PL184436B1

PL184436B1 - Szkło bioaktywne o zakresie roboczym przydatnym do przetwarzania szkła oraz szkło bioaktywne o niskiej trwałości

Info

Publication number: PL184436B1
Application number: PL96321182A
Authority: PL
Inventors: Maria Brink; Kaj Karlsson; Antti Yli-Urpo
Original assignee: Maria Brink; Kaj Karlsson; Yli Urpo Antti
Priority date: 1995-01-13
Filing date: 1996-01-02
Publication date: 2002-10-31
Also published as: PL321182A1; FI950147A0; EP0802890A1; JPH10512227A; CA2210070A1; EP0802890B1; ES2164230T3; US6054400A; CZ288646B6; DE69615337T2; DE69615337D1; HUP9801232A2; FI950147L; AU4348596A; AU687658B2; CZ210197A3; ATE205815T1; HUP9801232A3; WO1996021628A1; FI101129B

Abstract

1. Szklo bioaktywne o zakresie roboczym przydatnym do przetwarzania szkla, zawierajace tlenki krzemu, fosforu, metali alkalicznych, metali ziem alkalicznych oraz ewentualnie inne pierwiastki, takie jak bor, znamienne tym, ze tlenki te zawarte sa w szkle w nastepujacych ilosciach: SiO2 53 - 56% wagowych Na2 O 0 - 34% wagowych K2O 1 - 20% wagowych MgO 0 - 5% wagowych CaO 5 - 25% wagowych B2O3 0 - 4% wagowych P2O5 0,5- 6% wagowych pod warunkiem, ze Na2 O + K2O = 18 -30% wagowych K2O + MgO = 7 - 20% wagowych oraz MgO + CaO = 12 - 25% wagowych. 6. Szklo bioaktywne o niskiej trwalosci, znamienne tym, ze ma nastepujacy sklad: SiO2 53 - 56% wagowych Na2 O 5 - 33% wagowych K2 O 2 - 20% wagowych MgO 0 - 3% wagowych CaO 7 - 25% wagowych B2O3 0 - 2% wagowych P2O5 2 - 6% wagowych pod warunkiem, ze Na2 O + K2O = 25 - 35% wagowych K2 O + MgO = 5 - 20% wagowych oraz MgO + CaO = 10 - 25% wagowych. PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest szkło bioaktywne o szerokim zakresie roboczym i regulowanej trwałości oraz szkło bioaktywne o niskiej trwałości, znajdujące zastosowanie w medycynie i stomatologii do łączenia tkanek, w biotechnologii oraz do kontrolowanego uwalniania środków i do sterowania tkanką.

W ostatnich latach prowadzono intensywne badania nad materiałami bioaktywnymi, zwanymi biomateriałami, przeznaczonymi do wprowadzenia do organizmu ludzkiego celem leczenia powstałych w nim uszkodzeń. Warunki istniejące w ciele stwarzają ciężkie otoczenie dla takich materiałów, przy czym połączenie takich czynników, jak podwyższone temperatury, roztwory soli, enzymy powodujące rozkład, organiczne kwasy zdolne do tworzenia różnych kompleksów, proteiny oraz tlen rozpuszczony w organizmie stwarzają środowisko nadzwyczaj korozyjne. Ciało jest także nadzwyczaj wrażliwe na obce materiały i łatwo wykazuje oznaki zatrucia, reakcje odrzutu oraz reakcje alergiczne.

Tylko bardzo ograniczona liczba materiałów akceptowana jest jako podłoże w tkance miękkiej lub twardej. Materiały te można stosować jako sztuczne implanty do podtrzymywania koronek i stałych mostków w dentystyce, jak również przy utrzymywaniu i powiększaniu zgrubień zębodołowych. Mogą one być również wykorzystane do wypełniania ubytków kostnych oraz okołozębowych kieszonek, jako materiały pokrywające w stomatologii oraz w ortopedii i chirurgii plastycznej, uszu, nosa i gardła. Materiały mogą być stosowane w postaci granulek oraz materiałów w masie do wypełniania pustych miejsc i ubytków kości oraz jako powłoki i materiały w masie do sztucznych stawów. Implanty ustne znajdują się w ciągłym kontakcie zarówno z tkankami twardymi, jak i miękkimi, i stąd materiał implantów powinien zapewniać prawidłowy kontakt zarówno z tkanką miękką, jak i twardą.

Materiały bioaktywne określa się jako martwe materiały, stosowane w ludzkim organizmie i przeznaczone do oddziaływania z różnymi systemami biologicznymi. Takie materiały mogą być obojętne, wchłaniające się lub czynne biologicznie.

Obojętne materiały bioaktywne, na przykład węgiel, niektóre materiały ceramiczne, metale, stopy oraz niektóre polimery, nie powodują dostrzegalnych reakcji w organizmie. Do węgli należy na przykład węgiel pirolityczny, węgiel szklisty, włókna węglowe oraz kompozyty, i mogą być one stosowane przy zastawkach serca i w chirurgii ortopedycznej. Przykładem obojętnych materiałów ceramicznych jest i ZrO2. Do metali i stopów stosowanych jako materiały bioaktywne należy na przykład stal nierdzewna, tytan, tantal oraz niektóre stopy. Takie metale i stopy nie są powierzchniowoczynne, to jest nie wytwarza się wiązanie chemiczne pomiędzy materiałem i tkanką organizmu. Ich trwałość jest trudna do regulowania w organizmie i są one przeważnie stosowane w ortopedii i chirurgii szczękowo-twarzowej.

Bioaktywnymi materiałami wchłaniającymi się w organizmie są typowo polimery organiczne, na przykład PGA (kwas poliglikolowy) i PLA (kwas polimlekowy), które w organizmie stopniowo rozkładają się i zanikają.

184 436

Materiały bioaktywne są materiałami powierzchniowo czynnymi, zdolnymi do chemicznego wiązania się z tkanką organizmu. Grupa ta obejmuje szkła bioaktywne, szklane materiały ceramiczne oraz materiały ceramiczne. Szkło bioaktywne jest bezpostaciowe, natomiast bioaktywne szklane materiały ceramiczne sąmateriałami, w których cząstki krystaliczne pogrążone są w bezpostaciowej fazie szklanej. Bioaktywne materiały ceramiczne mają z kolei strukturę krystaliczną. Jeżeli wiązanie pomiędzy materiałem bioaktywnym i tkanką organizmu jest zadowalające, to na powierzchni szkła znajduje się warstewka żelu bogatego w krzemionkę. Wiązanie z kością pojawia się wtedy, gdy na wierzchu tego żelu krzemionkowego pojawia się narost kościopodobnego apatytu. Takie materiały bioaktywne stosowane sąjako materiały w masie, granulki i powłoki.

Materiały ceramiczne jako materiały bioaktywne mogą być obojętne, wchłaniające się albo bioaktywne. Do bioaktywnych materiałów ceramicznych należą na przykład fosforany wapnia i fosforany glinowo-wapniowe, stosowane w chirurgii ortopedycznej, oraz jako implanty w stomatologii. Najczęstsze problemy napotykane przy tych materiałach dotyczą krystalizacji. Struktura krystaliczna utrudnia pracę z nimi, a sama regulacja krystalizacji jest uciążliwa. Mechanizmy ścierania się i degradacji, jak również trwałość materiałów ceramicznych nie są jeszcze dobrze poznane.

