KR102253200B1

KR102253200B1 - 조정가능한 분해율을 갖는 마그네슘 합금

Info

Publication number: KR102253200B1
Application number: KR1020157028755A
Authority: KR
Inventors: 토마스 임빙켈리트; 슈테판 벡; 페터 우고비처; 외르그 뢰플러
Original assignee: 디퍼이 신테스 프로덕츠, 인코포레이티드
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2021-05-21
Also published as: JP6840716B2; CN105143483A; US10478529B2; JP2016519209A; CA2906419C; EP2971206A1; JP6502315B2; WO2014159328A1; JP2019081957A; KR20150130488A; BR112015022632B1; CN105143483B; CA2906419A1; US20160022876A1; BR112015022632A2

Abstract

합금 및 그러한 합금을 기반으로 하는, 3차원 구조를 갖는 임플란트. 상기 합금은, Mg 매트릭스 합금보다 덜 귀한 나노크기 석출물을 함유하며, 0.1 중량% Zn 내지 2 중량% Zn의 범위의 Zn 함량 및 0.2 중량% 내지 0.5 중량%의 범위의 칼슘 함량을 갖고, 하나 이상의 기타 원소를 갖고, 잔부가 Mg인 MgZnCa 합금을 포함한다. 응고 과정 동안 생성된 임의의 제2 상은 용체화 열처리에 의해서 완전히 용해될 수 있다. 이어서, 미세하게 분산된 나노크기 석출물이 후속적인 시효 열처리 단계에 의해 생성될 수 있다. 이러한 석출물은 그레인 경계를 "고정"하고 추가 가공 동안의 그레인 구조체의 조대화를 방지하여 5 μm 미만의 입도 크기를 성취하는 데 사용된다.

Description

조정가능한 분해율을 갖는 마그네슘 합금 {MAGNESIUM ALLOY WITH ADJUSTABLE DEGRADATION RATE}

관련 출원과의 상호 참조

본 출원은 2013년 3월 14일자로 출원된 미국 가출원 제61/783,554호, 2013년 11월 26일자로 출원된 미국 가출원 제61/909,100호, 및 2014년 2월 21일자로 출원된 미국 가출원 제61/942,951호에 대한 우선권을 주장하며, 이들의 개시 내용은 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다.

마그네슘 임플란트(implant)는 과거 1930년대에 몇몇 외과의에 의해 골절 치료에 임상적으로 사용되었다. 예를 들어, 제이. 버브루기(J. Verbrugge)(1934)는 순수한 마그네슘 및 Mg-8% Al 합금 임플란트 둘 모두를 21명의 환자에게 사용하였다. 그러나, 2차 세계 대전 후, 흡수성 임플란트 재료로서 마그네슘을 사용하는 것은 잊혀졌다. 근년에, 연구자들은 흡수성 마그네슘 임플란트에 대한 관심을 재개하였다. 마그네슘 연구의 주된 초점은 합금 및 코팅의 개발이다. 주 목적은 분해율을 제어하고, 분해 동안 기포의 형성을 회피하고, 잠재적으로 해로운 합금 원소를 회피하는 것이다. 따라서, 요구될 경우 분해율이 제어 및/또는 조정될 수 있는, 균질한 분해 거동을 갖는 마그네슘 합금에 대한 필요성이 존재한다.

상업적 등급의 순수한 마그네슘 (3N-Mg)은 AZ91 또는 WE43과 같은 합금과 비교하여 불량한 기계적 특성을 갖는다. 순수한 마그네슘을 경질화할 수 있는 가능성은 상당히 제한된다. 경질화는, 소성 변형을 사용하여 그레인 미세구조를 미세화(refining)하여서 (예를 들어, 압출에 의해) 동적 재결정화를 유도함으로써 달성될 수 있다. 미세 그레인형(fine grained) 미세구조체는 더 우수한 강도 수준을 달성할 필요가 있을 뿐만 아니라 기계적 이방성 (인장과 압축 사이의 강도 차이)을 회피할 필요가 있다. 그럼에도 불구하고, 미세구조체는 안정하지 않을 수 있다.

본 발명의 실시 형태는 상기에 언급된 난제들 중 하나 이상을 극복한다. 본 발명의 배경이 되는 기술은 Tanja Kraus et al., Acta Biomaterialia, Vol. 8, no. 3 (2012) pp. 1230-1238에 개시되어 있다.

본 발명은 본 발명의 몇몇 예시적인 실시 형태를 제공하며, 이들 중 일부가 하기에 논의되어 있다.

일 태양에서, 본 발명은 MgZnCa 합금 조성물 및 그러한 합금 조성물을 기반으로 한 3차원 구조를 갖는 임플란트를 제공한다.

일 실시 형태에서, 상기 합금 조성물은 Mg 매트릭스; 및 선택적으로, 나노크기 석출물을 포함하며; 상기 조성물은 0.1 중량% Zn 내지 2.0 중량% Zn의 범위의 Zn 함량; 0.2 중량% Ca 내지 0.5 중량% Ca의 범위의 Ca 함량; 하나 이상의 기타 원소의 함량; 및 Mg인 나머지 함량을 갖고; 상기 나노크기 석출물은 Mg 매트릭스보다 덜 귀한(noble) 나노크기 석출물 또는 더 귀한 나노크기 석출물, 또는 이들의 혼합물이다. 다른 실시 형태에서, 상기 MgZnCa 합금 조성물은 Mg 매트릭스; 및 선택적으로, 나노크기 석출물로 본질적으로 이루어지며; 상기 조성물은 0.1 중량% Zn 내지 2.0 중량% Zn의 범위의 Zn 함량; 0.2 중량% Ca 내지 0.5 중량% Ca의 범위의 Ca 함량; 하나 이상의 기타 원소의 함량; 및 Mg인 나머지 함량을 갖고; 상기 나노크기 석출물은 Mg 매트릭스보다 덜 귀한 나노크기 석출물 또는 더 귀한 나노크기 석출물, 또는 이들의 혼합물이다. 다른 실시 형태에서, 상기 MgZnCa 합금 조성물은 Mg 매트릭스; 및 선택적으로, 나노크기 석출물로 이루어지며; 상기 조성물은 0.1 중량% Zn 내지 2.0 중량% Zn의 범위의 Zn 함량; 0.2 중량% Ca 내지 0.5 중량% Ca의 범위의 Ca 함량; 하나 이상의 기타 원소의 함량; 및 Mg인 나머지 함량을 갖고; 상기 나노크기 석출물은 Mg 매트릭스보다 덜 귀한 나노크기 석출물 또는 더 귀한 나노크기 석출물, 또는 이들의 혼합물이다.

일부 그러한 실시 형태에서, 상기 합금 조성물은 마이크로갈바닉(microgalvanic) 원소가 실질적으로 부재한다. 다른 그러한 실시 형태에서, 상기 합금 조성물은 단일상이다. 다른 그러한 실시 형태에서, 총 기타 원소는 상기 조성물의 약 0.1 중량% 미만이다. 다른 그러한 실시 형태에서, 상기 하나 이상의 기타 원소는 제2 상에 위치한다. 다른 그러한 실시 형태에서, 상기 나노크기 석출물은 상기 Mg 매트릭스보다 덜 귀하고 (Mg,Zn)₂Ca를 포함한다. 다른 그러한 실시 형태에서, 상기 나노크기 석출물은 상기 Mg 매트릭스보다 더 귀하고 Mg₆Zn₃Ca₂를 포함한다. 일부 그러한 실시 형태에서, 상기 합금은 상기 Mg 매트릭스보다 덜 귀한 나노크기 석출물 및 상기 Mg 매트릭스보다 더 귀한 나노크기 석출물을 포함한다.

본 발명에 따른 합금의 일부 실시 형태에서, 상기 합금은 입도(grain size)가 10 μm 미만; 5 μm 미만; 또는 2 μm 미만이다. 본 발명의 합금의 일부 실시 형태에서, 상기 합금은 항복 강도가 180 MPa 이상이다. 일 실시 형태에서, 상기 합금은 최대 인장 강도가 240 MPa 이상이다. 다른 실시 형태에서, 상기 합금은 파단신율이 10% 이상이다. 또 다른 실시 형태에서, 상기 합금은 유사 체액(simulated body fluid; SBF)에서 측정할 때, 시험관 내 분해율(in vitro degradation rate)이 0.5 mg/㎠/일 미만이다.

