DE19811900C2 - Biocompatible composite material, process for its production and its use - Google Patents
Biocompatible composite material, process for its production and its useInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein biokompatibles Kompositmaterial auf der Grundlage eines anorganischen Gels. Das Kompositmaterial ist bioaktiv und als Werkstoff für den Knochen- oder Zahner satz, zur Beschichtung von Implantaten aus Metallen, Keramik, Silicium oder Polymeren sowie zur Beschichtung textiler Gewebe geeignet.The invention relates to a biocompatible composite material the basis of an inorganic gel. The composite material is bioactive and as a material for bones or teeth set, for coating implants made of metals, ceramics, Silicon or polymers and for coating textile fabrics suitable.
Es ist allgemein bekannt, daß lasttragende Implantate (spezi ell Hüftprothesen) mit Überzügen ausgestattet werden, um die Biokompatibilität von Prothesen zu verbessern. Wichtige Forde rungen an die Überzüge sind, daß diese nicht resorbierbar, physiologisch unbedenklich und bioaktiv sind, d. h. daß ein Verwachsen mit umliegendem Gewebe möglich ist. Weiterhin ist es notwendig, daß die Überzüge in der Belastungssituation über mehrere Jahre abriebfest sind und in ihrem mechanischen Ver halten zwischen Knochen und Implantat liegen. Diese Forderun gen werden von bisherigen Beschichtungsmaterialien nur unzu reichend erfüllt.It is generally known that load-bearing implants (spec hip prostheses) can be equipped with covers to the Improve the biocompatibility of prostheses. Important requirement of the coatings are that they are not absorbable, are physiologically safe and bioactive, d. H. the existence Overgrowth with surrounding tissue is possible. Furthermore is it is necessary that the coatings in the stress situation about are resistant to abrasion for several years and in their mechanical ver hold between bone and implant. This requirement conditions of previous coating materials are only too sufficiently fulfilled.
Es ist derzeitig möglich, Implantatoberflächen durch elektro chemische Verfahren oder Vakuumverfahren zu beschichten. Elek trochemische Verfahren erfordern leitfähige Substrate, sind stoffspezifisch und ermöglichen keine Integration von Biopoly meren (DE 44 31 862 C2, DE 195 04 386 A1). Vakuumverfahren ge statten keine Einbettung von Biopolymeren und erfordern einen hohen gerätetechnischen und energetischen Aufwand (EP 0 029 787 B1). It is currently possible to electroplate implant surfaces to coat chemical processes or vacuum processes. Elek Trochemical processes require conductive substrates substance-specific and do not allow integration of biopoly meren (DE 44 31 862 C2, DE 195 04 386 A1). Vacuum process ge do not allow embedding of biopolymers and require one high technical and energy expenditure (EP 0 029 787 B1).
Eine bekannte Alternative ist die Beschichtung nach dem Sol- Gel-Verfahren mit anschließender Sinterung. So können Calcium phosphat-Phasen (WO 95/13101 A1), TiO2- (WO 93/21969 A1), ZrO2- und SiO2-Gel-Schichten (JP 09-122223 A) auf Implantatwerkstof fen abgeschieden werden. Die Schaffung von Metalloxidschichten mit dem Sol-Gel-Verfahren ist auf die Ausbildung bioinerter Materialien, d. h. Materialien ohne biologisch wirksame Bestand teile, beschränkt, da die für eine genügende Substrathaftung notwendige Sinterung biologisch wirksame Komponenten oder orga nische Reste aus den Schichten austreibt. Neben der Bereitstel lung einer ausreichenden Haftung wird durch die Sinterung der herkömmlichen Metalloxidschichten außerdem eine Sterilität der Beschichtungen angestrebt.A known alternative is coating by the sol-gel process with subsequent sintering. Calcium phosphate phases (WO 95/13101 A1), TiO 2 (WO 93/21969 A1), ZrO 2 and SiO 2 gel layers (JP 09-122223 A) can be deposited on implant materials. The creation of metal oxide layers with the sol-gel process is limited to the formation of bio-inert materials, ie parts without biologically active constituents, since the sintering necessary for sufficient substrate adhesion drives out biologically active components or organic residues from the layers. In addition to providing sufficient adhesion, the sintering of the conventional metal oxide layers also strives for sterility of the coatings.
Ein entscheidender Nachteil der bisher bekannten Verfahren ist, daß aufgrund der hohen Anregungsenergien (CVD- und PVD-Verfah ren), Sintertemperaturen (Sol-Gel-Verfahren) oder der hohen Stoffspezifität (elektrochemische Verfahren) eine Integration von Biopolymeren nicht möglich ist und damit die Bioaktivität der Schichten unzureichend ist. Außerdem wird durch den rein anorganischen Charakter der Schichten ein zu sprödes Material verhalten und eine verringerte Festigkeit beobachtet.A decisive disadvantage of the previously known methods is that due to the high excitation energies (CVD and PVD process ren), sintering temperatures (sol-gel process) or the high Substance specificity (electrochemical processes) an integration of biopolymers is not possible and thus the bioactivity the layers are insufficient. In addition, the pure inorganic character of the layers a too brittle material behavior and a reduced strength is observed.
Weitere Komposite auf der Basis organischer Matrixmaterialien oder organischer Gele sind beispielsweise aus US 4 172 128 A, DE 94 00 138 U1; US-PS 5 429 821 A, DE 27 56 256 A1, DE 41 03 876 C2, US 5 116 824 A, DE-OS 35 26 320 A1 und DE-OS 36 08 158 A1 bekannt.Other composites based on organic matrix materials or organic gels are known for example from US 4 172 128 A, DE 94 00 138 U1; US Pat. No. 5,429,821 A, DE 27 56 256 A1, DE 41 03 876 C2, US 5 116 824 A, DE-OS 35 26 320 A1 and DE-OS 36 08 158 A1 known.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Kompositma terial anzugeben, das eine Integration von Biopolymeren be reitstellt und als Knochen- oder Zahnersatz-Werkstoff oder zur Implantat-Beschichtung geeignet ist. Die Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kompositmaterials anzugeben.The object of the invention is to provide an improved composite specify material that be an integration of biopolymers provides and as a bone or denture material or Implant coating is suitable. The object of the invention it is also a method of manufacturing such Specify composite material.
