CN115003344A

CN115003344A - 用于医疗设备的高模量合金

Info

Publication number: CN115003344A
Application number: CN202080094080.5A
Authority: CN
Inventors: J·大卫德森; W·雷扎克; R·巴拉德
Original assignee: Warsaw Orthopedic Inc
Current assignee: Warsaw Orthopedic Inc
Priority date: 2020-01-22
Filing date: 2020-12-17
Publication date: 2022-09-02
Also published as: WO2021150330A1; US20210220513A1

Abstract

具有高模量合金的医疗设备，诸如，植入物。所述合金包括具有多种难熔金属的生物相容性难熔金属基合金。在各种实施例中，所述合金具有高于约300GPa的弹性模量，并且包括钨、钼以及钨。

Description

用于医疗设备的高模量合金

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年1月22日提交的第62/964,578号美国临时专利申请的权益和优先权，其全部公开内容通过引用的方式并入本文。

技术领域

本发明技术总体涉及医疗设备，更具体地涉及用于医疗设备的高模量合金。

背景技术

对于外科手术植入物，希望使设备廓形最小化并增加植入物的刚度或弹性模量。示例植入程序是用于脊柱融合或矫正的植入物。

刚度趋于使运动最小化并优化被接合或以其他方式固定的脊柱节段的稳定性。

希望材料具有足够的刚度和可接受的耐腐蚀性。

Co-Cr-Mo合金和奥氏体不锈钢(304I，316L)以及低模量钛合金(Ti6Al4V等)是市场上的示例材料。

在预期的成本范围内，性能更好的材料是医疗植入物所需要的。

发明内容

本发明的系统、过程以及技术总体上涉及用于医疗设备(诸如，医疗植入物)的高模量合金。

在各个方面，本发明提供了一种具有高模量合金的医疗设备，诸如，植入物或设备。所述合金包括具有多种难熔金属的生物相容性难熔金属基合金。在各种实施例中，所述合金具有高于约300GPa的弹性模量，并且包括钨、钼以及钨。

在其他方面，本发明提供了用于使上文要求保护或上文进一步描述的任何合金熔化和形成的方法。

附图说明

图1示出了各种植入物合金的强度和模量值。

图2示出了各种材料的强度与模量的关系。此视图可以称为阿什比图。其比较了常规生物玻璃、生物金属以及生物医学BMG的这些机械特性。

图3是示出各种材料的局部腐蚀电位(mV与SCE)值的表格。测试包括在0.9％NaCl溶液中在37摄氏度的机械抛光表面上进行的修改的ASTM F746测试。数据被复制。

图4是示出在(1)0.5M NaCl+0.1M HCl、(2)0.5M NaCl，以及(3)0.5M NaCl+0.1MNaOH溶液中腐蚀电位与试样组成的相依性的线图。

图5示出了前颈椎间盘切除和融合的示例。

图6示出了示例后颈椎融合。

图7示出了多节段脊柱融合的侧视图和后视图，包括连接锚固在患者椎骨中的螺钉组的脊柱杆。

图8也示出了多节段脊柱融合的后视图，包括连接锚固在患者椎骨中的螺钉组的脊柱杆，以及接合左杆和右杆的连接器。

图9示出了示例脊柱系统。系统使用Co-28Cr-8Mo合金，其典型机械特性如下表所示。

图10示出了对应于01型和02型的机械测试要求的表格。

图11示出了远离患者执行的示例性手动杆弯曲过程。

图12示出了在原位执行的示例手动杆弯曲过程，其中杆已被植入。

图13示出了突出被称为难熔元素的基团的周期表。

图14是示出选定材料的各种特性值的表格。

图15是在环境影响方面比较难熔金属的表格。此处引用出版物，金属生命周期评估：科学合成论文，Nuss P&Eckelman MJ，2014(Life Cycle Assessment of Metals:AScientific Synthesys paper,Nuss P&Eckelman MJ,2014)。

图16是示出难熔金属的延脆转变行为与温度的图表。

图17是示出两条硬度曲线的图表。

图18是示出选定金属的极限抗拉强度对布氏硬度的汇编的图表。

图19是示出铼的合金化添加对延展性的影响的图表。

图20示出了钨-钼的相图。

图21示出了钼-铌的相图。

图22示出了钨-钽的相图。

图23示出了钼-钽的相图。

图24是钼-铬的相图。

图25示出了钨-铬的相图。

图26是钨-钼-铬三元的相图，

图27是示出各种材料的特性的表格。

图28是示出用于各种实施例的本发明的合金的元素选项的磁化率(X10^-6ppm)值的表格。

图29是汇总选定植入金属和合金的磁化率水平的表格。

图30示出了各种材料的硬度值。

图31示出了描述钼金属轧制产品生产的流程图。

图32示出了在径向上测得的锻造75％的W和W-Re盘的拉伸特性，作为测试温度的函数。

图33示出了钼-铼的相图。

图34示出了钨-铼的相图。

图35示出了铼-钽的相图。

图36示出了铼-铌的相图。

图37示出了铼-铬的相图。

图38示出了钼47.5％铼的特性。

图39是示出在100K下具有通常存在于超级合金中的选定金属元素的一些氧化物的标准形成自由能的表格。

具体实施方式

在脊柱融合、矫正以及其他植入手术中，希望提供的设备廓形最小化并增加植入物的刚度(弹性模量)，同时保持可接受的耐腐蚀性，使其与目前使用的Co-Cr-Mo合金和奥氏体不锈钢相当(304I，316L)。刚度趋于使运动最小化并优化被接合或以其他方式固定的脊柱节段的稳定性。