다른 실시 형태에서, 상기 임플란트는 정형외과용 임플란트이다. 그러한 실시 형태에서, 상기 정형외과용 임플란트는, 못(nail), 나사(screw), 스테이플(staple), 플레이트(plate), 로드(rod), 압정(tack), 볼트(bolt), 잠금용 볼트 및 골수내(IM) 못, 앵커(anchor), 다월(dowel), 플러그(plug), 페그(peg), 슬리브(sleeve), 메시(mesh), 트랜스커넥터(transconnector), 너트(nut), 성형체(shaped body), 척추 케이지(spinal cage), 와이어(wire), K-와이어, 직조 구조체, 클램프(clamp), 스플린트(splint), 스캐폴드(scaffold), 폼(foam) 및 허니콤(honeycomb) 구조체 중 하나 이상을 포함한다. 일부 다른 실시 형태에서, 상기 임플란트는 마이크로갈바닉 불순물을 함유하는 마그네슘 합금 임플란트와 비교하여 더 낮은 분해율을 갖는다.

다른 실시 형태에서, 상기 임플란트는 비-정형외과용 임플란트이다. 그러한 실시 형태에서, 상기 비-정형외과용 임플란트는 심혈관 스텐트(stent), 신경 스텐트 및 척추성형술용 스텐트를 포함한다.

상기 임플란트의 또 다른 실시 형태에서, 각각의 합금은 유사 체액에서 측정할 때 시험관 내 분해율이 0.5 mg/㎠/일 미만이다.

일 태양에서, 본 발명은 본 명세서에 기재된 실시 형태에 따른 합금의 제조 방법을 제공한다. 일 실시 형태에서, 상기 방법은, (a) (i) 99.96 중량% 이상의 순도를 갖는 상업적으로 순수한 마그네슘; 및 (ii) 99.9 중량% 이상의 순도를 갖는 0.1 중량% 내지 2.0 중량%의 아연; 및 (iii) 99.9 중량% 이상의 순도를 갖는 0.2 중량% 내지 0.5 중량%의 칼슘을 함유하는 합금을 캐스팅하는 단계로서, 상기 캐스팅은 바람직하게는 불활성 분위기 및 불활성 반응 용기에서 수행되는, 상기 단계; (b) 상기 캐스팅된 합금을, Mg-Zn의 공융 온도 미만인 제1 온도와 삼원 Mg-Zn-Ca 시스템의 공융 온도 초과인 제2 온도의 2가지 상이한 온도에서 용체화 열처리(solution heat treating)하고, 이로써 0.1 중량%의 Zn 내지 2 중량%의 Zn 및 0.2 중량% Ca 내지 0.5 중량% Ca를 함유하는 MgZnCa 합금을 형성하는 단계; (c) 100℃ 내지 300℃에서 시효 열처리(age heat treating)하는 단계; 및 (d) 상기 합금을 원하는 형상으로 압출하는 단계를 포함한다.

상기 마그네슘에 대한 불순물 한도는 바람직하게는 Fe < 30 ppm, Cu < 20 ppm, Ni < 5 ppm, Mn < 200 ppm, Si < 200 ppm인 반면에, 이들 불순물의 총량은 바람직하게는 400 ppm 미만이어야 한다.

도 1은 소정 Mg 합금의 평균 수소 발생 대 시간을 그래프로 나타낸 것이다.
도 2는 수술 12주 후, 스프라그-다울리 쥐(Sprague-Dawley rat)의 대퇴골에 임플란트 처리된 Mg-핀의 μCT 재구성 (2-D 슬라이스)을 나타낸다.
도 3은 유사 체액 (SBF)에 침지된 후, 임플란트 샘플의 표면 토포그래피(topography)를 나타낸다.
도 4a 및 도 4b를 포함하는 도 4는 (a) 300℃에서 Mg-Zn-Ca 시스템의 등온 섹션을 그래프로 나타낸 것과, (b) 본 발명에 따른 MgZn1Ca0.3 합금의 구성을 나타낸 것이다.
도 5는 소정 열처리를 거친 소정 Mg 합금의, TRIS 완충된 유사 체액 중에 침지 동안의 평균 수소 발생 대 시간을 그래프로 나타낸 것이다.
도 6a 및 도 6b를 포함하는 도 6은 소정 열처리를 거친 소정 Mg 합금에 대한, TRIS 완충된 유사 체액 중에 침지 동안의 평균 수소 발생을 나타내는 막대 그래프이다.
도 7은 소정 열처리를 거친 소정의 압출된 Mg 합금에 대한 입도를 나타내는 막대 그래프이다.

이제, 본 발명의 다양한 실시 형태가 상세하게 언급될 것이다. 일 실시 형태에서, 상기 MgZnCa 합금 조성물은 Mg 매트릭스; 및 선택적으로, 나노크기 석출물을 포함하며; 상기 조성물은 0.1 중량% Zn 내지 2.0 중량% Zn의 범위의 Zn 함량; 0.2 중량% Ca 내지 0.5 중량% Ca의 범위의 Ca 함량; 하나 이상의 기타 원소의 함량; 및 Mg인 나머지 함량을 갖고; 상기 나노크기 석출물은 Mg 매트릭스보다 덜 귀한 나노크기 석출물 또는 더 귀한 나노크기 석출물, 또는 이들의 혼합물이다. 다른 실시 형태에서, 상기 MgZnCa 합금 조성물은 Mg 매트릭스; 및 선택적으로, 나노크기 석출물로 본질적으로 이루어지며; 상기 조성물은 0.1 중량% Zn 내지 2.0 중량% Zn의 범위의 Zn 함량; 0.2 중량% Ca 내지 0.5 중량% Ca의 범위의 Ca 함량; 하나 이상의 기타 원소의 함량; 및 Mg인 나머지 함량을 갖고; 상기 나노크기 석출물은 Mg 매트릭스보다 덜 귀한 나노크기 석출물 또는 더 귀한 나노크기 석출물, 또는 이들의 혼합물이다. 다른 실시 형태에서, 상기 MgZnCa 합금 조성물은 Mg 매트릭스; 및 선택적으로, 나노크기 석출물로 이루어지며; 상기 조성물은 0.1 중량% Zn 내지 2.0 중량% Zn의 범위의 Zn 함량; 0.2 중량% Ca 내지 0.5 중량% Ca의 범위의 Ca 함량; 하나 이상의 기타 원소의 함량; 및 Mg인 나머지 함량을 갖고; 상기 나노크기 석출물은 Mg 매트릭스보다 덜 귀한 나노크기 석출물 또는 더 귀한 나노크기 석출물, 또는 이들의 혼합물이다.

용어 "조성물", "합금 조성물", "MgZnCa 합금", 및 "합금"은 본 명세서에서 상호 교환가능하게 사용된다. 달리 언급되거나 지시되지 않으면, 본 명세서에 개시된 양은 합금 조성물의 중량을 기준으로 한다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "Mg 매트릭스"는, 합금의 구성부, 예를 들어, Zn, Ca, 및/또는 불순물 (본 명세서에서 "기타 원소"로 또한 지칭됨)이 용해된, 합금 조성물의 벌크 Mg 부분을 지칭한다. 예를 들어, Mg 매트릭스는 순수한 Mg, 또는 Zn, Ca, 및/또는 불순물을 갖는 고용체 중의 Mg, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. Mg 매트릭스는 제2 상, 즉, 석출물을 포함하는, 용해되지 않은 성분을 포함하지 않을 것이다.

Mg 매트릭스는 Mg 잔부, 잔부 Mg, 또는 주위의 Mg 상으로 또한 지칭된다. 예를 들어, 소정 실시 형태의 경우, 상기 조성물은, 나노크기 석출물을 함유하며 0.1 중량% Zn 내지 2.0 중량% Zn의 범위의 Zn 함량 및 0.2 중량% 내지 0.5 중량%의 범위의 칼슘 함량을 갖고, 0.04 중량% 미만의 하나 이상의 기타 원소를 가지며, 상기 기타 원소는 선택적으로 제2 상에 위치하고, 합금의 잔부가 Mg이고, 상기 나노크기 석출물은 상기 잔부 Mg 보다 덜 귀한, MgZnCa 합금으로서 설명될 수 있다.

