% der Ausgangsoxide ist und
B₂O₃ 0–1 Gew.-% der Ausgangsoxide ist,
mit der Maßgabe, dass die Gesamtmenge von Na₂O und K₂O 17–20 Gew.-% der Ausgangsoxide ist.
Somit betrifft die Erfindung eine bioaktive Glaszusammensetzung, die wärmebehandelt werden kann, sogar wiederholt.
Die Anmelder haben in der Tat gefunden, dass ein bioaktives Glas mit der oben genannten Zusammensetzung unerwartete und überraschend gute Wärmebehandlungseigenschaften hat. Die vorliegende Erfindung ist somit eine Auswahlerfindung der oben genannten Erfindung, die in WO 96/21628 offenbart ist. Tatsächlich ist der ausgewählte Unterbereich eng, im Vergleich zu dem Bereich, der in WO 96/21628 offenbart ist, er ist weit entfernt von den Endpunkten des Bereichs von WO 96/21628 und er ist eine absichtliche Auswahl, da er einen unerwarteten technischen Effekt aufweist.
Die Menge der verschiedenen Oxide ist als Gew.-% der Ausgangsoxide angegeben, weil einige Elemente, wie Natrium, während des Erwärmens verdampfen. Die Menge der endgültigen Oxide sind jedoch nahe an jenen der Ausgangsoxide und in jedem Fall ist der Unterschied zwischen den Ausgangsmengen und den endgültigen Mengen weniger als 5 Prozent-Einheiten, vorzugsweise weniger als 3 Prozent-Einheiten.
Es ist für einen Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich, dass die Mengen an Oxiden innerhalb der oben genannten Grenzen frei gewählt werden können. Tatsächlich kann die Menge an SiO₂ z.B. 51,5, 52, 53,5, 55 oder 56 Gew.-% der Ausgangsoxide sein, kann die Menge an Na₂O z.B. 7, 7,3, 7,7, 8, 8,5 oder 9 Gew.-% der Ausgangsoxide sein, kann die Menge an CaO z.B. 21, 21,4, 21,7, 22, 22,6 oder 23 Gew.-% der Ausgangsoxide sein, kann die Menge an K₂O z.B. 10, 10,5, 10,6, 11, 11,3, 11,7 oder 12 Gew.-% der Ausgangsoxide sein, kann die Menge an MgO z.B. 1, 1,3, 1,9, 2,4, 2,7, 3,5 oder 4 Gew.-% der Ausgangsoxide sein, kann die Menge an P₂O₅ z.B. 0,5, 0,7, 1, 1,2 oder 1,5 Gew.-% der Ausgangsoxide sein und kann die Menge an B₂O₃ z.B. 0, 0,4, 0,6, 0,9 oder 1 Gew.-% der Ausgangsoxide sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Menge an SiO₂ 54–56 Gew.-% der Ausgangsoxide.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst die erfindungsgemäße Glaszusammensetzung weiterhin Al₂O₃ bis zu 1 Gew.-% der Ausgangsoxide, mit der Maßgabe, dass die Gesamtmenge an B₂O₃ und Al₂O₃ 0,5–2,5 Gew.-% der Ausgangsoxide ist.
Gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Abnahme in der Menge an Na₂O und/oder K₂O durch die Zunahme der Menge an Al₂O₃ und/oder B₂O₃ kompensiert.
Es wird angenommen, dass die Rolle eines bioaktiven Glases bei der Knochenbildung eine zweifache ist: Ca²⁺-Ionen zu liefern und eine Silicagelschicht auf der Oberfläche des Glases zu bilden. Dieses Gel wirkt als Diffusionsbarriere, wobei somit das Herauslösen von Ionen aus dem Glas verlangsamt wird und demgemäß die Bildung neuer Reaktionsschichten und von neuem Körpergewebe verlangsamt wird. Das Silicagel ist auch sauer und kann daher die Gewebe irritieren.
