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JP2019166014A - Magnesium alloy material used for medical implant, and method for producing magnesium alloy material - Google Patents

Magnesium alloy material used for medical implant, and method for producing magnesium alloy material Download PDF

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JP2019166014A
JP2019166014A JP2018055915A JP2018055915A JP2019166014A JP 2019166014 A JP2019166014 A JP 2019166014A JP 2018055915 A JP2018055915 A JP 2018055915A JP 2018055915 A JP2018055915 A JP 2018055915A JP 2019166014 A JP2019166014 A JP 2019166014A
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implant
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井上 誠
Makoto Inoue
誠 井上
一良 山口
Kazuyoshi Yamaguchi
一良 山口
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Abstract

To provide: a magnesium alloy material used for medical implant, in which, when using an implant made of Mg alloy material, the material has a strength during osteosynthesis, and has a biodegradability of disappearance in vivo after osteosynthesis; and a method for producing magnesium alloy material, in which, in order to satisfy the required biodegradability and strength depending on the use site in the body, both of these qualities can be controlled at the same time.SOLUTION: In a magnesium alloy material used for medical implant, a material in which Mg concentration excluding zinc is 99.99 wt.% or more and the concentration of zinc is 0.003 wt.% or more and less than 1.0 wt.%, is produced. Also, this alloy material is subjected to extrusion molding and/or die forging.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、マグネシウム(Mg)合金を使用するインプラント材料、及び医療用インプラントの製造方法に関する。特に、生分解性を備えたMg合金材料、該Mg合金材料をインプラントに適した強度を付与する製造方法、及び該Mg合金材料を使用した医療用インプラントに関する。   The present invention relates to an implant material using a magnesium (Mg) alloy and a method for manufacturing a medical implant. In particular, the present invention relates to a Mg alloy material having biodegradability, a manufacturing method for imparting strength suitable for an implant to the Mg alloy material, and a medical implant using the Mg alloy material.

従来、骨の損傷部分又は骨折部分等の接合術又は再建術において、骨の固定、補綴等に使用されるインプラント材料としては、強度等の機械的性質及び加工性に優れた金属材料が用いられてきた。特に、生体適合性が良く、強度の高いステンレス、タンタル、チタン又はチタン合金が使用されている。   Conventionally, a metal material excellent in mechanical properties such as strength and workability has been used as an implant material used for bone fixation, prosthesis, etc. in jointing or reconstruction of a damaged or fractured portion of a bone. I came. In particular, stainless steel, tantalum, titanium, or titanium alloy having high biocompatibility and high strength is used.

しかしながら、上記金属製のボーンプレートやステントは、治療後も長期、もしくは半永久的に体内に留置せざるを得ないことから生じるリスクが問題となっている。具体的には、長期にわたり留置しておくと、インプラントが骨に代わって荷重を支持することになり、骨量が減少したり、骨が脆弱化するストレスシールディング(応力遮蔽)と呼ばれる現象である。また、成長期の小児に前記インプラントを使用すると、骨の成長を阻害することが懸念される。   However, the above-mentioned metal bone plates and stents have a risk of being left in the body for a long time or semi-permanently after treatment. Specifically, if left in place over a long period of time, the implant will support the load instead of the bone, resulting in a phenomenon called stress shielding (stress shielding) that reduces bone mass or weakens the bone. is there. In addition, when the implant is used in a growing child, there is a concern that it inhibits bone growth.

そこで、骨の損傷又は骨折の治療後に、再手術によりボーンプレートを抜去することが行われている。しかし、再手術を行うことは患者の負担が大きいことから、再手術を行う必要のないボーンプレートの開発が望まれている。   Therefore, after treatment of bone damage or fracture, the bone plate is removed by re-operation. However, since it is a burden on the patient to perform reoperation, it is desired to develop a bone plate that does not require reoperation.

また、ステントの場合は、ステント血栓症のリスクや、ステント本体により血管壁に対して生じるメカニカルストレスのために、慢性的な炎症が起こる可能性が指摘されている。また、バイパス手術やCT撮影の際に邪魔になるという問題もある。そのため、一定期間後に分解して消失する素材の開発が望まれている。   In the case of a stent, it has been pointed out that chronic inflammation may occur due to the risk of stent thrombosis and mechanical stress generated on the blood vessel wall by the stent body. In addition, there is a problem that it becomes an obstacle during bypass surgery and CT imaging. Therefore, development of a material that decomposes and disappears after a certain period is desired.

このような再手術を必要としない生分解性のある素材として、ポリ乳酸や濃度が99.99重量%を超える高純度Mg材料を使用するインプラントが提案されている(特許文献1〜3、6)。   As such a biodegradable material that does not require reoperation, an implant using polylactic acid or a high-purity Mg material having a concentration exceeding 99.99% by weight has been proposed (Patent Documents 1 to 3, 6). ).

特許文献1には、高純度Mgを用いた生体内分解性を有する骨接合材が開示されている。実施例によれば99.998重量%のMg濃度のMg塊を加圧成形、あるいは圧造成形によりボーンプレート等を製造している。   Patent Document 1 discloses an osteosynthesis material having biodegradability using high-purity Mg. According to the embodiment, a bone plate or the like is manufactured by pressure forming or forging forming an Mg lump having a Mg concentration of 99.998% by weight.

特許文献2には、耐食性の高い高純度Mg金属で形成されている第1部分と、耐食性の低い低純度Mg金属で形成されている第2部分とを有するボーンプレートなどの生体器具が開示されている。純度の異なる2種のMgを使用することによって、生体内での溶解速度の制御を図ろうとするものである。   Patent Document 2 discloses a biological device such as a bone plate having a first portion made of high-purity Mg metal having high corrosion resistance and a second portion made of low-purity Mg metal having low corrosion resistance. ing. By using two types of Mg having different purities, the dissolution rate in vivo is to be controlled.

