FR2842187A1 - Verre biologiquement actif a base de cao-sio2 et verre au phosphate de calcuim fritte l'utilisant - Google Patents
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- A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
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Abstract
L'invention concerne un verre biologiquement actif comprenant essentiellement 30 à 60 % en moles de CaO, 40 à 70 % en moles de SiO2 et 20 ou moins de 20 % en moles de Na2O.Elle concerne également un verre au phosphate de calcium fritté obtenu en utilisant ce verre biologiquement actif comme adjuvant de frittage.Application : production d'un verre au phosphate de calcium fritté ayant une biocompatibilité, une résistance mécanique et une frittabilité excellentes.
Description
La présente invention a pour objet un verre biologiquement actif à base de
CaO-SiO2 utilisable dans des matériaux de reconstitution osseuse tels que des articulations artificielles, des racines dentaires artificielles et des os artificiels, et un verre au phosphate de calcium fritté utilisant ce verre
biologiquement actif.
Lorsqu'un matériau artificiel est implanté dans une région endommagée d'un corps vivant, le matériau est généralement entouré par des membranes de fibres de collagène et ainsi isolé des os avoisinants. Cependant, on connaît certains matériaux artificiels, qui ne sont pas isolés par de telles membranes fibreuses et qui se connectent solidement à des os dans un corps vivant. Des exemples de tels matériaux artificiels comprennent des verres biologiques à base de Na2O-CaO-SiO2-P205-, l'hydroxyapatite frittée Ca1o(PO4)6(OH)2 et des verres cristallisés. On connaît comme verres cristallisés, par exemple, des verres biologiquement actifs à base de CaO20 MgO-SiO2-P205- contenant des cristaux de wollastonite et des
cristaux d'apatite tels que des cristaux d'hydroxyapatite.
Ces matériaux sont désignés sous le nom de matières céramiques biologiquement actives, et certains d'entre eux ont été utilisés dans la pratique comme matériaux
importants de reconstitution osseuse.
Les hydroxyapatites frittés ont été couramment utilisées dans des traitements médicaux comme matériaux de reconstitution osseuse présentant une grande biocompatibilité, et des procédés pour leur production ont été étudiés en détail. Cependant, avec l'augmentation ces dernières années de la demande d'os artificiels et de composants similaires présentant une plus grande compatibilité biologique, il est désiré d'élaborer des matières céramiques biologiquement actives contenant une apatite carbonatée, qui est un constituant des os des corps vivants. Les apatites carbonatées ayant une température de décomposition inférieure à celle des hydroxyapatites, le frittage est effectué à des températures relativement basses pour produire des matières céramiques à base d'apatite carbonatée. Le document JP 2000-72572A décrit un implant moulé produit par travail plastique d'un corps en apatite frittée, et un procédé pour la production de l'implant moulé, qui comprend les étapes consistant à fritter une apatite à une température égale ou inférieure à 900'C, à remplir un moule prédéterminé avec l'apatite frittée, puis à soumettre l'apatite frittée à un travail plastique à une température de 300 à 780'C. Dans ce procédé, la température de frittage étant basse, une apatite carbonatée ou fluorée ayant une basse température I5^ de décomposition peut être utilisée pour produire l'implant ayant une grande biocompatibilité. Cependant, cet implant comprend principalement l'apatite sans autres phases cristallines, ce qui fait qu'il a une faible résistance mécanique. On sait que l'utilisation d'un verre comme adjuvant de frittage augmente la. résistance mécanique du matériau céramique de reconstitution osseuse formé de l'apatite telle que l'apatite carbonatée. Dans le procédé de frittage, le verre est ramolli autour des cristaux principaux de l'apatite, et des cristaux sont engendrés entre les cristaux principaux à fritter, ce qui fait que la résistance mécani.que-du verre à base d'apatite frittée est accrue. De manière classique, des verres non biologiquement actifs sont utilisés comme adjuvant de frittage du corps en hydroxyapatite frittée. Cependant, ces verres non biologiquement actifs ayant de hautes températures de transition vitreuse et/ou de hautes températures de cristallisation, ils ne peuvent engendrer des cristaux préférables par frittage à des températures inférieures aux
températures de décomposition des apatites carbonatées.
Ainsi, les corps en apatite carbonatée frittée utilisant le verre non biologiquement actif comme adjuvant de frittage
n'ont pas une résistance mécanique suffisante.
En conséquence, un objectif de la présente invention consiste à proposer un verre biologiquement actif ayant une basse température de transition vitreuse et/ou une basse température de cristallisation, et un verre au phosphate de calcium fritté qui utilise le verre biologiquement actif de manière à avoir une grande biocompatibilité et une grande
résistance mécanique.
' En résultat de recherches approfondies ayant pour but l'objectif précité, les inventeurs ont trouvé qu'un verre biologiquement actif comprenant 30 à 60 % en moles de CaO, à 70 % en moles de SiO2 et une quantité égale ou inférieure à 20 % en moles de Na2O possèdent une basse ' température de transition vitreuse et/ou une basse température de cristallisation, et qu'un verre au phosphate de calcium fritté utilisant le verre biologiquement actif comme adjuvant de frittage présente une excellente biocompatibilité et une excellente résistance mécanique. La présente invention a été menée à bonne fin sur la base de
ces découvertes.
