醫(yī)療用具用復合材料及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種醫(yī)療用具用復合材料，具有：構(gòu)成基體的超彈性形狀記憶合金；和分散于該基體中的金屬氧化物。
【專利說明】醫(yī)療用具用復合材料及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及在支架(stent)、導絲(guide wire)、栓塞線圈(coil)、靜脈濾器(filter)、齒列矯正線等醫(yī)療用具中使用的復合材料，尤其涉及將超彈性形狀記憶合金作為基體的醫(yī)療用具用復合材料及其制造方法。
【背景技術】
[0002]作為支架和導絲等醫(yī)療用具用材料，使用各種合金。例如，日本特開2003 —325655號公報(專利文獻I)公開了由Ni — Ti形狀記憶合金構(gòu)成的支架，日本特開平9 一182799號公報(專利文獻2)公開了由鎳一鈦系合金、銅一鋅一鋁系合金、銅一鋁一鎳系合金等構(gòu)成的導絲。
[0003]NiTi系合金、FeMnSi系合金、CuAlNi系合金、CuZnAl系合金等通常被稱為形狀記憶合金，其中存在在生物體溫度(37°C附近)下顯示超彈性的合金。超彈性形狀記憶合金具有產(chǎn)生應力誘發(fā)型馬氏體相變的結(jié)晶構(gòu)造，且具有當除去應力時恢復原來形狀的特性。在此，“超彈性”是指，在使用溫度下即使使其變形(彎曲、拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn))至普通金屬發(fā)生塑性變形的區(qū)域，當釋放變形應力時，不需要加熱就大致恢復到變形前的形狀。具有這樣的特性的超彈性形狀記憶合金能夠有效地用于在生物體內(nèi)使用的支架或?qū)Ыz等。
[0004]專利文獻1:日本特開2003 - 325655號公報
[0005]專利文獻2:日本特開平9 - 182799號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]超彈性形狀記憶合金通常為“軟”合金，因此，存在根據(jù)用途不同而平臺區(qū)域(在應力一應變曲線中，相對于應變的增加而應力值大致保持一定的區(qū)域)的應力值不充分的情況。特別是在生物體內(nèi)配置或 使用的支架或?qū)Ыz等醫(yī)療用具中，期望更加小型化，但若平臺區(qū)域的應力值(強度)不充分，則無法推進薄壁化和細徑化等小型化。
[0007]本發(fā)明的目的在于，在將超彈性形狀記憶合金作為基體的醫(yī)療用具用復合材料中，提高平臺區(qū)域的應力值。
[0008]本發(fā)明的醫(yī)療用具用復合材料具有:構(gòu)成基體的超彈性形狀記憶合金、和分散于上述基體中的金屬氧化物。
[0009]在后參照實施例進行說明，通過在基體中含有適量的金屬氧化物，由此平臺區(qū)域的應力值提聞。
[0010]為了使基體中含有適量的金屬氧化物，優(yōu)選的是，醫(yī)療用具用復合材料通過將超彈性形狀記憶合金的粉末和金屬氧化物的顆?；旌虾筮M行燒結(jié)并進行擠壓加工而獲得。即使在熔解的超彈性形狀記憶合金中添加金屬氧化物的顆粒，也無法使適量的金屬氧化物存留于基體中。與此相對，若在超彈性形狀記憶合金粉末中添加并混合金屬氧化物顆粒，則能夠使適量的金屬氧化物存留于基體中。
[0011]金屬氧化物顆粒相對于超彈性形狀記憶合金粉末的添加量優(yōu)選為0.10~1.0容量％。若是不足0.10容量％的添加量，則平臺區(qū)域的應力值的提高不充分。若添加量超過1.0容量％，則雖然平臺區(qū)域的應力值提高，但拉伸率顯著降低，因此不適于作為在生物體內(nèi)使用的醫(yī)療用具的用途 。