Bioaktywne materiały ceramiczne są kompozytami składającymi się z kryształów pogrążonych w bezpostaciowej fazie szklistej. Szklane materiały ceramiczne zawierająróżne fazy krystaliczne w ilościach regulowanych w materiale. Takie fazy regulowane są przeważnie za pomocą obróbki cieplnej. Ceravital® jest znakiem towarowym szklanego materiału ceramicznego opracowanego w Niemczech, zawierającego fazę szklistą oraz fazę apatytu. Cerabone® A-W jest znakiem towarowym szklanych materiałów ceramicznych, opracowanych w Japonii. Taki materiał zawiera fazę apatytu, wollastonitu i szkła.

Szkła bioaktywne są stosowane od około 20 lat jako materiały do wypełniania kości i do protez w odontologii, ortopedii i oftalmologii. Niektóre z istniejących szkieł bioaktywnych mogą wiązać się zarówno z tkanką miękką, jak i twardą. Zastosowanie szkieł bioaktywnych jest jednakże ograniczone ich kruchością. Dla przezwyciężenia wad na skutek kruchości, szkła można wzmacniać przez utworzenie szklanych materiałów ceramicznych. Inna możliwość polega na wykorzystaniu szkłajako powłoki na podłożu metalowym. W ten sposób wykorzystuje się właściwości mechaniczne metalu oraz szczególne właściwości szkła, wiązania się z kością. W protezach wykonanych w taki sposób metal może przejmować obciążenie mechaniczne, natomiast szkło umożliwia zakotwiczenie protezy w otaczającej tkance. Rozszerzalność cieplna szkła musi być jednakże zgodna z rozszerzalnością cieplną metalu, przy czym rozpuszczalność szkła musi być stosunkowo niska w celu zabezpieczenia wiązania na kilka lat. Istniejące szkła bioaktywne nie wykazują dającej się akceptować zależności lepkość-temperatura, a zatem szkła opisane dotychczas nie nadają się na przykład do stosowania w postaci powłok.

Szkła bioaktywne mogłyby jednakże znaleźć większe zastosowanie, gdyby były dostępne tkaniny z włókna szklanego, sferyczne granulki i powleczone protezy metalowe. W stomatologii takie tkaniny z włókna szklanego mogłyby być wykorzystane jako wzmocnienie w kościach policzkowych, natomiast powleczone protezy metalowe mogłyby być wykorzystane w ortopedii do zapewnienia dobrego dopasowania, na przykład w chirurgii biodra.

Znane szkła bioaktywne znalazły pewne kliniczne zastosowanie jako materiały do wypełniania ubytków kostnych. Jednakże mają one skłonność do dewitryfikacji (krystalizacji), a ich zakres roboczy jest wąski. Nie mogą być one wykorzystane z zadowalającymi wynikami jako powłoki na protezach metalowych albo w postaci produktów z włókna szklanego. Nie mogą one być także wytwarzane sposobami konwencjonalnymi, ponieważ krzywa opisująca ich zależność lepkość-temperatura jest zbyt stroma dla większości urządzeń do formowania szkła. Główne niedogodności dotyczące istniejących szkieł bioaktywnych pochodzą zatem, od ich skłonności do krystalizacji. Jakkolwiek szkła sąmateriałami szklistymi, to niektóre z nich krystalizują w niskich temperaturach (około 600°C), co utrudnia na przykład ich spiekanie do produktu albo zastosowanie do wytwarzania sferycznych granulek. Często mają one także rozdzielone fazy na

184 436 skutek niskiej zawartości w nich krzemionki, przy czym skład szkła różni się zatem od partii do partii produkcyjnej, i mają wąski zakres roboczy. Na fig. 1 przedstawiono log η w fUnkcji temperatury (η wyrażone jest w dPa.s) dla szkła bioaktywnego typu 2-92 (numer 39 w tabeli 1 niżej), które reprezentuje szkło o wąskim zakresie roboczym. Jak widać ze stromej części krzywej lepkości szkło krystalizuje powyżej 1000°C. Wąski zakres roboczy uniemożliwia lub skrajnie utrudnia produkcję włókien szklanych i innych produktów włóknistych, jak również odlewanie w różnych formach. Reakcja w tkance jest szybka, co w pewnych przypadkach może spowodować zbyt silną reakcję organizmu. Stąd jedynym pozostałym produktem, jaki można wytworzyć z tych szkieł, są granulki.

Znany jest, z brytyjskiego opisu patentowego nr 1477899, sposób wytwarzania materiału kompozytowego kompatybilnego i możliwego do implantowania w ciele ludzkim i zwierzęcym i obejmujący etapy łącznego spiekania pierwszego materiału wyjściowego wybrana z grupy apatytu i permutytu i rugiego wyjściowego materiału, zawierającego szkło bioaktywne albo bioaktywne szklane materiały ceramiczne albo ich prekursory.

Celem wynalazku jest opracowanie szkieł bioaktywnych, które wiążą się chemicznie z twardą i miękką tkanką organizmu. Dalsze wymagania szkieł polegają na tym, że wymienione szkła bioaktywne powinny podlegać szybkiemu procesowi hartowania, być zdolnymi do zachowania struktury kości i mieć regulowany krótki lub długi okres trwałości. Szkła bioaktywne mająponadto wymagane właściwości mechaniczne oraz ulegająresorpcj i, jeżeli jest to pożądane. Dodatkowo wymienione szkła bioaktywne muszą być łatwe w produkcji i formowaniu, a zatem muszą mieć szeroki zakres roboczy. Szkła nie mogą ulegać dewitryfikacji, a ich sterylizacja nie może stwarzać problemów.

Niespodziewanie ustalono, że szkła bioaktywne spełniające powyższe wymogi uzyskuje się przez dodanie do składu formowanego szkła potasu i ewentualnie także magnezu. Tak postępując uzyskuje się odpowiednią. zależność lepkość-temperatura, a samo szkło nie ulega dewitryfikacji, przy czym zachowana jest jednakże jego bioaktywność.

Przedmiotem wynalazku jest szkło bioaktywne o zakresie roboczym przydatnym do przetwarzania szkła, zawierające tlenki krzemu, fosforu, metali alkalicznych, metali ziem alkalicznych oraz ewentualnie inne pierwiastki, takie jak bór, w którym według wynalazku tlenki te zawarte są w szkle w następujących ilościach:

SiO₂ 53 - 56% wagowych

Na₂O 0 - 34%> wagowych

K₂O 1 - 20% wagowych

MgO 0 - 5% wagowych

CaO 5 - 25% wagowych

B₂O₃ 0 - 4% wagowych

P2O₅ 0,5 - 6% wagowych pod warunkiem, że

Na2O + K2O =18 - 30% wagowych

K2O + MgO = 7 - 20% wagowych oraz

MgO + CaO = 12 - 25% wagowych.

Szczególnie korzystne szkło według wynalazku charakteryzuje się następującym składem:

SiO2 54% wagowe

Na2O 12% wagowych

K2O 15% wagowych

MgO 5% wagowych

P₂O₅ 2% wagowe

CaO 11 % wagowych

B2O3 1% wagowy.