본 발명의 일부 태양에서, 상기 조성물은 마이크로갈바닉 원소가 실질적으로 부재할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 상기 조성물은, 석출물을 포함하는, 제2 상이 부재할 수 있다. 제2 상이 부재하는 조성물은, 조성물의 모든 성분들이 용해되고, 따라서 단일상 조성물을 형성할 때 성취될 수 있다.

본 발명의 다른 태양에서, 상기 조성물은 복수의 나노크기 석출물을 포함하며, 상기 석출물은 Mg 매트릭스보다 덜 귀하다. 일부 그러한 실시 형태에서, Mg 매트릭스보다 덜 귀한 나노크기 석출물은 (Mg,Zn)₂Ca를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 상기 조성물은 Mg 매트릭스보다 더 귀한 복수의 나노크기 석출물을 포함한다. 일부 그러한 실시 형태에서, Mg 매트릭스보다 더 귀한 나노크기 석출물은 Mg₆Zn₃Ca₂를 포함한다. 상기 나노크기 석출물은 전형적으로 1000 나노미터 미만 및 더욱 전형적으로 500 나노미터 미만이다. 일부 실시 형태에서, 상기 나노크기 석출물은 약 1000 나노미터 내지 약 100 나노미터, 약 500 나노미터 내지 약 100 나노미터, 또는 약 300 나노미터 내지 약 200 나노미터 범위이다.

본 발명의 임플란트와 관련하여, 임플란트는 3차원 구조를 가지며 본 명세서에 개시된 MgZnCa 합금을 포함한다. 예를 들어, 일 실시 형태에서, 임플란트는 Mg 매트릭스 및 복수의 나노크기 석출물을 포함하는 MgZnCa 합금으로부터 만들어진 3차원 구조를 가지며, 상기 합금은 0.1 중량% Zn 내지 2 중량% Zn의 범위의 Zn 함량; 0.2 중량% 내지 0.5 중량%의 범위의 칼슘 함량을 갖고; 0.10 중량% 미만의 하나 이상의 기타 원소를 가지며, 잔부가 Mg이고, 상기 복수의 나노크기 석출물은 Mg 매트릭스보다 덜 귀하다. 다른 실시 형태에서, 임플란트는 3차원 구조를 갖고, Mg 매트릭스 및 복수의 나노크기 석출물을 포함하는 MgZnCa 합금으로 본질적으로 이루어지는 조성물을 포함하며, 상기 합금은 0.1 중량% Zn 내지 2 중량% Zn의 범위의 Zn 함량; 0.2 중량% 내지 0.5 중량%의 범위의 칼슘 함량을 갖고; 0.10 중량% 미만의 하나 이상의 기타 원소를 가지며, 잔부가 Mg이고, 상기 복수의 나노크기 석출물은 Mg 매트릭스보다 덜 귀하다. 다른 실시 형태에서, 임플란트는 3차원 구조를 갖고, Mg 매트릭스 및 복수의 나노크기 석출물을 포함하는 MgZnCa 합금으로 이루어지는 조성물을 포함하며, 상기 합금은 0.1 중량% Zn 내지 2.0 중량% Zn의 범위의 Zn 함량; 0.2 중량% 내지 0.5 중량%의 범위의 칼슘 함량을 갖고; 0.10 중량% 미만의 하나 이상의 기타 원소를 가지며, 잔부가 Mg이고, 상기 복수의 나노크기 석출물은 Mg 매트릭스보다 덜 귀하다. 그러한 실시 형태에서, 덜 귀한 나노크기의 석출물은 (Mg,Zn)₂Ca를 포함한다.

일반적으로, 본 발명에 따른, MgZnCa 합금의 다양한 실시 형태 및 MgZnCa 합금의 다양한 실시 형태를 기반으로 한 임플란트 중 Zn 함량은 0.1 중량% 내지 2 중량%의 임의의 적합한 양일 수 있다. 일 실시 형태에서, MgZnCa 합금은 0.1 중량% 내지 2 중량%; 0.5 중량% 내지 2 중량%; 0.6 중량% 내지 0.8 중량%; 1 중량% 내지 2 중량%; 0.1 중량% 내지 0.5 중량%; 0.1 중량% 내지 1 중량%; 및 본 명세서에 기술된 범위들의 임의의 부분집합의 범위들로부터 독립적으로 선택될 수 있는 Zn 함량을 갖는다.

일반적으로, 본 발명에 따른, MgZnCa 합금의 다양한 실시 형태 및 MgZnCa 합금의 다양한 실시 형태를 기반으로 한 임플란트 중 Ca 함량은 0.2 중량% 내지 0.5 중량%의 임의의 적합한 양일 수 있다. 일 실시 형태에서, MgZnCa 합금은 0.2 중량% 내지 0.5 중량%; 0.2 중량% 내지 0.3 중량%; 0.2 중량% 내지 0.4 중량%; 0.3 중량% 내지 0.4 중량%, 및 0.4 중량% 내지 0.5 중량%의 범위들로부터 독립적으로 선택될 수 있는 Ca 함량을 갖는다.

일반적으로, 본 발명의 합금 조성물은 달리 캐소드 마이크로갈바닉 전지로서 작용하는 제2 상이 부재하는 재료를 기반으로 한다. 흔히, 단일 불순물의 존재는 다른 불순물의 용해도를 감소시킬 수 있다. 응고(solidification) 과정 동안, 불순물은 합금의 수지상정간 공간(interdendritic space) 내에 축적되어 제2 상의 형성을 유발할 수 있다. 본 명세서에 기재된 MgZnCa 합금 실시 형태의 필요한 순도 수준을 성취하기 위하여, 상기 합금 내의 기타 원소의 허용가능한 양이 제한된다.

예를 들어, 합금 조성물 내의 총 기타 원소의 양은 조성물의 중량을 기준으로 전형적으로 0.10 중량% 미만, 조성물의 중량을 기준으로 전형적으로 0.06 중량% 미만, 및 조성물의 중량을 기준으로 더욱 전형적으로 0.04 중량% 미만이다. 기타 원소는 Mg 매트릭스에 용해될 수 있거나, 제2 상에 용해될 수 있거나, 또는 둘 모두일 수 있다. 전형적으로, 합금은 제2 상에 0.04 중량% 미만의 기타 원소를 포함한다.

일 실시 형태에서, Mg 매트릭스보다 덜 귀한 복수의 나노크기 석출물을 갖는 MgZnCa 합금은 400 ppm (중량 기준) 미만의 총 기타 원소를 함유한다. 다른 실시 형태에서, Mg 매트릭스보다 덜 귀한 복수의 나노크기 석출물을 갖는 MgZnCa 합금은 200 ppm 미만의 총 기타 원소를 함유한다. 또 다른 실시 형태에서, Mg 매트릭스보다 덜 귀한 복수의 나노크기 석출물을 갖는 MgZnCa 합금은 100 ppm 미만의 총 기타 원소를 함유한다. 또 다른 실시 형태에서, Mg 매트릭스보다 덜 귀한 복수의 나노크기 석출물을 갖는 MgZnCa 합금은 50 ppm 미만의 총 기타 원소를 함유한다.

그러한 실시 형태에서, 상기 기타 원소는 Fe, Cu, Ni, Co, Si, Mn, Al, Zr 및 P 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

그러한 합금을 기반으로 한 임플란트가 일단 체내에 배치되면, 불순물 수준은 부식률을 제어하는 낮은 수준으로 유지된다. 임플란트가 치유를 가능하게 하기에 충분한 강도를 소정의 기간에 걸쳐 보유하도록 그리고 치유 과정을 간섭하지 않도록 부식률을 제어할 필요가 있다. 본 발명의 마그네슘 합금으로부터의 분해 부산물은 비-독성이지만, 금속이 부식됨에 따라 임플란트 근처의 pH가 염기성 pH로 증가한다. 게다가, 부식 과정 동안 생성된 수소 가스가 제거되어야 한다. 혈관내 임플란트의 경우에, 이러한 우려는 사소한데, 그 이유는 임플란트 위의 일정한 혈액 유동이 수소 가스 및 다른 분해 부산물을 제거하기 때문이다.

일반적으로, 본 발명에 따른, 임플란트에서 사용되는 MgZnCa 합금 조성물의 다양한 실시 형태에서의 희토류 함량은 제한된다. 그러한 실시 형태에서, 희토류 원소는 Sc, Y, 57번 내지 71번의 범위의 원자 번호를 갖는 란탄족 원소 및 89번 내지 103번의 범위의 원자 번호를 갖는 악티늄족 원소를 포함한다. 일 실시 형태에서, 희토류 함량은 10 ppm 미만이다. 다른 실시 형태에서, 희토류 함량은 5 ppm 미만이다.