特許文献3には、形状記憶機能を有する生体吸収ポリマーからなる糸により形成された脈管用ステントが開示されている。生体吸収ポリマーとして、ポリ乳酸(PLLA)、ポリグリコール酸(PGA)が開示されている。   Patent Document 3 discloses a vascular stent formed of a thread made of a bioabsorbable polymer having a shape memory function. Polylactic acid (PLLA) and polyglycolic acid (PGA) are disclosed as bioabsorbable polymers.

特許文献6には、99.99重量%以上のMgであって、その他の含有元素の量を制限した材料を用いて、蒸留、押出、型鍛造によりインプラントを製造する方法が開示されている。   Patent Document 6 discloses a method of manufacturing an implant by distillation, extrusion, or die forging using a material containing 99.99% by weight or more of Mg and limiting the amount of other contained elements.

国際公開第2013/021913号International Publication No. 2013/021913 国際公開第2015/098071号International Publication No. 2015/098071 国際公開第00/13737号International Publication No. 00/13737 特開2005−126802号JP-A-2005-126802 特開2013−198698号JP2013-198698A 国際公開第2016/148172号International Publication No. 2016/148172

超高純度マグネシウムを用いた生体吸収性ボーンプレート製造技術の開発、平成23年度第3時補正予算事業 戦略的基盤技術高度化支援事業 成果報告書(公開版)、東北経済産業局、2013.2Development of bioabsorbable bone plate manufacturing technology using ultra-high purity magnesium, 2011 third hour supplementary budget project, Strategic basic technology advancement support project, results report (open version), Tohoku Bureau of Economy, Trade and Industry, 2013.2 井上 誠、長岡技術科学大学平成11年博士論文「マグネシウム合金の精製および耐食性に関する研究」Makoto Inoue, Nagaoka University of Technology 1999 Doctoral Dissertation "Research on Purification and Corrosion Resistance of Magnesium Alloys"

特許文献1に開示されている方法は、4N(Nは濃度の連続する9の桁数を表す。)以上(99.99重量%以上)の高純度マグネシウム(Mg)を使用するものであり、生分解性は適度に保たれているものの、強度が十分ではないという問題があった。そのため、特に荷重のかかる骨接合では十分な強度を担保することができなかった。特許文献2に開示されている生体器具は、生体に吸収される時間を制御できるものの、どちらもMg金属からなる部材を組み合わせており、組み合わせた材料における十分な強度を得ることが困難であるという問題があった。特許文献3に記載のポリマーは、生分解性は良いものの、強度が弱く、ステントとして使用するのには問題は生じないが、ボーンプレートのように荷重のかかる部材としての使用には使用部分が制限されていた。特許文献6に開示されている方法で製造したボーンプレートは、生分解性、強度は良好であるが、生体内での強度評価が十分になされてはいない。   The method disclosed in Patent Document 1 uses high purity magnesium (Mg) of 4N (N represents the number of consecutive 9 digits of concentration) or more (99.99% by weight or more), Although biodegradability was maintained moderately, there was a problem that the strength was not sufficient. Therefore, sufficient strength cannot be ensured particularly in a bone joint that is loaded. Although the biological device disclosed in Patent Document 2 can control the time taken by the living body, it is difficult to obtain sufficient strength in the combined materials because both are combined with members made of Mg metal. There was a problem. Although the polymer described in Patent Document 3 has good biodegradability, it has low strength and does not cause a problem when used as a stent. However, the polymer is not suitable for use as a loaded member such as a bone plate. It was restricted. The bone plate manufactured by the method disclosed in Patent Document 6 has good biodegradability and strength, but has not been sufficiently evaluated in vivo.

すなわち、ポリ乳酸も高純度Mgも生分解性には優れているものの、強度が低いという問題点がある。特に、ポリ乳酸は、生分解性は良いものの強度が弱い。そのため骨折の治療に使用されるボーンプレートのように、強度が必要とされる医療用部材に使用すると荷重を支えきれず、また、ステントに用いた場合には拡張した血管を支えきれないという問題が生ずる。   That is, although polylactic acid and high-purity Mg are excellent in biodegradability, they have a problem of low strength. In particular, polylactic acid is good in biodegradability but weak in strength. For this reason, the load cannot be supported when used for medical members that require strength, such as bone plates used for the treatment of fractures, and the expanded blood vessels cannot be supported when used for stents. Will occur.

Mgの比重は1.74と鉄の1/4、アルミニウムと比べても2/3と実用金属の中では最も軽く、鉄やアルミニウムと比較して重量当たりの強度や剛性が優れている。しかしながら、生体内で使用するためにはできるだけ軽く、また、厚みを薄くする必要がある。Mgは、鉄、アルミニウムに比べて、剛性が優れているとはいえ、チタン、チタン合金に比べて強度が低い。そのため、生体内に留置するボーンプレート等のインプラント材料であるチタンに代わる材料としては、生体吸収性という利点があるにもかかわらず、現在までのところ実用化に至っていないというのが現状である。   The specific gravity of Mg is 1.74, 1/4 that of iron, and 2/3 of aluminum, which is the lightest among practical metals, and is superior in strength and rigidity per weight compared to iron and aluminum. However, it is necessary to make it as light and thin as possible for use in vivo. Although Mg is more rigid than iron and aluminum, it has lower strength than titanium and titanium alloys. For this reason, as a substitute for titanium, which is an implant material such as a bone plate to be placed in a living body, the present situation is that it has not been put into practical use so far, despite the advantage of bioabsorbability.

金属の強度を向上させるには、一般的には加工により金属組織を微細化することが試みられており、加工方法として、圧延、押出、捩り、鍛造等が挙げられ、鉄等の加工では既に実用化されている。Mgの強度向上のためにこれまでに実施されてきた方法としては合金化が挙げられ、Mgとその他金属との固溶体形成、化合物形成により、強度向上効果を得て、一部実用化されている。   In order to improve the strength of the metal, it is generally attempted to refine the metal structure by processing. Examples of processing methods include rolling, extrusion, twisting, forging, etc. It has been put into practical use. Alloying is one of the methods that have been implemented so far to improve the strength of Mg, and it has been partially put into practical use by obtaining a strength improvement effect by forming a solid solution and a compound with Mg and other metals. .