Jeszcze inne korzystne szkło bioaktywne według wynalazku charakteryzuje się następującym składem:

184 436

SiO₂ 53% wagowe

Na₂O 6% wagowych

K₂O 12% wagowych

MgO 5% wagowych

P2O5 4% wagowe

CaO 20% wagowych

Szkło bioaktywne według wynalazku ma szczególnie wysoką trwałość przy następującym składzie:

SiO2 53 - 56% wagowych

Na2O 10 - 28% wagowych

K2O 2 - 20% wagowych

MgO 0 - 5% wagowych

CaO 7 - 25% wagowych

B₂O₃ 0 - 4% wagowych

P2O5 0,5 - 6% wagowych pod warunkiem, że

Na2O + K2O = 18 - 30% wagowych

K2O + MgO = 7 - 20% wagowych

MgO + CaO = 12 - 25% wagowych.

W szczególności szeroki zakres roboczy uzyskuje się jeżeli zawartość P₂O5 wynosi od 1 do 4% wagowych, a zawartość B₂O₃ wynosi od 1 do 4% wagowych.

Szkło bioaktywne według wynalazku o niskiej trwałości charakteryzuje się następującym składem:

SiO2 523 - 56% wagovw^ch

Na2O 5 - 333o wwagowch

K2O 2 - 22% wwagowcc

MgO 0 - 3% wwagweb

CaO 7-225% wagowych

B2O3 0 - 2% wagowych

P2O5 2 - 6% wagowych pod warunkiem, że

Na2O + K2O = 25 - 35% wagowych

K2O + MgO = 5 - 20% wagowych oraz

MgO + CaO = 10 - 25% wagowych.

Nowe szkła bioaktywne o szerokim zakresie roboczym i regulowanej trwałości znajdują zastosowanie w dziedzinie medycyny i stomatologii w postaci materiałów w masie (gęstych lub porowatych), jak powłoki, pokruszone lub sferyczne granulki, jak wełna szklana i inne produkty włókniste (pojedyncze włókna, cienkie tkaniny, kordy, tkaniny) albo w postaci połączenia takich produktów.

Szkła według wynalazku mogą tworzyć kompozyty ze stopami, metalami, polimerami, hydroksyapatytami i innymi szkłami.

Szkła według wynalazku znajdują zastosowanie szkieł bioaktywnych w biotechnologii, jako absorbentów lub adsorbentów fosforu i wapnia z otaczającego ośrodka.

Na fig. 1 przedstawiono krzywą zależności lepkość-temperatura dla szkła bioaktywnego (typu 2-92, numer 39 w tabeli 1) o tak wąskim zakresie roboczym, że szkło krystalizuje już podczas pomiarów.

Na fig. 2 przedstawiono krzywą zależności lepkość-temperatura dla szkła bioaktywnego (typu 17-93, numer 23 w tabeli 1) o szerokim zakresie roboczym.

Na fig. 3 do 5 przedstawiono kontakt pomiędzy kością (b) i szkłem (g) po ośmiu tygodniach przebywania w piszczeli królika, przy czym fig. 3 przedstawia szkło typu 17-93 (numer 23 w tabeli 1), fig. 4 - szkło typu 5-92 (numer 21 w tabeli 1), a fig. 5 - szkło typu 1-92 (numer 18 w tabeli 1).

184 436

Na fig. 6 przedstawiono w powiększeniu 250x granulki sferyczne wykonane ze szkła bioaktywnego 13-93 (numer 27 w tabeli 1).

Na fig. 7a i 7b przedstawiono powłoki na podłożu o gładkiej (fig. 7a) lub szorstkiej (7b) powierzchni.

Na fig. 8 przedstawiono przygotowanie osnowy dla sferycznych granulek szklanych nadających się jako nośniki dla pożądanych środków.

Na fig. 9 przedstawiono osnowę różnych granulek ze szkła bioaktywnego (otwarte pierścienie), zaprawionych różnymi środkami (A do C).

Na fig. 10 przedstawiono wzorzec adsorpcji protein dla niektórych szkieł bioaktywnych.

Szkła bioaktywne według wynalazku mają szeroki zakres roboczy i regulowaną trwałość. Regulowana trwałość umożliwia produkcję szkieł bioaktywnych z niską reakcją początkową w twardej i miękkiej tkance, co powoduje niskie reakcje podrażniające po implantacji szkła. Jakkolwiek szkła mająwysokąbioaktywność, to szybkość ich resorpcji może być przewidziana i regulowana. Niektóre z tych szkieł ulegają bardzo powolnej resorpcji, lecz wciąż zachowują bioaktywność. Takie właściwości umożliwiają zastosowanie ich u młodszych pacjentów, a zatem implantację znacznych ilości materiału do wrażliwej tkanki i krwi. Wysoka trwałość w połączeniu z bioaktywnością umożliwia zastosowanie tych szkieł w postaci cienkich powłok, drobnych włókien szklanych i tkanin włóknistych. Zastosowane być mogą także cienkie płytki, jak również małe sferyczne granulki i aglomeraty granulek.

Szkła bioaktywne o szerokim zakresie roboczym ułatwiająproces odlewania i umożliwiają wytwarzanie włókien i różnych produktów włóknistych. Możliwa jest także produkcja granulek sferycznych, ponieważ szkła nie mają rozdzielonych faz i granulki można wtedy spiekać bez krystalizacji. Na fig. 2 przedstawiono krzywą zależności lepkość-temperatura dla szkła bioaktywnego o szerokim zakresie roboczym, to jest dla szkła typu 17-93 (numer 23 w tabeli 1 niżej, η wyrażone w dPa · s). Płaski przebieg krzywej wskazuje, że wymienione szkło ma szeroki zakres roboczy. Szeroki zakres roboczy pozwala na dmuchanie szkła o różnych kształtach oraz umożliwia prowadzenie procesu powlekania na różnych materiałach. Szkłem można manipulować poza piecem bez ryzyka krystalizacji. Szkła niebioaktywne o szerokim zakresie roboczym są dobrze znane, natomiast szkła bioaktywne o szerokim zakresie roboczym nie są opisane do czasu niniejszego wynalazku.

Regulacja trwałości szkieł możliwa jest poprzez zmianę ich kształtu, składu (jak opisano wyżej) oraz przez odpowiednie postępowanie z materiałem szkła, na przykład przez poddanie go obróbce cieplnej i powierzchniowej. Jako jeden z przykładów można wymienić wytwarzanie sferycznych granulek o powierzchni bardziej trwałej niż ich część wewnętrzna. Na trwałość szkieł można wpływać przez obróbkę cieplną, na przykład przez spiekanie ze sobą poszczególnych cząstek otrzymując w wyniku aglomeraty o powierzchni właściwej mniejszej niż powierzchnia właściwa sumy poszczególnych cząstek. Innym przykładem wpływu obróbki cieplnej na trwałość jest dobór odpowiedniej temperatury i szybkości odprężania. Trwałość może być także regulowana drogą obróbki powierzchniowej, na przykład przez trawienie, chemiczną lub fizyczną modyfikację powierzchni, wymianę jonową lub tym podobne postępowanie. Za pomocą tych środków możliwajest regulacja reaktywności w procesie przetwarzania, wytwarzania, sterylizacji i przechowywania, zarówno w tkance, jak i in vitro.