일부 실시 형태에서, 합금은 마이크로갈바닉 원소가 실질적으로 부재한다. 본 출원의 목적상, "마이크로갈바닉 원소"는, 마그네슘 매트릭스보다 높은 전위를 갖는 (즉, 전기화학적으로 더 귀한), 석출물을 포함하는, 제2 상을 지칭한다. 본 출원의 목적상, "실질적으로 부재한다"는, 마이크로갈바닉 원소의 수가 합금의 전반적인 분해 거동을 전반적인 균질한 분해로부터 국지적인, 움푹 패인 분해로 변화시키지 않기에 충분히 적음을 지칭한다.

상업적으로 순수한 마그네슘의 기계적 특성은, 합금의 균질한 성질에 영향을 주지 않으면서, 고순도 아연에 의한 고용체 경질화에 의해 개선된다. 미세 그레인형 미세구조체는 소성 변형에 의해 성취되고, 마그네슘 매트릭스보다 덜 귀한, 석출물을 포함하는, 제2 상에 의해 안정화될 수 있다. 예를 들어, 덜 귀한 (Mg,Zn)₂Ca 상은 고순도 칼슘의 소량 첨가 및 적절한 열처리에 의해 수득될 수 있다. 필요한 경우, 균일한 부식 프로파일을 유지하면서, 조성의 변경 및 시효 열처리에 의해 분해율을 가속화하여서, 마그네슘 매트릭스보다 더 귀한 석출물, 예를 들어, 미세 Mg₆Zn₃Ca₂ 석출물을 형성할 수 있다.

본 명세서에 개시된 조성물로부터 제조되는, 임플란트 가능한 의료 장치와 같은, 임플란트가 또한 개시된다. 개시된 임플란트는 높은 항복 강도, 높은 최대 인장 강도 및 파단신율을 포함하는 유리한 물리적 특성을 갖는다. 일부 실시 형태에서, 상기 합금은 항복 강도가 180 MPa 이상이다. 일부 실시 형태에서, 상기 합금은 항복 강도가 200 MPa 이상이다. 다른 실시 형태에서, 상기 합금은 항복 강도가 220 MPa 이상이다. 일부 실시 형태에서, 상기 합금은 최대 인장 강도가 240 MPa 이상이다. 다른 실시 형태에서, 상기 합금은 최대 인장 강도가 260 MPa 이상, 280 MPa 이상, 300 MPa 이상, 320 MPa 이상, 340 MPa 이상, 360 MPa 이상, 또는 380 MPa 이상이다. 일부 실시 형태에서, 상기 합금은 파단신율이 10% 이상이다. 다른 실시 형태에서, 상기 합금은 파단 신율 값이 12% 이상, 14% 이상, 16% 이상, 18% 이상, 20% 이상, 및 22% 이상이다.

본 발명의 예시적인 실시 형태에 따른 임플란트는 또한 시험관 내 및 생체 내에서 유리한 화학적 특성을 갖는다. 일부 실시 형태에서, 상기 합금은 시험관 내 분해율이 1.0 mg/㎠/일 미만이다. 다른 실시 형태에서, 상기 합금은, 유사 체액에서 측정할 때, 시험관 내 분해율이 0.5 mg/㎠/일 미만이다. 다른 실시 형태에서, 상기 합금은, 유사 체액에서 측정할 때, 시험관 내 분해율이 0.05 mg/㎠/일 미만, 0.1 mg/㎠/일 미만, 0.15 mg/㎠/일 미만, 0.2 mg/㎠/일 미만, 0.25 mg/㎠/일 미만, 0.3 mg/㎠/일 미만, 0.35 mg/㎠/일 미만, 0.4 mg/㎠/일 미만, 또는 0.45 mg/㎠/일 미만이다.

본 명세서에 기재된 조성물을 기반으로 한 임플란트 가능한 의료 장치는, 손상된 생물학적 구조를 지지하거나 또는 기존의 생물학적 구조를 향상시키기 위하여 손실된 생물학적 구조를 대체하는 것을 포함하는, 다양한 의학적/임상적 응용을 위해 제조될 수 있다. 신체/체조직과 접촉하는 임플란트의 표면 및/또는 임플란트의 조성은 고려 중인 특정 응용에 따라 달라질 수 있다. 외과용 임플란트는 특히 정형외과, 신경외과 분야의 의학적/임상적 응용을 위해 제조될 수 있다. 외과용 임플란트의 비제한적인 예에는, 신경외과용 임플란트, 예를 들어, 뇌수종 션트(hydrocephalus shunt) 및 구성요소; 뇌동맥류 클립; 뼈 및 관절 대체물, 예를 들어, 부분 및 전체 고관절 보철물 및 전체 무릎 관절 보철물; 골접합술 및 척추 장치, 예를 들어, 금속 뼈 나사, 금속 뼈 플레이트, 수질 핀(medullary pin), 금속성 골격 핀 및 와이어, 및 전체 추간판 보철물; 구강 및 악안면 수술 임플란트; 및 범용 척추 시스템(Universal Spine System), 해링턴 시스템(Harrington System), 및 통상적인 시스템과 같은 척추 및 골반 시스템이 포함된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 조성물을 기반으로 하여 제조될 수 있는 외과용 임플란트는 본 명세서에 기재된 조성, 구조적 복잡성 및 의학적/임상적 응용에 있어서 다양한 광범위한 제품들을 포함할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 예시적인 실시 형태에 따라 사용하기 위한 임플란트는 사용 상황에 따라 크기, 형상, 및 다른 물리적 및 화학적 특성이 달라질 수 있다.

일부 실시 형태에서, 상기 임플란트는 정형외과용 임플란트이다. 그러한 실시 형태서, 상기 정형외과용 임플란트는, 못, 나사, 스테이플, 플레이트, 로드, 압정, 볼트, 잠금용 볼트 및 IM 못, 앵커, 다월, 플러그, 페그, 슬리브, 메시, 트랜스커넥터, 너트, 성형체, 척추 케이지, 와이어, K-와이어, 직조 구조체, 클램프, 스플린트, 스캐폴드, 폼 및 허니콤 구조체 중 하나 이상을 포함한다. 일부 다른 실시 형태에서, 상기 임플란트는 마이크로갈바닉 원소를 함유하는 마그네슘 합금 임플란트와 비교하여 더 낮은 분해율을 갖는다.

다른 실시 형태에서, 상기 임플란트는 비-정형외과용 임플란트이다. 그러한 실시 형태에서, 상기 비-정형외과용 임플란트는 심혈관 스텐트, 신경 스텐트 및 척추성형술용 스텐트를 포함한다.

Tris 완충제를 갖는 유사 체액 (SBF)에서의 시험관 내 분해 시험은, 본 발명의 MgZnCa 합금을 사용할 때, 극히 낮은 분해율로 균일한 분해가 성취될 수 있음을 나타낸다 (예를 들어, 도 3c 참조). 그러나, 이러한 합금은, 특정한 조치를 취하지 않는 경우, WE43과 같은 합금과 비교하여 불량한 기계적 특성을 가질 것이다. 이러한 제한은, 캐스팅을 포함하는 모든 가공 단계 동안 입도를 엄격히 제어함으로써 극복될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 합금의 경질화는, 소성 변형 (압출, 단조, 등통로각 압축(equal channel angular compression) 등)을 사용하여 그레인 미세구조체를 미세화함으로써 성취될 수 있다. 더 우수한 강도 수준의 성취에 더하여, 미세 그레인형 미세구조체는 또한 기계적 이방성 (인장과 압축 사이의 강도 차이)을 회피하는 것으로 밝혀졌다.

