可生物降解的、生物活性的和生物相容性的玻璃组合物

技术领域

本发明涉及一种可生物降解的、生物活性的和生物相容性的玻璃组合物，其在生产连续玻璃纤维中的用途，以及该连续玻璃纤维在医疗和非医疗应用中的用途。

背景技术

玻璃纤维是当今已知的最通用的工业材料之一。它们很容易从易获得的矿物原料中生产出来。

连续玻璃纤维是由熔化的玻璃制成的。通过将二氧化硅与其他金属氧化物熔融(共熔化)得到特定的组合物来制造玻璃熔体。玻璃是通过将熔体足够快地冷却以避免结晶(失透)而获得的非晶态固体。

在玻璃纤维化过程中，将粘性的熔化玻璃液体通过漏板(bushing)底部的小孔抽出(挤出)，以形成毛发样的细的长丝(filament)，即纤维。玻璃熔体具有log 3粘度(泊或dPas)的温度通常被认为是纤维成型(即纤维化)温度T

几乎所有的连续纺织玻璃纤维(也称为连续原丝纤维玻璃，或简称为不包括玻璃棉的玻璃纤维)在工业上都通过直熔拉制法来制造，但可以使用坩埚(再熔)法(marblemelt(re-melt)process)来形成特殊目的的玻璃纤维，例如高强度纤维。

各种生物活性的和可生物吸收的二氧化硅基玻璃组合物是本领域已知的。如文献所述，得自熔体的生物活性玻璃的特征在于：SiO

EP 2243749 A1公开了由生物相容性和可吸收性的熔体得到的玻璃纤维及其在医疗装置中的用途。该玻璃纤维的组成为：SiO

附图说明

图1示出了基于氧化钠量的不同量的氧化钾对处于Log(粘度，dPas)2.5时的温度的影响。

图2显示了在模拟体液中保持16周的时间后，本发明的玻璃纤维的降解和该玻璃纤维周围的磷酸钙层的形成。

具体实施方式

在本发明中令人惊讶地发现，在可生物降解的玻璃组合物中少量的钾(即>0.5wt％至4wt％)提供了具有大工作窗口的良好纤维化性能。

此外，令人惊讶地发现，由本发明的玻璃组合物制造的玻璃纤维提供了具有生物活性(即形成富二氧化硅的凝胶和磷酸钙层)的玻璃纤维增强制品。

一方面，本发明提供了一种可生物降解的、生物活性的和生物相容性的玻璃组合物，其包含：

Al

在另一方面，本发明提供了可生物降解的、生物活性的和生物相容性的玻璃纤维，其包含本发明的玻璃组合物。

在进一步的方面，本发明提供了本发明的可生物降解的、生物活性的和生物相容性的玻璃纤维在制造适用于医疗和非医疗应用的制品中的用途。

在又一方面，本发明提供了一种包含本发明的玻璃纤维的制品。

本发明的一个优点是所述玻璃组合物由于其有益的结晶特性、熔体粘度特性和熔体强度而提供了一种改进的源于熔体的纤维化方法用于形成连续玻璃纤维。

本发明的另一个优点是，与具有相同纤维直径的典型的耐化学玻璃纤维相比，由所述玻璃组合物制成的玻璃纤维显示出相似或改善的强度特性。

本发明的另一个优点是所述玻璃纤维在医疗领域以及在生产复合材料的技术领域中的可用性。

定义

在本发明中，

术语“可生物降解的”是指材料在生理或生物环境中降解，即通过生物侵蚀和/或生物吸收而被分解。通过生物侵蚀而被分解的材料是指该材料经由生物过程而崩解(即机械地和化学地侵蚀)，所述生物过程使该材料溶解并能够吸收到周围的生物含水环境中。通过生物吸收而被分解的材料是指该材料当被插入哺乳动物体内和与生理环境接触时被崩解，即，在长时间的植入后被分解。因此，术语“可生物降解的材料”还包括可生物侵蚀的和可生物吸收的材料。

术语“生物活性的”是指材料引发或调节生物活性。生物活性材料通常是一种表面活性物质，当暴露于适当的体外环境中(ASTM F1538-03用于植入的玻璃和玻璃陶瓷生物材料标准规范)以及与生理环境接触时，该表面活性物质能够通过在其表面上形成富二氧化硅的凝胶和磷酸钙层(即羟基-碳酸盐磷灰石层)而与哺乳动物组织化学键合，该材料在其分解过程期间激活细胞或细胞生长。

