具有可調(diào)節(jié)降解率的鎂合金的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】具有可調(diào)節(jié)降解率的鏌合金
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求提交于2013年3月14日的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/783,554、提交于2013 年11月26日的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/909, 100和提交于2014年2月21日的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng) 61/942, 951的優(yōu)先權(quán)，這些臨時(shí)申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)容據(jù)此全文以引用方式并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003] 追溯至20世紀(jì)30年代，不少外科醫(yī)生已在臨床上使用鎂植入物來(lái)治療骨折。舉 例來(lái)說(shuō)，J. Verbrugge (1934年）向21名骨折病人體內(nèi)植入了純鎂植入物和含有8%鋁的鎂 合金植入物。然而，在第二次世界大戰(zhàn)之后，人們逐漸不再使用鎂作為可吸收植入材料。近 幾年來(lái)研究人員重新對(duì)可吸收鎂植入物產(chǎn)生了興趣。鎂研究工作主要集中在開(kāi)發(fā)合金和涂 料，主要目標(biāo)是控制降解率、避免在降解期間形成氣泡并避免產(chǎn)生潛在有害的合金元素。因 此需要具有均勻降解行為的鎂合金，其降解率可根據(jù)需要進(jìn)行控制和/或調(diào)整。
[0004] 商業(yè)級(jí)純鎂（3N-Mg)與AZ91或WE43這樣的合金相比機(jī)械性能較差。使純鎂變硬 很不容易實(shí)現(xiàn)?？衫盟苄宰冃握T導(dǎo)動(dòng)態(tài)重結(jié)晶，精制出晶粒微結(jié)構(gòu)（例如通過(guò)擠出），由 此實(shí)現(xiàn)這種硬化。精細(xì)的晶粒微結(jié)構(gòu)不僅是合金達(dá)到更高強(qiáng)度等級(jí)所必需的，也是避免呈 現(xiàn)機(jī)械性能各向異性（拉伸和壓縮的強(qiáng)度差異）所需要的。但這種微結(jié)構(gòu)可能不穩(wěn)定。
[0005] 本發(fā)明的實(shí)施例解決了上述一個(gè)或多個(gè)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本公開(kāi)提供了本發(fā)明的若干示例性實(shí)施例，這些實(shí)施例中的一些在下文論述。
[0007] 在一個(gè)方面，本發(fā)明提供了MgZnCa合金組合物和具有基于此類(lèi)合金組合物的三 維結(jié)構(gòu)的植入物。
[0008] 在一個(gè)實(shí)施例中，該MgZnCa合金組合物包含鎂基質(zhì)，并任選地包含納米沉淀物； 其中該組合物包含在0. 1重量％的Zn至2. 0%的Zn的范圍內(nèi)的Zn含量；在0. 2重量％的 Ca至〇. 5重量％的Ca的范圍內(nèi)的鈣含量；一定量的一種或多種其它元素；以及其余含量為 鎂；其中該納米沉淀物的惰性比鎂基質(zhì)或其混合物的惰性小或者大。在另一個(gè)實(shí)施例中， 該MgZnCa合金組合物基本上由以下物質(zhì)組成：鎂基質(zhì)，以及任選地納米沉淀物；其中該組 合物包含在〇. 