具有可調節降解率的鎂合金的制作方法
【專利說明】具有可調節降解率的鏌合金
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求提交于2013年3月14日的美國臨時申請61/783,554、提交于2013 年11月26日的美國臨時申請61/909, 100和提交于2014年2月21日的美國臨時申請 61/942, 951的優先權，這些臨時申請的公開內容據此全文以引用方式并入本文。
【背景技術】
[0003] 追溯至20世紀30年代，不少外科醫生已在臨床上使用鎂植入物來治療骨折。舉 例來說，J. Verbrugge (1934年）向21名骨折病人體內植入了純鎂植入物和含有8%鋁的鎂 合金植入物。然而，在第二次世界大戰之后，人們逐漸不再使用鎂作為可吸收植入材料。近 幾年來研究人員重新對可吸收鎂植入物產生了興趣。鎂研究工作主要集中在開發合金和涂 料，主要目標是控制降解率、避免在降解期間形成氣泡并避免產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，其降解率可根據需要進行控制和/或調整。
[0004] 商業級純鎂（3N-Mg)與AZ91或WE43這樣的合金相比機械性能較差。使純鎂變硬 很不容易實現。可利用塑性變形誘導動態重結晶，精制出晶粒微結構（例如通過擠出），由 此實現這種硬化。精細的晶粒微結構不僅是合金達到更高強度等級所必需的，也是避免呈 現機械性能各向異性（拉伸和壓縮的強度差異）所需要的。但這種微結構可能不穩定。
[0005] 本發明的實施例解決了上述一個或多個難題。
【發明內容】
[0006] 本公開提供了本發明的若干示例性實施例，這些實施例中的一些在下文論述。
[0007] 在一個方面，本發明提供了MgZnCa合金組合物和具有基于此類合金組合物的三 維結構的植入物。
[0008] 在一個實施例中，該MgZnCa合金組合物包含鎂基質，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的范圍內的Zn含量；在0. 2重量％的 Ca至〇. 5重量％的Ca的范圍內的鈣含量；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或其混合物的惰性小或者大。在另一個實施例中， 該MgZnCa合金組合物基本上由以下物質組成：鎂基質，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的范圍內的鋅含量；在0.2重量％的0&至0.5 重量％的Ca的范圍內的鈣含量；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或其混合物的惰性小或者大。在另一個實施例中，該MgZnCa 合金組合物由以下物質組成：鎂基質，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的范圍內的鋅含量；在0. 2重量％的Ca至0. 5重量％的Ca的范 圍內的鈣含量；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 惰性比鎂基質或其混合物的惰性小或者大。
[0009] 在一些此類實施例中，該合金組合物基本上不含微流電元素。在其他此類實施例 中，此合金組合物是單相的。在其他此類實施例中，全部其它元素小于組合物的約〇. 1重 量％。在其他此類實施例中，一種或多種其它元素位于次生相中。在其他此類實施例中，納 米沉淀物的惰性比鎂基質小，并且包含（Mg,Zn)2Ca。在其他此類實施例中，納米沉淀物的惰 性比鎂基質大，并且包含Mg6Zn3Ca2。在一些此類實施例中，該合金既包含惰性比鎂基質小的 納米沉淀物并且包含惰性比鎂基質大的納米沉淀物。
[0010] 在根據本發明的合金的一些實施例中，合金的晶粒尺寸小于10ym、小于5ym或 小于2ym。在本發明的合金的一些實施例中，合金的屈服強度為至少180MPa。在一個實施 例中，合金的極限抗拉強度為至少240MPa。在另一個實施例中，合金的斷裂伸長率為至少 10 %。在又一個實施例中，合金具有如在模擬體液中測量的小于0. 5毫克/平方厘米/天 的體外降解率。
[0011] 在其他實施例中，植入物是矯形植入物。在此類實施例中，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（"頂"）釘 的螺栓、錨釘、榫釘、塞、栓、套筒、網片（mesh)、橫向連接器、螺帽、成形體、脊保持架、線材、K 線材、織造結構、夾鉗、夾板、支架、泡沫和蜂窩結構。在一些其他實施例中，植入物的降解率 比包含微流電雜質的鎂合金植入物低。
[0012] 在其他實施例中，植入物是非矯形植入物。在此類實施例中，非矯形植入物包括心 血管支架、神經支架和椎體成形術支架。
[0013] 在植入物的又一個實施例中，每種合金具有如在模擬體液中測量的小于0. 5毫克 /平方厘米/天的體外降解率。
[0014] 在一個方面，本發明提供了制備根據本文所述實施例的合金的方法。在一個實施 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，所述澆鑄優選地在惰性氣氛和惰性反應容 器中執行；(b)在兩個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之間進行時效熱處理；隨后（d)將合金擠成期望的形狀。
[0015] 鎂合金的雜質限量優選地為：鐵<30ppm，銅<20ppm，鎳<5ppm，猛<200ppm，娃 <200ppm，然而這些雜質的總量應優選地低于400ppm。
【附圖說明】
[0016]圖1是某些鎂合金的平均析氫速率與時間的關系的圖示。
[0017] 圖2示出了植入Sprague-Dawley(SD)大鼠股骨中的鎂銷在手術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是根據本公開的MgZnlCaO. 3合金的組成圖示。
[0020] 圖5是經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 均析氫速率與時間的關系的圖示。
[0021] 圖6包括圖6A和圖6B，是示出經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。
【具體實施方式】
[0023] 下面將詳細描述本公開的各種實施例。在一個實施例中，MgZnCa合金組合物包含 鎂基質，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 范圍內的鋅含量；在〇. 2重量％的Ca至0. 5重量％的Ca的范圍內的鈣含量；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或其混合物的惰性 小或大。在另一個實施例中，該MgZnCa合金組合物基本上由以下物質組成：鎂基質，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的范圍內的鋅含量； 在0. 2重量％的Ca至0. 5重量％的Ca的范圍內的鈣含量；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或其混合物的惰性小或大。在另一個 實施例中，該MgZnCa合金組合物由以下物質組成：鎂基質，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的范圍內的鋅含量；在0. 2重量％的Ca至0. 5 重量％的Ca的范圍內的鈣含量；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或其混合物的惰性小或大。
[0024] 術語"組合物"、"合金組合物"、"MgZnCa合金"和"合金"在本文中可互換使用。除 非另有規定或另外指明，否則本文所公開的量都是基于合金組合物的重量計的。
[0025] 如本文所用，術語"鎂基質"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（在本文中也稱作"其它元素"）。舉例來說，鎂基質可以是 純鎂，或者可以是與鋅、鈣和/或雜質固溶在一起的鎂，或者它們混合物。鎂基質將不包括 次生相，也就是說，包括沉淀物的不溶解組分。
[0026] 也將鎂基質稱作余量的鎂、其余的鎂，或周圍鎂相。例如，對于某些實施例來說，