KR20220047215A - 마그네슘 기반 흡수성 합금 - Google Patents

Abstract

마그네슘 합금은 소량의 리튬, 아연, 칼슘 및 망간을 함유한다. 예를 들어, 마그네슘 합금은 1 내지 5 중량% 사이의 리튬, 0.2 내지 2.0 중량% 사이의 아연, 0.1 내지 0.5 중량% 사이의 칼슘, 및 0.1 내지 0.8 중량% 사이의 망간을 포함할 수 있다. 이 합금 원소는 모두 영양 원소이며, 그에 따라 본 합금은 생체 내에서 안전하게 분해된 후, 신체에 흡수 및/또는 신체로부터 배출될 수 있다. Li, Zn, Ca 및 Mn은 각각 합금의 고용체 강화(solid-solution strengthening)에 기여한다. 또한, Ca는 결정립 미세화제(grain refiner)로서 작용하는 반면에, Zn 및 Ca는 양자 모두 강화 및 부식-제어 금속간 화합물을 형성한다. 선택적으로, 합금은 또한 추가된 강도 및 내부식성을 위해 소량의 이트륨을 포함할 수 있다.

Description

마그네슘 기반 흡수성 합금

관련 출원에 대한 교차 참조

본 출원은 발명의 명칭을 "마그네슘 기반 흡수성 합금{MAGNESIUM-BASED ABSORBABLE ALLOYS}"으로 하여 2019년 6월 3일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 62/856,293의 이익을 주장하며, 그 전체 개시내용은 본원에 참조로서 명시적으로 포함된다.

본 발명은 생의학적 용례에 사용되는 와이어에 관한 것으로, 특히 스텐트와 같은 의료 장치에 사용하기 위한 생분해성 와이어에 관한 것이다.

외과적 임플란트 적용을 위한 진행중인 개발은 특수 흡수성 재료에 집중되고 있다. 예를 들어, 흡수성 스텐트를 생성하기 위한 설계 노력은 주로 관상 동맥 병리 상태를 위한 풍선 팽창 가능 기술에 초점을 맞추고 있으며, 중합체 재료, 예를 들어 폴리-L 락트산(PLLA) 또는 폴리-L 글리콜산(PLGA), 또는 금속 재료, 예를 들어 마그네슘(Mg), 철(Fe), 또는 아연(Zn) 기반 합금을 포함할 수 있다. 또한, 일부 연구 방법은 흡수성 중합체 및 금속의 다양한 조합을 포함하는 하이브리드에 집중하였다. 이러한 재료는 흡수성이지만, 기계적 강도 및 연성, 부식률, 또는 생체적합성과 같은 그 기능적 특성은 특정 용례에 적절하지 않을 수 있다.

영양 금속(nutrient metal) 흡수성 재료를 포함하는 흡수성 재료에 대한 다른 용례는 뼈 플레이트(bone plate)와 같은 임시 골절 고정 장치를 포함한다. 일부 경우에, 뼈 플레이트가 골절 후에 뼈 재성장 중에 지정된 수준의 기계적 강도를 제공하는 것이 필요하지만, 골절 치유 후에 이러한 플레이트의 존재는 합병증을 유발할 수 있고 및/또는 외과적 제거를 요구할 수 있다.

많은 마그네슘 기반 합금이 그러한 흡수성 임플란트 용례에서 그 유용성에 대해 연구되었다. WE43은 예를 들어, 명목상 4 중량%의 Y 및 3 중량%의 다른 희토류(주로 Nd) 및 0.5%의 Zr을 함유하는 합금이다. 이 합금은 비교적 높은 강도, 중간 연성, 및 대체로 허용 가능한 부식률을 갖는다. 그러나, 이는 신체 내에서 긴 체류 시간을 가질 수 있는 비교적 많은 양의 희토류 원소를 갖는다.

Zn, Ca 및/또는 Mn과 같은, 신체에 고유한 첨가 원소를 대신 포함하는 희토류 원소가 없는 다른 마그네슘 기반 합금이 연구되었다. 이 합금은 일반적으로 희토류 함유 합금보다 낮은 강도를 가지며, 유사한 연성으로 결합된다. 그 부식률은 열 처리를 통해 형성된 특정 침전물에 기초하여 조정 가능하다. 이 합금은 특정 용례, 예를 들어 와이어 기반 의료 장치에 대해 충분한 강도를 갖지 않을 수 있다.

또한, 전술된 공지의 희토류 및 마그네슘 기반 합금의 연성은 단지 중간이고, 상당한 소성 변형을 필요로 하는 일부 장치(예를 들어, 스테이플, 클립 또는 스텐트)의 경우, 더 많은 연성이 바람직하다. 또한, 더 큰 연성은 이러한 장치를 위한 반제품의 제조성을 향상시킨다.

리튬(Li)을 Mg에 첨가하면 합금의 연성이 개선될 것이라고 알려져 있다. 11 중량% 초과의 Li에서, 합금의 결정 구조는 취성의 육방 밀집 격자(HCP)에서 연성의 체심 입방(BCC)으로 변한다. 약 6 중량% 내지 약 11 중량% 사이에, HCP 및 BCC 양자 모두의 2상 구조가 존재하고, 6 중량% 미만의 Li에서는 고유의 HCP가 유지된다. Mg-Li 이원 합금, Mg-Li-Ca 합금, 및 Mg-Li-Al-희토류 합금이 잠재적인 흡수성 금속으로서 연구되었다. Li는 연성을 증가시키는 것으로 밝혀졌지만, 또한 강도를 감소시키고 부식률을 감소시킬 수 있다. 또한, 이는 정신활성 원소이고, 합금 중 다량의 Li는 관련된 부작용을 가질 수 있다.

따라서, 공지된 흡수성 마그네슘 기반 합금은 강도, 연성, 생체적합성 및 내부식성의 다양한 조합을 갖는다. 그러나, 공지된 흡수성 합금 중 어느 것도 상당한 소성 변형을 필요로 하는 장치에 대한 이러한 파라미터의 최적의 조합을 갖지 않는다.

전술한 내용의 개선이 필요하다.

본 개시내용은 소량의 리튬, 아연, 칼슘 및 망간을 함유하는 마그네슘 합금에 관한 것이다. 예를 들어, 마그네슘 합금은 1 내지 5 중량% 사이의 리튬, 0.2 내지 2.0 중량% 사이의 아연, 0.1 내지 0.5 중량% 사이의 칼슘, 및 0.1 내지 0.8 중량% 사이의 망간을 포함할 수 있다. 이 합금 원소는 모두 영양 원소이며, 그에 따라 본 합금은 생체 내에서 안전하게 분해된 후, 신체에 흡수 및/또는 신체로부터 배출될 수 있다. Li, Zn, Ca 및 Mn은 각각 합금의 고용체 강화(solid-solution strengthening)에 기여한다. 또한, Ca는 결정립 미세화제(grain refiner)로서 작용하는 반면에, Zn 및 Ca는 양자 모두 강화 및 부식-제어 금속간 화합물을 형성한다. 선택적으로, 합금은 또한 추가된 강도 및 내부식성을 위해 소량의 이트륨을 포함할 수 있다.

합금의 일 형태에서, 본 개시내용은 흡수성 의료 장치에 사용하기 위한 합금을 제공하며, 합금은 1.0 내지 5.0 중량% 사이의 리튬, 0.2 내지 2.0 중량% 사이의 아연, 0.1 내지 0.5 중량% 사이의 칼슘, 0.1 내지 0.8 중량% 사이의 망간, 및 마그네슘 잔부 및 불가피한 불순물을 포함한다.

본 발명의 전술된 그리고 다른 특징 및 목적과 이를 달성하는 방법은 첨부 도면과 함께 취해진 본 발명의 실시예의 이하의 설명을 참조하여 더욱 명백해질 것이며 발명 자체가 더 양호하게 이해될 것이다.