Diese Aufgaben werden durch ein Kompositmaterial und ein Ver fahren zu dessen Herstellung mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungs formen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.A composite material and a Ver drive to its manufacture with the features according to Claims 1 and 11 solved. Advantageous execution forms of the invention result from the dependent Claims.
Überraschenderweise konnte die Aufgabe mit einfachen Mitteln insbesondere dadurch gelöst werden, daß Skleroproteine oder deren Hydrolyseprodukte und/oder Glycosaminoglycane unter Ver wendung der Sol-Gel-Technik als bioaktive Komponente in Metalloxidgele eingebettet werden. Bei Wahl geeigneter Zusam mensetzungen und Technologien entstehen stabile Komposite mit hoher Härte, Verschleißresistenz und Haftfestigkeit, die bio aktiv und nicht resorbierbar sind. Auf eine Wärmebehandlung zur Verbesserung der physikalisch-mechanischen Eigenschaften kann ganz oder zumindest teilweise verzichtet werden. Ein be sonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die Einbettung von Biopolymeren in eine organische Matrix aus ei nem Material ähnlich dem natürlichen Knochenmaterial ein Mate rial mit hoher mechanischer Stabilität und hoher Bioaktivität bereitgestellt wird.Surprisingly, the task was accomplished with simple means in particular can be solved in that scleroproteins or their hydrolysis products and / or glycosaminoglycans with Ver application of the sol-gel technique as a bioactive component in Metal oxide gels are embedded. When choosing suitable together stable composites with high hardness, wear resistance and adhesive strength, the bio are active and not absorbable. For a heat treatment to improve the physical-mechanical properties can be dispensed with entirely or at least partially. A be particular advantage of the invention is that Embedding of biopolymers in an organic matrix of egg a material similar to the natural bone material a mate rial with high mechanical stability and high bioactivity provided.
Abweichend vom bisherigen Sol-Gel-Verfahren konnten mit der Erfindung erstmalig die folgenden besonderen Vorteile erzielt werden. Die interessierenden biokompatiblen Materialien sind verhältnismäßig schwer löslich. Trotzdem kann erfindungsgemäß eine hervorragende Beschichtungsqualität mit einer homogenen Verteilung der biokompatiblen Materialien erzielt werden. Die biokompatiblen Materialien erfüllen simultan mehrere Funktio nen. Erstens stellen sie die jeweils gewünschten bioaktiven Eigenschaften bereit. Außerdem wird die Bildung klarer, trans parenter Überzüge großer Härte und Gleichmäßigkeit auch in ge ringen Dickenbereichen ermöglicht. Schließlich fördern die bioaktiven Materialien die Haftung eines erfindungsgemäßen Kompositmaterials am jeweiligen Substrat. Deviating from the previous sol-gel process, the Invention achieved for the first time the following special advantages become. The biocompatible materials of interest are relatively difficult to dissolve. Nevertheless, according to the invention an excellent coating quality with a homogeneous Distribution of biocompatible materials can be achieved. The biocompatible materials fulfill several functions simultaneously NEN. First, they provide the bioactive desired Properties ready. In addition, education becomes clearer, trans Parente coatings of great hardness and uniformity even in ge wrestling thickness ranges. Finally, the bioactive materials the liability of an inventive Composite material on the respective substrate.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein biokompatibles Kompo sitmaterial, das ein Metalloxidgel und ein oder mehrere homo gen eingebettete Skleroproteine oder Glycosaminoglycane und/oder Hydrolyseprodukte dieser Proteine enthält, und die Verwendung eines derartigen Kompositmaterials. Das Komposit material begünstigt die Abscheidung basischer Calciumphosphat- Phasen und ist als Werkstoff für den Knochen- oder Zahnersatz oder zur Beschichtung von Implantaten aus Metallen, Keramik, Silicium oder Polymeren sowie zur Beschichtung textiler Gewebe geeignet. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen biokompatiblen Kompositmaterials.The invention thus relates to a biocompatible compo sit material that contains a metal oxide gel and one or more homo gene embedded scleroproteins or glycosaminoglycans and / or hydrolysis products of these proteins, and the Use of such a composite material. The composite material favors the deposition of basic calcium phosphate Phases and is as a material for bone or dentures or for coating implants made of metals, ceramics, Silicon or polymers and for coating textile fabrics suitable. The invention also relates to a method for Production of such a biocompatible composite material.
Die eingesetzten Skleroproteine umfassen eine Gruppe von Pro teinen, die in biologischen Organismen Stützfunktionen aus üben. Die Skleroproteine werden auch als fibrilläre Proteine oder Linear-Faserproteine bezeichnet. Beispiele für Sklero proteine sind die Keratine der Haare, Nägel, Federn, Wolle und dergleichen, das Seiden-Fibroin, Kollagene des Stütz- und Bin degewebes, der Haut, der Knochen und Knorpel, die im Bindege webe auftretenden Elastine sowie Chitin-Protein-Verbindungen wie z. B. die Conchagene.The scleroproteins used include a group of Pro complex that support functions in biological organisms to practice. The scleroproteins are also called fibrillar proteins or linear fiber proteins. Examples of sclerotherapy Proteins are the keratins of hair, nails, feathers, wool and like that, the silk fibroin, collagen of the support and bin degewebes, the skin, the bones and cartilage that are in the connective tissue Weaving elastins and chitin-protein compounds such as B. the Conchagene.
