DD156571B1

DD156571B1 - Langzeitstabile, bioaktive glaeser

Info

Publication number: DD156571B1
Application number: DD22768481A
Authority: DD
Inventors: Georg Berger; Heidi Marx; Peter-Olaf Kunth; Wolfgang Pompe; Thomas Mueller; Steffen Koehler; Klaus Retemeyer; Peter Bajdala; Gerhard Solow
Original assignee: Adw Ddr
Priority date: 1981-02-18
Filing date: 1981-02-18
Publication date: 1986-11-19
Also published as: DD156571A1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft neuartige Gläser, die sich in hohem Grade bioaktiv gegenüber Hartgewebe verhalten, hohen Widerstand gegenüber Lösungsangriffen durch Wasser, simulierte Körperflüssigkeit (RINGER-Lösung) und insbesondere gegenüber der Körperflüssigkeit nach erfolgter Implantation aufweisen und die demzufolge vorteilhaft als Implantationswerkstoff Verwendung finden können. Dieses erfindungsgemäße Implantatmaterial ist seinen Eigenschaften entsprechend vorzugsweise als Knochenersatzstoff anwendbar und zwar sowohl im tierischen als auch menschlichen Organismus. Es kann für sich allein, in Verbundsystemen (Kompositen) oder als Beschichtungsmaterial für andere Implantatwerkstoffe mit dem Ziel der Vergütung der Oberfläche, d.h. der Verbesserung der Grenzflächeneigenschaften Implantat/Gewebe, Verwendung finden. Die Hauptanwendungsgebiete dieser bioaktiven, langzeitstabilen Gläser bzw. der davon abgeleiteten Verbünde bzw. Überzugsschichten für andere Implantatwerkstoffe sind die Traumatologie, zahnärztliche Prothetik und weitere Spezialgebiete mit ähnlichen Problemstellungen, die der Erhaltung oder Wiederherstellung bestimmter Körperfunktionen dienen, die durch traumatische Einwirkungen, aber auch durch pathologische Prozesse gestört wurden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Als Implantatwerkstoffe wurden bislang Metalle, Kunststoffe und verschiedene anorganisch-nichtmetallische Stoffe eingesetzt. Die Mehrzahl dieser Materialien, insbesondere die traditionellen Implantatwerkstoffe, zeichnen sich durch einen hohen Grad an Biokompatibilität aus, d. h. sind körperverträglich und führen zu keinen unerwünschten Neben- bzw. Spätreaktionen. Jedoch werden diese Materialien vom Organismus als körperfremd erkannt und durch Bindegewebe abgekapselt. Eine derartige bindegewebige Umhüllung des Implantats führt nach gewisser Zeit stets zur Lockerung desselben, bzw. es entsteht mit noch vorhandenem Knochen keine Verbindung. Erst die Arbeiten von HENCH und Mitarbeitern (beispielsweise Material Science Research 7 [1973], 265 bis 282; I. Biomed. Mater. Res. Symposium Nr. 5 [Part. 1], 49 bis 64 [1974]) zeigten, daß im Gegensatz zu den traditionellen Materialien Bio-Gläser bzw. -Vitrokerame mit dem Knochen im Organismus verwachsen können. In der DE-AS 2.326.100 wird jedoch herausgestellt, daß der von HENCH gewählte Zusammensetzungsbereich der glasigen bzw. glaskeramischen Materialien (Calciumsilicophosphate mit erheblichen Alkalianteilen), insbesondere im Hinblick auf mögliche Konzentrations- bzw. Gleichgewichtsverschiebungen der Na¹⁺- und K¹⁺-lonen sowie der Mg²⁺- und Ca²⁺-lonen im Organismus und damit verbundene negative Auswirkungen auf die Wundheiiung, nicht als optimal anzusehen ist. Die in der erwähnten DE-AS 2.326.100 für prothetischs Zwecke vorgeschlagenen glaskeramischen Materialien mit Apatit-Kristallphase sind durch einen Bereich der chemischen Zusammensetzung in den Grenzen von (Ma.-%) 20-60 SiO₂,5-40 P₂O₆, 2,7-20 Na₂0,0,4-20 K₂0,2,9-30 MgO, 5-40 CaO und 0,05-3 F gekennzeichnet, wobei sich die Gläser dieses Zusammensetzungsbereiches durch gezielte Rekristallisation in entsprechende Glaskeramikmaterialien mit Apatitstruktur umwandeln lassen, die beim Auslaugen in RINGER-Lösung Na¹⁺- und K¹⁺-lonen bzw. Ca²⁺- und Mg²⁺-lonen im gewünschten Verhältnis abgeben und sich durch eine verbesserte LangzeitstabMität auszeichnen sollen.

