TW202302061A - 生物活性玻璃組成物 - Google Patents

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Abstract

一種矽酸鹽系玻璃組成物，包括：15至65重量%的SiO 2，2.5至25重量%的MgO，1至30重量%的P 2O 5，及15至50重量%的CaO，使得所述組成物在由國際標準化組織第719節(ISO 719)測量時具有最高為3之玻璃粒子(HGB)的耐水解性，且在模擬體液中形成生物活性晶相。

Description

生物活性玻璃組成物
此申請案依專利法主張2021年3月4日提申之美國臨時專利申請案第63/156,530號之優先權，本申請案基於該美國臨時專利申請案，且該美國臨時專利申請案的全文以引用方式併入本文。
本揭示內容與用於消費性應用及牙科應用之生物相容性無機組成物有關。
生物活性玻璃是一群具有生物相容性或生物活性之玻璃和玻璃陶瓷材料，這使得它們能夠被納入人類或動物生理學中。一般而言，生物活性玻璃能夠與硬組織和軟組織結合，從而促進骨骼和軟骨細胞之生長。此外，生物活性玻璃還可以釋放離子，這可活化成骨基因的表達並刺激血管新生(angiogenesis)，還可促進血管形成(vascularization)、傷口癒合以及心臟、肺、神經、胃腸道、泌尿道和喉部組織修復。
正在研究目前可用的生物活性玻璃轉化為磷灰石(apatite)之能力；然而，這些傳統生物活性玻璃的低化學耐久性對於需要在水性環境中延長保存時間的組成物來說是個問題。舉例而言，45S5 Bioglass ®需要就牙膏應用中之玻璃微粒開發非水性環境。其他玻璃組成物（如，無鹼玻璃）未表現出含鹼組成物的生物活性。因此，對具有高生物活性同時在水性環境中維持化學耐久性的生物活性玻璃組成物的需求仍未得到滿足。
此揭示內容提出了用於消費性應用及牙科應用之生物相容性無機組成物。
在一些實施例中，一種矽酸鹽系玻璃組成物，包含：15至65重量%的SiO 2，2.5至25重量%的MgO，1至30重量%的P 2O 5，及15至50重量%的CaO，其中該組成物：當由國際標準化組織(International Organization for Standardization)第719節(ISO 719)測量時，具有最高為3之玻璃粒子(HGB)的耐水解性(hydrolytic resistance)，且在模擬體液中形成生物活性晶相。
在可與任何其他態樣或實施例結合之一個態樣中，玻璃組成物進一步包含：＞0至5重量%的F -。在可與任何其他態樣或實施例結合之一個態樣中，玻璃組成物進一步包含以下一者：＞0至10重量%的Li 2O，＞0至10重量%的Na 2O，或＞0至10重量%的K 2O。在可與任何其他態樣或實施例結合之一個態樣中，玻璃組成物進一步包含：＞0至10重量%的ZrO 2。在可與任何其他態樣或實施例結合之一個態樣中，玻璃組成物進一步包含：0至10重量%的Al 2O 3，0至10重量%的SrO，0至10重量%的ZnO，及0至5重量%的B 2O 3。在可與任何其他態樣或實施例結合之一個態樣中，玻璃包含： 15至50重量%的MO，及0至30重量%的R 2O，其中MO為MgO、CaO、SrO、BeO及BaO的總和，且R 2O為Na 2O、K 2O、Li 2O、Rb 2O及Cs 2O的總和。在可與任何其他態樣或實施例結合之一個態樣中，生物活性晶相包含磷灰石。在可與任何其他態樣或實施例結合之一個態樣中，P 2O 5及CaO的總和從25至65重量%。
在一些實施例中，一種矽酸鹽系玻璃組成物包含：30至50重量%的SiO 2，10至20重量%的MgO，5至15重量%的P 2O 5，及25至40重量%的CaO，其中該組成物：當由國際標準化組織(International Organization for Standardization)第719節(ISO 719)測量時，具有最高為3之玻璃粒子(HGB)的耐水解性(hydrolytic resistance)，且在模擬體液中形成生物活性晶相。
在可與任何其他態樣或實施例結合之一個態樣中，玻璃組成物進一步包含：＞0至3重量%的F -。在可與任何其他態樣或實施例結合之一個態樣中，玻璃組成物進一步包含：＞0至10重量%的Li 2O，＞0至10重量%的Na 2O，或＞0至10重量%的K 2O。在可與任何其他態樣或實施例結合之一個態樣中，玻璃組成物進一步包含：＞0至10重量%的ZrO 2。在可與任何其他態樣或實施例結合之一個態樣中，生物活性晶相包含磷灰石。在可與任何其他態樣或實施例結合之一個態樣中，P 2O 5及CaO的總和為從25至65重量%。