Ainsi, le verre biologiquement actif de la présente invention a une composition comprenant essentiellement 30 à % en moles de CaO, 40 à 70 % en moles de SiO2 et une
quantité égale ou inférieure à 20 % en moles de Na2O.
Il est préférable que le verre biologiquement actif de
la présente invention comprenne en outre du CaF2 et/ou B203.
Le verre biologiquement actif a de préférence une température de transition vitreuse égale ou inférieure à 7900C. La différence entre la température de transition vitreuse et la température de début de cristallisation du verre biologiquement actif est de préférence égale ou supérieure à 80C. Le verre biologiquement actif forme de préférence un cristal de P-wollastonite lors de sa
cristallisation.
Dans une forme de réalisation préférée, le verre biologiquement actif a une composition comprenant essentiellement 30 à 60 % en moles de CaO, 40 à 70 % en moles de SiO2 et au moins un des composés consistant en Na2O, CaF2 et B203, Na2O étant présent en une quantité égale ou inférieure à 20 % en moles, CaF2 étant présent en une quantité de 1 % en moles et B203 étant présent en une quantité égale ou inférieure à 5 % en moles. Le verre biologiquement actif est de préférence pratiquement
dépourvu de P205.
Le verre au phosphate de calcium fritté de la présente invention comprend le verre biologiquement actif de la
présente invention comme adjuvant de frittage.
Un phosphate de calcium présent dans le verre au ' phosphate de calcium fritté de la présente invention est de préférence une hydroxyapatite, une apatite carbonatée ou le
phosphate tricalcique.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente
invention ressortiront de la description détaillée qui va
suivre, faite en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un graphique représentant le résultat d'analyse thermique différentielle d'un verre à base de CaO-SiO2; la figure 2 est une vue schématique représentant la formation de cristaux de P-wollastonite dans le procédé de frittage d'un verre à,base de CaO-SiO2; les. figures 3(a) à. 3(d) sont des vues schématiques en coupe transversale représentant les modifications des limites des particules dans le procédé de frittage d'un corps cru constitué de particules d'hydroxyapatite et de particules de verre à base de CaO-SiO2, la figure 3(a) représentant les particules d'hydroxyapatite et les particules de verre à base de CaO-SiO2 à une température inférieure à une température de transition vitreuse, la figure 3(b) représentant les particules immédiatement après que la température a atteint la température de transition vitreuse, la figure 3(c) représentant la densification par frittage avec formation d'une phase de limite de grains (phase vitreuse), et la figure 3(d) représentant la formation de cristaux de P-wollastonite après que la température a atteint une température de cristallisation; les figures 4(a) et 4(b) sont des graphiques représentant les résultats d'une analyse de la structure aux rayons X, la figure 4(a) représentant les résultats des verres biologiquement actifs des exemples 1 à 6 et la figure 4(b) représentant les résultats des verres biologiquement actifs des exemples comparatifs 1 à 5 i la figure 5 est un graphique représentant les résultats de l'analyse aux rayons X d'un verre au phosphate de calcium fritté de l'exemple 7; la figure 6 est un graphique représentant les résultats de l'analyse aux rayons X d'un verre au phosphate de calcium fritté de l'exemple 8; la figure 7 est un graphique représentant les résultats de l'analyse aux rayons X d'hydroxyapatites frittées dans l'exemple comparatif 6; la figure 8 est une photomicrographie à un grossissement de 200 de cellules HOS mises en incubation sur le support de l'exemple 9 pendant une semaine; et la figure 9 est une photomicrographie à un grossissement de 200 de cellules HOS mises en incubation sur le support de l'exemple comparatif 7 pendant une semaine. ill Verre biologiquement actif Le verre biologiquement actif de la présente invention a une composition comprenant essentiellement 30 à 60 % en moles de CaO, 40 à 70 % en moles de SiO2 et une quantité égale ou inférieure à 20 % en moles de Na2O et a plus avantageusement une composition comprenant essentiellement à 50 % en moles de CaO, 40 à 50 % en moles de SiO2 et
une quantité égale ou inférieure à 20 % en moles de Na2O.
Le verre ayant une telle composition a une activité G biologique préférable à des fins d'utilisation comme matériaux biologiquement actifs, et a une résistance mécanique, une frittabilité, etc., préférables à des fins d'utilisation comme adjuvant de frittage dans un verre au phosphate de calcium fritté. Le verre biologiquement actif comprenant du CaO libère des ions calcium dans un corps vivant, présentant ainsi une activité biologique. Le verre biologiquement actif, qui a perdu une partie des ions calcium par élution, forme une couche de gel de silice constituée principalement d'oxyde de silicium. La couche de gel de silice forme la base de la nucléation des cristaux de phosphate de calcium, ce qui fait que le verre biologiquement actif peut se connecter
solidement à des éléments osseux corticaux.