Ein weiterer Vorteil der bioaktiven Glaszusammensetzung gemäß der Erfindung ist, dass die Primärreaktion einer Vorrichtung, die aus der erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung hergestellt ist, mit dem Körpergewebe „sanft" ist, d.h. nicht so aggressiv wie mit einigen herkömmlichen bioaktiven Gläsern. Tatsächlich wird zuerst Calciumphosphat in der relativ dünnen Schicht in dem Silicagel auf der Oberfläche des Glases typischerweise in etwa 6 Stunden gebildet und zweitens wird eine Calciumphosphatschicht auf der Schicht aus Silicagel typischerweise in etwa 48–72 Stunden gebildet. Während der Bildung des primären Calciumphosphats ist die Schicht aus Silicagel auf der Oberfläche der erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung wesentlich dünner als die entsprechende Schicht auf einem herkömmlichen bioaktiven Glas, z.B. wie das eine oben gezeigte.
In anderen Worten reagiert die bioaktive Glaszusammensetzung gemäß der Erfindung bis zu einem angemessenen Ausmaß und löst sich nicht zuviel, was in Situationen in vivo offensichtlich ein Vorteil ist. Andererseits bleibt eine Vorrichtung, die aus der erfindungsgemäßen Zusammensetzung hergestellt wurde, für eine lange Zeitdauer bioaktiv.
Dieser Vorteil der Zusammensetzung erlaubt ihre Verwendung in Zielorganen, die sehr sensibel sind, wie die Cornea. Die erfindungsgemäße Glaszusammensetzung reagiert mit dem Gewebe in einer sanften Weise, wodurch die chemische Irritation aufgrund der Bildung der Silicagelschicht z.B. verringert wird. Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung erlauben es auch, dass sie in einem Pulver verwendet wird, das kleinere Partikel als die herkömmlichen Zusammensetzungen aufweist, wobei somit die Irritabilität der Zusammensetzung weiter verringert wird.
Andere geeignete Zielorgane sind z.B. Organe mit einer schwachen Blutzirkulation, wie die Nebenhöhlen oder die Knochen von älteren Patienten. Die vorliegende bioaktive Glaszusammensetzung kann auch vorteilhafterweise verwendet werden, um Gewebe, die aufgrund einer Infektion verschwunden sind, wieder zu erzeugen.
Die bioaktive Glaszusammensetzung gemäß der Erfindung hat somit eine erhöhte Fähigkeit, in einer kontrollierten und gewünschten Weise zu reagieren. Darüber hinaus kann sie in jeder gewünschten Vorrichtung gemäß üblicher Herstellungsverfahren hergestellt werden und sie kann somit in Anwendungen verwendet werden, die besonders genaue Vorrichtungen und Bedingungen erfordern.
Tatsächlich kann das bioaktive Glas, das eine Zusammensetzung gemäß der Erfindung aufweist, mit allen üblichen Verfahren bearbeitet werden. Es kann z.B. zuerst als festes Glas hergestellt werden, das weiter zerkleinert wird. Die Zusammensetzung gemäß der Erfindung hat den weiteren Vorteil, dass es möglich ist, Körnchen daraus herzustellen, die eine besonders gut kontrollierte Partikelgrößenverteilung aufweisen. Diese Körnchen können weiterhin erwärmt werden, um Kugeln zu erhalten, die weiterhin noch gesintert werden können, um eine poröse Vorrichtung jeder gewünschten Form zu erhalten. Es ist weiterhin noch möglich, Kugeln oder andere Partikel des bioaktiven Glases für verschiedene Gießverfahren, wie Druckgießen, oder für das Gießen einer dünnen Platte aus Glas mit einem Verfahren ähnlich der Herstellung von Fensterglas zu verwenden.
Ein besonders bevorzugtes Verfahren zur Behandlung der vorliegenden bioaktiven Glaszusammensetzung ist das Erhitzen mit Laser, da dies örtlich begrenzte und doch hohe Temperaturen ermöglicht, die beim Schmelzen des Glases verwendet werden sollen.
Die Vorrichtungen gemäß der Erfindung können in verschiedenen Formen, z.B. in der Form eines Partikels, einer Scheibe, eines Films, einer Membran, eines Rohrs, eines Hohlpartikels, einer Beschichtung, einer Kugel, einer Halbkugel oder eines Monolithen, sein, und sie können verschiedene Anwendungen haben.
