WO2009083250A1 - Verfahren zur herstellung eines elements aus einem magnesiumwerkstoff und so herstellbares element - Google Patents

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WO2009083250A1
WO2009083250A1 PCT/EP2008/011125 EP2008011125W WO2009083250A1 WO 2009083250 A1 WO2009083250 A1 WO 2009083250A1 EP 2008011125 W EP2008011125 W EP 2008011125W WO 2009083250 A1 WO2009083250 A1 WO 2009083250A1
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WO
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magnesium
strand
semifinished product
semi
magnesium material
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PCT/EP2008/011125
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Friedrich-Wilhelm Bach
Rafael Kucharski
Dirk Bormann
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Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
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Publication date
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    • B21MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21CMANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C1/00Manufacture of metal sheets, metal wire, metal rods, metal tubes by drawing
    • B21C1/003Drawing materials of special alloys so far as the composition of the alloy requires or permits special drawing methods or sequences
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L17/00Materials for surgical sutures or for ligaturing blood vessels ; Materials for prostheses or catheters
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    • B21MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
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    • B21C23/00Extruding metal; Impact extrusion
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    • B21C37/04Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape of bars or wire
    • B21C37/047Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape of bars or wire of fine wires

Definitions

  • the present invention is directed to a process for producing elements of a magnesium material, in particular to the production of magnesium alloy wire material, wherein the produced wire material preferably has a diameter of 0.5 mm or less.
  • the wire material is composed at least of several individual semi-finished products such as wires of a magnesium alloy, which are folded together as a strand or rope and further formed by drawing.
  • the present invention is further directed to wire material that can be produced by the method according to the invention. This wire material is preferably resorbable suture material.
  • Sutures or staple material for joining the same or different types of tissue in animals including humans must meet a variety of requirements.
  • the material must be inert enough so that no repulsive or inflammatory reactions are caused in the living organisms or the materials cause a negative impact on the recovery of the tissue or of the whole organism.
  • the materials must meet a variety of mechanical requirements.
  • the material must have sufficient tensile strength, for example, to ensure a holding together of the tissue.
  • the material must not be too brittle to prevent breakage under load.
  • the material must demonstrate sufficient flexibility to conform well to the fabric and to be deformable, eg for knotting, without the material losing its shape over time. That is, the material must neither stretch under load nor allow it to open due to deformation of the tissue wound.
  • the suture may be both permanent material, that is, the material will not degrade for a certain time, or be used in absorbable form. At the same time, the demand for absorbable material is very high, especially in order to use this material as a suture in the body of the animal, including man.
  • EP 1395297 describes medical implants for the human or animal body made of magnesium alloys, which degrade in the body.
  • the materials described therein are intended to overcome the disadvantages known in the art of using absorbable magnesium alloy materials. These disadvantages include a relatively large amount of gas produced per unit time, especially of hydrogen. This creates gas caverns in the body and the materials themselves are degraded unevenly.
  • DE 10 2004 036 399 describes seam and staple materials, which are characterized by containing large amounts of rare earth metals and yttrium.
  • the magnesium alloy should not contain aluminum.
  • the manner of producing the seam and staple material is not described in DE 10 2004 036 399, the same applies to EP 1395297.
  • resorbable materials such as sutures of magnesium alloys
  • These metal forming processes are influenced by many parameters, such as the temperature of both the forming tool and the article to be formed during forming.
  • degradable elements such as wire material, and in particular sutures for surgical purposes.
  • the material should have sufficient tensile strength and possess the necessary flexibility.
  • This object is achieved by the method according to the invention for producing elements, such as wire material (in which wires are used as semifinished products), from a magnesium material.
  • This method is suitable for the production of wire material made of magnesium materials, wherein the obtained wire material after production preferably has a diameter of 0.5 mm or smaller.
  • the inventive method for producing an element of a Magnesium material comprises the steps of: a) hot extrusion of a magnesium material to obtain a strand material; b) a first heat treatment of the strand material obtained in step a); c) a first drawing of the strand material heat-treated in step b)
  • semi-finished products are understood to mean a one-piece workpiece, while a wire material may comprise a plurality of individual wires.
  • element as used herein includes wire materials and may be composed of two or more individual components, ie semi-finished products.
  • a wire material for example a suture, which, in contrast to a single wire, is advantageously designed in its geometry.
  • the materials produced by the method of the invention have superior tensile strengths without being limited in their flexibility or ductility.
  • a magnesium material is subjected to extrusion in a first step. This is a hot extrusion with the example, a semi-finished product with a thickness between 1, 0 mm and 1, 5 mm is obtained.
  • magnesium material includes both pure magnesium and magnesium alloys.
  • Hot forming transforms the coarse cast structure into a fine-grained, elongated structure.
  • Such grain refinement is with a significant improvement in the material characteristic values of the respective Magnesium alloy connected.
  • the achievable material parameters improve with increasing strength of the pressing, that is with increasing kneading.
  • the extruded material is subjected to a heat treatment.
  • the best possible properties should be given to the material to be treated. Recrystallization initiates nucleation and growth of new crystallites (primary recrystallization), initiating a faster recovery process with internal stress relaxation and generation of polygonal subgrain boundaries. At these boundaries, new small crystallites are formed, dislocations being largely degraded. Because of the greatly reduced dislocation density, recrystallized metals have only low strength but high ductility.
