Zdroj: Bioceramics: Properties, Characterization, and applications (Biokeramika: Vlastnosti, charakterizace a aplikace) Překlad: Václav Petrák Kapitola 8., strany: 167-177 8. Sklokeramika (a) Nádoby Corning ware byly vyvinuty roku 1953 S. D. Stookem z Corning Glass Works jako sklokeramika která vykazuje odolnost proti tepelnému šoku a velkou pevnost. Tyto sklokeramické materiály mohou být použity jako sporáky, mísy na pečení, atd. Speciální sklokeramika byla upravena tak aby měla za následek reakci tkáně (pomocí Ca/P iontů) a umožnila tak těsné připojení tkáně. (b) Chirurgem tvarované implantáty středního ucha, vyrobené z obrobitelné sklokeramiky (Biovert II ) Speciálně připravená sklokeramika je chemicky aktivní a reaguje příznivě s tkáněmi pomocí formování chemických vazeb s měkkými a tvrdými tkáněmi. Tato speciální sklokeramika je polykrystalická keramika vyrobené řízenou krystalizací skla, což je proces který vyvinul S. D. Stookey z Corning Glass Works na začátku 60. let 20. Století. Nejdříve byla sklokeramika využívána ve fotosensitivních sklech, ve kterých je male množství mědi, stříbra a zlata. Tyto kovy jsou sráženy pomocí ozařování ultrafialovým světlem. Pokud je sklokeramika vystavena slunečnímu světlu, sraženiny rostou do takové velikosti, že interferují se světelnými vlnami a tím způsobují jeho neprůhlednost. Tyto kovové sraženiny pomáhají nukleovat a krystalizovat sklo do formy keramiky s jemnými zrny, která se vyznačuje excelentními mechanickými a tepelnými vlastnostmi a může být použita v mnoha komerčních produktech: Corelle wares, Bioglass, Carevital a obrobitelný Biovert.
8.1 VYTVÁŘENÍ SKLOKERAMIKY Důležité faktory při formování sklokeramiky jsou nukleace a růst krystalů o malé (<1 m v průměru) a jednotné velikosti. Dle odhadu je k vytvoření takto malých krystalů potřeba 10 12 až 10 15 nukleí na centimetr krychlový. Kromě již zmíněných nukleacích činidel (Cu, Ag, a Au), jsou jako nukleační činidla používány Pt skupiny, TiO 2, ZrO 2, a P 2 O 5. Nukleace skla je podováděna při teplotách mnohem nižších než je teplota tání, nebo teplota fázového přechodu skla, za kterých je viskozita tání v rozsahu od 10 12 do 10 15 Poise po dobu 1 až 2 hodin. Abychom dostali více krystalického materiálu, je sklo dále zahříváno na teplotu, při které může být dosaženo maxima růstu krystalu bez deformace produktu, nebo fázové transformace v krystalické fázi, nebo redisociace některých z fází. Pokud je velikost zrn 0.1 až 1 m, což je mnohem menší velikost než u konvenční keramiky, je krystalizace obvykle kompletní z více než 90 %. Obrázek 8.1 je schematická reprezentace teplotně-časového cyklu pro sklokeramiku. Tání a formování Růst teplota Nukleace Pokojová teplota čas Obrázek 8.1 Teplotně-časový cyklus pro sklo-keramiku
