DE4113021C2 - Resorbable phosphate glasses and resorbable phosphate glass ceramics, process for their preparation and use - Google Patents

Description

Die erfindungsgemäßen resorbierbaren Phosphatgläser und resor­ bierbaren Phosphatglaskeramiken können insbesondere als Bioma­ terialien in der Medizin und Biologie eingesetzt werden, wobei die Anwendung als Hartgewebs- bzw. Knochenersatz das bevor­ zugte Einsatzgebiet darstellt.The resorbable phosphate glasses according to the invention and resor Bable phosphate glass ceramics can be used in particular as biomas terials used in medicine and biology, wherein the application as Hartgewebs- or bone replacement that before termed application.

Es ist bekannt, daß verschiedene Gläser, Glaskeramiken und Sinterkeramiken als Knochenersatzmaterialien in der Medizin eingesetzt werden (DE 28 18 630, US 41 03 002, DE 23 26 100, DE 33 06 648, DE 35 00 287, US 46 98 318). Diese Materialien gelten als bioaktiv, d. h. sie verwachsen mit dem lebenden Knochen unter Ausbildung eines chemisch-physikalischen Ver­ bundes. Da diese Knochenersatzmaterialien auf Dauer ihre Funk­ tion als Implantat im Organismus erfüllen sollen, zeigen sie neben guter Verträglichkeit in der Regel auch eine gute Lang­ zeitstabilität gegenüber den Angriffen der Körperflüssigkeit. Obwohl sich ein Teil dieser Materialien für bestimmte Einsatz­ gebiete in der Medizin sehr gut bewährt hat, bleiben die An­ wendungsmöglichkeiten dieser Materialien beschränkt und für eine Reihe von Indikationen sind derartige Implantate nur bedingt oder gar nicht einsetzbar.It is known that various glasses, glass ceramics and Sintered ceramics as bone replacement materials in medicine be used (DE 28 18 630, US 41 03 002, DE 23 26 100, DE 33 06 648, DE 35 00 287, US 46 98 318). These materials are considered bioactive, d. H. they grow together with the living Bone under formation of a chemical-physical Ver nationwide. Because these bone replacement materials in the long run their radio show that they can fulfill their role as an implant in the organism in addition to good compatibility usually a good long time stability against the attacks of the body fluid. Although some of these materials are for certain use areas in medicine has proven to be very good limited and possible for these materials a number of indications are such implants only conditionally or not applicable.

Da für viele derartige Fälle der Einsatz resorbierbarer Kno­ chenersatzwerkstoffe erfolgversprechend ist, wurden bereits eine Reihe von dichten oder porösen resorbierbaren Implantat­ materialien entwickelt, die nach einer gewissen Liegedauer im Knochen resorbiert und durch neugebildeten Knochen ersetzt werden. Der Einsatz resorbierbarer Implantate setzt jedoch voraus, daß die bei der Auflösung des Implantats im lebenden Organismus freigesetzten Ionen keine toxische oder kanzerogene Wirkung haben. Da der Mineralanteil des menschlichen Knochens im wesentlichen aus Kalziumphosphaten besteht, ist es ver­ ständlich, daß bisher gesinterte Kalziumphosphate, meist β-Trikalziumphosphat, β-Ca₃(PO₄)₂, einzeln oder im Gemisch mit Hydroxylapatit, Ca₅(PO₄)₃OH, im Vordergrund standen (z. B. US 41 95 366, Z. Orthop. 115 (1977) 604, J. Mat. Sci. 17 (1982) 343, DE 38 31 260, DE 36 13 213 u. a.). Die darauf basierenden Sinterkeramiken sind mehr oder weniger resorbierbar und werden gegenwärtig mit gewissem Erfolg klinisch eingesetzt. Aller­ dings stellen sich die fehlende oder mangelhafte Steuerbarkeit der Resorptionsgeschwindigkeit und damit die fehlende Anpas­ sung an die Knochenneubildung und die Knochenwachstumsge­ schwindigkeit sowie die Gefahr des Herauslösens einzelner Keramikkörner, die den Organismus zu Fremdkörperreaktionen herausfordern können, als schwerwiegende Nachteile heraus.Since the use of resorbable bone chenersatzwerkstoffe is promising for many such cases, a number of dense or porous resorbable implant materials have already been developed, which are absorbed after a certain period of time in the bone and replaced by newly formed bone. However, the use of resorbable implants requires that the ions released in the living organism upon dissolution of the implant have no toxic or carcinogenic effect. Since the mineral content of human bone consists essentially of calcium phosphates, it is understandable that previously sintered calcium phosphates, mostly β-tricalcium phosphate, β-Ca ₃ (PO ₄ ) ₂ , individually or in admixture with hydroxyapatite, Ca ₅ (PO ₄ ) ₃ OH, were in the foreground (eg, US 41 95 366, Z. Orthop. 115 (1977) 604, J. Mat. Sci 17 (1982) 343, DE 38 31 260, DE 36 13 213, etc.). The sintered ceramics based thereon are more or less absorbable and are currently being clinically used with some success. All recently, the lack or lack of controllability of the absorption rate and thus the lack of Anpas solution to new bone formation and the Knochenwachstumsge speed and the risk of detachment of individual ceramic grains that can challenge the organism to foreign body reactions, as serious disadvantages.

