DE60022197T2

DE60022197T2 - Silberhaltige bioglas-zusammensetzungen, die von sol-gel zuständen abgeleitet werden

Info

Publication number: DE60022197T2
Application number: DE60022197T
Authority: DE
Inventors: Maria Bellantone; Nichola J. Chatham COLEMAN; L. Larry HENCH
Original assignee: IMP COLLEGE INNOVATIONS LONDON; Imperial Innovations Ltd; Imperial College Innovations Ltd
Current assignee: IMP COLLEGE INNOVATIONS LONDON; Ip2ipo Innovations Ltd
Priority date: 1999-06-14
Filing date: 2000-06-14
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2020-06-15
Also published as: ATE302621T1; EP1196150B1; CA2377402A1; US6482444B1; EP1196150A1; ES2245644T3; WO2000076486A1; DK1196150T3; AU5485200A; DE60022197D1; PT1196150E; CA2377402C; EP1196150A4

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Silber enthaltende Sol-Gel-Bioglaszusammensetzungen und Verfahren zur Herstellung und Verwendung davon, zum Beispiel bei der Herstellung von biologisch abbaubaren Nähten, Knochentransplantatersatzstoffen und Matrizen für die Verwendung in Gewebeverfahrenstechnikanwendungen.
Hintergrund der Erfindung
Materialien, die für eine Implantation in den menschlichen Körper zum Ersatz von geschädigtem oder erkranktem Gewebe verwendet werden, müssen biologisch kompatibel und für ihre beabsichtigte Verwendung mechanisch geeignet sein. Metallische und polymere Materialien für biomedizinische Anwendungen werfen viele Probleme auf wegen ihres hohen Elastizitätsmoduls (im Vergleich mit demjenigen von Knochen), der Bildung einer nicht anhaftenden fibrösen Kapsel (deren resultierende Bewegung zu einer Störung der Funktion des Implantats führen kann) oder manchmal wegen deren Abbauprodukten.
Es gibt eine zunehmende klinische Anwendung für biologisch aktives Glas und Glaskeramiken, weil diese die Möglichkeit, die Langzeithaltbarkeit von Prothesen zu verbessern, und eine verbesserte Reparatur von altem, erkranktem oder beschädigtem Knochen bieten. Diese Materialien neigen dazu, mechanisch starke Bindungen an Knochen über eine Reihe von chemischen Reaktionen an der Knochen-Implantat-Grenzfläche zu bilden. Einer der Hauptvorteile der Verwendung von biologisch aktivem Glas ist die Möglichkeit, die Oberflächenchemie zu kontrollieren und dabei Kontrolle über die Geschwindigkeit der Bindung an das Gewebe auszuüben.
Es wurden viele biologisch kompatible und biologisch aktive Biomaterialien implantiert. Damit einhergehende Infektionsprobleme aufgrund der einer Krankheit innewohnenden Natur und aufgrund eines chirurgischen Eingriffs können als eine Folge von einer Implantation auftreten, sogar bei laufend aseptischen chirurgischen Verfahren.
Bioglass^® ist ein Beispiel für ein biologisch kompatibles Material, das zur Herstellung von Implantaten verwendet wird. Bioglass^® wird häufig dazu verwendet, einen in Knochen, Zähnen und Haut verursachten Schaden zu reparieren, wo die Möglichkeit für bakterielle oder mykotische Infektionen immer vorhanden ist. Ein wichtiges Beispiel ist Osteomyelitis, eine der gefährlichsten Krankheiten, welche in der Hauptzahl der Fälle von S. aureus, Salmonella oder K. kingea (in Kindern) verursacht wird.
Auch in Fällen von nicht infektiösen Erkrankungen erfordern post-operative Zustände häufig eine Antibiotika-Behandlung, welche üblicherweise oral verabreicht wird. Leider kann dies eine bakteriologische Resistenz gegen das Arzneimittel verursachen und reichert die gutartige mikrobiologische Flora ab, die normalerweise im Körper vorhanden ist, was zu gastrointestinalen Nebenwirkungen führt.
Jüngere Bemühungen haben sich auf das Entwickeln modifizierter Implantationsmaterialen mit antibakteriellen Eigenschaften konzentriert. Solche Implantatmaterialien müssen geeignete mechanische und chemische Eigenschaften für ihre beabsichtigte Verwendung aufweisen. Es wäre vorteilhaft, weitere Implantatmaterialen mit antibakteriellen Eigenschaften bereitzustellen. Die vorliegende Erfindung liefert solche Materialien.
Zusammenfassung der Erfindung
Es werden von einem Silber enthaltenden Sol-Gel abgeleitete biologisch aktive Glaszusammensetzungen und Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung offenbart. Die Zusammensetzungen umfassen ein von einem Silber enthaltenden Sol-Gel abgeleitetes biologisch aktives Glas, wobei das biologisch aktive Glas ein anorganisches Glasmaterial ist, welches SiO₂, CaO, P₂O₅ und ein Silbersalz umfasst. Die Zusammensetzungen können in der Form von Fasern vorliegen, welche jeden Durchmesser zwischen 1 μm und 150 μm haben können und welche entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich sein können, oder in der Form von Teilchen, welche jeden Durchmesser haben können, zum Beispiel von 0,5 μm bis 3 mm, oder von Beschichtungen, welche Dicken von zum Beispiel von 0,05 bis 100 μm haben können. Vorzugsweise umfaßt das biologisch aktive Glas (Bioglas), das in den Zusammensetzungen verwendet wird, verschiedene Salze in den folgenden Bereichen (Gewichtsprozent der Bioglas-Zusammensetzung):

SiO₂ 40–90%

CaO 6–50%

P₂O₅ 0–12%

Ag₂O 0,1–12%
Die Fasern können zu Matten gewoben sein und dafür verwendet werden, Strukturen herzustellen, die zum Beispiel als Knochentransplantatmittel und Abdeckungen für Knochendefekte geeignet sind. Die Fasern können auch dazu verwendet werden, dreidimensionale Strukturen für Vorformen herzustellen, die mit Polymeren, zum Beispiel biologisch abbaubaren Polymeren, imprägniert werden sollen. Solche Strukturen können kovalent oder ionisch mit biologisch aktiven Verbindungen, wie zum Beispiel Wachstumsfaktoren, Antibiotika, antiviralen Mitteln, Nährstoffen und ähnlichem zur Verbesserung der Gewebereparatur und zur Förderung der Heilung verknüpft sein.
Die Zusammensetzungen, vorzugsweise in der Form von Fasern oder Teilchen, können in implantierte Materialien, wie Prothesenimplantate, Nähte, Stents, Schrauben, Platten, Röhren und ähnlichem enthalten sein. Die Zusammensetzungen in der Form von Teilchen können als biologisch aktive Schichten auf Prothesenimplantaten aufgebracht sein. Die Zusammensetzungen in der Form von biologisch aktiven Sol-Gel-Beschichtungen können auf die Oberfläche oder in die Poren von Prothesenimplantaten verschiedener Konfigurationen auf- bzw. eingebracht sein.
Die Zusammensetzungen sind auch für Anwendungen der Gewebeverfahrenstechnik nützlich. Ein Vorteil der Verwendung dieser Zusammensetzungen besteht darin, dass Vorrichtungen, die für in vitro und ex vivo Zellkultur verwendet werden, auch antibakterielle Eigenschaften verliehen werden können, wenn die Zusammensetzungen in Vorrichtungen der Gewebeverfahrenstechnik aufgenommen werden.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Es werden von einem Silber enthaltenden Sol-Gel abgeleitete biologisch aktive Glaszusammensetzungen und Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung offenbart. Die Zusammensetzungen können in der Form von Fasern vorliegen, welche jeden Durchmesser zwischen 1 μm und 150 μm haben können und welche entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich sein können, Teilchen, welche jeden Durchmesser haben können, zum Beispiel von 0,5 μm bis 3 mm, oder Beschichtungen, welche Dicken von zum Beispiel 0,05 bis 100 μm haben können. Die Zusammensetzungen werden unter Anwendung eines Sol-Gel-Verfahrens hergestellt und können für eine Vielzahl von medizinischen Anwendungen verwendet werden, zum Beispiel Knochenreparatur, biologisch abbaubare Nähte und Anwendungen der Gewebeverfahrenstechnik.
I. Zusammensetzung
Wie sie hierin verwendet werden, bedeuten die Begriffe "bioaktives Glas" oder "biologisch aktives Glas" ein anorganisches Glasmaterial, das ein Oxid von Silizium als seinen Hauptbestandteil aufweist und welches in der Lage ist, an wachsendes Gewebe zu binden, wenn es mit physiologischen Flüssigkeiten umgesetzt wird.
Biologisch aktive Gläser sind den Fachleuten auf dem Gebiet gut bekannt und zum Beispiel in "An Introduction to Bioceramics" von L. Hench und J. Wilson, Hrsg. World Scientific, New Jersey (1993) offenbart.
Das Glas enthält vorzugsweise zwischen 40 und 90 Gew.-% Siliziumdioxid (SiO₂), zwischen etwa 6 und 50 Gew.-% Calciumoxid (CaO), zwischen etwa 0 und 12 Gew.-% Phosphoroxid (P₂O₅) und zwischen 0,1 und 12 Gew.-% Silberoxid (Ag₂O). Besonders bevorzugt enthält das Glas zwischen 45 und 86 Gew.-% Siliziumdioxid (SiO₂), zwischen etwa 10 und 36 Gew.-% Calciumoxid (CaO), zwischen etwa 3 und 12 Gew.-% Phosphoroxid (P₂O₅) und zwischen etwa 3 und 12 Gew.-% Silberoxid (Ag₂O).
CaF₂, B₂O₃, Al₂O₃, MgO und K₂O, Na₂O können in der Zusammensetzung zusätzlich zu Silizium-, Natrium-, Phosphor- und Calciumoxiden enthalten sein. Andere Silbersalze als Silberoxid können wahlweise verwendet werden. Der bevorzugte Bereich für B₂O₃ liegt zwischen 0 und 10 Gew.-%. Der bevorzugte Bereich für K₂O liegt zwischen 0 und 8 Gew.-%. Der bevorzugte Bereich für Na₂O liegt zwischen 0 und 20 Gew.-%. Der bevorzugte Bereich für MgO liegt zwischen 0 und 5 Gew.-%. Der bevorzugte Bereich für Al₂O₃ liegt zwischen 0 und 3 Gew.-%.
Es ist bevorzugt, Glas vom Reagenziengrad zu verwenden, insbesondere weil das Glas dafür verwendet wird, Materialien herzustellen, welche schließlich einem Patienten verabreicht werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das von einem Silber enthaltenden Sol-Gel abgeleitete biologisch aktive Glas aus verschiedenen Salzen in dem folgenden Bereich (Gew.-% der Bioglas-Zusammensetzung) hergestellt:

SiO₂ 45–86%

CaO 10–36%

P₂O₅ 3–12%

Ag₂O 3–12%
Beispiele für bevorzugte, von einem Sol-Gel abgeleitete biologisch aktive Gläser sind nachfolgend in Tabelle 1 gezeigt, wobei jedes von diesen unter Anwendung der hierin beschriebenen Verfahren so modifiziert werden kann, dass es eine effektive, antibakterielle Menge an Silberionen enthält.
Tabelle 1 – Zusammensetzung (Mol-%) von Biogläsern aus biologisch aktivem Gel
Höhere CaO-Gehalte liefern größere Porenvolumina, und das Einsetzen der Ablagerung von Hydroxycarbonat-Apatit (HCA) wird beschleunigt. Gel-Gläser mit höheren SiO₂-Gehalten haben häufiger größere Oberflächenbereiche und weisen höhere Wachstumsgeschwindigkeiten der Bildung einer HCA-Schicht auf.
Silbersalze
Es kann jedes geeignetes Silbersalz verwendet werden, welches in die biologisch aktiven Gläser unter Verwendung eines Sol-Gel-Verfahrens aufgenommen werden kann. Silberoxid ist ein bevorzugtes Salz. Andere geeignete Salze umfassen Silbernitrat, Silberacetat, Silberbromid und Silberchlorid. Die Menge an Silber in den Zusammensetzungen liegt im Allgemeinen in dem Bereich zwischen etwa 0,1 und 12 Gew.-%, vorzugsweise etwa zwischen 3 und 12 Gew.-%.
Die Toxizitätsgrenze für die Aufnahme löslicher Silbersalze ist etwa 1 g für den Menschen, aber sie wird im Allgemeinen nicht als eine Lebensbedrohung angesehen, da ein zufälliges Aussetzen an hoher Silberdosierungen äußerst selten ist. Eine unüberlegte Verwendung von silberhaltigen pharmazeutischen Präparaten und Vorrichtungen kann zu toxischen Reaktionen führen, wie beispielsweise Argyrie. Der Begriff "effektive, antibakterielle Menge" an Silber bezeichnet eine Menge, die effektiv die Menge an Bakterien in dem Bereich in der Nähe, wo das biologisch aktive Glas vorhanden ist, signifikant reduziert. Von dieser Menge würde man erwarten, dass sie in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Faktoren variiert, einschließlich der Art der Bakterien, der Bakterienkonzentration, der Art der Medien und der beabsichtigten Verwendung. Der Fachmann auf dem Gebiet kann einfach eine geeignete antibakterielle Menge an Silber für die Verwendung bestimmen. Die biologisch aktiven Glaszusammensetzungen können so eingestellt werden, dass sie eine Vielzahl von Konzentrationen von Silberionen enthalten.
Die antimikrobielle Wirkung von Silber wurde anhand einer Anzahl an Gram-positiven und Gramnegativen Bakterien und Pilzen, worunter E. coli, P. aeruginosa, S. epidermis und C. albicans waren, verifiziert. Die Enzyme, auf welche der inaktivierende Einfluss untersucht wurde, umfassen Urocinase, β-Galactosidase, Phosphomannose-Isomerase und mehrere Oxygenasen. Es wurde postuliert, dass Silber seine Toxizität an mehreren Stellen ausübt, wozu auch die Atmungskette, die Phosphataufnahme und -speicherung und die Zellwandsynthese gehören. Das Gesamtresultat dieser Veränderungen ist ein letaler Austritt von Metaboliten aus der Zelle, einschließlich Phosphat und Kalium (K⁺).
Von dem Wirkmechanismus von Ag⁺ wird angenommen, dass er dessen Komplexierung an Membrane, Enzyme und andere zelluläre Bestandteile betrifft. Das Silberion wird von Elektronen-Donor-Gruppen, wie Aminen, Hydroxylen, Phosphat und Thiolen, stark cheliert. Von den letztgenannten nimmt man aufgrund von mikrobiologischen, biochemischen und elektrochemischen Daten an, dass sie die wichtigsten chelierenden Gruppen sind. Von dem Silberion nimmt man an, dass es mit Proteinmolekülen über exponierte Cysteinreste wechselwirkt.
II. Verfahren zur Herstellung der Fasern. Teilchen und Beschichtungen
Sol-Gel-Verfahren
Die Zusammensetzungen werden unter Anwendung eines Sol-Gel-Verfahrens hergestellt. Im Vergleich zu herkömmlichen Glasherstellungstechniken, geht mit dem Sol-Gel-Verfahren eine Vielzahl von Vorteilen einher: niedrigere Verarbeitungstemperaturen, reinere und homogenere Materialien, gute Kontrolle über die Endzusammensetzung und Maßschneidern der Oberflächen- und Poreneigenschaften des Produkts.
Von Alkoxid abgeleitete Gel-Gläser des Systems SiO₂-CaO-P₂O₅ liefern einen ausgedehnten Zusammensetzungsbereich an biologischer Aktivität gegenüber biologisch aktiven Gläsern, die durch Schmelzverfahren hergestellt sind. Der Unterschied in dem biologisch aktiven Verhalten betrifft direkt die Struktur der von Sol-Gel abgeleiteten Materialien. Die Gel-Gläser haben einen viel größeren Oberflächenbereich, eine höhere Konzentration an Silanol-Gruppen pro Flächeneinheit auf der Oberfläche und eine höhere Konzentration an metastabilen drei- und vier-gliedrigen Siloxan-Ringen. Die biologische Aktivität wird von der Textur des Materials sowie der chemischen Zusammensetzung beeinflusst.
Die Gel-Gläser sind aufgrund ihrer höheren Resorptionsgeschwindigkeiten in vitro und in vivo ideal geeignet als Knochentransplantat-Materialien. Darüber hinaus sind die Geschwindigkeit an löslichen Silizium-Spezies, die während HCA-Bildung freigesetzt werden, und die Stimulation von Knochenwachstum im Vergleich mit denjenigen des durch Schmelze erhaltenen biologisch aktiven Glases verbessert.
Die Zusammensetzungen können zum Beispiel durch Synthetisieren eines anorganischen Netzwerks hergestellt werden, indem man Metallalkoxide in Lösung mischt, gefolgt von Hydrolyse, Gelieren und Brennen unter Herstellung einer porösen Matrix oder eines dichten Glases. Das Brennen kann bei relativ hohen Temperaturen (600 bis 1100°C) durchgeführt werden und es kann auch bei niedrigeren Temperaturen (in der Größenordnung von etwa 200 bis 250°C) durchgeführt werden. Das hierin eingesetzte Sol-Gel-Verfahren verwendet ein Vier- oder Mehr-Komponentensystem, welches wenigstens SiO₂, CaO, P₂O₅ und ein Silbersalz, zum Beispiel Ag₂O, umfasst. In einer Ausführungsform wird das Silber enthaltende, biologisch aktive Sol-Gel-Glas als ein Gel-Netzwerk aus Tetraethoxysilan (TEOS), Phosphor-Alkoxid, Calciumnitrat und Silberoxid in Wasser-Ethanol-Lösung hergestellt.
Das Verfahren und die Reaktionstypen, die typischerweise bei der Sol-Gel-Bildung stattfinden, werden nachfolgend ausführlicher beschrieben.
Wässrige Lösungen von SiO₂
Die erste Stufe des Sol-Gel-Verfahrens umfasst typischerweise das Mischen von dem Vorläufer Silizium-Alkoxid, Lösungsmittel (im Allgemeinen Wasser) und eines sauren oder alkalischen Katalysators. Diese Stufe kann grundlegend die Homogenität eines Mehrkomponentengels beeinflussen, welche auch durch die Art und Reaktivität der Vorläufer, der Art und Löslichkeit der Reaktanten in dem ausgewählten Lösungsmittel, der Konzentration des ausgewählten Lösungsmittels, der Abfolge des Hinzufügens, dem pH-Wert und der Zeit und Temperatur der Reaktion beeinflusst wird.