Als anorganisches Gel können Metalloxide von Elementen der II.-IV. Haupt- und Nebengruppe des Periodensystems wie SiO2, Al2O3, ZrO2, TiO2, B2O3, ZnO, CaO, P2O5 oder deren Gemische ver wendet werden, die man durch einen Sol-Gel-Prozeß, z. B. durch Hydrolyse der entsprechenden Metallalkoxide entsprechend Gl. (1), zu den entsprechenden Metalloxidsolen und anschlie ßende Gelbildung durch Neutralisation, Erwärmen oder Aufkon zentrierung, erhält, vgl. J. C. Brinker, G. W. Scherer, Sol-Gel Science, Academic Press, London 1990. Für die Modifizierung der Sol-Gel-Schichteigenschaften kann der Hydrolyseprozeß der Metallalkoxide in Gegenwart zugemischter Alkyl-trialkoxysilane R-Si(OR')3 und/oder Dialkoxysilane R2-Si(OR')2 durchgeführt werden, wodurch modifizierte Metalloxidgele gebildet werden, die bezogen auf 1 Gewichtsanteil Metalloxidgel 0 bis 1 Gewichtsteile R-SiO3/2 und/oder R2-SiO enthalten. R ist ein organischer Alkylrest, der Amino, Hydroxy- oder Alkoxygruppen enthalten kann. R' ist ein Alkylrest, vorrangig mit 1-4 Kohlenstoffatomen. Durch diese Modifizierung kann z. B. die Elastizität und das Haftverhalten der Gelschichten gezielt verbessert werden.Metal oxides of elements of II.-IV. Main and subgroup of the periodic table such as SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 , B 2 O 3 , ZnO, CaO, P 2 O 5 or mixtures thereof, which can be used by a sol-gel process , e.g. B. by hydrolysis of the corresponding metal alkoxides according to Eq. (1), for the corresponding metal oxide sols and subsequent gel formation by neutralization, heating or concentration, is obtained, cf. JC Brinker, GW Scherer, Sol-Gel Science, Academic Press, London 1990. For the modification of the sol-gel layer properties, the hydrolysis process of the metal alkoxides in the presence of admixed alkyl trialkoxysilanes R-Si (OR ') 3 and / or dialkoxysilanes R 2 -Si (OR ') 2 are carried out, whereby modified metal oxide gels are formed which, based on 1 part by weight of metal oxide gel, contain 0 to 1 part by weight of R-SiO 3/2 and / or R 2 -SiO. R is an organic alkyl radical which can contain amino, hydroxyl or alkoxy groups. R 'is an alkyl radical, primarily with 1-4 carbon atoms. With this modification, e.g. B. the elasticity and the adhesive behavior of the gel layers can be specifically improved.
Die Herstellung des biokompatiblen Kompositmaterials erfolgt in folgenden Schritten:The biocompatible composite material is produced in the following steps:
Herstellung des Metalloxidsols durch saure oder basische
Hydrolyse von Metallalkoxiden (einschließlich Siliciumverbin
dungen) oder Metallhalogeniden zu den entsprechenden Solen.
Production of the metal oxide sol by acidic or basic hydrolysis of metal alkoxides (including silicon compounds) or metal halides to the corresponding sols.
M(OR)n + n/2H2O → (MOn/2)Sol + nROH (1)
M (OR) n + n / 2H 2 O → (MO n / 2 ) Sol + nROH (1)
M = z. B. Si, Al, Ti, Zr, Ti, B, Zn, Ca, P oder deren Gemische
R' = Alkylrest mit 1-4 KohlenstoffatomenM = z. B. Si, Al, Ti, Zr, Ti, B, Zn, Ca, P or mixtures thereof
R '= alkyl radical with 1-4 carbon atoms
Zur Modifizierung der Metalloxidsole können vor der Solbildung Alkyl-trialkoxysilane R-Si(OR')3 und/oder Dialkoxysilane R2-Si(OR')2 zugesetzt werden. Die Hydrolyse der entsprechenden Metallalkoxide erfolgt vorzugsweise in einem wäßrigen, organi schen oder gemischten Lösungsmittel, ggf. unter Zusatz von verdünnter Mineralsäure, wäßrigem Alkali, Fluorid oder tertiären Aminen als Hydrolysekatalysator. Als organisches Lösungsmittel wird vorzugsweise Ethanol, Aceton oder Dioxan verwendet. Die entstehenden Metalloxidsole sind wasserklare Lösungen mit Feststoffgehalten von 3-20 Gew.-%. To modify the metal oxide sols, alkyl trialkoxysilanes R-Si (OR ') 3 and / or dialkoxysilanes R 2 -Si (OR') 2 can be added before the sol formation. The hydrolysis of the corresponding metal alkoxides is preferably carried out in an aqueous, organic or mixed solvent, if appropriate with the addition of dilute mineral acid, aqueous alkali, fluoride or tertiary amines as the hydrolysis catalyst. Ethanol, acetone or dioxane is preferably used as the organic solvent. The resulting metal oxide sols are water-clear solutions with a solids content of 3-20% by weight.
Zugabe der Biokomponente (ein oder mehrere homogen einge
bettete Skleroproteine oder deren Hydrolyseprodukte und/oder
Glycosaminoglycane) in gelöster oder fester Form zum Metall
oxidsol. Die Biokomponente kann auch vor oder während der hydro
lytischen Bildung der Metalloxidsole zugemischt werden,
wenn sie stabil gegenüber den Hydrolysebedingungen (pH- und Lö
sungsmittel-Milieu) ist.
Add the biocomponent (one or more homogeneously embedded scleroproteins or their hydrolysis products and / or glycosaminoglycans) in dissolved or solid form to the metal oxide sol. The biocomponent can also be mixed in before or during the hydrolysis of the metal oxide brine if it is stable to the hydrolysis conditions (pH and solvent environment).