도 1은 본 개시내용에 따른, 메시 튜브형 스캐폴드 내로 형성된 와이어 요소를 포함하고 직경(D_S)을 갖는 편조 스텐트의 기하형상을 도시하는 입면도이다.
도 1a는 본 개시내용에 따른, 메시 튜브형 스캐폴드 내로 형성된 와이어 요소를 포함하는 다른 편조 스텐트의 사시도이다.
도 2는 윤활된 드로잉 다이(drawing die)를 사용하는 모놀리식 와이어의 예시적인 형성 공정을 도시하는 개략도이다.
도 3은 윤활된 드로잉 다이를 사용하는 복합 와이어(composite wire)의 예시적인 형성 공정을 도시하는 개략도이다.
도 4는 최종 냉간 작업 공정 전의 본 개시내용에 따른 와이어의 입면도이다.
도 5는 최종 냉간 작업 공정 후의 도 4의 와이어의 입면도이다.
도 6a는 본 개시내용에 따라 제조된 재료에 대해 병치된 대조 재료를 도시하는, 비율에 맞춰 그려진 응력-스트레인 그래프이다.
도 6b는 본 개시내용에 따라 제조된 재료의 추가적인 특성을 보여주는, 비율에 맞춰 그려진 응력-스트레인 그래프이다.
도 6c는 다양한 대조 재료에 대한 본 개시내용에 따라 제조된 재료의 분해 특성을 나타내는, 축척대로 그려진 그래프이다.
도 7은 본 개시내용에 따른 재료로 이루어지며 생체 내에서 사용되도록 설계되는 의료용 나사의 사시도이다.
도 8은 본 개시내용에 따른 와이어를 포함하고 생체 내에서 사용하도록 설계된 격막 폐색기의 사시도이다.
대응 참조 부호는 여러 도면 전반에 걸쳐 대응 부분을 나타낸다. 본원에 기재된 예시가 본 발명의 실시예를 예시하지만, 이하에서 설명된 실시예는, 포괄적인 것으로 또는 본 발명의 범위를 개시된 정확한 형태로 제한하는 것으로 해석되도록 의도된 것은 아니다.

1. 서론

본 합금은 높은 연성 및 작업성(workability), 높은 강도 및 적합한 생체 내 분해 프로파일의 조합을 나타내는 흡수성 합금을 나타내는 마그네슘-리튬-아연-칼슘-망간(Mg-Li-Zn-Ca-Mn) 합금이다. 또한, 이트륨이 특히 강도 및/또는 내부식성의 증가가 요구되는 일부 용례에 포함될 수 있다.

2. 용어

본원에서 사용될 때, "와이어" 또는 "와이어 제품"은 둥근 단면을 갖는 와이어 및 편평한 와이어 또는 리본을 포함하는 둥글지 않은 단면을 갖는 와이어와 같은, 이후의 분배 및 사용을 위해 연속적으로 생산되어 스풀 상에 권취될 수 있는 연속적인 와이어 및 와이어 제품을 포함한다. 또한, "와이어" 또는 "와이어 제품"은 특정 용례에 따라 특정 길이로 생산될 수 있는 스트랜드, 케이블, 코일 및 튜빙(tubing)과 같은 다른 와이어 기반 제품을 포함한다. 일부 예시적인 실시예에서, 본 개시내용에 따른 와이어 또는 와이어 제품은 2.5 mm까지의 직경을 가질 수 있다. 와이어 및 와이어 제품에 추가하여, 본 개시내용의 원리는 2.5 mm를 초과하는 20 mm까지의 직경을 갖는 봉 (rod) 재료와 같은 다른 재료 형태를 제조하는데 사용될 수 있다. 또한, 얇은 재료 시트가 제조될 수 있다. 예시적인 튜빙 구조는 0.5 mm 내지 4.0 mm 범위의 내경 및 0.100 mm 내지 1.00 mm 범위의 벽 두께를 갖는 와이어 형태 또는 봉 형태일 수 있다. "미세 와이어"는 1 mm 미만의 외경을 갖는 와이어를 지칭한다.

본원에서 사용될 때, "피로 강도"는, 재료가 파손까지 주어진 수의 하중 사이클을 만족하거나 초과하는 하중 수준을 지칭한다. 여기에서, 하중 수준은 변위 또는 스트레인-제어 피로 시험에 대한 표준에서와 같이 교번 스트레인으로서 주어지고, 그에 의해 용어는 그 전체가 참조로 본원에 포함되어 있는 ASTM E606에서 제공된 것과 일치된다.

"DFT®"는 미국 인디애나주 포트 웨인에 소재한 Fort Wayne Metals Research Products Corp.의 등록 상표이고, 금속 또는 합금의 2개 이상의 동심층을, 전형적으로 고체 금속 와이어 코어 요소 위에 튜브 또는 다수의 튜브 층을 드로잉함으로써 형성된 코어 필라멘트 위에 배치되는 적어도 하나의 외부층을 포함하는 바이메탈 또는 폴리메탈 복합 와이어 제품을 지칭한다.

"불순물", "부차적인 불순물" 및 "미량 불순물"은 임의의 주어진 원소에 대해 500 백만분율 또는 0.05 중량% 미만으로 재료에 존재하는 재료 구성성분이다.

3. 마그네슘 합금

본 마그네슘 기반 합금은 1 내지 5 중량% 사이의 리튬, 0.2 내지 2.0 중량% 사이의 아연, 0.1 내지 0.5 중량% 사이의 칼슘, 및 0.1 내지 0.8 중량% 사이의 망간을 포함할 수 있고, 마그네슘 잔부 및 불가피한 불순물을 갖는다. 일부 용례에서, 이트륨도 2.5 중량% 이하의 양으로 첨가될 수 있다. 모든 다른 원소는 본 합금으로부터 배제되며, 그에 따라 마그네슘은 총 합금의 적어도 89 중량% 및 최대 98.6 중량%를 나타낸다.

이러한 합금은 인체에 고유한 또는 인체에 의해 용이하게 처리되는 원소만을 사용하면서 높은 연성 및 높은 강도 모두를 나타내는 마그네슘 기반 합금을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 더 상세하게 후술되는 바와 같이, 재료 특성의 이러한 조합은 예측 가능하고 적합한 생체 내 분해 프로파일을 갖지만 효율적으로 대량 생산될 수도 있는 흡수성 합금을 제공한다.

추가로 후술되는 바와 같이, 본 Mg-Li-Zn-Ca-Mn 재료는 높은 연성을 나타낸다. 이러한 연성은 합금의 제조 및 처리를 용이하게 하는데, 이는 더 많은 양의 냉간 작업을 가능하게 하여 냉간 드로잉 및 어닐링의 더 적은 반복에 의해 그리고 냉간 작업을 달성하기 위해 요구되는 더 낮은 에너지에 의해 요구되는 직경으로 감소될 수 있기 때문이다. 또한, 본 재료의 높은 연성은 특히 스텐트, 스테이플 또는 결찰 클립과 같은 높은 수준의 압축 스트레인을 요구하는 장치에서 파손 가능성을 억제함으로써 잠재적인 의료 장치 용례의 범위를 넓힌다.

또한, 본 Mg-Li-Zn-Ca-Mn 재료는 비교적 높은 강도를 나타내며, 이는 요구되는 수준으로 냉간 작업에 의해 향상될 수 있다. 또한, 이러한 높은 강도는 특정 의료 장치에서의 합금의 사용을 촉진한다. 예를 들어, 스텐트 용례에서의 혈관 내 혈관 지지(vascular vessel support)를 위해, 또는 정형외과 또는 치열교정 장치 용례에서의 뼈 지지를 위해 강도가 필요할 수 있다.

또한, 본 합금은 생체 내 환경에서 예측 가능하게 그리고 유리하게 부식을 수행한다.

또한, 리튬이 포함되어, 본 Mg-기반 합금의 연성을 개선하는 한편, 신체에 의해 쉽고 안전하게 처리된다. 리튬은, 전형적으로 제안되는 1일 섭취량이 1 mg인 영양 금속이다. 따라서, 비교적 많은 양의 리튬이 와이어(730 또는 731) 또는 본 개시내용에 따라 이루어진 다른 재료의 일부로서 부작용 없이 포함될 수 있다. 적어도 1.0 중량%의 리튬이 요구되는 연성의 증가를 생성하기 위해 요구되지만, 5.0 중량%를 초과하는 리튬은 강도의 손실, 증가된 부식률에 대한 가능성, 및 신체에 대한 리튬의 불필요하게 높은 도즈를 초래한다.