  • the first step of the heat treatment is the recovery of the material and the reduction of internal stresses.
  • the step of heat treatment is followed by a first drawing (wire drawing) of the heat-treated strand material. Pulling as one of the known forming methods allows to obtain a
  • the pulling is possible as hot or cold drawing.
  • hot drawing or hot forming the temperatures in the workpiece / tool work zone can reach very high values. Even during cold drawing, high temperatures can occur for a short time, because more than 80% of the energy to be applied for the forming process is converted into heat and, together with the friction work, leads to heating of the workpiece and tool. As a result of this heating, it may be possible for recuperation and recrystallization processes to take place in the workpiece as well as during extrusion.
  • the small area of the semi-finished product, as well as the wire material (wire composite) guarantee a fast warm-up phase as well as a quick cooling phase.
  • the drawing of the heat-treated strand material preferably comprises two, such as three, four, five, six, seven, eight, nine, ten, etc., individual drawing steps.
  • a cold drawing is carried out at least during the first pass of the drawing.
  • the heated semifinished product is brought to a reduced semifinished product diameter via a non-heated die or with the help of a non-heated die.
  • the semifinished product is reheated, preferably, this heating takes place in such a way that the material is softened, a so-called flash annealing.
  • the semifinished product is heated, for example, beforehand to a temperature of 270 0 C to 33O 0 C, such as 300 ° C, to be subsequently cold drawn. This process of cold drawing is repeated at least once, preferably several times.
  • the semifinished product is heated and, if appropriate with the exclusion of oxygen, as under protective gas, for example argon, drawn with a heated die.
  • the semifinished product is possibly hot-drawn a second time.
  • the semifinished product is preferably drawn to a diameter of 0.5 mm or smaller, such as 0.3 mm or smaller.
  • the resulting semi-finished magnesium materials are laid in a further step to strands or ropes, wherein at least two semi-finished products are joined together to form a strand or rope.
  • a rotation of the semi-finished products is then subjected to further drawing to finally obtain a strand as the element according to the invention, in particular as a wire material with a diameter of 0.5 mm or smaller.
  • This is z. B. heated in the drawing step, the strand and reduced in the heated state with a hot die in diameter. The reduction of the diameter is preferably carried out in several steps.
  • the drawing may be cold drawing with a previous recovery anneal.
  • This process of hot drawing is carried out until the desired diameter is reached.
  • this drawing takes place under exclusion of oxygen, in particular under a protective gas atmosphere, in order to prevent oxidation of the surface.
  • the element thus obtained may optionally be subjected to further cold drawing in order to obtain an element with the desired diameter, in particular 0.5 mm or smaller.
  • the method according to the invention it is possible to obtain wire material with a very small diameter of less than 0.5 mm, such as 0.3 mm or smaller. Such dimensions are particularly suitable for resorbable sutures. Therefore, in one embodiment, the present invention relates to a method of producing wire materials, in particular suture materials based on a magnesium material, wherein the diameter of the wire material is 0.3 mm or smaller.
  • the cables or strands preferably have 3, 4, 5, 6, 7 or 8 semi-finished products (individual wires) of the semi-finished magnesium materials obtained after the first drawing.
  • the number and thickness of the individual wires also depends on the tissues to be connected (hard or soft tissue).
  • the reduction of the diameter during drawing is not greater than 0.05 mm. This ensures a homogeneity of the material and a good tensile strength while improving the flexibility achieved.
  • the method is suitable for producing resorbable wire materials, in particular resorbable suture material or staple material. Due to the method according to the invention, the suture obtained has excellent geometric as well as mechanical properties. The shape of the invention produced
  • Elements can be adapted to the desired properties.
  • the largest possible surface of the material allows z. B. a faster
  • Suitable starting materials for the process according to the invention are in particular those magnesium materials which, in addition to magnesium, also contain aluminum and lithium.
  • this magnesium alloy may further contain zirconium.
  • the magnesium alloy preferably contains no calcium, since calcium has a negative influence on the tensile strength.
  • Particularly preferred alloys are: MgAl 3 Li 9 ; LAE442; or MgAl 3 Li 6 .
  • the present in the strand or ropes magnesium half-tools can be the same diameter or different diameters.
  • 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 or 9 magnesium wires of the same diameter are used to make the strand or rope.
  • the present invention relates to elements, e.g. Wire materials that can be produced by the method according to the invention.
  • These elements, such as wire materials are in particular sutures, such as resorbable sutures of magnesium materials.
  • the elements can also be further processed to other objects.
  • the resulting element can be used in resorbable or permanent implants.
  • it is an implant for promoting bone formation or other tissues, such as muscle tissues, e.g. B. cardiac muscle tissue possible.
  • the magnesium materials used are permanent magnesium alloys
  • the elements obtained according to the invention can also be ligature clips or other durable articles and instruments used in medical technology.
  • Other uses of permanent elements are, for example, mailing shirts and other products which on the one hand require stability but also flexibility without too much stretching.
  • the elements may in the above applications as elements as such, i. H. Strands or ropes, or in a further processed form, e.g. by braiding, weaving, etc. are used.
  • the elements produced by the method according to the invention can be produced with a sufficiently small diameter, wherein the necessary mechanical properties for z. As sutures are present, that is, a high tensile strength with good flexibility.
  • the elements according to the invention can be round and flat.