Nach dem Mischen wird der Alkoxid-Vorläufer zu Kieselsäure hydrolysiert, welche dann unter Erhalt des Silicagels kondensiert. Die Hydrolyse-Reaktionen sind nachfolgend gezeigt, wobei R eine Alkylgruppe ist: Si(OR)₄ + 4H₂O ⇋ Si(OH)₄ + 4ROH RO-Si(OR)₃ + HO-Si(OR)₃ ⇋ (OR)₃Si-O-Si(OR)₃ + ROH HO-Si(OR)₃ + HO-Si(OR)₃ ⇋ (OR)₃Si-O-Si(OR)₃ + H₂O
Es wird angenommen, dass die Hydrolyse über bimolekularen nukleophilen Angriff (S_N2) von Wasser an dem Si-Atom stattfindet und durch Säuren- oder Basen katalysiert werden kann. Die Art der Alkoxidgruppe (R) beeinflusst die Hydrolyse-Geschwindigkeit durch induktive und sterische Effekte. Wenn R eine elektronenziehende Gruppe ist, beschleunigt sie die Reaktion, und wenn die R-Gruppe voluminös ist, verlangsamt sie die Reaktionsgeschwindigkeit.
Wenn ein Mehrkomponentensystem hergestellt wird, ist TEOS, eher als Tetramethoxysilan (TMOS) (welches Minuten zum Hydrolysieren braucht), der gewählte Vorläufer, um eine bessere Kontrolle über die Hydrolyse-Geschwindigkeit zu haben. Tetraethoxyphosphat (TEP) wird als eine günstige Quelle für Phosphatmonomere verwendet. Lösliche Metallsalze, wie Nitrate, können auch dazu verwendet werden, Modifikatoratome einzuführen. Die Kondensation wird durch die gleichen Katalysatoren katalysiert, die bei der Hydrolyse verwendet werden, und deren Reaktionsgeschwindigkeit verändert sich mit dem pH-Wert der Lösung.
Die pH-Wert-Bedingungen beeinflussen auch, wie grob und verdichtet das resultierende Gel sein wird. Die Form und die Größe von Polymerstruktureinheiten werden durch die relativen Werte der Geschwindigkeitskonstanten für die Hydrolyse und die Polykondensationsreaktionen bestimmt. Eine schnelle Hydrolyse und eine langsame Kondensation begünstigen die Bildung von linearen Polymeren; andererseits führen eine langsame Hydrolyse und eine schnelle Polymerisation zu größeren, voluminöseren Polymeren.
Während die Sol-Teilchen wachsen und zusammentreffen, findet Kondensation statt und es bilden sich Makropartikel. Das Sol wird ein Gel, wenn es eine Beanspruchung elastisch aushalten kann.
Alterung
Die Alterungsstufe umfasst das Halten des gegossenen Gegenstands für einen Zeitraum (typischerweise von Stunden bis zu Tagen) eingetaucht in Flüssigkeit. Während des Alterns setzt sich die Polykondensation zusammen mit örtlicher Auflösung und erneuter Präzipitation fort, bis freie reaktive Spezies und reaktive Stellen alle reagiert haben. Dieser Vorgang, der die Porosität herabsetzt und das Gel festigt, wird Synärese genannt; sie bewirkt, dass das Gel schrumpft und die Porenflüssigkeiten ausgetrieben werden.
Zusammen mit der Synärese findet ein weiteres Phänomen statt, das als Ostwald-Reifung bezeichnet wird. Diese ist ein irreversibler Vorgang, der die bevorzugte Auflösung von konvexen Oberflächen mit hoher potentieller Energie, gefolgt von einer Abscheidung von konkaven Oberflächen mit niedriger Energie umfasst. Dadurch beginnen sich Einschnürungen zwischen primären Teilchen auszubilden, und kleinere Poren werden zu Lasten der größeren gefüllt. Dieser Vergröberungsvorgang ist üblicherweise langsamer im Vergleich zu der Synärese, aber er kann die Textur des Gels beeinflussen, insbesondere wenn die Alterung bei hohen Temperaturen oder hohen pH-Werten stattfindet.
Trocknung
Während der Trocknung wird die Flüssigkeit aus dem miteinander verbundenen Poren-Netzwerk entfernt. Es können sich starke Kapillarbelastungen entwickeln und bewirken, dass das Gel bricht, wenn der Trocknungsprozess nicht durch Herabsetzung der Fest-Flüssig-Grenzflächenspannung kontrolliert wird. Dies kann auf viele Weisen erreicht werden: durch Zusatz von grenzflächenaktiven Mitteln, überkritische Verdampfung, welche die Fest-Flüssig-Grenzfläche eliminiert, oder durch Erhalt von monodispersen Porengrößen durch Kontrollieren der Geschwindigkeiten von Hydrolyse und Kondensation.
Stabilisation und Verdichtung
Das Entfernen der Oberflächen-Silanol-Gruppen führt zu einem chemisch stabilen, porösen Material. Dies kann unter Anwendung thermischer und/oder chemischer Methoden erreicht werden. Chemische Methoden umfassen häufig eine Modifikation der Siliziumdioxid-Oberfläche durch Ersetzen der Silanol-Gruppen durch stärker hydrophobe und weniger reaktive Spezies (z.B. Chloride und Fluoride). Erhitzen über 400°C führt zu einer irreversiblen Dehydratisierung aufgrund der zunehmenden Eliminierung von isolierten Silanol-Gruppen und aufgrund der strukturellen Entspannung, welche stattfindet.
Bei Mehrkomponentensystemen dient auch der Calcinierungsprozess dazu, andere Spezies abzubauen, die in dem Gel vorhanden sind (z.B. Calciumnitrat, Ca(NO₃)₂). Nitrat-Spezies sind in biologischen Anwendungen unerwünscht und sind auch eine Quelle für Inhomogenität. Sie bleiben auch nach dem Trocknen in der Probe und müssen abgebaut werden. Es sei angemerkt, dass der Abbau von reinem Ca(NO₃)₂ bei 561°C stattfindet. Daher muss diese Temperatur während einer erfolgreichen Stabilisierung überschritten werden, wenn solche Gruppen vorhanden sind.
Erhitzen auf Temperaturen zwischen 800°C und 1500°C (abhängig von der anfänglichen Porosität, dem Zusammenhalt, der Atmosphäre und der Zusammensetzung) wird das Gel verdichten, so dass es ein verfestigtes Glas wird mit einer Dichte, die im wesentlichen zu derjenigen von Gläser äquivalent ist, die durch herkömmliches Schmelzen und Gießen hergestellt sind.
Einstellen des Porenvolumens der Zusammensetzungen
Geeignete Porendurchmesser liegen zwischen 20 und 400 Å. Porendurchmesser größer als 0,1 Mikrometer können unter Anwendung von Sinter- und/oder Schäumungsverfahren erreicht werden. Die gesinterte Struktur kann dann mit einer Vielzahl von Materialien imprägniert werden, wie es nachfolgend ausführlicher diskutiert wird.
Zur Unterstützung der Herstellung von Glaszusammensetzungen mit hoher Porosität kann die Glaszusammensetzung ein Material enthalten, welches vorzugsweise aus der Glaszusammensetzung herausgezogen werden kann und, wenn dies geschieht, der Zusammensetzung eine hohe Porosität verleihen kann. Zum Beispiel können kleine Teilchen eines Materials, das in einem geeigneten Lösungsmittel, einer Säure oder einer Base, gelöst werden kann, mit dem Glas gemischt oder in dieses aufgenommen und anschließend herausgezogen werden. Die resultierenden Lehrstellen haben ungefähr die gleiche Größe wie das Teilchen, das herausgezogen wurde. Die Größe der Poren und der Grad an Porosität hängen auch von der Menge an hinzugefügtem Material im Verhältnis zu der Menge an Glas ab. Wenn das herausgezogene Material etwa 80% des Glases ausmacht, dann wäre das Glas zum Beispiel etwa 80% porös, wenn das Material herausgezogen würde. Beim Auslösen der Glaszusammensetzung sollte vorsichtig vorgegangen werden, um nicht signifikante Mengen solcher Bestandteile herauszuziehen, die zu der biologischen Aktivität des Glases, d.h. die Calcium- und Phosphoroxide oder den antibakteriellen Eigenschaften des Glases, d.h. die Silberionen, beitragen.