또한, 아연은 합금의 고용체 강화에 대한 기여자로서 포함되고, 부식을 조정하고 제어하는 역할을 하는 금속간 화합물을 본 재료에 형성할 수 있다. 특히, 아연이 요구되는 양의 칼슘과 함께 존재할 때, 특정 열 처리 후, 아연은 베이스 금속보다 더 귀한 Mg₆Zn₃Ca₂ 금속간 화합물의 형성에 기여할 수 있고, 부식 속도를 증가시킬 수 있다. 아연은 신체에 의해 쉽고 안전하게 처리되는 영양 금속이며, 그에 따라 비교적 많은 양이 와이어(730 또는 731) 또는 본 개시내용에 따라 만들어진 다른 재료의 일부로서 부작용 없이 포함될 수 있다. 적어도 0.2 중량%의 아연이 요구되는 강도의 증가를 생성하기 위해 필요하지만, 2.0 중량% 초과의 아연은 과도한 Mg₆Zn₃Ca₂ 형성을 초래하고, 이는 대부분의 용례에 대해 너무 높은 부식률로 이어질 수 있다.

칼슘이 합금의 고용체 강화에 대한 또 다른 기여자로서 포함되며, 이는 부식을 조정하고 제어하는 역할을 하는 금속간 화합물을 본 재료에 형성할 수도 있다. Mg₂Ca는 베이스 금속보다 덜 귀질이고, 마이크로갈바닉 희생 애노드로서 작용함으로써 대량 부식(bulk corrosion)을 감소시킬 것이다. 전술된 바와 같이, Mg₆Zn₃Ca₂ 상은 대량 부식을 증가시키는 것을 도울 수 있으므로, 칼슘은 Mg 합금의 부식률의 약간의 제어를 가능하게 한다. 또한, 칼슘은 완성된 재료의 강도, 연성 및 작업성에 기여하는 결정립 미세화제이다. 아연과 같이, 칼슘은 신체에 의해 쉽고 안전하게 처리되는 영양 금속이며, 그에 따라 비교적 많은 양이 와이어(730 또는 731) 또는 본 개시내용에 따라 만들어진 다른 재료의 일부로서 부작용 없이 포함될 수 있다. 적어도 0.1 중량%의 칼슘이 요구되는 강도 증가를 생성하기 위해 필요하지만, 0.5 중량% 초과의 칼슘은 결정립 경계에서 Mg₂Ca 상의 과도한 형성을 초래하고, 이는 연성 및 작업성을 감소시킬 수 있다.

망간이 합금의 고용체 강화에 대한 또 다른 기여자로서 포함된다. 망간은 합금의 부식 거동에 대한 재료 내 철 불순물의 유해한 영향을 감소시킬 수 있다. 또한, 망간은 신체에 의해 쉽고 안전하게 처리되는 영양 금속이며, 그에 따라 비교적 많은 양이 와이어(730 또는 731) 또는 본 개시내용에 따라 만들어진 다른 재료의 일부로서 부작용 없이 포함될 수 있다. 적어도 0.1 중량%의 망간이 요구되는 강도 증가를 생성하는데 필요하지만, 0.8 중량%를 초과하는 망간은 알파-Mn 입자의 과도한 침전을 초래하고, 이는 내부식성에 부정적인 영향을 줄 수 있다.

또한, 이트륨이 본 Mg-Li-Zn-Ca-Mn 합금에 선택적으로 첨가될 수 있다. 이트륨은 신체가 양호한 내성을 갖는 알려진 희토류 원소이다. 이트륨(또는 그의 염)은 비교적 높은 수용해도를 가지며, 이는 이트륨(또는 그의 염)이 일부 다른 희토류보다 신체에 의해 더 쉽게 처리된다는 것을 의미한다. 이트륨의 첨가는 고용체 강화를 통한 강도 및 텍스쳐 감소 및 결정립 미세화를 통한 연성 양자 모두를 증가시킬 수 있다. 그러나, 2.5 중량% 초과의 이트륨은 감소된 연성 및 더 많은 Y-함유 금속간 입자를 초래하는데, 이는 생체 내에서 비교적 긴 체류 시간을 가질 수 있다.

상기 원소들은 본 마그네슘 기반 재료와 관련하여 사용되는 재료의 포괄적 목록이다. 전술된 바와 같은 불가피한 불순물의 존재를 제외하면, 다른 원소는 구체적으로 배제된다.

4. Mg-Li-Zn-Ca-Mn-(Y)를 포함하는 와이어 구조체

일 예시적 실시예에서, 본 개시내용에 따라 만들어진 Mg-Li-Zn-Ca-Mn 재료는 도 1에 나타낸 바와 같이 미세 의료 등급 와이어(730, 731)로 형성될 수 있다. 이어서 이 와이어(730, 731)는 예를 들어 전체 장치 직경(D_S)(도 1)을 갖는 스텐트(700) 내로 편조함으로써 의료 장치로 형성되거나 통합될 수 있다. 와이어(730, 731)는 각각 예를 들어 1 mm 미만의 외부 와이어 직경(D_W)을 가질 수 있다.

본 개시내용에 따른 합금은 먼저, 예를 들어 전통적인 캐스팅 방법에 의해 벌크로 형성될 수 있다. 이후, 이 벌크 재료는 벌크 재료를 요구되는 예비 형성 크기 및 형상으로 열간 작업함으로써 적절한 예비 형성 재료(예를 들어, 봉, 플레이트 또는 중공 튜브)로 형성된다. 본 개시내용의 목적을 위해, 열간 작업은 실온보다 높은 승온으로 재료를 가열하고 재료가 승온에서 유지되는 동안 요구되는 성형 및 형성 작업을 수행함으로써 달성된다. 빌렛 또는 봉과 같은 결과적인 예비 형성 재료는 이후 반복적인 냉간 형성 및 어닐링 사이클에 의해 봉, 와이어, 튜브, 시트 또는 플레이트 제품과 같은 중간 형태로 추가 처리된다. 재료를 형성하는 방법은 프레싱, 압출, 압연, 드로잉, 스웨이징(swaging), ECAP, ECAP-컨펌(ECAP-conform), 고압 비틀기(high-pressure torsion), 강소성 변형(plastic deformation), 단조, 필거링(pilgering) 등을 포함할 수 있다.

이 중간 재료는 예를 들어 최종 처리를 위해 준비된 초기 조대 와이어 구조(coarse wire structure)를 생성하기 위해 드로잉 및 어닐링의 스케줄에 의해 제조될 수 있다. 그 후에, 와이어(730 또는 731)(도 1 내지 도 5)는 추가로 후술되는 바와 같이 완성된 와이어 제품에 요구되는 기계적 특성을 부여하기 위해, 최종 냉간 작업 조절 단계, 및 가능하게는 최종 열처리 단계를 받을 수 있다.

도 2에 도시된 일 예시적인 실시예에서, Mg-Li-Zn-Ca-Mn 재료(본원에 기재된 바와 같이, 그 추가의 합금을 포함함)로 만들어진 모놀리식 와이어(731)가, 최종 처리 이전에 예비 형성 재료(예를 들어, 잉곳 또는 봉)를 요구되는 직경의 와이어로 변환하기 위해, 드로잉 및 어닐링의 스케줄을 포함하는 종래의 방법을 사용하여 초기 생산될 수 있다. 즉, 예비 형성 재료는 중간 재료의 외경을 약간 감소시키면서 재료를 연신하기 위해 다이(736)(도 2)를 통해 드로잉되는데, 그 후 재료는 드로잉 공정에 의해 재료에 부여되는 내부 응력(즉, 보유된 냉간 작업(retained cold work))을 완화시키기 위해 어닐링된다. 이 어닐링된 재료는 이어서 재료의 직경을 추가로 감소시키기 위해 그리고 재료를 추가로 연신하기 위해 더 작은 마감 직경을 갖는 새로운 다이(736)를 통해 드로잉된다. 재료가 와이어(731)로의 최종 처리를 위해 준비된 와이어 구조체로 형성될 때까지 재료의 추가 어닐링 및 드로잉이 반복적으로 되풀이 된다.