  • Figure 1 shows various embodiments of an element with four individual wires (semi-finished products). Shown are possible geometries of this element.
  • the left and right figures show examples of a single-wire element of different diameters, while the middle figure is an example of an element of four wires of the same cross-section.
  • Figure 2 shows an example of a five-wire element.
  • the middle and right figure shows an example of wires of different diameters, while the left figure is an example of a Invention element of wires with the same diameter represents.
  • the geometry shown in Figure 2 may be advantageous in view of good resorbability and corrosion of the material in the body due to the large surface area.
  • FIG. 3 shows an example of elements according to the invention comprising six individual wires.
  • FIG. 4 exemplary cross sections for elements according to the invention of seven individual wires are shown, wherein different surface shapes are obtained when using wires of different diameters.
  • FIG. 5 cross sections for elements according to the invention comprising eight individual wires are explained.
  • the arrangement of the wires can take place both in a possibly round shape, see the left and middle embodiment of Figure 5.
  • An embodiment, as shown on the right side of Figure 5, with a star-shaped arrangement, can be advantageous in terms of the same absorption of the material be.
  • the following examples illustrate the manufacturing process. Furthermore, the outstanding properties of the suture produced according to the invention are set out in comparison to conventional polymer-based sutures.
  • the commercially absorbable polyglacin 910 (Ethicon VICRYL, Johnson + Johnson Intl), polyglycolic acid (SAFIL BRAUN Aesculap AG & CO. KG) and non-resorbable suture polyester (Ethicon MERSILENE Johnson + Johnson Intl.)
  • wires made from a MgAliquid according to the invention are used. Alloy, MGAI3Li9, with respect to the mechanical characteristics according to the test direction tensile test and compared.
  • the investigation was carried out by means of a universal testing machine Zwick 1OkN at.
  • the tensile parameters were constant for all eight tested materials: pre-load 10N, test speed 5mm / min, as well the room temperature 20 0 C and the room humidity 50%.
  • the commercial sutures were checked without knots and with knots. Theoretically, the strengths for the seams provided with the knot are lower by a factor of 50 than for the materials without knots; the investigation has proved this tendency.
  • the tested sutures of magnesium are in a five-fold oversize to the polymer group. From the comparison result, however, clear possibilities for the material with a round profile with a diameter of approx. 1 mm made of magnesium material can be drawn.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Herstellung von bevorzugt dünnem Element aus einem Magnesiumwerkstoff, wobei das hergestellte Element bevorzugt einen Durchmesser von 0,5 mm oder kleiner aufweist. Das Element setzt sich dabei zumindest aus mehreren einzelnen Halbzeugen eines Magnesiumwerkstoffs zusammen, die als Litze bzw. Seil zusammengelegt und weiter mittels Ziehen umgeformt werden. Die vorliegende Erfindung richtet sich weiterhin auf das so erhältliche Element. Bei diesem Element handelt es sich bevorzugt um resorbierbares Nahtmaterial.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Elements aus einem Magnesiumwerkstoff und so herstellbares Element
Die vorliegende Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Elementen aus einem Magnesiumwerkstoff, insbesondere auf die Herstellung von Drahtmaterial aus einer Magnesiumlegierung, wobei das hergestellte Drahtmaterial bevorzugt einen Durchmesser von 0,5 mm oder kleiner aufweist. Das Drahtmaterial setzt sich dabei zumindest aus mehreren einzelnen Halbzeugen wie Drähten einer Magnesiumlegierung zusammen, die als Litze bzw. Seil zusammengelegt und weiter mittels Ziehen umgeformt werden. Die vorliegende Erfindung richtet sich weiterhin auf Drahtmaterial, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist. Bei diesem Drahtmaterial handelt es sich bevorzugt um resorbierbares Nahtmaterial.
Stand der Technik
Nahtmaterial oder Klammermaterial zum Zusammenfügen von gleichen oder verschiedenen Gewebearten bei Tieren einschließlich Menschen muss verschiedenste Anforderungen erfüllen.
Einerseits muss das Material soweit inert sein, dass in den lebenden Organismen keine Abstoß- oder Entzündungsreaktionen hervorgerufen werden oder die Materialien einen negativen Einfluss auf die Gesundung des Gewebes oder des gesamten Organismus hervorrufen.
Andererseits müssen die Materialien unterschiedlichsten mechanischen Anforderungen genügen. So muss das Material eine ausreichende Zugfestigkeit aufweisen, um zum Beispiel ein Zusammenhalten des Gewebes zu gewährleisten. Das Material darf des Weiteren nicht zu spröde sein, um ein Brechen bei Belastung zu verhindern. Schließlich muss das Material eine ausreichende Biegsamkeit aufzeigen, um sich gut dem Gewebe anzupassen und um deformierbar, z.B. zur Knotenbildung, zu sein, ohne dass das Material über die Zeit seine Form verliert. Das heißt, das Material darf sich weder unter Last weiter strecken noch aufgrund von Verformung ein Öffnen der Gewebewunde ermöglichen.
Das Nahtmaterial kann sowohl als permanentes Material, das heißt das Material wird über eine bestimmte Zeit nicht abgebaut, oder in absorbierbarer Form verwendet werden. Dabei ist die Nachfrage nach absorbierbarem Material sehr groß, insbesondere, um dieses Material im Körper des Tiers einschließlich des Menschen als Nahtmaterial einzusetzen.
