ES2893241T3 - Composición de vidrio biodegradable, bioactivo y biocompatible - Google Patents
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Abstract
Una composición de vidrio biodegradable, bioactivo y biocompatible que comprende: SiO2 65 - 75 % en peso Na2O 12 - 17 % en peso CaO 8 - 11 % en peso MgO 3 - 7 % en peso P2O5 0,5 - 2,5 % en peso B2O3 1 - 4 % en peso K2O >0,5 % en peso - 4 % en peso SrO 0 - 4 % en peso y como máximo 0,3 % en peso en total de Al2O3 y Fe2O3.
Description
DESCRIPCIÓN
Composición de vidrio biodegradable, bioactivo y biocompatible
Campo de la invención
La invención se relaciona con una composición de vidrio biodegradable, bioactivo y biocompatible, su uso en la producción de fibra de vidrio continua y el uso de la fibra de vidrio continua en aplicaciones médicas y no médicas.
Antecedentes de la invención
Las fibras de vidrio están entre los materiales industriales más versátiles conocidos en la actualidad. Se producen sin inconvenientes a partir de materias primas minerales, que están disponible sin inconvenientes.
Las fibras de vidrio continuas se fabrican a partir de vidrio fundido. Las fusiones de vidrio se elaboran al fusionar (cofundir) sílice con otros óxidos metálicos para proporcionar una composición especificada. El vidrio es un sólido amorfo que se obtiene al enfriar una fusión lo suficientemente rápido para evitar la cristalización (desvitrificación).
En el fibrado del vidrio, un líquido de vidrio fundido viscoso se extrae (extruye) a través de agujeros pequeños en la base del casquillo para formar filamentos delgados similares a cabellos, es decir, fibras. La temperatura en que la fusión de vidrio tiene una viscosidad log 3 (poise o dPas), se ha considerado generalmente como la temperatura de formación de fibras, es decir, de fibrado, Tf. Para posibilitar la fabricación continua de fibras de vidrio continuas, se debe prohibir la cristalización del vidrio fundido durante el fibrado. Por lo tanto, se necesita que la temperatura de fibrado sea suficientemente más alta que la temperatura líquida Tl. La diferencia entre la temperatura de formación de fibras y la líquida es la ventana de trabajo AT= Tf - Tl en el proceso de fibrado, que debe ser suficientemente extensa para posibilitar la formación óptima de fibras dependiendo del diámetro de fibra.
Casi todas las fibras de vidrio textiles continuas (también conocidas como fibra de vidrio en hebra continua o simplemente fibra de vidrio con exclusión las lanas de vidrio) se elaboran industrialmente mediante un proceso de extracción directa de la fusión, pero se puede usar el proceso de fusión de canicas (refusión) para formar fibras de vidrio para un fin especial, por ejemplo, fibras de alta resistencia.
Se conocen varias composiciones de vidrio basadas en sílice bioactivas y biorresorbibles en el campo. Como se describe en la literatura, los vidrios bioactivos derivados de fusión se caracterizan por un contenido de SiO2 menor que 60 % en peso, un contenido de Na2O y CaO alto y una relación de CaO:P2O5 alta. Son capaces de unirse a hueso y tejido blando, y se pueden usar para estimular el crecimiento de tejido o hueso en el cuerpo de un mamífero. El vidrio bioactivo también típicamente guía la formación de tejido nuevo, que crece dentro de dicho vidrio. Cuando los vidrios bioactivos entran en contacto con un entorno fisiológico, se forma una capa de gel de sílice en la superficie del vidrio. Después de esta reacción, se deposita fosfato cálcico sobre esta capa y finalmente se cristaliza hasta un hidroxil-carbonato de apatita. Debido a esta capa de hidroxil-carbonato de apatita (HCA, por sus siglas en inglés), la resorción de vidrios bioactivos se enlentece cuando se insertan en cuerpos de mamífero.
La patente europea núm. EP 2243749 A1 describe fibra de vidrio derivada de fusión biocompatible y resorbible y su uso en dispositivos médicos. La fibra de vidrio tiene una composición: SiO2 al 60-70 % en peso, Na2O al 5-20 % en peso, CaO al 5-25 % en peso, MgO al 0-10 % en peso, P2O5 al 0,5-5 % en peso, B2O3 al 0-15 % en peso, AbO3 al 0-5 % en peso, Li2O al 0-1 % en peso y menos de 0,5 % en peso de potasio. La patente núm. CN 106554 609 A describe un material compuesto material que comprende una fibra de vidrio basada en sílice y un polímero biodegradable.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 muestra el efecto de cantidades variadas de óxido de potasio, en función de la cantidad de óxido de sodio, sobre la temperatura en Log (viscosidad, dPas) 2,5.
La Figura 2 muestra la degradación de la fibra de vidrio de la invención y la formación de una capa de fosfato cálcico alrededor de la fibra de vidrio después de un tiempo de retención de 16 semanas en un fluido corporal simulado.
Breve descripción de la invención
Se halló sorprendentemente en la presente invención que una pequeña cantidad de potasio, es decir >0,5 % en peso a 4 % en peso, en una composición de vidrio biodegradable proporciona buenas propiedades de fibrado con una extensa ventana de trabajo.