(MOn/2)Sol + Biokomponente → (MOn/2 + Biokomponente)Sol (2)(MO n / 2 ) sol + biocomponent → (MO n / 2 + biocomponent) sol (2)
Für proteinische Komponenten ist es empfehlenswert, den Anteil organischer Lösungsmittel im Metalloxidsol gering zu halten, um Denaturierungen zu vermeiden. Das läßt sich z. B. leicht durch destillative Entfernung des organischen Lösungsmittels bei gleichzeitiger Zugabe der volumenäquivalenten Mengen Wasser erreichen. Auf diese Weise erhält man hinreichend stabile, rein wäßrige modifizierte Metalloxidsole, die mit den proteinischen Biokomponenten homogene Biokompositsole entspre chend (2) ergeben. Der Anteil der Biokomponente kann je nach An wendungszweck 1-50 Gew.-% bezogen auf die gesamte Kompositmenge betragen. Für zahlreiche Anwendungen erwiesen sich ca. 20 Gew.-% Biokomponente im Komposit als besonders vorteilhaft.For protein components, it is recommended the proportion to keep organic solvents in the metal oxide sol low in order to To avoid denaturing. This can be done e.g. B. easily through removal of the organic solvent by distillation simultaneous addition of the volume-equivalent quantities Reach water. In this way you get enough stable, purely aqueous modified metal oxide brine, which with the proteinaceous biocomponents correspond to homogeneous biocomposite sols corresponding (2). The proportion of the biocomponent can vary depending on the type Purpose 1-50% by weight based on the total amount of composite be. Approx. 20% by weight has been found for numerous applications Biocomponent in the composite is particularly advantageous.
Die Herstellung von Volumen-Produkten (sog. "bulk"-Produkte) er
folgt durch Gelieren der Biokompositsole nach Erwärmen oder
Neutralisieren und anschließende Trockung. Die Herstellung dün
ner Überzüge erfolgt durch Aufkonzentrieren während eines Be
schichtungs-prozesses auf einem Träger. Durch den Gelierungspro
zeß erfolgt eine homogene Einbettung der Biokomponente in das
anorganische Gel und eine effektive Immobilisierung:
(MOn/2 + Biokomponente)Sol → (MOn/2 + Biokomponente)Gel (3)The production of volume products (so-called "bulk" products) is carried out by gelling the biocomposite sol after heating or neutralizing and subsequent drying. Thin coatings are produced by concentrating on a carrier during a coating process. The gelation process ensures homogeneous embedding of the biocomponent in the inorganic gel and effective immobilization:
(MO n / 2 + biocomponent) sol → (MO n / 2 + biocomponent) gel (3)
Die Herstellung schichtförmiger Komposite kann durch übliche Beschichtungstechniken wie Tauchen ("Dip Coating"), Sprühen ("Spray Coating"), Schleudern ("Spin Coating"), Streichen oder Begießen erfolgen. Die Schichtdicken liegen typischerweise in einem Bereich von 0.08 . . . 2 µm. Als Schichtträger können alle in der Medizintechnik üblichen Substrate aus Metallen, Kera mik, Silicium oder Polymeren verwendet werden. Außerdem ist die Imprägnierung textiler Gewebe z. B. von medizinischem Ver bandsmaterial, problemlos möglich.The production of layered composites can be done by conventional Coating techniques such as dip coating, spraying ("Spray coating"), spinning ("spin coating"), brushing or Watering done. The layer thicknesses are typically in a range of 0.08. , , 2 µm. Anyone can be a layer support substrates made of metals, Kera, which are common in medical technology mic, silicon or polymers can be used. Besides, is the impregnation of textile fabrics e.g. B. of medical Ver band material, easily possible.
Zur Stabilisierung des Kompositmaterials muß abschließend das Lösungsmittel aus dem erstarrten Biogel durch einen Trocknungsprozeß entfernt werden und man erhält sog. Xerogele in Form von Volumen-Produkten oder Filmen. Die Alterung bei Raum temperatur, Wärmebehandlung oder chemische Härtung kann zu weiterer Verbesserung der Materialeigenschaften führen.Finally, to stabilize the composite material Solvent from the solidified biogel by a Drying process are removed and so-called. Xerogels are obtained in the form of volume products or films. The aging in space temperature, heat treatment or chemical hardening may increase lead to further improvement in material properties.
Für die Herstellung biokompatibler Kompositmaterialien werden als Skleroprotein-Komponente vorzugsweise Kollagen I, Elastin, Fibroine oder deren Gemische verwendet. Alternativ oder be gleitend ist der Zusatz der Glycosaminoglycan-Komponente mög lich. Außer Hyaluronsäure, deren Derivaten und Hydrolyse produkten können Chondroitinsulfat, Keratansulfat oder andere Vertreter der Stoffklasse oder Gemische zugesetzt werden. Als Hydrolysate werden bevorzugt Gelatinelösungen, Kollagenhydro lysate oder deren Gemische eingesetzt. Die Gewinnung der Pro teinkomponente kann aus nativen Quellen oder durch gentechni sche Herstellung erfolgen.For the production of biocompatible composite materials as a scleroprotein component, preferably collagen I, elastin, Fibroine or mixtures thereof are used. Alternatively or be sliding addition of the glycosaminoglycan component is possible Lich. Except hyaluronic acid, its derivatives and hydrolysis Products can be chondroitin sulfate, keratin sulfate or others Representatives of the substance class or mixtures can be added. As Hydrolysates are preferred gelatin solutions, collagen hydro lysates or mixtures thereof. Gaining the Pro The clay component can be obtained from native sources or through genetic engineering cal production.
Der Proteinzusatz bewirkt die entscheidende Verbesserung von Biokompatibilität und mechanischen Eigenschaften des entstehenden biokompatiblen Kompositmaterials. Die Zelladhäsion wird verbessert. Weiterhin verbessert sich das mechanische Verhal ten gegenüber bekannten Beschichtungswerkstoffen für Implan tate, da durch Variation der Zusammensetzung des Kompositsols Bruchzähigkeit, E-Modul, Biegefestigkeit, Druckfestigkeit, Substrathaftung und Verschleißparameter des entstehenden bio kompatiblen Kompositmaterials optimiert werden können.The addition of protein brings about a decisive improvement in Biocompatibility and mechanical properties of the emerging biocompatible composite material. The cell adhesion will improved. The mechanical behavior also improves compared to known coating materials for Implan tate because by varying the composition of the composite sol Fracture toughness, modulus of elasticity, bending strength, compressive strength, Substrate adhesion and wear parameters of the resulting bio compatible composite material can be optimized.