Absorbierbares Material, insbesondere Magnesium enthaltendes absorbierbares Material, ist aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt die EP 1395297 medizinische Implantate für den menschlichen oder tierischen Körper aus Magnesiumlegierungen, die im Körper degradieren. Die dort beschriebenen Materialien sollen die im Stand der Technik bekannten Nachteile bei der Verwendung absorbierbaren Materials aus Magnesiumlegierungen überwinden. Diese Nachteile beinhalten eine relativ große Gasmengenproduktion pro Zeiteinheit insbesondere von Wasserstoff. Dadurch entstehen Gaskavernen im Körper und die Materialien selbst werden ungleichmäßig degradiert.
Die DE 10 2004 036 399 beschreibt Naht- und Klammermaterialien, das sich dadurch auszeichnet, dass es große Mengen Seltenerdmetalle und Yttrium enthält. Bevorzugt soll dabei die Magnesiumlegierung kein Aluminium enthalten. Die Art und Weise der Herstellung des Naht- und Klammermaterials ist in der DE 10 2004 036 399 nicht beschrieben, gleiches gilt für die EP 1395297.
Die Idee der Verwendung von Magnesium und Magnesiumlegierungen als bioresorbierbare Materialien, z.B. als Nahtmaterial, ist aber schon über 70 Jahre alt. So wird chirurgisches Nahtmaterial aus Magnesium oder Magnesiumlegierungen bereits in den deutschen Patentschriften DE 360061 , DE 676059, DE 665836 und DE 688616 beschrieben. Diese dort beschriebenen Nahtmaterialien wiesen aber große Nachteile hinsichtlich der Gasentwicklung und des ungleichmäßigen Korrosionsangriffs auf.
Die Herstellung der resorbierbaren Materialien wie Nahtmaterialien aus Magnesiumlegierungen erfordert eine Vielzahl von Prozessschritten der plastischen Bearbeitung von Metallen. Diese Umformungsprozesse der Metalle werden von vielen Parametern beeinflusst, wie zum Beispiel der Temperatur sowohl des Umformungswerkzeugs als auch des zu umformenden Gegenstandes bei der Umformung.
In der DE 630061 wird z. B. ein Herstellungsverfahren für dünne Magnesiumdrähte in mehreren Schritten mit zusätzlicher Wärmebehandlung beschrieben.
Der folgenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, degradierbare Elemente, wie Drahtmaterial, und insbesondere Nahtmaterial für chirurgische Zwecke, bereitzustellen. Dabei soll neben der Biokompatibilität das Material eine ausreichende Zugfestigkeit aufweisen und die notwendige Biegsamkeit besitzen.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Elementen, wie Drahtmaterial (bei dem als Halbzeug Drähte verwendet werden), aus einem Magnesiumwerkstoff gelöst. Dieses Verfahren eignet sich zur Herstellung von Drahtmaterial aus Magnesiumwerkstoffen, wobei das erhaltene Drahtmaterial nach der Herstellung bevorzugt einen Durchmesser von 0,5 mm oder kleiner aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Elements aus einem Magnesiumwerkstoff wie einem Drahtmaterial umfasst die Schritte: a) Warmstrangpressen eines Magnesiumwerkstoffes unter Erhalt eines Strangmaterials; b) eine erste Wärmebehandlung des im Schritt a) erhaltenen Strangmaterials; c) ein erstes Ziehen des im Schritt b) wärmebehandelten Strangmaterials unter
Erhalt eines Halbzeugs eines Magnesiumwerkstoffes; und gegebenenfalls
Wiederholen dieser Schritte d) Legen einer Litze umfassend mindestens zwei der im Schritt c) erhaltenen
Halbzeuge eines Magnesiumwerkstoffes; e) Ziehen der im Schritt d) gelegten Litze, wobei dieses Ziehen ein warmes und/oder kaltes Ziehen ist und f) ggf. ein sich an den Schritt e) anschließendes abschließendes Kaltziehen.
Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden drei Hauptparameter für Elemente aus Magnesiumwerkstoffen, insbesondere für Nahtmaterialien; nämlich die mechanischen Eigenschaften, das Gefüge, aber auch die Geometrie des Elements vorteilhaft verbessert.
Vorliegend wird unter Halbzeug ein einstückiges Werkstück verstanden, während ein Drahtmaterial mehrere Einzeldrähte umfassen kann. Der Begriff Element, wie er vorliegend verwendet wird, umfasst Drahtmaterialien und kann aus zwei oder mehreren Einzelbestandteilen also Halbzeugen, zusammengesetzt sein.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird insbesondere ein Drahtmaterial z.B. ein Nahtmaterial erhalten, das im Gegensatz zu einem Einzeldraht in seiner Geometrie vorteilhaft ausgebildet ist. Des Weiteren weisen die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Materialien überragende Zugfestigkeiten auf, ohne in ihrer Biegsamkeit oder Duktilität eingeschränkt zu sein. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem ersten Schritt ein Magnesiumwerkstoff einem Strangpressen unterworfen. Hierbei handelt es sich um ein Warmstrangpressen mit dem zum Beispiel ein Halbzeug mit einer Dicke zwischen 1 ,0 mm und 1 ,5 mm erhalten wird.
