DD248351B5

DD248351B5 - Glaskeramisches bioaktives Material

Info

Publication number: DD248351B5
Application number: DD26730284A
Authority: DD
Inventors: Georg Dr Ing Berger; Renate Dipl Chem Sauer; Peter-Olaf Kunth; Gabriele Dipl Chem Steinborn; Andrea Spitzer; Heidi Marx; Eckhard Dr Rer Nat Gehrke; Steffen Dr Sc Med Koehler; Volker Dr Sc Med Thieme
Original assignee: Biovision Gmbh
Priority date: 1984-09-14
Filing date: 1984-09-14
Publication date: 1995-02-23
Also published as: DD248351A1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft glaskeramisches bioaktives Material vom CaO-P₂Os-SiO₂-TyP mit Apatit-, Wollastonit- und Cristobalit-Kristallphasefürden alloplastischen Knochenersatz.

Dieses Material zeichnet sich durch verbesserte chemische Beständigkeit infolge der Stabilisierung und strukturellen Veränderung der für eine hohe Bioaktivität bisher als notwendig betrachtete oberflächliche Ca-/P-reiche Schicht mit hydroxylapatitähnlicher Struktur aus. Trotz dieser Stabilisierung der im Verlaufe des Korrosionsprozesses in vivo gebildeten Ca-/P-reichen Schicht wird eine ebenso gute Bioaktivität erreicht, wie es bei den bisher bekannten Lösungen der Fall war. Gleichzeitig erfolgt durch die entsprechenden Zusätze eine Änderung des Kristallisationsverhaltens. Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des glaskeramischen bioaktiven Materials wird ein Gefügeaufbau geschaffen, der durch das Vorhandensein, von Apatit-, Wollastonit- und Cristobalit-Kristallphasen gekennzeichnet ist. Dieser Gefügeaufbau wirkt sich positiv auf das bruchmechanische Verhalten der entsprechenden Formkörper aus.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bisher sind bioaktive glaskristalline Materialien im wesentlichen aus folgender Patentliteratur bekannt:

a) auf der Basis von Apatitkristallphase DE-AS 2.326.100

DE-AS 2.349.859 DE-OS 2.606.540

b) aufderBasisvon Apatit-und Glimmerkristallphasen DE-OS 3.306.648

c) auf der Basis von Apatit- und Wollastonitkristallphase IP-Patent 57/191.252

In der DE-AS 2.326.100 werden glaskeramische Materialien für prothetische Zwecke mit apatitischen Kristallphasen durch einen Bereich der chemischen Zusammensetzung in den Grenzen von (Ma.-%) 20-60SiO₂.5-40P₂O₅,2,7-20Na₂0,0,4-20K₂O 2,9-30 MgO, 5-40 CaO und 0,05-3 F gekennzeichnet, wobei der Zusatz von Fluoriden bzw. Fluorionen abgebenden Verbindungen erfindungsgemäß zu einer vorteilhaften Ausbildung des Rekristallisationsprozesses, insbesondere hinsichtlich einer verbesserten Keimbildungsneige führt.

In der DE-AS 2.349.859 werden glaskeramische Materialien mit apatitischer Kristallphase innerhalb des in der DE-AS 2.326.100 beanspruchten Bereiches der chemischen Zusammensetzung durch einen zusätzlichen lonenaustauschprozeß in der oberflächennahen Schicht des Materials mit verbesserten mechanischen Eigenschaften (Festigkeitsverhalten) erhalten. Die DE-OS 2.606.540 beschreibt biologisch verträgliche Glaskeramiken für die Implantation mit apatitischer Kristallphase unter Zusatz von Fluoriden und seltenen Erdoxiden (Yttrium- bzw. Lanthanoxide), wobei bis zu drei mit dem natürlichen Hydroxylapatit isomorphe Kristallphasen, z. B. vom Typ fluorierter lanthanhaltiger Apatite, gebildet werden. Dem Zusatz der seltenen Erdoxide wird dabei eine die Bioverträglichkeit vorteilhaft beeinflussende Wirkung zugeschrieben.

