具有可調(diào)節(jié)降解率的超純鎂合金的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】具有可調(diào)節(jié)降解率的超純鎂合金
[0001]本專(zhuān)利申請(qǐng)要求2012年8月31日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)61/695，621和2013年3月14日提交的美國(guó)非臨時(shí)性專(zhuān)利申請(qǐng)13/827,008的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，它們的全部?jī)?nèi)容以引用方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及具有改善的降解特性的鎂合金。
【背景技術(shù)】
[0003]鎂植入物早在20世紀(jì)30年代被若干外科醫(yī)生在臨床上用于骨折治療。例如，J.Verbrugge (1934)對(duì)21個(gè)患者使用純鎂和鎂-8%鋁合金植入物兩者。然而，在第二次世界大戰(zhàn)以后，鎂作為吸收性植入物材料的使用減少。近年來(lái)，研宄人員重新開(kāi)始了對(duì)吸收性鎂植入物的關(guān)注。鎂研宄的主要焦點(diǎn)在于合金和涂層的開(kāi)發(fā)。主要目標(biāo)是控制降解率，以避免在降解期間形成氣泡，并且避免潛在有害的合金化元素。因此，存在對(duì)于這樣的鎂合金的需求，所述鎂合金的降解率可根據(jù)需要進(jìn)行控制和/或調(diào)整。
[0004]商業(yè)級(jí)純鎂(3N_Mg)不表現(xiàn)出均勻的體外或體內(nèi)降解。據(jù)信由于包括鐵(Fe)、銅(Cu)和鎳(Ni)在內(nèi)的微流電元素的形成，商業(yè)產(chǎn)品中雜質(zhì)的存在增加了降解率。因此，存在對(duì)于超純鎂材料的需求以用于包括外科植入物的醫(yī)療應(yīng)用。
[0005]為了預(yù)先防止次生相，其它污染物諸如鈷(Co)、硅(Si)、錳(Mn)和鋁(Al)也需要進(jìn)行控制。很多時(shí)候，單一污染物的存在可降低其它污染物的溶解度極限。這些微量元素的存在可改變鎂相圖內(nèi)的低共熔溫度。在凝固過(guò)程期間，污染物可在枝晶間空間中積累，并且引起次生相的形成。這些相不能通過(guò)后續(xù)的熱機(jī)械處理來(lái)消除。
[0006]本發(fā)明的實(shí)施例克服上述挑戰(zhàn)中的一個(gè)或多個(gè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]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)施例中的一些在下面論述。
[0008]在一個(gè)方面，本發(fā)明提供合金組合物和具有基于所述合金組合物的三維結(jié)構(gòu)的植入物。在一個(gè)實(shí)施例中，組合物包括單相MgZn合金，所述單相MgZn合金包含2.0重量％的Zn到6重量％的Zn、位于次生相中的少于0.001重量％的一種或多種其它元素，并且其中其余部分為Mg。在一個(gè)實(shí)施例中，合金基本上不含微流電元素。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，組合物基本上由單相MgZn合金組成，所述單相MgZn合金包含2.0重量％的Zn到6重量％的Zn、位于次生相中的少于0.001重量％的一種或多種其它元素，并且其中其余部分為Mg。在一個(gè)此類(lèi)實(shí)施例中，合金基本上不含微流電元素。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，組合物由單相MgZn合金組成，所述單相MgZn合金包含2.0重量％的Zn到6重量％的Zn、位于次生相中的少于0.001重量％的一種或多種其它元素，并且其中其余部分為Mg。在一個(gè)此類(lèi)實(shí)施例中，合金基本上不含微流電元素。
[0009]在一個(gè)實(shí)施例中，MgZn合金包含少于5ppm的全部其它元素。在另一個(gè)實(shí)施例中，MgZn合金包含少于2ppm的全部其它元素。在另一個(gè)實(shí)施例中，MgZn合金包含少于Ippm的全部其它元素。在另一個(gè)實(shí)施例中，MgZn合金包含少于0.5ppm的全部其它元素。