Herstellung von biologisch aktiven Glasfasern
Kontinuierliche Fasern können zum Beispiel hergestellt werden, indem man das Sol durch eine Spinndüse extrudiert. Die Fasern können dann gealtert, getrocknet und thermisch stabilisiert werden. Lange Fasern können zu einem Gewebe gewoben werden, kurze Fasern können kombiniert werden, indem man sie mit einem abbaubaren Haftmittel, wie beispielsweise einer Lösung von Car boxymethylzellulose (CMC) mischt. Das resultierende Material wird dann in einem Ofen erhitzt, um das Material zu sintern und das Bindemittel auszubrennen.
Herstellung von biologisch aktiven Glasbeschichtungen
Beschichtungen können unter Einsatz von Mitteln, die dem Fachmann auf dem Gebiet gut bekannt sind, hergestellt werden, einschließlich Eintauchen eines zu beschichteten Gegenstandes in eine geeignete Sol-Gel-Lösung, welche dann unter Ausbildung des Sol-Gels behandelt wird, und durch Besprühen des zu beschichtenden Gegenstandes mit Teilchen des biologisch aktiven Glases.
B. Verfahren zum Formen der Faser zu gewünschten Strukturen
Nachdem die Zusammensetzung zu einer Faser gesponnen wurde, zum Beispiel in einer Spinndüse, kann die resultierende Faser zu gewünschten Strukturen geformt werden. In einer Ausführungsform wird die Faser lediglich gewunden und kann als ein abbaubares Nahtmaterial verwendet werden. In anderen Ausführungsformen wird die Faser mit verschiedenen zusätzlichen Komponenten, einschließlich Polymermaterialien, gemischt und zu gewünschten Gegenständen der Herstellung geformt. Das Formen kann durch jedes geeignete Mittel durchgeführt werden, einschließlich Laserablation, Extrusion, Formungstechniken und ähnliches.
Die Fasern können zu einem Netz oder Gewebe (gewoben oder nicht gewoben) geformt werden. Das Netz kann zum Beispiel bei der Wundheilung oder Wundabdeckung verwendet werden. In einer Ausführungsform werden die Fasern zu Matten oder anderen Strukturen gewoben. Das resultierende Material kann dazu verwendet werden, Strukturen herzustellen, die zum Beispiel als Knochentransplantat-Ersatzmittel und Abdeckungen für Knochendefekte geeignet sind.
Die Fasern können auch dazu verwendet werden, dreidimensionale Strukturen für Vorformen herzustellen, die mit Polymeren, zum Beispiel mit biologisch abbaubaren Polymeren, imprägniert werden. Solche Strukturen können kovalent oder ionisch mit biologisch aktiven Verbindungen, zum Beispiel Wachstumsfaktoren, Antibiotika, antiviralen Mitteln, Nährstoffen und ähnlichem, zur Verbesserung der Gewebereparatur und zur Förderung der Heilung verbunden werden.
Die Fasern können in Implantationsmaterialien, wie beispielsweise Prothesenimplantate, Nähte, Stents, Schrauben, Platten, Röhren und ähnliches aufgenommen werden.
Die Fasern (wie auch Teilchen) sind auch für Anwendungen der Gewebeverfahrenstechnik geeignet. Ein Vorteil der Verwendung dieser Fasern besteht darin, dass antibakterielle Eigenschaften auch für in vitro und ex vivo Zellkultur verwendeten Vorrichtungen verliehen werden können, wenn die Fasern in Vorrichtungen für Gewebeverfahrenstechnik aufgenommen werden.
Wenn die Faser eine relativ hohe Porosität besitzt, weist sie eine relativ schnelle Abbaugeschwindigkeit und einen hohen Oberflächenbereich im Vergleich zu nicht porösen biologisch aktiven Glasfaserzusammensetzungen auf. Der Grad an Porosität des Glases liegt zwischen etwa 0 und 85%, vorzugsweise zwischen etwa 10 und 80% und besonders bevorzugt zwischen etwa 30 und 60%.
II. Formulierungen, die biologisch aktives Glas enthalten
Die Form des biologisch aktiven Glases (Teilchen, Fasern und ähnliches) hängt zum großen Teil von der beabsichtigten Verwendung der Zusammensetzungen ab. Der Fachmann auf dem Gebiet kann eine geeignete Form für das biologisch aktive Glas für eine beabsichtigte Verwendung einfach auswählen. Beispiele für Anwendungen der von den Silber enthaltenden Sol-Gel abgeleiteten biologisch aktiven Glaszusammensetzungen, welche hierin beschrieben werden, umfassen die chirurgische Behandlung von parodonthalen und Knocheninfektionen, die Aufnahme in Präparate zur Heilung von Hautinfektionen, die Verwendung als ein Konservierungsmittel in kosmetischen Präparaten, das Einbringen als antimikrobielles Mittel in Gesundheitspflegeprodukte und in Detergenzien und als vorbeugende antimikrobielle Mittel für die Chirurgie, welche die Verwendung von implantierten Biomaterialien und/oder Vorrichtungen umfasst.
Zusätzlich zu der biologisch aktiven Glaszusammensetzung können die Formulierungen andere therapeutische Mittel enthalten, wie Antibiotika, antivirale Mittel, heilungsfördernde Mittel, antiinflammatorische Mittel, Immunsuppresiva, Wachstumsfaktoren, Antimetaboliten, Zelladhäsionsmoleküle (CAM), knochenformbildende Proteine (BMP), gefäßbildende Mittel, Anticoagulantien und topische Anästhetika/Analgetika.
Die Antibiotika können für eine Hautbehandlung geeignete topische Antibiotika sein. Beispiele für solche Antibiotika umfassen, sind aber nicht beschränkt auf: Chloramphenicol, Chlortetracyclin, Clyndamycin, Cliochinol, Erythromycin, Framycetin, Gramicidin, Fusidinsäure, Gentamycin, Mafenid, Mupiroicin, Neomycin, Polymycin B, Bacitracin, Silbersulfadiazin, Tetracyclin und Chlortetracyclin.
Geeignete antivirale Mittel umfassen topische antivirale Mittel, wie Acyclovir und Gancyclovir. Geeignete antiinflammatorische Mittel umfassen Corticosteroide, Hydrocortison und nicht-steroide antiinflammatorische Arzneimittel. Geeignete Wachstumsfaktoren umfassen basischen Fibroblasten-Wachstumsfaktor (bFGF), Epithel-Wachstumsfaktor (EGF), transformierenden Wachstumsfaktor α und β (TGF α und β), von Plättchen abgeleiteten Wachstumsfaktor (PDGF) und vaskulären Endothel-Wachstumsfaktor/vaskulären Permeabilitätsfaktor (VEGF/VPF). Geeignete topische Anästhetika umfassen Benzocain und Lidocain.
In einer Ausführungsform ist das therapeutische Mittel ein solches, welches ansonsten eine Entzündung an der Stelle verursachen würde, an die es ausgeliefert wird, und die biologisch aktiven Glaszusammensetzungen vermindern die damit einhergehende Entzündung. Zum Beispiel führt eine Anzahl von Verbindungen, zum Beispiel Amin-Verbindungen, zu einer Entzündung, wenn sie topisch verabreicht werden, d.h. in einem Transdermal-Pflaster.
Darüber hinaus kann das biologisch aktive Glas mit jedem biologisch kompatiblen Material kombiniert werden, wie beispielsweise biologisch abbaubarem Polymer, wie Polymilch-/Glycolsäure, unter Ausbildung eines Verbundmaterials zur Beschleunigung der Wundheilung.