Die unter a) angeführten Schriften berücksichtigen lediglich einen Stand der Technik, der ausschließlich auf apatitische Kristallphasen orientiert ist und noch nicht die Koexistenz weiterer Kristallphasen zur Festigkeitsverbesserung berücksichtigt, die dem glaskeramischen Formkörper neben der Bioaktivität weitere vorteilhafte Eigenschaften bietet, wie beispielsweise eine Bearbeitbarkeit im Falle der unter b) angeführten Schrift.

In der DE-OS 3.306.648 werden maschinell bearbeitbare bioaktive Glaskeramiken auf der Basis von Apatit- und Glimmerkristallen bzw. auf der Basis von Apatit-, Glimmer- und Anorthit-Kristallen vorgeschlagen. Derartige Glaskeramiken, die sowohl durch kontrollierte Abkühlung der Schmelze als auch durch thermische Nachbehandlung entstehen können, enthalten als Ausgangsmaterialien (in Ma.-%) 19-52SiO₂,12-23AI₂O₃,5-15MgO, 9-30CaO,4-24P₂O₅,0,5-7F" und 3-1OR₂O, wobei R₂O gleich Summe aus 0-8Ma-% Na₂O und 0-8Ma.-% K₂O darstellt. Die vorteilhafte Eigenschaft einer Bearbeitbarkeit dieser bioaktiven Glaskeramiken (beispielsweise auch während der Operation) wird durch den Nachteil eines beachtlich hohen Gehalts an AI₂O₃-Zusatz von größer 10Ma.-% gemindert. Durch WIHSMANN et al. (Wiss. Zeitschrift der Friedrich-Schiller-Universität) Jena, Math.-naturwiss. Reihe 32 (1983), (553 bis 569) wurde bekannt, daß hohe Gehalte an AI₂O₃ im Verlaufe von langen Liegezeiten in vivo zu einer separaten Al-reichen Schutzschicht führen, die die Bioaktivität einschränken und zu erheblich geringeren Knochenkontaktgraden führen. Ferner wurde bekannt, daß beim Einsatz von hohen Gehalten an AI₂O₃ besonders aus toxikologischer Sicht Aufmerksamkeit zu widmen ist, da bereits sehr geringe Auslaugungen zu Schädigungen führen können, so daß die physiologische Varianz der lonenkonzentrationen im Blut bzw, der Körperflüssigkeit streng einzuhalten ist. (vgl. hierzu: RICKENBACHER und SCHLATTER, Naturwiss. 70 [1983J, 303).

In dem IP-Patent 57/191.252 wird ein durch Sinterung und nachfolgende Kristallisation hergestelltes Implantatmaterial beansprucht, welches kristalline Phasen vom Typ des Hydroxylapatits zur biologischen Ankopplung und des Wollastonits zur Festigkeitssteigerung enthält und in Ma.-% aus 42 bis 53CaO, 22 bis 41 SiO₂,10 bis 27P₂O₅1 bis 7 MgO sowie kleiner 10Li-, Na-, K-, Sr-, B-, Al-, Ti-, Zr-, Nb- und Ta-oxide sowie CaF₂ besteht. Diese vorgeschlagene Lösung besitzt den Nachteil, daß mit diesem Material nur bruchmechanische Eigenschaften (K_ic-Wert von 0,79MPa m^1/2) Eigenschaften erzielt werden können, die lediglich eine geringfügige Verbesserung gegenüber den Werten der Ausgangsgläser darstellen (vgl. KOKUBO, Vortrag, Int. Congress of Glass, Hamburg, BRD, 1983). Als Ursache hierfür könnte der erhöhte MgO-Anteil angesehen werden, da entweder die Restglasphase den MgO-Anteil aufnehmen muß oder aber — was in dem Fall eines hohen MgO-Gehaltes wahrscheinlich ist — es treten weitere MgO-haltige Kristallphasen hinzu. Darüber hinaus ist bekannt, daß eine mit hohen MgO-Gehalten in Verbindung stehende erhöhte Freisetzung von Mg²⁺-lonen aus dem Implantatmaterial sich negativ auf den Mineralisationsprozeß des neugebildeten Knochens auswirkt. Ein weiterer Nachteil ist die eingeschränkte, chemische Beständigkeit.