[0010]在另一個(gè)實(shí)施例中，組合物包括MgZnCa合金，所述MgZnCa合金包含比MgZn合金惰性小的納米析出物并具有在3.0重量％的Zn到6重量％的Zn的范圍內(nèi)的Zn含量以及在0.0005重量％到1.0重量％的范圍內(nèi)的鈣含量、位于次生相中的少于0.001重量％的一種或多種其它元素，并且其中其余部分為Mg。在另一個(gè)實(shí)施例中，組合物基本上由MgZnCa合金組成，所述MgZnCa合金包含比MgZn合金惰性小的惰性納米析出物并具有在3.0重量％的Zn到6重量％的Zn的范圍內(nèi)的Zn含量以及在0.0005重量％到1.0重量％的范圍內(nèi)的鈣含量、位于次生相中的少于0.001重量％的一種或多種其它元素，并且其中其余部分為Mg。在另一個(gè)實(shí)施例中，組合物由MgZnCa合金組成，所述MgZnCa合金包含比MgZn合金惰性小的納米析出物并具有在3.0重量％的Zn到6重量％的Zn的范圍內(nèi)的Zn含量以及在0.0005重量％到1.0重量％的范圍內(nèi)的鈣含量、位于次生相中的少于0.001重量％的一種或多種其它元素，并且其中其余部分為Mg。
[0011]在一個(gè)實(shí)施例中，MgZnCa合金包含少于5ppm的全部其它元素。在另一個(gè)實(shí)施例中，MgZnCa合金包含少于2ppm的全部其它元素。在另一個(gè)實(shí)施例中，MgZnCa合金包含少于Ippm的全部其它元素。在另一個(gè)實(shí)施例中，MgZnCa合金包含少于0.5ppm的全部其它元素。
[0012]在一些其它此類(lèi)實(shí)施例中，惰性較小的納米析出物包含Mg6Zn3Ca2。
[0013]在另一個(gè)實(shí)施例中，組合物包括MgZnCa合金，所述MgZnCa合金包含納米析出物并具有3.0重量％的Zn到6重量％的Zn的范圍內(nèi)的Zn含量以及0.0005重量％到1.0重量％的范圍內(nèi)的鈣含量、位于次生相中的少于0.001重量％的一種或多種其它元素，并且其中其余部分為Mg，并且其中納米析出物比其余部分Mg惰性小。在另一個(gè)實(shí)施例中，組合物基本上由MgZnCa合金組成，所述MgZnCa合金包含惰性的納米析出物并具有3.0重量％的Zn到6重量％的Zn的范圍內(nèi)的Zn含量以及0.0005重量％到1.0重量％的范圍內(nèi)的媽含量、位于次生相中的少于0.001重量％的一種或多種其它元素，并且其中其余部分為Mg，并且其中納米析出物比其余部分Mg惰性小。在另一個(gè)實(shí)施例中，組合物由MgZnCa合金組成，所述MgZnCa合金包含納米析出物并具有3.0重量％的Zn到6重量％的Zn的范圍內(nèi)的Zn含量以及0.0005重量％到1.0重量％的范圍內(nèi)的1?含量、位于次生相中的少于0.001重量％的一種或多種其它元素，并且其中其余部分為Mg，并且其中納米析出物比其余部分Mg惰性小。
[0014]在一個(gè)實(shí)施例中，MgZnCa合金包含少于5ppm的全部其它元素。在另一個(gè)實(shí)施例中，MgZnCa合金包含少于2ppm的全部其它元素。在另一個(gè)實(shí)施例中，MgZnCa合金包含少于Ippm的全部其它元素。在另一個(gè)實(shí)施例中，MgZnCa合金包含少于0.5ppm的全部其它元素。
[0015]在一些其它此類(lèi)實(shí)施例中，惰性較小的納米析出物包含Mg6Zn3Ca2。
[0016]在另一個(gè)實(shí)施例中，組合物包括MgZnCa合金，所述MgZnCa合金包含比MgZn合金惰性小的納米析出物、比MgZn合金惰性大的多種納米析出物，并具有3.0重量％的Zn到6重量％的Zn的范圍內(nèi)的Zn含量以及0.0005重量％到1.0重量％的范圍內(nèi)的媽含量、位于次生相中的少于0.001重量％的一種或多種其它元素，其中其余部分為Mg。在另一個(gè)實(shí)施例中，組合物基本上由MgZnCa合金組成，所述MgZnCa合金包含比MgZn合金惰性小的納米析出物、比MgZn合金惰性大的多種納米析出物，并具有3.0重量％的Zn到6重量％的Zn的范圍內(nèi)的Zn含量以及0.0005重量％到1.0重量％的范圍內(nèi)的鈣含量、位于次生相中的少于0.001重量％的一種或多種其它元素，并且其中其余部分為Mg。在另一個(gè)實(shí)施例中，組合物由MgZnCa合金組成，所述MgZnCa合金包含比MgZn合金惰性小的納米析出物，比Mg基體惰性大的多種納米析出物，并具有3.0重量％的Zn到6重量％的Zn的范圍內(nèi)的Zn含量以及0.0005重量％到1.0重量％的范圍內(nèi)的媽含量、位于次生相中的少于0.001重量％的一種或多種其它元素，并且其中其余部分為Mg。
[0017]在一個(gè)實(shí)施例中，MgZnCa合金包含少于5ppm的全部其它元素。在另一個(gè)實(shí)施例中，MgZnCa合金包含少于2ppm的全部其它元素。在另一個(gè)實(shí)施例中，MgZnCa合金包含少于Ippm的全部其它元素。在另一個(gè)實(shí)施例中，MgZnCa合金包含少于0.5ppm的全部其它元素。