在可與任何其他態樣或實施例結合之一個態樣中，一種基質，包含如本文所述之玻璃組成物，其中該基質包括以下至少一者：牙膏、漱口水、洗滌液(rinse)、噴霧、軟膏(ointment)、藥膏(salve)、乳膏(cream)、繃帶、聚合物膜、口服製劑、丸劑、膠囊或經皮製劑。在可與任何其他態樣或實施例結合之一個態樣中，玻璃組成物附接至基質，或混合於基質中。在可與任何其他態樣或實施例結合之一個態樣中，一種水性環境(aqueous environment)包含本文所述之玻璃組成物。
在以下說明中，每當將群組描述為包含元素及其組合之群組中之至少一者時，應理解該群組可包含任何數量之所記載的彼等材料、基本上由任何數量之所記載的彼等材料構成，或由任何數量之所記載的彼等材料構成，無論單獨或彼此結合。類似地，每當將群組描述為由元素或元素之組合之群組中的至少一者構成時，應理解該群組可由任何數目之所記載元素獨立地或彼此組合地構成。除非另有說明，否則當記載時，數值之範圍包括該範圍之上限及下限以及上限與下限之間的任意範圍。
除非在特定情況下另有說明，否則本文記載之數值範圍包含上限值和下限值，所記載之範圍欲包括該範圍的端點以及在該範圍內的所有整數和分數。當定義範圍時，無意將申請專利範圍的範圍限制為所記載的特定值。此外，當以範圍、一或多個較佳範圍或較高優選值和較低優選值的列表給定量、濃度或其他數值或參數時，應理解為具體揭示了由任何範圍上限或較佳值與任何範圍下限或較佳值之任何對(pair)所形成之所有範圍，無論是否單獨揭示這樣的對。最後，當使用術語「約」來描述範圍的值或端點時，應理解所揭示內容包括所指稱之特定值或端點。當範圍的數值或端點未記載「約」時，所述範圍的數值或端點欲包括兩個實施例：一個以「約」修飾，且一個不以「約」修飾。
如本文所用，用語「約」是指數量、尺寸、製劑、參數、以及其他數量和特性，不是且不需要是精確的，而是如所需的可為近似的及/或更大或更小的，並反映了公差、換算因子、四捨五入、測量誤差等，以及本領域技術人員已知的其他因子。應注意到，在本文中可使用術語「實質上」來表示可能歸因於任何定量比較、值、量測或其他表示之固有之不確定程度。在本文中亦使用該等術語來表示在不導致所論述標的之基本功能變化的情況下定量表示可與所述參考不同的程度。因此，舉例而言，「不含」或「基本上不含」Al 2O 3的玻璃是指其中不將Al 2O 3主動添加或批量添加至玻璃內，但Al 2O 3可能作為污染物以極少量存在(如，百萬分之500、400、300、200或100份(ppm)或更少或)。
在本文中，除非另有說明，否則在氧化物基礎上，以包括在玻璃組成物中之特定組分的量的重量%表示玻璃組成物。具有超過一種氧化態之任何組分可以任何氧化態存在玻璃組成物中。然而，除非另有說明，否則以此類組分處於其最低氧化態之氧化物來表示此類組分的濃度。
口腔疾病在全球造成重大的健康負擔，導致疼痛、不適、毀容甚至死亡。磷灰石晶體的溶解及牙齒中鈣、磷酸鹽和其他離子的淨損失（即，去礦質作用）導致齲齒形成。可藉由再礦化過程對齲齒進行非侵入性處置，其中鈣和磷酸鹽離子從外部來源供應至牙齒，以促進晶體沉積到去礦質之牙釉質中的空隙內。結晶形式的磷酸鈣相（鈣磷石(brushite)、β-磷酸三鈣、磷酸八鈣、羥基磷灰石、氟磷灰石和釉質磷灰石）和非晶形式的磷酸鈣相均已用於再礦化過程。於再礦化過程中使用非晶磷酸鈣（例如，生物活性玻璃）已顯示出有前途的結果。強烈希望開發新的玻璃組成物以促進再礦化過程以預防或修復齲齒。
玻璃組成物
生物活性玻璃是一群具有生物相容性或生物活性之玻璃和玻璃陶瓷材料，這使得它們能夠被納入人類或動物生理學中。在本文所述之玻璃組成物中，SiO 2用作主要玻璃形成氧化物與鈣及磷的生物活性氧化物結合。
在一些實例中，玻璃包含SiO 2、MgO、P 2O 5及CaO之組合。在一些實例中，玻璃進一步包含：Li 2O、Na 2O、K 2O、F -及/或ZrO 2。在一些實例中，玻璃可進一步包含：Al 2O 3、SrO、ZnO及/或B 2O 3。舉例而言，玻璃可包含組成物，以重量%計，所述組成物包括：15至65%的SiO 2、2.5至25%的MgO、1至30%的P 2O 5及15至50%的CaO。在一些實例中，以重量%計，玻璃可進一步包含：0至10%的Li 2O、0至10%的Na 2O、0至10%的K 2O、0至5%的F -及/或0至10%的ZrO 2。在一些實例中，以重量%計，玻璃可進一步包含：0至10%的Al 2O 3、0至10%的SrO、0至10%的ZnO及/或0至5%的B 2O 3。在一些實例中，以重量%計，玻璃包含：15至50的MO及0至30的R 2O，其中MO為MgO、CaO、SrO、BeO及BaO的總和，且R 2O為Li 2O、Na 2O、K 2O、Rb 2O及Cs 2O的總和。本文揭示之矽酸鹽玻璃特別適於消費者、牙科或生物活性應用。