在本发明技术的合金中纳入足够的铬提供了可接受的钝性和耐腐蚀性，这在患者体内的氯化物水溶液环境中是重要的。在各种实施例中，本发明技术的新合金的高模量通过使用一种或多种选择元素，诸如，钨和钼，作为合金组成的主要部分来实现。

还希望本发明技术的合金具有合理的成本。例如，可以避免使用相对昂贵的材料，诸如。

在一些实施例中，希望本发明技术的合金具有低成像伪影，特别是对于MRI、CT以及其他成像而言。产生高水平不良成像伪影的示例材料类型包括顺磁性或非铁磁性材料。钴、铁以及镍是高铁磁性元素，因此，在一些实施例中被避免使用或限制，因此不包括在本发明合金中。

包含在本发明技术中的候选替代金属和合金可以满足这种下一代脊柱植入物的要求。

本发明技术的材料可用于各种应用，诸如，外科手术设备，更具体地，外科手术植入物，诸如，牙科或脊柱植入物，诸如，脊柱板、脊柱杆、脊柱螺钉、螺钉头(例如，接收器或容置件(tulip)，以及连接到其上的任何延长器或凸片)，以及连接器。

因此，除了在脊柱板和杆中实施之外，还具有高(更高，例如，高于标准)模量材料的螺钉头也很有价值。螺钉头的好处包括可以减轻螺钉头的张开(splay)，即头部臂的不合需要的打开/偏转，形成杆槽，固持脊柱杆以矫正脊柱。更硬、模量更高的合金也将减轻螺钉头和板和/或锚固件之间的微动磨损。

在许多情况下，脊柱畸形外科手术涉及使用带有刚性植入物和器械的节段固定来进行脊柱外科手术操作和矫正。椎弓根螺钉和杆沿多个椎体节段植入，其中杆被组装并锁定到位，以沿脊柱形成刚性构造物。此构造物起杠杆作用，以使脊柱反旋转和弯曲，或至少将脊柱保持在更正常的曲率中。

考虑到矫正畸形所需的力，用于构建构造物的杆和螺钉头需要足够坚硬，以承受矫正和术后使用期间施加的载荷，而不会发生导致螺钉头张开或杆折曲的不合需要的变形。这可以通过刚度相对较高的金属和坚固尺寸的部件来实现，以确保有足够的刚性。然而，大尺寸的部件会导致体积大的构造物在外科手术部位闭合后突出到皮肤中，从而导致美容和外科手术部位疼痛的问题。

减小这些部件的尺寸以允许使用低廓形构造物的能力将提高这些手术所用的植入物的价值，并改善患者的术后反应。一种不需要牺牲刚性或刚度或完全不牺牲刚性或刚度的减小廓形的方法是使用一种或多种超高刚度材料。这使得较小的植入物能够充分抵抗预期的变形力，诸如，在植入过程中或植入过程之后的弯曲。

最大限度地减少显著的可塑性和非线性力与位移行为的量对于匹配性能也很重要。这是因为对于给定的施加载荷，较小的几何部件的总变形会更高。

TZM合金

示例常规合金是钼合金，例如，TZM，含有0.5wt.％的Ti、0.08wt％的Zr以及0.02％的碳。机械特性如下：

UTS＝760–965MPa

屈服强度＝860MPa

弹性模量＝320-325GPa

伸长率＝10-15％

硬度＝220DPH

这种合金与几乎所有难熔金属合金一样，具有高温、高强度蠕变以及抗氧化的应用。由于组成物基本上都是钼，因此在氯化物水溶液环境中的耐腐蚀性很差。

现在转向附图，尤其是第一个附图，各种现有的植入合金在图1的表格中示出。附图示出了各种当前植入合金的强度和模量值。如图所示，最大弹性模量为约230GPa。

图2示出了各种材料的强度与模量的关系。此视图可以称为阿什比图。其比较了常规生物玻璃、生物金属以及生物医学BMG的这些机械特性。(来自爱思唯尔(Elseveir))。

当前植入合金的耐腐蚀性如图3所示。附图是示出各种材料的局部腐蚀电位(mV与SCE)值的表格。测试包括在0.9％NaCl溶液中在37摄氏度下对机械抛光表面进行的修改的ASTM F746测试。希望植入合金在氯化物水溶液环境中的腐蚀电位高于约150mV，优选地是高于约300mV。

图4是示出在(1)0.5M NaCl+0.1M HCl、(2)0.5M NaCl，以及(3)0.5M NaCl+0.1MNaOH溶液中腐蚀电位与试样组成的相依性的线图。由图可见，钼在氯化物水溶液中的耐蚀性较差。虽然加入铼可以提高这种耐腐蚀性，但腐蚀电位仍然低于100mv(即使是纯Re也是如此)。因此，铼不是优选的合金元素，并且在合金的各种实施例中优选添加大于约5％的铬。