Le verre biologiquement actif de la présente invention comprend du CaO et du SiO2 comme constituants principaux en des proportions molaires approximativement égales. Ainsi, la composition du verre biologiquement actif est pratiquement identique à celle de la P-wollastonite, ce qui fait que le verre biologiquement actif engendre aisément des. cristaux de -wollastonite à la température de cristallisation. Le cristal engendré à la température de cristallisation est de préférence un cristal de fwollastonite ayant une structure aciculaire, car la résistance mécanique du verre au phosphate de calcium fritté est augmentée plus fortement par un tel cristal de 9-wollastonite, comparativement à d'autres cristaux. Dans le cas de l'addition d'une grande quantité de P205 pour améliorer la biocompatibilité par des procédés classiques, la formation du cristal de P-wollastonite est souvent
empêchée à une température de cristallisation.
Le verre biologiquement actif de la présente invention présente une biocompatibilité améliorée avec l'augmentation de la teneur en CaO, sans nécessiter de P205. En outre, la température de transition vitreuse et/ou la température de cristallisation du verre biologiquement actif étant souvent élevées par P205, le verre biologiquement actif de la présente invention est dépourvu de P205. Ainsi, le verre biologiquement actif de la présente invention ne contient pas de P205, ce qui permet d'engendrer aisément le cristal de 5-wollastonite. Dans le verre biologiquement actif de la présente invention, la proportion molaire totale de CaO et SiO2 est avantageusement égale ou supérieure à 90 % en moles, plus
avantageusement égale ou supérieure à 95 % en moles.
Des cristaux de phosphate tricalcique Ca3(P04)2 peuvent être engendrés à la température de cristallisation. Le phosphate tricalcique est similaire par ses propriétés physiques, sa solubilité et sa biocompatibilité aux hydroxyapatites. En outre, le cristal de phosphate tricalcique peut améliorer la biocompatibilité du verre au
phosphate de calcium--fritté.
La frittabilité est améliorée dans le cas o l'adjuvant de frittage du verre biologiquement actif a (1) une. basse température de transition vitreuse Tg, (2) une température de début de cristallisation Tco considérablement inférieure à une température de décomposition du phosphate de calcium, et (3) une grande différence AT entre la température de transition vitreuse et la température de début de cristallisation Tco. Dans la présente invention, l'expression "température de début de cristallisation" désigne une température à laquelle le verre biologiquement actif commence à engendrer un cristal tel que le cristal de- P-wollastonite. Plus précisément, la température de début de cristallisation est définie par la température d'intersection d'une ligne de base et de la partie inférieure d'un pic exothermique sur une courbe d'analyse thermique différentielle. L'expression "température de cristallisation" désigne une température à laquelle le cristal est engendré, définissant la température d'un pic exothermique sur une courbe d'analyse
thermique différentielle.
Pour évaluer les effets de Na2O, etc., dans un système constitué de CaO, SiO2 et Na2O sur la température de transition du verre, etc., un verre biologiquement actif constitué de 50 % en moles de CaO et 50 % en moles de SiO2 est utilisé ci-après comme témoin. Le graphique de la figure 1 représente les variations exothermiques et endothermiques en fonction de la température dans l'analyse thermique différentielle d'un verre biologiquement actif constitué de 50 % en moles de CaO et 50 % en moles de SiO2 de 100'C à 1100'C. Le verre biologiquement actif engendre de la chaleur sur une plage de températures à laquelle la courbe est au-dessus de la ligne L et absorbe de la chaleur sur une plage de températures o la courbe est au-dessous de la ligne L. Une ligne tangentielle a au point d'inflexion de la courbe au début de l'absorption de chaleur, une ligne approximative b (ligne de base) et une ligne tangentielle c au point d'inflexion de la courbe dans la montée d'un pic exothermique sont indiquée sur la courbe d'analyse thermique différentielle sur la plage de températures représentant les variations endothermiques. La température de transition vitreuse Tg est obtenue par l'intersection de la ligne tangentielle a et de la ligne approximative b, et la température de début de cristallisation Tco est obtenue par l'intersection de la ligne approximative b et de la ligne tangentielle c. Sur la figure 1, chacune des valeurs Tcl et Tc2 représente la température, de cristallisation, et AT représente la différence entre la température de transition vitreuse Tg et la température de début de cristallisation Tco. Le verre biologiquement actif présente un comportement de ramollissement sur une plage de températures entre la température de transition vitreuse Tg
et la température de début de cristallisation Tco.
Le verre biologiquement actif ayant une basse température de transition vitreuse Tg peut être utilisé comme adjuvant de frittage pour l'apatite carbonatée, etc., ayant une basse température de décomposition. Pour fritter aisément le verre biologiquement actif à une température inférieure à la température de décomposition du phosphate de calcium et supérieure à la température de début de cristallisation Tco, la température de début de cristallisation Tco est de préférence inférieure à la température de décomposition, avec une différence approximativement égale ou supérieure à 4000C. La température de transition vitreuse Tg est avantageusement égale ou inférieure à 790'C, plus avantageusement égale ou inférieure à 770'C. En outre, le verre biologiquement actif de la présente invention a de préférence une grande différence AT entre la température de transition vitreuse et la température de début de cristallisation. Lorsque la différence AT est grande, des cristaux denses sont aisément obtenus sans nécessiter un ajustement précis de la température de frittage. La différence AT du verre biologiquement actif est avantageusement égale ou supérieure à 80C, plus avantageusement égale ou supérieure
à 900C.
