高強(qiáng)度和生物可吸收的鎂合金的制作方法
【專利說明】高強(qiáng)度和生物可吸收的鎂合金
[0001] 發(fā)明背景
[0002] 1 ?技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明通常涉及手術(shù)器械。更特別地，本發(fā)明涉及生物可吸收的手術(shù)器械，包括用 于固定骨骼和組織的可植入器械和非可植入的手術(shù)器械。
[0004] 2?相關(guān)技術(shù)
[0005] 骨科植入物的整體市場(chǎng)巨大，全世界為每年43億美元（2012年估計(jì)，F(xiàn)rost and Sullivan)，重建器械為每年14億美元，外傷固定裝置為每年4億美元。在美國，每年進(jìn)行 超過二百五十萬例植入物和韌帶修復(fù)術(shù)。單獨(dú)的韌帶修復(fù)術(shù)估計(jì)每年超過700, 000例。在 較小的國家，如在德國，需要用骨外科植入物固定的每年超過500, 000人。其中約300,000 人需要解除手術(shù)以取出該植入物，每年成本為700MM美元。U. S. D0D二次取出操作的成本估 計(jì)為每年500MM美元。衛(wèi)生系統(tǒng)在采用新技術(shù)促進(jìn)更快恢復(fù)和避免感染和發(fā)炎方面的節(jié)約 可能非常顯著。
[0006] 外科醫(yī)生需要更有效的措施來矯正韌帶和骨損傷，如在肩部損傷、前交叉韌帶、腿 筋和各種類型的骨折（包括顱面骨折）中發(fā)生的那些。目前，多種技術(shù)用于這些修復(fù)性外 科手術(shù)，包括永久的不可吸收的植入物、臨時(shí)的不可吸收的植入物和生物可吸收的聚合物 植入物。
[0007] 在這些修復(fù)性外科手術(shù)中，需要負(fù)荷逐漸由植入物轉(zhuǎn)移到正在愈合的骨骼和組 織。永久的金屬固定裝置或植入物雖然牢固，但卻不允許固定的骨骼承受正常負(fù)荷，使它們 無法充分再生。塑料固定裝置達(dá)不到模仿骨骼性質(zhì)。這兩種固定裝置均不能提供負(fù)荷的逐 漸轉(zhuǎn)移。金屬固定裝置還進(jìn)一步妨礙手術(shù)后的磁共振成像（MRI)掃描，并且在一些情況下， 該固定裝置需要后繼手術(shù)以去除該固定裝置。存在損失的生產(chǎn)時(shí)間、生理傷害、去除該固定 裝置造成的感染與疼痛的威脅，特別是在去除顱骨固定裝置和來自韌帶與小骨骼（例如在 手、腳趾和腳踝中的那些）的那些。與此類去除相關(guān)的所需成本是高昂的。
[0008] 可生物降解的塑料有時(shí)也用作該固定裝置以便使修復(fù)的韌帶愈合和加強(qiáng)。如上所 述，此類塑料固定裝置在強(qiáng)度方面無法適當(dāng)?shù)啬M骨骼特征。這些聚合物植入物也無法在 其后退表面上促進(jìn)骨骼生長(zhǎng)，因?yàn)樗鼈兾?。?duì)于這些手術(shù)，在現(xiàn)有的可生物降解塑料中需 要更強(qiáng)、更韌和更硬的材料。
[0009] 在許多外科手術(shù)中，金屬器械如牽開器是常見的。在它們的使用過程中，有可能形 成金屬碎片并在手術(shù)部位封閉時(shí)意外地留在患者體內(nèi)。如果牽開器由非腐蝕性材料如不銹 鋼和鈦制成，這些金屬碎片可能對(duì)器官造成損傷。
[0010] 由上述內(nèi)容可以看出，植入物和牽開器需要堅(jiān)固、堅(jiān)韌和可溶性的金屬。