Przeprowadzono badania 40 różnych szkieł w układzie Na₂O-K₂O-MgO<niOB2₂O₃-P₂O₅-SiC)₂. Skład szkieł podano w tabeli 1. Poza tymi 40 szkłami do dalszych badań, zarówno in vitro, jak i in vivo wybrano pewne kompozycje szkieł, przy czym ilość indywidualnych składników w szkłach wybranych do badań zmieniała się w zakresach przedstawionych w tabeli 2. Lepkość i zachowanie korozyjne in vitro badano znanymi metodami. Badania in vivo prowadzono w tkance twardej królików i tkance miękkiej szczurów. Trwałość oznaczano metoda standardowa. Właściwości adsorpcji protein badano korzystając z szybkiego testu adsorpcji protein plazmowych. Podatność szkieł na obróbkę badano przez wytwarzanie sferycznych granulek, włókien i dmuchanych cylindrów.

184 436

Tabela 1

Skład badanych szkieł w siedmioskładnikowym układzie zawierającym tlenki Na, K, Mg, Ca, B, P, i Si w % wagowych.

Nr	Szkło	Na₂O	K₂O	MgO	CaO	B₂C3	P2O5	SiO2
1	7-92	10	5	0	15	0	0	70
2	18-92	15	0	2	15	0	0	68
3	13-92	0	15	5	10	0	3	67
4	4-92	10	5	2	10	0	6	67
5	10-92	10	5	0	15	3	3	64
6	8-92	15	0	5	10	0	6	64
7	16-92	5	10	2	20	0	0	63
8	23-93	3	12	5	14	1	2	63
9	11-93	6	9	0	17	2	6	60
10	25-93	12	3	2	17	3	4	59
11	B7-94	21	6	0	10	0	4	59
12	19-92	5	10	2	15	3	6	59
13	6-92	10	5	5	15	3	3	59
14	15-93	9	9	2	20	2	0	58
15	B6-94	19	7	1	11	0	4	58
16	24-93	9	6	2	17	3	6	57
17	B5-94	19	6	1	13	0	4	57
18	1-92	15	0	5	20	3	0	57
19	B4-94	17	7	2	13	1	4	56
20	22-93	21	9	2	8	1	4	55
21	5-92	20	10	5	10	0	0	55
22	B3-94	17	6	2	15	1	4	55
23	17-93	18	9	0	14	1	4	54
24	B2-94	15	7	3	15	2	4	54
25	12-93	12	3	5	20	0	6	54
26	9-93	12	15	5	11	1	2	54
27	13-93	6	12	5	20	0	4	53
28	B1-94	15	6	3	17	2	4	53
29	14-93	18	6	2	17	2	2	53
30	18-93	18	6	2	20	1	0	53
31	19-93	15	12	2	11	3	4	53
32	21-93	15	15	0	14	1	2	53
33	17-92	20	10	2	10	3	3	52
34	12-92	20	10	5	10	3	0	52
35	3-92	25	5	2	10	3	3	52

184 436 cd. tabeli 1

36	20-92	15	15	2	15	3	0	50
37	14-92	20	10	5	20	0	3	42
38	11-92	25	5	2	20	0	6	42
39	2-92	20	10	5	20	0	6	39
40	15-92	15	15	2	20	3	6	39

Szkła przcghtowynh przez stopienie surowych materiałów w temperaturze 1300-1600°C. W doświadczeniach surowe materiały Na2CO3, K2CO3, MgO, CaCO3, H3BO3 i CaHPOy 2H2O miały czystość analityczną, a SiO2 dodano w postaci piasku. Alternatywnie można użyć surowców handlowych. Dla poprawienia jednorodności szkła można stosować w postaci hartowanej i ponownie stopionej. Jeżeli szkło przeznaczone jest do celów medycznych to dla uniknięcia zanieczyszczenia można je topić w tyglu Pt/Au. Potas oraz ewentualnie magnez wykorzystuje się do zmiany właściwości fizycznych uzyskując szkła o szerokim zakresie roboczym.

Powlekanie oraz wytwarzanie różnych produktów włóknistych przeprowadza się znanymi sposobami. Wytwarzanie granulek sferycznych, można prowadzić drogą natryskiwania płomieniowego. Niektóre szkła nie myją rozdzielonych faz, ani nie są podatne na dewitryfikację , co umożliwia, w przypadku konieczności, powtórną obróbkę cieplną.

Ustalono, że szczególnie zalecane szkła bioaktywne o szerokim zakresie roboczym i regulowanej trwałości mają składy, w których zawartość SiO₂ wynosi około 53 - 54% wagowych. Należy jednakże spodziewać się, że w szkłach szczególnie atrakcyjnych zawartość SiO2 wyniesie około 53 -60% wagowych.

Testowano wszystkie czterdzieści szkieł o składzie przedstawionym w tabeli 2.

Ta b e1a2

Zakres składu badanych szkieł

Składnik	Zakres
Na₂O + K₂O	15 - 30% wagowych
K₂O	0 - 15% wagowych
MgO + CyO	10 - 25% wagowych
MgO	0 - 5% wagowych
B₂A₃	0 - 3% wagowych
P2O5	0 - 6% wagowych
SiO₂	39 - 70% wagowych

Trwałość oznaczono metodą standardową, natomiast zależność lepkość-temperytura mierzono za pomocą mikroskopu wysokotemperaturowego. Określano reakcje w tkance twardej oraz dokonano implantycji trzech szkieł do tkanki miękkiej. Wyniki porównywano z wynikami otrzymanymi dla szkieł moczonych w podobnym płynie ustrojowym(SBF). Oznaczano także właściwości adsorpcji protein dla jedenastu szkieł. Podatność na obróbkę testowano przez wytwarzanie drogą natryskiwania płomieniowego sferycznych granulek ze szkła bioaktywnego. Jedno ze szkieł bioaktywnych zostało wybrane do wytwarzania dmuchanych cylindrów szklanych, a włókna z dwóch szkieł bioaktywnych wytwarzano na skalę laboratoryjną.

184 436

Trwałość

Trwałość czterdziestu szkieł oznaczano korzystając ze szwedzkiej standardowej metody SS 13 63 21. Zgodnie z tąmetodą2 g szkła (średnica cząstek 300-500 pm) utrzymywano w czasie jednej godziny w 50 ml wody w temperaturze 98 ± 0,5°C. Zobojętniono dwadzieścia pięć mililitrów roztworu, a wynik przedstawiono jako ilość w mililitrach 0,01 M HCl zużytego na gram szkła (P₉₈). Wyniki przedstawiono w tabeli 3.

Tabela 3

Trwałość (P98) szkieł, podana w mililitrach 0,01 M HCl zużytego na gram szkła. Numery szkieł odnoszą się do numerów podanych w tabeli 1.