作為具體玻璃的主要玻璃形成氧化物組分之二氧化矽(SiO 2)可包括在內，以提供高溫穩定性及化學耐久性。就本文揭示之玻璃而言，包括過量SiO 2（如，大於60重量%）之組成物面臨生物活性降低。此外，含有過多的SiO 2之玻璃通常也具有過高的熔化溫度（如，大於200泊溫度）。
在一些實施例中，玻璃可包含15至65重量%的SiO 2。在一些實例中，玻璃可包含20至55重量%的SiO 2。在一些實例中，玻璃可包含15至65重量%，或15至55重量%，或20至55重量%，或20至50重量%，或25至50重量%，或25至45重量%，或30至45重量%，或30至40重量%，或本文揭示之任何值或範圍。在一些實例中，玻璃包含：15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64，或65重量%的SiO 2，或具有本文揭示之端點之任何值或範圍。
在一些實例中，玻璃包含MgO。在一些實例中，玻璃可包含2.5至25重量%的MgO。在一些實例中，玻璃可包含5至20重量%的MgO。在一些實例中，玻璃可包含從2.5至25重量%，或2.5至22.5重量%，或5至22.5重量%，或5至20重量%，或7.5至20重量%，或7.5至17.5重量%，或10至17.5重量%，或10至15重量%的MgO，或本文揭示之任何值或範圍。在一些實例中，玻璃可包含2.5、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24，或25重量%的MgO，或具有本文揭示之端點之任何值或範圍。
五氧化二磷(P 2O 5)也作為網絡成形劑。此外，磷酸根離子釋放到生物活性玻璃的表面有助於磷灰石的形成。磷灰石是骨骼和牙齒中的一種無機礦物質，且根據 ASTM F1538-03 (2017)，在模擬體液中形成磷灰石是材料具有生物活性的一個標準。在一些實例中，模擬體液可包括鹽溶液，所述鹽溶液在奈米純水中包含NaCl、NaHCO 3、KCl、K 2HPO 4、MgCl 2-6H 2O、CaCl 2、NaSO 4、(CH 2OH 3)CNH 2，其中以酸（如HCl）調節pH。在一些實例中，模擬體液包含人工唾液。生物活性玻璃中包括磷酸根離子增加了磷灰石的形成速率和骨組織的結合能力。此外，P 2O 5使玻璃的黏度增加，從而擴大操作溫度的範圍，且因此有利於玻璃的製造和成形。在一些實例中，玻璃可包含1至30重量%的P 2O 5。在一些實例中，玻璃可包含5至25重量%的P 2O 5。在一些實例中，玻璃可包含1至30重量%，或3至30重量%，或3至27重量%，或5至27重量%，或5至25重量%，或7至25重量%，或7至23重量%的P 2O 5，或本文揭示之任何值或範圍。在一些實例中，玻璃可包含約1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30重量%的P 2O 5，或具有本文揭示之端點之任何值或範圍。
在一些實例中，玻璃可包含15至50重量%的CaO。在一些實例中，玻璃可包含25至45重量%的CaO。在一些實例中，玻璃可包含從15至50重量%，或20至50重量%，或20至45重量%，或25至45重量%，或25至40重量%的CaO，或本文揭示之任何值或範圍。在一些實例中，玻璃可包含15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50重量%的CaO，或具有本文揭示之端點之任何值或範圍。
鹼土族氧化物可增進材料中之其他理想性質，包括影響楊氏模數及熱膨脹係數。在一些實例中，玻璃包含：從15至50重量%的MO，其中MO為MgO、CaO、SrO、BeO及BaO的總和。在一些實例中，玻璃包含：15至45重量%，或20至45重量%，或20至40重量%，或25至40重量%的MO，或本文揭示之任何值或範圍。在一些實例中，玻璃可包含約15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49，或50重量%的MO，或具有本文揭示之端點之任何值或範圍。
二價陽離子氧化物（如鹼土族氧化物及ZnO）亦可改善玻璃的熔化行為、化學耐久性和生物活性。具體而言，發現CaO在浸入模擬體液(SBF)中或在活體內時能夠與P 2O 5反應而形成磷灰石。從玻璃的表面釋放之Ca 2+離子有助於形成富含磷酸鈣之層。因此，P 2O 5及CaO之組合可為生物活性玻璃提供有利的組成物。在一些實例中，玻璃組成物包含P 2O 5及CaO，其中P 2O 5及CaO的總和從25至65重量%，或25至60重量%，或30至60重量%，或30至55重量%，或35至55重量%，或本文揭示之任何值或範圍。在一些實例中，玻璃組成物包含P 2O 5及CaO，其中P 2O 5及CaO的總和為25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64，或65重量%，或具有本文揭示之端點之任何值或範圍。