DFT®와 같은 복합 와이어(730)(도 3)를 형성하기 위해, 코어(734)가 쉘(732) 내에 삽입되어 중간 구조체를 형성하고, 이때 이 중간 구조체의 일 단부는 드로잉 다이(736)(도 3) 내로의 상기 단부의 배치를 촉진하기 위해 테이퍼진다. 이어서, 드로잉 다이(736)를 통해 돌출된 단부는 구조체의 직경을 감소시키고 쉘(732)의 내부 표면을 코어(734)의 외부 표면과 단단히 물리적으로 접촉시키기 위해 파지되고 다이(736)를 통해 당겨진다. 더 구체적으로, 초기 드로잉 공정은 쉘(732)의 내경을 감소시키고, 그에 의해 쉘(732)은 코어(734)의 외경에 대해 접촉되고 쉘(732)의 내경은 코어(734)의 외경과 동일하고, 그에 따라 단면으로 볼 때, 내부 코어(734)는 도 3에 도시된 바와 같이 외부 쉘(732)을 완전히 충전할 것이다.

예시적인 복합 와이어(730)는 (쉘(732)을 위해) 본 개시내용에 따라 만들어진 Mg-Li-Zn-Ca-Mn 합금을 사용하여 형성될 수 있다(코어(734)에 대해서는 다른 재료를 사용하여 형성될 수 있다). 코어(734)에 대한 예시적인 재료는 Mg 및 Mg-합금, Zn 및 Zn-합금, Fe 및 Fe-합금, 비-흡수성 합금, 또는 중합체를 포함할 수 있다.

드로잉 단계에 의해 와이어(730 또는 731)는 냉간 작업을 받는다. 본 개시내용의 목적을 위해, 냉간 작업 방법은 실온 또는 실온 부근, 예를 들어 20-30°C에서 재료 변형을 달성한다. 복합 와이어(730)의 경우에, 드로잉은 쉘(732) 및 코어(734) 모두의 재료에 냉간 작업을 부여하고, 동시에 양 재료의 단면적을 감소시킨다. 드로잉 단계 중에 와이어(730 또는 731)에 부여되는 전체 냉간 작업은 다음의 식(I)에 의해 특징지어질 수 있다:

여기서, "cw"는 원래의 재료 영역의 감소에 의해 규정되는 냉간 작업이고, "D_2S"는 드로잉 또는 드로잉(들) 이후의 와이어의 외부 단면 직경이고, "D_1S"는 동일한 드로잉 또는 드로잉(들) 이전의 와이어의 외부 단면 직경이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 냉간 작업 단계는 도시된 드로잉 공정에 의해 수행될 수 있다. 도시된 바와 같이, 와이어(730 또는 731)는 윤활 다이(736)를 통해 드로잉되어, 드로잉 단계 전의 와이어(730 또는 731)의 직경(D_1S)보다 작은 출력 직경(D_2S)을 갖는다. 그에 따라, 와이어(730 또는 731)의 외경은 드로잉전(pre-drawing) 직경(D_1S)으로부터 드로잉된 직경(D_2S)으로 감소되고, 그에 의해 냉간 작업(cw)을 부여한다.

대안적으로, 순 냉간 작업(net cold work)은 다른 공정, 예를 들어 냉간 스웨이징(cold-swaging), (예를 들어, 편평한 리본 또는 다른 형상으로의) 와이어 압연, 압출, 굽힘, 유동 성형(flowforming), 강소성 변형, 또는 필거링에 의해 와이어(730 또는 731)에 축적될 수 있다. 또한, 냉간 작업은 본원에 설명된 기술을 포함하는 기술들의 임의의 조합, 예를 들어, 냉간 스웨이징 이후에 리본 또는 시트 형태 또는 다른 형상의 와이어 형태로의 냉간 압연에 의해 마무리되는 윤활 다이를 통한 드로잉에 의해 부여될 수 있다. 일 예시적인 실시예에서, 와이어(730)의 직경을 D_1S로부터 D_2S로 감소시키는 냉간 작업 단계는 단일 드로잉으로 수행되고, 다른 실시예에서, 와이어(730)의 직경을 D_1S로부터 D_2S로 감소시키는 냉간 작업 단계는 다수의 드로잉으로 수행되는데, 이러한 다수의 드로잉은 드로잉 간에 어떠한 어닐링 단계도 없이 연속적으로 수행된다. 식(I)을 사용하여 냉간 작업(cw)를 계산할 때, 재료에 냉간 작업을 부여하는 공정에 후속하여 어떠한 어닐링도 수행되지 않은 것으로 가정된다.

복합 와이어(730)에 대한 중간 어닐링 없이 드로잉 공정이 반복되는 공정의 경우, 각각의 후속 드로잉 단계는 와이어(730)의 단면을 균형 잡힌 방식으로(proportionately) 추가로 감소시키고, 그에 따라 와이어(730)의 전체 단면적에 대한 쉘(732) 및 코어(734)의 단면적의 비율은 와이어(730)의 전체 단면적이 감소됨에 따라 명목상 보존된다. 도 3을 참조하면, 드로잉전 코어 외경(D_1C) 대 드로잉전 쉘 외경(D_1S)의 비율은 대응하는 드로잉후 비율과 동일하다. 즉, D_1C/D_1S= D_2C/D_2S이다.

와이어 재료(또는 복합 와이어에 대해, 제1 재료 또는 제2 재료)의 융점을 초과하지 않는 공칭 온도에서의 열 응력 완화-달리 관련 기술 분야에서 어닐링으로 공지됨-는 드로잉 단계 사이에서 완전히 조밀한 복합재의 연성을 개선하기 위해 사용되어, 후속 드로잉 단계에 의해 추가의 소성 변형을 가능하게 한다. 와이어 드로잉에 관한 추가의 세부 사항은 본 발명의 양수인에게 양도되었으며 2011년 8월 2일 허여되었고 발명의 명칭이 "교번 코어 복합 와이어(Alternating Core Composite Wire)"인 미국 특허 번호 7,989,703에 개시되어 있으며, 이 문헌은 그 전체가 본원에 참조로서 포함된다.

결정립의 재결정화를 유발하기에 충분한 온도로 와이어(730)를 가열하면 축적된 냉간 작업이 제거된다. 각각의 반복적인 냉간 작업 공정에 의해 부여되는 냉간 작업은 드로잉 사이에서 재료를 완전히 어닐링함으로써 완화되고, 그에 의해 다음의 반복적인 냉간 작업 공정이 가능하게 된다. 완전 어닐링에서, 냉간 작업된 재료는 재료에 저장된 내부 응력을 실질적으로 완전히 완화하기에 충분한 온도로 가열되고, 이에 의해 저장된 냉간 작업을 완화하고 냉간 작업을 0으로 "재설정"한다.

한편, 후속 어닐링 공정 없이 드로잉 또는 다른 기계적 공정이 가해지는 와이어(730 또는 731)는 소정량의 냉간 작업을 보유하게 된다. 보유되는 작업의 양은 D_1S로부터 D_2S로의 전체 직경 감소에 따라 결정되고, 부여된 냉간 작업의 결과로서 재료 내의 개별 결정립 변형에 기초하여 정량화될 수 있다. 도 4를 참조하면, 예를 들어, 와이어(731)는 어닐링후(post-annealing) 상태로 도시되어 있고, 이때 결정립(12)은 실질적으로 등축정으로(equiaxed) 도시되어 있는데, 즉 결정립(12)은 결정립(12)의 전체 길이(G1)의 측정치가 측정 방향에 무관하게 실질적으로 동일한 대체로 회전타원체 형상을 형성한다. (전술한 바와 같이) 와이어(731)를 드로잉한 후, 등축정 결정립(12)은 연신된 결정립(14)(도 5)으로 변환되며, 그에 따라 결정립(14)은 연신된 결정립 길이(G2)(즉, 결정립(14)에 의해 형성되는 최장 치수) 및 결정립 폭(G3)(즉, 결정립(14)에 의해 형성되는 최단 치수)을 형성하는 종방향 구조이다. 이러한 결정립(14)의 연신은, 도 5에 도시된 바와 같이, 결정립(14)의 종방향 축이 대체로 드로잉의 방향과 정렬되는 냉간 작업 공정으로부터 초래된다.