In der DE-AS 2.349.859 (Zusatzanmeldung zur vorstehend genannten DE-AS 2.326.100) wird mit dem Ziel einer verbesserten mechanischen Festigkeit eine Anreicherung von K¹⁺-lonen in den Oberflächenschichten der gemäß DE-AS 2.326.100 hergestellten glaskeramischen Materialien mit Apatitstruktur vorgeschlagen, wobei das Einbringen der K¹⁺-lonen durch lonenaustauschprozesse erfolgen kann.

Unabhängig von den gegenüber den Materialien von HENCH möglicherweise erreichbaren Verbesserungen wird ein Mangel der in den o.g. DE-AS vorgeschlagenen glaskeramischen Zusammensetzungen, insbesondere in bezug auf ihre Langzeitstabilität, darin gesehen, daß die in den angegebenen Zusammensetzungsbereichen vorliegenden SiO₂-Gehalte auf eine mehr oder weniger ausgeprägte Invertstruktur der jeweils zugrundeliegenden Gläser schließen lassen, die in aller Regel mit einer wenig ausgeprägten chemischen Stabilität einhergeht.

Zusätzlich kritisch im Sinne der angestrebten Langzeitstabitität ist die Verwendung einer durch „ion-stuffing" mittels K¹⁺-lonen verfestigten Glasoberfläche einzuschätzen, wie dies in der DE-AS 2.349,859 vorgeschlagen wird. Die bekanntlich geringere hydrolytische Beständigkeit von durch „ion-stuffing" mechanisch verfestigten Glasoberflächen dürfte eine kontrollierte Abgabe von Alkali- bzw. Erdalkaliionen in gewünschten Verhältnissen (als Kriterium der angestrebten Langzeitstabilität in Verbindung mit biologischen Bedingungen) nicht eben begünstigen.

Schließlich wird in der DE-OS 2.606.540 eine biologisch verträgliche Glaskeramik vorgeschlagen, die aus einer Mischung von Oxiden im Bereich der chemischen Zusammensetzung (Mol-%) SiO₂ 35-50, Na₂O 20-30, Ca010-30, P₂Os 2,5-10 sowie Oxide dei Seltenen Erden bzw. Yttriumoxid 3-10 erschmolzen und durch gezielte thermische Behandlung in ein zumindest teilweise kristallines Material umgewandelt wird, wobei es zur Kristallisation einer isomorphen Verbindung des Hydroxylapatits kommt. Die Anwesenheit von Oxiden der Seltenen Erden soll erfindungsgemäß zu einer besonders wirksamen festen Verbindung zwischen dem Implantaten und der lebenden Knochenhaut führen. Neben der Tatsache, daß die Seltenen Erden sowie Yttrium vergleichsweise teuere Rohstoffe darstellen und darüber hinaus auch die nicht toxische Wirkung dieser Substanzen, mit Ausnahme des Lanthans, als noch nicht geklärt gelten muß, wie auch in der g. DE-OS zum Ausdruck gebracht wurde, ist ferner herauszustellen, daß mit 20-30Mol-% Na₂O der AlkaHanteil bei verhältnismäßig geringem SiO₂-Anteil von nur 35-50Mol-% als hoch einzuschätzen ist, was einerseits negative Auswirkungen auf die chemische Stabilität insgesamt hat und andererseits in ähnlicherWeise wie die Bio-Gläser von HENCH zu überhöhte AIHIidepots in Wundnähe führen dürfte.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, mit neuartigen bioaktiven Gläsern als im tierischen und menschlichen Organismus einsetzbarem Implantatmaterial, das für sich allein, in Verbundsystemen (Kompositen) mit Polymeren oder Metallen oder als Beschtchtungsmateria! für Implantatmaterialien aus Metallen oder Keramiken verwendbar ist, eine feste Knochen/Implantat-Verbindung und eine extrem hohe Langzeitstabilität gegenüber Angriffen der Körperflüssigkeit zu erreichen und eine Überhöhung der Alkalikonzentration in Wundniihe zu vermeiden.

Die technische Aufgabe, die durch die Erfindung gelöst wird

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, alkalifreie Phosphatgläser zu entwickeln, die einen hohen Grad an bioaktivem Verhalten aufweisen, d.h. eine bindegewebige Umhüllung im tierischen und menschlichen Organismus ausschließen bzw. weitestgehend unterdrücken, und gegenüber Angriffen der Körperflüssigkeit extrem hoch langzeitstabil sind, zur Verwendung als Implantatmaterial für sich allein, in Verbundsystemen (Kompositen) mit Polymeren oder Metallen oder als Beschichtungsmaterial für Implantatmaterialien aus Metallen oder Keramiken.

