复合材料、用于生产复合材料的工艺和基于复合材料的医疗器械制造技术

本发明专利技术涉及复合材料，特别是金属复合材料，生产复合材料的工艺，以及基于该复合材料的医疗器械，特别是植入物。该复合材料包含至少5体积％的Fe和至少1体积％的Mg或Zn，其中该复合材料包含Mg相或Zn相和Fe相，其中Mg相或Zn相在至少一个维度上的平均尺寸小于20μm，特别是小于10μm。该医疗器械，特别是植入物，可以适用于骨折(以及腱或韧带等部分的)的固定和/或矫正，并且能够表现出代表骨折等治疗中的完全范式转变的有针对性的失效。的完全范式转变的有针对性的失效。的完全范式转变的有针对性的失效。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】复合材料、用于生产复合材料的工艺和基于复合材料的医疗器械


[0001]本专利技术涉及复合材料，特别是金属复合材料，用于生产复合材料的工艺和基于该复合材料的医疗器械。医疗器械，特别是植入物，可以适用于骨折(以及腱或韧带等部分的)的固定和/或矫正，并且能够表现出代表骨折等治疗中的完全范式转变(complete paradigm shift)的有针对性的失效(targeted failure)。

技术介绍

[0002]目前用于承重骨植入物(load
‑
bearing orthopedic implant)(通常基于钛及其合金或不锈钢)的技术忽视了患者对理想的骨恢复的需求，并坚持稳定的永久性骨折固定的传统概念。这就需要进行移除手术，以避免因应力遮挡(stress shielding)(由于大模量不匹配)、植入物相关感染或纳米碎片随时间积累而导致的骨质疏松和再次骨折，这可能会削弱组织或导致慢性炎症(K.T.Kim et al.,Int.J Implant Dent.5(2019)10；A.Mombelli et al.,Clin.Oral Implants Res.29(2018)37
‑
53)。
[0003]理想的植入物方案应该是(i)最初是承重的，以使患者能够早期活动；(ii)动态地自适应其特性(与愈合骨的特性相适应)的，直到发生可调整的和有针对性的预设失效，这对于完全的骨恢复是必要的；(iii)可生物降解的(因此不需要移除手术，并且不产生废物)；(iv)对身体无害(无论局部还是全身、短期还是长期)的。
[0004]目前使用的永久性植入物或可降解植入物(如基于镁(Mg)、锌(Zn)或聚合物)的概念都没有全面反映这种重要的需求组合。虽然可降解植入物至少涵盖了其中的一些方面，但它们在承重情况下的应用迄今有限：基于纯Mg、Zn或聚合物的植入物太软。虽然镁可以通过与稀土元素(REE)合金化而得到强化，但REE的使用是有风险的：REE是非生理性的或可能有毒的、不可生物降解的，并且据报告在骨和器官中积累，至今后果不明(A.Drynda et al.,J.Biomed.Mater.Res.A 91A(2009)360
‑
369；A.Myrissa et al.,Acta Biomater.48(2017)521
‑
529)。此外，镁基材料或锌基材料通常降解过快，导致腐蚀产物(特别是氢气(H2))的快速释放引发的组织刺激，以及不期望的强度快速丧失。聚合物降解缓慢，但可能引起异物反应(O.M.H.K.Clin.Orthop.Relat.Res.371(2000)216
‑
227)。其他可降解金属如铁(Fe)及其合金提供了合适的机械强度，但降解太慢，从而引起与永久性植入物相同的问题(T.Kraus et al.,Acta Biomater.10(2014)3346
‑
3353)。因此，尽管Mg、Zn或Fe合金被认为是用于临时骨植入物的具有吸引力的候选材料，但它们很少在临床实践中使用。
[0005]事实上，Mg或Zn和Fe合金的组合受到各种物理和技术限制的阻碍：Mg或Zn和Fe的宏观组合是不可行的，因为它们的电化学电势有很大的差异。宏观复合材料的形成将产生某种“电池”，其中镁或锌将充当牺牲阳极(sacrificial anode)，因此这将极大地提高降解率，达到不可接受的水平。然而，本专利技术人发现，如果在微观甚至亚微观尺度上实现Mg
‑
Fe或Zn
‑
Fe复合材料，则可以防止极其快速的电化学腐蚀。然而，鉴于其巨大的性能差异(例如，
因为镁和锌的沸点低于铁的熔点，所以镁和锌在铁熔化之前会沸腾；镁和铁基本上不相溶，并表现出不同的变形行为)，微观或亚微观复合材料的形成具有挑战性。
[0006]鉴于上述情况，接近上述理想植入物的医疗器械仍有改进空间。