存在足够含量的铬提供了钝化和保护性的氧化铬保护表面层，就像它保护不锈钢中的铁腐蚀和CoCrMo以及其他钴合金中的钴腐蚀一样。或者，或与铬结合，添加具有高度钝化氧化物(Ti、Zr、Nb、Ta、Hf)的元素也有助于提高基本金属的耐腐蚀性。但是，就低模量铬而言，这些低模量元素将降低根据本发明技术的合金的整体所需高模量。

以下是预期有益于根据本发明技术的当前合金的脊柱杆、板、锚固件以及螺钉的各种示例。然而，其他脊柱和骨科植入物以及牙科设备也在本专利的范围内，切割器械、耐磨钻具引导件、关节镜检查设备和套管、扭矩响应式导丝和导管等医疗设备也是如此。

图5示出了前颈椎间盘切除和融合的示例。

图6示出了示例后颈椎融合。

图8也示出了多节段脊柱融合的后视图，包括连接锚固在患者椎骨中的螺钉组的脊柱杆。

图9示出了示例脊柱系统。系统使用Co-28Cr-6Mo合金，其典型机械特性如下表所示。

图10示出了根据ASTM F1537对Co-28Cr-6Mo合金的机械测试要求的表格。

弹性模量

植入钴合金以及不锈钢的弹性模量为约200GPa；并且，对于钛合金，约为此水平的一半，即约为100GPa，或者对于β钛合金，甚至更低。为了考虑可以提供更高的弹性模量和相关联的理想植入物稳定性以及上文提到的其他理想特性的一种新的脊柱植入合金，描述了难熔金属及其合金的使用和开发，特别是更实惠的钨和钼。

难熔金属及其合金主要用于需要高再结晶温度、长期抗蠕变以及强度退化所需的高温应用。下表汇总了各种难熔金属及其熔化温度。对于本发明技术，高模量合金，所需的弹性模量高于300GPa或约为300GPa。在一些情况下，所需的弹性模量超过约325Gpa，且在一些情况下超过约350Gpa。

图11示出了远离患者执行的示例手动杆弯曲过程。当外科医生将杆通过弯曲器推进时，杆弯曲器通常用于对杆施加所需的局部弯曲，反之亦然。

图12示出了在原位执行的示例手动杆弯曲过程，其中杆已被植入。例如，一旦将杆放置在解剖结构中，就可以使用冠状/原位弯曲器来微调组装构造物所需的曲率。

因此，在根据本发明技术的合金的一些实施例中，提供了具有高延展性的高模量组合物。根据本发明技术，添加少量的一种或多种过渡元素，诸如，Hf、Ta、Nb等，可以提高合金的延展性(并且在一定程度上提高耐腐蚀性)。

图13示出了突出被称为难熔元素的基团的周期表。重点包括(i)根据一个定义的耐火材料的第一者，以及(ii)根据更广泛定义的耐火材料的第二者。

所关注的元素是那些更常见的元素，即具有极高弹性模量的钨(W)、钼(Mo)以及铼(Re)。其他具有较低弹性模量的材料也可被认为可用于改变强度、伸长率以及耐腐蚀性。下表汇总了这些不同的元素及其特性。还应注意成像所需的磁化率水平。例如，铁、镍以及钴都是铁磁性的，并且磁性非常高。由于铼的成本高，因此它不是根据本发明技术的合金的优选添加物，钨和钼都是本发明技术的组合物的优选基本金属。

图14是示出选定材料的各种特性值的表格。关于磁化率，注意到Co、Ni、Fe是示例铁磁材料。关于成本/kg，注意到，例如，铁约为$0.10/Kg，Ti＝$5/Kg，Ni＝$17/Kg，且Co＝$38/kg。

CoCrMo合金的典型硬度约为42-47Rc，且316L不锈钢(冷加工)约为Rc 20。

开发用于植入物的高模量合金的考虑因素

成本因素

从图14中的表格可见，与成本相对较低的不锈钢相比，新的高刚度植入合金的成本将是主要考虑因素。基本金属合金组合物将需要包括更高模量的金属，诸如，Mo和W。可以考虑少量添加其他元素，但会牺牲所需的高模量和希望的耐磨性。并且其他元素包括在根据本发明技术的合金的范围内，以在氯化物水溶液体内环境中获得改善和可接受的耐腐蚀性并增加延展性。

腐蚀

一般来说，难熔金属是相对无毒的，下面从难熔金属情况说明书中汇总出来。在这些不同的金属中，铼是最不环保的。这是铼不是根据本发明技术的合金的优选合金添加物的另一个原因。然而，当这些金属和合金被置于氯化物水溶液环境中时，增加腐蚀保护仍然很重要。因此，对于根据本发明技术的合金，添加铬、钽、铌等中的任何一者或多者在体内提供了这种额外的腐蚀保护。