鹼金屬氧化物（Na 2O、K 2O、Li 2O、Rb 2O，或Cs 2O）有助於實現低熔化溫度和低液相溫度。同時，添加鹼金屬氧化物可增進生物活性。在一些實例中，玻璃可包含總共0至30重量%的Na 2O、K 2O、Li 2O、Rb 2O及Cs 2O之組合。在一些實例中，玻璃可包含從0至10重量%的Li 2O及/或Na 2O及/或K 2O。在一些實例中，玻璃可包含＞0至10重量%的Li 2O及/或Na 2O及/或K 2O。在一些實例中，玻璃可包含約0、＞0、1、2、3、4、5、6、7、8、9或10重量%的Li 2O及/或Na 2O及/或K 2O、或具有本文揭示之端點之任何值或範圍。
在一些實施例中可存在氟(F -)，且在這樣的實例中，玻璃可包含從0至5重量%的F -。在一些實例中，玻璃可包含從＞0至5重量%的F -。在一些實例中，玻璃可包含從0至5重量%、＞0至5重量%、＞0至4重量%、＞0至3重量%、＞0至2.5重量%、＞0至2重量%的F -，或本文揭示之任何值或範圍。在一些實例中，玻璃可包含約0、＞0、0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5，或5重量%的F -，或具有本文揭示之端點之任何值或範圍。F -可與CaO及P 2O 5結合而形成氟磷灰石(fluorapatite)，以增進所請組成物之生物活性。氟磷灰石是牙釉質(dental enamel)中之無機礦物。形成氟磷灰石的能力可有助於在空腔再生牙釉質。
二氧化鋯(ZrO 2)可存在一些實施例中並作為前驅物玻璃中之網絡成形劑或中間體，還可為用於藉由顯著減少成形期間之玻璃去玻作用並降低液相溫度來增進玻璃熱穩定性之關鍵氧化物。在若干態樣中，ZrO 2在組成物中可扮演與氧化鋁(Al 2O 3)類似的角色。氧化鋁可能影響（即穩定）玻璃的結構，此外，還可以降低液相溫度和熱膨脹係數，或提高應變點。除了作為網絡成形劑的作用外，Al 2O 3（和ZrO 2）有助於提高矽酸鹽玻璃的化學耐久性和機械性質，同時沒有毒性問題。Al 2O 3或ZrO 2的含量過高（如，＞10重量%）通常會增加熔體的黏度並降低生物活性。在一些實例中，玻璃可包含0至10重量%的ZrO 2及/或Al 2O 3。在一些實例中，玻璃可包含從0至10重量%、0至8重量%、0至6重量%、0至4重量%、0至2重量%、＞0至10重量%、＞0至8重量%、＞0至6重量%、＞0至4重量%、＞0至2重量%、1至10重量%、1至8重量%、1至6重量%、1至4重量%、1至2重量%、3至8重量%、3至6重量%、3至10重量%、5至8重量%、5至10重量%、7至10重量%或8至10重量%的ZrO 2及/或Al 2O 3，或本文揭示之任何值或範圍。在一些實例中，玻璃可包含0、＞0、1、2、3、4、5、6、7、8、9或10重量%的ZrO 2及/或Al 2O 3，或具有本文揭示之端點之任何值或範圍。
在一些實施例中可存在氧化鍶(SrO)，且在這樣的實例中，玻璃可包含從0至10重量%的SrO。在一些實例中，玻璃可包含從＞0至10重量%的SrO。在一些實例中，玻璃可包含從3至10重量%、5至10重量%、5至8重量%的SrO，或本文揭示之任何值或範圍。在一些實例中，玻璃可包含從0至10重量%、0至8重量%、0至6重量%、0至4重量%、0至2重量%、＞0至10重量%、＞0至8重量%、＞0至6重量%、＞0至4重量%、＞0至2重量%、1至10重量%、1至8重量%、1至6重量%、1至4重量%、1至2重量%、3至8重量%、3至6重量%、3至10重量%、5至8重量%、5至10重量%、7至10重量%，或8至10重量%的SrO，或本文揭示之任何值或範圍。在一些實例中，玻璃可包含約＞0、1、2、3、4、5、6、7、8、9，或10重量%的SrO，或具有本文揭示之端點之任何值或範圍。
在一些實例中，玻璃包含ZnO。在一些實例中，玻璃可包含0至10重量%的ZnO。在一些實例中，玻璃可包含從0至5重量%的ZnO。在一些實例中，玻璃可包含從＞0至10重量%、3至10重量%，或3至8重量%的ZnO，或本文揭示之任何值或範圍。在一些實例中，玻璃可包含：從0至10重量%、0至8重量%、0至6重量%、0至4重量%、0至2重量%、＞0至10重量%、＞0至8重量%、＞0至6重量%、＞0至4重量%、＞0至2重量%,1至10重量%、1至8重量%、1至6重量%、1至4重量%、1至2重量%、3至8重量%、3至6重量%、3至10重量%、5至8重量%、5至10重量%、7至10重量%，或8至10重量%的ZnO，或本文揭示之任何值或範圍。在一些實例中，玻璃可包含約0、＞0、1、2、3、4、5、6、7、8、9，或10重量%的ZnO，或具有本文揭示之端點之任何值或範圍。