Además, se halló sorprendentemente que la fibra de vidrio fabricada a partir de la composición de vidrio de la invención proporciona artículos reforzados de fibra de vidrio con bioactividad, es decir, formación de gel rico en sílice y capa de fosfato cálcico.
En un aspecto, la presente invención proporciona una composición de vidrio biodegradable, bioactivo y biocompatible que comprende:
como máximo 0,3 % en peso en total de AhO3 y Fe2O3.
En otro aspecto, la invención proporciona fibra de vidrio biodegradable, bioactiva y biocompatible que comprende la composición de vidrio de la invención.
En un aspecto adicional, la invención proporciona el uso de la fibra de vidrio biodegradable, bioactiva y biocompatible de la invención en la fabricación de artículos adecuados para uso en aplicaciones médicas y no médicas.
En incluso otro aspecto adicional, la invención proporciona un artículo que comprende la fibra de vidrio de la invención.
Una ventaja de la presente invención es que la composición de vidrio proporciona un proceso de fibrado derivado de fusión mejorada para formar una fibra de vidrio continua debido a sus beneficiosas propiedades de cristalización, propiedades de viscosidad de fusión y resistencia a la fusión.
Una ventaja adicional de la presente invención es que la fibra de vidrio fabricada con la composición de vidrio muestra propiedades de resistencia similares o mejoradas en comparación con fibras de vidrio químicamente resistentes típicas con el mismo diámetro de fibra.
Una ventaja adicional de la presente invención es la capacidad de uso de las fibras de vidrio en el campo médico y en el campo técnico en la producción de materiales compuestos.
Definiciones
En la presente invención,
El término "biodegradable" significa que el material se degrada en un entorno fisiológico o biológico, es decir, se descompone mediante bioerosión y/o biorresorción. El material descompuesto por bioerosión significa que el material se desintegra, es decir, se erosiona mecánicamente y químicamente a través de procesos biológicos que solubilizan el material y permiten la absorción en el entorno acuoso biológico circundante. El material descompuesto por biorresorción significa que el material se desintegra, es decir, descompone tras la implantación prolongada cuando se inserta en el cuerpo de un mamífero y entra en contacto con un entorno fisiológico. El término "material biodegradable", por lo tanto, también abarca materiales bioerosionables y biorresorbibles.
El término "bioactivo/a" significa que el material desencadena o modula la actividad biológica. El material bioactivo es a menudo un material tensioactivo que es capaz de unirse químicamente con los tejidos de mamíferos a través de la formación de un gel rico en sílice y una capa de fosfato cálcico, es decir, capa de hidroxil-carbonato de apatita, sobre su superficie cuando se expone a un entorno in vitro apropiado (ASTM F1538 - 03 Standard Specification for Glass and Glass Ceramic Biomaterials for Implantation) y en contacto con un entorno fisiológico, que activa células o el crecimiento celular durante su proceso de descomposición.
El término "biocompatible" significa que el material usado en un dispositivo médico es capaz de funcionar de manera segura y adecuada al causar una respuesta del hospedante apropiada en una ubicación específica.
El término "temperatura de fibrado Tf" significa la temperatura de (fusión) del vidrio en que la viscosidad (poise o dPas) de la fusión del vidrio es Log (viscosidad) = 3. Se proporcionan instrucciones generales para las mediciones de la viscosidad del vidrio en ISO 7884-1.
El término "temperatura líquida Tl" significa la temperatura de (fusión) del vidrio por debajo de la cual se formarán cristales sólidos y por encima de la cual no existen cristales. Por encima de esta temperatura, la fusión es homogénea. Las prácticas estándares para la medición de la temperatura líquida del vidrio mediante un método de horno a gradiente se proporciona en ASTM C829 - 81(2015).
El término "ventana de trabajo AT" significa la diferencia de temperatura entre la temperatura de formación de fibras y la líquida AT= Tf - Tl.
El término "resorción" significa la descomposición de un material debido a disolución.
Descripción detallada de la invención
En un aspecto, la presente invención proporciona una composición de vidrio biodegradable, bioactivo y biocompatible que comprende:
como máximo 0,3 % en peso en total de AhO3 y Fe2O3.
En una realización, la composición de vidrio comprende:
como máximo 0,3 % en peso en total de AhO3 y Fe2O3.
En otra realización, la composición de vidrio comprende:
SrO 
0 - 1 % en peso y 
como máximo 0,3 % en peso en total de AI2O3 y Fe2O3.
En una realización, la composición de vidrio de la invención comprende menos de 0,1 % en peso en total de AhO3 y Fe2O3.
En una realización preferida, la composición de vidrio de la invención está completamente libre de AhO3 y Fe2O3, incluso como impurezas.
Sin ánimo de limitarse a la teoría, se cree que el aluminio y el hierro dificultan la resorción y degradación del vidrio. A saber, durante la degradación, el aluminio y el hierro se acumulan en la capa rica en sílice hidratada presente alrededor de la fibra de vidrio y crea nuevas uniones químicas con silicio que dan como resultado una capa rica en sílice o gel enriquecido con Al y Fe más estables. La acumulación de iones de Al y Fe en la capa rica en sílice evita que los iones se lixivien y, por lo tanto, dificulta adicionalmente la resorción y erosión de la fibra de vidrio.