[0011] 同時(shí)，對(duì)植入物而言，對(duì)人體無毒是極為重要的。作為相關(guān)的例子，對(duì)于鎂（Mg)基 合金，最常見的用于增加強(qiáng)度和耐腐蝕性的合金化元素是鋁（A1);但是Mg合金植入物中A1 的存在在A1對(duì)癡呆和阿爾茨海默氏癥的可能影響方面引起了嚴(yán)重的關(guān)切。其它可能的Mg 植入物含有用于強(qiáng)化的稀土（RE)元素；但是添加劑RE母合金的組成是可變的，含有RE元 素的混合物一一某些RE元素是無毒的，但是某些是有毒的。此外，RE元素傾向于富集在溶 解的植入物位點(diǎn)；不能如Mg那樣通過身體機(jī)能運(yùn)走。合金基底及其合金化元素必須滿足以 下非毒性要求：圍繞植入物的最小氣體鼓泡；正常的血液學(xué)和血清生化學(xué)；良好的骨傳導(dǎo) 性和骨誘導(dǎo)性；具有改善的密度和強(qiáng)度的提高的附著新骨生長(zhǎng)；良好的細(xì)胞相容性；不發(fā) 炎；良好的造骨細(xì)胞附著性；合金化元素圍繞植入物的均勻分布；以及向身體添加必需營(yíng) 養(yǎng)素，而不超過年度安全限制。
[0012] 因此，需要新的合金化概念以重新獲得去除A1所喪失的強(qiáng)度，同時(shí)改善韌度和優(yōu) 化腐蝕速率；但是不超過毒性的年度安全限制。
[0013] 發(fā)明概述
[0014] 鑒于上述已知技術(shù)的缺點(diǎn)和限制，本發(fā)明提供了由滿足上述要求的鎂合金構(gòu)成的 生物可吸收固定裝置和牽開器。該鎂合金和加工專門為固定裝置應(yīng)用或牽開器應(yīng)用進(jìn)行了 調(diào)整。在固定裝置應(yīng)用中，特定的鎂合金和工藝可以對(duì)特定的手術(shù)修復(fù)的愈合時(shí)間/強(qiáng)度 要求進(jìn)行微調(diào)。對(duì)于牽開器應(yīng)用，該鎂合金和工藝可以調(diào)整以提供所需強(qiáng)度，允許保留在患 者體內(nèi)的任何金屬碎片的快速吸收。
[0015] 采用本發(fā)明的技術(shù)，應(yīng)當(dāng)可以省略與二次、植入物去除術(shù)相關(guān)的成本、疼痛、心理 壓力和失去的生產(chǎn)時(shí)間。應(yīng)當(dāng)獲得韌帶至骨骼的更快和更持久的固定，并且尤其可用于肩 膀、顱骨和ACL損傷。腳踝、腳趾和手指骨折與永久植入物相比應(yīng)當(dāng)能夠以更低剛性進(jìn)行治 療。也應(yīng)當(dāng)可以避免補(bǔ)救感染和發(fā)炎的植入后程序。除了上述之外，由牽開器或其它外科 手術(shù)器械碎片產(chǎn)生的問題將會(huì)減少一一如果未能消除的話。應(yīng)用可以擴(kuò)展到輕質(zhì)外部矯形 裝置。
[0016] 因此，在一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種堅(jiān)硬且堅(jiān)固的Mg合金，向由該Mg合金制成的 任何固定裝置提供對(duì)整個(gè)愈合過程的耐久性。鎂（Mg)是最輕的結(jié)構(gòu)金屬，其密度為A1的 60%，鈦（Ti)的38%以及不銹鋼或鈷（Co)植入物的20%。Mg合金的彈性模量和屈服強(qiáng) 度與其它金屬性植入物中使用的合金相比更接近骨骼，因此使用提出的鎂合金可以最大化 界面處的應(yīng)力傳遞。此外，Mg合金的斷裂韌性超過陶瓷、羥磷灰石、聚合物和陶瓷植入物。 同樣重要的是要注意，Mg對(duì)身體友好。Mg天然地見于骨組織中，并且對(duì)人體代謝必不可少。 其還是人體內(nèi)豐度第四多的陽離子，是許多酶的輔因子，并穩(wěn)定DNA和RNA。在生物吸收過 程中，來自溶解的植入物合金的Mg吸收到新連接的骨骼中。結(jié)果，新骨與先前的斷骨相比 更致密和堅(jiān)固。
[0017] 在一個(gè)方面，本發(fā)明因此提供一種微合金化鎂材料用于在人或動(dòng)物體內(nèi)吸收，該 微合金化鎂材料由以下成分組成：〇. 85至1. 4重量％的鋅（Zn)、0. 2至0. 5重量％的鈣 (Ca)、0. 2至0. 5重量％的錳（Mn)，余量為鎂（Mg)和不可避免的雜質(zhì)。
[0018] 在本發(fā)明的另一方面，與Mg微合金化的Zn、Ca和Mn的總百分比為1. 4至2. 4%。
[0019] 在本發(fā)明的再一方面，與Mg微合金化的Zn、Ca和Mn的總百分比為1. 5至2. 4%。
[0020] 在本發(fā)明的附加方面，Zn含量為0. 9至1. 3重量％ .