드로잉 후의 와이어(731)의 보유된 냉간 작업은 폭(G3)에 대한 연신된 결정립 길이(G2)의 비율로서 표현될 수 있고, 따라서 더 큰 비율은 더 많이 "늘어난" 결정립을 의미하여 보유된 냉간 작업의 양이 더 많다는 것을 의미한다. 대조적으로, 중간 드로잉 공정 후에 와이어(731)를 어닐링하는 것은 재료를 재결정화하고, 연신된 결정립(14)을 등축정 결정립(12)로 다시 변환하고, 보유된 냉간 작업 비율을 1:1(즉, 보유된 냉간 작업 없음)로 "재설정"한다.

본 Mg-Li-Zn-Ca-Mn 재료에 대해, 완전 어닐링은 얇은 와이어(즉, 0.000127 제곱 밀리미터 내지 0.5 제곱 밀리미터의 작은 단면적을 갖는 와이어)에 대해 적어도 수 초에서 두꺼운 재료(즉, 1 제곱 밀리미터 내지 125 제곱 밀리미터의 더 큰 단면적을 갖는 와이어)에 대해 수 십분 동안 약 200-350°C의 온도에서 달성될 수 있다. 대안적으로, 완전 어닐링이 재차 재료의 단면적에 따라, 수 밀리초와 5분 미만 사이와 같은 더 짧은 시간 동안 350°C 내지 450°C와 같은 더 높은 온도로 달성될 수 있다. 물론, 비교적 더 높은 온도의 어닐링 공정은 완전한 어닐링을 달성하기 위해 비교적 더 짧은 시간을 이용할 수 있는 반면, 비교적 더 낮은 온도는 전형적으로 완전한 어닐링을 달성하기 위해 비교적 더 긴 시간을 이용할 것이다. 또한, 어닐링 파라미터는 다양한 와이어 직경에 대해 변할 것으로 예상될 수 있고, 더 작은 직경은 주어진 온도에 대한 어닐링 시간을 단축시킨다. 완전 어닐링이 달성되었는지 여부는, SEM(scanning electron microscopy)을 이용한 미세구조 검사, 연성, 강도, 탄성 등에 대한 기계적 시험, 및 다른 방법과 같은, 관련 기술 분야에 공지된 다수의 방식으로 검증될 수 있다. 또한, Mg₂Ca 또는 Mg₆Zn₃Ca₂ 금속간 상의 침전에 대한 어닐링 파라미터의 영향은 특정 장치에 대한 제조 공정을 설계할 때 고려될 수 있다.

냉간 작업 및 어닐링 방법에 대한 추가의 논의는 2014년 9월 23일자로 허여되고 발명의 명칭이 "피로 손상 저항 와이어 및 그 생산 방법{FATIGUE DAMAGE RESISTANT WIRE AND METHOD OF PRODUCTION THEREOF}"인 미국 특허 번호 8,840,735에서 발견할 수 있으며, 그 전체 개시내용은 본원에 참조로 포함된다.

이후, 결과적인 조대 와이어 재료는 최종 형태, 예를 들어, 스텐트 또는 다른 의료 장치로의 통합에 적합한 미세 와이어로 최종 처리될 수 있다. 예시적인 와이어 구조체가 더 상세하게 후술된다.

5. 와이어 특성

예에서 더 상세하게 후술되는 바와 같이, 본 개시내용의 Mg-Li-Zn-Ca-Mn 재료는 영양 금속의 다른 조합에서는 발견되지 않는 높은 강도 및 높은 연성의 조합을 나타낸다. 또한, 이트륨과 합금될 때, 본 Mg-Li-Y-Zn-Ca-Mn 재료는 이트륨을 더한 영양 금속들의 다른 조합을 능가한다.

파단 연신율(elongation to fracture)은 본원에서 논의된 바와 같이 와이어(730, 731)에 대한 연성 대용으로 사용되지만, 재료의 파단 연신율이 반드시 재료의 기능적 연성을 나타내는 것은 아니다. 연성이 파단이 없는 상태에서의 (예를 들어, 드로잉을 통한) 상당한 냉간 축소 또는 높은 굽힘 스트레인을 견디는 능력인 것으로 간주될 때, 비교적 낮은 파단 연신율을 갖는 재료는 비교적 높은 연성을 가질 수 있다.

본 개시내용에 따라 만들어지고 저장된 냉간 작업을 갖지 않는 Mg-Li-Zn-Ca-Mn은 파단 전에 적어도 10%, 15%, 20%, 또는 25%의 연신율을 허용하기에 충분한 연성을 나타내고, 이때 높은 연성은 1.0 내지 5.0 중량% 범위의 상한에서의 리튬의 수준과 연관되고, 그 반대도 마찬가지이다. 이러한 높은 연성은 재료가 처리 단계(어닐링이 후속됨)로서 또는 최종 구조체를 위한 재료를 강화하기 위해 실질적으로 냉간 작업될 수 있게 한다. 본 Mg-Li-Zn-Ca-Mn 재료에 대한 냉간 작업 용량(cold work capacity)은 예를 들어 60%, 75% 또는 90% 정도일 수 있고, 여기서 냉간 작업 용량은 연성에 대응한다. 이트륨의 첨가는 특히 미세화된 결정립 크기 및 감소된 결정학적 텍스쳐로 인해 어닐링된(as-annealed)(즉, 보유된 냉간 작업을 갖지 않는) 재료에서 연성을 증가시킬 수 있다.

또한, 본 개시내용에 따라 만들어지고 저장된 냉간 작업을 갖지 않는 Mg-Li-Zn-Ca-Mn은 냉간 작업 처리를 통해 더 높은 강도에 대한 가능성과 함께 높은 강도를 나타낸다. 어닐링된 조건(as-annealed condition)에서, 본 Mg-Li-Zn-Ca-Mn 재료는 적어도 25 ksi, 32 ksi 또는 40 ksi의 극한 강도를 나타내고, 더 높은 강도는 0.2 내지 2.0 중량%, 0.1 내지 0.5 중량% 및 0.1 내지 0.8 중량%인 아연, 칼슘 및 망간 각각의 범위의 상한에서의 아연, 칼슘 및 망간의 수준과 연관되고, 그 반대도 마찬가지이다. 예를 들어, 도 6a는 아래 예에서 추가로 설명되는 바와 같이, 본 개시내용에 따라 만들어진 Mg-2Li-1.2Zn-0.4Ca-0.4Mn 합금의 응력-스트레인 곡선을 예시한다. 도 6a에 역시 도시된 이원(binary) Mg-4Li 합금에 비해, 본 합금은 증가된 항복 강도 및 극한 강도를 나타낸다. 도 6b는 냉간 작업 전후 모두에서의 동일한 Mg-2Li-1.2Zn-0.4Ca-0.4Mn 합금의 특성 뿐만 아니라 냉간 작업 전후 모두에서의 Mg-2Li-2Y-1.2Zn-0.4Mn-0.4Ca 합금의 추가 특성을 도시한다. 도 6a 및 6b는 비율에 맞춰 그려져 있다. 본 Mg-Li-Zn-Ca-Mn 합금 중 임의의 합금의 공칭 강도 값은 냉간 작업에 의해 25%, 50% 또는 100%만큼 증가될 수 있고, 더 큰 냉간 작업 가능성은 전술된 바와 같은 재료의 연성에 대응한다.

유사하게, 본 Mg-Li-Zn-Ca-Mn 재료는 적어도 20 ksi, 25 ksi 또는 30 ksi의 항복 강도를 나타내고, 아연, 칼슘 및 망간의 수준에 대한 유사한 대응 관계 및 이트륨의 첨가로부터 실현되는 유사한 강도 증가를 갖는다.