Merkmale der Erfindung

Es wurden bioaktive Gläser mit hoher hydrolytischer Beständigkeit zur Verwendung als Implantatmaterial und/oder als Verbundwerkstoff (Komposit) mit Polymeren oder Metallen und/oder als Beschichtungsmaterial fur Implantatmaterialien aus Metallen oder Keramiken gefunden. Diese Gläser sind dadurch gekennzeichnet, daß sie aus

45 bis 80 Mol-% P₂O₅ + SiO₂

5 bis 30Mol-% AI₂O₃ und

5 bis 55 Mol-% CaO + ZnO

bestehen, wobei für die einzelnen Komponenten gilt: 40 bis 75 Mol-% P₂O₆

5 bis 30 Mol-% AI₂O₃

5 bis 50 Mol-% CaO

3 Mol-% ZnO und

3 Mol-% SiO₇.

Eine extrem hohe hydrolytische Beständigkeit und zugleich eine gute Biokompatibilität besitzen Gläser aus dem Zusammensetzungsbereich (in Mol-%) 45 bis 75 P₂O₅,5 bis 30 AI₂O₃ und 5 bis 50 CaO.

Durch zelltoxikologische Untersuchungen konnte belegt werden, daß die Biokompatibilität der Gläser der der anerkannten АІгОз-Keramik-lmplantate gleicht. Darüber hinaus wurde festgestellt, daß sich das Material bioaktiv verhält, d. h. eine Bindegewebebildung weitestgehend unterdrückt. Allerdings ist, im Vergleich zu bekannten Materialien, der Grad der Bioaktivität nicht so stark herausgebildet wie die hohe Langzeitstabilität.

Es wurde überraschend gefunden, daß der ZnO-Zusatz bei gleichbleibend hoher bzw. für einige Zusammensetzungen sogar verbesserter hydrolytischer Beständigkeit zu sehr bioaktiven Gläsern führt. Zelltoxikologische Untersuchungen zeigten, daß hier eine deutliche Stimulierung des Zellwachstums zu beobachten ist. Eine mögliche Erklärung für dieses Verhalten könnte darin bestehen, daß einerseits ZnO in ZnO-P₂O₅-Gläsern zu einem hohen Vernetzungsgrad führen kann, d. h. auch bei weiterem Zusatz an ZnO Gläser extrem hoher hydrolytischer Beständigkeit erhältlich sind und andererseits Zn²⁺ leicht anstelle von Ca²⁺ in apatitische Strukturen — so in die Mineralsubstanz des Knochens — eintreten kann.

Allerdings ist der Zusatz von ZnO insbesondere bei hohen Gehalten von CaO infolge der Überschreitung des Glasbildungsbezirkes ь ^er auch wegen möglicher toxischer Wirkung begrenzt. Durch einen Zusatz von SiO₂ wird bewirkt, daß der P₂O_s-Mindestgehalt gesenkt werden kann.

Darüber hinaus führten die Untersuchungen zu dem überraschenden Ergebnis, daß derartige Materialien im Gegensatz zu bekannten Materialien mit extrem hoher Bioaktivität und geringer Langzeitstabilität vom Weichgewebe besonders gut toleriert werden, wofür insbesondere die Untersuchungen nach Subcutanisplantation sprechen.

Die erfindungsgemäßen Gläser können im wesentlichen nach den in der Glastechnik üblichen Verfahren hergestellt und verarbeitet werden. Eine Über- bzw. Unterschreitung der Konzentration auch nur einer Komponente des angegebenen Zusammensetzungsbereiches der Gläser hat jedoch nachteilige Veränderungen hinsichtlich ihrer material-technischen und Bio-Eigenschaften zur Folge. Beispielsweise führt eine Überschreitung des AI₂O₃-Gehaltes von 30 Mol-% bzw. des CAO-Gehaltes von 50Mol-% dazu, daß die Glasbildungsgrenze entsprechend der in der Glastechnik üblichen Herstellungsverfahren überschritten wird. Es muß jedoch ein Mindestgehalt von jeweils 5 Mol-% dieser beiden Komponenten garantiert sein, da durch den Mindestgehalt von CaO die erfindungsgemäße biologische Anwendung erst ermöglicht wird sowie der Mindest-AI₂O₃-Gehalt eine wünschenswerte Strukturstabilisierung darstellt und sich positiv bezüglich der mechanischen Festigkeit und chemischen Stabilität der Gläser auswirkt. Bei Unterschreitung des AI₂O₃-Gehaltes von 5 Mol-% und bei gleichzeitig hohem P₂O₆-Gehalt von größer als 65 Mol-% entstehen hygroskopische Gläser.