En una realización, la composición de vidrio de la invención está libre de estroncio. En otra realización, la composición de vidrio comprende hasta 4 % en peso de SrO. En una realización adicional, la composición de vidrio comprende hasta 2 % en peso de SrO. La composición de vidrio que comprende estroncio potencia la respuesta biológica de la composición, dado que los iones de estroncio aumentan los osteoblastos y reducen los osteoclastos, es decir, mejoran la formación de hueso nuevo alrededor del dispositivo médico implantado. Como el estroncio y el calcio son cationes divalentes, puede producirse la sustitución parcial del estroncio por calcio en el vidrio. Al variar las cantidades de sílice y otros componentes que comprenden Na2O, K2O CaO, MgO, P2O5 , B2O3 y SrO en una composición de vidrio, se puede controlar la tasa de resorción y erosión de fibras de vidrio y adaptarla para varias aplicaciones finales.
La composición de vidrio de la presente invención tiene una ventana de trabajo extensa AT (AT = T f - Tl) de más de 150 °C. La temperatura líquida Tl es la temperatura más alta en la que la composición de vidrio permanece en estado fundido y homogénea sin formación de cristales. La temperatura de formación de fibras, es decir, la temperatura de fibrado, Tf, es la temperatura en que la fusión de vidrio tiene una viscosidad log 3,0 (poise o dPas). Por lo tanto, AT es la diferencia de temperatura entre la temperatura en log (viscosidad) 3,0 y la temperatura líquida de la composición de vidrio.
La ventana de trabajo extensa permite un fibrado óptimo, es decir, la formación de fibras de la composición de vidrio por la cual se extraen fibras sin cristalización de la composición de vidrio que impide el fibrado. La formación de fibras óptima se logra cuando la fusión de vidrio tiene una viscosidad que varía de log (viscosidad) 2,5 a 3,0.
Se halló sorprendentemente que la composición de vidrio que comprende >0,5 - 4 % en peso de óxido de potasio facilita el fibrado de la composición de vidrio y proporciona así fibras de vidrio biodegradables, bioactivas y biocompatibles. El potasio evita la desvitrificación de la composición de vidrio al bajar la temperatura líquida de la composición. Dado que potasio también eleva la temperatura de formación de fibras, se logra ventajosamente una ampliación de la ventana de trabajo.
En una realización, la ventana de trabajo AT de la composición de vidrio es >200 °C. En otra realización, la ventana de trabajo AT de la composición de vidrio es >300 °C.
En una realización, la viscosidad de fibrado (Log (viscosidad) 3,0 dPas) de la composición de vidrio es más alta que la temperatura líquida de la composición de vidrio.
En otro aspecto, la invención proporciona fibra de vidrio biodegradable, bioactiva y biocompatible que comprende la composición de vidrio de la invención.
Las fibras de vidrio bioactivas de la invención comienzan a hacer reacción inmediatamente cuando se ponen en contacto con el entorno fisiológico mediante reacciones de intercambio de álcali, es decir, los iones de sodio y potasio en el vidrio se reemplazan por iones de hidrógeno desde la disolución. La bioactividad de las fibras de vidrio se basa en la lixiviación de iones desde el vidrio y la formación de un gel rico en sílice y una capa de fosfato cálcico sobre la superficie de la fibra de vidrio. La capa de fosfato cálcico posibilita que las células óseas se acoplen y diferencien y formen una capa bioactiva para que el hueso y el tejido se acoplen. También, por lo tanto, es importante entender la función del aluminio y el hierro en el vidrio, durante la disolución del vidrio, el aluminio y el hierro se acumulan en la superficie del vidrio y hacen que la superficie del vidrio se vuelva inactiva y evitan que los iones se lixivien y evitan la resorción y erosión adicional del vidrio y la formación de la capa bioactiva. Por lo tanto, el aluminio y el hierro deben limitarse solo a las cantidades de impurezas en vidrios biorresorbibles y bioactivos.
Las composiciones de vidrio de la invención se pueden fabricar como fibras de vidrio según procesos de fusión estándares conocidos en la técnica. En una realización, se forman fibras de vidrio continuas (hebra, hilado directo) a partir de la composición de vidrio fundida directamente desde el horno (proceso de fusión directa). En otra
realización, la composición de vidrio fundida primero se alimenta en una máquina que forma canicas o gránulos de vidrio y después se vuelven a fundir para formar fibras (refusión o proceso de fusión de canicas).
En el proceso de fusión directa como en el de fusión de canicas, la conversión de la composición de vidrio fundida en fibras de vidrio continuas se puede describir como un proceso de atenuación de filamento continuo. El vidrio fundido fluye a través de un casquillo de aleación de platino-rodio (también denominado tobera de hilar) con una gran cantidad de orificios/boquillas/puntas (400 a 8000). El casquillo se calienta eléctricamente y el calor se controla con mucha precisión para mantener una viscosidad constante del vidrio. Los filamentos delgados, es decir, fibras, se extraen hacia abajo y se enfrían rápidamente después de salir del casquillo. Después de que el vidrio fluye a través de los orificios en el casquillo y antes de que se capturen múltiples hebras en un dispositivo de recolección, se aplica un calibrado a la superficie de las fibras al pasarlas por un aplicador que rota continuamente a través del baño de calibrado para mantener una película delgada a través de la cual pasan los filamentos de vidrio.