特許文献5に開示されているように、Mg合金材料の加工方法として、押出、切断、圧縮、打ち抜きを適用し、これらの工程の順序、加工の方向を厳密に指定している。この理由は、押出方向であるa軸と平行な方向に圧縮すると、金属結晶のc軸に直交する方向に圧縮荷重がかかることになり、結晶構造に構造欠陥が生じ、強度低下、材料破損に繋がることを防止することにある。このような厳密な加工方法を適用せざるを得ないのは、対象材料がMg合金であることによる。   As disclosed in Patent Document 5, extrusion, cutting, compression, and punching are applied as processing methods for the Mg alloy material, and the order of these steps and the direction of processing are strictly specified. The reason for this is that compressing in the direction parallel to the a-axis, which is the extrusion direction, will apply a compressive load in the direction perpendicular to the c-axis of the metal crystal, resulting in structural defects in the crystal structure, reduced strength, and material damage. It is to prevent connection. Such a strict processing method must be applied because the target material is an Mg alloy.

またMgを合金化することにより、強度向上ははかれるものの生分解性が非常に速くなりボーンプレートとして使用する場合、骨接合前に溶けてしまうことは、非特許文献1に示されており、これを防止するために、樹脂製コーティングを行うことが試みられている。しかし、体内留置時に金属と樹脂の接合面が剥離してしまうことが懸念されており、実用化していない。   In addition, it is shown in Non-Patent Document 1 that by alloying Mg, although the strength can be improved, the biodegradability becomes very fast, and when used as a bone plate, it melts before bone joining. In order to prevent this, it has been attempted to perform resin coating. However, there is a concern that the joint surface between the metal and the resin may be peeled off when placed in the body, and it has not been put into practical use.

ボーンプレートとして使用する場合、骨接合時は強度を保持し、骨接合後は生体内で生分解により消滅してくれる生分解性を持つ性状を具備するためには、Mg合金化ではなく、逆に高純度化であると考える方法がある。高純度化のためには、特許文献4、6、非特許文献2に示されているように、市販の99.9重量%の濃度を持つMgを用いて、真空蒸留によりMgを昇華させ、他の含有元素とは異なる温度帯で凝縮させる方法が開示されている。   When used as a bone plate, in order to maintain the strength at the time of osteosynthesis and to have biodegradable properties that disappear after biosynthesis by biodegradation in the living body, it is not an alloy of Mg but reverse There is a method that is considered to be highly purified. For high purity, as shown in Patent Documents 4 and 6 and Non-Patent Document 2, commercially available Mg having a concentration of 99.9% by weight is used to sublimate Mg by vacuum distillation, A method of condensing in a temperature zone different from other contained elements is disclosed.

Mgの高純度化をはかる方法として、特許文献4、6に示される方法が開示されている。しかし、真空蒸留により昇華、凝縮させたMgは、例えば円柱状のインゴットを得たとしても、凝縮の工程を経るため極めてポーラスなインゴットとなり、気孔率は10体積%程度になっている。このままではインプラント材料としては使用できないため、気孔をゼロとする加工方法の適用、及び既存のチタン等の材料に匹敵する強度を付加する必要がある。このための加工法として、特許文献6に押出、型鍛造による方法が示されているが、生体内での強度評価は十分ではなく、適正な加工方法は未だ開発されていない。 As methods for achieving high purity of Mg, methods disclosed in Patent Documents 4 and 6 are disclosed. However, Mg that has been sublimated and condensed by vacuum distillation, for example, even if a cylindrical ingot is obtained, becomes a very porous ingot because of the condensation process, and the porosity is about 10% by volume. Since it cannot be used as an implant material as it is, it is necessary to apply a processing method for making pores zero and to add strength comparable to existing materials such as titanium. As a processing method for this purpose, Patent Document 6 discloses a method by extrusion and die forging, but strength evaluation in vivo is not sufficient, and an appropriate processing method has not yet been developed.

さらに、ボーンプレートとして使用する場合、骨接合時は強度を保持し、骨接合後は生体内で生分解により消滅してくれる生分解性を制御できる方法も見出されていない。さらに、使用する体内の部位によって、必要とされる生分解性、強度が異なっており、これら両方の性質を同時に制御できる方法も見出されていない。 Furthermore, when used as a bone plate, no method has been found that can control the biodegradability that maintains strength during osteosynthesis and disappears by biodegradation in vivo after osteosynthesis. Furthermore, the required biodegradability and strength differ depending on the site in the body to be used, and no method has been found that can control both of these properties simultaneously.

本発明は、Mg合金材料を使用して、ボーンプレートとして使用する場合、骨接合時は強度を保持し、骨接合後は生体内で消滅する生分解性を有し、すでに汎用となっているチタンやチタン合金製のインプラントと強度面で遜色のないインプラントを提供することを課題とする。そのために安定してMg合金材料を製造すること、さらにボーンプレート、ステント等のインプラントとして使用する場合にも十分に耐えられる強度、及び生分解性を備えたMg合金材料を製造することを課題とする。   The present invention, when used as a bone plate using an Mg alloy material, has a biodegradability that retains strength during osteosynthesis and disappears in vivo after osteosynthesis, and is already widely used. It is an object to provide an implant made of titanium or a titanium alloy and an implant that is inferior in strength. Therefore, it is an object to stably produce an Mg alloy material, and to produce an Mg alloy material having sufficient strength and biodegradability when used as an implant such as a bone plate and a stent. To do.