术语“生物相容的”是指医疗装置中使用的材料能够通过在特定位置引起适当的宿主反应而安全和充分地发挥作用。

术语“纤维化温度T

术语“液相线温度T

术语“工作窗口ΔT”是指纤维成型温度与液相线温度之间的温差ΔT＝T

术语“吸收”是指由于溶解而导致的材料分解。

详细描述

一方面，本发明提供了一种可生物降解的、生物活性的和生物相容性的玻璃组合物，其包含：

Al

在一个实施方案中，所述玻璃组合物包含：

Al

在另一个实施方案中，所述玻璃组合物包含：

Al

在一个实施方案中，本发明的玻璃组合物包含总量小于0.1wt-％的Al

不受理论的束缚，据信铝和铁阻碍玻璃的吸收和降解。也就是说，在降解期间，铝和铁累积在存在于玻璃纤维周围的水合富二氧化硅层中，从而与硅形成新的化学键，从而产生更稳定的富含Al和Fe的富二氧化硅层或凝胶。Al和Fe离子在富二氧化硅层上的累积阻止了离子的浸出，并因此阻碍了对玻璃纤维的进一步吸收和侵蚀。

在一个实施方案中，本发明的玻璃组合物不含锶。在另一个实施方案中，该玻璃组合物包含至多4wt-％的SrO。在又一个实施方案中，该玻璃组合物包含至多2wt-％的SrO。因为锶离子上调成骨细胞并下调破骨细胞，即改善了植入式医疗装置周围的新骨形成，所以包含锶的玻璃组合物增强了组合物的生物学响应。由于锶和钙是二价阳离子，因此在玻璃中可发生锶部分取代钙。

通过改变玻璃组合物中的二氧化硅和其他组分(包含Na

本发明的玻璃组合物具有大于150℃的大工作窗口ΔT(ΔT＝T

大的工作窗口实现了玻璃组合物的最优纤维化(即纤维成型)，由此可以在没有玻璃组合物结晶化(妨碍其纤维化)的情况下拉制纤维。当玻璃熔体的粘度范围为log(粘度)2.5至3.0时，可以实现最优的纤维成型。

令人惊奇地发现，包含>0.5-4wt-％氧化钾的玻璃组合物促进了玻璃组合物的纤维化，从而提供可生物降解的、生物活性的和生物相容性的玻璃纤维。钾防止玻璃组合物的失透使组合物的液相线温度降低。由于钾还使纤维成型温度升高，因此有利地实现工作窗口的扩宽。

在一个实施方案中，该玻璃组合物的工作窗口ΔT>200℃。在另一个实施方案中，该玻璃组合物的工作窗口ΔT>300℃。

在一个实施方案中，该玻璃组合物的纤维化粘度(Log(粘度)3.0)高于该玻璃组合物的液相线温度。

在另一方面，本发明提供包含本发明的玻璃组合物的可生物降解的、生物活性的和生物相容性的玻璃纤维。

本发明的生物活性纤维玻璃在与生理环境接触时立即以碱交换反应的方式开始反应，即，玻璃中的钠离子和钾离子被溶液中的氢离子取代。玻璃纤维的生物活性是基于离子从玻璃中浸出并在玻璃纤维的表面上形成富二氧化硅的凝胶和磷酸钙层。磷酸钙层能够使骨细胞附着并分化和形成生物活性层，以使骨和组织附着。因此，重要的是理解铝和铁在玻璃中的作用，在玻璃溶解期间，铝和铁累积在玻璃表面，使玻璃表面失去活性并阻止了离子浸出，然后阻止了对玻璃的进一步吸收和侵蚀以及生物活性层的形成。因此，在可生物吸收的和生物活性的玻璃中应将铝和铁仅限定为杂质的含量。

可以根据本领域已知的标准溶体工艺将本发明的玻璃组合物制成玻璃纤维。在一个实施方案中，直接由来自熔炉的熔化玻璃组合物形成连续(原丝，直接粗纱)玻璃纤维(直熔法(direct melt process))。在另一个实施方案中，熔化玻璃组合物首先被供应至形成玻璃球(marbles)或小球(pellets)的机器中，然后再熔化以形成纤维(再熔或坩埚法)。