Después de aplicar el calibrado, los filamentos se recopilan en una hebra antes de acercarse al dispositivo de recolección. Si se necesitan pequeños conjuntos de filamentos (hebras divididas), se usan múltiples dispositivos de recopilación (a menudo denominados zapatas).
La tasa de atenuación y, por lo tanto, el diámetro final del filamento, se controlan mediante el dispositivo de recolección. El dispositivo de recolección gira a aproximadamente 0,5 km-3 km por minuto, es decir, más rápido que la tasa de flujo desde los casquillos. La tensión extrae los filamentos mientras todavía están fundidos, y forma así hebras con un espesor de una fracción del diámetro de las aberturas en el casquillo. Además de la atenuación, la tasa de diámetro de fibra también se ve afectada por la temperatura del casquillo, la viscosidad del vidrio y el cabezal de presión sobre el casquillo. El dispositivo de recolección más ampliamente usado es el bobinador de formación de alta velocidad, que emplea un collarín rotatorio y un mecanismo transversal para distribuir la hebra de manera aleatoria a medida que el paquete de formación aumenta de diámetro. Esto facilita la extracción de la hebra del paquete en las etapas posteriores de procesamiento, tales como hilado, hilo o picado. Los paquetes de formación se secan y transfieren al área de fabricación específica para la conversión en el hilado de fibra de vidrio terminado, el hilo torcido y plegado, la estera, la hebra picada u otro producto textil. El proceso preferible es producir productos hilados o cortados terminados directamente durante la formación, lo que conduce, por lo tanto, al término hilado de extracción directa o hebra de picado directo.
Otros productos textiles son hilado tejido, que se produce al tejer el hilado de fibra de vidrio en forma de tela; esteras de fibra de vidrio, que se pueden producir como esteras continuas o de hebras picadas; combinaciones de una estera y un hilado tejido; hilo texturizado; y telas de fibra de vidrio, donde los hilos de fibra de vidrio se convierten en forma de tela mediante operaciones de tejido convencionales.
En una realización, la fibra de vidrio de la invención es una fibra de vidrio derivada de fusión. Fibra de vidrio derivada de fusión significa fibra de vidrio fabricada al fundir una composición de vidrio en un crisol a 800-1500 °C y extraer fibras de vidrio del vidrio fundido a través de agujeros en el crisol, lo que da como resultado fibras con un diámetro en el rango de 5-100 pm.
La fibra de vidrio de la presente invención muestra propiedades de resistencia mejoradas en comparación, por ejemplo, con la fibra de vidrio C químicamente resistente (ASM Handbook, Vol 21: Composites) que tiene el mismo diámetro. En una realización, la fibra de vidrio de la presente invención tiene una resistencia a la tracción de 1,5 GPa-2,5 GPa. En otra realización, la resistencia a la tracción está en el rango de 1,8 GPa-2,2 GPa. En una realización adicional, la resistencia a la tracción está en el rango de 2,0 GPa-2,2 GPa. La resistencia a la tracción se midió según ISO 11566:1996.
En una realización, la fibra de vidrio de la presente invención tiene un módulo de 50-100 GPa. En otra realización, el módulo es 60-80 GPa. En una realización adicional, el módulo es 65-75 GPa. El módulo se midió según ISO 11566:1996.
El espesor de la fibra de vidrio de la presente invención es 35 pm o menor. En una realización, el espesor es 1 pm-35 pm. En otra realización, el espesor es 5 pm-30 pm. En una realización adicional, el espesor es 10 pm-25 pm En otra realización adicional, el espesor es 10 pm-20 pm En una realización, el espesor es aproximadamente 15 pm.
La fibra de vidrio de la presente invención puede estar picada o ser una fibra de vidrio continua. En una realización, la longitud de la fibra de vidrio picada de la invención es menor que 20 mm. En una realización, la longitud es 0,5 mm-10 mm. En otra realización, la longitud es 1 mm-7 mm. En una realización adicional, la longitud es 3 mm-7 mm. En otra realización adicional, la longitud es aproximadamente 5 mm.
En otra realización, la longitud de la fibra de vidrio continua de la invención es mayor que 20 mm. En otra realización, la longitud es mayor que 30 mm. En una realización adicional, la longitud es mayor que 40 mm. En otra realización adicional, la fibra de vidrio es una fibra completamente continua.
La fibra de vidrio de la invención puede estar en forma para la pultrusión termoendurecible o termoplástica. La fibra de vidrio de la invención también puede organizarse en una forma de estera no tejida o tejida.
La presente invención proporciona una fibra de vidrio biodegradable, bioactiva y biocompatible adecuada para uso en aplicaciones médicas, tales como en dispositivos médicos. Además, la presente invención proporciona una composición de vidrio biodegradable y compostable adecuada para uso en aplicaciones técnicas, tales como en productos descartables o duraderos.
