高強度和生物可吸收的鎂合金的制作方法
【專利說明】高強度和生物可吸收的鎂合金
[0001] 發(fā)明背景
[0002] 1 ?技術領域
[0003] 本發(fā)明通常涉及手術器械。更特別地，本發(fā)明涉及生物可吸收的手術器械，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器械。
[0004] 2?相關技術
[0005] 骨科植入物的整體市場巨大，全世界為每年43億美元（2012年估計，Frost 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，每年進行 超過二百五十萬例植入物和韌帶修復術。單獨的韌帶修復術估計每年超過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 計為每年500MM美元。衛(wèi)生系統(tǒng)在采用新技術促進更快恢復和避免感染和發(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，多種技術用于這些修復性外 科手術，包括永久的不可吸收的植入物、臨時的不可吸收的植入物和生物可吸收的聚合物 植入物。
[0007] 在這些修復性外科手術中，需要負荷逐漸由植入物轉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荷，使它們 無法充分再生。塑料固定裝置達不到模仿骨骼性質。這兩種固定裝置均不能提供負荷的逐 漸轉移。金屬固定裝置還進一步妨礙手術后的磁共振成像（MRI)掃描，并且在一些情況下， 該固定裝置需要后繼手術以去除該固定裝置。存在損失的生產時間、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。與此類去除相關的所需成本是高昂的。
[0008] 可生物降解的塑料有時也用作該固定裝置以便使修復的韌帶愈合和加強。如上所 述，此類塑料固定裝置在強度方面無法適當地模擬骨骼特征。這些聚合物植入物也無法在 其后退表面上促進骨骼生長，因為它們吸收。對于這些手術，在現有的可生物降解塑料中需 要更強、更韌和更硬的材料。
[0009] 在許多外科手術中，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部位封閉時意外地留在患者體內。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器官造成損傷。
[0010] 由上述內容可以看出，植入物和牽開器需要堅固、堅韌和可溶性的金屬。
[0011] 同時，對植入物而言，對人體無毒是極為重要的。作為相關的例子，對于鎂（Mg)基 合金，最常見的用于增加強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對癡呆和阿爾茨海默氏癥的可能影響方面引起了嚴重的關切。其它可能的Mg 植入物含有用于強化的稀土（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；不能如Mg那樣通過身體機能運走。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；正常的血液學和血清生化學；良好的骨傳導 性和骨誘導性；具有改善的密度和強度的提高的附著新骨生長；良好的細胞相容性；不發(fā) 炎；良好的造骨細胞附著性；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 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所喪失的強度，同時改善韌度和優(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] 鑒于上述已知技術的缺點和限制，本發(fā)明提供了由滿足上述要求的鎂合金構成的 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用或牽開器應用進行了 調整。在固定裝置應用中，特定的鎂合金和工藝可以對特定的手術修復的愈合時間/強度 要求進行微調。對于牽開器應用，該鎂合金和工藝可以調整以提供所需強度，允許保留在患 者體內的任何金屬碎片的快速吸收。
[0015] 采用本發(fā)明的技術，應當可以省略與二次、植入物去除術相關的成本、疼痛、心理 壓力和失去的生產時間。應當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當能夠以更低剛性進行治 療。也應當可以避免補救感染和發(fā)炎的植入后程序。除了上述之外，由牽開器或其它外科 手術器械碎片產生的問題將會減少一一如果未能消除的話。應用可以擴展到輕質外部矯形 裝置。
[0016] 因此，在一個方面，本發(fā)明提供一種堅硬且堅固的Mg合金，向由該Mg合金制成的 任何固定裝置提供對整個愈合過程的耐久性。鎂（Mg)是最輕的結構金屬，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 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對身體友好。Mg天然地見于骨組織中，并且對人體代謝必不可少。 其還是人體內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。結果，新骨與先前的斷骨相比 更致密和堅固。
[0017] 在一個方面，本發(fā)明因此提供一種微合金化鎂材料用于在人或動物體內吸收，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。
[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物體內的材料構成的手術器械， 該手術器械包括：由與鋅（Zn)，鈣（Ca)和錳（Mn)微合金化以構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)明提供了制造手術器械的方法，所述手術器械至少部分由用于 吸收到人或動物體內的材料構成，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 產物（wrought product);將該減厚形變產物退火以形成退火形變產物；對該退火形變產 物施以淬火和硬化的至少一種；并將該形變產物成型為手術器械的至少一部分。
[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。
[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個原子層 的微小棱柱）來進行硬化。
[0046] 在本發(fā)明的另一方面，該硬化包括在175°C至225°C的范圍內時效硬化10分鐘