La température de transition vitreuse Tg du verre biologiquement actif peut être abaissée en ajoutant du Na2O. Cependant, un excès de Na2O inhibe souvent la formation du cristal de f-wollastonite. Ainsi, la quantité de Na2O est avantageusement égale ou inférieure à 10 % en moles, plus avantageusement égale ou inférieure à 5 % en moles, de préférence égale ou inférieure à 1 % en moles. La limite inférieure de la quantité de Na2O est de préférence égale à 0,1 % en moles. Lorsque la quantité de Na2O ajoutée est inférieure à 0,1 % en moles, les effets de l'addition
de Na2O ne sont pratiquement pas obtenus.
L'addition de CaF2 au verre biologiquement actif peut abaisser sa température de transition vitreuse Tg et augmenter la différence AT. Avec l'addition de CaF2, la température de transition vitreuse Tg et la température de début de cristallisation Tco sont toutes deux abaissées, et la réduction de la température de début de cristallisation Tco est inférieure à celle de la température de transition vitreuse Tg. Ainsi, la température de transition vitreuse Tg est abaissée et la différence AT est accrue. La quantité de CaF2 ajoutée est avantageusement égale ou inférieure à 1 % en moles, plus avantageusement égale ou inférieure à
0,5 % en moles.
Du B203 peut être ajouté au verre biologiquement actif. L'addition d'une petite quantité de B203 peut abaisser sa température de transition vitreuse Tg et sa température de début de cristallisation Tco et augmenter la différence AT comme l'addition de CaF2. La quantité de B203 ajoutée est avantageusement égale ou inférieure à 5 % en moles, plus avantageusement égale ou inférieure à 1 % en
moles.
Au moins un des composés consistant en Na2O, CaF2 et B203 doit être présent dans le verre biologiquement actif de la présente invention. Il est préférable que Na2O, CaF2 et B203 soient ajoutés au verre biologiquement actif en association. Le verre biologiquement actif ayant la température de transition vitreuse Tg préférée et la différence AT préférée peut être obtenu par une association appropriée de Na20, CaF2 et B203. La quantité totale de Na2O, CaP2 et B203 est avantageusement égale ou inférieure à 5 % en moles, plus avantageusement égale ou inférieure à 2 % en moles. La limite inférieure de la quantité totale de
Na20, CaF2 et B203 est de préférence de 0,1 % en moles.
Un composé inorganique tel que K(20, Li2O, TiO2, Al203,
MgO et ZrO2 peut être ajouté au verre biologiquement actif.
Il est préférable d'utiliser un composé inorganique qui n'élève pas la température de transition vitreuse Tg et qui n'inhibe pas la formation du cristal de P-wollastonite. Il n'existe aucune limitation particulière quant au procédé pour la production du verre biologiquement actif de la présente invention. Le verre biologiquement actif peut être produit par un procédé décrit dans le document JP 60239341 A ou par un procédé similaire. Plus précisément, des poudres des matières (CaO, SiO2, Na2O, CaF2, B203, etc.) ayant une composition désirée sont introduites dans un creuset en platine et chauffées à une température de 12000C à 1600'C pendant un temps d'approximativement 3 heures pour obtenir un verre fondu. Le verre fondu est moulé et soumis
à un recuit pour produire le verre biologiquement actif.
Bien que cela ne soit pas particulièrement restrictif, la forme du verre biologiquement actif peut être choisie entre un lingot, une sphère, des billes, des particules, des granules, etc., en fonction du but envisagé. Lorsque le verre biologiquement actif est utilisé comme matière de départ pour le verre au phosphate de calcium fritté de la présente invention qui est décrit ci-dessous, le diamètre du verre biologiquement actif peut être ajusté par
pulvérisation ou calibrage.
[2] Verre au phosphate de calcium fritté (a) Composition du verre au phosphate de calcium fritté Un phosphate de calcium présent dans le verre au phosphate de calcium fritté de la présente invention est de préférence une hydroxyapatite, une apatite carbonatée ou le
phosphate tricalcique.
Lorsque l'hydroxyapatite est chauffée, elle est débarrassée progressivement des groupes hydroxyle à une température approximativement égale ou supérieure à 10000C, ce qui provoque une décomposition à une température approximativement égale ou supérieure à 1300'C. Ainsi, dans le cas de l'utilisation de l'hydroxyapatite pour le verre au phosphate de calcium fritté, le procédé de frittage est de préférence mis en oeuvre à une température inférieure à 1000lC. La biocompatibilité du verre au phosphate de calcium fritté peut être augmentée davantage en utilisant l'apatite carbonatée. Les groupements carbonate de l'apatite carbonatée sont éliminés à une température approximativement égale ou supérieure à 900'C, qui est inférieure à la température d'élimination des groupes hydroxyle de l'hydroxyapatite. Ainsi, dans le cas de l'utilisation de l'apatite carbonatée pour le verre au phosphate de calcium fritté, le procédé de frittage est de préférence mis en oeuvre à une température inférieure à
9000C.