Eine Modifizierung des biokompatiblen Kompositmaterials kann unter Verwendung chemischer Härtungsmittel erfolgen. Das sind bi- oder polyfunktionelle Verbindungen, die mit Seitenketten der Aminosäuren von Skleroproteinen reagieren, so daß eine intermolekulare Vernetzung erfolgt. Typischerweise beträgt der Anteil des eingesetzten Vernetzungsmittels weniger als 1 Gew.-% des biokompatiblen Kompositmaterials. Es können anor ganische Vernetzer (z. B. Chrom- und Aluminium-Salze) oder organische Vernetzungsmittel (z. B. Diimide, Diisocyanate, Epoxide, Formaldehyd oder Dialdehyde) verwendet werden. Die chemische Härtung führt zu einer erhöhten Stabilität des Kom posits in physiologischen Medien, zu verbesserten mechanischen Eigenschaften und verhindert die Metabolisierung des Kompo sits. Weitere Eigenschaftsmodifizierungen des biokompatiblen Kompositmaterials können durch Zusatz spezieller bioaktiver Wirkstoffe oder Wirkstoffgemische zum Kompositsol erhalten werden. Üblich sind dabei Zusätze bis 5 Gew.-% (bezogen auf den Feststoffgehalt des Komposits). Unter bioaktiven Wirk stoffen sind bevorzugt Breitbandantibiotika (z. B. Gentamycin, Erythromycin oder Colistin) zu verstehen. Durch die antimikro bielle Wirkung der Antibiotika wird das Infektionsrisiko im Zusammenhang mit der Implantation verringert. Unter bioaktiven Wirkstoffen sind auch Substanzen zu verstehen, die das Ein wachsen des Implantats in Knochengewebe beschleunigen können. Dazu können z. B. Hormone, Wachstumsfaktoren, Cytokine oder Signalpeptid-Sequenzen verwendet werden. Zu den bekanntesten Wirkstoffen der Substanzklassen gehören TGF β, BMP-2, RGD- Peptide oder Calcitonin. Eingeschlossen sind einfache Verbin dungen, wie O-Phosphoserin, Asparaginsäure, Glycin, Arginin oder deren Derivate. Das verbesserte Einwachsen begünstigt den Heilungsprozeß und führt dazu, daß früher mit Rehabilitations maßnahmen nach der Operation begonnen werden kann.A modification of the biocompatible composite material can using chemical hardening agents. These are bi- or polyfunctional connections with side chains of the amino acids of scleroproteins react so that a intermolecular networking takes place. Typically this is Share of the crosslinking agent used less than 1% by weight of the biocompatible composite material. It can anor ganic crosslinkers (e.g. chrome and aluminum salts) or organic crosslinking agents (e.g. diimides, diisocyanates, Epoxides, formaldehyde or dialdehydes) can be used. The chemical hardening leads to increased stability of the com posits in physiological media, to improved mechanical Properties and prevents the metabolism of the compo sits. Further property modifications of the biocompatible Composite materials can be bioactive by adding special Receive active ingredients or active ingredient mixtures for the composite sol become. Additions of up to 5% by weight (based on the solids content of the composite). Under bioactive effect broad-spectrum antibiotics (e.g. gentamycin, Erythromycin or colistin). Through the antimicro The antibiotic's effectiveness will reduce the risk of infection in the Connection with implantation reduced. Under bioactive Active substances are also to be understood as substances that are the one can accelerate the growth of the implant in bone tissue. For this, e.g. B. hormones, growth factors, cytokines or Signal peptide sequences can be used. The most famous Active substances of the substance classes include TGF β, BMP-2, RGD- Peptides or calcitonin. Simple verbs are included such as O-phosphoserine, aspartic acid, glycine, arginine or their derivatives. The improved ingrowth favors the Healing process and causes earlier with rehabilitation measures can be started after the operation.
Durch Zusatz von Calciumsalzen, Phosphaten oder basischen Calciumphosphat-Suspensionen in Konzentrationen bis 30 Gew.-% kann das biokompatible Kompositmaterial weiter modifiziert werden. Auf diese Weise können mechanische Eigenschaften ver bessert und die Bioaktivität des Kompositmaterials weiter er höht werden.By adding calcium salts, phosphates or basic Calcium phosphate suspensions in concentrations up to 30% by weight can further modify the biocompatible composite material become. In this way, mechanical properties can ver improves and the bioactivity of the composite material continues be raised.
Das erfindungsgemäße Kompositmaterial ist als Werkstoff für den Knochen- oder Zahnersatz geeignet. Das Xerogel kann nach Mahlen als Granulat zu Formteilen verpreßt werden, die als Im plantate zur Reparatur von Knochen und Zahndefekten geeignet sind.The composite material according to the invention is a material for the bone or dentures. The Xerogel can follow Mills are pressed as granules into molded parts, which as Im Plantate suitable for the repair of bones and tooth defects are.