さらに、使用する体内の部位によって、必要とされる生分解性、強度を満足するように、これら両方の性質を同時に制御できる製造方法を見出すことも課題とする。 It is another object of the present invention to find a production method capable of simultaneously controlling both of these properties so as to satisfy the required biodegradability and strength depending on the site in the body to be used.

本発明は、医療用インプラントに使用するマグネシウム合金材料において、亜鉛を除くMgの濃度が99.99重量%以上であり、かつ亜鉛の濃度が0.003重量%以上〜1.0重量%未満であることを特徴とする。   In the magnesium alloy material used for the medical implant, the present invention has a Mg concentration excluding zinc of 99.99% by weight or more and a zinc concentration of 0.003% to less than 1.0% by weight. It is characterized by being.

インプラントとして使用するMg素材としては濃度99.99重量%を超える、すなわち4N以上の純度のMgであることが生分解性の点から望ましい。4N以上の高純度Mgが耐食性に優れていることはすでに知られている。骨折の治療、血管の拡張といった治療目的で生体内に留置した場合に、少なくとも6ヶ月は生体内で十分な強度を備えていることが必要とされる。3N程度の純度のMgは耐食性が低いことが指摘されており、体内での吸収が早いため6ヶ月後には十分な強度を保つことができない。したがって、4N以上の純度の耐食性に優れたMgであることがボーンプレート、ステント等のインプラントの素材として要求される。   It is desirable from the viewpoint of biodegradability that the Mg material used as the implant is a Mg having a concentration exceeding 99.99% by weight, that is, a purity of 4N or more. It is already known that high purity Mg of 4N or more is excellent in corrosion resistance. When placed in the living body for the purpose of treatment such as treatment of fractures and dilation of blood vessels, it is necessary to have sufficient strength in the living body for at least 6 months. It has been pointed out that Mg having a purity of about 3N has a low corrosion resistance, and it cannot absorb a sufficient strength after 6 months because of its rapid absorption in the body. Accordingly, Mg having a purity of 4N or more and excellent corrosion resistance is required as a material for implants such as bone plates and stents.

さらに、発明者が鋭意検討したところ、Mg濃度が99.99%を超える同じような純度のMgであっても、不純物の組成によって生体内での溶解性が違うことが明らかとなった。インプラントとして使用する場合には、体内で溶解し吸収されることが重要であるが、溶解速度が速いと骨を接合した箇所が十分な強度を得る前にインプラントが吸収されてしまう可能性がある。しかし、不純物として含まれるケイ素(Si)、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)が極めて低濃度であれば、骨接合後6ヶ月程度までインプラントとして溶解せずに体内に残留していることが明らかとなった。具体的には、Si、Al、Mn、Fe、Ni、Cuを足した濃度が、0.001重量%未満であれば、体内における吸収が比較的緩やかであり、生体内留置後6ヶ月でも断面積が元の断面積の80%以上を維持することができる。   Furthermore, as a result of intensive studies by the inventor, it has been clarified that the solubility in vivo differs depending on the composition of impurities even if the Mg concentration is the same purity exceeding 99.99%. When used as an implant, it is important that it is dissolved and absorbed in the body, but if the dissolution rate is fast, there is a possibility that the implant will be absorbed before the bone-joined site has sufficient strength . However, if silicon (Si), aluminum (Al), manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni), and copper (Cu) contained as impurities are extremely low in concentration, up to about 6 months after osteosynthesis It became clear that it remained in the body without dissolving as an implant. Specifically, when the concentration of Si, Al, Mn, Fe, Ni, and Cu is less than 0.001% by weight, the absorption in the body is relatively slow, and even 6 months after in-vivo infusion. The area can maintain 80% or more of the original cross-sectional area.

亜鉛を除くMgの濃度が99.99重量%以上であるMgに、亜鉛(Zn)が含まれていても、生体内における溶解性が大きく増加することはない。Znの濃度を数値限定した理由は、次に述べるとおりである。Zn濃度が0.003重量%未満であると、溶解性は変わらないが、強度向上が見られない。またZn濃度が1.0重量%以上となると、強度向上ははかれるが、溶解性が増加してしまう。 Even if zinc (Zn) is contained in Mg whose concentration of Mg excluding zinc is 99.99% by weight or more, the in vivo solubility does not increase greatly. The reason for numerically limiting the Zn concentration is as follows. When the Zn concentration is less than 0.003% by weight, the solubility is not changed, but the strength is not improved. Further, when the Zn concentration is 1.0% by weight or more, the strength is improved, but the solubility is increased.

前述した組成のMg合金材料を製造するためには、特許文献4、6、非特許文献2に示されている真空蒸留法を用いるが、出発原料を選択して一度で目標とするMg合金材料を製造するか、あるいはZnを除くMgの濃度が99.99重量%以上である材料を製造し、その後所定のZnを添加して再蒸留することもできる。   In order to manufacture the Mg alloy material having the composition described above, the vacuum distillation method shown in Patent Documents 4 and 6 and Non-Patent Document 2 is used. Alternatively, a material having a Mg concentration excluding Zn of 99.99% by weight or more can be manufactured, and then predetermined Zn can be added and redistilled.

本発明は、医療用インプラントに使用するマグネシウム合金材料において、Znを除くマグネシウムの濃度が99.99重量%以上であり、かつZnの濃度が0.003重量%以上〜1.0重量%未満である材料を、押出成形及び/又は型鍛造を行うことを特徴とする。   In the magnesium alloy material used for the medical implant, the present invention has a magnesium concentration excluding Zn of 99.99% by weight or more and a Zn concentration of 0.003% by weight to less than 1.0% by weight. A certain material is subjected to extrusion and / or die forging.