도 6c를 참조하면, 본 Mg-Li-Zn-Ca-Mn 재료는 또한 예측 가능하게 긴 분해 프로파일과 함께 높은 생체 내 생존 가능성을 입증하였다. (아래의 예 4에서 구체적으로 설명되는 바와 같이) 부식 환경에서 하중을 지탱하는 동안의 파손 시간(time-to-failure)은 공지된 이원 Mg-Li 합금, 예를 들어 도 6c에 도시된 바와 같은 Mg-4Li를 훨씬 초과하고, 본원에서 논의되는 바와 같은 리튬의 이점이 없는 Mg-Zn-Ca-Mn 합금과 대체로 대응한다. 본 Mg-Li-Zn-Ca-Mn 재료는 WE43보다 다소 낮은 파손 시간을 갖지만, 이는 많은 용례에서 충분하며 동시에 WE43에 비해 개선된 생체 내 생체적합성 프로파일을 제공한다.

본원에서 논의된 본 합금 구성요소 범위에서, 어닐링된 상태의 0.010-인치 직경 와이어의 파손 시간은 37°C 및 7.4 pH에서 유지되면서 110 MPa의 초기 응력에서 유지되는 행크의 평형 염용액(Hanks' Balanced Salt Solution)에서 적어도 30 시간의 평균 생존을 나타낼 것으로 예상될 수 있다. 또한, 유사하게, 50% 보유된 냉간 작업을 갖는 냉간 작업 상태에서의 0.010-인치 직경 와이어의 파손 시간은 110 MPa의 초기 응력에서 유지되면서 37°C 및 7.4 pH에서 유지되는 행크의 평형 염용액에서 적어도 30 시간의 평균 생존을 나타낼 것으로 예상될 수 있다. 또한, 본 개시내용에 따라 만들어지고 생체 내 사용에 적합한 임의의 와이어는 전형적인 생체 내 조건(즉, 체온에서, 신체 내에 위치하고, 본원에 기재된 바와 같은 의료 장치와 연관된 전형적인 응력을 받음)에서 적어도 24시간의 평균 생존을 나타낼 것으로 예상될 수 있다.

6. 의료 장치 용례

다수의 의료 장치가 본 재료로 제조될 수 있고, 이는 신체 내의 기능 및 존재가 시간 경과에 따라 변화하고 감소할 수 있는 임의의 장치에 대해 유익하다. 일부 예시적인 이러한 장치가 아래에 기재되며, 본 재료는 임의의 다른 적합한 의료 장치 용례에 사용될 수도 있다는 것이 이해된다.

전술한 바와 같이, 와이어(730, 731)는 스텐트(700)(도 1) 또는(700A)(도 1a)와 같은 혈관 내 장치(vascular device)에 사용될 수 있다. 스텐트(700)는 고도의 초기 혈관 지지를 제공할 수 있고, 이 혈관 지지는 이후에 와이어(730, 731)가 분해됨에 따라 생체 내에서 시간 경과에 따라 천천히 감소할 수 있다. 와이어(730, 731)와 함께 사용하기에 적합한 다른 와이어 기반 혈관 내 장치는 동맥류 폐색 장치, 폐색기(900)(도 8)와 같은 격막 폐색기, 유동 전환기, 필터, 및 이식편을 포함한다.

와이어(730, 731) 또는 다른 구조체도 정형외과적 고정에 사용될 수 있다. 예시적인 용례는 나사(800)(도 7), 핀, 네일, k-와이어, 및 (예를 들어, 흉골 폐쇄를 위한) 원형결찰 케이블과 같은 나사를 포함하고, 이 모두는 인접 조직에 높은 수준의 기계적 지지를 제공하기 위해 수술 부위에 이식될 수 있고 조직 자체가 치유됨에 따라 시간 경과에 따라 분해될 수 있다.

와이어(730, 731)를 위한 또 다른 의료 장치 용례는 수술용 스테이플, 결찰 클립 및 고정못(tack)과 같은 수술 중재 장치(surgical intervention device)를 포함한다. 이들 장치는 해부구조의 일부 관련 부분의 일시적인 폐쇄를 달성하고, 이어서 장치가 분해됨에 따라 시간 경과에 따라 이러한 폐쇄를 해제하는데 사용될 수 있다. 또 다른 용례는 신장 치료에서 이용되는 장치, 일시적인 페이싱 리드(pacing lead), 및 많은 다른 표시를 포함할 수 있다.

예

다음의 비제한적 예는 본 발명의 다양한 특징 및 특성을 예시하며, 본 발명은 이에 제한되는 것으로 해석되지 않아야 한다.

이 예에서, 본 개시내용에 따른 예시적인 모놀리식 Mg-Li-Zn-Ca-Mn 및 Mg-Li-Y-Zn-Ca-Mn 합금 와이어는 특히 재료 작업성 및 기계적 강도와 관련하여 생산, 시험, 및 특징화되었다.

아래 예는, 스테이플, 결찰술 및 스텐트와 같은 높은 연성을 요구하는 흡수성 와이어 용례에 대해, 본 MgLiZnMnCa 합금이 강도, 연성, 내부식성 및 생체적합성의 최적의 조합을 갖는다는 것을 입증하였다.

기계적 성능은 미국 매사추세츠주 노우드 소재의 인스트론(Instron)으로부터 입수 가능한 Instron Model 5565 시험 기계에서 단축 인장 시험을 통해 각각의 와이어 샘플에 대해 평가되었다. 더 구체적으로, 그 전체 개시내용이 참조로서 본원에 명시적으로 포함되는 문헌(Structure-Property Relationships in Conventional and Nanocrystalline NiTi Intermetallic Alloy Wire, Journal of Materials Engineering and Performance 18, 582-587 (2009) by Jeremy E. Schaffer)에 기재된 방법을 사용하여, 후보 재료의 극한 강도, 항복 강도, 축방향 강성(axial stiffness) 및 연성을 정량화하는데 와이어 재료의 파괴적 단축 인장 시험이 사용되었다. 이 시험은 금속 재료의 인장 시험을 위한 산업 표준에 따라 서보-제어된 인스트론 하중 프레임을 사용하여 실행된다.

본원의 예에 따른 회전 빔 피로 시험을 위해, 와이어 샘플은 대략적으로 약 118 mm의 길이로 절단되고(예를 들어, 0.33 mm 직경의 와이어의 경우), 이어서 그 축방향 단부에서 회전 가능한 조오에 고정된다. 조오 사이의 와이어의 자유 부분은 굴곡부의 "피크" 또는 최외측 부분에 요구되는 인장 스트레인을 도입하도록 굴곡된다. 굴곡부의 이러한 피크에 바로 대향하여, 와이어는 인장 스트레인과 동일한 압축 스트레인을 경험하고, 인장 및 압축 스트레인 모두의 공칭값은 본원에서 "스트레인 진폭(strain amplitude)"으로 지칭된다. 이후, 조오는 동시에 회전되고(즉, 각각의 조오가 동일한 속도 및 동일한 방향으로 회전되고), 그에 따라 최대 인장 스트레인의 영역이 와이어 "피크" 주위로 회전되고 조오 및 와이어의 각각의 180도 회전을 갖는 최대 압축 스트레인의 영역으로 전이된다. 회전 빔 피로 시험은 ASTM E2948-14에 추가로 설명되어 있으며, 그 전체 개시내용은 본원에 참고로 명시적으로 포함된다.

예 1

2 중량%의 Li, 1.2 중량%의 Zn, 0.4 중량%의 Mn 및 0.4 중량%의 Ca를 갖고, 마그네슘 잔부 및 불가피한 불순물을 갖는 본 개시내용의 Mg-Li-Zn-Mn-Ca 합금을 제조하였다. 재료 구성성분을 진공 유도 용융시킨 후 재료를 2" 몰드로 캐스팅함으로써 우선 이 합금을 잉곳으로 제조하였다.

이어서, 잉곳은 분당 10 인치의 램 속도를 사용하여 325°C의 온도에서 0.5 인치 직경으로의 압출에 의해 열간 작업되었다. 이어서, 압출된 봉은 무심 연삭되었고, 전술된 바와 같은 표준 와이어-드로잉 실시를 통해 일련의 냉간 드로잉을 거쳐 0.0079 인치의 최종 직경의 모놀리식 둥근 와이어로 처리되었다.