[0012]此外，以容量％進行規(guī)定的“金屬氧化物相對于超彈性形狀記憶合金粉末的添加量”是指，相對于100單位容量的超彈性形狀記憶合金粉末的、金屬氧化物添加量的單位容量。
[0013]超彈性形狀記憶合金粉末例如為選自TiNi系合金粉末、Cu系合金粉末、Fe系合金粉末及Ti系合金粉末中的一種合金粉末。作為支架、導絲等醫(yī)療用具用材料而特別優(yōu)選的是生物體適應性優(yōu)異的TiNi系合金。TiNi系合金在血液中的耐腐蝕性優(yōu)異，且表面穩(wěn)定，不必擔心合金成分在血液中溶出。金屬氧化物顆粒例如為選自Ti02、A1203、CeO2, MgO, CaO及ZrO2中的一種氧化物顆粒。
[0014]在優(yōu)選的實施方式中，超彈性形狀記憶合金粉末為TiNi系合金粉末，金屬氧化物顆粒及其添加量為0.10~1.0容量％的TiO2及0.1~1.0容量％的Al2O3中的任一方。
[0015]本發(fā)明的醫(yī)療用具用復合材料的制造方法具有以下的工序。
[0016]a)通過熔解法而制作由超彈性形狀記憶合金構(gòu)成的鑄錠的工序。
[0017]b)將上述超彈性形狀記憶合金鑄錠粉碎或切削而使其成為超彈性形狀記憶合金粉末的工序。
[0018]c)將上述超彈性形狀記憶合金粉末和金屬氧化物的顆?；旌系墓ば颉?br> [0019]d)將上述超彈性形狀記憶合金粉末與上述金屬氧化物顆粒的混合物進行燒結(jié)并進行擠壓加工的工序。
[0020]在上述方法中，優(yōu)選的是，超彈性形狀記憶合金為TiNi系合金，金屬氧化物及其添加量為0.10~1.0容量％的TiO2及0.1~1.0容量％的Al2O3中的任一方。
[0021]根據(jù)本發(fā)明，在以超彈性形狀記憶合金為基體的醫(yī)療用具用復合材料中，通過含有分散于基體中的金屬氧化物，能夠提高應力一應變曲線中的平臺區(qū)域的應力值。其結(jié)果是，能夠?qū)崿F(xiàn)支架、導絲等醫(yī)療用具的薄壁化和細徑化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是表示對未添加金屬氧化物的TiNi系合金的擠壓加工品(試樣I)、添加有0.5容量％ (0.33wt%)的TiO2顆粒的TiNi系合金的擠壓加工品(試樣2)及添加有1.0容量％ (0.66wt%)的TiO2顆粒的TiNi系合金的擠壓加工品(試樣3)進行拉伸試驗的結(jié)果的圖。
[0023]圖2是表不對未添加金屬氧化物的TiNi系合金的擠壓加工品(試樣I)、添加有
0.2容量％的Al2O3顆粒的TiNi系合金的擠壓加工品(試樣4)及添加有1.0容量％的Al2O3顆粒的TiNi系合金的擠壓加工品(試樣5)進行拉伸試驗的結(jié)果的圖。
[0024]圖3是表示對試樣2進行滯回性能試驗(hysteresis test)的結(jié)果的圖。
[0025]圖4是表示對試樣3進行滯回性能試驗的結(jié)果的圖。
[0026]圖5是表示對添加有0.15容量％ (0.lwt%)的TiO2顆粒的TiNi系合金的擠壓加工品(試樣6)及添加有0.38容量％ (0.25wt%)的TiO2顆粒的TiNi系合金的擠壓加工品(試樣7)進行拉伸試驗的結(jié)果的圖。[0027]圖6是表示對試樣6進行滯回性能試驗的結(jié)果的圖。
[0028]圖7是表示對試樣7進行滯回性能試驗的結(jié)果的圖。
【具體實施方式】
[0029]本發(fā)明的復合材料在支架、導絲、栓塞線圈、靜脈濾器、齒列矯正線等醫(yī)療用具中使用，其特征在于，以超彈性形狀記憶合金為基體，并含有分散于該基體中的金屬氧化物。
[0030]超彈性形狀記憶合金具有能夠發(fā)揮超彈性形狀記憶特性的合金組成，例如，能夠列舉TiNi系合金、Cu系合金、Fe系合金、Ti系合金等。在TiNi系合金的情況下，含有43~57質(zhì)量％的Ni，剩余部分由Ti和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成?？梢栽谠揟iNi系合金中添加少量的其他金屬，例如鈷、鐵、鈕、鉬、硼、招、娃、銀、銀、銅等。