In diesem Zusammenhang umfasst der Ausdruck Magnesiumwerkstoff sowohl solche aus reinem Magnesium als auch Magnesiumlegierungen.
Bei dem direkten Warmstrangpressen mit Matrize wird eine Flachmatrize, die die Form des Halbzeugs bestimmt, und ein Stempel mit etwas geringerem Durchmesser als der Innendurchmesser des Rezipienten verwendet. Beim direkten Warmpressen bildet sich deshalb zwischen Pressscheibe und Rezipientenwandung eine Werkstoffschale. Von Vorteil ist hierbei, dass beim Pressen Oxidreste und verunreinigte Blockaußenzonen in diese Schale gelangen und so nicht in das Pressprodukt einfließen können. Darüber hinaus bildet sich beim Pressvorgang eine so genannte tote Zone vor dem Werkszeug aus, da durch starke Reibung zwischen Pressblock und Blockhalterung die äußere Schicht des Presslings gegenüber dem Blockinneren zurückversetzt bleibt.
Durch die Bildung von Werkstoffschale und toter Zone werden metallische, saubere Profiloberflächen gewährleistet.
Beim Strangpressen finden verschiedene dynamische Erholungs- und Kristallisationsvorgänge sowohl vor als auch in der Umformzone statt. Diese Kristallisationen umfassen sowohl dynamische als auch statische Kristallisationen als auch die entsprechenden Erholungen unter Abbau des Verfestigungszustandes und Gitterfehlern.
Durch die Warmumformung wird das grobe Gussgefüge in ein feinkörniges, lang gestrecktes Gefüge umgewandelt. Eine solche Kornfeinung ist mit einer deutlichen Verbesserung der Werkstoff kenn werte der jeweiligen Magnesiumlegierung verbunden. Die erreichbaren Werkstoff kenn werte verbessern sich hierbei mit zunehmender Stärke des Pressens, das heißt mit zunehmender Durchknetung.
Anschließend wird im nächsten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens das stranggepresste Material, das Strangmaterial, einer Wärmebehandlung unterworfen. Dabei sollen dem zu behandelnden Werkstoff möglichst optimale Eigenschaften verliehen werden. Bei der Rekristallisation werden Keimbildung und Wachsen neuer Kristallite (primäre Rekristallisation) eingeleitet, wodurch ein schneller Erholungsprozess mit Aufhebung innerer Spannungen und Erzeugung polygonaler Subkorngrenzen initiiert wird. An diesen Grenzen bilden sich neue kleine Kristallite, wobei Versetzungen weitgehend abgebaut werden. Wegen der stark reduzierten Versetzungsdichte besitzen rekristallisierte Metalle an sich nur geringe Festigkeit, aber hohe Duktilität.
Der erste Schritt der Wärmebehandlung dient der Erholung des Materials sowie dem Abbau von inneren Spannungen.
Dem Schritt der Wärmebehandlung schließt sich ein erstes Ziehen (Drahtziehen) des wärmebehandelten Strangmaterials an. Das Ziehen als eines der bekannten Umformverfahren erlaubt den Erhalt einer
Oberflächenbeschaffenheit und Oberflächengüte des Halbzeugs, sowie von geometrischen Eigenschaften des Halbzeugs, wie sie z. B. für die Verwendung als Nahtmaterial benötigt werden. Deshalb eignet sich das Verfahren des Ziehens besonders für den Einsatz zur Herstellung von sehr dünnen
Halbzeugen (Drähten) und Drahtmaterialien aus einem Magnesiumwerkstoff mit Durchmessern von unter 1 mm, wie 0,5 mm und geringer, insbesondere 0,3 mm und geringer. Bei Nahtmaterialien ist es z. B. notwendig, möglichst glatte
Oberflächen für eine hinreichende Biokompatibilität zu erreichen, wobei die notwendigen mechanischen Eigenschaften nicht verschlechtert werden dürfen.
Das Ziehen ist als Warm- oder Kaltziehen möglich. Beim Warmziehen oder Warmumformen können die Temperaturen in der Werkzone aus Werkstück/Werkzeug sehr hohe Werte erreichen. Selbst beim Kaltziehen können kurzzeitig hohe Temperaturen auftreten, denn mehr als 80% der für den Umformvorgang aufzubringenden Energie werden in Wärme umgesetzt und führen zusammen mit der Reibungsarbeit zu einer Erwärmung von Werkstück und Werkzeug. Durch diese Erwärmung kann es möglich sein, dass im Werkstück wie beim Strangpressen Erholungs- und Rekristallisationsvorgänge ablaufen. Die geringe Fläche des Halbzeugs, als auch des Drahtmaterials (Drahtverbund) garantieren eine schnelle Aufwärmphase als auch eine schnelle Kühlungsphase.