Über Resorptionserscheinungen an Phosphatglaskeramiken nach der Implantation in Versuchstiere berichten Pernot et al. (Ce­ ramics International, 9 (1983) 4, 127-131). Sie entwickelten poröse Glaskeramiken auf Metaphosphatbasis im System CaO-Al₂O₃- P₂O₅, die als Kristallphase Kalziummetaphosphat, Ca(PO₃)₂ ent­ halten. Die Poren des Materials werden vollständig von neuge­ bildetem Knochen durchdrungen, an der Oberfläche wird Resorp­ tion beobachtet. Über eine vollständige Auflösung des Mate­ rials im lebenden Organismus liegen keine Angaben vor. Auf Grund des relativ hohen Al₂O₃-Gehaltes der Glaskeramiken ist das auch nicht zu erwarten.Resorption phenomena on phosphate glass ceramics after implantation in experimental animals are reported by Pernot et al. (Cereals International, 9 (1983) 4, 127-131). They developed porous metaphosphate-based glass ceramics in the system CaO-Al ₂ O ₃ - P ₂ O ₅ , which contain calcium metaphosphate, Ca (PO ₃ ) ₂ as the crystal phase. The pores of the material are completely penetrated by newly formed bone and resorption is observed on the surface. There is no information available on complete dissolution of the material in the living organism. Due to the relatively high Al ₂ O ₃ content of the glass-ceramics, this is not to be expected either.

Courpied et al. (Internat. Orthopaedics, 6 (1982) 1-7) unter­ suchten Metaphosphatgläser im System CaO-P₂O₅-Na₂O-BaO-MgO-B₂O₃ und konnten im Tierversuch Resorptionserscheinungen feststel­ len. Das Material enthält jedoch beträchtliche Mengen körper­ fremder Ionen, die den Einsatz dieser Materialien als resor­ bierbares Implantat zumindest als bedenklich erscheinen lassen würden (Ba²⁺, B₂O₃).Courpied et al. (Internat. Orthopedics, 6 (1982) 1-7) investigated metaphosphate glasses in the system CaO-P ₂ O ₅ -Na ₂ O-BaO-MgO-B ₂ O ₃ and were able to detect resorption phenomena in animal experiments. However, the material contains considerable amounts of foreign body ions, which would make the use of these materials as resor bierbares implant at least as a concern (Ba ²⁺ , B ₂ O ₃ ).

Berger und Mitarbeiter (Silikattechnik 41 (1990) 6, 194-198) berichten über resorbierbare Phosphatglaskeramiken im System CaO-Na₂O-K₂O-MgO-SiO₂-P₂O₅ mit hoher Löslichkeit. Der geringe P₂O₅-Gehalt von 30-50 Masse-% führt jedoch dazu, daß keine Gläser erhalten werden und die Kristallisation der beschriebe­ nen Materialien spontan aus der flüssigen Schmelze erfolgt. Damit ist eine präzise Steuerung des Kristallphasengehaltes und somit des Löslichkeitsverhaltens nicht möglich.Berger and co-workers (Silikattechnik 41 (1990) 6, 194-198) report on absorbable phosphate glass ceramics in the system CaO-Na ₂ OK ₂ O-MgO-SiO ₂ -P ₂ O ₅ with high solubility. The low P ₂ O ₅ content of 30-50% by mass, however, leads to the fact that no glasses are obtained and the crystallization of the described materials takes place spontaneously from the liquid melt. Thus, a precise control of the crystal phase content and thus the solubility behavior is not possible.

Hosono et al. entwickelten poröse Glaskeramiken für technische Anwendungen durch die selektive Auslaugung einzelner Kristall­ phasen aus Glaskeramiken der Systeme Na₂O-CaO-TiO₂-P₂O₅ bzw. Na₂O-CaO-TiO₂-P₂O₅-SiO₂ (J. Electrochem. Soc., 137 (1990) 10, 3149-3151 und J. Am. Ceram. Soc. 73 (1990) 8, 2536-2538). Während im ersten Fall durch wäßrige HCl-Lösung die in der Glaskeramik vorliegende Kristallphase β-Ca₃(PO₄)₂ ausgelaugt wird und das stabile NaTi₂(PO₄)₃ das Gerüst der porösen Keramik bildet, wird im zweiten Fall auf die gleiche Weise die CaNaPO₄- Phase herausgelöst, und die poröse Keramik besteht aus Rutil und Anatas. Diese porösen Glaskeramiken sind jedoch nicht re­ sorbierbar und der erzielte Porendurchmesser (bis ca. 2 µm) ist für das Einwachsen von Knochen zu klein.Hosono et al. developed porous glass ceramics for technical applications by the selective leaching of individual crystal phases of glass ceramics of the systems Na ₂ O-CaO-TiO ₂ -P ₂ O ₅ or Na ₂ O-CaO-TiO ₂ -P ₂ O ₅ -SiO ₂ (J. Electrochem, Soc., 137 (1990) 10, 3149-3151 and J. Am. Ceram Soc 73 (1990) 8, 2536-2538). While in the first case by aqueous HCl solution present in the glass ceramic crystal phase β-Ca ₃ (PO ₄ ) ₂ leached and the stable NaTi ₂ (PO ₄ ) _{3 forms} the framework of the porous ceramic, in the second case to the same The CaNaPO ₄ phase is dissolved out, and the porous ceramic consists of rutile and anatase. However, these porous glass ceramics are not re sorbable and the achieved pore diameter (up to about 2 microns) is too small for the ingrowth of bone.