본 발명은 본 명세서에 기재된 MgZnCa 합금의 다양한 실시 형태의 제조 방법을 추가로 제공한다. 일 실시 형태에서, 상기 방법은, (a) (i) 99.96 중량% 이상의 순도를 갖는 상업적으로 순수한 마그네슘; 및 (ii) 99.9 중량% 이상의 순도를 갖는 0.1 중량% 내지 2.0 중량%의 아연; 및 (iii) 99.9 중량% 이상의 순도를 갖는 0.2 중량% 내지 0.5 중량%의 칼슘을 함유하는 합금을 캐스팅하는 단계로서, 상기 캐스팅은 바람직하게는 불활성 분위기 및 불활성 반응 용기에서 수행되는, 상기 단계; (b) 상기 캐스팅된 합금을, Mg-Zn의 공융 온도 미만인 제1 온도와 삼원 Mg-Zn-Ca 시스템의 공융 온도 초과인 제2 온도의 2가지 상이한 온도에서 용체화 열처리하고, 이로써 0.1 중량%의 Zn 내지 2 중량%의 Zn 및 0.2 중량% Ca 내지 0.5 중량% Ca를 함유하는 MgZnCa 합금을 형성하는 단계; (c) 100℃ 내지 300℃에서 시효 열처리하는 단계; 및 (d) 상기 합금을 원하는 형상으로 압출하는 단계를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 상기 MgZnCa 합금은 단일상이다. 일부 실시 형태에서, 상기 방법은 상기 형상화된 합금을 제2 시효 열처리하여 상기 합금의 강도 또는 연성 중 어느 하나를 개선하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 상기 방법은 상기 형상화된 합금을, 예를 들어, 약 150℃ 내지 약 250℃에서, 저온 열처리하여 상기 합금의 분해 프로파일을 조정하는 단계를 포함한다. 상기에 사용되는 바와 같이, Mg-Zn의 상기 공융 온도는 0.2 내지 0.5 중량%의 Ca를 갖는 유사이원계(pseudobinary) Mg-Zn 시스템을 지칭하는데, 유사이원계는 주어진 칼슘 함량에 대한 3상 상태도의 관통선이다.

상기 마그네슘에 대한 불순물 한도는 바람직하게는 Fe < 30 ppm, Cu < 20 ppm, Ni < 5 ppm, Mn < 200 ppm, Si < 200 ppm인 반면에, 이들 불순물의 총량은 바람직하게는 400 ppm 미만이어야 한다. 소정 실시 형태에서, (Mg,Zn)₂Ca 석출물이 형성되며 이는 순수한 마그네슘보다 전기화학적으로 덜 귀한 소수의 상들 중 하나이다.

소정 실시 형태에서, 상기 제1 온도는 약 200℃ 내지 약 400℃, 약 300℃ 내지 약 400℃, 또는 약 330℃ 내지 약 370℃의 범위이다. 전형적으로, 상기 캐스팅된 합금은 상기 제1 온도에서 약 6 내지 약 24시간 동안 가열된다. 상기 제2 온도는 전형적으로 약 400℃ 내지 약 600℃, 약 400℃ 내지 약 500℃, 또는 약 400℃ 내지 약 460℃의 범위이다. 상기 합금의 모든 원소들이 고용체 상태인 것을 보장하기 위해서, 상기 제2 온도는 바람직하게는 임의의 잠재적인 석출물의 솔버스(solvus) 온도 초과이다. 전형적으로, 상기 캐스팅된 합금은 상기 제2 온도에서 약 4 내지 약 16시간 동안 가열된다. 상기 시효 열처리는 전형적으로 100℃ 내지 300℃, 및, 소정 실시 형태에서 약 150℃ 내지 약 250℃이다. 전형적으로, 상기 시효 열처리는 약 0.5시간 내지 약 6시간 동안 수행된다. 그러한 시효 처리는, 압출 공정 전에, 미세하고 균질하게 분포된 나노크기 석출물을 생성한다.

MgZnCa 합금 시스템의 상 계산(phase calculation)은, 합금화 원소들의 완전한 용해가 가능하고 상기 캐스팅 공정으로부터의 제2 상이 용체화 열처리 후에 남아 있지 않는 낮은 Zn 및 Ca 함량을 위한 조성 윈도우(compositional window)가 존재함을 나타내었다 (예를 들어, 도 4b 참조). 이론에 의해 구애되고자 하지는 않지만, 상기 합금 내의 안정한 미세 그레인형 미세구조체에 의해 유리한 특성이 얻어질 수 있으며 그러한 미세구조체는 미세 석출물의 존재에 의해 그레인 경계가 고정(pinning)되는 경우에 수득될 수 있는 것으로 여겨졌다. 압출 전의 시효 열처리가, 광학 현미경 하에서는 가시적이지 않지만 정적 재결정화로 인해 그레인이 조대화(coarsening)되는 것을 방지하기에는 충분히 큰 나노크기 석출물의 형성을 가져오는 것으로 밝혀졌다. 이러한 석출물은 압출 공정 동안 동적 재결정화 거동에 영향을 주지 않는다. 따라서, 그레인 미세화가 여전히 가능하지만, 조대화는 방지되거나 적어도 지연된다. 게다가, 상기 석출물들은 상기 마그네슘 매트릭스보다 덜 귀하며 그들 사이의 3-차원 연결성을 갖지 않기 때문에, 상기 석출물들은 상기 합금의 분해 성능을 악화시키지 않는다. 이론에 의해 구애되고자 하지는 않지만, 상기 석출물은 응고 동안이 아니라 오히려 상기 원소들의 완전한 용해 및 후속 열처리 후에 형성되기 때문에 상기 마그네슘 매트릭스는 3-차원 연결성을 갖지 않는 것으로 여겨진다. 덜 귀한 미세 석출물을 갖는 MgZnCa 합금 시스템은, 캐스팅 빌릿(billet)의 압출 후에, 2 μm 미만, 및 1 μm 미만을 비롯한, 5 μm 미만의 미세한 입도를 나타낸다.

예를 들어, 0.1 중량% 내지 2.0 중량%의 Zn 및 0.2 중량% 내지 0.5 중량%의 Ca를 Mg에 첨가하면, 초기 용체화 열처리 후의 시효 열처리에 의해서 그러한 미세하게 분산된 석출물이 생성될 수 있다. 칼슘 및 아연의 중량 백분율을 조정하여 상기 합금의 분해율을 제어할 수 있다. 상기 합금의 분해 속도가 너무 느리고 가속화될 필요가 있는 경우, 합금 조성을 다소 변화시킴으로써 Mg₆Zn₃Ca₂ 석출물이 형성될 수 있다. 예로서, 1 중량%의 Zn 및 0.35 중량%의 Ca를 갖는 Mg 합금의 경우에는, 200℃에서의 시효 열처리에 의해 주로 (Mg,Zn)₂Ca 나노입자가 침전되지만, 1.5 중량%의 Zn 및 0.25 중량%의 Ca를 갖는 Mg 합금의 경우에는, 동일 온도에서 주로 Mg₆Zn₃Ca₂ 나노입자가 침전된다.

대안적인 실시 형태에서, 상기 시효 열처리 단계는 압출 단계 동안, 예를 들어, 예열 및 압출 동안 수행되는 열처리로 대체될 수 있다. 압출을 위한 예열은 전형적으로 빌릿이 균일한 온도에 도달할 때까지 개별 오븐 내에서 압출 온도에서 수행한다. 이어서, 예열된 빌릿을 예열된 압출 챔버로 옮기고 압출을 수행한다. 이러한 예열 단계 동안 석출물이 형성되는 경우, 이는 시효 처리로 간주될 것이다.

합금이 형상화된 후에, 저온 열처리, 예를 들어, 어닐링(annealing) 단계가 수행될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 압출 단계 후에 저온 어닐링 단계가 수행된다.

예를 들어, 저온 어닐링은 석출물 형성, 및 그 결과로서, 분해 특성에 영향을 주기에 충분한 온도 및 시간에서의, 전형적으로 형상화된 합금의, 열처리이다. 특히, 저온 어닐링은, 상기 합금의 전반적인 분해를 가속화하는, Mg₆Zn₃Ca₂ 석출물과 같은 더 귀한 석출물의 성장을 야기할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 게다가, 저온 어닐링 공정은 상기 합금의 미세구조체에 또한 영향을 줄 수 있는데, 더 긴 어닐링 공정은 증가된 입도를 야기한다.

일부 실시 형태에서, 저온 어닐링은 약 100℃ 내지 약 300℃, 또는 약 150℃ 내지 약 250℃의 범위에서 수행된다. 예를 들어, 일부 실시 형태에서, 저온 어닐링은 200℃에서 수행된다. 전형적으로 저온 어닐링은 약 1 내지 약 100시간 동안 수행된다.