Der Anteil anderer therapeutischer Mittel variiert in Abhängigkeit von dem Mittel und der Art der Anwendung. Jedoch sind die bevorzugten Anteile so, dass die Menge des an den Patienten verabreichten Mittels in einem Dosierungsbereich liegt, der innerhalb der medizinischen Standardversorgung akzeptiert ist.
III. Gegenstände der Herstellung, die biologisch aktives Glas enthalten
Die von Silber enthaltendem Sol-Gel abgeleiteten biologisch aktiven Glaszusammensetzungen können in Implantatmaterialien aufgenommen sein, wie beispielsweise Prothesenimplantate, Bogenmaterialien, Nadeln, Ventile, Nähte, Stents, Schrauben, Platten, Röhren und ähnliches, indem man Teilchen von biologisch aktivem Glas in die Implantatmaterialien aufnimmt. Die Zusammensetzungen können formbar oder maschinell bearbeitbar sein.
Die nachfolgende Tabelle 2 zeigt ein Verhältnis zwischen der Form der biologisch aktiven Glaszusammensetzung und der beabsichtigten Funktion. Diese Tabelle soll nicht die Art der Form beschränken, welche für eine beabsichtigte Funktion verwendet werden kann, sondern soll Arten von Formen und dazugehörende Funktionen beispielhaft angeben. Die hierin beschriebenen Zusammensetzungen können in jeder dieser Formen vorliegen.
Tabelle 2
Den hergestellten Gegenstände werden antibakterielle Eigenschaften über die Aufnahme der Silberionen in das biologisch aktive Glas verliehen, was es ermöglicht, dass die Gegenstände mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit einer bakteriologischen Kontamination implantiert oder zur Kultivierung von Zellen verwendet werden können.
Zellwachstum und -kultur
Es gibt viele Lösungen, die zum Kultivieren von Zellen verwendet werden. Diese umfassen Dulbeccos minimale essentielle Medien, Hank'sche ausgeglichene Salzlösung und andere. Diese Lösungen sind im wesentlichen isotonisch zu den zu kultivierenden Zellen. Ein Problem, das mit Zellkultur einhergeht, ist häufig das Wachstum von Bakterien in der Kultur zusammen mit den gewünschten Zellen. Bakterienwachstum kann durch Aufnahme der biologisch aktiven Glaszusammensetzungen in Matrizen, die in der Zellkultur und in Anwendungen der Gewebeverfahrenstechnik eingesetzt werden, minimiert werden.
V. Verfahren zur Verbesserung der Wundheilung
Die von Silber enthaltendem Sol-Gel abgeleitenden biologisch aktiven Glasfasern, -teilchen und/oder -beschichtungen sind in der Lage, die für das Stattfinden von Wundheilung notwendige Zeit erheblich zu reduzieren. Implantate, einschließlich der Fasern, Teilchen oder Beschichtungen, vorzugsweise hochgradig poröser Fasern oder Teilchen, alleine oder in Kombination mit anderen antibakteriellen Mitteln können den natürlichen Heilungsprozess steigern. Die Wirksamkeit der hierin beschriebenen Fasern, Teilchen und Beschichtungen wird am deutlichsten klar in immununterdrückten Patienten, deren Fähigkeit, Wunden zu heilen in gewisser Weise unterdrückt ist.
In einer Ausführungsform werden die Fasern und/oder Teilchen dazu verwendet, Hohlräume aufzufüllen, einschließlich Hohlräumen, die bei medizinischen Verfahren erzeugt wurden. Zum Beispiel kann bei einer Wurzelkanaloperation der ausgehöhlte Zahn mit einer Zusammensetzung gefüllt werden, die biologisch aktive Glasfasern und/oder Teilchen enthält. Dies wird helfen, eine bakterielle Infektion zu verhindern, bis der Zahn letztendlich gefüllt ist. Biologisches Glas enthaltende Zusammensetzungen können auch dazu verwendet werden, die Taschen aufzufüllen, die sich zwischen den Zähnen und dem Zahnfleisch ausbilden können. Zusammensetzungen, die biologisch aktive Glasfasern und/oder -teilchen enthalten, können dazu verwendet werden, in Aneurysmen vorhandene Hohlräume aufzufüllen und Bakterienwachstum in dem gefüllten Hohlraum zu verhindern. Andere Hohlräume, welche aufgefüllt werden können, umfassen solche, die chirurgisch gebildet werden, wie beispielsweise bei Entfernung einer Milz, von Eierstöcken, der Gallenblase oder einem Tumor.
VI. Verfahren zur Transplantation von Haut
Die Verfahren zur Transplantation von Haut umfassen das Aufbringen von Netzen oder Geweben, welche die von Silber enthaltendem Sol-Gel abgeleiteten biologisch aktiven Glasfasern, -teilchen und/oder -beschichtungen enthalten, auf entweder die Transplantationsstelle oder das Donor-Gewebe, bevor es an seinen beabsichtigten Ort plaziert wird. Diejenigen, die an einer ausführlichen Beschreibung von Hauttransplantation interessiert sind, werden auf "Skin Grafts", in Selected Readings in Plastic Surgery, Auflage 7, Nr. 2, P. L. Kelton, MD, Baylor University Medical Center (1992) verwiesen. Das Transplantat kann auch vor dem Platzieren weiter mit einem topischen Träger behandelt werden. Die Anwendung von biologisch aktivem Glas auf Transplantate soll die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass das Transplantat das Wirtsbett "annehmen" und dann aufgenommen wird. Es ist beabsichtigt, dass das biologisch aktive Glas als eine intermediäre Verbindung zwischen dem Wirts- und dem Transplantatgewebe wirkt, die gesamte Entzündungsreaktion, welche zu einer Abstoßung führen könnte, unterdrückt, sowie den Gesamtheilungsprozess beschleunigt, was zu einer schnelleren und erfolgreicheren Akzeptanz führen wird.
Die biologisch aktiven Glasfasern, -teilchen und/oder -beschichtungen können lokal an eine chirurgische Stelle verabreicht werden, um postchirurgische Anhaftungen zu minimieren. Die Zusammensetzungen können optional in ein Polymermaterial aufgenommen sein, welches auf die chirurgische Stelle aufgebracht werden. Alternativ kann das biologisch aktive Gel-Glas als eine Beschichtung auf Polymermaterialien verwendet werden, welche auf die chirurgische Stelle aufgebracht wird. Vorzugsweise ist das Polymermaterial biologisch abbaubar. Geeignete Polymermaterialien für diesen Zweck sind zum Beispiel in dem US-Patent Nr. 5,410,016 von Hubbell et al. offenbart. Andere Materialien, die für diesen Zwecke geeignet sind, wie beispielsweise Interceed^®, Agarose und vernetztes Alginat, sind dem Fachmann auf dem Gebiet gut bekannt.
Biomedizinische Implantate gehen häufig mit einer Entzündung an der Implantationsstelle einher. Eine Aufnahme der hierin beschriebenen biologisch aktiven Glasfasern, insbesondere der hochgradig porösen biologisch aktiven Glasfasern, in die Implantate, insbesondere auf die Oberfläche der Implantate, kann die mit den Implantaten einhergehende Entzündung erheblich reduzieren. Dies kann in Nahtmaterialien besonders nützlich sein, um die mit diesen Materialien einhergehende Entzündung zu minimieren. Die antibakteriellen Eigenschaften der Zusammensetzungen erlauben es den Nähten auch, die Infektion, welche die Nahtstelle umgibt, zu minimieren.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgenden nicht beschränkenden Beispiele klarer verstanden werden.
