具有可调节降解率的镁合金的制作方法
【专利说明】具有可调节降解率的镆合金
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求提交于2013年3月14日的美国临时申请61/783,554、提交于2013 年11月26日的美国临时申请61/909, 100和提交于2014年2月21日的美国临时申请 61/942, 951的优先权，这些临时申请的公开内容据此全文以引用方式并入本文。
【背景技术】
[0003] 追溯至20世纪30年代，不少外科医生已在临床上使用镁植入物来治疗骨折。举 例来说，J. Verbrugge (1934年）向21名骨折病人体内植入了纯镁植入物和含有8%铝的镁 合金植入物。然而，在第二次世界大战之后，人们逐渐不再使用镁作为可吸收植入材料。近 几年来研究人员重新对可吸收镁植入物产生了兴趣。镁研究工作主要集中在开发合金和涂 料，主要目标是控制降解率、避免在降解期间形成气泡并避免产生潜在有害的合金元素。因 此需要具有均匀降解行为的镁合金，其降解率可根据需要进行控制和/或调整。
[0004] 商业级纯镁（3N-Mg)与AZ91或WE43这样的合金相比机械性能较差。使纯镁变硬 很不容易实现。可利用塑性变形诱导动态重结晶，精制出晶粒微结构（例如通过挤出），由 此实现这种硬化。精细的晶粒微结构不仅是合金达到更高强度等级所必需的，也是避免呈 现机械性能各向异性（拉伸和压缩的强度差异）所需要的。但这种微结构可能不稳定。
[0005] 本发明的实施例解决了上述一个或多个难题。
【发明内容】
[0006] 本公开提供了本发明的若干示例性实施例，这些实施例中的一些在下文论述。
[0007] 在一个方面，本发明提供了MgZnCa合金组合物和具有基于此类合金组合物的三 维结构的植入物。
[0008] 在一个实施例中，该MgZnCa合金组合物包含镁基质，并任选地包含纳米沉淀物； 其中该组合物包含在0. 1重量％的Zn至2. 0%的Zn的范围内的Zn含量；在0. 2重量％的 Ca至〇. 5重量％的Ca的范围内的钙含量；一定量的一种或多种其它元素；以及其余含量为 镁；其中该纳米沉淀物的惰性比镁基质或其混合物的惰性小或者大。在另一个实施例中， 该MgZnCa合金组合物基本上由以下物质组成：镁基质，以及任选地纳米沉淀物；其中该组 合物包含在〇. 1重量％的211至2.0%的Zn的范围内的锌含量；在0.2重量％的0&至0.5 重量％的Ca的范围内的钙含量；一定量的一种或多种其它元素；以及其余含量为镁；其中 该纳米沉淀物的惰性比镁基质或其混合物的惰性小或者大。在另一个实施例中，该MgZnCa 合金组合物由以下物质组成：镁基质，以及任选地纳米沉淀物；其中该组合物包含在0. 1重 量％的Zn至2. 0 %的Zn的范围内的锌含量；在0. 2重量％的Ca至0. 5重量％的Ca的范 围内的钙含量；一定量的一种或多种其它元素；以及其余含量为镁；其中该纳米沉淀物的 惰性比镁基质或其混合物的惰性小或者大。
[0009] 在一些此类实施例中，该合金组合物基本上不含微流电元素。在其他此类实施例 中，此合金组合物是单相的。在其他此类实施例中，全部其它元素小于组合物的约〇. 1重 量％。在其他此类实施例中，一种或多种其它元素位于次生相中。在其他此类实施例中，纳 米沉淀物的惰性比镁基质小，并且包含（Mg,Zn)2Ca。在其他此类实施例中，纳米沉淀物的惰 性比镁基质大，并且包含Mg6Zn3Ca2。在一些此类实施例中，该合金既包含惰性比镁基质小的 纳米沉淀物并且包含惰性比镁基质大的纳米沉淀物。
[0010] 在根据本发明的合金的一些实施例中，合金的晶粒尺寸小于10ym、小于5ym或 小于2ym。在本发明的合金的一些实施例中，合金的屈服强度为至少180MPa。在一个实施 例中，合金的极限抗拉强度为至少240MPa。在另一个实施例中，合金的断裂伸长率为至少 10 %。在又一个实施例中，合金具有如在模拟体液中测量的小于0. 5毫克/平方厘米/天 的体外降解率。
[0011] 在其他实施例中，植入物是矫形植入物。在此类实施例中，矫形植入物包括以下 中的一种或多种：钉、螺丝、缝钉（staple)、板、杆、大头钉、螺栓、用于锁定髓内（"頂"）钉 的螺栓、锚钉、榫钉、塞、栓、套筒、网片（mesh)、横向连接器、螺帽、成形体、脊保持架、线材、K 线材、织造结构、夹钳、夹板、支架、泡沫和蜂窝结构。在一些其他实施例中，植入物的降解率 比包含微流电杂质的镁合金植入物低。