이어서, 와이어는 전술된 바와 같이 완전히 어닐링되어, 제1 최종 와이어 구조체를 생성하였고, 이는 전술된 바와 같이 단축 인장 시험되었다. 와이어는 37 ksi의 극한 인장 강도 및 30 ksi의 항복 강도를 입증하였다. 와이어는 파손 전에 14% 연신될 수 있었다. 이 결과는 도 6b에서 하위 점선인 선 "A"로 도시된다.

모놀리식 와이어의 다른 샘플은 0.005 인치의 최종 직경으로 추가로 냉간 드로잉되었고 어닐링되지 않아, 75%의 보유 냉간 작업을 갖는 제2 최종 와이어 구조체를 생성하였다. 이 와이어는 제1 최종 와이어 구성체와 동일한 단축 인장 시험을 받았고 64 ksi의 극한 인장 강도 및 56 ksi의 항복 강도를 입증하였다. 와이어는 파손 전에 7% 연신될 수 있었다. 이 결과는 상위 실선인 선 "B"로 도 6b에 도시되어 있다.

예 2

2 중량%의 Li, 2 중량%의 Y, 1.2 중량%의 Zn, 0.4 중량%의 Mn 및 0.4 중량%의 Ca를 갖고, 마그네슘 잔부 및 불가피한 불순물을 갖는 본 개시내용의 Mg-Li-Y-Zn-Mn-Ca 합금을 생산하였다. 따라서, 이 합금은 예 1의 합금과 동일한 화학조성(chemistry)을 갖지만, 2 중량%의 이트륨을 추가로 포함한다. 재료 구성성분을 진공 유도 용융시킨 후 재료를 2" 몰드로 캐스팅함으로써 우선 이 합금을 잉곳으로 제조하였다.

이어서, 잉곳은 분당 10 인치의 램 속도를 사용하여 325°C의 온도에서 0.5 인치 직경으로의 압출에 의해 열간 작업되었다. 이어서, 압출된 봉은 전술된 바와 같은 표준 와이어-드로잉 실시를 통해 일련의 냉간 드로잉을 거쳐 0.0099 인치의 최종 직경의 모놀리식 둥근 와이어로 처리되었다.

본 예의 Mg-Li-Y-Zn-Mn-Ca 재료는 예 1의 Mg-Li-Zn-Mn-Ca 재료에 비해 감소된 연성 및 작업성을 갖는 것으로 입증되었으며, 주어진 직경 감소를 달성하기 위해 추가의 어닐링을 필요로 한다. 그러나, WE43 또는 Mg-Zn-Ca와 같은 다른 마그네슘 합금과 비교할 때 주어진 직경 감소를 위해 더 적은 어닐링을 필요로 하였다.

이어서, 와이어는 전술된 바와 같이 완전히 어닐링되어, 제1 최종 와이어 구조체를 생성하였고, 이는 전술된 바와 같이 단축 인장 시험되었다. 와이어는 39 ksi의 극한 인장 강도 및 33 ksi의 항복 강도를 입증하였다. 와이어는 파손 전에 19% 연신될 수 있었다. 이 결과는 도 6b에서 상위 점선인 선 "C"로서 도시된다. 따라서, 예 1에서 전술된 어닐링된 Mg-Li-Zn-Mn-Ca 재료에 비해, 이트륨의 첨가가 어닐링된 상태에서(즉, 보유된 냉간 작업을 갖지 않음) 강도 및 연성 양자 모두를 증가시켰음을 알 수 있다.

모놀리식 와이어의 다른 샘플은 0.005 인치의 최종 직경으로 추가로 냉간 드로잉되었고 어닐링되지 않아, 75%의 보유 냉간 작업을 갖는 제2 최종 와이어 구조체를 생성하였다. 이 와이어는 제1 최종 와이어 구조체와 동일한 단축 인장 시험을 받았고, 61 ksi의 극한 인장 강도 및 45 ksi의 항복 강도를 입증하였다. 와이어는 파손 전에 9% 연신될 수 있었다. 이 결과는 도 6b에서 하위 실선인 선 "D"로서 도시된다. 따라서, 예 1에 전술된 냉간 작업된 Mg-Li-Zn-Mn-Ca 재료에 비해, 이트륨의 첨가가 강도를 증가시키지는 않았으나 연성을 증가시켰음을 알 수 있다.

예 3

4 중량%의 Li를 갖고, 마그네슘 잔부 및 불가피한 불순물을 갖는 종래의 Mg-Li 합금을 생산하였다. 재료 구성성분을 진공 유도 용융시킨 후 재료를 2" 몰드로 캐스팅함으로써 우선 이 합금을 잉곳으로 제조하였다.

이어서, 잉곳은 분당 10 인치의 램 속도를 사용하여 300°C의 온도에서 0.5 인치 직경으로의 압출에 의해 열간 작업되었다. 이어서, 압출된 봉은 전술된 바와 같은 표준 와이어-드로잉 실시를 통해 일련의 냉간 드로잉을 거쳐 0.0079 인치의 최종 직경의 모놀리식 둥근 와이어로 처리되었다.

도 6a에서 점선으로 도시된 바와 같이, 본 예의 종래의 Mg-Li 재료는 예 1의 재료에 비해 동등하거나 증가된 연성 및 작업성을 갖는 것으로 입증되었으며, 주어진 직경 감소를 달성하기 위해 동등하거나 더 적은 어닐링을 필요로 한다. 그러나, 합금의 강도는 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 예 1에 설명된 재료에 비해 매우 낮았다.

이어서, 와이어는 전술된 바와 같이 완전히 어닐링되어, 제1 최종 와이어 구조체를 생성하였고, 이는 전술된 바와 같이 단축 인장 시험되었다. 와이어는 28 ksi의 극한 인장 강도 및 17 ksi의 항복 강도를 입증하였다. 와이어는 파손 전에 16% 연신될 수 있었다.

따라서, 예 1에서 전술된 어닐링된 Mg-Li-Zn-Mn-Ca 재료 또는 예 2에서 전술된 Mg-Li-Y-Zn-Mn-Ca 재료에 비해, Zn, Mn, Ca, 및 선택적으로 Y의 첨가는 우수한 연성을 유지하면서 76% 내지 94% 사이의 증가된 어닐링된 항복 강도를 생성함을 알 수 있다.

예 4

다른 공지된 합금과 비교하여 본 발명의 합금의 부식 거동을 평가하기 위해, 다음의 실험을 수행하였다. 0.010 인치의 최종 직경을 갖는 와이어가 4개의 상이한 합금으로 생산되었다:

- 본 개시내용에 따르고 또한 예 1 및 2에서 전술된 Mg-2Li-1.2Zn-0.4Mn-0.4Ca;

- 리튬이 없는 유사한 영양 금속 합금에 대한 대조 샘플로서의 Mg-1Zn-0.3Ca-0.1Mn;

- 희토류 함유 합금에 대한 대조 샘플로서의 종래의 WE43; 및

- 예 3에서도 전술된, 대조 샘플로서의 통상의 Mg-4Li.

4개의 와이어 각각은, 총 8개의 개별 합금/조건 조합에 대해, 어닐링된 와이어(즉, 보유된 냉간 작업을 갖지 않음) 및 냉간 작업된 와이어(즉, 45-75%의 보유된 냉간 작업을 가짐)로 생산되었다. 각각의 합금/조건 조합의 적어도 2개의 샘플이 후술되는 바와 같이 시험되었다. 냉간 작업된 와이어에 대해, WE43 와이어는 75% 보유된 냉간 작업을 가졌고, Mg-1Zn-0.3Ca-0.1Mn은 50% 보유된 냉간 작업을 가졌고, Mg-2Li-1.2Zn-0.4Mn-0.4Ca는 50% 보유된 냉간 작업을 가졌고, MgLi는 45% 보유된 냉간 작업을 가졌다. 이 냉간 작업 수준은 의료 장치 용례에 전형적으로 요구되는 각각의 와이어에 대한 기계적 특성을 달성하도록 설계되었다.