在一些實例中，玻璃可包含0至5重量%的B 2O 3。在一些實例中，玻璃可包含＞0至5重量%的B 2O 3。在一些實例中，玻璃可包含從0至5重量%，或＞0至5重量%，或2至5重量%的B 2O 3，或本文揭示之任何值或範圍。在一些實例中，玻璃可包含0、＞0、1、2、3、4或5重量%的B 2O 3，或具有本文揭示之端點之任何值或範圍。
可將額外的成分加入玻璃，以提供額外的益處，或者額外的成分可作為通常存在於商業製備玻璃中之汙染物而併入玻璃。舉例而言，可添加額外成分作為著色劑或澄清劑（如，以有助於從用於生產玻璃之熔融批料去除氣態夾雜物）及/或用於其他目的。在一些實例中，玻璃可包含一或多種化合物，所述化合物適用作為紫外線輻射吸收劑。在一些實例中，玻璃可包含3重量%或更少的ZnO、TiO 2、CeO、MnO、Nb 2O 5、MoO 3、Ta 2O 5、WO 3、SnO 2、Fe 2O 3、As 2O 3、Sb 2O 3、Cl、Br，或前述者之組合。在一些實例中，玻璃可包含從0至約3重量%、0至約2重量%、0至約1重量%、0至0.5重量%、0至0.1重量%、0至0.05重量%，或0至0.01重量%的ZnO、TiO 2、CeO、MnO、Nb 2O 5、MoO 3、Ta 2O 5、WO 3、SnO 2、Fe 2O 3、As 2O 3、Sb 2O 3、Cl、Br，或前述者之組合。根據一些實例，玻璃也可包括與批料相關及/或由用於生產玻璃之熔融、澄清及/或成形設備引入玻璃內之各種汙染物。舉例而言，在一些實施例中，玻璃可包含從0至約3重量%、0至約2重量%、0至約1重量%、0至約0.5重量%、0至約0.1重量%、0至約0.05重量%，或0至約0.01重量%的SnO 2或Fe 2O 3，或前述者之組合。 實例
藉由下列實例，將會進一步釐清本文所述的實施例。
用於形成具體化的玻璃之前驅物氧化物的量之非限制性實例還有所得玻璃的性質一起列於表1中。可使用束彎曲黏度計(beam bending viscometer)（ASTM C598-93）來測量退火點(°C)。
氧化物 (重量%) 對照實例1 1 2 3 4 5 6 7
SiO 2 45 42.9 41.2 43.5 37.7 37.7 37.7 37.7
Al 2O 3 0 0 0 0 0 0 0 0
Li 2O 0 0 0 0 5 0 0 0
Na 2O 24.5 0 0 0 0 5 0 0
K 2O 0 0 0 0 0 0 5 0
MgO 0 14.5 13.9 14.5 14.5 14.5 14.5 14.5
CaO 24.5 32.4 31.2 32.5 32.5 32.5 32.5 32.5
SrO 0 0 0 0 0 0 0 0
ZnO 0 0 0 0 0 0 0 0
F - 0 0.8 0.8 0 0.8 0.8 0.8 0.8
P 2O 5 6 9.5 9.1 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5
ZrO 2 0 0 3.8 0 0 0 0 2
退火點(°C) 500 400 400 375 400 400 400 400
表1
本文揭示之生物活性玻璃組成物展現出高化學耐久性和優異的生物活性，且可為適用於所揭示之醫學及牙醫過程之任何形式。取決於應用，所述組成物可為，例如，顆粒、粉末、微粒、纖維、片材、珠粒、支架、編織纖維或其他形式。可在低於1300°C的溫度下，或在低於1250°C的溫度下，或在低於1200°C的溫度下熔化表1的組成物，從而可在相對小的商業玻璃槽中使其熔化。
在一些實施例中，表1的組成物顯示出比對照實例1（45S5玻璃）顯著更高的化學耐久性和生物活性。
第1圖繪示，根據一些實施例，根據ISO 719標準程序在98°C的水中測試2小時，實例1及2及對照實例1的每克鹼當量。換言之，如ISO 719所規範，使用50 mL的含玻璃粒子之DI水在98°C下進行滴定法2小時，來測量第1圖中之當量鹼釋出。如ISO 719所述，以0.01 M HCl滴定溶液，使用甲基紅作為指示劑，並以每克粒子幾μg中和鹼為單位做報導。越高的鹼釋放表示玻璃組成物的耐水性越低。因此，因為實例1及實例2的當量鹼釋放量約為從對照實例1 (45S5)釋放的量之約五分之一至十分之一，所以對照實例1的耐水性低於實例1或實例2。實例1及2（以及延伸之實例3至7）的改進之耐水解性可歸因於它們比對照實例1更低的鹼（即，Na 2O、K 2O、Li 2O）含量。
並且，根據在水中之ISO 719測試，從第1圖可知，實例1及2屬於HGB 3分類，而對照實例1屬於HGB 5。HGB代表玻璃粒子在沸水測試下之耐水解性。根據ISO 719，較小的HGB數字表示較高的抗性（較大的耐用性）。這表明實例組成物的水中耐用性顯著提升。