1重量％的211至2.0%的Zn的范圍內(nèi)的鋅含量；在0.2重量％的0&至0.5 重量％的Ca的范圍內(nèi)的鈣含量；一定量的一種或多種其它元素；以及其余含量為鎂；其中 該納米沉淀物的惰性比鎂基質(zhì)或其混合物的惰性小或者大。在另一個(gè)實(shí)施例中，該MgZnCa 合金組合物由以下物質(zhì)組成：鎂基質(zhì)，以及任選地納米沉淀物；其中該組合物包含在0. 1重 量％的Zn至2. 0 %的Zn的范圍內(nèi)的鋅含量；在0. 2重量％的Ca至0. 5重量％的Ca的范 圍內(nèi)的鈣含量；一定量的一種或多種其它元素；以及其余含量為鎂；其中該納米沉淀物的 惰性比鎂基質(zhì)或其混合物的惰性小或者大。
[0009] 在一些此類(lèi)實(shí)施例中，該合金組合物基本上不含微流電元素。在其他此類(lèi)實(shí)施例 中，此合金組合物是單相的。在其他此類(lèi)實(shí)施例中，全部其它元素小于組合物的約〇. 1重 量％。在其他此類(lèi)實(shí)施例中，一種或多種其它元素位于次生相中。在其他此類(lèi)實(shí)施例中，納 米沉淀物的惰性比鎂基質(zhì)小，并且包含（Mg,Zn)2Ca。在其他此類(lèi)實(shí)施例中，納米沉淀物的惰 性比鎂基質(zhì)大，并且包含Mg6Zn3Ca2。在一些此類(lèi)實(shí)施例中，該合金既包含惰性比鎂基質(zhì)小的 納米沉淀物并且包含惰性比鎂基質(zhì)大的納米沉淀物。
[0010] 在根據(jù)本發(fā)明的合金的一些實(shí)施例中，合金的晶粒尺寸小于10ym、小于5ym或 小于2ym。在本發(fā)明的合金的一些實(shí)施例中，合金的屈服強(qiáng)度為至少180MPa。在一個(gè)實(shí)施 例中，合金的極限抗拉強(qiáng)度為至少240MPa。在另一個(gè)實(shí)施例中，合金的斷裂伸長(zhǎng)率為至少 10 %。在又一個(gè)實(shí)施例中，合金具有如在模擬體液中測(cè)量的小于0. 5毫克/平方厘米/天 的體外降解率。
[0011] 在其他實(shí)施例中，植入物是矯形植入物。在此類(lèi)實(shí)施例中，矯形植入物包括以下 中的一種或多種：釘、螺絲、縫釘（staple)、板、桿、大頭釘、螺栓、用于鎖定髓內(nèi)（"頂"）釘 的螺栓、錨釘、榫釘、塞、栓、套筒、網(wǎng)片（mesh)、橫向連接器、螺帽、成形體、脊保持架、線(xiàn)材、K 線(xiàn)材、織造結(jié)構(gòu)、夾鉗、夾板、支架、泡沫和蜂窩結(jié)構(gòu)。在一些其他實(shí)施例中，植入物的降解率 比包含微流電雜質(zhì)的鎂合金植入物低。
[0012] 在其他實(shí)施例中，植入物是非矯形植入物。在此類(lèi)實(shí)施例中，非矯形植入物包括心 血管支架、神經(jīng)支架和椎體成形術(shù)支架。
[0013] 在植入物的又一個(gè)實(shí)施例中，每種合金具有如在模擬體液中測(cè)量的小于0. 5毫克 /平方厘米/天的體外降解率。
[0014] 在一個(gè)方面，本發(fā)明提供了制備根據(jù)本文所述實(shí)施例的合金的方法。在一個(gè)實(shí)施 例中，該方法包括：(a)澆鑄合金，所述合金包含（i)具有至少99. 96重量％的純度的市售 純鎂（ii)〇. 1重量％至2. 0重量％的至少99. 9重量％的純度的鋅以及2重量％至 0. 5重量％的具有至少99. 9重量％的純度的鈣，所述澆鑄優(yōu)選地在惰性氣氛和惰性反應(yīng)容 器中執(zhí)行；(b)在兩個(gè)不同的溫度下固溶熱處理所澆鑄的合金，其中第一溫度低于Mg-Zn的 低共熔溫度，并且第二溫度高于三元Mg-Zn-Ca系的低共熔溫度，從而形成包含0. 1重量％ 的Zn至2重量％的Zn和0. 2重量％的Ca至0. 5重量％的Ca的MgZnCa合金；（c)在100°C 和300°C之間進(jìn)行時(shí)效熱處理；隨后（d)將合金擠成期望的形狀。