Die meisten anderen bekannt gewordenen Untersuchungen zum Ein­ satz von Phosphatgläsern und Phosphatglaskeramiken in der Medizin richten sich in erster Linie auf langzeitstabile Mate­ rialien mit zum Teil hoher Festigkeit (JP 55-11 625, DE 31 42 813, JP 60-28 911 u. a.).Most other studies have become known Set of phosphate glasses and phosphate glass ceramics in the Medicine is aimed primarily at long-term stable mate sometimes high-strength materials (JP 55-11 625, DE 31 42 813, JP 60-28 911 a. a.).

Zur Erzeugung offenporiger Glas- oder Glaskeramikkörper sind verschiedene Verfahren bekannt, wobei sich viele auf das Sintern von Gemischen aus Glas- oder Glaskeramikpulvern mit organischen Substanzen oder löslichen anorganischen Salzen beziehen (DE 31 03 751; DE 33 05 854; EP 01 17 484; DE 37 31 649). Im ersten Falle wird die Porosität durch Ausbrennen der organischen Anteile erreicht. Dabei wirken sich die relativ großen Temperaturunterschiede zwischen der Zersetzungstemperatur der organischen Komponente und der notwendigen Sintertemperatur des Glases in der Regel negativ aus. Im zweiten Falle werden die jeweiligen Salze nach dem Sintervorgang weitestgehend herausgewaschen. Dieses Verfahren bietet verschiedene Möglichkeiten der Einflußnahme auf den Sinterprozeß und die erzielten Porositäten sind in Grenzen steuerbar. Durch den Einsatz von Glaskeramiken oder die Kristallisation der Sinterkörper kann die Festigkeit der porösen Materialien in einigen Fällen erhöht werden.To produce open-pored glass or glass ceramic body various methods are known, many focusing on sintering of mixtures of glass or glass ceramic powders with organic Refer to substances or soluble inorganic salts (DE 31 03 751, DE 33 05 854, EP 01 17 484, DE 37 31 649). In the first case, the porosity by burning out of the organic Shares reached. This affects the relatively large Temperature differences between the decomposition temperature of organic component and the necessary sintering temperature of the glass is usually negative. In the second case will be the respective salts after the sintering process as far as possible washed out. This procedure offers several possibilities the influence on the sintering process and the achieved Porosities are controllable within limits. Through the use of Glass ceramics or the crystallization of the sintered body can increases the strength of the porous materials in some cases become.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, bei Vermeidung der Nach­ teile des Standes der Technik, ein dem Knochen weitgehend angepaßtes, resorbierbares Implantatmaterial auf der Basis von Phosphatgläsern und Phosphatglaskeramiken mit einstellbarer Löslichkeit und Resorptionsdauer zu schaffen.The aim of the invention is to avoid the after Parts of the prior art, the bone largely adapted resorbable implant material based on Phosphate glasses and phosphate glass ceramics with adjustable To provide solubility and absorption time.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß, wie in Anspruch 1 darge­ legt, dadurch gelöst, daß die resorbierbaren Phosphatgläser und die resorbierbaren Phosphatglaskeramiken die ZusammensetzungThis object is achieved according to the invention as in claim 1 sets, solved by the resorbable phosphate glasses and the resorbable phosphate glass ceramics the composition

P₂O₅P₂O₅ 27,1-39,9 Mol-%27.1-39.9 mol% CaOCaO 22,5-36,0 Mol-%22.5-36.0 mol% R₂OR₂O 14,5-30,0 Mol-%14.5-30.0 mole% MgOMgO 5,0-25,0 Mol-%5.0-25.0 mole%

aufweisen, wobei R₂O 11,4-30,0 Mol-%, Na₂O und 0-12,0 Mol-% K₂O enthält und die Phosphatglaskeramik als Hauptkristallphasen Kalziumorthophosphat und/oder Kalziumdiphosphat und/oder Natriumdiphosphat enthält. Die resorbierbaren Phosphatgläser und Phosphatglaskeramiken können eine dichte oder poröse Struktur aufweisen. Während die Löslichkeit der resorbierbaren Phosphatgläser durch die chemische Zusammensetzung und die gezielte Beeinflussung der Struktur der Gläser bestimmt wird, bietet sich bei den resorbierbaren Phosphatglaskeramiken zusätzlich die gezielte und gesteuerte Kristallisation von Kalziumorthophosphaten und/oder Kalziumdiphosphaten und/oder Natriumdiphosphaten oder anderer Nebenkristallphasen zur Steuerung der Löslichkeit an. Das trifft auch dann zu, wenn die erfindungsgemäßen Gläser und Glaskeramiken TiO₂, SiO₂, Al₂O₃, F^-, Cl^- einzeln oder gemeinsam in den Grenzenin which R ₂ O contains 11.4-30.0 mol%, Na ₂ O and 0-12.0 mol% K ₂ O and the phosphate glass ceramic contains calcium orthophosphate and / or calcium diphosphate and / or sodium diphosphate as main crystal phases. The resorbable phosphate glasses and phosphate glass ceramics may have a dense or porous structure. While the solubility of the resorbable phosphate glasses is determined by the chemical composition and the targeted influencing of the structure of the glasses, the targeted and controlled crystallization of calcium orthophosphates and / or calcium diphosphates and / or sodium diphosphates or other secondary crystal phases to control the solubility of the resorbable phosphate glass ceramics on. This also applies if the glasses and glass ceramics according to the invention TiO ₂ , SiO ₂ , Al ₂ O ₃ , F ^- , Cl ^- individually or together within the limits