[0018]在一些此類(lèi)實(shí)施例中，比Mg惰性小的納米析出物包含Mg6Zn3Ca2。在其它此類(lèi)實(shí)施例中，比Mg基體惰性大的納米析出物包含Mn-Zn。
[0019]在根據(jù)本發(fā)明的合金的一些實(shí)施例中，每種合金具有小于10 μm的晶粒尺寸。在本發(fā)明的一些合金中，每種合金具有至少200MPa的屈服強(qiáng)度。在一些實(shí)施例中，每種合金具有至少200MPa的屈服強(qiáng)度。在一個(gè)實(shí)施例中，每種合金具有至少250MPa的極限拉伸強(qiáng)度。在另一個(gè)實(shí)施例中，每種合金具有至少15%的斷裂伸長(zhǎng)率。在另一個(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0.5mg/cm2天的體外降解率。
[0020]在其它實(shí)施例中，植入物為矯形植入物。在此類(lèi)實(shí)施例中，矯形植入物包含如下中的一種或多種:釘、螺絲、縫釘、板、桿、大頭釘、螺栓、鎖定螺栓和M釘、錨定件、榫釘、塞、栓、套筒、網(wǎng)片、橫向連接器、螺母、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)。在一些其它實(shí)施例中，與包含微流電雜質(zhì)的鎂合金植入物相比，所述植入物具有較低的降解率。
[0021]在其它實(shí)施例中，所述植入物為非矯形植入物。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。
[0022]在植入物的另一個(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0.5mg/cm2天的體外降解率。
[0023]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，方法包括:(a)澆鑄合金，所述合金包含(i)具有至少99.997重量％的純度并具有少于0.001重量％的一種或多種其它元素的超純鎂；和(ii)從2.0重量％到6重量％的具有至少99.999重量％的純度的鋅，所述澆鑄是在惰性氣氛和惰性反應(yīng)容器中執(zhí)行的；(b)在兩個(gè)不同的溫度下加熱澆鑄合金，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系的低共恪溫度，從而形成單相MgZn合金，所述單相MgZn合金包含2.0重量％的Zn到6重量％的Zn，具有少于0.001重量％的一種或多種其它元素，其中其余部分為Mg ;以及(c)將合金擠成期望的形狀。
[0024]在一些實(shí)施例中，制備根據(jù)本發(fā)明的合金的方法包括:(a)澆鑄合金，所述合金包含(i)具有至少99.997重量％的純度并具有少于0.001重量％的一種或多種其它元素的超純鎂；(ii)從3重量％的鋅到6重量％的具有至少99.999重量％的純度的鋅；和(iii)從0.02重量％到1.0重量％的具有至少99.9重量％的純度的鈣金屬，所述澆鑄是在惰性氣氛和惰性反應(yīng)容器中執(zhí)行的；(b)在兩個(gè)不同的溫度下加熱所述澆鑄合金，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MgZnCa合金，所述MgZnCa合金包含從3.0重量0A的Zn到6重量％的Zn、、和0.0005重量0A到1.0重量％的范圍內(nèi)的鈣含量，同時(shí)具有少于0.001重量％的一種或多種其它元素，并且其余部分為Mg ;(c)將合金擠成期望的形狀；以及(d)將成型的合金加熱到至少140°C，以形成分散在整個(gè)MgZnCa合金中的惰性較大的納米析出物。在另一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括加熱到至少230°C以形成分散在整個(gè)MgZn合金中的惰性較大的納米析出物。
【具體實(shí)施方式】
[0025]現(xiàn)在將具體地參考本公開(kāi)的各種實(shí)施例。
[0026]在一個(gè)方面，本發(fā)明涉及包含高純度鎂合金的組合物。在一個(gè)實(shí)施例中，合金組合物包括單相MgZn合金，該單相MgZn合金包含2.0重量％的Zn到6重量％的Zn，具有少于0.001重量％的一種或多種其它元素，并且其中其余部分為Mg。在另一個(gè)實(shí)施例中，合金組合物基本上由單相MgZn合金組成，該單相MgZn合金包含2.0重量％的Zn到6重量％的Zn，具有少于0.001重量％的一種或多種其它元素，