상기에 기재된 예시적인 실시 형태에서의 마그네슘 합금은 전통적인 마그네슘 합금과 비교하여 가공을 위해 그리고 이후의 의도된 목적을 위해 특히 유리한 특성을 갖는다: 상기 마그네슘 합금의 연성이 크게 증가된다. 본 발명의 목적상, "연성" (또는 인성, 변형능(deformation capacity))이라는 용어는 균열이 일어나기 전에 충분히 높은 기계적 하중 하에서 금속성 재료가 영구 변형을 겪는 능력을 말한다. 이러한 능력은 많은 구조 부품에 있어서 매우 중요하며, 그 이유는 오직 연성 재료만이 균열 없이 그리고 동시 냉간 응고와 함께 영구 변형을 겪음으로써 국소적 기계적 응력 피크들을 소산시킬 수 있기 때문이다. 특히, 이러한 태양은 본 발명의 마그네슘 합금을, 예를 들어, 생분해성 임플란트, 특히 생분해성 뼈 고정용 임플란트를 위한 재료로서 사용하기에 특히 유리하게 한다. 주어진 재료에 의하면, 연성은 온도, 응력 속도(stress rate), 작용하는 기계적 응력 상태의 다축(multi-axle) 특징, 및 환경에 따라 좌우된다. 특징적인 연성 값은 예를 들어 파단신율 및 네킹(necking), 노치 충격 강도(notched impact strength) 및 파괴 인성을 포함하며, 이는 본 명세서의 다른 곳에 기재된 바와 같다.

실시예

추가 설명을 위해, ZX50로 지칭되는, 소정 고 Zn-함유 합금 (MgZn5Ca0.25)을, ZX10로 지칭되는, MgZn1Ca0.3과 같은, 본 명세서에 개시된 바와 같은 저 Zn 합금과 함께 제조하였다. 다양한 순도: "통상적인 순도" (conventional purity; CP), "고순도" (high purity; HP), 및 "진공 증류된 초고순도" (vacuum-distilled ultra-high purity; XHP)를 갖는 합금들을 또한 제조하였다. 순도 수준 지정에 관해서는 또한 ASTM 표준 B92/B92M-11을 참고할 수 있다. 본 명세서에 기재된 특정 CP ZX50 샘플에 대해서는, 99.8 중량% 순도를 갖는 Mg 잉곳을 사용하였다. HP 및 XHP 샘플의 순도는 하기에 언급되어 있다.

Mg 합금의 제조

HP ZX50의 생성을 위해, 고순도 Mg (99.98%), Ca (99.0%), 및 Zn (99.99%)를 사용하였다. XHP 합금의 경우, ZX50 및 ZX10, 증류된 초순수 Mg (99.999%), Ca (99.99%), 및 Zn (99.999%)을 흑연 도가니에서 보호 가스 혼합물 하에 750℃에서 합성하였다. 그 후에, 수축공(shrinkage cavity)을 피하기 위해, 용융물을 하부에서 수냉되는 원추형 흑연 주형 (평균 직경: 55 mm, 높이: 약 150 mm)에 부어서 방향성 응고(directional solidification)되게 하였다. 그 후에, 빌릿을 균질화, 즉, 용체화 처리 (ZX50 합금: 350℃/12h; ZX10 합금: 350℃/12h + 450℃/ 8h)한 다음, 압축 공기로 냉각하였다. (표 1에 나타낸) 글로우 방전 질량 분석(glow discharge mass spectrometry)에 의해서 소정 샘플의 화학 조성을 결정하였다.

압출 절차

균질화된 합금을 직경이 50 mm이고 길이가 120 mm인 빌릿으로 기계 가공하였다. XHP ZX10의 경우, 빌릿을 250℃에서 30분 동안 시효시켜서, 압출 공정 전에 미세하고 균질하게 분포된 금속간 입자 (석출물)를 생성하였다. 그 후에, 빌릿을 300℃로 가열하고, 25:1의 압출 비에 상응하는 10 mm의 직경을 갖는 로드 프로파일로, 0.15 mm/s의 램 속도(ram speed)에서 간접 압출을 수행하였다. 압출 프레스의 출구 측에서 압축 공기에 의한 냉각을 적용하였다. ZX50 합금의 경우, 325℃에서 직접 압출에 의해 10 mm 직경으로의 압출을 수행하였다. 간접 압출은 더 높은 동적 재결정화율을 야기하는 것으로 밝혀졌다.

분해 성능에 대한 미량 원소의 영향을 확인하기 위하여, 고순도 (HP) Mg 및 진공 증류된 초고순도 (XHP) Mg를 사용하여 ZX50 합금을 제조하였다 (본 명세서에 참고로 포함된, 고순도 Mg의 진공 증류에 대한 국제특허 공개 WO2013/107644호 참조). "유해"(harmful) 원소에 대한 언급을 포함하는 화학 조성이 표 1에 제공되어 있다. XHP ZX50 합성을 위한 XHP-Mg 및 초순수 Zn 및 Ca의 사용은 약 100배만큼의 미량 원소 함량의 감소를 가져온다.

[표 1]

침지 시험

합금의 분해를 문헌[G. Song, A. Atrens, D.H. St John, Magnesium Technology Conference at TMS. New Orleans, LA, USA, (2001) 255](본 명세서에 참고로 포함됨)에 기재된 바와 같은 수소 발생법에 의해서 측정하고, 문헌[M. Schinhammer, J. Hofstetter, C. Wegmann, F. Moszner, J.F.

, P.J. Uggowitzer, "On the immersion testing of degradable implant materials in simulated body fluid: Active pH regulation using CO₂" Adv . Eng . Mater. 15 (20 13) 434-441](본 명세서에 참고로 포함됨)에 기재된 바와 같은 사내용(in-house)의 개선된 시험 설정을 사용하여 평가하였다. 상기 장치는 높은 가스 부피 분해능을 나타내고, 특히 저속 분해 재료를 위해 설계되었으며; 이는 매일의 대기압 변동 및 가스 용해를 고려하고 있다. 표면적이 259±1 ㎟ 내지 626±6.7 ㎟의 범위인 시편 크기를 사용하였다. 배치(batch)당 3개의 시편을 시험하였고 그들의 평균 수소 발생을 ml/㎠로 평가하였다. 모든 데이터 점을 대기압 및 가스 용해에 의해 보정하였다. 침지 시험을 위해 사용되는 SBF의 이온 농도는 문헌[A. C.

, I. Gerber, M. Schinhammer, J. F.

, P. J. Uggowitzer, "On the in vitro and in vivo degradation performance and biological response of new biodegradable Mg-Y-Zn alloys" Acta Biomater. 6 (2010) 1824-1833](본 명세서에 참고로 포함됨)에 기재되어 있으며; C0₂ (99.90 부피%) 또는 Tris 중 어느 하나를 완충제로서 사용하였다. 분해 시험 동안, 36.91±온도에서 2주 동안 pH를 7.45±0.017로 설정하였다. 샘플을 입상도 4000의 SiC 연마지에 그라인딩하였다. 침지 직전에, 샘플을 1 μm 폴리싱 클로스(polishing cloth)로 폴리싱하고, 아이소프로판올을 사용하여 초음파 조에서 세정하고 뜨거운 공기 중에서 건조하였다.

37℃에서 pH 7.45로 CO₂-완충된 유사 체액 (SBF) 중에 침지된 통상적인 순도 (CP), 고순도 (HP), 및 초고순도 (XHP) ZX50 합금의, 평균 수소 발생 대 시간을 나타내는 도 1은 불순물 수준의 중요성을 나타낸다 (y-축의 상이한 눈금에 유의해야 하며; 전형적인 데이터 분산(data scatter)이 에러 바(error bar)에 의해 나타나 있다) 수소의 양은 처음에 꾸준히 증가하며, 시간 증가에 따라 분해율이 다소 감소한다. XHP ZX50 합금은 동일 시간 내에 CP 및 HP 합금보다 유의하게 더 적은 수소를 발생시킨다. 이러한 유의한 개선 (2주 후에, CP로부터 HP로는 10배 초과만큼, 및 HP로부터 XHP로는 약 3배만큼)은 감소된 미량 원소 함량 및 분해-발생 캐소드 부위의 관련된 회피에 기인할 수 있다.