Tabulka 8.1 Složené některých sklokeramik Značení SiO 2 CaO Na 2 O P 2 O 5 MgO K 2 O Al 2 O 3 F TiO 2 Bioglass 42S5.6 42,1 28 26,3 2,6 - - - - - 46S5.2 46,1 26,9 22,4 2,6 - - - - - 49S4.9 49,1 25,3 23,0 2,6 - - - - - 52S4.6 52,1 23,8 21,5 2,6 - - - - - 55S4.3 55,1 22,2 20,1 2,6 - - - - - 60S3.8 60,1 19,6 17,7 2,6 - - - - - Ceravital Bioactive 40,0-50,0 30,0-35,0 5,0-10,0 10,0-15,0 2,5-5,0 0,5-3,0 - - - Nonbioactive 30,0-35,0 25,0-30,0 3,5-7,5 7,5-12,0 1,0-2,5 0,5-2,0 - - - A-W Bioactive 34,0 44,7-16,2 4,6 - - - - Biovert I 29,5-50 13-28 5,5-9,5 8-18 6-28 +Na 2 O 0-19,5 2,5-7 přísada II 43-5 0,1-3 7-10,5 0,1-5 11-15 +Na 2 O 26-30 3,3-4,8 - Složení Ceravital a Biovert jsou ve % váhy, složení Bioglass jsou v % molu. Dále jsou přítomny : Al 2 O 3 (5,0-15,0), TiO 2 (1,0-5,0) a Ta 2 O 5 (5,0-15,0). A-W obsahuje CaF2 (0,5%) a všechny hodnoty jsou v % váhy. Pro implementaci byly vyvinuty dva typy sklokeramiky: SiO 2 -CaO-Na 2 O-P 2 O 5 (Bioglass ) a Li 2 O-ZnO-SiO 2 (Ceravital ). Někteří výzkumníci měnili složení Ceravitalu (které je uvedeno v tabulce 8.1) aby dosáhli maximálního vyvolání vzniku přímé vazby s kostí. Vazba souvisí se současným vznikem kalcium-fosfátové vrstvy a vrstvy bohaté SiO 2 na povrchu, jak ukazuje systém 46S5.2. Pokus se jako první vytvoří vrstva bohatá SiO 2 a kalcium-fosfátová vrstva se vytvoří později *46-55 mol% (m/o) SiO 2 ), nebo se nevytvoří vůbec, pak není pozorována žádná vazba s kostí. Fázový diagram SiO 2 -CaO-Na 2 O (obrázek 8.2) ukazuje oblast reaktivity (A), která formuje vazby s kostí během 30 dní; Oblast B má příliš nízkou a oblast C příliš vysokou reaktivitu na vytvoření vazby. Oblast D neformuje sklo. Obrobitelná sklokeramika je založena na slído-apatitové sklokeramice (SiO 2 -(Al 2 O 3 )-MgO- Na 2 O-K 2 O-F-CaO-P 2 O 5 ) a je klasifikován jako křemíko-fosfátový typ. Chemické složení některých sklokeramik je uvedeno v tabulce 8.1. Tyto sklokeramiky mají podobné složení
jako ty z Bioglassu a mohou být použity jako výplň a pro přímé připojení ke tkáni. Ilustrace na začátku této kapitoly ukazuje takovéto implantáty, které jsou používané v uchu. Obrázek 8.2. SiO 2 -CaO-Na 2 O (fázový) diagram: (A) vazby s kostí ve 30 dnech; (B) nevazebné příliš nízká reaktivita; (C) nevazebné příliš vysoká reaktivita; (D) vázané ale neformuje skla. Složení Ceravitalu je, co se obsahu SiO 2 týká, podobné Bioglassu, ale liší se v ostatních komponentech (tabulka 8.1). Kvůli řízení míry redisociace je v Carevitalu dále přítomen Al 2 O 3, TiO 2 s TaO 5. Směs je rozpouštěna v platinovém tyglíku za teploty 1500 C po dobu 3 hodin, žíhaná, a pak ochlazená. Nukleační a krystalizační teploty jsou 680 a 750 C. Oba procesy by měly probíhat 24 hodin. Pokud jsou krystaly velké okolo 40 nm a nevykazují žádnou charakteristickou jehlovitou strukturu, proces je ukončen. Systém Li 2 O-ZnO-SiO 2 byl původně vinut pro tvorbu laserového krystalu. Později byl modifikován laserem, aby měl menší propustnost proti RTG záření a také lepší mechanické a tepelné vlastnosti při použití jako restorativní dentální kompozity. Dále bylo vyvinuto další bioaktivní sklo, A-W, které je pojmenováno po apatitu a wollastonitu (SiO 2 CaO). Chemické složení A-W skla je uvedeno v tabulce 8.1. 8.2 VLATNOSTI SKLOKERAMIKY Původně vyvinuté sklokeramiky mají prvotřídní tepelné (nízká tepelná expanze) a mechanické vlastnosti díky řízené velikosti zrn. Dále pak krystalizace nukleí pomocí světla umožňuje výrobu fotosensitivního skla.