第1圖指出，具有較高耐久性之玻璃組成物在水性溶液中使用時可確保較長的保存時間。至於對照實例1，目前以非水性溶液調製使用此組成物之牙科用品。具有改良的耐水性之表1的當前實例允許有彈性地以水性溶液及非水性溶液二者進行調製，使其成為牙科或口腔護理或美容產品應用之更佳候選者。
第2A至2D圖繪示實例1及2及對照實例1的玻璃粉末樣品浸泡於人工唾液溶液中後，在人工唾液溶液中釋出的Na +（第2A圖）、Ca 2+（第2B圖）、Si 4+（第2C圖）及P 5+（第2D圖）離子濃度之感應性耦合電漿(ICP)分析。以Agilent 5800 ICP-OES 裝置進行ICP分析，以分析人工唾液中之離子濃度。由第2A圖可知，ICP數據證實，對實例1及2偵測出遠低於對照實例1之Na +離子濃度。類似地，由第2C圖可知，對實例1及2偵測出遠低於對照實例1之Si 4+離子濃度，表示新組成物表現出比45S5玻璃更高的耐水腐蝕性，因為二氧化矽充當測試玻璃的主要玻璃成形氧化物組分。在實例1及2中測量到比對照實例1更高之Ca 2+離子濃度，這與那些實例中比45S5更高之CaO含量一致。換言之，玻璃組成物中較高的鈣含量可能導致較高的Ca釋出量。就實例1及2及對照實例1而言，並非所有鈣都可以與磷結合而形成磷灰石。如由ICP所偵測，較高CaO組成物在唾液中釋出過量的鈣。由第2D圖可知，唾液中沒有可測量的P 5+，表示磷與鈣反應形成磷灰石。這些結果為示例性組成物相對於45S4玻璃之改進的耐久性提供了額外支持。如由第3A至3C圖中之XRD所證實（高峰強度和較尖銳的峰表示更高量的磷灰石），實例組成物中形成更高量的磷灰石。
第3A至3C圖繪示在浸入人工唾液（維持在37°C）達30天（第3A圖）、47天（第3B圖）及61天（第3C圖）後，對實例1及對照實例1進行之粉末x光繞射(XRD)分析。樣品在XRD分析前經乾燥和研磨。藉由使用Rocklabs環磨機(ring mill)將樣品研磨成細粉末來製備用於XRD分析之樣品。接著使用裝備有LynxEye™矽條偵測器(silicon strip detector)之Bruker D4 Endeavor裝置對粉末進行分析。從5°至80° (2θ)進行X光掃描以收集數據。如上文所解說，磷灰石為骨骼和牙齒中之無機礦物質，且在模擬體液中形成磷灰石是材料具有生物活性的一個標準。第3A至3C圖中之XRD數據顯示，儘管在人工唾液中30天（第3A圖）後沒有在實例1或對照實例1（45S5玻璃）中偵測到晶相，但在47天（第3B圖）後在實例1中鑑定出磷灰石，而峰值生長在61天（第3C圖）更為明顯。反觀即使在人工唾液中浸泡61天後也沒有在對照實例1中偵測到發展良好的磷灰石相。這表示實例1比對照實例1具有更高的結晶度和更好的生物活性。因為鈣是磷灰石中之關鍵組分，所以較高的CaO濃度有利於更快的磷灰石形成。實例1具有比對照實例1更高的CaO濃度。
第4A及4B圖繪示在浸入人工唾液（維持在37°C）達47天後，對照實例1（第4A圖）及實例1（第4B圖）的掃描式電子顯微鏡(SEM)影像。樣品在SEM分析前經乾燥。將導電碳塗層施加至玻璃粉末，以減少表面電荷，並接著在Zeiss Gemini 500 SEM中觀察。SEM影像為實例1的表面上之針狀磷灰石相與對照實例1中之球形核提供了進一步的證據。來自XRD及SEM的結果為示例性組成物中之生物活性高於45S5玻璃提供了額外的支持。
玻璃生物活性
態樣涉及含有具體的生物活性玻璃組成物之組成物或基質，以及使用所述基質來處理醫療狀況之方法。所述基質可為牙膏、漱口水、洗滌液、噴霧、軟膏、藥膏(salve)、乳膏(cream)、繃帶、聚合物膜、口服製劑、丸劑、膠囊、經皮製劑等等。本案所請之生物活性玻璃組成物可以物理性地或化學性地附接至基質或其他基質組分或簡單地混合於其中。如上所記載，應用中之生物活性玻璃可為任何形式，包括：顆粒、珠粒、微粒(particulate)、短纖維、長纖維或毛製網(woolen mesh)。使用含玻璃基質處理醫療狀況之方法可以簡單地像通常應用基質之使用一樣。
玻璃製程
可藉由傳統方法製造具有表1所列氧化物含量之玻璃。舉例而言，在一些實例中，可藉由徹底混合所需的批料（例如，使用渦流混合器），以確保均質熔體，然後置入二氧化矽及/或鉑坩堝內來形成前驅物玻璃。可將坩堝放置在熔爐內，並將玻璃批料熔化且維持在1100°C至1400°C的範圍內之溫度下達約6小時至24小時之時間。接著可將熔體倒入鋼製模具，以生產玻璃板體。隨後，可立即將彼等板體轉移到在約400°C至700°C下運行之退火爐，將玻璃保持在該溫度達約0.5小時至3小時，並接著隔夜冷卻。在另一個非限制性實例中，藉由乾式混合適當的氧化物及礦物源達足以徹底混合的時間，來製備前驅物玻璃。玻璃在範圍從約1100°C至1400°C之溫度下在鉑坩堝中熔化，並保持在所述溫度下達約6小時至16小時。接著將所得的玻璃熔體倒在鋼台上冷卻。接著在合適的溫度下將前驅物玻璃退火。
