【文献分享】多孔钽在骨科和口腔医学领域应用的研究进展

来源：市场资讯

（来源：春立正达）

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植入物多孔钽及其制备方法

钽是由瑞典的科学家和矿物学家 Anders Gustav Ekebereg于1802 年在分析铌钽矿时发现的一种新元素，命名为 tantulas。钽（Tantalum）是一种金属元素，元素符号为Ta，原子序数为73，密度为16.68 g/cm³，熔点为2980 ℃，是仅次于钨、铼的第三个最难熔的金属，因此钽的化学性质极其稳定，不止具有显著的耐腐蚀性和耐磨性，还具有最佳的机械性能。与目前使用较多的金属植入材料钛相比，钽展示出更强的促细胞黏附、增殖能力，可更快形成细胞外基质，成为骨和牙齿组织工程应用的理想候选材料，见表1。近年来，金属多孔钽植入材料在医学领域的重要性与日俱增，因此如何完善以及优化多孔钽的性能将成为未来的研究热点。

表1 多孔钽与金属材料钛相比的优势

实验研究/临床应用

钽与钛基金属相比的优势

抛光钽板

抛光钛板

细胞实验

钽显著促进骨髓间充质干细胞黏附和增殖，更有利于新骨生长

钽涂层多孔钛

多孔钛

细胞及动物实验

钽涂层支架比纯钛支架更有利于血管的新生与新骨形成

多孔钽髋臼杯

多孔钛髋臼杯

髋关节置换术及翻修术

多孔钽髋臼杯更有利于机体完成骨整合，翻修术后假体的存活率更高，机械故障的发生率更低

多孔钽牙种植体

钛牙种植体

口腔牙槽种植牙

种植术后感染率更低，显著促进骨再生，种植体周围骨丢失较少

最早的多孔钽金属由大约99%的钽和 1% 的玻璃碳（重量比）组成，该产品是通过化学气相渗透工艺制造，纯钽金属沉淀到网状玻璃质碳骨架上，从而将网状玻璃质碳骨架包裹在钽中。此材料具有75%~85% 的空隙（孔隙体积），又称多孔钽小梁金属，具有与松质骨相似的结构，孔径在 300~600 μm，孔隙率为 75%~85%，其弹性模量（1.3~10 GPa）也与天然皮质骨（12~18 GPa）相似。它利于骨生长，并促进成骨，建立骨结合和骨整合，从而显著提高植入物的初始稳定性和骨再生策略的适用性。现今医用多孔钽的制备工艺日新月异，不止通过化学气相渗透工艺制备，还能通过真空等离子喷涂、选区激光熔融打印加工等技术制备。

图1 临床中多孔钽植入物应用

（a）钽金属骨小梁股骨柄；（b）钽金属骨小梁金属外杯；（c）钽金属填充块；

（d）钽金属椎间融合器；（e）股骨头重建棒

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多孔钽的生物相容性

植入体的稳定性是实现和维持骨整合的前提条件，所以使用的植入材料必须具有良好的生物相容性。多孔钽具有可快速形成的表面氧化层，此表层可诱导材料在体内形成骨状磷灰石涂层，并为骨纤维提供优异的生长条件，允许骨组织和软组织快速附着。多孔钽植入人体后，可吸引骨组织和血管组织向多孔钽孔隙内生长。

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多孔钽的抗菌性

理想的植入材料不仅需要良好的生物相容性，还需要良好的抗菌性，开发具有抑菌潜力的新型植入材料非常必要。但是目前多孔钽的抗菌机制还未得到明确，本身是否具有抗菌性目前仍然存在较大的争议，抗菌性能的发挥多得益于其经过表面改性和修饰。有研究运用微弧氧化技术和直流磁控溅射技术相结合，使多孔钽表面具有抗菌活性，从而形成模拟骨形态和具有化学成分的多孔结构表面，并沉积锌纳米颗粒，进一步诱导其成骨性能并赋予其抗菌性能。结果表明与其他材料相比，多孔钽黏附细菌的数量明显减少。