BEISPIELE
Beispiel 1: Herstellung der von Silber enthaltendem Sol-Gel abgeleiteten biologisch aktiven Gläser
Mit Silber dotiertes 58S-Sol-Gel-Bioglass^® wurde nach einem Sol-Gel-Verfahren hergestellt. Die Struktureigenschaften des Materials (Oberflächenbereich, Porenvolumen und mittlerer Porendurchmesser) wurden durch Gassorption gemessen. Die antimikrobielle Wirkung des mit Silber dotierten Gel-Glases wurde mit einer Kontroll-Kultur ohne Gel-Glas verglichen. Die biologische Aktivität und das Lösungsverhalten der aus Gel abgeleiteten Probe in simulierter Körperflüssigkeit wurde ebenfalls überwacht.
Materialienherstellung
Ein biologisches Gel-Glas des Dreikomponentensystems CaO-P₂O₅-SiO₂, nämlich das 58S, in welches durch Substitution von CaO 2% (molar) Ag₂O eingebracht wurden, wurde hergestellt und wird hierin als 58S7Ag bezeichnet. Die Zahlen beziehen sich auf den Gewichtsprozentsatz an Siliziumdioxid und Silberoxid. Die Gemischzusammensetzungen des Materials sowie das kein Silber enthaltende Gegenstück 58S sind in Tabelle 3 aufgelistet. Die 58S7Ag-Probe wurde immer in der Dunkelheit unter Verwendung eines Sicherheitslichts behandelt und in einem schwarzen Behälter gelagert, um es in seinem oxidierten Zustand zu halten.
Tabelle 3 – Zusammensetzung der hergestellten Materialien in Mol und Gewicht
Hydrolyse und Copolymerisation
Die folgenden Verbindungen wurden zu entionisiertem Wasser (DI), das aus einem Fertigreinigungsgerät Micromeg Elgostat erhalten wurde, in aufeinanderfolgender Reihenfolge hinzugefügt: 2N Salpetersäure (HNO₃), Tetraethoxysilan (TEOS) 99% Reinheit, Triethoxyphosphat (TEP) 99% Reinheit A.C.S., Ca(NO₃)₂-4H₂O 99% Reinheit A.C.S. und AgNO₃ 99,99% Reinheit. Nach zwei Stunden mäßigem Rühren wurde das Gemisch in Polymethylpentan-Behälter gegossen, hermetisch abgedichtet und bei Raumtemperatur für zwei Tage gelieren gelassen.
Alterung
Die Behälter, welche die Gele enthielten, wurde in einen Oven bei 60°C überführt. Die Alterung benötigte 3 Tage.
Trocknung
Die gealterten Gele wurden auf ein Beobachtungsglas in einer Trocknungskammer über 250 ml DI-Wasser platziert. Dadurch wurden die Trocknungsbedingungen in der Nähe des Gleichgewichts realisiert, bei welchen die Porenflüssigkeit, die aus dem Gel verdampfte, durch den Dampfdruck des Wassers unterstützt wurde.
Der Trocknungsplan umfasste drei Stufen, die in Tabelle 4 aufgelistet sind. Der Temperaturgradient zwischen jeder Stufe betrug 0,1°C/Minute.
Tabelle 4 – Heizprogramm für die Trocknungsstufe
Stabilisation
Die Stabilisation wurde in einem Behälterofen bei 450°C für 19 Stunden durchgeführt.
Strukturcharakterisierung
Oberflächenanalyse
Die Strukturcharakterisierung wurde auf einem sechskanaligen Quantachrome AS6 Autosorb und zwei einkanaligen Quantachrome ASI Autosorb Gassorptionssystemen durchgeführt. Die Instrumente bestimmten Isothermen volumetrisch bei 77,4 K. Das Absorptionsgas war Stickstoff, N₂, mit 99,999% Reinheit. Die Querschnittsfläche der absorbierten Stickstoffmoleküle wurde mit 0,162 nm² zum Zwecke der Berechnungen der spezifischen Oberfläche angenommen.
Vor der Stickstoffsorption wurden alle Proben unter einem Vakuumdruck von weniger als 1 Pa bei 25°C für 19 Stunden entgast, um physikalisch absorbiertes Material von deren Oberflächen zu entfernen.
Jede Isotherme umfasste ein Minimum von 20 Absorptions- und 20 Desorptionspunkten, die im Gleichgewicht gemessen wurden. Wenigstens vier Absorptionspunkte in dem relativen Druckbereich von 0,05 < P/P₀ < 0,25 (wobei P₀ 1 der Sättigungsdampfdruck ist) wurden bei der Berechnung der BET-Oberfläche in jedem Fall verwendet. Es wurde sichergestellt, dass die Steigung und der Achsenabschnitt der BET-Plots positiv waren und dass die Produktmomentkorrelationskoeffizienten nicht kleiner als 0,9999 waren. Für jede Probe wurden zwei Isothermen aufgenommen, um sicherzustellen, dass die Daten repräsentativ waren. Die Daten von den jeweils zweiten Isothermen wurden bei der Bestimmung der hierin berichteten Strukturparameter verwendet. Die spezifischen Oberflächen und Porenvolumen wurden im Verhältnis zu den Massen der Proben berechnet.
Gerüstdichte
Die Gerüstdichte (tatsächliche Dichte) wurde durch Helium-Ultrapyknometrie unter Verwendung eines Quantochrom-Helium-Ultrapyknometer 1000 gemessen. Das Instrument verwendet die ideale Gasgleichung PV = nRT zum Messen des von der Probe besetzten Volumens. Die Masse der Probe wurde unter Verwendung einer digitalen Waage mit vier Dezimalstellen gemessen.
Das Instrument wurde unmittelbar vor der Durchführung der Analyse kalibriert. Die Messungen wurden 80 Mal wiederholt, um die Reproduzierbarkeit sicherzustellen.
Behandlung von Daten
Das am meisten verwendete Model für die Berechnung der spezifischen Oberfläche ist das BET-Verfahren, welches auf der Messung von Gasmengen, die bei Gleichgewichtsdruck auf einer Oberfläche physikalisch absorbiert werden, basiert. Dieses Verfahren liefert zuverlässige Ergebnisse für Isothermen vom Typ II und IV (gemäß den Brunauer- und IUPAC Klassifikationen).
Bestimmungen des spezifischen Porenvolumens wurden aus der Menge an Stickstoff, der von den Proben im Bereich von 0,9947 < P/P₀ < 0,9956 aufgenommen wurde, erhalten. Porengrößenverteilungen wurden anhand der Desorptionsdaten nach dem BJH-Verfahren berechnet (Barret E. P. Joiner L. G. & Halenda P. P., J. Am. Chem. Soc., 73, 1951, Seiten 373–380).
Die Standardabweichungen der Mittelwerte wurden von der spezifischen Oberfläche berechnet, das spezifische Porenvolumen, der mittlere Porendurchmesser, der modale Porendurchmesser und die Gerüstdichte wurden ebenfalls bestimmt. Die 95% Vertrauensgrenzen wurden ebenfalls berechnet. Es wurde angenommen, dass die Probenpopulation einer Gauß-Verteilung entsprach.
EDAX-Analyse
Da das Material sichtbar nicht homogen erschien (es waren weiße, rötliche und schwarze Schattierungen beobachtbar), wurden drei Stücke mit drei verschiedenen Farbschattierungen ausgewählt, mit Kohlenstoff beschichtet und qualitativer und quantitativer energiedispersiver Röntgenanalyse (EDAX) unterzogen. Das Prinzip hinter dieser Technik ist das folgende: Ein einfallender Elektronenstrahl bewirkt, dass Atome einen Energieübergang zu einem höheren elektronischen Zustand vollziehen; die Röntgenstrahlung, die bei der Rückkehr in ihren ursprünglichen elektronischen Zustand emittiert wird, welche für jedes Element charakteristisch ist, wird dann von dem Instrument aufgenommen.
In vitro-Studie der biologischen Aktivität und Lösung