CO₂-완충제를 유기 화합물 Tris로 바꾸는 것은 분해율 증가를 가져오며, 부식 모폴로지(corrosion morphology) 특징의 변화를 수반한다. CO₂-완충된 SBF 중에서의 합금의 경우, 매우 균질한 분해가 관찰되지만 (도 3a), Tris-SBF 중에서는 별개의 국지적 부식 공격이 관찰되며, 국지적 공격은 신속 분해 합금 ZX50에서 가장 뚜렷하다 (도 3b). 그러나, 분해 모폴로지에서의 그러한 변화는 합금화되지 않은 Mg에서는 일어나지 않는다. 게다가, 합금 XHP ZX10에서는 오직 매우 약한 국지적 공격만 눈에 띈다 (도 3c). 이러한 발견은, 특정 환경에서의 분해 민감성에 대한 합금의 화학 조성의 강한 영향을 시사한다.

도 3은 하기와 같이 SBF 중에 침지한 후의 샘플의 표면 토폴로지를 나타낸다: (a) XHP ZX50은 CO2-완충된 SBF 중에 2주 침지 후에 국지적 부식 공격을 전혀 나타내지 않으며 (b) Tris-완충된 SBF 중에서는 단지 3일 후에 별개의 국지적 공격을 나타내고; (c) XHP ZX10의 경우에는 Tris-완충된 SBF 중에 2주 침지 후에 국지적 부식 공격의 징후가 전혀 보이지 않는다.

도 4a는 300℃, 즉, ZX10 합금의 생성에서 압출을 위해 사용되는 온도 (열간 성형 온도)에서의 Mg-Zn-Ca 합금의 구성을 나타낸다. 도 4a 및 도 4b에 사용되는 바와 같이, "HCP"는 조밀 육방 구조(hexagonal-closed packed)를 나타내며, Mg 매트릭스의 결정 구조를 지칭한다. 3원 Mg₆Zn₃Ca₂ 상의 형성을 피하기 위하여, Zn 함량은 약 1.0 중량% 미만이어야 하지만, 약간의 고용체 경질화로부터 또한 이득을 얻기 위하여, ZX10 합금의 경우 1 중량%를 선택한 것으로 보이며, Ca의 함량을 Mg₂Ca 입자의 그레인-미세화 효과와 함께 평가하였다. 매우 미세한 입자 크기를 생성하기 위해서, 용체화 처리 후에 열간 성형 온도 이하에서 시효 절차를 수행하였다. (상기 압출 방법 참조). 도 4b는 (a) 1 중량%의 Zn 함량에서의 용체화 처리 윈도우 ΔT_ST (Zn 및 Ca가 Mg 중에 완전히 용해되고 고상선(solidus) 온도에는 아직 도달하지 못함)의 폭 및 (b) 용체화 처리 윈도우의 폭에 대한 Ca 함량의 영향을 나타낸다. 이러한 경우에, 0.3 중량%의 Ca를 선택하였다. Zn-희박 합금 MgZn1Ca0.3 (ZX10)의 구성이 도 4a에 나타나 있다. 300℃에서는 오직 Mg₂Ca 상만 존재한다. Mg₂Ca 및 (Mg,Zn)₂Ca는 동등하며; Mg₂Ca는 그의 성질의 변화 없이 약간의 Zn을 함유한다. 그들의 제너 드래그 효과(Zener drag effect)에 따라, 얻어지는 입도는 낮은 수준, 즉, 약 2 μm에 머물러 있다 (상기 압출 파라미터 참조). 합금 ZX10의 상응하는 기계적 특성은 다음과 같다. 인장시: 항복 강도 (TYS) = 240 MPa, 최대 인장 강도 (UTS) = 255 MPa, 파괴 신율 = 27%; 압축시: 압축 항복 강도 (CYS) = 205 MPa, 최대 압축 강도 (UCS) = 245 MPa, 파괴 신율 = 13%. 인장 및 압축 조건은 ASTM 또는 ISO 표준 (예를 들어, 압축 DIN 50106 및 인장 DIN EN 10002-1)에 의해서 결정한다. ZX10 합금은 높은 강도 및 우수한 연성뿐만 아니라 낮은 기계적 이방성을 특징으로 한다.

도 2에 나타난 바와 같이, 합금 XHP ZX10의 우수한 기계적 특성은 우수한 생체부식(bio-corrosion) 거동에 의해서 성취된다. 도 2는 12주의 임플란트 시간 후에 CP ZX50 (도 2a)과 비교하여 합금 XHP ZX10 (도 2b)의 생체 내 분해 성능을 나타낸다. 신속하게 부식하는 CP ZX50은 완전히 분해되었으며 뼈의 심한 자극이 관찰되지만, XHP ZX10은 바람직한 느리고 균질한 분해를 나타낸다. 이러한 경우에, 임상적으로 수소 버블이 전혀 관찰되지 않을 수 있으며 발생된 적은 양의 수소를 생물이 흡수할 수 있었는데, 그러한 사실은 의학적 관점에서 높은 관련성을 갖는다.

저온 어닐링

CP ZX10 (광학 발광 분광법 (optical emission spectroscopy; OES)에 의해 측정할 때 하기 불순물을 가짐: Al: 229 ppm; Cu: 11 ppm; Fe: 32 ppm; Mn: 309 ppm; Ni: 10 ppm; Si: 323 ppm; 및 Zn: 47 ppm) 및 XHP ZX10 합금을, ZX10 합금 (즉, MgZn1Ca0.3)에 대해 상기에 기재된 바와 같이 제조하였다. 압출 절차 후에, CP ZX10 및 XHP ZX10 합금을 200℃에서 10시간 (10h) 및 100시간 (100h) 동안 저온 어닐링하고, Tris-완충된 SBF 중에서, 상기에 기재된 바와 같이, 침지 시험을 수행하였다. 도 5에 나타난 바와 같이, 저온 어닐링 단계의 시간이 증가함에 따라 합금의 분해율이 증가한다. 예를 들어, 100h 동안 저온 어닐링을 거친 합금은 10h 동안 저온 어닐링을 거친 것보다 더 빠른 속도로 분해된다. 게다가, 저온 어닐링을 거친 합금은 저온 어닐링 단계를 겪지 않은 합금과 비교하여 증가된 분해율을 나타낸다 ("압출된 그대로"를 10h 및 100h와 비교함). 추가로, 도 5는 저온 어닐링 단계의 결과로서 CP 합금이 XHP 합금과 비교하여 더 빠른 속도로 분해됨을 나타낸다. 저온 어닐링의 결과가 도 6a 및 도 6b에 추가로 예시되어 있는데, 이들 도면은, 10h 저온 어닐링을 겪은 합금보다 100h 저온 어닐링을 거친 합금이 Tris-완충된 SBF 중에서 2주 후에 더 빨리 분해되며, 이들 둘 모두가 저온 어닐링을 거치지 않은 합금보다 더 빨리 분해됨을 나타낸다 (압출된 그대로 < 10h < 100h).

도 7에 나타난 바와 같이, 저온 어닐링은 CP ZX10 및 XHP ZX10 합금의 입도를 증가시킨다. 예를 들어, 압출된 그대로의 CP ZX10 합금은 약 2 μm (도시되지 않은 데이터)의 입도를 나타내며, 10h 동안 저온 어닐링 후에 약 3.0 μm의 입도를 나타내고, 100h 동안 저온 어닐링 후에 약 3.4 μm의 입도를 나타낸다. 유사하게, 압출된 그대로의 XHP ZX10 합금은 약 2 μm (도시되지 않은 데이터)의 입도를 나타내고, 10h 동안 저온 어닐링 후에 약 4.3 μm의 입도를 나타내고, 100h 동안 저온 어닐링 후에 약 4.5 μm의 입도를 나타낸다. 따라서, 입도의 관점에서, 압출된 그대로 < 10h < 100h이다. 게다가, 저온 어닐링 후에, XHP ZX10 합금의 입도는 CP ZX10 합금의 입도보다 크다. 도 5, 도 6, 및 도 7에서 에러 바는 표준 편차를 나타낸다.