Schließlich wird in der DD-Patentanmeldung WPC 03C/255974/3 ein glaskeramisches bioaktives Material vom CaO-P₂O₅-SiO₂-Typ mit Apatit- und Wollastonit-Kristallphase für den Knochenersatz vorgeschlagen, das gekennzeichnet ist durch einen Gehalt (aus Oxidbasis und in Ma.-% berechnet) an 30-50CaO, 2 bis 20P₂O₅,27-53SiO₂,4,7 Nn₂0,0,2 Na₂O und 0,95 MgO sowie 1-6CaF₂, wobei das Masseverhältnis CaO:P₂O₅ zwischen 2 und 20 beträgt. Dieses Material wird auf glaskeramischem Wege erhalten. Es

wird eine erhebliche Verbesserung der bruchmechanischen Eigenschaften (K,_c-Wert zwischen 1,8 und 2,6MPa m¹'²) in Verbindung mit der chemischen Beständigkeit von 1,4 bis 2,6 ml 0,01 η HCI gemäß Standard TGL 14809 erzielt. Nach herkömmlichem Prinzip erscheint jedoch eine weitere Verbesserung der chemischen Beständigkeit nicht sinnvoll, da dies automatisch zur Einschränkung der Bioaktivität führt (die hydrolytische Beständigkeit und die Bioaktivität sind durch einen reziproken Verlauf gekennzeichnet).

Es wäre jedoch vorteilhaft, eine neue Lösung zur Erhöhung der hydrolytischen Beständigkeit zu finden, die die Bioaktivität nicht einschränkt und somit zur Aufhebung der bestehenden Abhängigkeit des gegenläufigen Verhaltens zwischen Bioaktivität und hydrolytischer Beständigkeit führt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, bei glaskeramischem bioaktivem Material vom CaO-P₂O₅-SiO₂-TyP mit Apatit- und Wollastonit-Kristallphase zum alloplastischen Knochenersatz die chemische Beständigkeit, unter Beibehaltung der bekannten Spitzenwerte für die Bioaktivität und hinsichtlich des bruchmechanischen Verhaltens, weiter zu verbessern.

Die technische Aufgabe, die durch die Erfindung gelöst wird

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die chemische Zusammensetzung und den Keramisierungsprozeß von glaskeramischem bioaktivem Material vom CaO-P₂O₅-SiO₂-TyP mit Apatit- und Wollastonit-Kristallphasefürden Knochenersatz so zu verändern, daß die nach Implantation gebildete Korrosionsschicht an der Oberfläche des Implantats vom Organismus wie körpereigenes Hartgewebe behandelt wird, d. h. zu direktem bindegewebsf reiem Knochenkontakt führt, diese Schicht insgesamt die hydrolytische Beständigkeit verbessert und es gleichzeitig im Formkörper zu einer Gefügeausbildung kommt, die gute bruchmechanische Eigenschaften, gekennzeichnet durch hohe K|_C-Werte, hervorbringt.

Merkmale der Erfindung

Es wurde ein glaskeramisches bioaktives Material vom CaO-P₂Os-SiO₂-TyP mit Apatit-, Wollastonit- und Cristobalit-Kristallphase für den alloplastischen Knochenersatz gefunden, bei dem im Verlaufe der Liegezeit in vivo eine besondere Reaktions-Korrosionszone gebildet wird und das eine Art des Gefügeaufbaus unter Einbeziehung von erheblichen Cristobalitanteilen ermöglicht, die zu guten bruchmechanischen Eigenschaften, gekennzeichnet durch hohe K^-Werte, führen. Dieses Material ist dadurch gekennzeichnet, daß es aus (auf Oxidbasis berechnet)