Erfindungsgemäß umfasst das Ziehen des wärmebehandelten Strangmaterials vorzugsweise zwei, wie drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn usw. einzelne Ziehschritte. Dabei wird mindestens beim ersten Durchgang des Ziehens ein Kaltziehen durchgeführt. Hier wird das erwärmte Halbzeug über einen nicht erwärmten Ziehstein bzw. mit Hilfe einer nicht erwärmten Ziehdüse auf einen reduzierten Halbzeugdurchmesser gebracht. Anschließend wird das Halbzeug erneut erwärmt, bevorzugt findet diese Erwärmung derart statt, dass das Material erweicht wird, ein so genanntes Entspannungsglühen. Im Falle von Magnesiumwerkstoffen liegt der Bereich der Erwärmung bei 1500C bis 3500C, bevorzugt 200°C bis 300°C, je nach Art des Werkstoffes. Im Falle des Kaltziehens wird das Halbzeug zum Beispiel vorher auf eine Temperatur von 2700C bis 33O0C, wie 300°C erwärmt, um anschließend kaltgezogen zu werden. Dieser Vorgang des Kaltziehens wird mindestens einmal, bevorzugt mehrere Male wiederholt. Anschließend wird das Halbzeug erwärmt und ggf. unter Ausschluss von Sauerstoff, wie unter Schutzgas, zum Beispiel Argon, mit einem erwärmten Ziehstein gezogen. Nach erneutem Erwärmen wird das Halbzeug ggf. ein zweites Mal warmgezogen. Bevorzugt wird der Halbzeug dabei auf einen Durchmesser von 0,5 mm oder kleiner, wie 0,3 mm oder kleiner, gezogen.
Aus der Literatur ist bekannt, dass sich durch eine externe Wärmezufuhr beim Ziehen die Dehnung der Werkstoffe vergrößern lässt, wobei sich gleichzeitig die Ziehkraft verringert. In diesem Fall ist es auch möglich, mehrere Zyklen durchzuführen, ohne den zeitaufwendigen Wärmebehandlungsprozess in Anspruch nehmen zu müssen. Nachteil der Vorerwärmung des Materials ist eine starke Oberflächenoxidation; die Kühlung des Formmaterials ist stark von dessen Querlänge abhängig. Bevorzugt wird daher das Material unmittelbar vor dem Ziehstein im laufenden Ziehprozess erwärmt.
Zu hohe Temperatur, zu hohe Ziehgeschwindigkeit oder eine zu starke Erwärmung der Ziehsteine führt allerdings zu verschiedensten Ziehdefekten.
Die erhaltenen Halbzeuge der Magnesiumwerkstoffe werden in einem weiteren Schritt zu Litzen oder Seilen gelegt, wobei mindestens zwei Halbzeuge zu einer Litze bzw. Seil zusammengefügt werden. Gegebenenfalls erfolgt ein Verdrehen der Halbzeuge. Dieses erhaltene Seil bzw. Litze wird dann einem weiteren Ziehen unterworfen, um schließlich eine Litze bzw. Seil als erfindungsgemäßes Element, insbesondere als Drahtmaterial mit einem Durchmesser von 0,5 mm oder kleiner, zu erhalten. Dazu wird z. B. in dem Ziehschritt die Litze erwärmt und im erwärmten Zustand mit einem warmen Ziehstein in seinem Durchmesser reduziert. Die Reduzierung des Durchmessers erfolgt dabei bevorzugt in mehreren Schritten. Alternativ kann das Ziehen ein Kaltziehen mit einem vorherigen Erholungsglühen sein.
Dieser Vorgang des Warmziehens wird solange durchgeführt, bis der gewünschte Durchmesser erreicht wird. Bevorzugt findet dabei dieses Ziehen unter Sauerstoffausschluss insbesondere unter Schutzgasatmosphäre statt, um ein Oxidieren der Oberfläche zu verhindern.
Abschließend kann das so erhaltene Element gegebenenfalls einem weiteren Kaltziehen unterworfen werden, um ein Element mit dem gewünschten Durchmesser von insbesondere 0,5 mm oder kleiner zu erhalten. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, Drahtmaterial mit sehr kleinem Durchmesser von unter 0,5 mm, wie 0,3 mm oder kleiner, zu erhalten. Solche Dimensionen sind insbesondere für resorbierbare Nahtmaterialien geeignet. In einer Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung daher ein Verfahren zur Herstellung von Drahtmaterialien, insbesondere Nahtmaterialien auf Basis eines Magnesiumwerkstoffes, wobei der Durchmesser des Drahtmaterials 0,3 mm oder kleiner ist.
Bevorzugt weisen die Seile bzw. Litzen dabei 3, 4, 5, 6, 7 oder 8 Einzelhalbzeuge (Einzeldrähte) der nach dem ersten Ziehen erhaltenen Magnesiumwerkstoffhalbzeuge auf. Die Anzahl und Stärke der Einzeldrähte hängt auch von dem zu verbindenden Geweben (Hart- oder Weichgewebe) ab.
Besonders bevorzugt ist, dass die Reduktion des Durchmessers beim Ziehen nicht größer als 0,05 mm ist. Dadurch wird eine Homogenität des Materials gewährleistet und eine gute Zugfestigkeit bei gleichzeitig Verbesserung der Biegsamkeit erzielt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren zur Herstellung von resorbierbaren Drahtmaterialien, insbesondere resorbierbaren Nahtmaterials oder Klammermaterial, geeignet. Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das erhaltene Nahtmaterial hervorragende geometrische als auch mechanische Eigenschaften auf. Die Form des erfindungsgemäß hergestellten
Elements kann dabei den gewünschten Eigenschaften angepasst sein. Eine möglichst große Oberfläche des Materials erlaubt z. B. eine schnellere
Resorption als eine kompakte, wie z. B. runde Form. Vorliegend werden die
Ausdrücke "Resorption" und Absorption" synonym verwendet.