당업자는 광범위한 본 발명의 개념으로부터 벗어나지 않고서 상기에 예시되고 기재된 예시적인 실시 형태에 변화가 이루어질 수 있다는 것을 알 것이다. 따라서, 본 발명은 예시되고 기재된 예시적인 실시 형태로 한정되지 않으며, 이것은 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 사상 및 범주 내의 변경을 포함하는 것으로 의도됨이 이해된다. 예를 들어, 예시적인 실시 형태의 특정한 특징은 청구된 발명의 일부일 수 있거나 또는 일부가 아닐 수 있으며, 개시된 실시 형태의 특징들은 조합될 수 있다. 본 명세서에서 구체적으로 기술되지 않으면, 단수형 용어("a", "an" 및 "the")는 하나의 요소에 한정되지 않으며, 대신에 "하나 이상"을 의미하는 것으로 판독되어야 한다.

본 발명의 설명들 중 적어도 일부는 본 발명의 명확한 이해를 위하여 관련 있는 요소들에 초점이 맞추어지도록 단순화된 반면, 명확함을 위하여, 당업자가 알고 있을 다른 요소들의 제거가 또한 본 발명의 일부분에 포함될 수 있음을 이해해야 한다. 그러나, 이러한 요소들은 본 기술 분야에 잘 알려져 있기 때문에, 그리고 상기 요소들은 본 발명을 더 잘 이해하는 것을 반드시 용이하게 하는 것은 아니기 때문에, 이러한 요소들의 설명은 본 명세서에 제공되지 않는다.

또한, 본 방법이 본 명세서에 기술된 단계들의 특정 순서에 의존하지 않는다면, 상기 단계들의 특정한 순서는 청구범위에 대한 제한으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 방법에 관한 청구항들은 기재된 순서로 그의 단계들을 수행하는 것으로 한정되지 않아야 하며, 당업자라면 상기 단계들이 달라질 수 있지만 그럼에도 본 발명의 사상 및 범주 내에 있을 수 있음을 쉽게 알 수 있다.

Claims

나노크기 석출물(precipitates)을 함유하는 MgZnCa 합금을 포함하는 조성물로서,
상기 MgZnCa 합금은 0.1 중량% Zn 내지 2.0 중량% Zn의 범위의 Zn 함량; 0.2 중량% Ca 내지 0.5 중량% Ca의 범위의 Ca 함량; 0.1 중량% 미만의, Mg, Zn 및 Ca를 제외한 하나 이상의 기타 원소를 갖고, 상기 합금의 잔부가 Mg이고,
상기 나노크기 석출물은 상기 잔부 Mg보다 덜 귀한(noble), 조성물.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 기타 원소의 일부는, 석출물을 포함하며 상기 조성물에 용해되지 않는 제2 상에 위치하는, 조성물.
제2항에 있어서, 제2 상에 위치하는 상기 하나 이상의 기타 원소는 상기 조성물의 0.04 중량% 미만인, 조성물.
제1항에 있어서, 상기 MgZnCa 합금은 0.04 중량% 미만의 총 기타 원소를 함유하는, 조성물.
제1항에 있어서, 상기 기타 원소는 Fe, Cu, Ni, Co, Si, Mn, Al, Zr 및 P 중 하나 이상을 포함하는, 조성물.
제1항에 있어서, 상기 합금은 마이크로갈바닉(microgalvanic) 원소가 부재하는, 조성물.
제1항에 있어서, 상기 석출물은 (Mg,Zn)₂Ca를 포함하는, 조성물.
제1항에 있어서, 상기 잔부 Mg보다 더 귀한 석출물을 추가로 포함하는, 조성물.
제8항에 있어서, 상기 잔부 Mg보다 더 귀한 석출물이 Mg₆Zn₃Ca₂를 포함하는, 조성물.
제1항에 있어서, 상기 합금은 결정 입도(grain size)가 5 μm 미만인, 조성물.
제1항에 있어서, 상기 합금은 항복 강도가 180 MPa 이상인, 조성물.
제1항에 있어서, 상기 합금은 최대 인장 강도가 240 MPa 이상인, 조성물.
제1항에 있어서, 상기 합금은 파단신율이 10% 이상인, 조성물.
제1항에 따른 상기 합금을 포함하는, 임플란트.
제14항에 있어서, 상기 임플란트는, 유사 체액(simulated body fluid)에서 측정할 때, 시험관 내 분해율(in vitro degradation rate)이 일일 0.5 mg/㎠ 미만인, 임플란트.
제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 임플란트는 정형외과용 임플란트인, 임플란트.
제16항에 있어서, 상기 정형외과용 임플란트는, 못(nail), 나사(screw), 스테이플(staple), 플레이트(plate), 로드(rod), 압정(tack), 볼트(bolt), 잠금용 볼트 및 골수내(IM) 못, 앵커(anchor), 다월(dowel), 플러그(plug), 페그(peg), 슬리브(sleeve), 메시(mesh), 트랜스커넥터(transconnector), 너트(nut), 성형체(shaped body), 척추 케이지(spinal cage), 와이어(wire), K-와이어, 직조 구조체, 클램프(clamp), 스플린트(splint), 스캐폴드(scaffold), 폼(foam) 및 허니콤(honeycomb) 구조체 중 하나 이상을 포함하는, 임플란트.
제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 임플란트는 비-정형외과용 임플란트인, 임플란트.
제18항에 있어서, 상기 비-정형외과용 임플란트는 심혈관 스텐트(stent), 신경 스텐트 및 척추성형술용 스텐트를 포함하는, 임플란트.
제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 임플란트는 마이크로갈바닉 원소를 함유하는 마그네슘 합금으로 만들어진 임플란트와 비교하여 더 낮은 분해율을 갖는, 임플란트.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 조성물의 제조 방법으로서,
(a) (i) 99.96 중량% 이상의 순도를 갖는 마그네슘; (ii) 99.9 중량% 이상의 순도를 갖는 0.1 중량% 내지 2.0 중량%의 아연; 및 (iii) 99.9 중량% 이상의 순도를 갖는 0.2 중량% 내지 0.5 중량%의 칼슘 금속을 함유하는 혼합물을 캐스팅하여 캐스팅된 합금을 형성하는 단계;
(b) 상기 캐스팅된 합금을, Mg-Zn의 공융 온도 미만인 제1 온도와 삼원 Mg-Zn-Ca 시스템의 공융 온도 초과인 제2 온도의 2가지 상이한 온도에서 용체화 열처리(solution heat treating)하고, 이로써 0.1 중량%의 Zn 내지 2 중량%의 Zn 및 0.2 중량% 내지 0.5 중량%의 범위의 칼슘 함량을 함유하고 0.1 중량% 미만의 하나 이상의 기타 원소를 갖고 잔부가 Mg인 MgZnCa 합금을 형성하는 단계;
(c) 압출 단계에 앞서 100℃ 내지 300℃에서 시효 열처리(age heat treating)하여 분산된 나노크기 석출물을 생성하는 단계, 및
(d) 상기 합금을 원하는 형상으로 압출하는 단계를 포함하는, 조성물의 제조 방법.
제21항에 있어서, 상기 제1 온도는 330℃ 내지 370℃인, 조성물의 제조 방법.
제21항에 있어서, 상기 제2 온도는 400℃ 내지 460℃인, 조성물의 제조 방법.
제21항에 있어서, 상기 하나 이상의 기타 원소의 일부는, 석출물을 포함하며 상기 조성물에 용해되지 않는 제2 상에 위치하는, 조성물의 제조 방법.
제24항에 있어서, 제2 상에 위치하는 상기 하나 이상의 기타 원소는 상기 조성물의 0.04 중량% 미만인, 조성물의 제조 방법.
제21항에 있어서, 상기 MgZnCa 합금은 0.04 중량% 미만의 총 기타 원소를 함유하는, 조성물의 제조 방법.
제21항에 있어서, 상기 기타 원소는 Fe, Cu, Ni, Co, Si, Mn, Al, Zr 및 P 중 하나 이상을 포함하는, 조성물의 제조 방법.
제21항에 있어서, 상기 합금을 압출하는 단계 이후에 상기 합금을 제2 시효 열처리하여 강도 또는 연성 중 어느 하나를 개선하는 단계를 추가로 포함하는, 조성물의 제조 방법.
제21항에 있어서, 상기 합금을 압출하는 단계 이후에 상기 합금을 150℃ 내지 250℃에서 저온 어닐링(annealing)하는 단계를 추가로 포함하는, 조성물의 제조 방법.
제29항에 있어서, 상기 저온 어닐링은 200℃에서 수행되는, 조성물의 제조 방법.
제29항에 있어서, 상기 저온 어닐링은 1시간 내지 100시간 동안 수행되는, 조성물의 제조 방법.
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