30 bis 50	Ma.-%CaO
2 bis 20	Ma.-%P₂O₅
27 bis 53	Ma.-%SiO₂
0,1 bis 4	Ma.-%, vorzugsweise
0,1 bis 3,5	Ma.-%Na₂O
0,1 bis 0,5	Ma.-%, vorzugsweise
0,1 bis 0,18	Ma.-%K₂0
0,1 bis 4	Ma.-%, vorzugsweise
0,1 bis 0,8	Ma.-%MgO
0,1 bis 5,5	Ma.-%AI₂O₃
0,1 bis 6	Ma.-%CaF₂
0,1 bis 7,5	Ma.-%ZrO₂

und

besteht, wobei die Summe von CaF₂ und ZrO₂ 1 bis 10Ma.-% und die Summe von AI₂O₃ und ZrO₂1 bis 8 Ma.-% beträgt, und folgende Eigenschaftsparameter aufweist:

Bruchmechanische Eigenschaften:

KritischerSpannungsintensitätsfaktor (K|_C)zwischen 1,6pnd 2,6MPn m^1/2

Hydrolytische Beständigkeit (gemäß Standard TGL 14809:

0,15bis0,85ml0,01nHCI

Bioaktivität (ausgedrückt durch die Größe der nach einjähriger Liegezeit vorhandenen Kontaktfläche zwischen Knochen und Implantat in %):

bis 80%

Biokompatibilität:

— keine zelltoxischen Reaktionen in verschiedenen Zellkulturen,

— nachweisbares entzündungsfreies Einwachsen im Hartgewebe.

Es wurde auch ein Verfahren zur Herstellung des glaskeramischen bioaktiven Materials gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man ein Gemenge entsprechend der oben genannten Zusammensetzung (auf Oxidbasis und in Ma.-% berechnet) zu einem Glas erschmilzt,

— das schmelzflüssige Glas verformt oder frittet und das geformte oder gefrittete Glas

— einem Temperatur-Zeit-Programm

Aufheizen mit einer zwischen 0,1 und 10K- min"¹ liegenden Geschwindigkeit auf eine zwischen 850⁰C und 1050⁰C liegende Temperatur und Beibehalten dieser Temperatur zwischen 10 Minuten und 48 Stunden und Abkühlen mit einer zwischen 1 und 2OK min'¹ liegenden Geschwindigkeit auf Raumtemperatur unterwirft.

Das Material kann nach dem Schmelzen geformt werden, was dann der Fall sein wird, wenn es zur Verwendung als Implantatformkörper vorgesehen ist, oder es kann gefrittet werden, wenn es als Bestandteil zur Herstellung eines bioaktiven Verbundkörpers (Komposit bzw. Beschichtung) Verwendung finden soll. In jedem dieser beiden Fälle wird das Material vorteilhafterweise einem Temperatur-Zeit-Programm unterworfen, damit die auf diese Weise gewonnenen glasigen Produkte in glaskristalline übergeführt werden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen bioaktiven Glaskeramiken bildet das für diese Umwandlung gefundene Verfahren, da es als ein Ein-Stufen-Programm ausgebildet ist und es zum Zwecke der Keimbildung für den Kristallisationsprozesses keines zusätzlichen Haltens bei einer dafür typischen Temperatur bedarf. Dadurch kann der Keramisierungsprozeß ökonomischer gestaltet werden.