技术实现思路

本专利技术的目的
[0007]因此，本专利技术的目的是提供一种医疗器械，例如适用于固定骨折(以及腱或韧带等的部分)和/或矫正的植入物，其最初具有足够的的强度和刚度，以便在愈合期间承重，动态地自适应其特性(强度和刚度与愈合的骨的特性相适应)，直到发生可调整的和有针对性的预设失效，是可生物降解的/可吸收的(因此不需要进行移除手术)，并且对身体无害或甚至可以表现出有利的生理作用。另一个目的是提供一种复合材料，在该复合材料的基础上可以形成这种医疗器械。
[0008]本专利技术人为了解决这些目的进行了勤奋的研究，并且发现基于Fe和Mg或Zn的特定精细结构的复合材料可以为能够在愈合期间承重的植入物提供足够的强度和刚度。植入后，复合材料的强度和刚度逐渐降低，从而促进骨再生的过程，当骨必须承受越来越多的负载(load)时，它可以长成理想的形状，以满足其自然的承重能力。强度特别是刚度的逐渐丧失导致材料在愈合期后表现出越来越大的弹性，并可能最终导致有针对性的植入物失效(特别是植入物的有针对性的疲劳失效)，这代表骨折等治疗中的完全范式转变。不希望受限于任何理论，本专利技术人假设由于包含Mg相或Zn相和Fe相的复合材料的特定精细结构，其中Mg相或Zn相在至少一个维度(优选至少两个维度或所有三个维度)上的平均尺寸小于20μm，特别是小于10μm，由于几何原因，Mg或Zn的阳极溶解会减慢，因为镁或锌降解时产生的反应产物不能从腐蚀过程中形成的洞穴中快速去除，因此这种去除将成为限制速度的过程步骤。这意味着由于所形成的电化学元件的微米或纳米尺度的尺寸(至少在一个维度上)，通过医疗器械的流体流动将由于电流的原因而极其有限。实验和流体动力学都可以证实，在一个维度上减小电化学元件的尺寸就足以大幅降低反应产物的去除速率。因此，可以通过适当调整复合材料的金属相的精细结构来控制和调整Mg或Zn的释放，并且随着Mg或Zn含量的逐渐减少，剩余的富铁医疗器械变得越来越柔韧，并可能最终导致植入物的疲劳失效。此外，由于在骨愈合期间，镁的持续降解，因此产生的镁离子(其为骨诱导性的(osteoinductive))可能会刺激并进一步促进骨的愈合。
[0009]根据本专利技术可以实现的有针对性的植入物失效(特别是植入物的有针对性的疲劳失效)代表了骨折等治疗中的完全范式转变，这一点怎么强调都不为过。这种有针对性的失效不仅偏离(或甚至违背)迄今为止用于治疗骨折等的植入物的持久高承重能力的传统方法，而且几乎不能通过目前可获得的基于例如Fe或Mg或Zn或它们的合金的生物可吸收材料来实现。与已知的生物可吸收材料相比，根据本专利技术的复合材料可以通过相应的相排列(以及进一步的组成，例如Fe:Mg或Fe:Zn的比例)在非常广泛的范围内(几个数量级)适当地调整降解速率，从而可以如所期望并且适合于个体情况来针对植入物的刻意(intentional)失效。
[0010]因此，本专利技术涉及复合材料，特别是金属复合材料，其包含至少5体积％的Fe和至少1体积％的Mg或Zn，其中复合材料包含Mg相或Zn相和铁相，其中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种复合材料，特别是金属复合材料，其包括至少5体积％的Fe；至少1体积％的Mg或Zn；其中所述复合材料包含Mg相或Zn相和Fe相，其中所述Mg相或Zn相在至少一个维度上的平均尺寸小于20μm，特别是小于10μm。2.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述复合材料包含至少10体积％的Fe，特别是至少20体积％的Fe。3.根据权利要求1或2所述的复合材料，其中所述复合材料包含至少10体积％的Mg或Zn，特别是至少20体积％的Mg或Zn。4.根据前述权利要求中任一项所述的复合材料，其中Fe和Mg或Zn的总量为至少80体积％，特别是至少90体积％。5.根据前述权利要求中任一项所述的复合材料，其中Fe与Mg或Zn的体积比为20:80至80:20，特别是30:70至70:30。6.根据前述权利要求中任一项所述的复合材料，其进一步包含选自Ca、Mg、Zn、Mn、Zr、Y、Nd、Gd、Sn和Al中的至少一种元素以及不可避免的杂质。7.根据前述权利要求中任一项所述的复合材料，其中所述Mg相或Zn相在至少一个维度上的平均尺寸小于5μm，特别是小于3μm。8.根据前述权利要求中任一项所述的复合材料，其中所述Fe相和/或Mg相或Zn相的平均晶粒尺寸小于5μm，特别是小于1μm。9.根据前述权利要求中任一项所述的复合材料，其可通过大塑性变形工艺获得。10.根据权利要求9所述的复合材料，其中所述大塑性变形工...

【专利技术属性】
技术研发人员：伯恩哈德，
申请(专利权)人：Wamp，amp，M有限责任公司，
类型：发明
国别省市：