Herstellung einer Lösung von simulierter Körperflüssigkeit (SBF)
Sämtliche Chemikalien, die für diese Herstellung erforderlich waren, hatten den höchsten verfügbaren Reinheitsgrad. Die Reagenzien wurde zu 700 ml DI-Wasser bei 36,5°C unter konstantem Rühren in der folgenden Reihenfolge hinzugefügt: 7,9968 NaCl, 0,35 g NaHCO₃, 0,2248 KCl, 0,2288 K₂HPO₄-3H₂O, 0,305 g MgCl₂-6H₂O, 40 ml 1 N HCl, 0,368 g CaCl₂, 0,071 g Na₂SO₄, und 0,057 g (CH₂OH)₃CNH₂. Der pH-Wert wurde dann mit 1 N HCl auf 7,25 eingestellt, und schließlich wurde die Lösung in einem volumetrischen Kolben auf 1 Liter gebracht. Die Lösung wurde bei 40°C in Polyethylen-Flaschen für nicht länger als einen Monat gelagert.
Bioaktivitätstest
Ein Eintauchen von Pulver oder Masseproben von biologisch aktivem Glas in SBF (welche der Zusammensetzung von menschlichem Blutplasma gleicht) initiiert die Oberflächenreaktionen, die zu der Abscheidung einer knochenähnlichen HCA-Lage führen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt. Die Kinetiken der HCA-Bildung, die mit diesem experimentellen in vitro-Verfahren beobachtet wurden, korrelieren genau mit den Ergebnissen von in vivo-Studien.
Tabelle 5 – Ionenkonzentrationen der SBF-Lösung und von menschlichem Blutplasma in mmol/cm³
58S7Ag-Proben (Quadergewicht von jeweils ~ 60 mg) wurden in 10 ml SBF in PMP-Behältern eingetaucht, welche abgedichtet und in ein Wasserbad bei 37°C für verschiedene Zeitintervalle gestellt wurden. Jedes Experiment wurde in dreifacher Ausführung durchgeführt. Die Proben wurden zu den erforderlichen Zeiten gewonnen und in einem Ofen bei 60°C für wenigstens 4 Stunden getrocknet. Die Eintauchzeiten variierten zwischen 1 Stunde und 7 Tagen.
Die Auflösung der Bestandteile des Gel-Glases wurde mit quantitativer induktiv gekoppelter Plasma-Analyse (ICP) untersucht, welche auf Atomemissionsspektrometrie beruht. Das Prinzip dieser analytischen Technik ist das folgende: Eine Lösung des Elements, dessen Konzentration bestimmt werden soll, wird als wässriges Aerosol in die ionisierende ICP-Flamme eingebracht, das von den Atomen oder Ionen emittierte Licht wird von dem Spektrometer detektiert, und die Konzentration wird durch Vergleich mit einer Standardlösung berechnet. Die Freisetzung von Si-, Ca-, P- und Ag-Ionen in die SBF-Lösung wurde unter Verwendung dieser Technik überwacht. Die Detektionsgrenzen des Instruments für die interessierenden Elemente waren jeweils 0,050, 0,100, 0,200 und 0,020 ppm.
Das Wachstum der HCA-Schicht wurde unter Verwendung eines FTIR-Spektrophotometers der Midac-Serie überwacht. Die Spektren wurden zwischen 400 und 1600 cm^–1 aufgezeichnet, wobei die diffuse Strahlung, die von der Oberfläche der Probenmasse reflektiert wird, gemessen wurde. Dies ist eine nicht-zerstörende Analyse, die nicht die Herstellung einer KBr-Scheibe erfordert.
Antibakterielle Tests
58S1Ag wurde mit Mörser und Pistille zu Pulver vermahlen und innerhalb des Teilchengrößenbereichs von 90 bis 710 μm gesiebt. Die antimikrobielle Wirkung der Pulverproben wurde an Flüssigkulturen von E. coli (Stamm MG1655) untersucht. Das Wachstumsmedium für die Bakterien war LB, ein reiches Medium, das mit Bacto-Trypton, Hefeextrakt und NaCl hergestellt wird.
Eine 5 ml Starterkultur von E. coli wurde für 6 Stunden inkubiert. 100 μl dieser Kultur wurden dann in 5 ml LB-Medium angeimpft, welches 100 mg und 200 mg 58S7Ag enthielt. Eine Kontrollprobe, die nur die Zellanimpfung in LB enthielt, wurde ebenfalls kultiviert. Jedes Experiment wurde in dreifacher Ausfertigung durchgeführt. Die Kulturen wurden in einen Orbitalschüttler gestellt und bei 37°C für 20 Stunden inkubiert.
Die antibakterielle Wirkung wurde anhand des prozentualen Wachstums von E. coli bestimmt. Die Konzentration von Zellen in Suspension wurde anhand von Messungen der optischen Dichte der Trübung der Lösung unter Verwendung eines Spektrophotometers, das die Absorption bei 600 nm ausliest, berechnet. Die Absorptionswerte wurden durch Subtrahieren der Auslesungen der optischen Dichte des nicht angeimpften LB-Kulturmediums "normalisiert".
Statistische Behandlung von Daten
Die Messungen der optischen Dichten der Probenpopulationen (E. coli + 58S7Ag) wurden mit der Kontrollkulturpopulation verglichen, wobei angenommen wurde, dass deren Standardabweichungen nicht signifikant unterschiedlich waren. Eine "gepoolte" Berechnung der Standardabweichung S wird unter Verwendung der folgenden Formel berechnet:
Gleichung 7 worin s₁ und s₂ die zwei zu vergleichenden Standardabweichungen sind. Der Wert von t (bei n₁ + n₂ – 2 Freiheitsgraden) ist gegeben durch:
Gleichung 8
ERGEBNISSE
EDAX-Analyse
Es wurden EDAX-Spektren erhalten, welche die Gegenwart aller Spezies bestätigten, die während der Mischstufe des Sol-Gel-Verfahrens eingebracht worden waren. Peaks, die bei 1,760, 2,020 und 3,020 beobachtet wurden, sowie zwei Peaks, die um 3,720 keV beobachtet wurden, repräsentieren Si, P, Ag bzw. Ca. Unabhängig von dem inhomogenen Erscheinungsbild des Materials zeigte die quantitative EDAX-Analyse eine Gesamthomogenität der Zusammensetzung von 58S7Ag (Tabelle 6).
Die relativen Konzentrationen an Netzwerk-Modifzierern Ca, P und Ag sind aufgrund des Austritts während des Gelierens und der Trocknung niedriger als es durch die nominale Gemischzusammensetzung angegeben ist.
Tabelle 6 – Quantitative EDAX-Analyse von drei verschiedenen Stücken von 58S7Ag
Strukturcharakterisierung
Von den 58S7Ag-Proben wurden Absorptions- und Desorptionsisothermen für Stickstoff aufgenommen. Die Isothermen waren repräsentativ für diejenigen, die für sämtliche der 58S7Ag-Proben genommen wurden, und waren vom Typ IV, was anzeigt, dass die Proben mesoporös sind (d.h. sie weisen Porendurchmesser im Bereich von 20 bis 500 Å auf). Eine Hysterese im Mehrschichtbereich der Isothermen, wiedergegeben durch die Abweichung des Weges der Absorptions- und Desorptionsdaten, geht einher mit Kapillarkondensation in der Mesoporenstruktur. Die Hystereseschleifen sind vom Typ H1 (früher Typ A), was das Vorhandensein zylindrischer Poren mit enger Porengrößenverteilung anzeigt.
Die modalen Porendurchmesser für 58S7Ag betragen jeweils etwa 169 Å. Somit sind die modalen Porenradien von ~85 Å bedeutend geringer als die mittleren Porenradien von 135,6 Å. Es wird angenommen, dass der Unterschied zwischen den zwei Werten von einer Kombination von Faktoren herrührt: Abweichung von der perfekten zylindrischen Geometrie, dem Volumen, das mit den Verbindungen der Poren einhergeht, und die Existenz einer geringen Anzahl großer Poren.
Die Strukturmerkmale von 58S7Ag sind nachfolgend in Tabelle 7 gezeigt. Tabelle 7 – Die Strukturmerkmale von 58S7Ag