在直熔法和坩埚法中，熔化的玻璃组合物向连续玻璃纤维的转化可以被描述为连续长丝的衰减过程(continuous-filament attenuation process)。熔化的玻璃流过带有大量细密的孔口/喷嘴/尖端(400至8000个)的铂铑合金漏板(也称为喷丝板)。对漏板进行电加热，并非常精确地控制热量以保持恒定的玻璃粘度。这些细密的长丝，即纤维，在从漏板出来后被拉下并迅速冷却。在玻璃流过漏板中的孔口之后并且在牵拉(take-up)装置上抓取了多股原丝之前，通过使纤维通过不断旋转通过浸润槽的涂覆器(其用于维持玻璃长丝通过的薄膜)，将浸润剂(sizing)涂覆在纤维表面上。

在涂覆浸润剂后，长丝在接近牵拉装置之前被集束成原丝。如果需要较小的长丝束(分股集束原丝(split strands))，则使用多个集束装置(通常称为靴子(shoes))。

衰减率，以及因此成品长丝直径，由牵拉装置控制。牵拉装置以每分钟约0.5km-3km的速度旋转，即比来自漏板的流体的速度快。其拉伸力拉出仍处于熔化状态的长丝，从而形成原丝，其粗细(thickness)为漏板中的开口的直径的几分之一。除衰减率外，纤维直径还受漏板温度、玻璃粘度和漏板上的压头的影响。使用最广泛的牵拉装置是高速成型拉丝机，它采用旋转收集器和横动机构(traverse mechanism)，随着成型的卷装体(package)直径的增长，以随机方式分派原丝。这有利于在后续诸如粗纱、纱线或短切等的加工步骤中从卷装体中退解原丝(strand removal)。将成型卷装体干燥并转移到特定的制造区域，以转化为成品玻璃纤维粗纱、加捻和合股的纱线、毡、短切原丝或其他纺织产品。优选的工艺是在成型期间直接生产成品粗纱或短切产品，因此产生了术语直接拉制粗纱(direct drawroving)或直接短切原丝。

其他纺织产品是：无捻粗纱布(woven roving)，是将玻璃纤维粗纱编织成织物形式而制成的；玻璃纤维毡，其可以被制为连续原丝毡或短切原丝毡；毡和无捻粗纱布的组合；变形纱(texturized yarn)；以及玻璃纤维织物，其中玻璃纤维纱线通过常规编织操作转化为织物形式。

在一个实施方案中，本发明的玻璃纤维是源于熔体的玻璃纤维。源于熔体的玻璃纤维是指通过以下方法制成的玻璃纤维：将玻璃组合物在坩埚中于800-1500℃的温度下熔化，然后通过坩埚的孔拉出该熔化玻璃的玻璃纤维，从而得到直径范围为5-100μm的纤维。

例如，当与具有相同直径的耐化学性C-玻璃纤维(ASM手册，第21卷：复合材料(ASMHandbook,Vol 21:Composites))相比时，本发明的玻璃纤维显示出改善的强度性能。在一个实施方案中，本发明的玻璃纤维具有1.5GPa-2.5GPa的拉伸强度。在另一个实施方案中，拉伸强度在1.8GPa-2.2GPa的范围内。在又一个实施方案中，拉伸强度在2.0GPa-2.2GPa的范围内。拉伸强度根据ISO 11566:1996来测量。

在一个实施方案中，本发明的玻璃纤维的模量为50-100GPa。在另一个实施方案中，模量为60-80GPa。在又一个实施方案中，模量为65-75GPa。模量根据ISO 11566:1996来测量。

本发明的玻璃纤维的粗细为35μm或更小。在一个实施方案中，粗细为1μm-35μm。在另一个实施方案中，粗细为5μm-30μm。在又一个实施方案中，粗细为10μm-25μm。在又另一个实施方案中，粗细为10μm-20μm。在一个实施方案中，粗细为约15μm。

本发明的玻璃纤维可以是短切玻璃纤维或连续玻璃纤维。在一个实施方案中，本发明的短切玻璃纤维的长度小于20mm。在一个实施方案中，长度是0.5mm-10mm。在另一个实施方案中，长度是1mm-7mm。在又一个实施方案中，长度是3mm-7mm。在又另一个实施方案中，长度为约5mm。