Es können auch Fasern, Granulate, gewebte und nicht-gewebte Stoffbahnen, Gewebeführungsvorrichtungen sowie Filme hergestellt werden. Mit Gewebeführungsvorrichtung ist eine Vorrichtung gemeint, die solche Eigenschaften hat, dass sie, einmal am Platz im Körper des Patienten, die Bildung verschiedener Typen von Geweben an verschiedenen Teilen der Vorrichtung lenkt. Sie kann auch eine Vorrichtung einer gewünschten Form sein, die verschiedene Kanäle durch ihren Körper aufweist, um die Bildung einer Vene in diese Orte zu lenken.
Besonders interessante Formen der bioaktiven Glaszusammensetzung sind Faservorgarne (fibre rovings), eine perforierte Scheibe oder Platte und ein gewebtes Gewebe mit einem genauen Profil. Eine perforierte Scheibe oder Platte kann durch Gießen oder Weben hergestellt werden und der Durchmesser der Perforation ist typischerweise in dem Bereich von 10 bis 500 μm. Mit einem gewebten Gewebe mit einem genauen Profil ist ein Gewebe gemeint, worin die Position der Fasern mit einer Präzision von Mikrometern festgelegt ist.
Die bioaktive Glaszusammensetzung gemäß der Erfindung kann auch zum Beschichten einer Vorrichtung verwendet werden. Das Beschichten kann entweder durch Gießen oder durch Eintauchen durchgeführt werden oder eine Vorrichtung kann mit zerkleinerten Partikeln von bioaktivem Glas beschichtet werden, das dann gesintert wird. Die bioaktive Glaszusammenset zung gemäß der Erfindung kann insbesondere vorteilhaft beim Beschichten von Keramikmaterialien verwendet werden, da die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Glases und der Keramiken nicht signifikant voneinander abweichen. Es ist auch möglich, die vorliegende bioaktive Glaszusammensetzung zum Beschichten von Metall, wie Titan, zu verwenden. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Zusammensetzung ist, dass sie der Behandlung ausgesetzt ist, ohne zu kristallisieren.
Zahnimplantate, Hüftimplantate, Knieimplantate, kleine Knochenplatten (mini plates), externe Fixierungsstifte, Stents (z.B. zur Verwendung bei der Reparatur von Blutgefäßen) oder beliebige andere Implantate können mit der erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung beschichtet werden.
Das Glas gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorteilhafterweise bei Atmosphärendruck und Temperaturen von etwa 1360°C hergestellt. Die Erhitzungszeit zum Herstellen der Glasschmelze ist typischerweise drei Stunden. Kein Schutzgas ist erforderlich. Wenn die Glaszusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, werden die Bestandteile zuerst zusammengeschmolzen und dann abgekühlt. Das resultierende feste Material wird dann zerkleinert und erneut geschmolzen, um ein homogenes Material zu erhalten.
Eine poröse Vorrichtung kann auch hergestellt werden, indem ein unter Druck gesetztes Gas in die Glasschmelze, z.B. während des Gießens des Glases, injiziert wird. Wenn Druckluft verwendet wird, kristallisiert konventionelles Glas aufgrund der niedrigen Temperatur der Luft. Dieses Problem tritt jedoch mit der erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung nicht auf und daher können sowohl offen- als auch geschlossen-zellige Strukturen gebildet werden. Die Poren können weiterhin mit bestimmten aktiven Mitteln gefüllt werden. Die Porosität des bioaktiven Glases erhöht nicht nur merkbar die gesamte reaktive Oberfläche des Glases, sondern ermöglicht auch eine dreidimensionale Bildung des heilenden Knochengewebes.
Die erfindungsgemäße Glaszusammensetzung kann weiterhin beim Herstellen verschiedener Verbundstoffe und Vorrichtungen verwendet werden, die aus mindestens zwei Materialien bestehen, wie eine Kombination aus bioaktivem Glas und einem Metall oder einem Keramikmaterial.
Der bioaktive Glasverbundstoff kann verschiedene Materialien, wie Polymere, Metalle oder Keramiken, umfassen. Bei Anwendungen, bei denen es erforderlich ist, dass sich die Vorrichtung auflöst, ist es vorzuziehen, z.B. Biopolymere zu verwenden. Mit „Biopolymer" sind entweder Polymere, die auf erneuerbaren Rohmaterialien, z.B. Cellulose, basieren, oder synthetische Polymere, die bioabbaubar sind, z.B. Polylactide, gemeint.