前述したように、Znを除くMgの濃度が99.99重量%以上であり、かつZnの濃度が0.003重量%以上〜1.0重量%未満である材料は、体内における生分解性は極めて良好であり、施術後6ヶ月程度までインプラントとして溶解せずに体内に残留している。この材料を押出成形することにより、加工硬化により強度向上がはかれるが、含有するZn濃度の増加そのものが強度向上にも寄与するため、押出成形により、さらに強度向上がはかれる。   As described above, a material whose Mg concentration excluding Zn is 99.99% by weight or more and whose Zn concentration is 0.003% by weight to less than 1.0% by weight has biodegradability in the body. It is very good and remains in the body without dissolving as an implant until about 6 months after the treatment. By extruding this material, the strength can be improved by work hardening. However, since the increase in the Zn concentration itself contributes to the strength improvement, the strength can be further improved by extrusion.

さらに強度向上をはかるためには、型鍛造を行う。押出成形では押出比(押出前のるつぼの断面積を押出ダイスの断面積で割った値)を変化させても強度向上は余り見られないが、鍛造における鍛造率を変化させることにより、強度向上代を調整できる。 In order to further improve the strength, die forging is performed. In extrusion molding, there is not much improvement in strength by changing the extrusion ratio (the value obtained by dividing the cross-sectional area of the crucible before extrusion by the cross-sectional area of the extrusion die), but the strength is improved by changing the forging rate in forging. You can adjust the bill.

インプラントとして使用する場合、使用する体内の部位によって、必要とされる生分解性、強度を満足するように、これら両方の性質を同時に制御できる製造方法は、下記のように発明された。 In the case of use as an implant, a manufacturing method capable of simultaneously controlling both of these properties so as to satisfy the required biodegradability and strength depending on the site in the body to be used was invented as follows.

生分解性の制御は次のように行う。即ち、Znを除くMgの濃度が99.99重量%以上であるMgに含まれるZnの濃度を、0.003重量%から1.0重量%までの範囲で制御する。Zn濃度の低い方が生分解性は小さくなる。 The biodegradability is controlled as follows. That is, the concentration of Zn contained in Mg having a Mg concentration excluding Zn of 99.99% by weight or more is controlled in a range from 0.003% to 1.0% by weight. The lower the Zn concentration, the lower the biodegradability.

強度の制御は次のように行う。即ち、強度はZn濃度が高い方が向上する。これに押出成形を行うことにより、さらなる強度向上がはかれる。さらに型鍛造を行うことにより、押出成形よりも強度向上がはかれる。押出成形時の押出比は強度制御のパラメーターにはならないが、鍛造の鍛造率(通常5%から15%の範囲で変化させる)は強度制御のパラメーターになる。 The intensity is controlled as follows. That is, the strength increases as the Zn concentration increases. By performing extrusion molding on this, the strength is further improved. Further, by performing die forging, the strength is improved as compared with extrusion molding. The extrusion ratio at the time of extrusion molding is not a parameter for strength control, but the forging rate of forging (usually changed in the range of 5% to 15%) is a parameter for strength control.

強度向上の制御項目として、Zn濃度、押出成形、型鍛造の3つの方法があるが、必要とされる強度によって、これら3つの方法を組み合わせて使用できる。なお、生分解性制御の方法はZn濃度だけであったが、押出成形、型鍛造により、材料組織の結晶粒の微細化、組織の方向性の解除、組織の緻密化がはかられ、これらが生分解性にも影響を与えるので、生分解性と強度を満足する方法をこれらの方策の中で選択できる。 There are three methods for controlling the strength improvement: Zn concentration, extrusion molding, and die forging. Depending on the required strength, these three methods can be used in combination. Although the biodegradability control method was only Zn concentration, extrusion molding and die forging can reduce the grain size of the material structure, release the direction of the structure, and make the structure dense. Affects the biodegradability, so a method satisfying the biodegradability and strength can be selected from these measures.

本発明のインプラントは、前記マグネシウム合金材料を使用することを特徴とする。また、前記インプラントが、ボーンプレート、ステント、又は止血クリップであることを特徴とする。   The implant of the present invention is characterized by using the magnesium alloy material. The implant may be a bone plate, a stent, or a hemostatic clip.

本発明のMg合金材料を使用して製造したインプラントは、強度が高く、また生分解性も良く、生体内の吸収分解におけるZn以外の金属が極めて少ないことから、ヒトでの臨床使用において安全性が高い。したがって、ボーンプレート、ステント、止血クリップとして用いた場合でも必要な強度を備えている。また、生体に吸収されることから、再手術によって取り除く必要がなく、患者の負担が少ない。   The implant manufactured using the Mg alloy material of the present invention has high strength, good biodegradability, and extremely little metal other than Zn in in vivo absorption decomposition, so it is safe for clinical use in humans. Is expensive. Therefore, it has the required strength even when used as a bone plate, stent, or hemostatic clip. Further, since it is absorbed by the living body, it is not necessary to remove it by re-operation, and the burden on the patient is small.

本発明のMg合金材料を用いて製造したインプラントは、生体内で吸収されることから、抜去するために再手術の必要がない。また、生体内で吸収されるもののその吸収速度が比較的遅いことから、骨折の治療に使用した場合でも、長期間荷重を支えるだけの十分な強度を得ることができる。   Since the implant manufactured using the Mg alloy material of the present invention is absorbed in vivo, there is no need for re-operation for removal. Moreover, although it is absorbed in the living body, its absorption speed is relatively slow, so that it is possible to obtain sufficient strength to support a load for a long period of time even when used for the treatment of fractures.