TiO₂TiO₂ 0-6,5 Mol-%0-6.5 mol% SiO₂SiO₂ 0-4,0 Mol-%0-4.0 mol% Al₂O₃Al₂O₃ 0-2,5 Mol-%0-2.5 mol% F^- F ^- 0-6,0 Mol-%0-6.0 mol% Cl^- Cl ^- 0-3,0 Mol-%0-3.0 mol%

enthalten.contain.

Das erfindungsgemäße Glas- und Glaskeramikmaterial wird aus einem zwischen 1150°C-1550°C erschmolzenen Ausgangsglas hergestellt, das bis unterhalb der Transformationstemperatur kontrolliert abgekühlt, durch Guß auf einen kalten Gegenstand abgeschreckt oder durch Guß in kaltes Wasser gefrittet wurde. Die Herstellung der resorbierbaren Phosphatglaskeramik erfolgt durch eine nachträgliche thermische Behandlung des Ausgangs­ glases im Temperaturbereich zwischen 450°C-800°C in einem oder mehreren Intervallen.The glass and glass ceramic material according to the invention is made a starting glass melted between 1150 ° C-1550 ° C produced, which is below the transformation temperature controlled cooled, by casting on a cold object quenched or fritted by pouring into cold water. The production of the resorbable phosphate glass ceramic takes place by a subsequent thermal treatment of the output glass in the temperature range between 450 ° C-800 ° C in one or more intervals.

Poröse resorbierbare Phosphatgläser und Phosphatglaskeramiken werden durch eine spezielle Nachbehandlung und Weiterverarbei­ tung erhalten. Dazu wird das Ausgangsglas auf eine Korngröße zwischen 20 µm und 550 µm zerkleinert und mit einem leicht­ löslichen, relativ hochschmelzenden Salz, z. B. NaCl, einer Korngröße zwischen 20 µm und 550 µm innig vermischt. Das so erhaltene Phosphatglas-Salz-Gemisch wird anschließend in einer Form zwischen dem Transformationspunkt (Tg-Wert) des Glases und 800°C mit oder ohne Druck 5 Minuten bis 24 Stunden gesintert. Der entstandene Sinterkörper wird auf Raumtemperatur abgekühlt und die Salzkomponente in Wasser oder einem anderen geeigneten Lösungsmittel bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 100°C ausgelaugt. Der verbleibende Sinterkörper zeigt in Abhängigkeit vom gewählten Glas-Salz-Verhältnis eine poröse Struktur. Der Porendurchmesser wird von der eingesetzten Kornfraktion des Salzes bestimmt. Mögliche isoliert liegende Salzkörner, die dadurch im Auslaugeprozeß nicht erfaßt werden können, sind, speziell bei der Verwendung von NaCl, bedeutungslos für die spätere Anwendung. Sie werden von der bei der Resorption des Materials ins Innere des Implantates vordringenden Körperflüssigkeit aufgelöst.Porous resorbable phosphate glasses and phosphate glass ceramics be through a special post-treatment and Weiterverarbei received. For this purpose, the starting glass to a grain size crushed between 20 microns and 550 microns and with a light soluble, relatively high melting salt, z. B. NaCl, one  Grain size between 20 microns and 550 microns intimately mixed. That so obtained phosphate glass salt mixture is then in a Shape between the transformation point (Tg value) of the glass and 800 ° C sintered with or without pressure for 5 minutes to 24 hours. The resulting sintered body is cooled to room temperature and the salt component in water or another suitable one Solvent at temperatures between room temperature and Leached 100 ° C. The remaining sintered body shows in dependence from the chosen glass-salt ratio a porous one Structure. The pore diameter is determined by the grain fraction used of the salt. Possible isolated salt grains, which are thus not detected in the leaching process are meaningless, especially when using NaCl for later use. They are from the at Resorption of the material penetrating into the interior of the implant Body fluid dissolved.

Eine weitere Möglichkeit zur Schaffung poröser Strukturen der erfindungsgemäßen Gläser und Glaskeramiken besteht z. B. darin, daß das erschmolzene und zerkleinerte Ausgangsglas mit CaCO₃ oder einem anderen geeigneten anorganischen oder organischen Schäummittel an Stelle des Salzes versetzt und vermischt wird. Die durch die Zersetzung des Schäummittels während der nach­ folgenden Sinterung freigesetzten Gase schäumen das Material auf und führen zu einer porösen Struktur. Ein nachträglicher Auslaugeprozeß ist hier nicht notwendig. Die Herstellung porö­ ser resorbierbarer Phosphatglaskeramiken erfolgt durch die nachträgliche thermische Behandlung der beschriebenen glasigen Sinterkörper im Temperaturbereich zwischen 450°C-800°C oder durch eine gezielte Steuerung der Kristallisation während des Sinterprozesses. Generell kann die Keramisierung in einem oder in mehreren Schritten erfolgen.Another possibility for creating porous structures of the glasses and glass ceramics according to the invention consists z. Example is that the molten and crushed starting glass with CaCO ₃ or other suitable inorganic or organic foaming agent in place of the salt is added and mixed. The gases released by the decomposition of the foaming agent during subsequent sintering foam the material and result in a porous structure. A subsequent leaching process is not necessary here. The production of porous resorbable phosphate glass ceramics is carried out by the subsequent thermal treatment of the described glassy sintered bodies in the temperature range between 450 ° C-800 ° C or by a targeted control of the crystallization during the sintering process. In general, the ceramization can be done in one or more steps.