Ein Verbundstoff kann unter Verwendung der bioaktiven Glaszusammensetzung als einer Matrix und eines Keramikmaterials als verstärkende Komponente gebildet werden. Die erfindungsgemäße Zusammensetzung ist aufgrund ihrer Kristallisationseigenschaften insbesondere als Matrix geeignet. Die erfindungsgemäße Zusammensetzung klebt auch die verstärkenden Partikel oder Fasern stark zusammen. Ein Implantat, das aus einem solchen Verbundstoff hergestellt ist, wird, einmal in Kontakt mit dem Körpergewebe, rasch porös, eine Eigenschaft, die in manchen Anwendungen, wie Vorrichtungen für Tissue-Engineering, gewünscht ist.
Die in den Verbundstoffen verwendeten Additive oder Verstärkungsmittel können in verschiedenen Formen, wie Fasern, gewebten oder nicht-gewebten Stoffbahnen, Partikeln oder Hohlpartikeln, sein. Sie können auch poröse oder dichte Materialien sein und es ist offensichtlich, dass sie vorzugsweise biokompatibel sind.
Eine insbesondere vorteilhafte Verwendung der vorliegenden Glaszusammensetzung ist in der Form von Fasern. Tatsächlich kann die vorliegende Zusammensetzung bei höheren Temperaturen als die bekannten bioaktiven Glaszusammensetzungen zu einer Faser ausgezogen werden. Typischerweise kann die Herstellungstemperatur sogar 100°C höher sein als für die konventionellen bioaktiven Glaszusammensetzungen. Höhere Herstellungstemperaturen führen zu Fasern mit kleinerem Durchmesser, da die Viskosität der Glasschmelze mit zunehmender Temperatur abnimmt. Auch ist die Herstellungstemperatur entscheidend für das resultierende Faserprodukt, da sie nahe an der Erweichungstemperatur des Glases, somit nahe an der Kristallisationstemperatur, ist. Eine aus der vorliegenden Zusammensetzung hergestellte Faser wurde dreimal wärmebehandelt und hat noch immer die beschriebenen Eigenschaften.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Glaszusammensetzung ist ihre bessere Stabilität während Lagerung. Tatsächlich kann die Glaszusammensetzung mit der Feuchtigkeit der Luft während der Lagerung reagieren. Daher wird eine Glaszusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine homogene Struktur hat, gleichmäßig reagieren und das Produkt hat nach der Lagerung noch immer vorhersagbare Eigenschaften.
Es wurde oben festgestellt, dass die Mengen der endgültigen Oxide nahe derjenigen der Ausgangsoxide sind. Als ein Beispiel, wenn die theoretische Zusammensetzung des endgültigen Glases war:
SiO₂ 53 Gew.-%,
P₂O₅ 2 Gew.-%,
CaO 22 Gew.-%,
Na₂O 6 Gew.-%,
K₂O 11 Gew.-%,
MgO 5 Gew.-% und
B₂O₃ 1 Gew.-%,
dann waren die Mengen der Oxide in der endgültigen bioaktiven Glaszusammensetzung wie mittels EDX (Energie-dispersive Röntgenanalyse):
SiO₂ 55,17 Gew.-%,
P₂O₅ 2,11 Gew.-%,
CaO 21,53 Gew.-%,
Na₂O 5,64 Gew.-%,
K₂O 9,46 Gew.-%,
MgO 5,09 Gew.-% und
B₂O₃ 1,00 Gew.-%.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zum Herstellen einer wiederholt wärmbehandelbaren bioaktiven Glaszusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es die folgenden Stufen umfasst:

a) Erhitzen eines Gemisches aus Ausgangsmaterialien auf eine Temperatur von 1350– 1450°C über einen Zeitraum von im Wesentlichen drei Stunden,
b) Abkühlen lassen der erhaltenen Schmelze auf Umgebungstemperatur über einen Zeitraum von mindestens 12 Stunden,
c) Zerkleinern der erhaltenen Glaszusammensetzung in Stücke,
d) erneutes Erwärmen der zerkleinerten Glaszusammensetzung auf eine Temperatur von 1350–1450°C über einen Zeitraum von im Wesentlichen drei Stunden, und
e) Formen der erhaltenen bioaktiven Glaszusammensetzung in die gewünschte Form und Abkühlen lassen auf Umgebungstemperatur.