[0031]作為Cu系合金，例如能夠列舉Cu — Al — Ni合金、Cu — Zn合金、Cu — Zn — Al合金等。作為Fe系合金，例如能夠列舉Fe — Ni合金、Fe — Mn — Si合金、Fe — Pd合金、Fe - Pt合金等。作為Ti系合金，例如能夠列舉T1- Nb合金、T1- Mo合金等。
[0032]在上述各種超彈性形狀記憶合金中，特別適合作為醫(yī)療用具用復合材料的是回復應變較大、且生物體適應性優(yōu)異的TiNi系合金。作為TiNi系合金的一例，例如含有54.5~57質(zhì)量％的Ni，且剩余部分由Ti和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。作為不可避免的雜質(zhì)，可以含有
0.050質(zhì)量％以下的Co、0.010質(zhì)量％以下的Cu、0.010質(zhì)量％以下的Cr、0.005質(zhì)量％以下的H、0.050質(zhì)量％以下的Fe、0.050質(zhì)量％以下的Nb。
[0033]為了提高應力一應變曲線中的平臺區(qū)域的應力值，重要的是，在超彈性形狀記憶合金的基體中，使金屬氧化物分散。作為金屬氧化物，例如可以列舉!10231203、(^02、1%0、CaO, ZrO2等，但優(yōu)選的金屬氧化物為TiO2及Al2O3中的任一種。當要使基體中含有適量的金屬氧化物時，即使在熔解的超彈性形狀記憶合金中添加TiO2或Al2O3等金屬氧化物顆粒，也難以使適量的金屬氧化物存留于基體中。
[0034]因此，本發(fā)明的復合材料經(jīng)過如下的工序進行制造。以超彈性形狀記憶合金為TiNi系合金的情況為例進行說明。
[0035](A)鑄錠的制作
[0036]通過熔解法制作由TiNi系合金構(gòu)成的鑄錠。作為其他方法，可以想到，通過將Ti粉末和Ni粉末混合并燒結(jié)的粉末冶金法來獲得TiNi系合金燒結(jié)體。
[0037](B) TiNi系合金粉末的制作
[0038]將TiNi系合金鑄錠進行粉碎或切削而獲得TiNi系合金粉末。
[0039](C)金屬氧化物的添加
[0040]在TiNi系合金粉末中添加TiO2或Al2O3等金屬氧化物顆粒，使金屬氧化物顆粒以均勻分散的方式混合。金屬氧化物顆粒相對于TiNi系合金粉末的添加量優(yōu)選為0.10~
1.0容量％。若是不足0.10容量％的添加量，則在最終獲得的復合材料中，應力一應變曲線中的平臺區(qū)域的應力值的提高不充分。若添加量超過1.0容量％，則雖然平臺區(qū)域的應力值提高，但伸長率顯著降低，因此不適合作為在生物體內(nèi)使用的醫(yī)療用具的用途。特別是在配置于血管的彎曲部分那樣的支架的情況下，施加有重復的彎曲載荷，因此伸長特性成為重要的因素。
[0041](D)燒結(jié)及擠壓加工[0042]將TiNi系合金粉末和金屬氧化物顆粒的混合物進行燒結(jié)并進行擠壓加工。燒結(jié)優(yōu)選在真空氣氛或非活性氣體氣氛下進行，更優(yōu)選在真空氣氛下進行。燒結(jié)溫度沒有特別的限定，但例如優(yōu)選為700~1200°C，更優(yōu)選為800~1100°C。另外，擠壓加工優(yōu)選熱擠壓加工。
[0043]經(jīng)過上述工序，可獲得本發(fā)明的醫(yī)療用具用復合材料。在最終獲得的復合材料中，例如Al2O3作為顆粒而分散于TiNi系合金的基體中，由此，提高復合材料的強度。若像這樣添加Al2O3顆粒，則通過顆粒彌散強化，能夠提高最終獲得的復合材料的平臺區(qū)域的應力值。但是，顆粒彌散強化型的復合材料可能不適于作用有重復彎曲載荷那樣的用途。例如，在通過顆粒彌散型復合材料制造配置于血管的彎曲部分那樣的支架的情況下，由于分散于基體中的顆粒受到重復載荷，因此有可能成為疲勞斷裂的起點。