在另一个实施方案中，本发明的连续玻璃纤维的长度大于20mm。在另一个实施方案中，长度大于30mm。在又一个实施方案中，长度大于40mm。在又另一个实施方案中，玻璃纤维是完整连续纤维。

本发明的玻璃纤维可以是用于热固性或热塑性拉挤成型(pultrusion form)的形式。本发明的玻璃纤维还可以被组织成非织毡或织毡的形式。

本发明提供一种适合于在医疗应用诸如医疗装置中使用的可生物降解的、生物活性的和生物相容性的玻璃纤维。此外，本发明提供一种适合于在技术应用诸如一次性用品和耐用品中使用的可生物降解的和可堆肥的玻璃组合物。

因此，在另一方面，本发明提供了本发明的可生物降解的、生物活性的和生物相容性的玻璃纤维在制造适用于医疗应用和非医疗应用的制品中的用途。

一方面，本发明提供一种包含本发明的玻璃纤维的制品。

本发明的玻璃纤维也可以用于制造纺织品。

该医疗装置可以是在体内使用的任何种类的植入物，以及用于支持组织或骨的愈合或再生的装置。根据本发明的植入物包括用于外科手术肌肉骨骼应用的任何种类的植入物，诸如用于固定骨折和/或截骨术来固定骨碎片以愈合的螺钉、板、销钉、平头钉或钉子；用于软组织到骨、软组织到骨内和软组织到软组织的固定的缝合锚、平头钉、螺钉、螺栓、钉子、夹具、支架和其他装置；以及用于支持组织或骨的愈合或再生的装置；或用于脊柱外科手术的椎骨后外侧融合、椎间融合和其他手术的颈楔(cervical wedge)和腰椎融合器(lumbar cage)以及板和螺钉。

另外，本发明的玻璃纤维可以用于医疗装置，诸如插管、导管和支架。此外，本发明的玻璃纤维可以用于纤维增强组织工程支架。

依据医疗装置材料的应用和目的，医疗装置被期望并设计为生物相容的，并且在哺乳动物体内表现出受控的吸收。最佳吸收率与所需植入位置的组织更新率成正比。就骨组织而言，在组织中，相当大部分的植入物依据其应用优选在12至26周内被吸收/分解。在需要对愈合组织的物理支撑的情况下，吸收速率可以为数月或者甚至数年。

用于技术应用的耐用商品是指不会快速磨损的商品，或更具体地，是指长时间产生效用的商品，而不是一次使用就完全消耗掉的商品。耐用品包括，例如家用电器、家具、汽车或运输零件和配件、玩具和运动器材。耐用品的典型特征是连续购买之间的时间段较长。

用于技术应用的一次性用品，即非耐用品或软商品(消耗品)与耐用品相反。它们可以被定义为一次使用立即消耗的商品，或者使用寿命少于三年的商品。一次性用品包括，例如，盖子和封闭件、容器、包装、咖啡胶囊、存储容器、帽、玩具、电话、笔记本电脑、家用电子产品和个人护理用品。

本发明的玻璃纤维在制品中的量大于制品总重量的10wt-％。在一个实施方案中，该量大于40wt-％。在另一个实施方案中，该量大于60wt-％。在又一个实施方案中，该量大于90wt-％。

包含本发明的玻璃纤维的医疗装置的优点在于，它们通过降解由机体吸收而不会引起毒理学作用，并产生使细胞附着并结合到组织或骨的生物活性表面。

根据本发明的一次性用品和耐用品的优点在于它们可以用可生物降解的聚合物基体来共同形成高强度复合材料，依据聚合物的生物降解特性，其可以在诸如海洋、土壤的不同的条件下降解或堆肥，可家庭堆肥或工业堆肥。可堆肥玻璃纤维的优势在于，它可产生非生态毒性的表面以使形成生物膜的微生物可附着并降解该聚合物。