Andere Verfahren zur Erzeugung poröser erfindungsgemäßer Glä­ ser und Glaskeramiken, wie z. B. die Einlagerung und das Aus­ brennen organischer Fasern, sind möglich.Other methods of producing porous glasses of the invention ser and glass ceramics, such. B. the storage and the off burning organic fibers are possible.

Unabhängig vom Weg der Herstellung der porösen resorbierbaren Phosphatgläser und Phosphatglaskeramiken sind diese auf Grund ihrer Porosität mit einfachen Werkzeugen bearbeitbar.Regardless of the way of making the porous absorbable Phosphate glasses and phosphate glass ceramics are based on these their porosity can be worked with simple tools.

Bei den erfindungsgemäßen Gläsern und Glaskeramiken handelt es sich um hoch P₂O₅- und CaO-haltige Materialien, die in ihrer chemischen Zusammensetzung und in ihren Phosphatstrukturele­ menten dem Knochen allgemein, in ihrer porösen Form dem spon­ giösen Knochen insbesondere, weitgehend angepaßt sind. Quanti­ tative ³¹P-Kernresonanzuntersuchungen haben bewiesen, daß die Struktur der Gläser und Glaskeramiken von kleinen Phosphat­ strukturelementen, hauptsächlich Ortho- und Diphosphatgruppie­ rungen, bestimmt wird. Ein Teil der Gläser zeigt eine reine Invertglasstruktur. Die nachträgliche Temperung der Gläser zur Herstellung von Glaskeramiken führt zusätzlich zur Spaltung von P-O-P-Bindungen und erhöht den Anteil kleiner Phosphat­ strukturelemente in den entstehenden Glaskeramiken gegenüber den Ausgangsgläsern.The glasses and glass ceramics according to the invention are highly P ₂ O ₅ and CaO-containing materials which, in their chemical composition and in their phosphate structure elements, are generally adapted to the bone in general, in particular in their porous form to the spongy bone. Quantitative ³¹ P nuclear magnetic resonance studies have shown that the structure of glasses and glass-ceramics is determined by small phosphate moieties, mainly ortho and diphosphate moieties. A part of the glasses shows a pure inverted glass structure. The subsequent tempering of the glasses for the production of glass-ceramics additionally leads to the cleavage of POP bonds and increases the proportion of small phosphate structural elements in the resulting glass-ceramics compared to the starting glasses.

Diese Phosphatstruktur bewirkt, daß die erfindungsgemäßen Phosphatgläser und Phosphatglaskeramiken auf Änderungen der Synthese oder auf Zusätze sehr sensibel reagieren und somit eine gegenüber üblichen Phosphatgläsern auf Metaphosphatbasis mit einer mehr oder weniger verknäulten Phosphatkettenstruktur bessere Steuerung des Löslichkeitsverhaltens ermöglichen. Lös­ lichkeitsuntersuchungen in vitro unter Verwendung simulierter Körperflüssigkeiten bestätigen die über weite Bereiche frei einstellbaren Löslichkeits- und Auslaugeraten.This phosphate structure causes the inventive Phosphate glasses and phosphate glass ceramics on changes in the Synthesis or react to additives very sensitive and thus one over conventional phosphate glasses based on metaphosphate with a more or less entangled phosphate chain structure enable better control of the solubility behavior. lös in vitro using simulated Body fluids confirm the over large areas freely adjustable solubility and leaching rates.

Die nachträgliche thermische Behandlung der beschriebenen Gläser führt, ohne daß Phasentrennungserscheinungen in den Gläsern nachgewiesen werden konnten, zur Kristallisation von Kalziumorthophosphaten, vorwiegend Whitlockit, und/oder Kalzi­ umdiphosphaten und/oder Natriumdiphosphaten. Die Ausscheidung von Whitlockit, (Ca,Mg)₃(PO₄)₂ oder davon abgeleiteter kri­ stalliner Kalziumorthophosphatphasen wird durch die diese Kristallphasen stabilisierende Wirkung des MgO-Gehaltes der Gläser möglich und kann durch die Zugabe geringer Al₂O₃-Mengen gesteuert werden. Das gilt auch für die Zugabe von TiO₂. Im Gegensatz zu der üblicherweise keimbildenden Wirkung von TiO₂ in Gläsern wirkt das TiO₂ in den erfindungsgemäßen Gläsern jedoch die Glasstruktur verfestigend. Durch Röntgenbeugungsuntersuchungen konnten in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Gläser und der Art der thermischen Behandlung Kalziumorthophosphate mit unterschiedlichem Mg-Gehalt nachgewiesen werden. Sie können aber auch Natrium- und Kaliumionen einzeln oder gemeinsam enthalten. The subsequent thermal treatment of the glasses described leads, without phase separation phenomena could be detected in the glasses, for the crystallization of calcium orthophosphates, mainly Whitlockit, and / or Kalzi umdiphosphaten and / or Natriumdiphosphaten. The precipitation of whitlockite, (Ca, Mg) ₃ (PO ₄ ) ₂ or derived kri stalliner calcium orthophosphate phases is possible by the crystal phase stabilizing effect of the MgO content of the glasses and can be controlled by the addition of small amounts of Al ₂ O ₃ , This also applies to the addition of TiO ₂ . In contrast to the usually nucleating effect of TiO ₂ in glasses, however, the TiO ₂ in the glasses according to the invention acts to strengthen the glass structure. X-ray diffraction studies revealed calcium orthophosphates with different Mg contents depending on the composition of the glasses and the type of thermal treatment. You can also contain sodium and potassium ions individually or together.