[0044]在上述用途的情況下，優(yōu)選作為金屬氧化物顆粒而使用TiO2顆粒。在添加的金屬氧化物顆粒為TiO2的情況下，TiO2最終不以顆粒形式存在，而是進行分解且氧固溶于母相中來謀求固溶強化，從而提高醫(yī)療用具用復合材料的強度。特別是，不是通過熔制法(熔解法)而是通過粉末冶金法來添加TiO2顆粒，由此，能夠固溶更多的氧量。固溶的氧不會成為疲勞斷裂的起點，因此氧固溶強化型復合材料適于施加有重復載荷的用途。
[0045]作為能夠期待氧的固溶強化的金屬氧化物，能夠列舉從氧化物的標準生成自由能圖得知的認為比TiO2更難分解的Ce02、MgO、CaO, ZrO2等。關于這些金屬氧化物，已經(jīng)分解的氧不會與金屬元素反 應而再次生成金屬氧化物，氧固溶于母相中。
[0046]本發(fā)明的復合材料的用途為支架、導絲、栓塞線圈、靜脈濾器、齒列矯正線等醫(yī)療用具。在以后的實施例中有記載，在添加有0.5容量％(0.33wt%)的TiO2顆粒的TiNi系合金復合材料的情況下，平臺區(qū)域的應力值(強度)從600MPa (未添加TiO2)上升至800MPa。因此，考慮適用于以往的板厚0.2mm的支架的情況，若維持同程度的強度，則能夠?qū)搴駵p少至3/4左右(大約1.5mm)ο使板厚減少的優(yōu)點能夠?qū)崿F(xiàn)通過較細的梁來支承血管的膜，因此能夠減少所使用的合金的量，其結(jié)果是，能夠減少合金成分的溶出。另外，在向血管輸送時，能夠?qū)⒅Ъ苷郫B為更小的直徑。
[0047]考慮平臺區(qū)域的應力值(強度)從600MPa上升到800MPa的情況而考慮適用于導絲，若維持同程度的強度，則能夠?qū)⒁酝膶Ыz的外徑0.50mm減小至0.45mm。該細徑化的優(yōu)點能夠使可沿著導絲的其他醫(yī)療用具的內(nèi)外徑細徑化。
[0048]實施例
[0049][混合物的準備]
[0050]準備下述混合物。
[0051]試樣1:TiNi系合金粉末(比較例)
[0052]試樣2:在TiNi系合金粉末中添加0.5容量％ (0.33wt%)的TiO2顆粒(本發(fā)明例)
[0053]試樣3:在TiNi系合金粉末中添加1.0容量％ (0.66wt%)的TiO2顆粒(本發(fā)明例)
[0054]試樣4:在TiNi系合金粉末中添加0.2容量％的Al2O3顆粒(本發(fā)明例)
[0055]試樣5:在TiNi系合金粉末中添加1.0容量％的Al2O3顆粒(本發(fā)明例)
[0056]試樣6:在TiNi系合金粉末中添加0.15容量％ (0.10wt%)的TiO2顆粒(本發(fā)明例)
[0057]試樣7:在TiNi系合金粉末中添加0.38容量％ (0.25wt%)的TiO2顆粒(本發(fā)明例)
[0058][燒結(jié)]
[0059]將上述各試樣在下述條件下進行燒結(jié)而獲得燒結(jié)體。
[0060]溫度:900°C
[0061]保持時間:30分鐘
[0062]氣氛:真空
[0063]壓力:40MPa
[0064]升溫速度:20°C/分
[0065][熱擠壓加工]
[0066]對獲得的燒結(jié)體在下述條件下進行熱擠壓加工而獲得擠壓加工品。
[0067]預加熱溫度:1050°C
[0068]預加熱時間:10分鐘
[0069]擠壓比:6
[0070]擠壓活塞速度:6mm/秒
[0071][拉伸試驗]
[0072]對試樣I~7的擠壓加工品在室溫環(huán)境下以下述條件進行拉伸試驗(N = 2)。
[0073]試驗片的形狀:圓棒
[0074]試驗片的直徑:3.5mm
[0075]試驗片的長度:20mm
[0076]拉伸速度:應變速率5 X ΙΟ?