Nr	P98 (ml)	Nr	P98 (ml)	Nr	P98 (ml)	Nr	P98 (ml)
1	2,15	11	23,32	21	19,91	31	7,80
2	2,95	12	1,84	22	4,39	32	18,10
3	1,56	13	2,35	23	9,65	33	16,71
4	1,45	14	3,58	24	3,64	34	13,18
5	2,51	15	11,69	25	2,60	35	18,48
6	2,01	16	2,44	26	6,09	36	10,07
7	2, 99	17	7,38	27	2,85	37	10,53
8	2,24	18	4,05	28	3,59	38	13,79
9	1,95	19	5,14	29	4,45	39	11,86
10	2,81	20	31,98	30	4,68	40	8,61

Dla przedstawionych niżej zastosowań szczególnie interesujące są wszystkie szkła zużywające więcej niż 2,5 ml 0,01 M HCl na gram szkła.

Korozja w symulowanym płynie ustrojowym (próba na bioaktywność in vitro). Czterdzieści szkieł badano przez moczenie ich w symulowanym płynie ustrojowym (SBF). Skład roztworu podany jest w tabeli 4. Próby prowadzono po 72 godzinnym moczeniu wszystkich szkieł, przy czym niektóre szkła moczono w SBF odpowiednio przez 24 godziny oraz przez 7, 14, 28, 90 i 180 dni w temperaturze około 37°C przy stosunku pole powierzchni do objętości roztworu (SA/V) wynoszącym 0,1 - 0,4 cm'¹.

Tabela 4

Stężenia jonów (w mM) w symulowanym płynie ustrojowym (SBF). Roztwory buforowano przy pH 7,25 za pomocą 50 mM buforu Tris (hydroksymetylo)aminometanu zwanego dalej buforem Tris ((CH2OH)3CNH2) i 45 ml HCl.

Na+	K+	Ca2+	Mg2⁺	Cl'	hco₃	hpo/·	SO?
142,0	⁵,⁰	2,5	1,5	147,8	4,2	1,0	0,5

Próbki badano za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) i analizy rentgenowskiej z dyspersją energii (EDXA). Reakcje powierzchni po 72 godzinnej korozji w SBF przedstawiono w tabeli 5. Reakcje powierzchni szkła klasyfikowano zgodnie z ich zachowaniem w SBF wjednej z czterech grup, oznaczonych A (szkła obojętne), B (żel krzemionkowy), C (sporadyczny Ca/P) i D (żel krzemionkowy i warstwa Ca, P). Niska zawartość krzemionki i wysoka zawartość alkaliów w szkle wydają się sprzyjać tworzeniu się żelu krzemionkowego, a następnie wytrąceniu się apatytu na powierzchni szkła. Każdy wynik w tabeli 5 jest średnią z trzech doświadczeń.

184 436

Tabela 5

Reakcje powierzchni obserwowane po 72 godzinach w symulowanym płynie ustrojowym (SBF). A = brak zmian powierzchni (szkło obojętne), B = tworzy się żel krzemionkowy, C = sporadyczne tworzenie się Ca, P oraz D = tworzy się żel krzemionkowy i Ca,P. Numery szkieł odpowiadają numerom w tabeli 1.

Nr	Reakcja	Nr	Reakcja	Nr	Reakcja	Nr	Reakcja
1	A	11	B	21	D	31	D
2	A	12	A	22	A	32	C,D
3	A	13	A	23	D	33	D
4	A	14	B	24	C	34	B
5	A	15	B	25	C,D	35	D
6	A	16	C,D	26	C	36	B
7	A	17	B	27	D	37	D
8	A	18	C	28	C	38	D
9	A	19	A	29	D	39	D
10	C,D	20	C,D	30	C	40	D

Lepkość

Zależność lepkości od temperatury dla czterdziestu szkieł oznaczano za pomocą mikroskopu wysokotemperaturowego Leitza (10). W mikroskopie tym obserwuje się deformację cylindra szklanego w czasie ogrzewania, którą można następnie odnieść do lepkości stopionego szkła. Zależność lepkość-temperatura mierzono zatem korzystając z metody opisanej w cytowanej literaturze (10). Temperatura spiekania (SP, log η= 10,0) ( η wyrażone w dPa.s), minimalny punkt linii odniesienia (MBL, log η około 6,1), temperatura półstożka (HCP, log η około 4,55) oraz temperatura płynięcia (FP, log η około 4,2) wykorzystano jako punkty odniesienia. Wyniki przedstawiono w tabeli 6. Powtarzalność odczytu temperatury wynosiła zwykle ± 20°C. Szybkość nagrzewania pieca wynosiła maksymalnie 12°C7min. Przy modelowaniu wyników wykluczono szkła wykazujące lepkość nieniutonowską oraz oznaki krystalizacji.

W szerokim zakresie temperaturowym lepkości szkło podlega dokładnie zależności: log η = A + B/T w której ηjest lepkością w dPa.s, A i B są stałymi, a Tjest temperaturą w stopniach Kelvina. W powyższym równaniu log r-est liniową funkcją 1/T, a zależność stałych Ai B od składu można ocenić korzystając z analizy metodą regresji liniowej, uzyskano następujący wynik:

- CaO 3 -—1-9.2·	I9..O, '	-2.5·	fp₂o₅3
IsioJ	ybiO₂ J		<SiO₂ J

B = 17048.4 - 5319.2 · ^zNa,0‘ lsio₂.

2909.3·

) K₂O>	/
	-6a77.1·
ISroJ	y

CaO 2 SioJ

W powyższych równaniach składniki szkła podano w % wagowych, a temperaturę (T) w stopniach Kelvina. Model testowano z poziomem istotności 95%, współczynnik regresji wynosi 92,54%, a oszacowane resztkowe odchylenie standardowe 0,63 dPa.s. Do modelowania wykorzystano wszystkie wyniki pomiarów za pomocą mikroskopu wysokotemperaturowego dla szkieł

184 436 zawierających więcej niż 52% wagowych SiO₂. Zakres ważności dla modelu przedstawiono w tabeli 2. Zawartość SiO2 powinnajednakże dla celów modelu być wyższa niż 52% wagowych.

Tabela 6

Średnia temperatura (w °C) dwóch przebiegów w mikroskopie wysokotemperaturowym dla SP (temperatura spiekania), MBL (minimalny punkt linii odniesienia), HCP (punkt półstożkowy) oraz FP (punkt płynięcia) dla różnych szkieł. Numery szkieł odpowiadają numerom w tabeli 1.

Nr	SP (°C)	MBL (°C)	HCP (°C)	FP (°C)	Nr	SP (°C)	MBL (°C)	HCP (°C)	FP (°C)
1	685	865	1065	1145	21	540	850	945	1000
2	640	860	1055	1100	22	575	755	1005	1055
3	760*	975*	1095*	1170*	23	535	745	910	970
4	610	860	1070	1160	24	550	780	990	1010
5	595*	825*	955*	1060*	25	630	755	1065	1090
6	655	885	1010	1115	26	560	715	880	990
7	615*	890*	1135*	1160*	27	555	840	1080	1105
8	675	890	1035	1155	28	575	795*	1025*	1050*
9	680	880	1005	1110	29	555*	890*	950*	985*
10	625	795	935	1040	30	570	1040	1120	1125
11	565°	780	900	955°	31	550	720	865	965
12	590	905	1040	1185	32	550	795	915	985
13	595	785	870	1005	33	525	790	930	955
14	625	775	1070	1095	34	520	875	950	995
15	595°	790	920	1025°	35	525	875	920	930
16	630	846	985	1090	36	535	875	975	1010
17	565	760	975	1010	37	530	975	990	1005
18	605	760	1065	1085	38	530	1010	1085	1095
19	560	755	975	1020	39	545	990	1010	1030
20	525	735	855	950	40	530	955	995	1010

* średnia z trzech pomiarów. ° wynik z jednego pomiaru.