如图15的表格中所述，铼和钽是难熔金属中最不环保的金属，更可能导致全球变暖、更高的累积能源需求以及更高水平的陆地酸化。然而，在淡水富营养化和人类毒性方面的潜在危险相对较低，因为这些金属被认为是无毒的。

已发现含有大量钽、钛、铬以及铌的烧结和非晶钼合金对强还原酸(诸如，热浓盐酸、硫酸、磷酸、草酸以及甲酸)具有出色的耐受性。例如，烧结的Ti-40Mo合金在沸腾的35％盐酸中的腐蚀速度比Ti慢1000至10000倍，但是在中性条件下的腐蚀速率不受影响。²⁴同样，二元非晶Mo-Cr、Mo-Nb以及Mo-Ta合金在12M HCl中均表现出自发钝性，在所有情况下，总体腐蚀速率明显低于单个合金组分(《什里尔腐蚀(Shreir's Corrosion)》，第3卷，2010年，第2157-2167页)。

如前所述，当前植入金属(诸如，316和304不锈钢以及钴-铬-钼合金)的抗氯化物腐蚀性是由于铬的添加量超过约18wt.％。由于形成了一层薄的、钝化的、保护性的氧化铬层，因此铬的存在产生了腐蚀保护。钛、铌、钽、铪以及锆合金自然形成它们自己的高保护性钝化表面氧化物，使这些金属高度耐受氯化物腐蚀，但可以是本发明合金中的合金添加物，以帮助本发明合金具有自钝化能力。

本质上，难熔金属和合金比铁和钴(包括钨、铼以及钼)更耐腐蚀。然而，这些基本金属需要在氯化物水溶液环境中进行额外的腐蚀保护，才能具有与当前植入合金相当的耐腐蚀性。与，例如，铬合金化的高模量钼或钨可以预期具有足够的耐腐蚀性，类似于不锈钢(与最少约12-18％的Cr合金化)。

已经注意到，在同一合金中存在Mo和Cr两者具有协同效应，因为与缺少任何一种元素的合金相比，这种合金的性能更好。

使Mo合金化的好处可能只是对Cr的支持和补充；因此，Mo的有利效果大多不如Cr明显。Cr和Mo之间良好的相容性可能是由于它们具有相同的体心立方结构和相似的晶格参数。

与CrMo类似，MoW也被认为具有协同效应。Mo和W在防止点蚀或缝隙攻击方面表现非常相似。已经注意到，与铬结合的这两种元素通过促进富铬内层的生长来提供钝性。少量钇的存在可以进一步提高铬形成保护性耐腐蚀钝化表面氧化物的能力。在结构方面，Mo和W两者非常相似。由于两者的熔化温度高，因此都被认为是难熔元素，并且都具有体心立方结构。

还考虑了在没有Mo的情况下W和Cr如何相互作用。W是否可以补充Cr以及Mo是另一个值得考虑的因素。这样看来，Mo不仅可以通过自身的优点提供腐蚀保护，而且还可以加强对其他元素的保护。因此存在提供已知和进一步潜在益处的协同反应。

或者，这些难熔金属和合金可以通过添加铌、钽、锆、钛以及铪来提高耐腐蚀性。

机械特性

在根据本发明技术的合金中，期望具有不脆的合金。图16示出了铬和钨的脆性行为，且钼在体温(约310开尔文)下的脆性程度较低。图表特别示出了难熔金属的延脆转变行为与温度的关系。

但是，当钨与钼合金化时，可能会存在延展性非脆性合金。此外，在适当的比例下，硬度(强度)以及延展性可以针对所需的医疗设备应用而变化。部分原因是钼和钨彼此完全混溶(参见Mo-W相图)。随着每种量的变化，合金硬度如下所示发生变化(与强度和延展性有关)。低硬度铸件的热机械加工增加了合金的均匀性和相关联的硬度(和强度)。

图17是示出Mo和W的不同组合物的两条硬度曲线的图表。硬度与强度和延展性有关，因此，通过改变此基础组合物，可以获得高强度和延展性的最佳组合，并且可以包括在氯化物水溶液环境中进行自钝化的其他所需的元素。

由于对这种新的高模量植入合金的考量考虑了新的元素组成，因此关于特定元素对钨、钼(以及铼)机械特性的影响的信息非常有限。然而，在根据本发明技术开发这种合金的可能组成物时，可以考虑一些选定的信息和趋势。金属的硬度和抗拉强度之间的关系(总体趋势)可以帮助估计候选高模量合金的强度和延展性。例如，增加钼会降低强度并增加延展性。另一方面，增加钨会增加强度，但可能会以牺牲延展性为代价。

图18是示出选定金属的极限抗拉强度与布氏硬度的汇编的图表。

最大程度减少/消除铼

第一个考虑是需要具有相对较高弹性模量的合金。因此，各种实施例中的主要合金组成物需要含有钨和钼(和/或铼)的合适组合。但出于成本和潜在毒性/腐蚀的原因，希望最大程度减少或消除铼的量。然而，如果铼被认为是根据本发明技术的合金的一部分(并且，如果是这样，在选择的实施例中主要仅与钨一起)，则重要的是要认识到添加铼可以进一步提供在体温下延展性更好的合金选项，如下图所示。