Tabulka 8.2. Mechanické vlastnosti sklokeramiky Vlastnost Bioglass Ceravital A-W Youngův modul (GPa) 35 100-159 118 Pevnost v tahu (MPa) 200 400 - Pevnost v tlaku (MPa) 42 500 1080 Pevnost v ohybu 160-190 130 215 Tvrdost (Vickers) 458 294 680 Lomová houževnatost 2 4,6 3,34 8.2.1. Mechanické vlastnosti Díky řízené velikosti zrn a zlepšené odolnosti proti poškození povrchu mají sklokeramiky nejméně dvojnásobnou pevnost v tahu (od 100 do 200 MPa), a jejich odolnost proti poškrábání a oděru jsou blízké hodnotám které má safír. Modul elasticity je řádu 100 GPa, a pevnosti v tlaku je pět krát větší než pevnost v tahu, jak je uvedeno v tabulce 8.2. Mechanické vlastnosti sklokeramik jsou horší ve srovnání s vlastnostmi kysličníku hlinitého (alumina) a dalších nebioaktivních keramik, takže aplikace těchto materiálů je limitována na povlakové tenké vrstvy nebo kompozity podobně jako u hydroxypatitu. 8.2.2. Chemické vlastnosti Rozpouštění iontů do (vodnatého) média (Obr. 8.3) je první krokem při reakci sklokeramiky s tvrdými nebo měkkými tkáněmi. Během tohoto procesu se mění ph, jak ukazuje obrázek 8.4. Augerova elektronová spektroskopie (AES) a infračervená reflexní spektroskopie (IRRS) povrchu Bioglassu ukázaly, že formování povrchové vrstvy bohaté na kalcium fosfát koresponduje se schopností materiálu vázat se na živé kosti. Podobnost hydroxyapatitu a sklokeramiky v infračerveném reflexním spektru mezi po rozpuštění je dalším důkazem možné přímé vazby s kostí. Prozařovací elektronová mikroskopie (TEM) ukazuje úzké spojení mezi mineralizovanou kostí a Bioglassem implantované do femuru krysy po 6 týdnů. Při řádném výběru kompozice je sklokeramika díky své chemické reaktivitě bioaktivní s měkkými a tvrdými tkáněmi. Sklokeramiky mohou být dále rozděleny do dvou kategorií (A a B), podle bioaktivity. Pokud keramika vede k osteoprodukci (nebo osteoindukci),patří do skupiny A, pokud k osteokondukci tak do skupiny B. Podle dalších hypotéz se osteprodukce vyskytuje, když materiál vyvolává zároveň intracelulární a extracelulární odezvu při na místě svého kontaktu s tkání. Osteokondukce nastupuje, když materiál vykazuje pouze extracelulární odezvu v místě svého kontaktu s tkání. Obrázek 8.8 ukazuje časově-závislé
chování A a B keramiky in vivo a in vnitro. Rozpustný křemík a křemičité kyseliny se uvolňují kvůli výměně iontů s H + a H 3 O +,který začíná bezprostředně (Obr. 8.8A). Uvolňování Iontů (g/cm 2 ) Stabilní keramika Carevital Vysoce alkalické sklo Obrázek 8.3 Rozpustnost práškových vzorků různých bioaktivních skel a keramiky v neutrálním solventu s ph 7.3. 45S5 ph 52S4.6 60S3.8 čas (hodiny) Obrázek 8.4 Změny v ph roztoku vystaveného různým skleněným kompozicím jako funkce reakčního času. Rychlost, se kterou se rozpouští křemík, s přibývajícím časem klesá díky zvýšení ph a srážení komplexních křemíkových fází u povrchu. Další výzkum ukázal důležitost rozpustného křemíku ve specifické metabolické funkci u spojovacích tkání na molekulární úrovni, kde tvoří křemíkové komplexy s glykosaminoglykanovými proteiny, které jsou základními materiály pro kolagen, elastin, atd.
Velikost augerova píku Hloubka (nm) Obrázek 8.5. Hloubkový profil 45S5, 52S4.6, a 60S3.8 skel po reakci pomocí AES za použití techniky železného vrtání s Ar iontovým paprskem. Reflektantce Vlnočet (cm -1 ) Obrázek 8.6 (a) IRRS spektru hydroxyapatitu a (b) rozdíl v IRRS spektru mezi sklem 52S4.6 reagovanému 1 hodinu a sklem 60S3.8 sklem reagovanému 7 dní. Zaznamenaný nárůst v bujení a diferenciaci buněk může být rovněž způsobena rozpustným křemíkem, který může způsobit transformujícího růstového faktoru (TGC- 1 ) jak ukazuje obrázek 8.8B. Podobné výsledky byly pozorovány v rámci alkalinové fosfátové aktivity a tvoření kolagenu. (Obr. 8.8C,D) Rozpustný křemík urychluje tvorbu amorfního kalcium fosfátu (AKP) mnohem více v kategorii A než v kategorii B keramiky (Obr. 8.8E). AKP se stává možný místem heterogenní nukleace krystalického hydroxykarbonového apatitu. Experimenty prováděné in vivo ukázaly rychlejší vazbu kostní vazbu u keramiky kategorie A díky výše zmíněným faktorů. Klinická aplikace sklokeramik je omezena kvůli jejím přirozeným vlastnostem: křehkost, slabá pevnost v tahu a potíže při aplikaci na povrch jiných, pevnějších materiálů. Většina aplikací je limitován na aplikaci v ušní, nosní, krční, dentální a maxilofaciální oblasti.