Reakcje w tkance twardej

Stożki (długość 4 - 6 mm, przekrój 4 -5 mm) z dwudziestu sześciu szkieł wybranych z kompozycji opisanej w tabeli 1 wprowadzono na osiem tygodni do organizmu dojrzałych królików z Nowej Zelandii. W każdym biodrze wywiercono stożkowe otwory korzystając z wiertarki dentystycznej płukanej sterylnym roztworem soli. Operacje prowadzono przy znieczuleniu ogólnym i w standardowych warunkach aseptycznych. Po zabiciu królików badano reakcje tkanek za pomocą mikroskopu świetlnego. Kontakt pomiędzy kością i implantem w obszarze zewnętrznym mierzono histomorfometrycznie. Pozostałą część tkanki badano za pomocą SEM i EDXA oceniając reakcje w powierzchni rozdziału pomiędzy szkłem i kością.

Wyniki przedstawiono w tabeli 7 oraz na fig. 3 do 5. W figurach „b” oznacza kość, a „g” szkło. Narosłą warstwę żelu krzemionkowego oraz wapnia i fosforanu (Ca, P) w strefie reakcyjnej pomiędzy szkłem i kością przyjęto jako kryterium bioaktywności. Reaktywność podzielono na cztery grupy (od A do D) wykorzystując podobne kryteria, jak dla wyników in vitro. Wartości dla bioaktywności, przedstawione w tabeli 7, są średnim wynikiem czterech lub

184 436 pięciu próbek tego samego szkła. Na fig. 3 do 5 przedstawiono kontakt pomiędzy kościąi szkłem po ośmiotygodniowym przebywaniu w biodrze królika. Na fig. 3 przedstawiono szkło typu 17-93 (Nr 23 w tabeli 1 i 7). Pomiędzy szkłem (g) i kością (b) narosły warstewki żelu krzemionkowego (s) i Ca, P (c). Z fig. 3 widoczne jest, że szkło jest bioaktywne. Na fig. 4 przedstawiono szkło typu 5-92 (Nr 21 w tabelach 1 i 7). Pomiędzy szkłem (g) i kością (b) widoczne są narosłe warstewki żelu krzemionkowego (ciemne pasy) i Ca, P (jasne pasy). Z fig. 4 widać że szkło 5-92 wykazuje pewien stopień bioaktywności. Na fig. 6 przedstawiono szkło typu 1-92 (nr 18 w tabelach 1 i 7) i widać z niej, że szkło tego typu jest obojętne pod względem aktywności i nie tworzy się żadna warstewka żelu krzemionkowego lub Ca, P pomiędzy szkłem i kością. Takie szkło nie zawiera P2O5.

Tabela 7

Reakcje szkła po ośmiotygodniowym przebywaniu w biodrze królika. A = brak reakcji (szkło obojętne), B = zaobserwowano tworzenie żelu krzemionkowego, C = zaobserwowana warstwowa struktura żelu krzemionkowego i Ca, P oraz D = zaobserwowano żel krzemionkowy i Ca, P (dobra bioaktywność).

Numery odpowiadają numerom w tabeli 1.

Nr	Reakcja	Nr	Reakcja	Nr	Reakcja	Nr	Reakcja
1	A	11	-	21	B,C	31	C,D
2	A	12	A	22	-	32	-
3	A	13	A	23	D	33	D
4	A	14	A	24	-	34	C
5	A	15	-	25	-	35	D
6	A	16	-	26	C,D	36	C
7	A	17	-	27	D	37	D
8	-	18	A	28	-	38	D
9	-	19	-	29	C,D	39	D
10	-	20	-	30	B	40	D

Szkła oznaczone jako bioaktywne w próbie in vitro, grupa D, nie wywołują żadnych albo wywołują w szpiku kostnym bardzo łagodne jednogniskowe reakcje zapalne. Stan zapalny w innych grupach bioaktywności A-C zmieniał się od łagodnego do umiarkowanego. W związku z niewieloma stożkami szklanymi ze wszystkich grup bioaktywności obserwowano małe skupiska wielkich komórek. W grupie D drobne włókniste kapsułki otaczały wierzchołek stożka szklanego, wystającego do przestrzeni rdzeniowej. Taka kapsułka ma skłonność do stawania się cieńszą dookoła wierzchołków stożków z mniejszymi reakcjami powierzchni in vivo.

Niektóre szkła in vivo rozwinęły w strefie reakcji pomiędzy szkłem i kością żel krzemionkowy i Ca, P w postaci struktury warstwowej. Zjawisko to można zaobserwować na fig. 4 i stwierdzono je dla niektórych szkieł z zawartością 50 - 55% wagowych SiO2 i 0 - 2% wagowych P₂O₅. Odpowiednia reakcja in vitro wykazuje sporadycznie tworzenie się Ca, P na wierzchu żelu krzemionkowego.

Zależność pomiędzy składem szkła i reakcją szkła (GR) in vivo można opisać wzorem GR= -3,90+0,18Na2O+0,20K₂O+0,11CaO+0,48P₂O₅-3,20 (P_?O₅)2/SiO2 w którym składniki szkła podane są w % wagowych i z badanym poziomem istotności 95%. Współczynnik regresji wynosi 88,50%, a przybliżone resztkowe odchylenie standardowe wynosi 0,51. Dla celów tego modelu reakcje szkła wyrażono liczbowo, tak aby wartość A w tabeli 7

184 436 odpowiadała reakcji szkła = 1, B - reakcji szkła 2, C - 3 a D - 4. Granice składników w tym równaniu podane są w tabeli 2.

W doświadczeniu tym ustalono, że zawartość krzemionki w bioaktywnych szkłach była mniejsza niż 66% wagowych. Jak widać w równaniu prawdopodobieństwo znalezienia szkieł bioaktywnych zależy również od zawartości alkaliów, ziem alkalicznych i P2O6. Szkła, które są szczególnie intersujące do zastosowań, jak opisano niżej, mają zawartość SiO₂ mniejszą niż 61% wagowych.

Reakcje w tkance miękkiej

Trzy szkła bioaktywne o szerokim zakresie roboczym i o różnej trwałości wprowadzono podskórnie do organizmu szczurów. Szkła były typu 9-93, 13-93 i 17-93. Szkło 89-9 wykorzystano jako odnośnik. Jako zwierząt doświadczalnych użyto 80 dojrzałych szczurów Long-Evans (ciężar 200-400 g). Postępowanie chirurgiczne przeprowadzono przy znieczuleniu Hypnorm/Dormicum. Nacięcie skóry przeprowadzono w obszarze grzbietowym i w przestrzeni podskórnej utworzonej dla implantów. Do organizmu każdego szczura wprowadzono trzy pręciki szklane (średnica 0,8-1,2 mm, długość 6 mm). Czasy implantacji wynosiły 3, 7,14 i 28 dni oraz 6 miesięcy. Po tym czasie szczury zabito za pomocąCXJ₂, a implanty wyjęto z otaczającej tkanki. Próbki utrwalono w alkoholu i pogrążono w tworzywie sztucznym. Próbki przygotowano do analizy za pomocą mikroskopu świetlnego, SEM i EDXA.