⁺ 2 V_p/S_BET

Der kalkulierte Wert der Dichte der Masse von 58S7Ag beträgt 1,0759 g/cm^–3, was eine hochgradige poröse Siliziumdioxidmatrix bedeutet.
Biologische Aktivität und Lösungsverhalten
Es wurden FTIR-Spektren von 58S7Ag als eine Funktion der Verweilzeit in SBF aufgenommen. Die Spektren zeigen Peaks bei 605 und 567 cm^–1, was den Deformationsschwingungen der Phosphat-P-O-Bindungen entspricht. Der breite Peak um 460 cm^–1 herum rührt von der Deformationsschwingung von amorphen Siliziumdioxid her, und der Peak bei 1100 cm^–1 wird der Si-O-Streckschwingungsmode zugeordnet. Der Bioaktivitätstest in vitro für das 58S7Ag zeigte eine hohe Geschwindigkeit der HCA-Abscheidung. Das Wachstum von Hydroxylapatit ist bereits nach 3,5 Stunden sichtbar und nimmt mit der Zeit zu, wogegen Siliziumdioxid-Peaks weniger vorherrschend werden, wie es durch die FTIR-Spektren gezeigt wird.
Aus der ICP-Analyse wurden Ionen-Konzentrationskurven erhalten, und diese Kurven waren mit den FTIR-Ergebnissen konsistent. Jeder aufgetragene Datenpunkt war der Mittelwert aus drei Messungen. Nach 48 Stunden gab es eine beträchtliche Abnahme der Phosphatkonzentration, was die Präzipitation von Hydroxylapatit anzeigt. Die Silizium-Lösungsrate ist nach den ersten drei Tagen nach wie vor hoch. Diese langsame Freisetzung von Silberionen in die Lösung legt nahe, dass diese von dem Silikatnetzwerk stark cheliert werden. Die maximale Silberkonzentration, die nach 7 Tagen beobachtet wurde, war noch immer niedriger als 30 μM, was vom toxikologischen Standpunkt aus gesehen als sicher angesehen wird.
Antibakterielle Eigenschaften
Die Wirkung von 58S7Ag auf E. coli MG1655 nach 20 Stunden der Inkubation wurde bestimmt. Die Intensität der Absorption bei 600 nm ist ein Maß der optischen Dichte, welches wiederum ein Maß für die E. coli-Zellkonzentration ist. Die Ergebnisse zeigen, dass die Gegenwart von 58S7Ag (braune Säule) das Wachstum von E. coli MCT1655 stark hemmte, was zu einer Zellkonzentration führte, die 85% niedriger war als die Kontrolle nach 20 Stunden Inkubation. Das mit Ag dotierte Gel-Glas 58S7Ag zeigte eine stark antimikrobielle Reaktion.
ICP-Daten offenbaren, dass die Freisetzung von Silikat-Spezies aus 58S7Ag nach den ersten drei Tagen in SBF fortgesetzt wird. Diese langsame Freisetzung von Silberionen zeigt, dass diese von dem Silikatnetzwerk stark cheliert werden. Schnelle Auflösungskinetiken können erforderlich sein, um eine effektive antimikrobielle Wirkung in klinischen Anwendungen zu erhalten, um die Entwicklung einer antimikrobiellen Resistenz zu verhindern. In einigen Ausführungsformen kann es bevorzugt sein, ein mit Silber dotiertes biologisch aktives Gel-Glas herzustellen, in welchem die Silberionen nicht stark an die Siliziumdioxidmatrix gebunden sind. Dies kann erreicht werden, indem man eine niedrigere Stabilisationstemperatur, Gel-Gläser mit einer größeren Porengröße, eine größere Volumenfraktion von Poren oder eine höhere Konzentration an Silberdotierungsmittel verwendet.
Die prozentuale Zusammensetzung des biologisch aktiven Systems Si₂O-CaO-P₂O₅-Ag₂O, welche mit quantitativer EDAX-Analyse bestimmt wurde, zeigt, dass der tatsächliche Gehalt an Netzwerk-Modifizieren (CaO, P₂O₅, Ag₂O) in dem Endprodukt von derjenigen der nominalen Gemischzusammensetzung verschieden ist. Dieses Phänomen kann der unvollständigen Hydrolyse von TEP und dem Austreten von löslichen Ionen aus dem Siliziumdioxid-Netzwerk während des Gelierens, Waschens und Trocknens zugeschrieben werden.
Der Sol-Gel-Weg wurde erfolgreich zur Herstellung einer neuen Zusammensetzung von biologisch aktivem Gel-Glas, welches Silberoxid enthält, verwendet. Das resultierende Material ist ein poröses Gel-Glas mit den gewünschten Struktureigenschaften: einer mesoporösen Struktur mit zylindrisch geformten Poren, welche monomodal verteilt sind.
Ein in vitro Bioaktivitätstest hat gezeigt, dass die Einführung von 3 Gew.-% Silberoxid zu dem Dreikomponentensystem SiO₂-CaO-P₂O₅ die biologische Aktivität nicht hemmt. Die Auflösungsstudie hat bestätigt, dass das Material zur Freisetzung von Silikat-Spezies (was für dessen mitogenen Effekt in vivo wichtig ist) auch nach den ersten drei Tagen des Eintauchens in der Lage ist. Die Auflösungsgeschwindigkeit von Silberionen ist für mögliche klinische Anwendungen relevant, da die Vorraussetzung für ein effektives, topisches antimikrobielles Mittel eine sofortige und konzentrierte Freisetzung dieses Mittels ist. Die beobachteten Auflösungskinetiken zeigten eine langsame und konstante Auflösungsrate über einen Zeitraum von 7 Tagen. Eine Modifikation des Sol-Gel-Verfahrens kann ein Material liefern, das die Freisetzungskinetiken von Silberionen kontrollieren und für eine spezielle klinische Anwendung Maßschneidern kann.

Claims

Zusammensetzung mit einem von einem Silber enthaltenden Sol-Gel abgeleiteten biologisch aktiven Glas, wobei das biologisch aktive Glas ein anorganisches Glasmaterial ist, das SiO₂, CaO, P₂O₅ und ein Silbersalz enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Silbersalz Ag₂O ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 1 in der Form von Teilchen, Fasern oder Beschichtungen.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, welche weiterhin ein oder mehrere therapeutische Mittel enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 4, wobei therapeutisches) Mittel aus der Gruppe ausgewählt ist/sind, bestehend aus heilungsfördernden Mitteln, Wachstumsfaktoren, antiinflammatorischen Mitteln und topischen Anästhetika.
Zusammensetzung nach Anspruch 4, wobei das therapeutische Mittel ein topisches Antibiotikum ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 6, wobei das topische Antibiotikum aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Chloramphenicol, Chlortetracyclin, Clyndamycin, Cliochinol, Erythromycin, Framycetin, Gramicidin, Fusidinsäure, Gentamycin, Mafenid, Mupiroicin, Neomycin, Polymyxin B, Bacitracin, Silber-Sulfadiazin, Tetracyclin, Chlortetracyclin und Kombinationen davon.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das biologisch aktive Glas eine Porosität zwischen 10 und 80 Prozent hat.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das biologisch aktive Glas die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent hat: Komponente Prozent SiO₂ 40–90 CaO 6–50 P₂O₅ 0–12 Ag₂O 0,1–12
Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das biologisch aktive Glas die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent hat: Komponente Prozent SiO₂ 45–86 CaO 10–36 P₂O₅ 3–12 Ag₂O 3–12
Zusammensetzung nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, welche weiterhin eines oder mehrere aus CaF₂, B₂O₃, Al₂O₃, MgO, K₂O und Na₂O enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das biologisch aktive Glas die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent hat: Komponente Prozent SiO₂ 45–86 CaO 6–50 P₂O₅ 0–12 Ag₂O 0,1–12 Al₂O₃ 0–3 CaF₂ 0–25 B₂O₃ 0–20 K₂O 0–8 MgO 0–5 Na₂O 0–20
Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das biologisch aktive Glas die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent hat: Komponente Prozent SiO₂ 45–86 CaO 10–36 P₂O₅ 3–12 Ag₂O 3–12 CaF₂ 0–25 B₂O₃ 0–10 K₂O 0–8 MgO 0–5
Zusammensetzung nach Anspruch 3, wobei die Teilchen, Fasern oder Beschichtungen eine Porengröße im Bereich zwischen etwa 20–400 Ångström haben.
Zusammensetzung nach Anspruch 3, wobei die Teilchen, Fasern oder Beschichtungen eine Oberfläche im Bereich zwischen etwa 20–400 m²/g haben.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung mit einem biologisch kompatiblen, biologisch abbaubaren Material unter Ausbildung eines Verbundmaterials vereinigt ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung Teil einer Matrix, die für Gewebeverfahrenstechnik eingesetzt wird, ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 3, wobei die Zusammensetzung in der Form von Fasern vorliegt.
Zusammensetzung nach Anspruch 18, wobei die Zusammensetzung in einem Knochentransplantatersatz enthalten ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung in einem implantierbaren Material enthalten ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 20, wobei das implantierbare Material aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Prothesenimplantaten, Bögen, Nadeln, Ventilen, Nähten, Stents, Schrauben, Platten und Röhren.
Von einem Silber enthaltenden Sol-Gel abgeleitetes biologisch aktives Glas, gemäß Anspruch 1 für die Verwendung als eine aktive pharmazeutische Substanz.
Verwendung eines von einem Silber enthaltenden Sol-Gels abgeleiteten biologisch aktiven Glases, gemäß Anspruch 1 bei der Herstellung eines Medikaments für die Behandlung einer Wunde oder einer Verbrennung in einem Subjekt.
Verwendung eines von einem Silber enthaltenden Sol-Gels abgeleiteten biologisch aktiven Glases, gemäß Anspruch 1 bei der Herstellung eines Medikaments für die Behandlung einer Hauttransplantationsstelle in einem Subjekt und/oder eines Donorgewebes für eine Hauttransplantation.
Wund- oder Verbrennungsabdeckung mit einem Verband, welcher die Teilchen, Fasern oder Beschichtungen nach Anspruch 3 und ein topisches Antibiotikum umfaßt.