Le verre au phosphate de calcium fritté de la présente invention comprend le verre biologiquement actif de la présente invention comme adjuvant de frittage. Le verre biologiquement actif engendre de préférence les cristaux de P-wollastonite à la température de cristallisation, de la manière représentée sur la figure 2. Le pourcentage des cristaux de Pwollastonite engendrés, par rapport au verre biologiquement actif, est compris de préférence dans
l'intervalle de 10 à 100 % en masse.
(b) Procédé pour la production du verre au phosphate de calcium fritté Le verre au phosphate de calcium fritté de la présente invention peut être produit par un procédé de frittage usuel. Le diamètre moyen des particules de phosphate de calcium est compris avantageusement dans l'intervalle de 1 à 100 pm, plus avantageusement de 10 à 20 pm. Les particules de phosphate de calcium ayant un tel diamètre moyen de particules peuvent être préparées par un procédé de-granulation par pulvérisation Ainsi, les particules de phosphate de calcium sont des agglomérats de fins cristaux de phosphate de calcium (particules primaires). Le cristal de phosphate de calcium est de préférence sous forme de nanoparticules ayant des diamètres égaux ou inférieurs à 1 pm, plus avantageusement de nanoparticules ayant des
diamètres de 10 à 500 nm.
Les particules pulvérisées du verre biologiquement actif de la présente invention peuvent être ajoutées aux particules de phosphate de calcium. Le diamètre moyen des particules du verre biologiquement actif est compris avantageusement dans l'intervalle de 0,1 à 10 pm, et plus avantageusement égal ou inférieur à 5 pm. Le pourcentage du verre biologiquement actif, par rapport aux particules de phosphate de calcium, est compris avantageusement dans l'intervalle de 0,5 à 10 % en masse, plus avantageusement
de 1 à 5 % en masse.
Les particules de phosphate de calcium et les particules de verre biologiquement actif peuvent être I0 mélangées à l'état humide avec des billes d'alumine et un solvant tel que l'alcool isopropylique, l'éthanol, etc., et peuvent être séchées pour obtenir un mélange destiné au frittage. Le temps de séchage va avantageusement de 0,5 à heures, plus avantageusement de 2 à 5 heures. Le mélange est de préférence introduit dans une matrice en acier inoxydable, etc., et est moulé par compression, puis soumis
à une compression isostatique à froid.
Un corps cru ainsi obtenu est fritté. La température de frittage du corps cru est comprise avantageusement dans l'intervalle de 700 à 1300'C, plus avantageusement de 700 à 900C. Le temps de frittage va avantageusement de 0,5 à heures, plus avantageusement de 2 à 5 heures. Le procédé de frittage est décrit par référence aux vues schématiques des figures 3(a) à 3(d). Comme le montre la figure 3(a), les particules de phosphate de calcium et les particules de
verre sont réparties uniformément dans le corps cru.
Lorsque le corps cru est. chauffé à une température égale ou supérieure à la température de transition vitreuse, les particules de verre sont ramollies de la manière représentée sur la figure 3 (b). Lorsque le corps cru est soumis à un chauffage supplémentaire, les particules de verre ramollies pénètrent dans les pores entre les particules de phosphate de calcium, ce qui provoque une densification, formant ainsi des phases de limites des grains (phases vitreuses), de la manière représentée sur la
figure 3(c).
Comme le montre la figure 3(d), lorsque le procédé de frittage est mis en oeuvre et le corps cru est chauffé à une température à laquelle au moins une partie des constituants du verre forme des cristaux, des cristaux sont engendrés dans la phase de limites des grains pour former des phases cristallines. La température de frittage étant inférieure à la température de fusion et la température de décomposition de phosphate de calcium pendant la totalité du procédé de frittage, les particules de phosphate de calcium sont à peine décomposées ou dissoutes dans le verre. Ainsi, les cristaux tels que les cristaux de 3-wollastonite de certains constituants du verre sont engendrés entre les cristaux de phosphate de calcium, ce qui donne le verre au phosphate de calcium fritté dense. La vitesse d'élévation de température est de préférence uniforme et la vitesse d'élévation de température préférée est d'approximativement 'C/min. La température de frittage est de préférence maintenue entre la température de transition vitreuse et la température de cristallisation pendant 1 à 5 heures. Le verre au phosphate de calcium fritté est de préférence
refroidi dans un four.
La présente invention est expliquée plus en détail par référence aux exemples ci-dessous sans envisager de
restreindre le cadre de la présente invention.
Exemple 1
49,5 % en moles d'une poudre de CaO, 49,5 % en moles d'une poudre de SiO2 et 1 % en moles d'une poudre de Na2O ont été mélangés et fondus à 15000C pendant 2 heures pour produire un lingot de verre biologiquement actif ayant une
composition uniforme.