本発明による、真空蒸留で製造したMg合金(Mg−0.005Zn、Mg−0.5Zn)の押出成形後、及び原料となる市販のMg合金(AM60,AZ91)の浸蝕速度を示す図。The figure which shows the erosion rate of the commercially available Mg alloy (AM60, AZ91) after the extrusion molding of Mg alloy (Mg-0.005Zn, Mg-0.5Zn) manufactured by vacuum distillation by this invention, and a raw material. 本発明による、真空蒸留で製造したMg合金(Mg−0.005Zn、Mg−0.5Zn)の押出成形後の引張強度(UTS)を示す図。The figure which shows the tensile strength (UTS) after the extrusion molding of Mg alloy (Mg-0.005Zn, Mg-0.5Zn) manufactured by vacuum distillation by this invention. 本発明による、真空蒸留で製造したMg合金(Mg−0.005Zn、Mg−0.5Zn)の押出成形後の伸びを示す図。The figure which shows the elongation after the extrusion molding of Mg alloy (Mg-0.005Zn, Mg-0.5Zn) manufactured by vacuum distillation by this invention. 本発明による、真空蒸留で製造したMg合金(Mg−0.005Zn、Mg−0.5Zn)の押出成形後のビッカース硬度(HV)を示す図。The figure which shows the Vickers hardness (HV) after the extrusion molding of Mg alloy (Mg-0.005Zn, Mg-0.5Zn) manufactured by vacuum distillation by this invention. 本発明による、真空蒸留で製造したMg合金(Mg−0.005Zn、Mg−0.5Zn)の押出成形後、及び更に鍛造を行った後の曲げ強度を示す図。The figure which shows the bending strength after extrusion molding of Mg alloy (Mg-0.005Zn, Mg-0.5Zn) manufactured by vacuum distillation by this invention, and after performing forging further.

発明者は、真空蒸留法によってMgを製造する際に、Znを除くMgの濃度が99.99重量%以上であり、Znの濃度を、0.003重量%から1.0重量%までの範囲で制御する方法を見出した。   The inventor, when producing Mg by a vacuum distillation method, the concentration of Mg excluding Zn is 99.99% by weight or more, and the concentration of Zn is in the range from 0.003% to 1.0% by weight. I found a way to control.

具体的には、表1に示すように、市販のMg合金(AM60)を出発原料として、Znを除くMgの濃度が99.99重量%以上であり、かつZnの濃度が0.0051重量%であるMg合金(以下Mg−0.005Znと称する)、及び、市販のMg合金(AZ91)を出発原料として、Znを除くMgの濃度が99.99重量%以上であり、かつZnの濃度が0.49重量%であるMg合金(以下Mg−0.5Znと称する)を製造した。 Specifically, as shown in Table 1, using a commercially available Mg alloy (AM60) as a starting material, the concentration of Mg excluding Zn is 99.99% by weight or more, and the concentration of Zn is 0.0051% by weight. Mg alloy (hereinafter referred to as Mg-0.005Zn) and a commercially available Mg alloy (AZ91) are used as starting materials, the Mg concentration excluding Zn is 99.99 wt% or more, and the Zn concentration is A 0.49 wt% Mg alloy (hereinafter referred to as Mg-0.5Zn) was produced.

Figure 2019166014
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真空蒸留装置は一般的に用いられている真空蒸留装置を用いればよい。ここでは、非特許文献2に記載の自製の装置と基本的に同形の装置を用いて真空蒸留を行った。具体的には、出発原料となるMg合金を坩堝に収納し、10Pa以下の減圧下、600℃程度に加熱することにより昇華させる。   What is necessary is just to use the vacuum distillation apparatus generally used for the vacuum distillation apparatus. Here, vacuum distillation was performed using a device basically the same as the self-made device described in Non-Patent Document 2. Specifically, Mg alloy as a starting material is stored in a crucible and sublimated by heating to about 600 ° C. under a reduced pressure of 10 Pa or less.

次に、昇華させたMg蒸気を坩堝の上方に配設された凝縮器(350℃程度に冷却)に凝縮させる。前記のように10Pa以下の減圧下、600℃程度に加熱する状態を12時間程度保持することにより、Znを除く4N以上のMgを得ることができる。   Next, the sublimated Mg vapor is condensed in a condenser (cooled to about 350 ° C.) disposed above the crucible. By maintaining the state of heating at about 600 ° C. for about 12 hours under a reduced pressure of 10 Pa or less as described above, 4N or more of Mg excluding Zn can be obtained.

出発原料となるMg材料としては、前述した市販のMg合金(AM60、AZ91)の他にも、市販のMg地金(Mg濃度は3N級)等を使用することができる。Mg濃度が3N級の材料には、不純物として、Si、Al、Mn、Fe、Ni、Cu等が含まれる。   As the Mg material to be a starting material, in addition to the above-mentioned commercially available Mg alloys (AM60, AZ91), commercially available Mg metal (Mg concentration is 3N grade) can be used. The material having an Mg concentration of 3N class includes Si, Al, Mn, Fe, Ni, Cu and the like as impurities.

濃度が4N以上のMgは生分解性の点で優れていると言われている。発明者も濃度が3N級の純度の低いMgを疑似体液に浸漬させ、生体内での吸収を模した試験を行ったところ溶解が早く、数時間で元の形状を留めなくなった。従来は、インプラント材料として使用するMgの純度が重要であると言われていたが、発明者の研究により、Mg純度と共に不純物の組成も体内での吸収に深くかかわることが明らかとなった。Mg純度だけではなく、どのような不純物が含まれているかが生分解性や強度の点で重要である。Fe、Ni、及びCuは、Mgの生体内での安定性に関与すると言われており、含有量が少ない方が安定となる。本発明のMg素材にはこれらの元素はほとんど含まれておらず、生体内で安定性の高いインプラントの製造が可能である。   Mg having a concentration of 4N or more is said to be excellent in terms of biodegradability. The inventor also immersed 3M grade low-purity Mg in a simulated body fluid and conducted a test simulating absorption in a living body. As a result, dissolution was fast and the original shape could not be retained in a few hours. Conventionally, it was said that the purity of Mg used as an implant material was important, but the inventors' research has revealed that the composition of impurities as well as the purity of Mg is deeply involved in absorption in the body. In addition to Mg purity, what impurities are contained is important in terms of biodegradability and strength. Fe, Ni, and Cu are said to be involved in the in vivo stability of Mg, and the smaller the content, the more stable. The Mg material of the present invention contains almost no of these elements, and it is possible to produce an implant that is highly stable in vivo.