[0012] 在其他实施例中，植入物是非矫形植入物。在此类实施例中，非矫形植入物包括心 血管支架、神经支架和椎体成形术支架。
[0013] 在植入物的又一个实施例中，每种合金具有如在模拟体液中测量的小于0. 5毫克 /平方厘米/天的体外降解率。
[0014] 在一个方面，本发明提供了制备根据本文所述实施例的合金的方法。在一个实施 例中，该方法包括：(a)浇铸合金，所述合金包含（i)具有至少99. 96重量％的纯度的市售 纯镁（ii)〇. 1重量％至2. 0重量％的至少99. 9重量％的纯度的锌以及2重量％至 0. 5重量％的具有至少99. 9重量％的纯度的钙，所述浇铸优选地在惰性气氛和惰性反应容 器中执行；(b)在两个不同的温度下固溶热处理所浇铸的合金，其中第一温度低于Mg-Zn的 低共熔温度，并且第二温度高于三元Mg-Zn-Ca系的低共熔温度，从而形成包含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之间进行时效热处理；随后（d)将合金挤成期望的形状。
[0015] 镁合金的杂质限量优选地为：铁<30ppm，铜<20ppm，镍<5ppm，猛<200ppm，娃 <200ppm，然而这些杂质的总量应优选地低于400ppm。
【附图说明】
[0016]图1是某些镁合金的平均析氢速率与时间的关系的图示。
[0017] 图2示出了植入Sprague-Dawley(SD)大鼠股骨中的镁销在手术12周后的微CT 重建（二维切片）图像。
[0018] 图3示出了在模拟体液（SBF)中浸泡后的植入物样品的表面形貌。
[0019] 图4包括图4A和图4B，其中图4A是Mg-Zn-Ca系在300°C温度下的等温截面图示， 图4B是根据本公开的MgZnlCaO. 3合金的组成图示。
[0020] 图5是经受了某些热处理的某些镁合金在浸泡于TRIS缓冲的模拟体液期间的平 均析氢速率与时间的关系的图示。
[0021] 图6包括图6A和图6B，是示出经受了某些热处理的某些镁合金在浸泡于TRIS缓 冲的模拟体液期间的平均析氢速率的柱状图。
[0022] 图7是示出经受了某些热处理的某些挤出镁合金的晶粒尺寸的柱状图。
【具体实施方式】
[0023] 下面将详细描述本公开的各种实施例。在一个实施例中，MgZnCa合金组合物包含 镁基质，并任选地包含纳米沉淀物；其中该组合物包含在〇. 1重量％的Zn至2. 0%的Zn的 范围内的锌含量；在〇. 2重量％的Ca至0. 5重量％的Ca的范围内的钙含量；一定量的一种 或多种其它元素；以及其余含量为镁；其中纳米沉淀物的惰性比镁基质或其混合物的惰性 小或大。在另一个实施例中，该MgZnCa合金组合物基本上由以下物质组成：镁基质，以及任 选地纳米沉淀物；其中该组合物包含在0. 1重量％的Zn至2. 0%的Zn的范围内的锌含量； 在0. 2重量％的Ca至0. 5重量％的Ca的范围内的钙含量；一定量的一种或多种其它元素； 以及其余含量为镁；其中纳米沉淀物的惰性比镁基质或其混合物的惰性小或大。在另一个 实施例中，该MgZnCa合金组合物由以下物质组成：镁基质，以及任选地纳米沉淀物；其中该 组合物包含在0. 1重量％的Zn至2. 0%的Zn的范围内的锌含量；在0. 2重量％的Ca至0. 5 重量％的Ca的范围内的钙含量；一定量的一种或多种其它元素；以及其余含量为镁；其中 纳米沉淀物的惰性比镁基质或其混合物的惰性小或大。
[0024] 术语"组合物"、"合金组合物"、"MgZnCa合金"和"合金"在本文中可互换使用。除 非另有规定或另外指明，否则本文所公开的量都是基于合金组合物的重量计的。
[0025] 如本文所用，术语"镁基质"是指合金组合物的本体镁部分，其中溶解有合金的组 成部分，例如锌、钙和/或杂质（在本文中也称作"其它元素"）。举例来说，镁基质可以是 纯镁，或者可以是与锌、钙和/或杂质固溶在一起的镁，或者它们混合物。镁基质将不包括 次生相，也就是说，包括沉淀物的不溶解组分。
[0026] 也将镁基质称作余量的镁、其余的镁，或周围镁相。例如，对于某些实施例来说，