[0077]對試樣1、試樣2及試樣3進行試驗的結(jié)果如圖1所示,對試樣1、試樣4及試樣5進行試驗的結(jié)果如圖2所示，對試樣6及試樣7進行試驗的結(jié)果如圖5所示。
[0078]從圖1所示的曲線可知，與未添加TiO2的試樣I相比較，添加有0.5容量％(0.33wt%)的TiO2的試樣2及添加有1.0容量％ (0.66wt%)的TiO2的試樣3的應力一應變曲線的平臺區(qū)域的應力值提高。另外可知，TiO2的添加量越多，斷裂強度也越提高。另一方面，關于伸長特性，添加有1.0容量％的TiO2的試樣3比試樣I及試樣2低下。
[0079]考慮適用于支架或?qū)Ыz等醫(yī)療用具，則不希望伸長特性過于低下，因此TiO2添加量的優(yōu)選上限值為1.0容量％。
[0080]未添加TiO2的試樣I的平臺區(qū)域的應力值為大約600MPa，與之相對，添加有0.5容量％ (0.33wt%)的TiO2的試樣2的平臺區(qū)域的應力值為大約800MPa。關于拉伸特性，試樣I和試樣2之間沒有很大差異。
[0081]從圖5所示的曲線可知，添加有0.15容量％ (0.10wt%)的TiO2的試樣6的平臺區(qū)域的應力值為大約720MPa，添加有0.38容量％ (0.25wt%)的TiO2的試樣7的平臺區(qū)域的應力值為大約770MPa，與未添加TiO2的試樣I相比，應力值顯著提高。關于伸長特性，試樣1、試樣6及試樣7之間沒有很大差異。
[0082]從不使伸長特性降低地提高平臺區(qū)域的應力值的觀點來看，Ti02的優(yōu)選添加量為
0.15容量％ (0.10wt%)~0.5容量％ (0.33wt%)左右?？紤]到TiO2添加量為0.15容量％(0.10wt%)時平臺區(qū)域的應力值上升大約120MPa，則即使添加0.10容量％的TiO2，估計應力值也會上升100MPa左右。因此，TiO2添加量的優(yōu)選下限值為0.10容量％。[0083]從圖2所示的曲線可知，與未添加Al2O3的試樣I相比，添加有0.2容量％的Al2O3的試樣4及添加有1.0容量％的Al2O3的試樣5的應力一應變曲線的平臺區(qū)域的應力值及斷裂強度提高。平臺區(qū)域的應力值及斷裂強度與Al2O3的添加量成比例地上升。另一方面，關于伸長特性，添加有1.0容量％的Al2O3的試樣5比試樣I及試樣4低下。
[0084]考慮適用于醫(yī)療用具，則不希望伸長特性過于低下，因此Al2O3添加量的優(yōu)選上限值為1.0容量％。
[0085]未添加Al2O3的試樣I的平臺區(qū)域的應力值為大約600MPa，與之相對，添加有0.2容量％的Al2O3的試樣4的平臺區(qū)域的應力值為大約750MPa。關于伸長特性，試樣I與試樣4之間沒有很大差異。從不使伸長特性降低地提高平臺區(qū)域的應力值的觀點來看，Al2O3的優(yōu)選添加量為0.2容量％左右。考慮到Al2O3添加量為0.2容量％時平臺區(qū)域的應力值上升了大約150MPa，則即使添加0.1容量％的Al2O3，估計應力值也會上升IOOMPa左右。因此Al2O3的優(yōu)選下限值為0.1容量％。
[0086][滯回性能試驗]
[0087]將在通過對試樣2、試樣3、試樣6及試樣7的擠壓加工品進行拉伸而施加一定的應變后將應力卸載的拉伸試驗作為一個循環(huán)，在下述條件下進行改變施加的應變而進行三個循環(huán)的滯回性能試驗。試樣2的應變量在循環(huán)I中為3%，在循環(huán)2中為7%，在循環(huán)3中為15%。試樣3的應變量在循環(huán)I中為3%，在循環(huán)2中為5%，在循環(huán)3中為10%。試樣6及試樣7的應變量在循環(huán)I中為4%，在循環(huán)2中為10%，在循環(huán)3中為15%。
[0088]試驗片的形狀:圓棒
[0089]試驗片的直徑:3.5mm
[0090]試驗片的長度:20mm
[0091]拉伸速度:應變速率5X ΙΟ?