通常，对于医生，例如，在外科手术过程中使脊柱杆塑性变形所需的各种实施例而言，足够量的延展性是必需的。但这一要求主要针对脊柱杆应用，对于板、锚固件、融合设备、螺钉以及其他植入设备不太重要。

图19示出了铼对钨的延展性的影响。附图是示出合金添加铼对延展性的影响的图表。需要超过约25％的铼量才能在体温下提供足够的延展性。因此，在大多数或所有实施例中，不希望存在如此量的铼。

对于杆以外的脊柱和植入设备，可以接受的延展性较低。同样，需要各种元素组合的样品“按钮”熔体来评估根据本发明技术的最理想的合金或合金组合。

在一些实施例中产生候选合金组合物的一个因素将与它们的冶金相图有关。这些图描述了一种元素熔化并在冷却时与另一种元素形成稳定、平衡的单相合金的能力。这些示例包括Mo-W、Mo-Nb、Ta-W以及Mo-Ta。如果两种元素不混溶，这可能是不希望的，因为相分离会导致元素分布不均匀，并且可能导致脆性金属间化合物。

另一方面，如果两种或多种元素看起来高度混溶，则是一个积极的迹象，表明新合金是均匀的并且在冶金学上是可接受的。在评估各种相图时，重要的是要考虑其他元素(Cr、Nb、Ta、Hf等)，这些元素可以提高最终合金在氯化物水溶液环境中的耐腐蚀性和其他有益的机械特征。

例如，少量铪可以软化合金。在Mo中添加1-3％的铌会增加拉伸伸长率(延展性)。这进一步证实了在根据本发明技术的合金中不需要成本较高的铼。即使是Mo-30％W，在应力消除条件下也显示出约685MPa的强度和约20％的伸长率。因此，也许可以接受50Mo-35W-10-15％Cr合金。或者添加钽和/或铌代替铬或钨，诸如此类。

相图和潜在合金组合物

以下是示出各种元素组合物的混溶性的各种相图。

图20示出了钨-钼的相图。

图21示出了钼-铌的相图。

图22示出了钨-钽的相图。

图23示出了钼-钽的相图。

图24是钼-铬(Mo-Cr)的相图。

图25示出了钨-铬的相图。

图26是钨-钼-铬三元相图，

从各种相图中观察

W-Nb、W-Mo、W-Ta以及Mo-Nb：完全混溶。

Mo-Cr和W-Cr：混溶性间隙高于约4wt.％Cr。但是，与Mo和W结合，则会扩大。

铼：Mo-Re、W-Re、Ta-Re、Nb-Re以及Cr-Re中的每一者都不能完全混溶并形成影响均匀性的许多附加相。这可能是在根据本发明技术的合金组合物中避免使用或消除铼的另一个原因。

根据本发明技术的合金的组成考虑

基于上述冶金相图，约50Mo-30-40％W-和10-20％Cr合金应该是很好的候选合金组成物。作为另一个示例，可以包括图27中所示的任何合金，诸如，40Mo50W10Cr。

用3％、6％、10％以及15％Cr来评估这种合金，以确定在氯化物水溶液环境中实现最佳或充分钝化的铬含量是有用的。且w/wo Nb(3-5％被认为是一种可能性，但只是一个示例范围)。或者增加W以增加强度和硬度。并且少量(<5％)添加铪和铌可以增加延展性。

三元W-Mo-Cr对大多数低Cr的组合物具有良好的混溶性是有益的。

Mo-Re、W-Re以及Re-Cr：典型的多相。在Re中发生Cr的相分离(可能能够淬透)。Mo中有适度Nb含量应该是可以接受的，并且可以代替铬提供钝化保护和延展性。并且在Mo中添加较小含量的Ta也应该是可以接受的，并提供改进的钝化。

Mo-W-Re合金的另一个示例是Mo-13％Re-10％W。UTS为1000MPa，YS约为900MPa，且伸长率约为16％。在不降低延展性的情况下，钼-10％Re合金中添加钨提高了强度。因此，如果同时与钨和钼两者合金化，似乎需要更少的铼来提高延展性。然而，铼要贵得多并且不在根据本发明技术的合金的范围内。添加铬以及铌、铪和钽，足以作为铼的低成本替代品。

关于图27中列出的第四项(4)，组合物证实增加钨会增加强度，但可能脆性太高。

第五项示出钨的添加量减少，查看延展性是否增加，且强度是否降低。也可以或改为添加10％Cr，以查看是否足以在Mo较多和Mo较少的情况下诱导自钝化。Mo和W的固有耐腐蚀性可以允许较低的Cr要求。

第六项示出可以添加20％Cr，查看是否需要这个量来产生自钝化。

第七项示出可以添加Ta，查看是否不需要Cr，以及Ta是否可以增加延展性。

第八项示出可以添加5％的Ta，查看是否可以添加更少的Ta来提供耐腐蚀性和增加的延展性。

第九项示出可以是参考(7)和(8)的元素，但要评估Nb的潜在益处。

第十项也示出了可以是参考(7)和(8)的元素，但要评估Nb的潜在益处。

第十一项和第十二项被测试，以评估Cr+Nb对自钝化和机械特性的好处。在一些实施例中，Cr被最小化，因为在Mo-W-Cr三元相图中存在混溶间隙，使得合金不在混溶间隙内。