Die ausgeschiedenen Kalziumdiphosphate können sowohl als rei­ nes Kalziumdiphosphat in der α- und/oder β- und/oder γ-Form auftreten, als auch in Form gemischter Kalzium-Natrium-(Magne­ sium)-Diphosphate, die zusätzlich Kaliumionen enthalten kön­ nen. Das ebenfalls durch Röntgenbeugungsuntersuchungen und ³¹P- Kernresonanzuntersuchungen nachgewiesene Natriumdiphosphat kristallisiert vorzugsweise neben Whitlockit aus Gläsern mit erhöhtem Na₂O-Gehalt und kann ebenfalls Magnesium- und/oder Kalium- und/oder Kalziumionen enthalten.The precipitated calcium diphosphates can occur both as pure calcium diphosphate in α- and / or β- and / or γ-form, as well as in the form of mixed calcium-sodium (Magne sium) diphosphates, which additionally contain potassium ions. The sodium diphosphate, which has also been detected by X-ray diffraction studies and ³¹ P nuclear magnetic resonance studies, preferably crystallizes in addition to whitlockite from glasses with increased Na ₂ O content and may likewise contain magnesium and / or potassium and / or calcium ions.

Neben diesen, die Haupteigenschaften der resorbierbaren Phos­ phatglaskeramiken wesentlich bestimmenden Kristallphasen kön­ nen die erfindungsgemäßen Glaskeramiken auch weitere Neben­ kristallphasen enthalten, deren Untersuchung z. T. auf nicht­ stöchiometrische, komplexe Strukturen hinweist.Besides these, the main properties of the absorbable phos phatglas ceramics essentially determining crystal phases Kings NEN glass ceramics according to the invention also other side contain crystal phases whose investigation z. T. not on indicates stoichiometric, complex structures.

Mit der Entwicklung der erfindungsgemäßen resorbierbaren Phos­ phatgläser und Phosphatglaskeramiken ist es gelungen, Materia­ lien zu schaffen, die als Knochenersatzmaterial, in ihrer porösen Form vorrangig zum Ersatz spongiösen Knochens, geeig­ net sind. Die Materialien sind bezüglich ihrer Resorptions­ dauer und Löslichkeit so einstellbar, daß sie dem (in die Poren einsprossenden) Knochen als Leitschiene für die Knochen­ neubildung dienen können und ihm genügend Zeit (ca. 1,5 Jahre) zur Mineralisation und Ausreifung geben, die aber andererseits völlig resorbiert werden, ohne daß bei der Auflösung der Materialien freigesetzte Ionen zu toxischen Nebenwirkungen führen. Auf Grund ihrer chemischen Zusammensetzung stellen die erfindungsgemäßen resorbierbaren Phosphatgläser und Phosphatglaskeramiken ein Ionendepot dar, das durch die kontinuierliche Abgabe von physiologischen Ionen während des Resorptionsvorganges das Wachstum und die Mineralisation des Knochens fördern kann. Die Auflösung in körnige Einzelpartikel wird speziell bei den resorbierbaren Phosphatgläsern vermieden.With the development of the absorbable Phos phat glasses and phosphate glass ceramics have succeeded, Materia lien, as a bone substitute material, in their porous form primarily to replace spongious bone, suitable are net. The materials are relative to their absorption Duration and solubility adjustable so that they (in the Sprouting pores) Bones as a guide rail for the bones can provide new education and give him enough time (about 1.5 years) to mineralization and maturation, but on the other hand be completely absorbed without the dissolution of the materials liberated ions lead to toxic side effects. Due to their chemical composition, the inventive resorbable phosphate glasses and phosphate glass ceramics an ion depot represented by the continuous Delivery of physiological ions during the absorption process promote the growth and mineralization of the bone can. The resolution into granular single particles becomes special avoided in the absorbable phosphate glasses.

Die Ausführungsbeispiele in Tabelle 1 geben einen Überblick über mögliche ausgewählte Zusammensetzungen der erfindungs­ gemäßen resorbierbaren Phosphatgläser und resorbierbaren Phos­ phatglaskeramiken.The embodiments in Table 1 give an overview on possible selected compositions of the invention resorbable phosphate glasses and absorbable phos phatglaskeramiken.

Der Kristallphasenbestand der erfindungsgemäßen Phosphatglas­ keramiken wird in Tabelle 2 an ausgewählten Beispielen der Tabelle 1 in Abhängigkeit von der thermischen Behandlung dargelegt.The crystalline phase of the phosphate glass according to the invention ceramics is shown in Table 2 on selected examples of Table 1 depending on the thermal treatment.

Ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung poröser resorbierbarer Phosphatglaskeramik wird im folgenden beschrieben:
Gemäß der Zusammensetzung 18 der Tabelle 1 wird ein Glasroh­ stoffgemenge aus Kalziummetaphosphat, Magnesiummetaphosphat, Magnesiumkarbonat, Tonerdehydrat und Soda im Platintiegel bei 1300°C im elektrisch beheizten Ofen eingeschmolzen und bei 1300°C für 1 Stunde geläutert. Das flüssige Glas wird in kal­ tem Wasser gefrittet, anschließend getrocknet und auf eine Korngröße zwischen 40 µm-70 µm zerkleinert. Dem so erhaltenen Glaspulver wird im Volumenverhältnis Glas : Natriumchlorid von 1,5 : 1 Kochsalz der Kornfraktion 250 µm-315 µm zugesetzt und beides innig vermischt. Das Glaspulver-Salz-Gemisch wird in einer Form in einem Spezialofen auf 750°C erhitzt und unter einem Druck von 3 bar fünf Stunden gesintert. Aus dem abge­ kühlten Sinterkörper wird durch Auslaugung des Salzes in Was­ ser bei Raumtemperatur eine von zahlreichen Poren durchzogene Phosphatglaskeramik erhalten, die neben der Restglasphase Whitlockit, (Ca,Mg)₃(PO₄)₂, eine gemischte Kalzium-Natrium- Diphosphatphase und eine aluminiumhaltige komplexe Phosphat­ phase enthält. An exemplary embodiment for producing porous resorbable phosphate glass ceramic is described below:
According to the composition 18 of Table 1, a Glasroh material mixture of calcium metaphosphate, magnesium metaphosphate, magnesium carbonate, alumina hydrate and soda is melted in platinum crucible at 1300 ° C in an electrically heated oven and refined at 1300 ° C for 1 hour. The liquid glass is fritted in cold water, then dried and comminuted to a particle size between 40 .mu.m-70 .mu.m. The glass powder thus obtained is added in a volume ratio of glass: sodium chloride of 1.5: 1 sodium chloride of the grain fraction 250 .mu.m-315 .mu.m and both intimately mixed. The glass powder-salt mixture is heated in a mold in a special oven to 750 ° C and sintered under a pressure of 3 bar for five hours. From the abge cooled sintered body is obtained by leaching of the salt in What ser at room temperature a pervasive pervasive phosphated glass ceramic in addition to the residual glass phase Whitlockit, (Ca, Mg) ₃ (PO ₄ ) ₂ , a mixed calcium sodium diphosphate phase and a containing aluminum-containing complex phosphate phase.

Tabelle 1 Table 1

(in Mol-%) (in mol%)

Tabelle 2 Table 2

Claims (9)