Exemples 2 à 6
Les poudres des matières ont été fondues à 1500'C pendant 2 heures pour produire des lingots d'un verre biologiquement actif ayant des compositions uniformes,
indiquées sur le tableau 1.
TABLEAU 1
Verre biologiquement Composition (% en moles) actif CaO SiO2 Na2O CaF2 B203
Exemple 1 49,5 49,5 1,0 -
Exemple 2 47,5 47,5 5,0 -
Exemple 3 40,0 50,0 10,0 -
Exemple 4 49,5 50,0 - 0,5 Exemple 5 49,0 49,5 1,0 0,5 Exemple 6 49,5 49,0 1,0 0,5 1,0 Exemples comparatifs 1 à 5 Les poudres des matières ont été fondues à 15000C pendant 2 heures, pour produire des lingots de verre biologiquement actif ayant les compositions uniformes
indiquées sur le tableau 2.
TABLEAU 2
Verre biologiquement Composition (% en moles) actif CaO SiO2 P205 Exemple comparatif 1 50,0 50,0 Exemple comparatif 2 49,0 51,0 Exemple comparatif 3 40,0 60,0 Exemple comparatif 4 47,5 47,5 5,0 Exemple comparatif 5 60,030,0 10,0 I - Chaque verre biologiquement actif des exemples 1 à 6 et des exemples comparatifs l à 5 a été soumis à une analyse thermique différentielle, pour obtenir la température de transition vitreuse Tg, la température de début de cristallisation Tco, la température de cristallisation Tc et la différence AT entre la température de transition vitreuse et la température de début de cristallisation. Comme le montre le tableau 3, chaque verre biologiquement actif des exemples 1 à 6 avait une température de transition vitreuse Tg plus basse, comparativement aux verres biologiquement actifs des exemples comparatifs dépourvus de Na2O, etc. Chacun des verres biologiquement actifs des exemples 4 à 6 contenant
du CaF2 avait une différence AT relativement grande.
TABLEAU 3
Verre Température Température Température Différence AT biologique- de transition de début de de cristalli- entre Tg et ment actif vitreuse Tg cristalli- sation Tc Tco (OC) (OC) sation Tco (OC) (OC) Exemple 1 774,4 862,5 882,6 88,1 Exemple 2 717,4 859,0 829,3 141,6 753,0 Exemple 3 662,9 726,0 814,3 63,1 918,2 Exemple 4 780,4. 862,6 883,8 82,2 Exemple 5 763,1 859,0 874,9 95,9 Exemple 6 746,4 837,4 851,6 91,0 869,4 Exemple 880,6 comparatif 1 792,9- 861,8 914,7 68,8
Exemple
comparatif 2 789,6 866,7 886,2 77,1
Exemple
comparatif 3 780,8 882,2 911,9 101,4
Exemple
comparatif 4 789,1 896,1 944,9 107,0
Exemple
comparatif 5 807,2 873,4 885,9 66,2 Chacun des verres biologiquement actifs des exemples 1 à 6 et des exemples comparatifs 1 à 5 a été chauffé à une température égale ou supérieure à la température de cristallisation, et les cristaux engendrés ont été analysés par analyse de la structure aux rayons X. Les résultats de l'analyse aux rayons X des exemple 1 à 6 sont représentés sur les graphiques de la figure 4(a) et les résultats des exemples comparatifs 1 à 5 sont représentés sur les
graphiques de la figure 4(b).
Comme le montre le tableau 4, les cristaux de wollastonite ont été principalement engendrés dans les
17 I
verres biologiquement actifs des exemples 1, 2 et 4 à 6, et des exemples comparatifs 1 à 3, qui contenaient
approximativement la même quantité molaire de CaO et SiO2.
Par ailleurs, les cristaux de 3-wollastonite ont été à peine engendrés dans les verres biologiquement actifs des
exemples comparatifs 4 et 5 contenant du P205.
TABLEAU 4
Verre Température de Système cristallin biologiquement cristallisation actif Tc (OC) Exemple 1 882,6 P-wollastonite " Na2CaSiO,<1 Exemple 2 829, 3 P-wollastonite > Na2CaSiO4, Na2Ca2SiO<(2) 753,0 Na2CaSi3O8 " Na2CaSiO, Exemple 3 814,3 Na2CaSi3O8 " Na2CaSiO4 918,2 Na2CaSi3O8 " Na2CaSiO4 Exemple 4 883,8 P-wollastonite Exemple 5 874,9 P-wollastonite " Na2CaSiO4 Exemple 6 851,6 Na2CaSiO4 > P-wollastonite 869,4 P-wollastonite > Na2CaSiO4 Exemple 880,6 3-wollastonite comparatif 1 914,7 "-wollastonite
Exemple
comparatif 2 886,2 P-wollastonite
Exemple
comparatif 3 911,9 P-wollastonite
Exemple
comparatif 4 944,9 aX-wollastonite > 3-wollastonite
Exemple
comparatif 5 885,9 Ca2SiO4 > Ca(PO3)2 Notes: (1) """ signifie que le cristal du côté gauche a été engendré en une quantité extrêmement plus grande. (2) ">" signifie que le cristal du côté gauche a
été engendré en une plus grande quantité.