示例候选新合金

延展性和强度是在本发明技术下设计或选择合金时可以考虑的两个变量。在一些实施例中，通过纳入更具延展性的材料，诸如，Mo、Nb、Ta、Hf中的任何一者或多者来实现更高的延展性。纳入延展性较差的材料，诸如，Cr或W，可以预期会降低延展性，但会增加强度和硬度。热机械加工也可以改变强度和延展性的水平，其中，对于Mo-W合金，应力消除特性比再结晶合金更强。

图27是示出各种材料的特性的表格。值得注意的是Est.UTS(MPa)的值，显示在图27的表格的第四列中，可通过热加工而增加。

如上所述，热机械加工可以进一步修改/改进根据本发明技术的合金的特性的整体组合。作为另一个示例，Mo-W合金，50-60％热加工，增加了强度和硬度(10-15Rc)与热处理锭。

材料可以可选地包括任何所需含量的添加物中的任何一者或组合，诸如，Nb(铌)、Ta(钽)、铪(Hf)、钛(Ti)、锆(Zr)，其可以另外改变本发明合金的机械特性以及自钝化能力等。

在各种实施例中，任何或所有含量的C、N、H、O，如果存在的话，被最小化，或保持尽可能低，同时仍可以保持从纳入其/它们中获得的所需益处。

这里再次参考各种材料成本估计：Fe＝$0.10，Ti＝$5，Ni＝$17，且Co＝$38/kg。

尽管铼可以增加W-Mo合金系统的延展性，但这种金属的成本和耐腐蚀性将与所需特性进行权衡。尽管候选合金组合物中包含Re，但预计添加最少的Re可以提供足够的延展性，或者甚至可以替代本发明合金中优选的较便宜的Ta、Nb、Zr或Hf。值得注意的是，可能有许多替代植入设备应用不需要脊柱杆的外科手术弯曲所需的10％至15％的延展性。因此，强度和延展性的替代组合在本发明技术的范围内。

上述候选合金的熔化、加工、机械测试、金相以及腐蚀测试将允许做出更精细的组成决定。此外，根据本发明技术的合金将不是铁磁性的(如不锈钢、钴-铬合金以及镍钛诺)，并且在氯化物水溶液环境中应该具有可接受的耐腐蚀性。

MRI相容性

图29是汇总选定植入金属和合金的磁化率水平的表格。为了尽量减少MRI伪影，希望使磁化率尽可能接近人体中水/组织的磁化率(-9x10^-6ppm)。

因为钼具有负磁化率而钨具有正磁化率(比铼更大)，所以根据本发明技术的合金，例如，Mo-W合金，与，例如，当前的不锈钢、镍钛诺合金以及Co-Cr合金相比，选项应该具有有利的磁化率。例如，根据混合物规则，50Mo-40W-10Cr合金的估计磁化率约为-7x10^- ⁶ppm。这与人体内的组织基本相同。

上下文信息-示例硬度关系

图30示出了各种材料的硬度值。

图31示出了概述钼金属轧制产品的示例生产的流程图。在此示例中，流程指的是难熔金属(诸如，钼(Mo)，作为具体的示例)的熔化加工。

图33示出了钼-铼的相图。

图34示出了钨-铼的相图。

图35示出了铼-钽的相图。

图36示出了铼-铌的相图。

图37示出了铼-铬的相图。

图38示出了钼47.5％铼的特性。

参考文献

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4.Felix et al.54 ALLOYS OF MOLYBDENUM,RHENIUM AND TUNGSTEN VinciM.Felix,Kennett Square,Pa.；Yong J.Park,Brossard,Canada E.I.Du Pont de Nemoursand Company,Wilmington,Del.(21)Appl.No.:87,947(22 Filed:Jul.6,1993,PatentNumber:45 Date of Patent:5,372,661 Dec.13,1994

5.Review Corrosion of Metallic Biomaterials:A Review Noam EliazDepartment of Materials Science and Engineering,Tel-Aviv University,RamatAviv 6997801,Israel；Materials,2019

6.THE ENGINEERING PROPERTIES OF MOIYBDENUM AND MOLYBDENUM ALLOYS ADDEFENSE METALS INFORMATION CENTER 810tell0 Memorial Inilitlto Columbus1.Ohio,DUJC xepart 190 TiE ENGINEERING PROPERTIES OF MOLYBDENUM ANDMOLYBDENUM ALLOYS/by F.F.Schmidt and It.R.Ogden,1963

7.CHEMICAL ENGINEERING TRANSACTIONS VOL.41,2014 A publication of TheItalian Association of Chemical Engineering www.aidic.it/cet Guest Editors:Simonetta Palmas,Michele Mascia,Annalisa Vacca Copyright

2014,AIDIC ServiziS.r.l.,ISBN 978-88-95608-32-7；ISSN 2283-9216 Determination of Corrosion Rateof Rhenium and Its Alloys.Alexey D.Davydov*a,Vyacheslav S.Shaldaeva,AlexandraN.Malofeevaa,Oksana V.Chernyshovab,Vladimir M.Volgina,C.