Als Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Verfahren sind insbesondere solche Magnesiumwerkstoffe geeignet, die neben Magnesium auch Aluminium und Lithium enthalten. Gegebenenfalls kann diese Magnesiumlegierung weiterhin Zirkonium enthalten. Bevorzugt liegen die Mengen an Aluminium, Lithium und ggf. Zirkonium in den folgenden Bereichen:
Al 0 bis 2 Massen-%
Mn 0 bis 1 Massen-%
Zn 0 bis 2 Massen-%
Li 0 bis 9 Massen-%
Zr 0 bis Massen-5%
Seltene Erden 0 bis 2 Massen-%
Es zeigte sich insbesondere, dass bevorzugt die Magnesiumlegierung kein Kalzium enthält, da Kalzium einen negativen Einfluss auf die Zugfestigkeit aufweist. Besonders bevorzugte Legierungen sind: MgAI3Li9; LAE442; oder MgAI3Li6.
Die in der Litze bzw. Seile vorhandenen Magnesiumhalbwerkzeuge (Drähte) können dabei gleichen Durchmessers oder unterschiedlichen Durchmessers sein. In einer bevorzugten Ausführungsform werden 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9 Magnesiumdrähte gleichen Durchmessers zur Herstellung der Litze bzw. des Seils verwendet.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung Elemente, z.B. Drahtmaterialien, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar sind. Bei diesen Elementen, wie Drahtmaterialien handelt es sich insbesondere um Nahtmaterialien, wie resorbierbare Nahtmaterialien aus Magnesiumwerkstoffen.
Die Elemente können auch zu anderen Gegenständen weiterverarbeitet werden. So kann das erhaltene Element in resorbierbaren oder permanenten Implantaten eingesetzt werden. Es ist zum Beispiel ein Implantat zur Förderung des Knochenaufbaus oder von anderen Geweben, wie Muskelgeweben, z. B. Herzmuskelgewebe möglich. Wenn es sich bei den verwendeten Magnesiumwerkstoffen um permanente Magnesiumlegierungen handelt, so können die erfindungsgemäß erhaltenen Elemente auch Ligaturclips oder andere in der Medizintechnik eingesetzte beständige Gegenstände und Instrumente. Andere Verwendungen von permanenten Elementen sind z.B. Kettenhemden und andere Produkte, die einerseits eine Stabilität aber auch Flexibilität erfordern, ohne dass eine zu starke Dehnung auftritt.
Die Elemente können bei den oben genannten Anwendungen als Elemente als solche, d. h. Litzen oder Seile, oder in einer weiterverarbeiteten Form, z.B. durch flechten, weben, etc. eingesetzt werden.
Es zeigte sich, dass die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Elemente mit einem ausreichend geringem Durchmesser herstellbar sind, wobei die notwendigen mechanischen Eigenschaften für z. B. Nahtmaterialien vorliegen, das heißt eine hohe Zugfestigkeit bei guter Biegsamkeit.
Die erfindungsgemäßen Elemente können dabei rund als auch flach ausgebildet sein.
In den beigefügten Abbildungen 1 bis 5 sind verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäß erhältlichen Elements im Querschnitt dargestellt. In der Abbildung 1 sind verschiedene Ausführungsformen eines Elements mit vier Einzeldrähten (Halbzeugen) dargestellt. Dargestellt sind mögliche Geometrien dieses Elements. Die linke und rechte Abbildung zeigen Beispiele für ein Element mit Einzeldrähten unterschiedlichen Durchmessers, während die mittlere Abbildung ein Beispiel für ein Element aus vier Drähten gleichen Querschnitts darstellt.
Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für ein Element aus fünf Einzeldrähten. Die mittlere und rechte Abbildung zeigt ein Beispiel für Drähte unterschiedlichen Durchmessers, während die linke Abbildung ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Element aus Drähten mit gleichem Durchmesser darstellt. Die in der Abbildung 2 dargestellte Geometrie kann im Hinblick auf eine gute Resorbierbarkeit und Korrosion des Materials im Körper aufgrund der großen Oberfläche vorteilhaft sein. Die Abbildung 3 stellt ein Beispiel für erfindungsgemäße Elemente aus sechs Einzeldrähten dar. In der Abbildung 4 sind beispielhafte Querschnitte für erfindungsgemäße Elemente aus sieben einzelnen Drähten dargestellt, wobei bei Verwendung von Drähten unterschiedlichen Durchmessers verschiedene Oberflächenformen erhalten werden.
In Abbildung 5 werden schließlich beispielhaft Querschnitte für erfindungsgemäße Elemente aus acht Einzeldrähten dargelegt. Hierbei kann die Anordnung der Drähte sowohl in einer möglichst runden Form erfolgen, siehe die linke und mittlere Ausführungsform der Figur 5. Eine Ausführungsform, wie auf der rechten Seite der Abbildung 5 dargestellt, mit einer sternenförmigen Anordnung, kann bezüglich der gleichen Resorption des Materials vorteilhaft sein.