[0092]對試樣2進行試驗的結(jié)果如圖3所示，對試樣3進行試驗的結(jié)果如圖4所示，對試樣6進行試驗的結(jié)果如圖6所示，對試樣7進行試驗的結(jié)果如圖7所示。從這些附圖可知，在將應力卸載后，添加有TiO2的試樣2、試樣3、試樣6及試樣7的變形應變在一定程度上回復。
[0093]工業(yè)實用性
[0094]本發(fā)明的復合材料能夠有效地用作支架和導絲等醫(yī)療用具用材料。
【權利要求】
1.一種醫(yī)療用具用復合材料，具有: 構(gòu)成基體的超彈性形狀記憶合金；和 分散于所述基體中的金屬氧化物。
2.如權利要求1所述的醫(yī)療用具用復合材料，其中， 所述醫(yī)療用具用復合材料是通過在將所述超彈性形狀記憶合金的粉末和所述金屬氧化物的顆?；旌虾?、進行燒結(jié)并進行擠壓加工而獲得的。
3.如權利要求2所述的醫(yī)療用具用復合材料，其中， 所述金屬氧化物顆粒相對于所述超彈性形狀記憶合金粉末的添加量為0.10~1.0容量％。
4.如權利要求3所述的醫(yī)療用具用復合材料，其中， 所述超彈性形狀記憶合金粉末是選自TiNi系合金粉末、Cu系合金粉末、Fe系合金粉末及Ti系合金粉末中的一種合金粉末， 所述金屬氧化物顆粒是選自Ti02、Al203、Ce02、Mg0、Ca0、及ZrO2中的一種氧化物顆粒。
5.如權利要求4所述的醫(yī)療用具用復合材料，其中， 所述超彈性形狀記憶合金粉末為TiNi系合金粉末， 所述金屬氧化物顆粒及其添加量為0.10~1.0容量％的TiO2及0.1~1.0容量％的Al2O3中的任一方。
6.一種醫(yī)療用具用復合材料的制造方法，包括如下工序: 通過熔解法而制作由超彈性形狀記憶合金構(gòu)成的鑄錠的工序， 將所述超彈性形狀記憶合金鑄錠粉碎或切削而使其成為超彈性形狀記憶合金粉末的工序， 將所述超彈性形狀記憶合金粉末和金屬氧化物的顆粒混合的工序，以及將所述超彈性形狀記憶合金粉末與所述金屬氧化物顆粒的混合物進行燒結(jié)并進行擠壓加工的工序。
7.如權利要求6所述的醫(yī)療用具用復合材料的制造方法，其中， 所述超彈性形狀記憶合金為TiNi系合金， 所述金屬氧化物及其添加量為0.10~1.0容量％的TiO2及0.1~1.0容量％的Al2O3中的任一方。
【文檔編號】A61F2/82GK103547691SQ201280025134
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年5月8日 優(yōu)先權日:2011年5月26日
【發(fā)明者】早場亮一 申請人:泰爾茂株式會社