또한, 각각의 와이어 샘플은 37°C 및 7.4 pH로 유지된 행크의 평형 염용액(HBSS)에서 부식되었으며, 동시에 자중(dead-weight)을 통해 16 ksi(110 MPa)의 초기 응력에서 유지되었다. HBSS는 시험관내 시험을 위한 적절한 Mg 부식 매체인 것으로 간주되는 생리학적으로 관련된 무기 염용액이다. HBSS는 상업적으로 입수 가능하며 미국 미주리주 세인트루이스의 MilliporeSigma(구 Sigma Aldrich)로부터 구입할 수 있다. 본 예에 대해, 이 상업적으로 입수 가능한 HBSS는 1.6 g/L의 중탄산나트륨 및 0.265 g/L의 염화칼슘으로 개질되었으며, 이 역시 상업적으로 입수 가능하고 Sigma Alrdrich로부터 구입되었다.

와이어 파단까지의 시간이 각각의 샘플에 대해 측정되어, 상대 내부식성의 척도를 제공하였다.

실험의 결과는 도 6c에 도시되어 있다. 본 MgLiZnMnCa 합금은 냉간 작업된 형태에서 적어도 40시간 그리고 어닐링된 형태(as-annealed form)에서 적어도 33시간의 평균 생존을 나타내었다. 예상한 바와 같이, 이러한 파손 시간은, 냉간 작업된 형태 및 어닐링된 형태 양자 모두에서 50시간을 초과하는 평균 생존 시간을 가졌었던 희토류 함유 WE43보다 적었다. 그러나, MgLiZnMnCa 합금의 생존은 Mg4Li 이원 합금보다 실질적으로 더 길었는데, 이들은 각각 냉간 작업된 형태 및 어닐링된 형태에서 약 20시간 및 11시간 후에 실패하였다. 이는 베이스라인 이원 합금에 비해 본 합금에 대해 훨씬 더 긴 생체 내 생존을 제시한다.

본 MgLiZnMnCa 합금을 종래의 MgZnCaMn 합금과 비교하면, 냉간 작업된 조건에서의 생존 시간은 Li를 첨가함으로써, MgZnCaMn 합금의 약 45 시간에서 본 MgLiZnMnCa 합금의 전술된 약 40 시간으로 약간 감소되었다. 놀랍게도, 어닐링된 조건에서의 생존 시간은 MgZnCaMn 합금(약 28시간)보다 MgLiZnMnCa 합금(약 33시간)에서 더 길었으며, 이는 Li의 더 큰 반응성으로 인해 예상되지 않았던 것이다. 따라서, 본 MgLiZnMnCa 합금은 유사한 생체적합성 합금보다 양호하거나 또는 그에 대응하는 생체 내 생존 시간을 나타내면서, 우수한 강도 및 연성을 나타낸다.

본 발명은 예시된 설계를 갖는 것으로 설명되었지만, 본 발명은 본 개시내용의 사상과 범주 내에서 추가로 변경될 수 있다. 따라서 본 발명은 그 전체적인 원리를 이용하는 본 개시내용의 모든 변경, 이용, 또는 부가를 포함하는 것을 의도한다. 또한, 본원은 본 개시내용에서 그러한 변경을 본 발명의 관련 분야에서 공지되어 있거나 일반적인 실시의 범위에 있으며 첨부된 청구항의 제한 내에 있는 것으로서 커버하도록 의도된다.

Claims (23)

1. 흡수성 의료 장치에 사용하기 위한 합금이며, 상기 합금은
   1.0 내지 5.0 중량% 사이의 리튬;
   0.2 내지 2.0 중량% 사이의 아연;
   0.1 내지 0.5 중량% 사이의 칼슘;
   0.1 내지 0.8 중량% 사이의 망간; 및
   마그네슘 잔부 및 불가피한 불순물을 포함하는, 합금.
2. 제1항에 있어서, 합금은 보유된 냉간 작업을 갖지 않으며, 34 ksi에 도달하는 극한 인장 강도를 나타내는, 합금.
3. 제1항에 있어서, 합금은 75%의 보유된 냉간 작업을 갖고 64 ksi에 도달하는 극한 인장 강도를 나타내는, 합금.
4. 제1항에 있어서, 합금은 보유된 냉간 작업을 갖지 않고 26 ksi에 도달하는 항복 강도를 나타내는, 합금.
5. 제1항에 있어서, 합금은 75% 보유된 냉간 작업을 갖고 56 ksi에 도달하는 항복 강도를 나타내는, 합금.
6. 제1항에 있어서, 합금은 보유된 냉간 작업을 갖지 않고, 파열 전에 14%의 연신율을 허용하기에 충분한 연성을 나타내는, 합금.
7. 제1항에 있어서, 합금은 75% 보유된 냉간 작업을 갖고, 파열 전에 7%의 연신율 허용하기에 충분한 연성을 나타내는, 합금.
8. 제1항에 있어서, 합금은 보유된 냉간 작업을 갖지 않고, 110 MPa의 초기 응력에서 유지되면서도 37°C 및 7.4 pH에서 유지되는 행크의 평형 염용액에서 적어도 30시간의 평균 생존을 나타내는, 합금.
9. 제1항에 있어서, 합금은 적어도 50%의 보유된 냉간 작업을 갖고, 110 MPa의 초기 응력에서 유지되면서도 37°C 및 7.4 pH에서 유지되는 행크의 평형 염용액에서 적어도 30시간의 평균 생존을 나타내는, 합금.
10. 제1항에 있어서, 합금은 보유된 냉간 작업을 갖지 않고,
    34 ksi에 도달하는 극한 인장 강도;
    26 ksi에 도달하는 항복 강도;
    파열 전에 14%의 연신율을 허용하기에 충분한 연성; 및
    110 MPa의 초기 응력에서 유지되면서도 37°C 및 7.4 pH에서 유지되는 행크의 평형 염용액에서의 적어도 30시간의 평균 생존을 나타내는, 합금.
11. 제1항에 있어서, 합금은 적어도 50%의 보유된 냉간 작업을 갖고,
    64 ksi에 도달하는 극한 인장 강도;
    56 ksi에 도달하는 항복 강도;
    파열 전에 7%의 연신율을 허용하기에 충분한 연성; 및
    110 MPa의 초기 응력에서 유지되면서도 37°C 및 7.4 pH에서 유지되는 행크의 평형 염용액에서의 적어도 30시간의 평균 생존을 나타내는, 합금.
12. 제1항에 있어서, 2.5 중량% 이하의 양으로 이트륨을 더 포함하는, 합금.
13. 제12항에 있어서, 합금은 보유된 냉간 작업을 갖지 않고, 39 ksi에 도달하는 극한 인장 강도를 나타내는, 합금.
14. 제12항에 있어서, 합금은 75%의 보유된 냉간 작업을 가지며, 61 ksi에 도달하는 극한 인장 강도를 나타내는, 합금.
15. 제12항에 있어서, 합금은 보유된 냉간 작업을 갖지 않고 33 ksi에 도달하는 항복 강도를 나타내는, 합금.
16. 제12항에 있어서, 합금은 75% 보유된 냉간 작업을 갖고 45 ksi에 도달하는 항복 강도를 나타내는, 합금.
17. 제12항에 있어서, 합금은 보유된 냉간 작업을 갖지 않고, 파열 전에 19%의 연신율을 허용하기에 충분한 연성을 나타내는, 합금.
18. 제12항에 있어서, 합금은 75%의 보유된 냉간 작업을 갖고, 파열 전에 10%의 연신율을 허용하기에 충분한 연성을 나타내는, 합금.
19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항의 합금으로부터 형성된, 와이어.
20. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항의 합금으로부터 형성된, 의료 장치.
21. 제20항에 있어서, 의료 장치는 혈관 내 장치인, 의료 장치.
22. 제20항에 있어서, 의료 장치는 정형외과적 고정 장치인, 의료 장치.
23. 제20항에 있어서, 의료 장치는 수술 중재 장치인, 의료 장치.

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