Por lo tanto, en un aspecto adicional, la invención proporciona el uso de la fibra de vidrio biodegradable, bioactiva y biocompatible de la invención en la fabricación de artículos adecuados para uso en aplicaciones médicas y no médicas.
En un aspecto, la invención proporciona un artículo que comprende la fibra de vidrio de la invención.
La fibra de vidrio de la invención también puede usarse en la fabricación textil.
El dispositivo médico puede ser cualquier tipo de implante usado dentro del cuerpo, así como dispositivos usados para dar soporte a tejido o hueso en curación o regeneración. Un implante según el presente contexto comprende cualquier tipo de implante usado para aplicaciones musculoesqueléticas quirúrgicas tales como tornillos, placas, pasadores, grapas o clavos para la fijación de fracturas óseas y/u osteotomías para inmovilizar los fragmentos de hueso para la curación; anclajes de suturas, grapas, tornillos, pernos, claves, presillas, endoprótesis y otros dispositivos para fijación de tejido blando en hueso, tejido blando dentro de hueso y tejido blando a tejido blando; así como dispositivos usados para dar soporte a tejido o hueso para curación o regeneración; o cuñas cervicales o espaciadores y placas y tornillos lumbares para fusión de vértebras posterolaterales, fusión intersomática y otras operaciones en cirugía de columna.
Además, la fibra de vidrio de la invención puede usarse en dispositivos médicos tales como cánulas, catéteres y endoprótesis. Además, la fibra de vidrio de la invención puede usarse en andamiajes reforzados de fibra para el diseño de tejido.
Dependiendo de la aplicación y el fin del material del dispositivo médico, los dispositivos médicos se espera y se diseñan para que sean biocompatibles y exhiban resorción controlada en el cuerpo del mamífero. La tasa de resorción óptima es directamente proporcional a la tasa de renovación del tejido en la ubicación de implantación deseada. En el caso de tejido óseo, una proporción considerable del implante preferiblemente se resorbe/descompone dentro de 12 a 26 semanas, dependiendo de la aplicación, en el tejido. En casos donde es deseable el soporte físico para tejidos en curación, la tasa de resorción puede ser de varios meses o incluso varios años.
Los productos duraderos para aplicaciones técnicas significan productos que do se desgastan rápidamente o, más específicamente, los que son útiles a lo largo del tiempo en lugar de consumirse completamente en un uso. Los productos duraderos incluyen, por ejemplo, electrodomésticos, muebles, partes o accesorios de automóviles o para transporte, juguetes y equipos para hacer deportes. Los productos duraderos típicamente se caracterizan por largos períodos entre compras sucesivas.
Los productos descartables para aplicaciones técnicas, es decir, productos no duraderos o productos blandos (productos consumibles) son lo opuestos a los productos duraderos. Pueden definirse como productos que se consumen inmediatamente en un uso o que tienen una vida útil menor que tres años. Los productos descartables incluyen, por ejemplo, tapas y cierres, contenedores, empaques, cápsulas de café, contenedores para almacenamiento, tapas, juguetes, teléfonos, ordenadoras portátiles, aparatos electrónicos para el hogar y artículos para el cuidado personal.
La cantidad de fibras de vidrio de la invención en los artículos es mayor que 10 % en peso del peso total del artículo. En una realización, la cantidad es mayor que 40 % en peso. En otra realización, la cantidad es mayor que 60 % en peso. En una realización adicional, la cantidad es mayor que 90 % en peso.
La ventaja de los dispositivos médicos que comprenden la fibra de vidrio de la presente invención es que se resorben desde el cuerpo mediante degradación sin causar efectos toxicológicos y crean una superficie bioactiva para que las células se acoplen y unan al tejido o hueso.
La ventaja de productos descartables y duraderos según la presente invención es que pueden formar un material compuesto de alta resistencia junto con una matriz polimérica biodegradable que se puede compostar o degradar en diferentes condiciones tales como marinas, suelo, compost doméstico o compost industrial, dependiendo de las propiedades de biodegradación del polímero. La ventaja de la fibra de vidrio compostable es que crea una superficie no ecotóxica para la formación de biopelícula para que un microorganismo puede acoplarse y degradar el polímero.
Otra ventaja de los dispositivos médicos o productos finales descartables y duraderos según la invención es su resistencia y viabilidad de fabricación. Un producto final según la presente invención puede fabricarse al disponer
las fibras de vidrio con una matriz polimérica, preferiblemente, con una matriz polimérica biorresorbible o biodegradable y usar cualquier tipo de equipo de procesamiento de polímero, p. ej., mezcladora o amasadora discontinua abierta o cerrada, reactor o mezcladora de tanque de agitación continuo, extrusor, máquina de moldeo por inyección, RIM, máquina de moldeo por compresión, reactor de tubo u otro equipo de mezcla en fusión o procesamiento en fusión estándar conocido en el campo, producir y/o dar forma a las fibras dispuesta con la matriz polimérica en un producto final que tiene una orientación deseada de las fibras continuas y/o fibras picadas/cortas y/o esteras/textiles tejidos, no tejidos.