Darüberhinaus ist das biokompatible Kompositmaterial vorteil haft für die Beschichtung von Implantaten aus Metallen oder anderen Werkstoffen geeignet. Typisch ist die Verwendung als Beschichtung auf lasttragenden Implantaten aus Titan und sei nen Legierungen, z. B. Hüftprothesen, kieferorthopädischen Im plantaten oder Knieprothesen. Kennzeichnend ist, daß die Ver wendung des Materials als Beschichtung die Bioaktivität des metallischen Werkstoffs entscheidend verbessert. Das biokompa tible Kompositmaterial induziert in vitro oder in vivo die Ab scheidung basischer Calciumphosphate. Durch den hohen Anteil an Proteinkomponente verbessert sich die Zelladhäsion auf dem Material. Aufgrund der guten Substrathaftung auf unterschied lichen Substraten (z. B. Glas, Titan, Silicium) eignet sich das biokompatible Kompositmaterial auch als Beschichtung auf ande ren nichtresorbierbaren Implantaten. In addition, the biocompatible composite material is advantageous adheres to the coating of implants made of metal or other materials. It is typically used as Coating on load-bearing implants made of titanium and NEN alloys, e.g. B. hip prostheses, orthodontic Im implants or prosthetic knees. It is characteristic that the Ver Using the material as a coating the bioactivity of the metallic material significantly improved. The biocompa Compatible material induces the Ab in vitro or in vivo separation of basic calcium phosphates. Due to the high proportion the protein component improves the cell adhesion on the Material. Due to the good substrate adhesion on difference This is suitable for substrates (e.g. glass, titanium, silicon) biocompatible composite material also as a coating on other non-resorbable implants.
Außerdem eignet sich das biokompatible Kompositmaterial zur Imprägnierung textiler Gewebe, z. B. von medizinischem Ver bandsmaterial. Die Imprägnierung führt bei guter Hautverträg lichkeit zu einer verbesserten mechanischen Stabilität und einer je nach Proteingehalt steuerbaren Wasseraufnahme des Gewebes.The biocompatible composite material is also suitable for Impregnation of textile fabrics, e.g. B. of medical Ver band stuff. The impregnation leads to good skin tolerance improved mechanical stability and a controllable water absorption of the protein depending on the protein content Tissue.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen biokompatiblen Kompositma
terials bestehen gegenüber den bisherigen Beschichtungen
The advantages of the biocompatible composite materials according to the invention exist over the previous coatings
- 1. in der Kombination einer hohen Biokompatibilität mit guten mechanischen Eigenschaften sowohl bei Volumen-Produkten als auch bei Überzügen,1. in the combination of high biocompatibility with good ones mechanical properties both in volume products as well for coatings,
- 2. in der verbesserten mechanischen Anpassung lasttragender Implantate (z. B. Hüftprothese) durch Aufbringen des Materials als Zwischenschicht zwischen Prothese und Knochengewebe,2. Load-bearing in the improved mechanical adjustment Implants (e.g. hip prosthesis) by applying the material as an intermediate layer between prosthesis and bone tissue,
- 3. in geringeren thermischen Vorbehandlung des Materials, welche die Einbettung thermoinstabiler Skleroproteine und die damit verbundene hohe Biokompatibilität des Kompositmaterials ermöglicht,3. less thermal pretreatment of the material, which involve the embedding of thermally unstable scleroproteins and the associated high biocompatibility of the composite material allows
- 4. in der Möglichkeit, durch Rezepturveränderung Proteine und Wirkstoffe (z. B. Antibiotika oder Interleukine) in die Be schichtung einbetten zu können,4. in the possibility of changing proteins and recipe Active substances (e.g. antibiotics or interleukins) in the loading being able to embed layering,
- 5. in der guten Haftung auf unterschiedlichen Implantatmate rialien und hoher Verschleißfestigkeit der modifizierten Ober flächen,5. good adhesion to different implant mats rialien and high wear resistance of the modified upper surfaces,
- 6. in der Möglichkeit, durch Variation der Mengenverhältnisse zwischen anorganischem Sol und Skleroprotein mechanische Eigenschaften an den späteren Anwendungszweck anzupassen,6. in the possibility of varying the proportions between inorganic sol and scleroprotein mechanical Adapt properties to the later application,
- 7. im geringen gerätetechnischen, energetischen und zeitlichen Aufwand zur Herstellung des Kompositmaterials,7. in terms of device technology, energy and time Expenditure for the production of the composite material,
- 8. in der Schaffung eines nicht-spröden, verformbaren Kompositmate rials, das dem Auftreten von Langzeitlockerungserscheinungen am Knochen- oder Zahnersatz entgegenwirkt, und8. In the creation of a non-brittle, deformable composite material rials, the appearance of long-term loosening symptoms counteracts bone or dentures, and
- 9. in der Begünstigung der Abscheidung basischer Calciumphos phatphasen.9. in favor of the deposition of basic calcium powders phatphasen.
Das erfindungsgemäße biokompatible Kompositmaterial eignet sich darum besonders als Werkstoff für den Knochen- oder Zahn ersatz, zur Beschichtung von Implantaten aus Metallen, Kera mik, Silicium oder Polymeren sowie zur Imprägnierung textiler Gewebe.The biocompatible composite material according to the invention is suitable therefore particularly as a material for the bone or tooth replacement, for coating metal implants, Kera mic, silicon or polymers as well as for the impregnation of textiles Tissue.
10 ml Tetraethoxysilan, 40 ml 1,4-Dioxan und 20 ml 0.01 M Salzsäure werden 20 h bei Raumtemperatur gerührt. Man erhält ein stabiles SiO2-Sol A (Feststoffgehalt ca. 4.2% in 70% 1,4-Dioxan, pH ca. 2.0).10 ml of tetraethoxysilane, 40 ml of 1,4-dioxane and 20 ml of 0.01 M hydrochloric acid are stirred at room temperature for 20 h. A stable SiO 2 sol A is obtained (solids content approx. 4.2% in 70% 1,4-dioxane, pH approx. 2.0).