可藉由空氣噴射研磨(air jet milling)或短纖維，將所實施之玻璃組成物磨成1至10微米(µm)範圍內之細小顆粒。使用玻璃料之輾磨(attrition milling)或球磨(ball milling)，顆粒尺寸可在1至100 µm的範圍內變化。此外，可使用不同方法將這些玻璃加工成短纖維、珠粒、片材或三維支架。可藉由熔紡(melt spinning)或電紡(electric spinning)製成短纖維；可藉由使玻璃顆粒流過熱垂直熔爐或火焰炬來生產珠粒；可使用薄輥軋(thin rolling)、浮法或融合抽拉製程製造片材；且可使用快速原型製作(rapid prototyping)、聚合物發泡體複製(polymer foam replication)及顆粒燒結生產支架。期望形式的玻璃可用來支持細胞生長、軟組織及硬組織再生、刺激基因表達或血管新生。
使用本領域已知的方法可輕易地從本案所請之組成物拉製出連續的纖維。舉例而言，可以使用直接加熱的（電流直接通過）鉑襯套形成纖維。將玻璃屑裝載至襯套，將其加熱直到玻璃可熔化。設定溫度以達到期望的玻璃黏度（通常＜1000泊），以允許在襯套的孔口上形成滴狀物（選擇襯套尺寸以產生影響可能的纖維直徑範圍之限制）。用手拉動滴狀物以開始形成纖維。一旦纖維建立起來，它會連接到旋轉的牽引/收集滾筒，以便以一致的速度繼續牽引製程。使用滾筒速度（或每分鐘轉數RPM）及玻璃黏度，可控制纖維直徑 – 通常，牽引速度越快，纖維直徑越小。可從玻璃熔體連續拉製直徑在1至100 µm的範圍內之玻璃纖維。也可以使用上拉製程(updraw process)來產生纖維。在此製程中，從位於箱式熔爐中之玻璃熔體表面牽引出纖維。藉由控制玻璃的黏度，使用石英棒從熔體表面牽引玻璃，以形成纖維。可持續向上牽引纖維以增加纖維長度。將棒上拉的速度還有玻璃的黏度決定了纖維厚度。
因此，如本文所陳述，用於消費性應用及牙科應用之生物相容性無機組成物被描述為具有改良的生物活性與水性環境中的化學耐久性之組合。
如本文所用，在兩個或多個項目的列表中使用術語「及/或」時，表示可單獨使用所列項目中的任何一個，或可使用兩個或多個所列項目的任何組合。舉例而言，若將組成物描述為含有組分A、B及/或C，則該組成物可含有：單獨A；單獨B；單獨C；A與B組合；A與C組合；B與C組合；或A、B與C組合。
本文對元件位置之參照（如，「頂部」、「底部」、「上方」、「下方」、「第一」、「第二」等）僅用於描述圖式中各種元件的取向。應注意的是，各種元件的取向可以根據其他示範實施例而有所不同，且這種變化欲被本揭示內容涵蓋。並且，這些關係術語僅用於將一個實體或動作與另一實體或動作區分開來，而不必然要求或暗示此類實體或動作之間的任何實際關係或順序。
對本案所屬技術領域中具通常知識者及製造或使用本揭示內容者而言，可思及本揭示內容之修飾。因此，應理解到，附圖中所示和以上描述的實施例僅用於說明的目的，並不欲限制本揭示內容的範圍，本揭示內容的範圍根據包括等效物主義之專利法的原則之解釋由以下申請專利範圍界定。
本案所屬技術領域中具通常知識者將理解到，本文描述之揭示內容和其他組分之構成不限於任何特定材料。除非本文另有說明，否則本揭示內容之其他示範性實施例可由多種材料形成。
如本文所用，術語「約略」、「約」、「實質上」和類似術語欲具有與本案所屬技術領域中具有通常知識者普遍認知且能接受的用法一致之廣泛含義，且適用於本揭示內容所請標的。參閱此揭示內容之本案所屬技術領域中具有通常知識者應理解到，這些術語欲允許對所描述和請求之某些特徵進行描述，而不將這些特徵的範圍限至在所提供的精確數值範圍。因此，這些術語應被解釋為表明對所描述和所請標的之非實質性或無關緊要的修改或變更將視為落入隨附申請專利範圍中記載之發明的範圍內。
如本文所用，「視情況」、「可選的」或類似術語欲指表示隨後描述的事件或情況可發生或可不發生，且該描述包括事件或情況發生的例子和不發生的例子。如在本文中所使用，除非另有說明，否則不定冠詞「一」及對應定冠詞「該」意謂「至少一個」或「一或多個」。亦應理解，本說明書及圖式中所揭示之各種特徵可用於任一及所有組合中。
關於本文中實質上任何複數及/或單數術語之使用，本案所屬技術領域中具有通常知識者可根據上下文及/或應用從複數轉換為單數，及/或從單數轉換為複數。為了清楚起見，本文可明確闡述各種單數/複數排列組合。
除非另有指明，所有組成物均以成批的(as-batched)重量百分比(重量%)表示。如本案所屬技術領域中具有通常知識者可理解的，各種熔體成分（如，矽、鹼系或鹼土、硼等）在成分熔化期間可經受不同程度的揮發（如，作為蒸氣壓、熔化時間及/或熔化溫度的函數）。有鑑於此，與此類成分相關之成批的重量百分比數值愈涵蓋最終所熔化的製品中之這些成分的±0.5重量%範圍內之值。考慮到上述情況，預計最終製品與成批組成物間之組成實質上是等效的。