発明者は、前記表1に示す市販のMg合金(AM60、AZ91)、及び真空蒸留法によって製造したMg−0.005Zn、Mg−0.5Znの浸蝕速度を測定した。浸蝕液としてJIS H 0541に準拠し、5重量%の塩化ナトリウム(NaCl)溶液を用いて、浸蝕速度をmm/年に換算した。図1に示すように、市販のMg合金(AM60、AZ91)に比較して、真空蒸留法によって製造したMg−0.005Zn、Mg−0.5Znは圧倒的に速度が低く、体内における浸蝕が遅いことが分かる。また、Mg−0.5ZnはMg−0.005Znに比べて、Zn濃度が高い分浸蝕速度は高いが、市販のMg合金(AM60、AZ91)よりも圧倒的に低いことが分かる。   The inventor measured the erosion rate of commercially available Mg alloys (AM60, AZ91) shown in Table 1 and Mg-0.005Zn and Mg-0.5Zn produced by the vacuum distillation method. The erosion rate was converted to mm / year using a 5 wt% sodium chloride (NaCl) solution in accordance with JIS H 0541 as the erosion liquid. As shown in FIG. 1, compared with commercially available Mg alloys (AM60, AZ91), Mg-0.005Zn and Mg-0.5Zn produced by the vacuum distillation method are overwhelmingly low in speed, and erosion in the body is reduced. I understand that it is slow. Further, it can be seen that Mg-0.5Zn has an erosion rate higher than that of Mg-0.005Zn, but is much lower than the commercially available Mg alloy (AM60, AZ91).

次に、発明者は、真空蒸留されたMg合金のインゴットの加工方法を見出した。Mg合金のインゴットは、真空蒸留により昇華、凝縮する方法を採用しているため、10体積%程度の気孔を内蔵するブロックである。このままではインプラントを製造する材料とはならないため、緻密化する必要がある。また、緻密化して気孔を完全に除去しても、インゴットは昇華、凝縮方向に組織が揃っており、このままインプラントを製造すると、その方向性が強度を低下させる一因となる。 Next, the inventor has found a method for processing an ingot of Mg alloy vacuum-distilled. Since the Mg alloy ingot adopts a method of sublimation and condensation by vacuum distillation, it is a block containing about 10% by volume of pores. As it is, it does not become a material for manufacturing an implant, so it needs to be densified. Further, even if the pores are completely removed by densification, the ingots are aligned in the direction of sublimation and condensation. If an implant is produced as it is, the directionality will be a cause of lowering the strength.

発明者は、真空蒸留されたMg合金のインゴットの押出成形を行った。押出成形には、一般的に用いられている押出装置を用いればよい。ここでは、非特許文献2に記載の自製の装置と基本的に同形の装置を用いて押出成形を行った。図2の横軸に押出比を示すが、押出比とは、押出前のるつぼの断面積を押出ダイスの断面積で割った値であり、この値が高いほど、材料の緻密化がはかられていることになる。図2に示すように、Mg−0.005Znは押出比を変化させても引張強度(UTS)に与える影響は確認できず、120〜160MPa程度である。現在使用されているチタン合金のUTSは1000MPa程度と極めて高いが、樹脂(ポリ乳酸)のUTSである60MPa程度よりも高いので、インプラント材料としての使用に問題はない。 The inventor performed extrusion molding of an ingot of Mg alloy that was vacuum distilled. For extrusion molding, a generally used extrusion apparatus may be used. Here, extrusion was performed using a device basically the same as the self-made device described in Non-Patent Document 2. The horizontal axis in FIG. 2 shows the extrusion ratio. The extrusion ratio is a value obtained by dividing the cross-sectional area of the crucible before extrusion by the cross-sectional area of the extrusion die. The higher this value, the more the material is densified. Will be. As shown in FIG. 2, Mg-0.005Zn cannot confirm the influence on tensile strength (UTS) even if the extrusion ratio is changed, and is about 120 to 160 MPa. Although the UTS of the titanium alloy currently used is as high as about 1000 MPa, it is higher than about 60 MPa, which is the UTS of resin (polylactic acid), so there is no problem in use as an implant material.

図3に示すように、Mg−0.005Znは押出比にかかわらず、伸びが7%確保されており、押出成形を行うことにより加工可能な性状を得ることができる。ただし、強度を押出比で制御することは難しく、別の強度向上策を考える必要がある。 As shown in FIG. 3, Mg-0.005Zn has an elongation of 7% regardless of the extrusion ratio, and can be processed by extrusion. However, it is difficult to control the strength by the extrusion ratio, and it is necessary to consider another measure for improving the strength.

なお、真空蒸留されたMg合金のインゴットの昇華、凝縮方向における性状変化のために、組織の方向ごとに強度が変化する現象は、押出成形を行うことにより殆ど解消できることも見出した。 It has also been found that the phenomenon in which the strength changes in each direction of the structure due to the sublimation of the ingot of the Mg alloy vacuum-distilled and the change in the direction of condensation can be almost eliminated by performing extrusion molding.

図2に示すように、押出成形後の材料を用いたMg−0.5ZnのUTSは、Mg−0.005ZnのUTSに比べて1.5倍以上に向上しており、Znの濃度そのものが強度向上に及ぼす影響が分かる。この際、図3に示すように伸びは7%が確保されており、加工性に問題はない。 As shown in FIG. 2, the UTS of Mg-0.5Zn using the material after extrusion is improved by 1.5 times or more compared to the UTS of Mg-0.005Zn, and the Zn concentration itself is You can see the effect on strength improvement. At this time, as shown in FIG. 3, 7% of elongation is secured, and there is no problem in workability.