7 ml des Sols A werden mit 7 ml Wasser, 2.3 ml eines kommer ziellen wäßrigen 10%-igen ZrO2-Sols (MERCK KGaA, Darmstadt) und 10 g Collapur-Lösung (1%-ige Kollagen I-Lösung, Grünau Illertissen GmbH, Illertissen) gemischt. Es entsteht ein kla res Sol. Die Tauchbeschichtung eines Titan-Prüflings 1 × 4.4 cm (Ziehgeschwindigkeit 30 cm/min) ergibt nach Trock nen an der Luft einen transparenten Überzug von ca. 1 µm Dicke, der ca. 16 Gew-% Kollagen enthält.7 ml of Sol A are mixed with 7 ml of water, 2.3 ml of a commercial aqueous 10% ZrO 2 sol (MERCK KGaA, Darmstadt) and 10 g Collapur solution (1% collagen I solution, Grünau Illertissen GmbH , Illertissen) mixed. A clear sol is created. The dip coating of a titanium test specimen 1 × 4.4 cm (drawing speed 30 cm / min) after drying in air gives a transparent coating of approx. 1 µm thickness, which contains approx. 16% collagen by weight.
Die mechanische Prüfung der Beschichtung ergab für die Vickers-Härte HV 0.0008 einen Wert von 44 (Nanoindenter SHIMADZU DUH-202, 0.08 p Prüflast, Eindringtiefe: 126-381 nm). Die Schicht verschleißt bei einer Prüflast von 122 g selbst nach 2000 Reibcyclen nicht (Oszillierendes Kugeltribometer, Kugeldurchmesser 5 mm, Bewegungsfrequenz 3 Hz).The mechanical testing of the coating revealed that Vickers hardness HV 0.0008 a value of 44 (nanoindenter SHIMADZU DUH-202, 0.08 p test load, penetration depth: 126-381 nm). The layer wears itself with a test load of 122 g not after 2000 friction cycles (oscillating spherical tribometer, Ball diameter 5 mm, movement frequency 3 Hz).
Die Immersion des beschichteten Prüflings in einer simulierten Blutflüssigkeit ergab nach 12 h die Abscheidung basischer Cal ciumphosphate auf der Schichtoberfläche. (Test nach S. Li, Q. Liu, J. de Wijn, K. de Groot, B. Zhou J. Materials Sci. Lett. 15 (1996) 1882 ff.). The immersion of the coated test object in a simulated Blood fluid resulted in the separation of basic Cal after 12 h ciumphosphate on the layer surface. (Test according to S. Li, Q. Liu, J. de Wijn, K. de Groot, B. Zhou J. Materials Sci. Lett. 15 (1996) 1882 ff.).
Weiterhin wurde der Prüfling in Zellkulturuntersuchungen mit Zelllinie L 929 (Lungenfibroblasten Maus) auf Zelladhäsion binnen 24 h geprüft. Der quantitative Vergleich erfolgte nach MTT-Test, d. h. Synthese eines Formazan-Farbstoffs durch Akti vität der zellulären Succinat-Dehydrogenase (vgl. E. Winter mantel, S. Ha "Biokompatible Werkstoffe und Bauweisen", Sprin ger-Verlag 1996, S. 68-80.). Die Auswertung des Zellwachstums ergab eine Steigerung auf 111% (zum Vergleich unbeschichtes Glas 100%).The test subject was also involved in cell culture studies Cell line L 929 (lung fibroblast mouse) for cell adhesion checked within 24 hours. The quantitative comparison was made after MTT test, i. H. Synthesis of a formazan dye by Akti vity of cellular succinate dehydrogenase (cf. E. Winter mantel, S. Ha "Biocompatible materials and construction methods", Sprin ger Verlag 1996, pp. 68-80.). The evaluation of cell growth resulted in an increase to 111% (uncoated for comparison 100% glass).
100 ml Tetraethoxysilan, 400 ml Ethanol und 200 ml 0.25%-ige Ammoniak-Lösung werden 20 h bei Raumtemperatur gerührt. Man erhält ein stabiles SiO2-Sol B (Feststoffgehalt 4.2% in 70% Ethanol, pH = 9.2).100 ml of tetraethoxysilane, 400 ml of ethanol and 200 ml of 0.25% ammonia solution are stirred at room temperature for 20 h. A stable SiO 2 sol B is obtained (solids content 4.2% in 70% ethanol, pH = 9.2).
Zu 200 ml des Sols B wird eine Lösung von 1.3 g des Kollagen hydrolysats Nutrilan I-50 (Grünau Illertissen GmbH, Iller tissen) in 5 ml 0.1 M NH4Cl/NH3-Puffer vorsichtig zugetropft. Es entsteht ein klares, leicht gelbliches Sol (Viskosität bei 20 C = 3.5 mPas). Die Tauchbeschichtung einer 2.5 × 7.5 cm2 Glasplatte (Ziehgeschwindigkeit 30 cm/min) ergibt nach Trock nen an der Luft einen transparenten Überzug von ca. 0.4 µm Dicke, der ca. 7.1 Gew.-% Biopolymer enthält.A solution of 1.3 g of the collagen hydrolyzate Nutrilan I-50 (Grünau Illertissen GmbH, Iller Tissen) in 5 ml of 0.1 M NH 4 Cl / NH 3 buffer is carefully added dropwise to 200 ml of sol B. A clear, slightly yellowish sol is formed (viscosity at 20 C = 3.5 mPas). The dip coating of a 2.5 × 7.5 cm 2 glass plate (drawing speed 30 cm / min) after drying in air gives a transparent coating of approximately 0.4 μm thickness, which contains approximately 7.1% by weight of biopolymer.
Die mechanische Prüfung der Beschichtung ergab für die Vickers-Härte HV 0.0008 einen Wert von 21.The mechanical testing of the coating revealed that Vickers hardness HV 0.0008 a value of 21.
Die Immersion des beschichteten Prüflings in einer simulierten Blutflüssigkeit ergab nach 12 h die Abscheidung basischer Cal ciumphosphate auf der Schichtoberfläche.The immersion of the coated test object in a simulated Blood fluid resulted in the separation of basic Cal after 12 h ciumphosphate on the layer surface.