對於本領域技術人員將顯而易見的是，在不脫離本案所請標的之精神或範疇的情況下，可以進行各種修改和變化。因此，除非根據隨附申請專利範圍及其等效物，否則本案所請標的不受限制。
無
從以下結合附圖的詳細描述可使本揭示內容將變得更加充分地理解，其中：
第1圖繪示，根據一些實施例，根據ISO 719標準程序在98°C的水中測試2小時，實例1及2及對照實例1的每克鹼當量。
第2A至2D圖繪示，根據一些實施例，實例1及2及對照實例1的玻璃粉末樣品浸泡於人工唾液溶液中後，在人工唾液溶液中釋出的Na +（第2A圖）、Ca 2+（第2B圖）、Si 4+（第2C圖）及P 5+（第2D圖）離子濃度之感應性耦合電漿(ICP)分析。
第3A至3C圖繪示，根據一些實施例，在浸入人工唾液（維持在37°C）達30天（第3A圖）、47天（第3B圖）及61天（第3C圖）後，對實例1及對照實例1進行之粉末x光繞射 (XRD)分析。樣品在XRD分析前經乾燥和研磨。
第4A及4B圖繪示，根據一些實施例，在浸入人工唾液（維持在37°C）達47天後，對照實例1（第4A圖）及實例1（第4B圖）的掃描式電子顯微鏡(SEM)影像。樣品在SEM分析前經乾燥。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

Claims (17)

  1. 一種矽酸鹽系玻璃組成物，包含： 15至65重量%的SiO 2， 2.5至25重量%的MgO， 1至30重量%的P 2O 5，以及 15至50重量%的CaO， 其中該組成物： 當由國際標準化組織(International Organization for Standardization)第719節(ISO 719)測量時，具有最高為3之玻璃粒子(HGB)的耐水解性(hydrolytic resistance)，且 在一模擬體液中形成一生物活性晶相。
  2. 如請求項1所述之玻璃組成物，進一步包含： ＞0至5重量%的F -。
  3. 如請求項2所述之玻璃組成物，進一步包含以下一者： ＞0至10重量%的Li 2O， ＞0至10重量%的Na 2O，或 ＞0至10重量%的K 2O。
  4. 如請求項2所述之玻璃組成物，進一步包含： ＞0至10重量%的ZrO 2。
  5. 如請求項1所述之玻璃組成物，進一步包含： 0至10重量%的Al 2O 3， 0至10重量%的SrO， 0至10重量%的ZnO，以及 0至5重量%的B 2O 3。
  6. 如請求項1所述之玻璃組成物，其中該玻璃包含： 15至50重量%的MO，及 0至30重量%的R 2O， 其中MO係MgO、CaO、SrO、BeO及BaO的總和，且 R 2O係Na 2O、K 2O、Li 2O、Rb 2O及Cs 2O的總和。
  7. 如請求項1至6中任一項所述之玻璃組成物，其中該生物活性晶相包含磷灰石(apatite)。
  8. 如請求項1至6中任一項所述之玻璃組成物，其中P 2O 5及CaO的總和係從25至65重量%。
  9. 一種矽酸鹽系玻璃組成物，包含： 30至50重量%的SiO 2， 10至20重量%的MgO， 5至15重量%的P 2O 5，以及 25至40重量%的CaO， 其中該組成物： 當由國際標準化組織(International Organization for Standardization)第719節(ISO 719)測量時，具有最高為3之玻璃粒子(HGB)的耐水解性(hydrolytic resistance)，且 在一模擬體液中形成一生物活性晶相。
  10. 如請求項9所述之玻璃組成物，進一步包含： ＞0至3重量%的F -。
  11. 如請求項10所述之玻璃組成物，進一步包含以下一者： ＞0至10重量%的Li 2O， ＞0至10重量%的Na 2O，或 ＞0至10重量%的K 2O。
  12. 如請求項10所述之玻璃組成物，進一步包含： ＞0至10重量%的ZrO 2。
  13. 如請求項9至12中任一項所述之玻璃組成物，其中該生物活性晶相包含磷灰石(apatite)。
  14. 如請求項9至12中任一項所述之玻璃組成物，其中P 2O 5及CaO的總和係從25至65重量%。
  15. 一種基質，包含如請求項1至6中任一項所述之玻璃組成物，其中： 該基質包括以下至少一者：牙膏、漱口水、洗滌液(rinse)、噴霧、軟膏(ointment)、藥膏(salve)、乳膏(cream)、繃帶、聚合物膜、口服製劑、丸劑、膠囊或經皮製劑。
  16. 如請求項15所述之基質，其中該玻璃組成物附接至該基質，或混合於該基質中。
  17. 一種水性環境(aqueous environment)，包含如請求項1至6中任一項所述之玻璃組成物。
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