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多孔钽的耐腐蚀性

钽在体内是相对惰性的，具有良好的耐腐蚀性，与钛和不锈钢植入物相比，钽在高度酸性环境中表现出优异的耐腐蚀性能，重量或粗糙度均没有明显变化，因为金属钽表面钝化且可形成氧化膜，该氧化膜可阻碍金属离子从基体中释放，从而防止其对组织细胞的不良反应。金属钽可形成两种形式的氧化物：五氧化二钽和二氧化钽，五氧化二钽最为稳定，可使钽金属植入人体后不发生其他的化学反应，因此病人手术后无须行再行二次手术取出植入物，可有效地减小手术创伤，利于病人康复。

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多孔钽在治疗股骨头坏死方面的应用

早在20世纪90年代初，多孔钽小梁金属就首次被引入骨科领域。玻璃碳的多孔支架被涂覆了钽，使材料的抗压强度和弹性模量接近天然周围骨的抗压强度和弹性模量，同时允许血管新生和骨生长。多孔钽小梁金属的硬度与骨骼相似，在骨科中应用时，可以防止周围骨骼中的应力遮挡。多孔钽在骨科中的应用取得了惊人的成就，有学者通过研究60例非创伤性股骨头缺血性坏死的病人，发现髓核减压术联合多孔钽棒的植入能治疗非创伤性股骨头缺血性坏死，促进坏死区的血运重建，并能防止关节软骨逐渐塌陷，且效果比髓芯减压植骨更好。

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多孔钽在修复骨与关节缺损方面的应用

Panda等通过回顾性研究评估了79例全膝关节置换术病人应用多孔钽小梁金属锥体修复骨缺损的效果，术后膝关节活动度和膝关节协会评分均有明显改善，初次全膝关节置换组效果较好；所有病例均观察到完整的骨性融合，研究表明，多孔钽小梁金属锥体是治疗全髋关节置换术中严重骨缺损的有效选择，具有可预测的骨整合和良好的长期临床结果。多孔钽还可应用于颈椎前路手术和腰椎融合术，用于治疗退变颈椎间盘和腰椎间盘。

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多孔钽在治疗骨肿瘤方面的应用

多孔钽假体可应用于治疗髋臼周围转移瘤，Houdek等通过研究比较 Harrington 技术和钽髋臼假体重建术治疗髋臼周围转移瘤的疗效，发现接受全髋关节置换术的髋臼周围转移疾病病人中，与骨水泥 Harrington式技术相比，利用高孔隙率的钽髋臼假体和假体成功地为病人提供了更耐用的结构和更少的并发症。多孔钽作为一种新型的骨替代材料具有很高的骨科临床应用潜力。

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在口腔医学的应用

口腔疾病在世界各地广泛流行，部分口腔疾病可能导致牙齿脱落，牙科植入物现在能够恢复无牙病人的部分功能。在牙科植入物选择中，多孔钽因其优良的生物相容性、机械和防腐性能入选牙科植入物。多孔钽比钛更能增强成骨活性，细胞毒性更小。这些特性促进了骨的快速生长，形成了一种独特的骨-种植体界面模式“骨结合”，这将增强牙种植体在骨组织中的功能和稳定性，多孔钽在改善牙种植体的临床性能方面具有广阔的应用前景。

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未来发展前景

多孔钽作为植入材料在现阶段的关注度已经越来越高，因其优越的生物相容性将会广泛用于临床，与传统的植入物钛相比之下，多孔钽稳定性更好。然而良好的植入物整合并不能解决感染和相关的发病率问题，因此如何更好地提高多孔钽的生物相容性以及表面修饰技术并且获得更高的抗菌性能将会是未来研究的大方向，更好地实现临床应用的功能化。多孔钽植入材料现还处于迅速发展的阶段，目前的研究多局限于中短期的疗效，对于长期疗效还需进一步研究，需要长期的实验和临床评估来认证。虽然多孔钽在修复骨缺损方面优势独特，但是造价非常昂贵，仍然需要进一步突破材料制备工艺，开发性能优异以及成本低的医用多孔钽材料。随着医学和材料科学理论的进步和科技的创新，制造工艺的发展日趋成熟，多孔钽的应用必定会更加广泛，造福更多的病人。

参考文献

李粤源，郭小玲，李思雨，等. 多孔钽在骨科和口腔医学领域应用的研究进展[J]. 安徽医药，2023，27(3)：438-442.

彭琳晶，干耀恺，姚怡飞. 多孔钽植入物在骨缺损中的应用进展[J]. 材料工程，2022，50 (11)：1-13.

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