Szkła zaczęły się wchłaniać w czasie jednego tygodnia po implantacji. Reakcje szkła po implantacji przedstawiono w tabeli 8.

Tabela 8

Reakcje szkła po implantacji do miękkiej tkanki organizmu szczurów.

Większość próbek składała się z trzech szklanych pręcików. Składy szkieł podane są w tabeli 1.

Czas	Reakcja
	Szkło 9-93	Szkło 13-93	Szkło 17-93
3 dni	Sporadyczna resorpcja powierzchni (2 próbki)	Sporadyczna resorpcja szkła. Warstwy krzemionki i fosforanu wapnia (Ca, P) (4 próbki)	Brak resorpcji (2 próbki)
7 dni	Sporadyczna resorpcja powierzchni (2 próbki)	Resorpcja powierzchni. Warstwy Si i Ca.P (4 próbki)	Sporadyczna resorpcja powierzchni (2 próbki)
14 dni	Resorpcja powierzchni (2 próbki)	Resorpcja powierzchni. Warstwy Si i Ca.P (3 próbki)	Sporadyczna resorpcja powierzchni (1 próbka)
28 dni	Resorpcja powierzchni (1 próbka)	Resorpcja powierzchni. Warstwy Si i Ca.P (4 próbki)	Resorpcja powierzchni (2 próbki)
6 miesięcy	Pręciki wchłonięte w około 70% (3 próbki)	Pręciki wchłonięte w około 60%. Warstwy Si i Ca.P (1 próbka)	Pręciki wchłonięte w około 60%. Warstwy Si i Ca.P (4 próbki)

Adsorpcja protein

Adsorpcję protein na jedenastu szkłach bioaktywnych (podanych poniżej), badano stosując szybki test adsorpcji protein plazmowych. Wyniki testów adsorpcji protein porównuje się z wynikami testu dla hydroksyapatytu (HA) i szkła obojętnego. Profile protein uzyskuje się stosując test adsorpcji protein plazmowych. Główną proteiną adsorbowaną na wszystkich szkłach bioaktywnych była albumina. Właściwości adsorpcji protein szkieł bioaktywnych różniły się znacznie od właściwości hydroksyapatytu i szkła obojętnego.

184 436

Plazmę ludzką przygotowano z krwi zebranej w probówkach z dodatkiem heparyny. Plazmę rozdzielono przez wirowanie z szybkością 4000 x g w czasie 10 minut, a następnie przechowywano w temperaturze -20°C. Przed użyciem plazmę rozcieńczono w stosunku 1 : 4 w buforowanym solnym roztworze Trisu zwanym dalej TBS (10 mM Tris-HCl, 150 mM NaCl, pH = 7,4). HA o wielkości ziarna w przybliżeniu 200 pm uzyskano z BDH Chemicals Ltd, Poole, Anglia, natomiast szkło obojętne z Hackman-Iittyla, Finlandia. Szkło obojętne pokruszono przesiano (315-500 pm).

Cząstki szkła (100 mg) i HA (50 mg) poddano w ciągu 30 minut inkubacji z 1 ml rozcieńczonej plazmy w probówkach Nunc CryoTubes (Nunc, Roskilde, Dania) przez obracanie pionowe w temperaturze otoczenia. Po takiej obróbce cząstki przemyto 2 ml TBS przez toczenie pionowe w ciągu 1 minuty. Zaadsorbowane proteiny analizowano drogą elektroforezy za pomocą siarczanu dodecylu na żelu poliakrylamidowcm (SDS-PAGE, PhastSystem®, Pharmacia, Szwecja). Cząstki ogrzewano następnie w temperaturze 100°C w ciągu 5 minut w 120 pl destylowanej wody i 30 pl denaturującego buforu (0,2 M fosforan sodowy, pH=7,0, zawierający 15% SDS i 5% gliceryny). Klarowne roztwory poddano działaniu SDS-PAGE i zabarwiono srebrem zgodnie z instrukcjami producenta. Wzorzec proteinowy uzyskano z BioRad (Richmond, CA, USA).

Wszystkie szkła bioaktywne adsorbowały z plazmy głównie albuminę. Na fig. 10 przedstawiono wzorzec adsorpcji protein dla niektórych szkieł bioaktywnych. Ciężary cząsteczkowe w kilodaltonach wskazano po lewej stronie. Skróty: St = standard, 1 = szkło nr 9-93, = szkło nr 13-93,3 = szkło nr 14-93,4 - szkło nr 17-93,5 = szkło nr 19-13, W = szkło obojętne, P = plazmy oraz HA = hydroksyapytyt. Szkło obojętne wykazywało szeroki profil adsorpcji proteiny plazmowej. Poza albuminą adsorbowało ono proteiny z zakresu ciężarów cząsteczkowych (MW) immunoglobulin (Mw około 150 kD) i fibrynogenu (MW około 400 kD). HA także wykazywał szeroki profil adsorpcji protein plazmowych.

Pomiędzy szkłami bioaktywnymi zaobserwowano pewne różnice właściwości adsorpcji protein. Różnice te pojawiają się szczególnie w zakresie MW immunoglobulin oraz dla protein z MW niższym niż MW albuminy (MW około 69 kD).

Do testu adsorpcji protein wykorzystano następujące szkła, których składy podane sąw tabeli 1:

5-92 9-93

11- 92 13-93

12- 92 14-93

14- 92 17-93

15- 92 19-93

20-92

Zastosowanie szkieł bioaktywnych według wynalazku

Szkła bioaktywne według wynalazku można stosować w postaci pokruszonych lub sferycznych granulek, gęstych lub porowatych materiałów w masie, powłok, produktów z włókna szklanego, kompozytów oraz ich połączeń. Zastosowanie różnych materiałów opisano niżej.

Pokruszone lub sferyczne granulki

Pokruszone granulki, sferyczne granulki, spieczone sferyczne granulki oraz sferyczne spieczone granulki w postaci aglomeratów można stosować jako materiał wypełniający ubytków kostnych oraz w miękkiej tkance, a zwłaszcza jako wypełnienie okostnej zębodołu oraz wypełnienie korzeni zębów i przy usunięciu miazgi. Spieczone granulki mogą być przydatne do powolnego wydzielania środków i mogą być zaprawiane środkami i chemikaliami. Granulki mogą mieć powierzchnię, który jest bardziej trwała niż część wewnętrzna, a materiał, jeżeli jest spieczony, może być kształtowany podczas operacji chirurgicznych. Granulki mogą być wprowadzane do organizmu także przez wstrzykiwanie. Reaktywność powierzchni można regulować różnymi sposobami, na przykład przez trawienie i powlekanie.

Na fig. 7 przedstawiono zdjęcie granulek sferycznych wykonanych ze szkła bioaktywnego

13-93 (nr 27 w tabeli 1), przy powiększeniu 250x. Wielkość granulek wynosi 74 - 125 pm.