Es ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, daß durch die Senkung des Gehaltes an Nebenbestandteilen die entstehende Restglasphase stabilisiert wird. Die dabei entstehenden Nachteile einer geringeren Glasbildungsneigung konnten durch AI₂O₃ bzw. ZrO₂-Zusätze ausgeglichen werden. Es wurde überraschenderweise gefunden, daß, wenn ein bestimmter Gehalt an AI₂O₃ und ZrO₂ (Summe zwischen 1 und 8Ma.-%) eingehalten wird, es zur Ausbildung einer stabilisierten Ca-/P-reichen Reaktions-Korrosionszone an der Oberfläche des bioaktiven glaskeramischen Materials im Verlauf der Liegezeit in vivo kommt. Durch in vitro-Untersuchungen (AES-, IRRS-Messungen) konnte geklärt werden, daß im Gegensatz zu den bekannten Lösungen auch andere Oberflächenstruktureinheiten als die bisher bekannten hydroxylapatitähnlichen (OGINO und HENCH, J. Non-Cryst. Solids 38/39 [1980], 673) zur Bioaktivität, d.h. direktem Knochenkontakt führen können. Die Einschränkung hinsichtlich des Mengengehaltes dieser beiden Oxid-Zusätze ergibt sich dadurch, daß bei zu geringen Gehalten (kleiner 1 %) die chemische Beständigkeit nicht entscheidend erhöht wird, d. h. keine genügende Stabilisierung bewirkt wird. Eine Erhöhung der Gehalte über den Bereich von 8Ma.-% ruft separate, vorgelagerte ZrO₂- bzw. AI₂O₃-Schichten hervor, die die Bioaktivität des glaskeramischen Materials erheblich einschränken. In diesem Zusammenhang wurde ferner gefunden, daß ein Zusatz von AI₂O₃ von größer oder gleich 5,5Ma.-% neben geringen ZrO₂-Zusätzen diesen Umschlag hervorruft, d. h. im Sinne der hydrolytischen Beständigkeit verbessernd wirkt, jedoch die Bioaktivität stark einschränkt. Der Mengenzusatz an ZrO₂ ist mit maximal 7,5 Ma.-% neben geringen AI₂O₃-Gehalten zulässig, da es ansonsten zur Ausbildung eines Gefüges kommt, das die bruchmechanischen Eigenschaften deutlich verschlechtert. Des weiteren wurde gefunden, daß günstige bruchmechanische Eigenschaften im erfindungsgemäß vorgegebenen Zusammensetzungsbereich erzielt werden, wenn Cristobalit als weitere Kristallphase am Gefügeaufbau beteiligt ist (bis 15Ma.-%). Der günstige Gefügeaufbau wird unterstützt, indem die Na₂O- und K₂O- sowie MgO-Gehalte gering gehalten werden und die vorgegebenen oberen Grenzwerte nicht überschreiten. Das erfindungsgemäße glaskeramische bioaktive Material ist als Implantatmaterial für sich allein einsetzbar und als Verbundwerkstoff mit bioaktiven Polymeren und als Beschichtungsmaterial für Implantatmaterialien aus Metall, vorzugsweise aus Titan, Tantal und/oder aus Keramik, vorzugsweise aus AI₂O₃-Keramik, verwendbar.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird durch folgende Ausführungsbeispiele noch näher erläutert, wobei die Erfindung aber nicht auf diese Beispiele beschränkt ist.

Es wird ein Gemenge hergestellt gemäß einer Zusammensetzung It. Tabelle 1, wobei folgende Komponenten eingesetzt werden:

Tricalciumphosphat, p.a., 2 h bei 1300⁰C geglüht

Calciumcarbonat, schwer, p.a., zur Silicatanalyse

Siliciumdioxid (Weferlinger Quarzsand, gemahlen, opt. Qualität)

Natriumcarbonat, p. a. wasserfrei

Kaliumcarbonat, p.a.

Magnesiumoxid, p.a., 2 h bei 1300⁰C geglüht

Calciumfluorid, p.a.

Zirkoniumdioxid, rein

Die jeweils benötigten Mengen sind mit Hilfe bekannter Umrechnungstabellen zu errechnen, wobei zu bemerken ist, daß alle in Tabelle 1 angegebenen P₂O₅-Gehalte in Form von Tricalciumphosphat in die Gemenge eingebracht werden. Der jeweils verbleibende Rest an CaO wird als CaCO₃ eingesetzt.

Nach geeigneter Homogenisierung des Gemenges, z. B. mit einer Kugelmühle, werden die Gemenge in Platintiegeln erschmolzen, und zwar 5 h bei 1550⁰C. Die Schmelzen werden sodann entweder zu Platten vergossen oder in Wasser gefrittet. Das Gießen der Schmelzen erfolgt in Stahlformen. Die Gußkörper werden in einem Kühlofen bei 700⁰C gelegt und darin auf Raumtemperatur abgekühlt, um darauf auf die ungefähren Dimensionen von 90 χ 40 χ 5 mm zurechtgesägt bzw. geschliffen zu werden. Daran schließt sich die Keramisierung an, die nach folgendem Temperatur-Zeit-Programm erfolgt:

Aufheizen mit 1 K min"¹ bis 920°C

Halten bei 920°C für 24h

Abkühlen im Ofen bis Raumtemperatur.