Una ventaja adicional de la presente invención es que la temperatura de fusión del material de la matriz polimérica es aproximadamente 30-300 °C y la temperatura de transición vítrea de las fibras de vidrio aproximadamente 450 650 °C. En consecuencia, las fibras de vidrio no se dañan por la temperatura del material de matriz fundido y se obtiene un producto final reforzado de fibra fuerte cuando se deja que la matriz solidifique.
La fibra de vidrio de la presente invención puede integrarse en una matriz polimérica continua para formar un material compuesto. La matriz polimérica es preferiblemente biorresorbible y/o bioerosionable. Los siguientes polímeros, copolímeros y terpolímeros biorresorbibles y/o bioerosionables pueden usarse como un material de matriz para el material compuesto: poliláctidos (PLA), poli-L-láctido (PLLA), poli-DL-láctido (PDLLA), poli-glicólido (PGA); copolímeros de glicólido, copolímeros de glicólido/carbonato de trimetileno (PGA/TMC, por sus siglas en inglés); oros copolímeros de PLA tales como copolímeros de láctido/tetrametilglicólido, copolímeros de láctido/carbonato de trimetileno, copolímeros de láctido/d-valerolactona, copolímeros de láctido/s-caprolactona, copolímeros de L-láctido/DL-láctido, copolímeros de glicólido/L-láctido (PGA/PLLA, por sus siglas en inglés), poliláctido-co-glicólido; terpolímeros de PLA tales como terpolímeros de láctido/glicólido/carbonato de trimetileno, terpolímeros de láctido/glicólido/s-caprolactona, copolímeros de PLA/óxido de polietileno; polidepsipéptidos; poli-1,4-dioxano-2,5-dionas sustituidas en 3,6 no simétricamente; polihidroxialcanoatos tales como polihidroxibutiratos (PHB); copolímeros de PHB/b-hidroxivalerato (PHB/PHV); poli-b-hidroxipropionato (PHPA); poli-p-dioxanona (PDS); poli-d-valerolactona-poli-s-caprolactona, copolímeros de poli(s-caprolactona-DL-láctido); copolímeros de metilmetacrilato-N-vinil pirrolidona; poliesteramidas; poliésteres de ácido oxálico; polidihidropiranos; polialquil-2-cianoacrilatos; poliuretanos (PU); polivinilalcohol (PVA); polipéptidos; ácido poli-b-málico (PMLA); ácidos poli-balcanoicos; policarbonatos; poliortoésteres; polifosfatos; ácidos poliamino; polifosfacenos, poli(éster anhídridos); y mezclas de estos; y polímeros naturales, tales como azúcares, almidón, celulosa y derivados de celulosa, polisacáridos, colágeno, quitosano, fibrina, ácido hialurónico, polipéptidos y proteínas. También pueden usarse mezclas de cualquiera de los polímeros mencionados anteriormente y sus diversas formas.
Resultará evidente para una persona versada en la técnica que a medida que la tecnología avanza, el concepto inventivo puede implementarse de varias formas. La invención y sus realizaciones no se limitan a los ejemplos descritos anteriormente, pero pueden variar dentro del alcance de las reivindicaciones.
El siguiente ejemplo ilustra adicionalmente la invención, sin limitar su alcance a este.
Ejemplo 1
El efecto del óxido de potasio de la composición de vidrio biodegradable, bioactiva y biocompatible sobre la viscosidad de la composición se simuló mediante "Glass Viscosity Calculation Based on a Global Statistical Modeling Approach" (Al-exander Fluegel, Glass Technol.: Eur. J. Glass Sci. Technol. A, febrero de 2007, 48 (1), 13-30). La Tabla 1 presenta las composiciones de vidrio usadas para la simulación de viscosidad. Las composiciones 4, 5, 6 y 7 representan las composiciones de vidrio de la invención.
La Figura 1 muestra que cuando aumenta la cantidad de óxido de potasio en relación con la cantidad de óxido de sodio, la viscosidad de la fusión aumenta de manera lineal. Simultáneamente, la ventana de trabajo de las composiciones de vidrio se amplía, dado que la temperatura de fibrado aumenta y, simultáneamente, la temperatura líquida disminuye como se muestra en el Ejemplo 2.
Tabla 1
Ejemplo 2
Se fabricaron composiciones de vidrio biodegradables, bioactivas y biocompatibles de la invención según el procedimiento del proceso de fusión (composiciones 1-3 en la Tabla 2). Se fabricaron de manera similar dos composiciones de referencia 4 y 5. En el procedimiento del proceso de fusión, el crisol de fusión de platino y rodio se calentó hasta 1500±10 °C. Se agregó 1,5 kg en total de polvos de óxido metálico en las cantidades proporcionadas en la Tabla 2 en el crisol en lotes a lo largo de 2 h. Cuando se completó la carga, la temperatura se volvió a elevar hasta aproximadamente 1500 °C. La muestra se mantuvo a 1500±1 °C durante 12 h. Después de la clarificación y homogeneización, la fusión de vidrio se vertió en un molde de acero para obtener vidrio a granel.
Tabla 2
Todas las composiciones de vidrio 1-5 se fundieron a temperatura alta en vidrio a granel y formaron un vidrio a granel transparente incoloro después del enfriamiento sin cristalización.