1. Resorbierbare Phosphatgläser und resorbierbare Phosphat­ glaskeramiken, dadurch gekennzeichnet, daß sie die Zusammen­ setzung P₂O₅ 27,1-39,9 Mol-% CaO 22,5-36,0 Mol-% R₂O 14,5-30,0 Mol-% MgO 5,0-25,0 Mol-% aufweisen, wobei R₂O 11,4-30,0 Mol-% Na₂O und 0-12,0 Mol-% K₂O enthält, die resorbierbaren Phosphatglaskeramiken neben der Glasphase die Hauptkristallphasen Kalziumorthophosphat und/oder Kalziumdiphosphat und/oder Natriumdiphosphat enthal­ ten und die resorbierbaren Phosphatgläser und die resorbier­ baren Phosphatglaskeramiken ein dichtes oder poröses Gefüge aufweisen.1. Resorbable phosphate glasses and absorbable phosphate glass-ceramics, characterized in that they the composition P₂O₅ 27.1-39.9 mol% CaO 22.5-36.0 mol% R₂O 14.5-30.0 mole% MgO 5.0-25.0 mole% wherein R ₂ O contains 11.4-30.0 mol% Na ₂ O and 0-12.0 mol% K ₂ O, the resorbable phosphate glass ceramics in addition to the glass phase, the main crystal phases calcium orthophosphate and / or calcium diphosphate and / or sodium diphosphate contain th and the resorbable phosphate glasses and resorbable ble phosphate glass ceramics have a dense or porous structure. 2. Resorbierbare Phosphatgläser und resorbierbare Phosphat­ glaskeramiken nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie die Zusatzkomponenten TiO₂, SiO₂, Al₂O₃, F^-, Cl^-, einzeln oder gemeinsam in den Grenzen TiO₂ 0-6,5 Mol-% SiO₂ 0-4,0 Mol-% Al₂O₃ 0-2,5 Mol-% F^- 0-6,0 Mol-% Cl^- 0-3,0 Mol-% enthalten.2. Resorbable phosphate glasses and resorbable phosphate glass-ceramics according to claim 1, characterized in that they are the additional components TiO ₂ , SiO ₂ , Al ₂ O ₃ , F ^- , Cl ^- , individually or together within the limits TiO₂ 0-6.5 mol% SiO₂ 0-4.0 mol% Al₂O₃ 0-2.5 mol% F ^- 0-6.0 mol% Cl ^- 0-3.0 mol% contain. 3. Resorbierbare Phosphatgläser und resorbierbare Phosphat­ glaskeramiken nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in letzteren die Kalziumorthophosphatphase Magnesiumionen und/oder
Natriumionen und/oder
Kaliumionenenthält.3. resorbable phosphate glasses and resorbable phosphate glass-ceramics according to claims 1 and 2, characterized in that in the latter, the calcium orthophosphate magnesium ions and / or
Sodium ions and / or
Contains potassium ions. 4. Resorbierbare Phosphatgläser und resorbierbare Phosphat­ glaskeramiken nach Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß in letzteren die Kalziumdiphosphatphase in der α- und/oder β- und/oder γ-Form vorliegt.4. Absorbable phosphate glasses and absorbable phosphate Glass ceramics according to claims 1-3, characterized in that in the latter, the calcium diphosphate phase in the α- and / or β- and / or γ-form. 5. Resorbierbare Phosphatgläser und resorbierbare Phosphat­ glaskeramiken nach Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß in letzteren die Kalziumdiphosphatphase Natriumionen und/oder
Magnesiumionen und/oder
Kaliumionenenthält.5. resorbable phosphate glasses and resorbable phosphate glass-ceramics according to claims 1-4, characterized in that in the latter the calcium diphosphate sodium ions and / or
Magnesium ions and / or
Contains potassium ions. 6. Resorbierbare Phosphatgläser und resorbierbare Phosphat­ glaskeramiken nach Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß in letzteren die Natriumdiphosphatphase Magnesiumionen und/oder
Kaliumionen und/oder
Kalziumionenenthält.6. resorbable phosphate glasses and resorbable phosphate glass-ceramics according to claims 1-5, characterized in that in the latter the sodium diphosphate magnesium ions and / or
Potassium ions and / or
Contains calcium ions. 7. Verwendung des resorbierbaren Materials nach den Ansprüchen 1-6 als kompakter Körper, als poröser Körper oder als kompaktes oder poröses Granulat in der Medizin und Biologie.7. Use of the resorbable material according to the claims 1-6 as a compact body, as a porous body or as a compact one or porous granules in medicine and biology. 8. Verfahren zur Herstellung von resorbierbaren Phosphatglä­ sern und resorbierbaren Phosphatglaskeramiken nach Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die resorbierbaren Phosphat­ gläser im Temperaturbereich zwischen 1150°C-1550°C er­ schmolzen werden und die resorbierbaren Phosphatglaskeramiken durch einen ein- oder mehrstufigen Temperprozeß der resorbier­ baren Phosphatgläser im Temperaturbereich zwischen 450°C-800°C, vorzugsweise im Temperaturbereich zwischen 550°C-750°C, hergestellt werden und ein poröses Gefüge dadurch erzeugt werden kann, daß das erschmolzene Glas einem nachträg­ lichen Sinterprozeß unterzogen wird.8. Process for the preparation of resorbable Phosphatglä and absorbable phosphate glass ceramics according to claims 1-7, characterized in that the absorbable phosphate glasses in the temperature range between 1150 ° C-1550 ° C he become molten and the resorbable phosphate glass ceramics through a one- or multi-stage annealing process of the resorbier phosphate glasses in the temperature range between 450 ° C and 800 ° C, preferably in the temperature range between 550 ° C-750 ° C, be prepared and a porous structure by it can be generated that the molten glass a nachträg subjected to sintering process. 9. Verfahren zur Herstellung von resorbierbaren Phosphatglä­ sern und resorbierbaren Phosphatglaskeramiken nach Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß ein poröses Gefüge dadurch erzeugt wird, daß ein resorbierbares Ausgangsglas auf eine Korngröße zwischen 20 µm-550 µm zerkleinert und mit einem leichtlöslichen Salz, vorzugsweise NaCl, einer Korngröße zwischen 20 µm-550 µm vermischt und anschließend einem ein- oder mehrstufigen Sinterprozeß mit oder ohne Druck bei Temperaturen zwischen 450°C-800°C unterzogen wird und eine nachfolgende Auslaugung der Salzkomponente durch ein Lösungsmittel, vorzugsweise Wasser, bei Temperaturen zwischen 15°C-100°C erfolgt, wobei die Herstellung der resorbierbaren Phosphatglaskeramiken mit porösem Gefüge durch eine nachträgliche Temperung des glasigen Sinterkörpers vor oder nach der Auslaugung der Salzkomponente im Temperaturbereich zwischen 450°C-800°C oder durch Kristallisation der Ausgangsglaskomponente während der Sinterung erfolgt.9. Process for the preparation of resorbable Phosphatglä and absorbable phosphate glass ceramics according to claims 1-8, characterized in that a porous structure characterized is generated that a resorbable starting glass on a Grit size between 20 microns-550 microns comminuted and with a easily soluble salt, preferably NaCl, of a grain size between 20 μm-550 μm and then mixed with a or multi-stage sintering process with or without pressure at temperatures between 450 ° C-800 ° C is subjected and a subsequent Leaching of the salt component by a solvent, preferably water, at temperatures between 15 ° C-100 ° C. takes place, wherein the preparation of absorbable phosphate glass ceramics with porous structure by a subsequent Annealing the glassy sintered body before or after leaching the salt component in the temperature range between  450 ° C-800 ° C or by crystallization of the starting glass component during sintering.