Exemple 7
Le lingot de verre biologiquement actif de l'exemple 1 a été pulvérisé en particules ayant un diamètre moyen de particules de 10 pm, et 5 % en masse de ce lingot ont été ajoutés à 100 % en masse de particules agglomérées (diamètre moyen: 15 pm) constituées de nanoparticules
d'hdyroxyapatite disponibles auprès de Pentax Corporation.
Le mélange résultant a été mélangé à l'état humide en utilisant de l'alcool isopropylique et des billes d'alumine et a été séché pour obtenir une poudre destinée au frittage. une quantité de 0,2 g de la poudre a été placée dans une matrice en acier inoxydable et moulée par compression, puis soumise à une compression isostatique à froid (CIP) et à un finissage pour produire un corps cru en forme de disque ayant un diamètre de 10 mm et une épaisseur de 2 mm. Le corps cru a été fritté à 900'C pendant 3 heures et refroidi dans un four pour produire un corps fritté du verre d'hydroxyapatite. La vitesse d'élévation de température lors du frittage était égale à 10'C/min. En outre, trois corps, frittés du verre d'hydroxyapatite ont été produits de la même manière, sauf que la température de frittage a été portée, respectivement, à 1000'C, 1100'C ou 1200'C. Les corps frittés et le corps cru non fritté ont été soumis à une analyse aux rayons X. Les résultats de l'analyse aux rayons X sont représentés sur le graphique de
la figure 5.
Exemple 8
Quatre corps frittés du même verre d'hydroxyapatite ont été produits par frittage à différentes températures de la même manière que dans l'exemple 7, à l'exception de
l'utilisation du verre biologiquement actif de l'exemple 5.
Les corps frittés et le corps cru non fritté ont été soumis à une analyse aux rayons X. Les résultats de l'analyse aux
rayons X sont représentés sur le graphique de la figure 6.
Exemple comparatif 6 Les corps crus d'hydroxyapatite des exemples 7 et 8 ont été frittés à 900 C, 10000C, 1100 C ou 12000C, respectivement, pendant 3 heures. Les corps frittés résultants et les corps crus non frittés ont été soumis à une analyse aux rayons X. Les résultats de l'analyse aux
rayons X sont représentés sur le graphique de la figure 7.
Dans le cas de l'exemple comparatif 6, seuls les pics de l'hydroxyapatite ont été détectés quelle que soit la température de frittage. Dans le cas des corps frittés des exemples 7 et 8, qui contenaient les verres biologiquement actifs, ceux frittés à une température égale ou supérieure à 10000C ont présenté les pics de la 3-wollastonite, et ceux frittés à une température égale ou supérieure à 11000C ont présenté en outre les pics du phosphate tricalcique P. La phase de -wollastonite est préférable pour le renforcement des limites des grains et la phase de phosphate tricalcique i est préférable pour augmenter
l'activité biologique.
Exemple 9
Le verre biologiquement. actif produit dans l'exemple 5 a été étudié en ce qui concerne la fixation des cellules, la prolifération cellulaire et l'activité de phosphatage alcaline, de la manière suivante: une pièce d'essai (5 mm x 5 mm x 2 mm) du verre biologiquement actif de l'exemple 5 a été soumise à une stérilisation à la vapeur d'eau sous haute pression et a été placée dans une plaque à puits multiples, comprenant 24 puits, pour culture cellulaire (disponible auprès de Sumitomo Bakelite Co.,
Ltd., diamètre 16,3 mm, surface de base 1,8 cm2).
1,0 x î04 cellules HOS dérivés d'un ostéosarcome humain (ATCC N0 CRL-1543) ont été utilisées pour ensemencer chaque plaque et 1 ml de D-MEM à 10 % de sérum de foetus bovin (SBF) (disponible auprès de GIBCO-BRL) a été ajouté à la plaque. Les cellules ont été mises en incubation à 370C pendant 60 minutes ou 7 jours dans de l'air renfermant 5 % de CC2. Le milieu de culture a été remplacé le quatrième
jour de la période d'incubation de 7 jours.
Exemple comparatif 7 Des cellules HOS ont été soumises à une incubation de la même manière que dans l'exemple 9, à l'exception de l'utilisation d'une pièce d'essai (diamètre: 6 mm x 2 mm) du corps d'hydroxyapatite frittée de l'exemple comparatif 6 (température de frittage: 1000'C) au lieu du verre biologiquement actif comme support. La fixation des cellules, la prolifération cellulaire et l'activité de phosphatage alcaline du corps d'hydroxyapatite frittée ont
été étudiées.