[0021] 在本發(fā)明的又一方面，Ca含量為0.2至0.4重量％ ?
[0022] 在本發(fā)明的再一方面，Mn含量為0? 2至0? 35重量％ .
[0023] 在本發(fā)明的附加方面，包括約10X0. 5納米的納米尺寸有序區(qū)（1-3原子層的微小 棱柱）。
[0024] 在另一方面，本發(fā)明提供了由用于吸收到人或動(dòng)物體內(nèi)的材料構(gòu)成的手術(shù)器械， 該手術(shù)器械包括：由與鋅（Zn)，鈣（Ca)和錳（Mn)微合金化以構(gòu)成微合金化鎂材料的 鎂（Mg)形成的本體，該微合金化鎂材料基本上由以下成分組成：0. 85至1. 4重量％的鋅 (Zn)、0. 2至0. 5重量％的鈣（Ca)、0. 2至0. 5重量％的錳（Mn)，余量為鎂（Mg)。
[0025] 在本發(fā)明的再一方面，該本體是螺釘、板、支架、釘、絲線或植入裝置中的一種。
[0026] 在本發(fā)明的另一方面，該本體是夾具、牽開器、鑷子或非植入裝置中之一的一部 分。
[0027] 在本發(fā)明的附加方面，與Mg微合金化的Zn、Ca和Mn的總百分比為1. 4至2. 4%。
[0028] 在本發(fā)明的又一方面，與Mg微合金化的Zn、Ca和Mn的總百分比為1. 5至2. 4%。
[0029] 在本發(fā)明的另一方面，Zn含量為0? 9至1. 3重量％。
[0030] 在本發(fā)明的附加方面，Ca含量為0.2至0.4重量％。
[0031] 在本發(fā)明的再一方面，Mn含量為0? 2至0? 35重量％。
[0032] 在本發(fā)明的另一方面，該微合金化鎂材料具有150至220MPa的屈服強(qiáng)度。
[0033] 在本發(fā)明的又一方面，該微合金化鎂材料具有15至35%的延伸率。
[0034] 在本發(fā)明的再一方面，該微合金化鎂材料具有60至84Hv的硬度。
[0035] 在本發(fā)明的附加方面，該微合金化鎂材料具有小于5微米的晶粒尺寸。
[0036] 在本發(fā)明的另一方面，該微合金化鎂材料在模擬體液中在37°C下具有50至150毫 升/21天的H2析出速率。
[0037] 在另一方面，本發(fā)明提供了制造手術(shù)器械的方法，所述手術(shù)器械至少部分由用于 吸收到人或動(dòng)物體內(nèi)的材料構(gòu)成，該方法包括以下步驟：提供鎂材料的熔體，該熔體基本上 由以下成分組成：〇. 85至1. 4重量％的鋅（Zn)、0. 2至0. 5重量％的鈣（Ca)、0. 2至0. 5重 量％的錳（Mn)，余量為鎂（Mg)，該熔體形成微合金化鎂材料；由該微合金化鎂材料形成鑄 件；通過熱機(jī)械法使該鑄件變形，由此將該鑄件的厚度降低超過30%的量以形成減厚形變 產(chǎn)物（wrought product);將該減厚形變產(chǎn)物退火以形成退火形變產(chǎn)物；對(duì)該退火形變產(chǎn) 物施以淬火和硬化的至少一種；并將該形變產(chǎn)物成型為手術(shù)器械的至少一部分。
[0038] 在本發(fā)明的再一方面，該變形步驟包括乳制該鑄件。
[0039] 在本發(fā)明的附加方面，該變形步驟包括擠壓該鑄件。
[0040] 在本發(fā)明的又一方面，擠壓該鑄件將該鑄件的厚度降低了超過50%。
[0041] 在本發(fā)明的再一方面，退火步驟包括在300°C至400°C范圍內(nèi)的退火。
[0042] 在本發(fā)明的附加方面，退火步驟包括退火至多4小時(shí)。
[0043] 在本發(fā)明的另一方面，該淬火包括水淬。
[0044] 在本發(fā)明的又一方面，通過Zn、Ca和Mn與Mg的固溶體微合金化來進(jìn)行硬化。
[0045] 在本發(fā)明的附加方面，通過形成約10X0. 5納米的納米尺寸有序區(qū)（1-3個(gè)原子層 的微小棱柱）來進(jìn)行硬化。
[0046] 在本發(fā)明的另一方面，該硬化包括在175°C至225°C的范圍內(nèi)時(shí)效硬化10分鐘