さらに図4に示すように、押出成形後の材料を用いたJIS Z 2244に準拠した ビッカース硬さ試験によると、Mg−0.005Znに比べて、Mg−0.5Znの方が硬度は高く、Znの濃度そのものが硬さの増加に寄与することが分かる。 Furthermore, as shown in FIG. 4, according to the Vickers hardness test based on JIS Z 2244 using the material after extrusion molding, the hardness of Mg-0.5Zn is higher than that of Mg-0.005Zn. It can be seen that the Zn concentration itself contributes to the increase in hardness.

次に、発明者は、押出成形を行ったインゴットを、さらに強度向上をはかるために、型鍛造を行う方法を見出した。型鍛造には、一般的に用いられている鍛造装置を用いればよい。押出成形後の材料を、鍛造により緻密化をはかる。その鍛造後の材料、及び押出成形後で鍛造前の材料から、ボーンプレートと同じ程度の大きさ(4mm×13mm×厚さ1.6mm)の薄板を作製して、JIS T 0311に準拠した3点曲げ試験を実施した。Mg−0.005Znに鍛造率5%、及び15%の鍛造を行った場合、3倍以上に強度が向上した。図5にそれを示す。   Next, the inventor has found a method for die forging in order to further improve the strength of the extruded ingot. For die forging, a generally used forging device may be used. The material after extrusion is densified by forging. A thin plate having the same size as the bone plate (4 mm × 13 mm × thickness 1.6 mm) was prepared from the material after forging and the material before forging after extrusion, and 3 in accordance with JIS T 0311 A point bending test was performed. When forging at a forging rate of 5% and 15% was performed on Mg-0.005Zn, the strength was improved three times or more. This is shown in FIG.

鍛造率を変化させると、押出成形した材料の緻密化の度合いが異なってくるので、強度向上に及ぼす影響は比例関係が期待されたが、必ずしも比例関係を示さず、最適な鍛造率が存在する。   When the forging rate is changed, the degree of densification of the extruded material will be different, so the effect on strength improvement was expected to be proportional, but not necessarily proportional, and there is an optimal forging rate .

本発明のマグネシウム合金材料をインプラントとして使用する場合、使用する体内の部位によって、必要とされる生分解性、強度を満足するように、これら両方の性質を同時に制御できる製造方法は、下記のようになる。 When the magnesium alloy material of the present invention is used as an implant, a production method capable of simultaneously controlling both properties so as to satisfy the required biodegradability and strength depending on the site in the body to be used is as follows. become.

生分解性の制御は次のように行う。即ち、Znを除くMgの濃度が99.99重量%以上であるMgに含まれるZnの濃度を、0.003重量%から1.0重量%までの範囲で制御する。Zn濃度の低い方が生分解性は小さくなる。 The biodegradability is controlled as follows. That is, the concentration of Zn contained in Mg having a Mg concentration excluding Zn of 99.99% by weight or more is controlled in a range from 0.003% to 1.0% by weight. The lower the Zn concentration, the lower the biodegradability.

強度向上の制御項目として、Zn濃度、押出成形、型鍛造の3つの方法があるが、必要とされる強度によって、これら3つの方法を組み合わせて使用する。通常は、Zn濃度制御と押出成形、あるいは、Zn濃度制御と型鍛造、さらには、Zn濃度制御と押出成形と型鍛造の組合せとなる。 There are three control methods for strength improvement: Zn concentration, extrusion molding, and die forging. These three methods are used in combination depending on the required strength. Usually, Zn concentration control and extrusion molding, or Zn concentration control and die forging, and further Zn concentration control, extrusion molding and die forging are combined.

本発明の製造方法によれば、ボーンプレート、ステントとしても十分な強度を備え、また、臨床使用において生体内での吸収速度も適切なインプラントを得ることができる。   According to the production method of the present invention, it is possible to obtain an implant having sufficient strength as a bone plate and a stent and having an appropriate absorption rate in vivo in clinical use.

以下、本発明の産業上の利用可能性について説明する。 Hereinafter, the industrial applicability of the present invention will be described.

本発明にて提案する強度、生分解性を併せ持ち、生体に悪影響を及ぼさない医療用インプラント材料が提供され、かつその材料を用いた医療用インプラント製品として、ボーンプレート、ステント、又は止血クリップが提供されれば、骨の損傷部分又は骨折部分等の接合術又は再建術による治療において、患者にとって画期的な低侵襲性の治療方法が実現する。
Provided is a medical implant material that has the strength and biodegradability proposed in the present invention and does not adversely affect the living body, and a bone plate, a stent, or a hemostatic clip is provided as a medical implant product using the material. In this case, an epoch-making treatment method that is epoch-making for the patient is realized in the treatment by the joint operation or the reconstruction operation for the damaged portion or the fracture portion of the bone.

Claims (4)

医療用インプラントに使用するマグネシウム合金材料において、亜鉛を除くマグネシウムの濃度が99.99重量%以上であり、かつ亜鉛の濃度が0.003重量%以上〜1.0重量%未満であることを特徴とするマグネシウム合金材料。 In the magnesium alloy material used for medical implants, the magnesium concentration excluding zinc is 99.99% by weight or more, and the zinc concentration is 0.003% by weight to less than 1.0% by weight. Magnesium alloy material. 請求項1に記載するマグネシウム合金材料を、押出成形及び/又は型鍛造を行うことを特徴とするマグネシウム合金材料の製造方法。 A method for producing a magnesium alloy material, comprising performing extrusion molding and / or die forging of the magnesium alloy material according to claim 1. 請求項1及び請求項2に記載のマグネシウム合金材料を使用することを特徴とする医療用インプラント。 A medical implant using the magnesium alloy material according to claim 1. ボーンプレート、ステント、又は止血クリップであることを特徴とする請求項3に記載の医療用インプラント。
4. The medical implant according to claim 3, wherein the medical implant is a bone plate, a stent, or a hemostatic clip.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2024053005A1 (en) * 2022-09-07 2024-03-14 フジオーゼックス株式会社 Production method for internal fastening splint

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