Die Messung der Rißwachstumskurve zur Bestimmung des K|_C-Wertes erfolgt an den vorgenannten Platten. Zur genauen Dimensionierung werden diese auf einer Naßschleifscheibe, zuletzt mit der SiC-Körnung F28 (20—28^m, TGL 29-804), nachgeschliffen. Die an diesen Proben erhaltenen Ergebnisse sind der Tabelle 2 zu entnehmen. Sie weisen aus, daß

— die Biokompatibilität durchweg ausgzeichnet ist,

— die Bioaktivität gut bis sehr gut einzustufen ist,

— die hydrolytische Beständigkeit in den Klassen 2 bis 3 liegt und

— die bruchmechanischen Eigenschaften zwischen den Werten 1,6 und 2,59MPa · m^1/2 liegen.

Claims

1. Glaskeramisches bioaktives Material vom CaO-P₂O₅-SiO₂-TyP mit Apatit- und Wollastonit-Kristallphase für den alloplastischen Knochenersatz, gekennzeichnet dadurch, daß es aus (auf Oxidbasis berechnet)

besteht, wobei die Summe von CaF₂ und ZrO₂ 1 bis 10Ma.-% und die Summe von AI₂O₃ und ZrO₂ 1 bis 8Ma.-% beträgt, mit einer Cristobalit-Kristallphase als kristallinem Nebenbestandteil, und folgende Eigenschaftsparameter aufweist:

Bruchmechanische Eigenschaften:

Kritischer Spannungsintensitätsfaktor (K_!c) zwischen 1,6 und 2,6MPa · m^1/2 Hydrolytische Beständigkeit (gemäß Standard TGL 14809):

0,15 bis 0,85 ml 0,01 η HCI

bis 80%

Biokompatibilität:

— keine zelltoxischen Reaktionen in verschiedenen Zellkulturen

— nachweisbares entzündungsfreies Einwachsen im Hartgewebe.

2. Glaskeramisches bioaktives Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es 31,58% CaO, 11,09% P₂O₅,44,03% SiO₂,4,3% Na₂0,0,15% K₂0,2,8% MgO, 1,0% AI₂O₃,4,95% CaF₂ und 0,1 % ZrO₂ enthält (Angaben in Ma.-%).

3. Verfahren zur Herstellung eines glaskeramischen bioaktiven Materials vom CaO-P₂O₅-SiO₂-Typ mit Apatit- und Wollastonit-Kristallphase für den alloplastischen Knochenersatz, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Gemenge entsprechend der Zusammensetzung (auf Oxidbasis und in Ma.-% berechnet) nach Anspruch 1 zu einem Glas erschmilzt,

— einem Temperatur-Zeit-Programm

Aufheizen mit einer zwischen 0,1 und 1OK · min"¹ liegenden Geschwindigkeit auf eine zwischen 850⁰C und 1050⁰C liegende Temperatur und Beibehaltung dieser Temperatur zwischen 10 Minuten und 48 Stunden und

Abkühlen mit einer zwischen 1 und 20 K · min"¹ liegenden Geschwindigkeit auf Raumtemperatur unterwirft.

4. Verwendung des glaskeramischen bioaktiven Materials nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es für alloplastischen Knochenersatz eingesetzt wird.

5. Verwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das glaskeramische bioaktive Material als Beschichtungsmaterial für Implantatmaterialien aus Metall, vorzugsweise Titan, Tantal und/ oder aus Keramik, vorzugsweise als AI₂O₃-Keramik, eingesetzt wird.

6. Verwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das glaskeramische bioaktive Material als Verbundwerkstoff mit bioaktivem Polymeren eingesetzt wird.