rozhraní kost sklokeramika Obrázek 8.7 Mikrograf z prozařovacího elektronového mikroskopu dobře mineralizované kosti srovnávaná se sklokeramikou, která byla rozlomená během segmentování (51 500 ). V obrázku je vložen difrakční vzor z keramické oblasti a (b) z oblasti kosti. Si (ppm) TGF- Kostní kolagen APA -CAP Kostní vazba (%) Čas (hod) Obrázek 8.8 Časově závislé chování kategorie A a B bioaktivních materiálů
Příklad 8.1 Odhadněte poměr rozpustnosti in vitro na povrchu implantátu vyrobeného z 45S5 Bioglass za rok pokud patří do kategorie A v obrázku 8.8A. Odpověď. Z obrázku je možné přibližně určit sklon mezi 100 a 1000 hod 1 rok = 365 dní 24 hodin/den Poměr rozpustnosti = (28 24) / (1000-100) = 4,4 10-3 ppm/hod = =4,4 10-3 8760 ppm/rok = 38,5 ppm/rok 1 ppm = 1 mg/1000 g Tedy, poměr rozpustnosti = 38,5 ppm/rok = 38,5 10-3 mg/g/rok =0,0385 mg/g/rok. Rozpustnost je měřena vzhledem ke koncentraci křemíku [Si]. Není možné stanovit, že je zde vztah jedna k jedné mezi křemíkem a základním materiálem. To určuje, že Bioglass se bude rozpouštět v poměru 0,0385 mg na rok z 1 g Bioglassu, pokud budou podmínky stejné. 8.3 POVLAKOVÉ VRSTVY A KOMPOZITY Hlavní nevýhodou sklokeramiky, obdobně jako u jiných skleněných materiálů a keramiky, je její křehkost. Mimoto, vzhledem k omezení jejích složek ve vztahu k biokompatibilitě (nebo osseo- nebo osteogenicitě), mechanická pevnost nemůže být dostatečně zlepšena jako je to možné u průmyslově vyráběných sklokeramik. Proto je nemůžeme použít k výrobě takových implantátů, jako jsou klouby. Nanášení bioaktivní sklokeramiky na jiné materiály je velmi obtížné vzhledem k nekompatibilitě koeficientu tepelné expanze, minimální schopnosti tvořit chemickou vazbu a různorodosti chemické struktury (pokud se podmínky nanášení vrstvy, tlak a teplota, dostatečně nekontrolují). Byly pokusy nanést oxido-hlinitou keramiku a 316L nerezovou ocel. Nerezová ocel byla dvakrát nanášena spečením s nerozpustným sklem (SiO 2, Al 2 O 3, Na 2 O, CaO a K 2 O). Třetí vrstva byla aplikována s bioaktivní keramikou (CaO 46%, P 2 O 3 %, MgO 4,7%, Na 2 O 3,3%,CaF 2 1,2% a SiO 2 ). Výsledný implantát s nanesenou tenkou vrstvou vykazují podobnou reakci na tkáň jako bioaktivní keramika a má dostatečně dobré mechanické vlastnosti (460-MPa síla v ohybu) v aplikacích jako jsou zubní implantáty *6+. Proběhlo mnoho pokusů o vytvoření kompozit z prášku biokompatibilní sklokeramiky s polyetylenem a polysulfonem a sklokeramickými vlákny s polysulfony ke zvýšení pevnosti. PMMA (polymetylmetakrylát) a bi-gma (bifenol-α-glycidyl metakrylát) kostní cementy byly vytvořeny za účelem otestování jejich vhodnosti pro upevnění implantátu. Tyto kompozity mají dva hlavní nedostatky, které nemohou být jednoduše odstraněny. Jedním je přirozený nedostatek vazeb mezi sklokeramikou a základními materiály, tedy oslabení jejich pevnosti v tlaku a v tahu. Druhým je, že bioaktivita sklokeramických materiálů nemůže být získána na povrchu vzhledem k zapouzdření základních materiálů vůči prášku nebo granulím.
8.4 DALŠÍ NÁMĚTY Využití sklokeramiky ve výrobě implantátů je poměrně omezené. Důvody jsou podobné jako u ostatních skleněných hmot nebo keramik. Je to je křehkost, nedostatečná předvídatelnost selhání a obtíže při nanášení na ostatní materiály. Při dentálních aplikacích sklokeramika vykazovala obdobnou odezvu jako u jiných tvrdých tkání. Zůstává velkou výzvou vyvinout nový keramický materiál s pevností cementu, který je už mnoho let využíván v nástrojařském průmyslu. Porézní sklokeramika byla také předmětem studie a vykazovala vlastnosti podobné porézním sklům a keramikám.