[0015] 鎂合金的雜質(zhì)限量?jī)?yōu)選地為：鐵<30ppm，銅<20ppm，鎳<5ppm，猛<200ppm，娃 <200ppm，然而這些雜質(zhì)的總量應(yīng)優(yōu)選地低于400ppm。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是某些鎂合金的平均析氫速率與時(shí)間的關(guān)系的圖示。
[0017] 圖2示出了植入Sprague-Dawley(SD)大鼠股骨中的鎂銷(xiāo)在手術(shù)12周后的微CT 重建（二維切片）圖像。
[0018] 圖3示出了在模擬體液（SBF)中浸泡后的植入物樣品的表面形貌。
[0019] 圖4包括圖4A和圖4B，其中圖4A是Mg-Zn-Ca系在300°C溫度下的等溫截面圖示， 圖4B是根據(jù)本公開(kāi)的MgZnlCaO. 3合金的組成圖示。
[0020] 圖5是經(jīng)受了某些熱處理的某些鎂合金在浸泡于TRIS緩沖的模擬體液期間的平 均析氫速率與時(shí)間的關(guān)系的圖示。
[0021] 圖6包括圖6A和圖6B，是示出經(jīng)受了某些熱處理的某些鎂合金在浸泡于TRIS緩 沖的模擬體液期間的平均析氫速率的柱狀圖。
[0022] 圖7是示出經(jīng)受了某些熱處理的某些擠出鎂合金的晶粒尺寸的柱狀圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面將詳細(xì)描述本公開(kāi)的各種實(shí)施例。在一個(gè)實(shí)施例中，MgZnCa合金組合物包含 鎂基質(zhì)，并任選地包含納米沉淀物；其中該組合物包含在〇. 1重量％的Zn至2. 0%的Zn的 范圍內(nèi)的鋅含量；在〇. 2重量％的Ca至0. 5重量％的Ca的范圍內(nèi)的鈣含量；一定量的一種 或多種其它元素；以及其余含量為鎂；其中納米沉淀物的惰性比鎂基質(zhì)或其混合物的惰性 小或大。在另一個(gè)實(shí)施例中，該MgZnCa合金組合物基本上由以下物質(zhì)組成：鎂基質(zhì)，以及任 選地納米沉淀物；其中該組合物包含在0. 1重量％的Zn至2. 0%的Zn的范圍內(nèi)的鋅含量； 在0. 2重量％的Ca至0. 5重量％的Ca的范圍內(nèi)的鈣含量；一定量的一種或多種其它元素； 以及其余含量為鎂；其中納米沉淀物的惰性比鎂基質(zhì)或其混合物的惰性小或大。在另一個(gè) 實(shí)施例中，該MgZnCa合金組合物由以下物質(zhì)組成：鎂基質(zhì)，以及任選地納米沉淀物；其中該 組合物包含在0. 1重量％的Zn至2. 0%的Zn的范圍內(nèi)的鋅含量；在0. 2重量％的Ca至0. 5 重量％的Ca的范圍內(nèi)的鈣含量；一定量的一種或多種其它元素；以及其余含量為鎂；其中 納米沉淀物的惰性比鎂基質(zhì)或其混合物的惰性小或大。
[0024] 術(shù)語(yǔ)"組合物"、"合金組合物"、"MgZnCa合金"和"合金"在本文中可互換使用。除 非另有規(guī)定或另外指明，否則本文所公開(kāi)的量都是基于合金組合物的重量計(jì)的。
[0025] 如本文所用，術(shù)語(yǔ)"鎂基質(zhì)"是指合金組合物的本體鎂部分，其中溶解有合金的組 成部分，例如鋅、鈣和/或雜質(zhì)（在本文中也稱(chēng)作"其它元素"）。舉例來(lái)說(shuō)，鎂基質(zhì)可以是 純鎂，或者可以是與鋅、鈣和/或雜質(zhì)固溶在一起的鎂，或者它們混合物。鎂基質(zhì)將不包括 次生相，也就是說(shuō)，包括沉淀物的不溶解組分。
[0026] 也將鎂基質(zhì)稱(chēng)作余量的鎂、其余的鎂，或周?chē)V相。例如，對(duì)于某些實(shí)施例來(lái)說(shuō)，