80 ml Tetraethoxysilan, 20 ml 3-Glycidyloxypropyl trimethoxysilan (GLYMO), 400 ml 1,4-Dioxan und 200 ml 0.01 N Salzsäure werden gemischt und 20 h bei Raumtemperatur gerührt. Man erhält ein stabiles SiO2-Sol C (ca. 5.0% Feststoffgehalt).80 ml of tetraethoxysilane, 20 ml of 3-glycidyloxypropyl trimethoxysilane (GLYMO), 400 ml of 1,4-dioxane and 200 ml of 0.01 N hydrochloric acid are mixed and stirred at room temperature for 20 h. A stable SiO 2 sol C (approx. 5.0% solids content) is obtained.
4 g Inertgelatine (FEW Wolfen) werden in 96 ml 0.01 N HCl- Lösung gelöst und mit 1 N HCl-Lösung auf pH 4.0 eingestellt. Zu 120 ml Sol C werden 80 ml der Gelatinelösung zugetropft. Es entsteht ein klares Kompositsol.4 g of inert gelatin (FEW Wolfen) are mixed in 96 ml of 0.01 N HCl Solution dissolved and adjusted to pH 4.0 with 1 N HCl solution. 80 ml of the gelatin solution are added dropwise to 120 ml of Sol C. It a clear composite sol is created.
Die Tauchbeschichtung einer 2.5 × 7.5 cm2 Glasplatte (Ziehge schwindigkeit 30 cm/min) ergibt nach Trocknen an der Luft einen transparenten Überzug von ca. 1 µm Dicke, der ca. 35 Gew.-% Biopolymer enthält.The dip coating of a 2.5 × 7.5 cm 2 glass plate (drawing speed 30 cm / min) gives, after drying in air, a transparent coating of approx. 1 µm thickness, which contains approx. 35% by weight of biopolymer.
Die Immersion des beschichteten Prüflings in einer simulierten Blutflüssigkeit ergab nach 12 h die Abscheidung basischer Cal ciumphosphate auf der Schichtoberfläche.The immersion of the coated test object in a simulated Blood fluid resulted in the separation of basic Cal after 12 h ciumphosphate on the layer surface.
Weiterhin wurde das oben beschriebene Biokompositsol, das durch Mischen des Sols C mit 4%iger Gelatinelösung erhalten wurde, zur Beschichtung eines technischen Polyamidgewebes ver wendet (Zweiwalzenfoulard, 0.5 m/min Walzengeschwindigkeit). Nach dem Trocknen der Proben bei 4 h/60°C wurden an 2 × 6 cm2 Streifen Zugfestigkeitsuntersuchungen durchgeführt, wobei die Streifen in Längsrichtung bis zum Zerreißen gespannt wurden. Es ergaben sich folgende Werte für die Höchstzugkraft: 1170 N für unbehandelte Streifen, 1320 N für den mit Biokompositsol imprägnierten Streifen.Furthermore, the biocomposite sol described above, which was obtained by mixing the sol C with 4% gelatin solution, was used to coat a technical polyamide fabric (two-roll pad, 0.5 m / min roll speed). After the samples had been dried at 4 h / 60 ° C., tensile strength tests were carried out on 2 × 6 cm 2 strips, the strips being stretched in the longitudinal direction until they broke. The maximum tensile force was as follows: 1170 N for untreated strips, 1320 N for the strip impregnated with biocomposite sol.
100 ml Tetraethoxysilan, 400 ml Ethanol und 200 ml 0.01 M Salzsäure werden 20 h bei Raumtemperatur gerührt. 600 ml des so erhaltenen Sols werden mit 420 ml Wasser gemischt. Das Ge misch wird in einer Destillationsapparatur auf dem siedenden Wasserbad erhitzt und 420 ml Ethanol abdestilliert. Nach Abkühlen erhält man ein stabiles wäßriges SiO2-Sol D (Feststoffgehalt 4.2% in Wasser, pH = 2.3).100 ml of tetraethoxysilane, 400 ml of ethanol and 200 ml of 0.01 M hydrochloric acid are stirred at room temperature for 20 h. 600 ml of the sol thus obtained are mixed with 420 ml of water. The mixture is heated in a distillation apparatus on the boiling water bath and 420 ml of ethanol are distilled off. After cooling, a stable aqueous SiO 2 sol D (solids content 4.2% in water, pH = 2.3) is obtained.
25 ml Sol D werden mit 1.357 g 1%-ige Hyaluronsäure-Lösung (GfN, Herstellung von Naturextrakten GmbH, Wald-Michelbach) gemischt. Es entsteht ein klares viskoses Sol (Viskosität = 51.7 mPas bei 20°C).25 ml of Sol D are mixed with 1,357 g of 1% hyaluronic acid solution (GfN, manufacture of Naturextrakte GmbH, Wald-Michelbach) mixed. A clear, viscous sol (viscosity = 51.7 mPas at 20 ° C).
Die Tauchbeschichtung einer 2.5 × 7.5 cm2 Glasplatte (Ziehge schwindigkeit 15 cm/min) ergibt nach Trocknen an der Luft ei nen transparenten Überzug von ca. 1 µm Dicke.The dip coating of a 2.5 × 7.5 cm 2 glass plate (drawing speed 15 cm / min) results in a transparent coating of approx. 1 µm thickness after drying in air.
Die mechanische Prüfung der Beschichtung ergab für die Vickers-Härte HV 0.0008 einen Wert von 76. Die Schicht ver schleißt bei einer Prüflast von 222 g selbst nach 2000 Reib cyclen nicht.The mechanical testing of the coating revealed that Vickers hardness HV 0.0008 a value of 76. The layer ver wears at a test load of 222 g even after 2000 rubs don't cycle.
Die Immersion des beschichteten Prüflings in einer simulierten Blutflüssigkeit ergab nach 12 h die Abscheidung basischer Calciumphosphate auf der Schichtoberfläche.The immersion of the coated test object in a simulated Blood fluid resulted in the separation of basic after 12 h Calcium phosphates on the layer surface.
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