184 436

Gęste materiały w masie

Gęste materiały w masie mogą być stosowane w postaci opisanych wyżej granulek pokruszonych lub sferycznych, to jest jako materiały wypełniające przy ubytkach kostnych lub miękkiej tkance, do powolnego uwalniania środków, oraz do sterowania tkanką. Materiał można stosować, gdy wytwarzany jest przez odlewanie, prasowanie i dmuchanie.

Porowate materiały w masie

Porowate materiały w masie można stosować w postaci granulek pokruszonych lub sferycznych lub jako opisane wyżej gęste materiały w masie. Takie produkty mają określoną porowatość.

Powłoki

Szkła można stosować w postaci powłok, na przykład na stopach, metalach, innych szkłach i ceramice. Powłoki mogą mieć różną grubość, a warstewki mogą składać się z powłokj edno- lub wielowarstwowych. Takie powleczone materiały nadają się do stosowania jako implanty w medycynie i stomatologii (na przykład do stawów biodrowych, powiększania kości, sprzętu oraz szpilek i śrub mocujących), jak również jako sprzęt biotechnologiczny, dentystyczny i medyczny. Powłoki mogą być albo gęste, albo porowate.

Produkty z włókna szklanego

Włókna i wełna szklana mogą być stosowane w postaci pojedynczych włókien, cienkich tkanin, tkanin, kordów, pierścieni, wyprasek, tabletek i pigułek. Materiały te można stosować do takich samych celów, jako granulki pokruszone lub sferyczne, gęste materiały w masie, porowate materiały w masie oraz opisane wyżej powłoki.

Połączenia materiałów

Połączenia wyżej opisanych materiałów można stosować do tych samych celów, jak i materiały płaskie. Przykładowo można wymienić granulki sferyczne lub włókna stosowane w postaci spieku na powłokach, na materiałach w masie albo na granulkach do regulowanej trwałości.

Kompozyty;

Można przygotować kompozyty zawierające jeden lub kilka opisanych wyżej materiałów oraz stopy, metale, polimery i inne szkła. Kompozyty hydroksyapatytu w różnych kształtach razem z tymi materiałami mogą być wykorzystane w postaci aglomeratów, pigułek, porowatych materiałów w masie, granulek lub powłok.

Na fig. 7a do 9 przedstawiono niektóre zastosowania szkieł bioaktywnych według wynalazku. Na fig. 7a i 7b przedstawiono przykładowo powłoki na podłożach o gładkiej (fig. 7a) i (fig. 7b) powierzchni. Pierwsza warstwa A na fig. 7a i 7b może być trwała i mieć współczynnik rozszerzalności zgodny ze współczynnikiem rozszerzalności podłoża. Warstwa ta zapobiega na przykład dyfuzjijonów z podłoża do otaczających tkanek. Możliwa druga warstwa B wciąż może być dostatecznie trwała, lecz mimo to wiązać się z miękką tkanką, podczas gdy trzecia warstwa C może reagować z kością. Podłoża z jedną lub więcej powłokami mogą być także wykorzystane do implantacji, a warstwa sferycznych granulek ze szkła bioaktywnego, jeżeli jest to pożądane, może wiązać się na lub jako warstwa zewnętrzna. Na fig. 8 przedstawiono zastosowanie granulek ze szkła bioaktywnego do przygotowania aglomeratów'. Aglomerat szklany wykonany z pokruszonego szkła ogrzewa się aż do uzyskania kształtu półsferycznego. Ogrzewanie ciągłe daje w wyniku aglomerat ze sferycznymi granulkami, które mogą być powleczone żądanymi środkami, na przykład środkami czynnymi terapeutycznie. Na fig. 9 przedstawiono osnowę różnych granulek ze szkła bioaktywnego (pierścienie otwarte), powleczonych różnymi środkami A, B i C. Taka osnowa jest szczególnie przydatna do zastosowania w pustych lub porowatych implantach przeznaczonych na przykład do sterowania tkanką. Różne granulki szklane można wykonać ze szkieł bioaktywnych o różnej trwałości.

Ocenia się, że wynalazek można stosować w postaci różnych rozwiązań, z których ujawniono tu tylko kilka. Dla specjalistów jest oczywiste, że istnieją również i inne rozwiązania, które nie odbiegają od istoty wynalazku. Opisane zatem rozwiązania mają charakter ilustracyjny i nie mogą być traktowane jako ograniczające zakres wynalazku.

184 436

Fig. 3

184 436

Fig. 4

184 436

Fig. 5

184 436

Fig. 6

184 436

MIĘKKA

TKANKA

KOŚĆ

FIG. 7a

FIG. 7b

184 436

FIG. 9

184 436

W P HA

St 1

Fig. 10

184 436

FIG. 1

temperatura (°C)

FIG. 2

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz. Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Szkło bioaktywne o zakresie roboczym przydatnym do przetwarzania szkła, zawierające tlenki krzemu, fosforu, metali alkalicznych, metali ziem alkalicznych oraz ewentualnie inne pierwiastki, takie jak bór, znamienne tym, że tlenki te zawarte są w szkle w następujących ilościach:

SiO₂ 53 - 56% wagowych

Na₂O 0 - 34% wagowych

K₂O 1 - 20% wagowych

MgO 0 - 5% wagowych

CaO 5-25% wagowych

B2O₃ 0 - 4% waggwych

P2O5 0,5 - 6% wagowych pod warunkiem, że

Na2O+ K2O = 18 - 30% wagowych

K2O + MgO = 7 - 20% wagowych oraz

MgO + CaO = 12 - 25% wagowych.

2. Szkło bioaktywne według zastrz. 1, znamienne tym, że ma następujący skład:

SiO2 54% wagowe

Na2O 12% wagowych

K2O 15% wagowych

MgO 5% wagowych

P2O₅ 2% wag2we

CaO 11% !!%()wa^^^oi

B2O₃ l%wagogy.

3. Szkło bioaktywne według zastrz. 1, znamienne tym, że ma następujący skład:

SiO2 53% wago%e

Na2O 6% w^^%)wycH

K2O 12% wagoeych

MgO 5% wagoeych

P2O5 4% wago\ve

CaO 20% wagowych

4. Szkło bioaktywne według zastrz. 1, znamienne tym, że ma następujący skład:

SiO2 53 - 56% wagowych

Na2O 10- 28% wagowych

K2O 2 - 20% wagowych

MgO 0 - 5% wagowych

CyO 7 - 25% wagowych

B₂O₃ 0 - 4% wagoowych

P2O5 0,55) 6% weyowych pod warunkiem, że

Ny^Oł K2O = 18 - 30% wagowych

K2O + MgO = 7 - 20% wagowych

MgO + CaO = 12 - 25% wagowych.

5. Szkło bioaktywne według zastrz. 1 albo 4, znamienne tym, że zawartość P2O5 wynosi od 1 do 4% wagowych, a zawartość B2O3 wynosi od 1 do 4% wagowych.

184 436

6. Szkło bioaktywne o niskiej trwałości, znamienne tym, że ma następujący skład:

SiO2 53 - 56% wagowych

Na₂O 5 -33% wagowych

K₂O 2 - 20% wagowych

MgO 0 - 3% wagowych

CaO 7 - 25% wagowych

B2O3 2 - 6% wagowych pod warunkiem, że

Na2O + K2O = 25 -25% wagowych

K2O + MgO = 5 - 20% wagowych oraz

MgO + CaO = 10 - 25% wagowych.