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst somit zwei Stufen des Schmelzens oder Erwärmens der Zusammensetzung, um ein homogenes Gemisch zu erhalten. Die endgültige bioaktive Glaszusammensetzung kann in jede gewünschte Form gegossen oder geformt werden, wie direkt in die Form einer Platte oder eines Stabes, die bzw. der weiterhin zu einer Faser oder zu einem festen Block gemacht werden kann, die bzw. der in der konventionellen Weise verwendet wird, d.h. in Stücke zerkleinert wird und erneut erwärmt wird, um geformt zu werden.
In dieser Beschreibung bedeuten, außer wo es der Kontext anders verlangt, die Wörter umfassen" umfasst" und umfassend" einschließen" einschließt" bzw. einschließlich". D.h. wenn bei der Erfindung beschrieben oder definiert wird, dass sie spezifizierte Merkmale umfasst, können verschiedene Ausführungsformen der gleichen Erfindung auch zusätzliche Merkmale einschließen.
Die Erfindung wird unten genauer durch die folgenden, nicht-einschränkenden Zeichnungen beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht ein Beispiel einer Vorrichtung für Tissue-Engineering, umfassend die erfindungsgemäße Glaszusammensetzung.
2 veranschaulicht einen Querschnitt eines bioaktiven Gewebes, umfassend die erfindungsgemäße Glaszusammensetzung.
3a veranschaulicht die Reaktion einer Faser, hergestellt aus einem konventionellen bioaktiven Glas beim Kontakt mit einer Körperflüssigkeit.
3b veranschaulicht die Reaktion einer Faser, hergestellt aus dem erfindungsgemäßen bioaktiven Glas beim Kontakt mit einer Körperflüssigkeit.
4a zeigt ein Rasterelektronenmikroskopbild einer bioaktiven Glasfaser gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer Vergrößerung von × 100.
4b zeigt ein Rasterelektronenmikroskopbild einer bioaktiven Glasfaser gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer Vergrößerung von × 500.
5a zeigt ein Rasterelektronenmikroskopbild einer bioaktiven Glasfaser gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer Vergrößerung von × 100 und nach Eintauchen in Tris für 7 Tage.
5b zeigt ein Rasterelektronenmikroskopbild einer bioaktiven Glasfaser gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer Vergrößerung von × 500 und nach Eintauchen in Tris für 7 Tage.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht ein Beispiel einer Vorrichtung für Tissue-Engineering, umfassend die erfindungsgemäße Glaszusammensetzung. Die Vorrichtung 1 umfasst Glaspartikel oder kurze Fasern 2, hergestellt aus der Glaszusammensetzung gemäß der vorliegenden erfindungsgemäßen bioaktiven Glaszusammensetzung und einer Matrix, hergestellt aus einem Biopolymer 3. Die Abbaugeschwindigkeit des Biopolymers ist vorzugsweise höher als die Auflösungsgeschwindigkeit des bioaktiven Glases. Daher baut sich das Biopolymer 3 ab und ermöglicht die Bildung von Körpergeweben, wie Blutgefäßen, wohingegen das bioaktive Glas im Wesentlichen in einer konstanten Form und Größe bleibt. Diese Art der Tissue-Engineering-Vorrichtung ermöglicht die Bildung neuer Gewebe mit gewünschter Geschwindigkeit und Form, während der Hohlraum unverändert bleibt, in den die Vorrichtung implantiert ist. Das Biopolymer kann auch ein biologisches Molekül, wie ein Wachstumshormon, umfassen.