根据本发明的医疗装置或者一次性用品和耐用品的最终产品的另一个优点是它们的强度和制造的可行性。根据本发明的最终产品可以通过以下方法来制造：将玻璃纤维与聚合物基体(优选与可生物吸收或可生物降解的聚合物基体)一起排布，并使用任何类型的聚合物加工设备，例如开放式或封闭式的间歇式混合机或捏合机、连续搅拌釜反应器或混合机、挤出机、注塑机、RIM、压塑机、管式反应器或本领域已知的其他标准熔体加工或熔体混合设备，将排布好的纤维与聚合物基体生产和/或成型为最终产品，该最终产品具有所需的连续纤维和/或短切/割断纤维和/或织毡、非织毡/纺织品的取向。

本发明的另一个优点是聚合物基体材料的熔化温度约为30-300℃，而玻璃纤维的玻璃化转变温度为约450-650℃。因此，玻璃纤维不被熔化的基体材料的温度所破坏，并且当将基体固化时，获得了坚固的纤维增强终产品。

本发明的玻璃纤维可以被嵌入连续的聚合物基体中以形成复合材料。聚合物基体优选是可生物吸收的和/或可生物侵蚀的。以下可生物吸收和/或可生物侵蚀的聚合物、共聚物和三元共聚物可以用作复合材料的基体材料：聚丙交酯(PLA)，聚L-丙交酯(PLLA)，聚DL-丙交酯(PDLLA)，聚乙交酯(PGA)；乙交酯的共聚物，乙交酯/三亚甲基碳酸酯共聚物(PGA/TMC)；PLA的其他共聚物，诸如乳酸/四甲基乙交酯共聚物，丙交酯/三亚甲基碳酸酯共聚物，丙交酯/d-戊内酯共聚物，丙交酯/ε-己内酯共聚物，L-丙交酯/DL-丙交酯共聚物，乙交酯/L-丙交酯共聚物(PGA/PLLA)，聚丙交酯-共-乙交酯；PLA的三元共聚物，诸如丙交酯/乙交酯/三亚甲基碳酸酯三元共聚物，丙交酯/乙交酯/ε-己内酯三元共聚物，PLA/聚环氧乙烷共聚物；缩酚酸肽(polydepsipeptides)；不对称的3,6-取代的聚1,4-二氧六环-2,5-二酮；聚羟基链烷酸酯，诸如聚羟基丁酸酯(PHB)；PHB/b-羟基戊酸酯共聚物(PHB/PHV)；聚-b-羟基丙酸酯(PHPA)；聚对二噁烷酮(PDS)；聚-d-戊内酯-聚-ε-己内酯，聚(ε-己内酯-DL-丙交酯)共聚物；甲基丙烯酸甲酯-N-乙烯基吡咯烷酮共聚物；聚酯酰胺；草酸的聚酯；聚二氢吡喃；聚烷基-2-氰基丙烯酸酯；聚氨酯(PU)；聚乙烯醇(PVA)；多肽；聚-b-苹果酸(PMLA)；聚-b-链烷酸；聚碳酸酯；聚原酸酯；聚磷酸酯；聚氨基酸；聚磷腈，聚(酯酐)；以及它们的混合物；以及天然聚合物，诸如糖、淀粉、纤维素和纤维素衍生物、多糖、胶原蛋白、壳聚糖、纤维蛋白、透明质酸、多肽和蛋白质。也可以使用任何上述聚合物及其各种形式的混合物。

对于本领域技术人员将显而易见的是，随着技术的进步，本发明的构思可以以各种方式实现。本发明及其实施方案不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

以下实施例进一步说明了本发明，而不是将本发明限制于此。

实施例1

通过“Glass Viscosity Calculation Based on a Global StatisticalModeling Approach(基于全局统计建模方法的玻璃粘度计算)”(Alexander Fluegel,Glass Technol.:Eur.J.Glass Sci.Technol.A,February 2007,48(1),13–30)模拟可生物降解的、生物活性的和生物相容性的玻璃组合物中的氧化钾对组合物粘度的影响。表1列出了用于粘度模拟的玻璃组合物。组合物4、5、6和7代表本发明的玻璃组合物。

图1表明，当氧化钾的量相对于氧化钠的量增加时，熔体粘度线性增大。同时，如实施例2所示，由于纤维化温度升高并且同时液相线温度降低，因此玻璃组合物的工作窗口扩宽。

表1

实施例2

本发明的可生物降解的、生物活性的和生物相容性的玻璃组合物根据溶体加工规程(表2中的组合物1-3)制造。类似地制造了两种参考组合物4和5。在溶体加工规程中，将铂铑熔化坩埚加热到1500±10℃。将总计1.5kg的金属氧化物粉末以表2给出的量在2小时内分批添加到坩埚中。当装料完成时，温度回升至约1500℃。样品在1500±1℃下保持12小时。在澄清并均质化后，将玻璃熔体倒入钢模中以获得块体玻璃。