8.TECHNICAL REPORT on THE EFFECT OF RHENIUM ON THE FABRIGABILITY ANDDUCTILITY OF MOLYBDENUM AND TUNGSTEN to Department of The Navy Office ofNaval Research Contract Nonr-1512(00)by R.I.Jaffee and C.T.Sin&*April 1,195

9.University of South Florida Scholar Commons Graduate Theses andDissertations Graduate School 2013 Biomechanical Comparison of Titanium andCobalt Chromium Pedicle Screw Rods in an Unstable Cadaveric Lumbar SpineJames Doulgeris University of South Florida,2013

10.The use of tungsten as a chronically implanted material Article inJournal of Neural Engineering·January 2018 DOI:10.1088/1741-2552/aaa502CITATIONS 4 READS 292 2authors:Some of the authors of this publication arealso working on these related projects:CANDO Optogenetic Treatment ofEpilepsy View project Ahmad Shah Idil University College London,2018

11.Standard publications of the various binary phase diagrams.

选定合金、组合、实施方式等的附加汇总

在各种实施例中，设备包括具有多种难熔金属的生物相容性难熔金属基合金。合金可以具有高于300GPa的弹性模量。难熔金属具有高模量钨。难熔金属可以包括高模量钼；并且

合金包括高模量钨和高模量钼。

在一些实施例中，合金包括过渡元素中的至少一者，包括铬(至多约25wt.％)，另外还包括钽、铌、铪、锆以及钛，另外还包括任意量的钇，诸如，各自小于5wt.％的量。

在各种实施例中，合金是或包括含有一定量的铬(Cr)的钼-钨(Mo-W)合金。合金可以具有钽(Ta)、铌(Nb)、铪(Hf)以及钛(Ti)中任意量的任何一者或多者。在一些情况下，合金包括锆(Zr)。在一些情况下，合金包括钇(Yt)。对于包括Cr的实施例，这些元素中的一者或多者，诸如，Zr，可以促进Cr的益处。

合金具有选自碳、氧、氢以及氮的一种或多种间隙元素，其各自应小于1500PPM。

合金可以不含铁磁元素。在各种实施例中，合金不含钴、镍以及铁中的任一者。

在各种实施例中，合金在氯化物水溶液环境中具有与当前植入金属和合金相似的钝性(耐腐蚀性)。

在各种情况下，钨以上述描述(包括表格)中概述的量的任何所需量或在任何所需范围内存在。

在各种实施例中，钼以上述描述(包括表格)中概述的量的任何所需量或在任何所需范围内存在。

在各种实施例中，除了其他合金元素之外，合金包括确定为足够量的钼和钨(Mo+W)作为基础合金，使得合金弹性模量大于约300GPa。可以通过添加铬(Cr)来使合金具有自钝化能力，例如，也可以通过添加钽(Ta)、铌(Nb)、铪(Hf)、钛(Ti)等中的任一者来使合金具有自钝化能力。在一些情况下，合金包括锆(Zr)。在一些情况下，合金包括钇(Yt)。对于包括Cr的实施例，这些元素中的一者或多者，诸如，Zr，可以促进Cr的益处。

过渡元素以上述描述(包括表格)中概述的量的任何所需量或在任何所需范围内存在。

设备可以是，例如，植入物，诸如，脊柱植入物，诸如，杆、螺钉、螺钉头(例如，接收器或容置件(tulip)，以及与其连接的任何延长器或凸片)、杆对杆连接器、板。在各种实施例中，植入物包括用于椎间盘置换的高模量合金。

植入物可以是支架，诸如，神经血管或心血管支架，或其他心血管或神经血管设备、递送设备或其他设备。植入物可以是比常规导丝对扭矩响应性更高的导丝。植入物可以包括导管。

设备可以是牙科设备，诸如，牙科植入物。

在一些情况下，设备是矫形设备，诸如，矫形植入物，诸如，脊柱或其他骨锚固或连接的植入物，包括关节置换设备、外伤设备，包括板和螺钉、髓内钉等。

设备可以是关节镜器械设备。

设备可以是医疗切割设备。

在各种实施例中，合金基本上不含铁磁元素。

结论

应理解的是，本文所公开的各种方面可以除在具体实施方式和附图中具体呈现的组合之外的组合来进行组合。还应理解的是，依据示例，本文中所描述的任何过程或方法中的任何一者的某些动作或事件可以以不同顺序执行、添加、合并或完全省略(例如，并非所有所描述的动作或事件都是实施所述技术所必需的)。

另外，出于清晰的目的，虽然本发明的某些方面被描述为由单个模块或单元来执行，但应理解的是，本发明的技术可以由与，例如，医疗设备相关联的单元或模块的组合来执行。

除非本文另有具体定义，否则所有术语均应被给予其尽可能广泛的解释，包括从说明书中隐含的含义以及本领域技术人员所理解的含义和/或如字典、论文等中所定义的含义。还必须注意的是，除非另有规定，否则在说明书和所附权利要求书中使用的单数形式“一/一个(种)(a)”、“一/一个(种)(an)”以及“所述(the)”包括复数指代物，并且术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”在本说明书中使用时规定所述特征、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加。