2 veranschaulicht einen Querschnitt eines bioaktiven Gewebes, umfassend die erfindungsgemäße Glaszusammensetzung. Das Gewebe besteht in dieser Ausführungsform aus drei Schichten von Fasern und kann entweder gewebt oder nicht-gewebt sein. Die entsprechenden Schichten 4, 5 und 6 werden aus mindestens zwei verschiedenen Zusammensetzungen aus bioaktivem Glas hergestellt, wobei jede Zusammensetzung eine unterschiedliche Bioaktivität hat. Die Schicht 4 kann aus der erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung hergestellt sein, die ihre Bioaktivität unverändert während der Herstellung des Gewebes beibehält. Die Schichten 5 und 6 können dann aus Glaszusammensetzungen hergestellt sein, deren Bioaktivitäten entweder durch das Herstellungsverfahren des Gewebes verändert werden oder die gar nicht bioaktiv sind.
3a veranschaulicht die Reaktion einer Faser 7, hergestellt aus konventionellem bioaktivem Glas, beim Kontakt mit einer Körperflüssigkeit. Die Figur zeigt, dass die Faser eine heterogene Struktur hat, bestehend aus einem teilweise kristallisierten Teil 8 und einem amorphen Teil 9. Der amorphe Teil 9 hat sich mit einer größeren Geschwindigkeit bzw. Rate aufgelöst als der kristallisierte Teil 8, was somit zu einem unebenen Querschnitt der Reaktionsschichten auf der Faser führte.
3b veranschaulicht die Reaktion einer Faser 10, hergestellt aus dem erfindungsgemäßen bioaktiven Glas, beim Kontakt mit einer Körperflüssigkeit. Die homogene Struktur des erfindungsgemäßen Materials wird klar durch den im Wesentlichen gleichen Querschnitt der Reaktionsschichten aus der Faser nach Reaktion mit einer Körperflüssigkeit gezeigt.
Die 4a bis 5b werden unten diskutiert.
BEISPIEL
Eine Zusammensetzung, bestehend aus:
165,00 g SiO₂,
7,27 g CaH(PO₄) × 2H₂O,
108,21 g CaCO₃,
41,04 g Na₂CO₃,
48,42 g K₂CO₃,
9,00 g MgO und
5,33 g H₃BO₃,
wurde auf eine Temperatur von 1360°C erwärmt und bei dieser Temperatur über einen Zeitraum von drei Stunden gehalten. Die geschmolzene Zusammensetzung, in der die Carbonate unter Bildung von Oxiden reagiert hatten, wurde auf Umgebungstemperatur über Nacht abkühlen gelassen und das feste Glas wurde in Stücke zerkleinert.
Das zerkleinerte Glasmaterial wurde erneut auf eine Temperatur von 1360°C erwärmt und bei dieser Temperatur über einen Zeitraum von drei Stunden gehalten. Die resultierende erweichte Glaszusammensetzung wurde in eine Form gegossen und über Nacht auf Umgebungstemperatur abkühlen gelassen. 300 g bioaktives Glas gemäß der vorliegenden Erfindung wurden erhalten. Die Zusammensetzung des Glases war die Folgende:
SiO₂ 55 Gew.-%,
P₂O₅ 1 Gew.-%,
CaO 21 Gew.-%,
Na₂O 8 Gew.-%,
K₂O 11 Gew.-%,
MgO 3 Gew.-% und
B₂O₃ 1 Gew.-%.
Die erhaltene bioaktive Glaszusammensetzung wurde verwendet, um eine Faser mittels eines Standardverfahrens auszuziehen und ein bioaktives Glasgewebe durch ein Vliesstoff-Verfahren herzustellen. In dem Vliesstoffverfahren wurden die Fasern unter Verwendung einer dünnen Schicht einer wässrigen Stärkelösung aneinander gebunden. Die Lösung diente auch als Schlichtungsmittel, wodurch die Festigkeit des Gewebes erhöht wurde.
Das resultierende Produkt wurde durch Eintauchen des Gewebes in Tris für 3, 5 bzw. 7 Tage getestet. Die Präzipitation von Calciumphosphat trat bei 5–7 Tagen auf. Eine optische und eine Röntgenstrahlanalyse zeigten keine Kristalle auf oder in den Fasern.