表2

将所有玻璃组合物1-5在高温下熔化成块体玻璃，并且在无任何结晶的情况下冷却之后形成无色透明的块体玻璃。

根据ASTM C829-81(2015)“Standard Practices for Measurement of LiquidusTemperature of Glass by the Gradient Furnace Method(用于通过梯度炉法测量玻璃的液相线温度的标准实践)”，在梯度炉中测量表2的组合物1-5的液相线温度(T

表3示出了表2的玻璃组合物1-5的液相线温度(T

表3

根据本发明的玻璃组合物1-3在所测量的750℃-1100℃的温度范围内没有显示出任何结晶化(失透)，并且展示出完全的非晶态表现，而玻璃组合物4即使在1280℃也全部是结晶的。因此，无法确定组合物4的液相线温度。

表3表明，玻璃组合物中的钾含量增大降低了玻璃组合物的液相线温度。

实施例3

通过插入的高温旋转粘度计测量玻璃组合物1-5的玻璃熔体粘度。表4给出了玻璃熔体粘度Log(粘度，dPas)3时的纤维化温度T

表4

根据本发明的玻璃组合物1-3具有大的工作窗口。因此，可以通过直熔或再熔的加工方法以工业规模连续地制造连续玻璃纤维。由于低的液相线温度和改善的熔体粘度特性，实现了根据本发明的玻璃组合物的大工作窗口。混合的碱(Na

实施例4

按照再熔法通过从单尖端漏板中拉制单个长丝/纤维来测试本发明的玻璃组合物1-3的纤维成型性能。根据与实施例2中所述相同的步骤制造块体玻璃。然后将该块体玻璃放入坩埚中，并高于纤维化温度在1300℃熔化2小时。在均质化2小时后，开始纤维拉制。通过改变漏板温度和纤维收集卷绕器的速度来调节纤维拉制条件，以找出稳定的纤维化温度，从而提供约15微米的纤维。

观察到，当纤维成型温度被调节至约1140℃并且卷绕器速度被调节至500rpm时，在稳定的纤维化条件下由玻璃组合物1获得具有良好的纤维成型性能的直径为约16μm的玻璃纤维。类似地，当纤维成型温度被调节至约1150℃并且卷绕器速度被调节至700rpm时，在稳定的纤维化条件下由玻璃组合物2获得具有良好的纤维成型性能的直径为约16μm的玻璃纤维。当纤维成型温度被调节至约1150℃并且卷绕器速度被调节至500rpm时，在稳定的纤维化条件下由玻璃组合物3获得具有良好的纤维成型性能的直径为约13μm的玻璃纤维。

实施例5

根据ISO 11566:1996(其描述了用于测定取自复丝纱线、机织物、编织物(braids)及相关产品的单丝样品的拉伸性能的测试方法)，以实施例5中制造的组合物1和3的纤维来测量单丝拉伸强度。组合物1的拉伸强度为1805+/-139MPa。组合物3的拉伸强度为1843+/-81MPa。

实施例6

玻璃纤维的磷酸钙层的形成(即生物活性)利用在37℃的模拟体液(SBF)中的体外降解实验进行研究，并在16周的时间点处利用扫描电子显微镜和能量色散X射线光谱(SEM/EDX)进行分析。SBF是根据T.Kokubo，H.Takadama的“How useful is SBF in predictingin vivo bone bioactivity(SBF在预测体内骨生物活性方面有多大用处)”(Biomaterials,27,2907-2915(2006))制成的。所测试的玻璃纤维是由表2所述的本发明的玻璃组合物3制造的。

从SBF中收集纤维。将400个单丝片嵌入环氧树脂中并固化。在环氧固化后，将样品切割和抛光，并使用Hitachi TM3030：具有改进的电子光学系统的台式扫描电子显微镜进行分析。在降解纤维周围形成的磷酸钙层在图像中显示为白色的层，并通过EDX线扫描分析进行验证。结果如图2所示。