La temperatura líquida (Tl) de las composiciones 1-5 de la Tabla 2 se midieron en horno a gradientes según ASTM C829 - 81(2015) "Standard Practices for Measurement of Liquidus Temperature of Glass by the Gradient Furnace Method". La norma es para determinar la temperatura máxima a la que se formará cristalización en el vidrio y una temperatura mínima a la que puede mantenerse el vidrio durante períodos de tiempo prolongados sin la formación y crecimiento de cristales. El rango de temperatura para determinar la temperatura líquida fue 750 °C - 1100 °C. La Tabla 3 muestras las temperaturas líquidas (Tl) de las composiciones de vidrio 1-5 de la Tabla 2.
Tabla 3
Las composiciones de vidrio 1-3 según la invención no exhibieron ninguna cristalización (desvitrificación) en el rango temperatura medido de 750 °C-1100 °C y mostraron un comportamiento completamente amorfo, mientras que la composición de vidrio 4 fue completamente cristalina incluso a 1280 °C. Por lo tanto, no se pudo determinar la temperatura líquida para la composición 4.
La Tabla 3 muestra que una cantidad aumentada de potasio en la composición de vidrio baja la temperatura líquida de la composición de vidrio.
Ejemplo 3
Se midió la viscosidad de la fusión de vidrio de las composiciones de vidrio 1-5 mediante un viscosímetro rotativo para temperatura alta insertado. La temperatura de fibrado Tf con la viscosidad de la fusión de vidrio Log (viscosidad, dPas) 3 se presenta en la Tabla 4. La ventana de trabajo AT después se determina como la diferencia
entre la temperatura de fibrado y la temperatura líquida (AT = Tf - Tl). Fue posible la fabricación continua ininterrumpida de fibras de vidrio continuas a partir de las composiciones en casos donde la ventana de trabajo fue >150 °C.
Tabla 4
Las composiciones de vidrio 1-3 según la invención tienen una extensa ventana de trabajo. Por lo tanto, se pueden fabricar fibras de vidrio continuas de manera continua mediante métodos de procesamiento de fusión o refusión directa a escala industrial. La ventana de trabajo extensa de la composición de vidrio según la invención se logra debido a una baja temperatura líquida y a propiedades de viscosidad de fusión mejoradas. Se muestra que el efecto mixto-álcali (Na2O-K2O) para la viscosidad es causado no solo por las interacciones álcali-álcali, sino también por las álcali-sílice. Las interacciones de álcali-sílice causan adiciones pequeñas, pero suficientemente grandes, de óxido de álcali a sílice en el vidrio para que tengan una influencia relativamente más grande sobre la viscosidad que las adiciones grandes, donde el aumento de las cantidades de sílice eleva la temperatura de fibrado junto con una mayor relación entre óxido de potasio y óxido de sodio. Además, a partir de la medición de la viscosidad de la fusión, la misma composición de vidrio (tabla 2, composición 3) según la invención se comparó con los datos de simulación de la viscosidad de la fusión Log (viscosidad, dPas) 2,5 (tabla 1, composición 4.) y el resultado estuvo razonablemente cercano entre sí, con solo una diferencia de 6 grados.
Ejemplo 4
Las propiedades de formación de fibra de las composiciones de vidrio 1-3 de la invención se evaluaron al extraer un filamento/fibra única desde un único casquillo con punto como proceso de refusión. El vidrio a granel se fabricó según el mismo procedimiento que se presenta en el ejemplo 2. Después, el vidrio a granel se colocó en el crisol y se fundió por encima de las temperaturas de fibrado a 1300 °C durante 2 horas. Después de la homogeneización durante 2 horas, se inició la extracción de la fibra. Las condiciones de extracción de la fibra se ajustaron al cambiar la temperatura del casquillo y la velocidad del bobinador que recogía la fibra para encontrar una temperatura de fibrado estable para proporcionar fibras de aproximadamente 15 micrones.
Se observó que se obtuvo fibra de vidrio que tenía un diámetro de aproximadamente 16 pm con buenas propiedades de formación de fibra en condiciones de fibrado estables a partir de la composición de vidrio 1 cuando la temperatura de formación de fibra se ajustó hasta aproximadamente 1140 °C y la velocidad del bobinador se ajustó en 500 rpm. De manera similar, se obtuvo fibra de vidrio que tenía un diámetro de aproximadamente 16 pm con buenas propiedades de formación de fibra en condiciones de fibrado estables a partir de la composición de vidrio 2 cuando la temperatura de formación de fibra se ajustó hasta aproximadamente 1150 °C y la velocidad del bobinador se ajustó en 700 rpm. Se obtuvo fibra de vidrio que tenía un diámetro de aproximadamente 13 pm con buenas propiedades de formación de fibra en condiciones de fibrado estables a partir de la composición de vidrio 3 cuando la temperatura de formación de fibra se ajustó hasta aproximadamente 1150 °C y la velocidad del bobinador se ajustó en 500 rpm.