应理解的是，可以对本文公开的实施例作出各种修改。因此，以上描述不应被解释为限制性的，而仅仅是作为各种实施例的范例。本领域技术人员将设想在所附权利要求书的范围和精神内的其他修改。

***

Claims

1.一种医疗设备，包括：

生物相容性难熔金属基合金，包括多种难熔金属；

其中，所述合金的弹性模量高于约300GPa；

其中，所述合金包括钨；

其中，所述包括包括钼；并且

其中，所述合金包括钨。

2.根据权利要求1所述的医疗设备，其中，所述合金包括高模量钨和高模量钼。

3.根据权利要求2所述的医疗设备，其中，所述合金包括过渡元素中的至少一者，包括铬(至多约25wt.％)，另外还包括钽、铌、铪、锆以及钛，并且另外还包括钇，各自的量少于5wt.％。

4.根据权利要求3所述的医疗设备，其中，所述合金包括选自碳、氧、氢以及氮的一种或多种间隙元素，并且各自应小于1500PPM。

5.根据权利要求1所述的医疗设备，其中，所述合金不含铁磁元素。

6.根据权利要求1所述的医疗设备，其中，所述合金不含钴。

7.根据权利要求1所述的医疗设备，其中，所述合金不含镍。

8.根据权利要求1所述的医疗设备，其中，所述合金不含铁。

9.根据权利要求1所述的医疗设备，其中，所述合金不含钴、镍以及铁。

10.根据权利要求1所述的医疗设备，其中，所述合金在氯化物水溶液环境中具有与当前植入金属和合金相似的钝性(耐腐蚀性)。

11.根据权利要求1所述的医疗设备，其中，钨以任何所需量或以大于约5wt.％的所需量存在。

12.根据权利要求1所述的医疗设备，其中，钼以上述描述，包括表格中概述的量的任何所需量或在任何所需范围内存在。

13.根据权利要求1所述的医疗设备，其中，所述过渡元素以上述描述，包括表格中概述的量的任何所需量或在任何所需范围内存在。

14.根据权利要求1所述的医疗设备，其中，所述设备是植入物。

15.根据权利要求14所述的医疗设备，其中，所述设备是脊柱植入物。

16.根据权利要求15所述的医疗设备，其中，所述植入物包括杆。

17.根据权利要求15所述的医疗设备，其中，所述植入物包括杆对杆连接器。

18.根据权利要求15所述的医疗设备，其中，所述植入物包括板。

19.根据权利要求15所述的医疗设备，其中，所述植入物包括接骨螺钉、杆接收器或螺钉组件，所述螺钉组件是固定的单轴或多轴螺钉组件。

20.根据权利要求14所述的医疗设备，其中，所述植入物包括支架。

21.根据权利要求20所述的医疗设备，其中，所述支架是心血管支架。

22.根据权利要求20所述的医疗设备，其中，所述支架是神经血管支架。

23.根据权利要求20所述的医疗设备，其中，与常规材料支架相比，由本发明技术合金制成的支架具有降低的回弹力。

24.根据权利要求14所述的医疗设备，其中，所述植入物是心血管支架。

25.根据权利要求1所述的医疗设备，其中，所述设备是牙科设备。

26.根据权利要求25所述的医疗设备，其中，所述设备是牙科植入物。

27.根据权利要求1所述的医疗设备，其中，所述设备是矫形设备。

28.根据权利要求27所述的医疗设备，其中，所述矫形设备是矫形植入物。

29.根据权利要求28所述的医疗设备，其中，所述矫形植入物是脊柱植入物。

30.根据权利要求1所述的医疗设备，其中，所述设备是关节镜或切割设备。

31.根据权利要求1所述的医疗设备，其中，所述设备是医疗切割设备。

32.根据权利要求1所述的医疗设备，其中，所述设备是矫形关节置换设备。

33.根据权利要求1所述的医疗设备，其中，所述设备是矫形外伤设备。

34.根据权利要求1所述的医疗设备，其中，所述设备是心血管设备。

35.根据权利要求1所述的医疗设备，其中，所述设备是神经血管设备。

36.根据权利要求35所述的医疗设备，其中，所述设备是神经血管导丝。

37.根据权利要求1所述的医疗设备，其中，所述设备是扭矩响应式医疗递送设备。

38.根据权利要求1所述的医疗设备，其中，所述设备是脊柱锥间体。

39.根据权利要求1所述的医疗设备，其中，所述设备是椎间盘置换设备。

40.根据权利要求1所述的医疗设备，其中，所述设备是血管内设备，由于具有本发明技术的合金，与由常规材料制成的任何相关设备相比，在递送载荷下具有改进的抗屈曲性。

41.根据权利要求1所述的医疗设备，其中，所述设备是血管内设备，由于具有本发明技术的合金，与由常规材料制成的任何相关设备相比，具有改进的扭矩响应性。

42.根据权利要求1所述的医疗设备，其中，所述合金基本上不含铁磁元素。

43.一种用于形成上文要求保护的或上文进一步描述的合金中的任一者的方法。