Mit Hilfe der folgenden Beispiele wird das Herstellungsverfahren dargestellt. Weiterhin werden die hervorragenden Eigenschaften des erfindungsgemäß hergestellten Nahtmaterials im Vergleich zu herkömmlichen Nahtmaterialen auf Polymerbasis dargelegt. Es werden die kommerziellen resorbierbaren Polyglacin 910 (Ethicon VICRYL, Johnson+Johnson Intl), Polyglycolic acid, (SAFIL BRAUN Aesculap AG&CO. KG) und nicht resorbierbare Nahtmaterial Polyester (Ethicon MERSILENE Johnson+Johnson Intl.) mit erfindungsgemäß hergestellten Drähten aus einer MgAILi-Legierung, MGAI3Li9, bezüglich der mechanischen Kennwerte nach der Prüfrichtung Zugversuch überprüft und verglichen.
Die Untersuchung wurde mittels einer universellen Prüfmaschine Zwick 1OkN bei der durchgeführt. Die Zugparameter waren für alle acht geprüften Materialien konstant: Vorkraft 10N, die Prüfgeschwindigkeit 5mm/min, sowie die Raumtemperatur 200C und die Raumfeuchtigkeit 50 %. Die kommerziellen Nahtmaterialien wurden ohne Knoten als auch mit Knoten überprüft. Theoretisch werden die Festigkeiten für die Nähte, die mit dem Knoten versehen sind, um den Faktor 50 niedrigen als für die Materialien ohne Knoten; die Untersuchung hat diese Tendenz bewiesen.
In einem geometrischen Vergleich, der für die derartige Prüfung relevant ist, stehen die geprüften Nahtmaterialien aus Magnesium in einer fünffachen Überdimension zu der Polymergruppe. Aus dem Vergleichsresultat lassen sich jedoch klare Möglichkeiten für das Material mit einem Rundprofil mit einem Durchmesser von ca. 1 mm aus Magnesiumwerkstoff ziehen.
Wie aus der Tabelle 1 zu entnehmen ist, haben die Magnesiumwerkstoffdrähte ohne Wärmebehandlung als auch nach der Wärmebehandlung (als einen Vorbereitungsschritt für eine weitere Umformphase) für F max einen Wert von 200N weit überschritten.
Tabelle 1
Figure imgf000015_0001

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Elements aus einem Magnesiumwerkstoff, umfassend die Schritte: a) Warmstrangpressen des Magnesiumwerkstoffs unter Erhalt eines
Strangmaterials; b) Wärmebehandeln des im Schritt a) erhaltenen Strangmaterials; c) Ziehen des im Schritt b) wärmebehandelten Strangmaterials unter Erhalt eines Halbzeugs; d) legen einer Litze umfassend mindestens zwei der im Schritt c) erhaltenen Halbzeuge; e) Ziehen der im Schritt d) gelegten Litze, wobei dieses Ziehen ein Warmziehen und/oder Kaltziehen ist, und f) abschließendes Kaltziehen der im Schritt e) erhaltenen Litze.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Durchmesser des Elements nach Schritt e) und/oder des Halbzeugs nach Schritt c) 0,5 mm oder kleiner ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Durchmesser des Elements nach Schritt e) und/oder des Halbzeuges nach Schritt c) 0,3 mm oder kleiner ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei im Schritt c) das Ziehen mindestens ein Kaltziehen, eine Wärmebehandlung des kaltgezogenen Halbzeugs und mindestens einmal ein Warmziehen des Halbzeugs in dieser Reihenfolge umfasst.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ziehen gemäß Schritt e) unter Ausschluss von
Sauerstoff erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ziehen in Schritt e) unter Schutzgas erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Ziehen gemäß Schritt f) unter Sauerstoffausschluss, bevorzugt unter Schutzgas, erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt d) mindestens 4 Halbzeuge eines Magnesiumwerkstoffs zusammengelegt und gegebenenfalls gedreht werden.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Ziehens gemäß Schritt c) oder e) eine Verringerung des Durchmesser des Halbzeuges bzw. der Litze um höchstens 0,05 mm erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt e) die zu ziehende Litze und der Ziehstein erwärmt werden.
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) die Schritte des Erwärmens des Halbzeugs und des Kaltziehen des Halbzeugs mindestens zweimal, bevorzugt mindestens viermal, wiederholt werden.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) das Halbzeug mindestens einmal erwärmt und anschließend über einen warmen Ziehstein gezogen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Erwärmens des Halbzeugs und des Warmziehens unter Schutzgas erfolgt.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Schritt des Erwärmens und Warmziehens des Halbzeugs mindestens einmal wiederholt wird.
15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Element ein resorbierbares Drahtmaterial ist.
16. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren eines zur Herstellung von resorbierbaren Nahtmaterial aus einem Magnesiumwerkstoff ist.
17. Element aus einem Magnesiumwerkstoff erhältlich nach einem der Verfahren 1 bis 14.
18. Element nach Anspruch 17, wobei es sich um ein resorbierbares Nahtmaterial handelt.
19. Element nach Anspruch 17 oder 18, wobei der Durchmesser des Materials 0,5 mm oder kleiner, bevorzugt 0,3 mm oder kleiner, ist.
20. Element nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Zugfestigkeit von 1 10-390 N/mm2 aufweist.
21. Element nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei der Magnesiumwerkstoff ein Werkstoff ist, der neben Mg auch AI und Li enthält.
22. Element nach Anspruch 21 , wobei der Magnesiumwerkstoff weiterhin mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe aus Zr, Mn, Seltene Erden und Zn enthält.
23. Element nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei der Magnesiumwerkstoff eine Magnesiumlegierung ist.
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