Les cellules incubées ont été fixées avec une solution tamponnée neutre à 10 % de formaldéhyde, colorées avec du bleu de méthylène et observées avec un microscope optique et un microscope électronique. Pour évaluer la différenciation cellulaire, les cellules incubées ont été homogénéisées et l'activité de phosphatage alcaline a été mesurée avec un K-test Alkalipha ou Wako (disponible auprès
de Wako Pure Chemical Industries, Ltd.).
L'adhérence des cellules à chaque support utilisé dans l'exemple 9 et l'exemple comparatif 7 a été examinée après la période d'incubation de 60 minutes. Dans le cas du support conforme à l'exemple 9, les cellules avaient proliféré sur le verre biologiquement actif et étaient pratiquement à l'état confluent le quatrième jour de l'incubation. Après la période d'incubation de 7 jours, les cellules avaient proliféré sur chacun des supports de l'exemple 9 et de l'exemple comparatif 7, à l'état confluent. Des photomicrographies (à un grossissement de ) des cellules HOS ayant incubées pendant une semaine sont représentées sur les figures 8 et 9. La figure 8 représente les cellules HOS mises en incubation sur le support de l'exemple 9 et la figure 9 représente les cellules HOS mises en incubation sur le support de l'exemple comparatif 7. En outre, les nombres des cellules fixées au verre biologiquement actif et au corps d'hydroxyapatite frittée après l'incubation pendant 60 minutes et 7 jours sont indiqués sur le tableau 5. Le support de l'exemple 9 a provoqué une excellente prolifération cellulaire,
l'exemple comparatif 7.
tout comme le support de
TABLEAU 5
Nombre de cellules fixées Support Période d'incubation minutes 7 jours Exemple 9 6,8 x 103/cm2 1,8 x 105/CM2 Exemple comparatif 7 6,0 x 103/cm2 2,0 x 105/CM2 Les activités de phosphatase alcaline après la période d'incubation de 7 jours sont indiquées sur le tableau 6. Le support de l'exemple 9 a donné une activité de phosphatage alcaline supérieure à celle du support de l'exemple comparatif 7. Ces résultats indiquent que le verre biologiquement actif a un effet sur la différenciation cellulaire.
TABLEAU 6
Support Activité de phosphatage alcaline pour 1 cm2 (unité: K-A) Exemple 9 2,4 Exemple comparatif 7 1,1 De la manière décrite en détail ci-dessus, le verre biologiquement actif de la présente invention a une composition comprenant essentiellement 30 à 60 % en moles de CaO, 40 à 70 % en moles de SiO2 et une quantité égale ou inférieure à 20 % en moles de Na2O. En contenant du CaO et du Sio2 comme constituants principaux, le verre biologiquement actif engendre aisément le cristal de Pwollastonite à la température de cristallisation, avec pour résultat une excellente résistance mécanique. En contenant du Na2O, le verre biologiquement actif a une basse température de transition vitreuse et/ou une basse température de cristallisation. En outre, lorsque le verre biologiquement actif de la présente invention contient du CaF2 et/ou du B203, la différence entre la température de transition vitreuse et la température de cristallisation est accrue. Le verre au phosphate de calcium fritté de la présente invention comprend le verre biologiquement actif comme adjuvant de frittage, présentant ainsi une grande biocompatibilité et une résistance mécanique et une
frittabilité excellentes.
Il va de soi que la présente invention n'a été décrite qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et que de nombreuses modifications peuvent y être apportées sans
sortir de son cadre..
Claims (10)
1. Verre biologiquement actif, caractérisé en ce qu'il a une composition comprenant essentiellement 30 à 60 % en moles de CaO, 40 à 70 % en moles de SiO2 et une quantité égale ou inférieure à 20 % en moles de Na2O.
2. Verre biologiquement actif suivant la revendication
1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre du CaF2.
3. Verre biologiquement actif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend en
outre du B203.
4. Verre biologiquement actif suivant l'une des
revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il a une
température de transition vitreuse égale ou inférieure à
7900C.
5. Verre biologiquement actif suivant l'une quelconque
des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la
différence entre sa température de transition vitreuse et sa température de début de cristallisation est égale ou
supérieure à 800C.
6. Verre biologiquement actif suivant l'une quelconque
des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il engendre
un cristal de 3-wollastonite à une température de cristallisation.
7. Verre biologiquement actif, caractérisé en ce qu'il a une composition comprenant essentiellement 30 à 60 % en moles de CaO, 40 à 70 % en moles de SiO2 et au moins un des composés consistant en Na2O, CaF2 et B203, Na2O étant présent en une quantité égale ou inférieure à 20 % en moles, CaF2 étant présent en une quantité de 1 % en moles et B203 étant présent en une quantité égale ou inférieure à % en moles.
8. Verre biologiquement actif suivant la revendication 1 ou 7, caractérisé en ce qu'il est pratiquement dépourvu
de P205.
9. Verre au phosphate de calcium fritté, caractérisé en ce qu'il comprend le verre biologiquement actif suivant
l'une quelconque des revendications 1 à 8 comme adjuvant de
frittage.
10. Verre au phosphate de calcium fritté suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend un phosphate de calcium constitué d'une hydroxyapatite, d'une
apatite carbonatée ou de phosphate tricalcique.
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