Zur P₂O6-Komponente ist noch zu bemerken, daß zu geringe Gehalte von kleiner als ca. 45 Mol-% bei Abwesenheit von SiO₂ (im Zusammenwirken mit den CaO- bzw. AI₂O₃-Anteilen) keine Glasbildung im üblichen Sinne ermöglichen. Zum Beispiel führt eine Schmelze der Zusammensetzung (in Mol-%) 43 P₂O₅,10 AI₂O₃,47 CaO, 0 ZnO und 0 SiO₂ zu während des Verarbeitungsvorganges spontan kristallisierendem Material. Zu hohe P₂O₅-Gehalte von ca. 75 Mol-% ab führen während des Schmelzens zu extremen P₂O₅-Verdampfungsverlusten und sind in der Schmelzführung mit üblichen Mitteln schwer zu handhaben. Ferner ist zu bedenken, daß in diesen Fällen der Phosphatanteil erheblich über die mit Vorteil einzusetzenden Metaphosphate als Gemengebestandteil hinausgeht, was die Gemengebereitung und das Einschmelzen des Gemenges problematisch macht.

Die erfindungsgemäßen Gläser sind als Implantatmaterial für sich allein einsetzbar und als Verbundwerkstoff (Komposit) mit Polymeren, vorzugsweise mit Polymethylmethacrylat, mit Metallen, vorzugsweise mit Titan oder Tantal, und als Beschichtungsmaterial für Implantatmaterialien aus Metall, vorzugsweise aus Titan oder Tantal, und aus Keramik, vorzugsweise aus AI₂O₃-Keramik, verwendbar.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird durch folgendes Ausführungsbeispiel noch näher erläutert, wobei die Erfindung aber nicht auf dieses Beispiel beschränkt ist.

Beispiel:

Es wurde ein Phosphatglas bei 1360⁰C geschmolzen, das folgende Zusammensetzung hatte:

46 Mol-% P₂O₅ 28 Mol-% CaO 10 Mol-% AI₂O₃

3 Mol-% ZnO

3 Mol-% SiO₂

Das Gemenge für diese Schmelze wurde aus 58,09 Ma.-% Ca(PO₃I₂ 27,64 Ma.-% AI(POs)₃

7,03 Ma.-% Zn(PO₃I₂

1,89 Ma.-% SiO₂ und 8,68Ma.-% (NH₄)H₂PO₄

zusammengestellt.

Diese Komponenten wurden zunächst vorsichtig bis auf 300⁰C und später auf 500⁰C erhitzt, um die Zersetzung des (NM₄J-H₂PO₄ abzuwerten und die Reaktion der so frei werdenden P₂O5-Anteile mit den übrigen Gemengebestandteilen zu ermöglichen.

Nachdem das so vorbehandelte Gemenge eingeschmolzen wurde und die daraus hergestellte Schmelze blank war, wurde sofort die Formgebung bzw. das Fritten vorgenommen.

Die Untersuchungen zur Bestimmung der Bio-Eigenschaften dieses Materials führten zu überraschenden Ergebnissen. So zeigten zelltoxikologische Untersuchungen eine Stimulierung des Zellwachstums im Vergleich zur bioinerten АІ₂Оз-Кегатік.

Auch die in vivo-Testung führte zu ähnlich guten Ergebnissen. Versuche zur Beurteilung der Bioaktivität ergaben, daß nach 14—15 Wochen Liegezeit die Implantate teilweise mit neugebildetem Knochen überzogen waren.

Claims

1. Bioaktive Gläser mit hoher hydrolytischer Beständigkeit, zur Verwendung als Implantatmaterial und/oder als

Verbundwerkstoff (Komposit) mit Polymeren oder Metallen und/oder als Beschichtungsmaterial für Implantatmaterialien aus Metallen oder Keramiken, gekennzeichnet dadurch, daß die Gläser aus 45 bis 80Mol-% P₂O₆ + SO₂
5 bis 30Mol-% AI₂O₃ und
5 bis 55Mol-% CaO + ZnO

bestehen, wobei für die einzelnen Komponenten gilt:
40bis75Mol-%P₂O₅
5bis30Mol-%AI₂O₃
5bis50Mol-%CaO
3 Mol-%2nOund

3 Mol-% SiO₂