Die 4a bis 5b veranschaulichen die Ergebnisse des Testens. 4a zeigt ein Rasterelektronenmikroskop (scanning electron microscope) (SEM)-Bild einer bioaktiven Glasfaser gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer Vergrößerung von x100 und 4b zeigt die gleiche Probe bei einer Vergrößerung von x500, d.h. die reine Oberfläche zum Vergleich.
5a zeigt ein Rasterelektronenmikroskopbild einer bioaktiven Glasfaser gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer Vergrößerung von x100 und nach Eintauchen in Tris für 7 Tage und 5b zeigt die gleiche Probe bei einer Vergrößerung von x500. In den 5a und 5b kann man eine klare, unregelmäßige Reaktionsoberfläche sehen, die bei einer Mineralanalyse als Calciumphosphat (CaP) und Silicium (Si) enthaltend identifiziert wurde. Das bioaktive Glas gemäß der vorliegenden Erfindung reagiert somit in einer gleichförmigen Weise, was somit zeigt, dass die Zusammensetzung des Glases homogen ist.

Claims

Bioaktive Glaszusammensetzung, umfassend SiO₂, Na₂O, CaO, K₂O, MgO, P₂O₅ und B₂O₃, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an SiO₂ 51–56 Gew.-% der Ausgangsoxide beträgt, Na₂O 7–9 Gew.-% der Ausgangsoxide beträgt, CaO 21–23 Gew.-% der Ausgangsoxide beträgt, K₂O 10–12 Gew.-% der Ausgangsoxide beträgt, MgO 1–4 Gew.-% der Ausgangsoxide beträgt, P₂O₅ 0,5–1,5 Gew.-% der Ausgangsoxide beträgt und B₂O₃ 0–1 Gew.-% der Ausgangsoxide beträgt, unter der Maßgabe, dass die Gesamtmenge an Na₂O und K₂O 17–20 Gew.-% der Ausgangsoxide beträgt.
Bioaktive Glaszusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an SiO₂ 54–56 Gew.-% der Ausgangsoxide beträgt.
Bioaktive Glaszusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie des Weiteren Al₂O₃ in einer Menge bis zu 1 Gew.-% der Ausgangsoxide umfasst, unter der Maßgabe, dass die Gesamtmenge an B₂O₃ und Al₂O₃ 0,5–2,5 Gew.-% der Ausgangsoxide beträgt.
Bioaktive Glaszusammensetzung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abnahme der Menge an Na₂O und/oder K₂O durch die Zunahme der Menge an Al₂O₃ und/oder B₂O₃ kompensiert wird.
Verwendung einer bioaktiven Glaszusammensetzung nach einem der voranstehenden Ansprüche in der Beschichtung einer Vorrichtung.
Implantierbare Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer bioaktiven Glaszusammensetzung nach einem der Ansprüche 1–4 hergestellt worden ist.
Faser, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer bioaktiven Glaszusammensetzung nach einem der Ansprüche 1–4 hergestellt worden ist.
Platte, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer bioaktiven Glaszusammensetzung nach einem der Ansprüche 1–4 hergestellt worden ist.
Poröse Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer bioaktiven Glaszusammensetzung nach einem der Ansprüche 1–4 durch Einpressen von Druckgas in die geschmolzene Glaszusammensetzung hergestellt worden ist.
Tissue Engineering-Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer bioaktiven Glaszusammensetzung nach einem der Ansprüche 1–4 hergestellt worden ist.
Verfahren zur Herstellung einer wiederholt wärmebehandelbaren bioaktiven Glaszusammensetzung nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Stufen umfasst: a) Erhitzen eines Gemisches aus Ausgangsmaterialien auf eine Temperatur von 1350–1450°C über einen Zeitraum von im Wesentlichen drei Stunden, b) Abkühlenlassen der erhaltenen Schmelze auf Umgebungstemperatur über einen Zeitraum von mindestens zwölf Stunden, c) Zerkleinern des erhaltenen festen Glases in Stücke, d) erneutes Erwärmen des zerkleinerten Glasmaterials auf eine Temperatur von 1350–1450°C über einen Zeitraum von im Wesentlichen drei Stunden und e) Formen der erhaltenen bioaktiven Glaszusammensetzung in die gewünschte Form und Abkühlenlassen auf Umgebungstemperatur.