Ejemplo 5
Se midió la resistencia a la tracción de un único filamento a partir de fibras de las composiciones 1 y 3 fabricadas en el ejemplo 5 según ISO 11566:1996 que describe un método de prueba para la determinación de las propiedades de tracción de una muestra de un único filamento, tomadas de hilos multifilamento, telas tejidas, trenzados y productos relacionados. La resistencia a la tracción de la composición 1 fue 1805+/-139 MPa. La resistencia a la tracción de la composición 3 fue 1843 /- 81 MPa.
Ejemplo 6
La formación de una capa de fosfato cálcico, es decir, la bioactividad de las fibras de vidrio, se estudió con una prueba de degradación in vitro en fluido corporal simulado (SBF, por sus siglas en inglés) a 37 °C y se analizó con microscopía electrónica de barrido con espectroscopía de rayos X de energía dispersiva (SEM/EDX, por sus siglas en inglés) en el punto de tiempo de 16 semanas. El SBF se produjo según T. Kokubo, H. Takadama, "How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity", Biomaterials, 27, 2907-2915 (2006). Las fibras de vidrio evaluadas se fabricaron a partir de la composición de vidrio 3 de la invención descrita en la Tabla 2.
Las fibras se recogieron del SBF. Se integraron 400 trozos de filamentos únicos en resina epoxi y se curaron. Después del curado del epoxi, las muestras se cortaron y pulieron y analizaron con Hitachi TM3030: Tabletop Scanning Electron Microscope with Improved Electron-optical System. La capa de fosfato cálcico formada alrededor de la fibra en degradación se muestra en la imagen como una capa blanca y se verifica con análisis de barrido de línea EDX. Los resultados se muestran en la Figura 2.
Claims (16)
1. Una composición de vidrio biodegradable, bioactivo y biocompatible que comprende:
como máximo 0,3 % en peso en total de AhO3 y Fe2O3.
2. La composición de vidrio de la reivindicación 1, que comprende:
como máximo 0,3 % en peso en total de AhO3 y Fe2O3.
3. La composición de vidrio de la reivindicación 2 que comprende:
como máximo 0,3 % en peso en total de AhO3 y Fe2O3.
4. La composición de vidrio de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende menos de 0,1 % en peso en total de AhO3 y Fe2O3.
5. La composición de vidrio de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la composición de vidrio exhibe una ventana de trabajo AT= Tf - Tl >150 °C, en donde Tf es la temperatura de formación de fibras en Log (viscosidad) 3,0 dPas y la Tl es la temperatura líquida de la composición de vidrio, específicamente >200 °C, más específicamente, >300 °C.
6. La composición de vidrio de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la viscosidad de formación de fibras (Log (viscosidad) 3,0 dPas) de la composición de vidrio es más alta que la temperatura líquida de la composición de vidrio.
7. Fibra de vidrio que comprende la composición de vidrio de una cualquiera de las reivindicaciones 1 -6.
8. La fibra de vidrio de la reivindicación 7, en donde la fibra de vidrio se deriva de una fusión.
9. La fibra de vidrio de la reivindicación 7 u 8, en donde la fibra de vidrio tiene una resistencia a la tracción de 1,5 GPa-2,5 GPa, específicamente, 1,8 GPa-2,2 GPa, más específicamente, 2,0 GPa-2,2 GPa.
10. La fibra de vidrio de una cualquiera de las reivindicaciones 7 - 9, en donde la fibra de vidrio tiene un módulo de 50-100 GPa, específicamente, 60-80 GPa, más específicamente, 65-75 GPa.
11. La fibra de vidrio de una cualquiera de las reivindicaciones 7 - 10, en donde la fibra de vidrio tiene un espesor de 35 |jm o menor, específicamente, 1 jm -35 jm , más específicamente, 5 jm-30 jm , incluso más específicamente, 10 jm -25 jm , aún más específicamente, 10 jm-20 jm e incluso más específicamente aproximadamente 15 jm .
12. La fibra de vidrio de una cualquiera de las reivindicaciones 7 - 11, en donde la fibra de vidrio es fibra de vidrio cortada que tiene una longitud menor que 20 mm, específicamente, 0,5 mm-10 mm, más específicamente, 1 mm-7 mm, incluso más específicamente, 3 mm-7 mm, aún más específicamente, aproximadamente 5 mm.
13. La fibra de vidrio de una cualquiera de las reivindicaciones 7 - 11, en donde la fibra de vidrio es fibra continua que tiene una longitud mayor que 20 mm, específicamente, mayor que 30 mm, más específicamente, mayor que 40 mm e incluso más específicamente, la fibra de vidrio es una fibra completamente continua.
14. Uso de la fibra de vidrio de una cualquiera de las reivindicaciones 7 - 13 en la fabricación de artículos adecuados para uso en aplicación médica, tal como dispositivos médicos, y en aplicaciones no médicas, tal como productos descartables y productos duraderos.
15. El uso de la reivindicación 14, en donde la fibra de vidrio se usa en una cantidad mayor a 10 %, preferiblemente, mayor a 40 %, más preferiblemente, mayor a 60%, lo más preferiblemente, mayor a 90 % del peso total de los artículos.
16. Artículo que comprende la fibra de vidrio de una cualquiera de las reivindicaciones 7-13.
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