钽金属医学运用研发

导语：钽金属医学运用研发一文来源于网友上传，不代表本站观点，若需要原创文章可咨询客服老师，欢迎参考。

金属材料具有优异的综合力学性能和抗疲劳特性，特别适用于人体承力部位的骨替代植入。因此，不锈钢、钛合金和钴基合金等多种金属材料作为生物医用材料已经广泛应用于临床，并且取得了较好的治疗效果。但是，复杂的人体内环境会引起材料腐蚀而导致有毒元素的释放[1]，从而导致金属材料的生物相容性降低。此外，金属材料的弹性模量与人体骨组织相差过大，易产生应力遮挡效应，不利于新骨的生长和重塑，甚至导致二次骨折口]。以上这些不足对于金属材料作为生物医用材料的临床应用产生了一定负面影响。目前，钽金属以其特有的优势吸引医学工作者和材料科研人员的关注。与现有医用金属材料相比，钽主要具有两方面的明显优势：(1)钽具有更为优异的耐蚀性能，常温下，钽与盐酸、浓硝酸甚至“王水”都不发生化学反应，一般的无机盐对钽均没有腐蚀作用；(2)钽的生物相容性更佳，植入一段时间后，生物组织易在钽表面上生长，所以钽又有“亲生物金属”之称_4]。金属钽的诸多优势为其在医疗领域的应用提供了广阔的发展空间。钽是一种略带兰色的浅灰色金属，质地坚硬，密度为16．5g／cm。，熔点为3014℃，弹性模量为186～191GPa，冷加工后钽的抗拉强度为200300MPa，延伸率为10～25，具有良好的延展性和韧性。2O世纪5O年代后，由于钽在化工、电子、机械加工、电气和航天等工业中的应用不断扩大，促进了钽提取工艺研究和生产的发展。我国于2O世纪6O年代初期建立了钽的冶金工业，为钽在工业领域中的广泛应用建立了必要的原料基础。随着人们对钽研究的不断深入以及医务人员对其临床应用的肯定，钽金属已成为生物医用材料领域中一个很有前景的发展方向。

1钽应用的生物学基础

不溶性的钽盐经过口腔或局部注射均不被人体吸收，胃肠道对可溶性钽盐的吸收量也极小。钽一旦进入人体后，负责清除钽的主要载体是吞噬细胞，体内吞噬细胞在接触钽尘1h后均可存活且无细胞变性，仅伴有葡萄糖氧化的明显增加。而在相同条件下，矽尘则可使吞噬细胞出现严重胞浆变性和死亡，这说明钽是无细胞毒性的[5]。1940年，纯钽首次被应用于骨科医疗[6]，多数报道显示钽金属作为人体植入物未发现任何不良反应。

2钽的医学应用

2．1钽丝

钽的延展性好，可制成与头发丝相当甚至更细的细丝。钽丝作为手术缝合线具备灭菌简易、刺激较小、抗张力大等优点，但同时也存在不易打结的缺点。钽丝可用于缝合骨、肌腱、筋膜，以及减张缝合或口腔内牙齿固定，还可用作内脏手术使用的缝合线，或嵌人人造眼球中。钽丝甚至可以替代肌腱和神经纤维。徐皓等[7报道了33例采用钽丝环扎内固定治疗各种类型髌骨骨折病例，术后随访5个月至l6年中，除2例出现轻度创伤性关节炎外，其余31例均取得良好疗效，无并发症。、

2．2钽片

钽金属可以制作成各种形状和尺寸的钽片，根据人体各部位的需要进行植入，如修补、封闭人体破碎头盖骨和四肢骨折的裂缝及缺损。而用钽片制成人造耳固定在头部之后，再从腿上移植皮肤，经过一段时间后，新移植的皮肤生长得很好，几乎看不出是人造钽耳朵。

2．3钽支架

利用钽丝可编织成网状球囊扩张支架，钽支架在X光下清晰可视，非常便于监测和随访。其长期滞留体内无断裂及腐蚀。钽的柔韧性良好，因此钽丝支架可以较好地适应动脉的正常搏动，能够快速、准确地释放。侯东明等[8将钽丝支架植入小型猪的冠状动脉内，并观察了植入后6个月的结果。结果表明，植入支架后冠状血管未见局部组织排异反应，新生内膜的增殖呈时相性过程；在3个月时，新生内膜的增殖达到峰值，其成分主要是大量增殖的平滑肌细胞和细胞外基质。临床实验结果显示，即使在病人患有缺血性综合症的情况下，钽丝支架介入治疗也是安全有效的，急性和亚稳性血栓也稳定在允许的范围内，血管的再生结果令人满意[9]。该疗法可以应对复杂的伤害，手术操作性良好，6个月后的亚急性血栓和血管再狭窄率下降L1。

2．4多孔钽棒

多孑L钽棒是一种具有人体松质骨结构特点的蜂窝状立体棒状结构，平均孔隙为430~m，孔隙率为75～8O。多孑L钽棒的弹性模量约为3GPa，介于松质骨(约为1GPa)与皮质骨(约为15GPa)之间，远低于常用的钛合金植人材料(约为11OGPa)，从而可避免应力遮挡效应『1]。多孔钽棒由Zimmer公司制备，图1为多孔钽棒以及植入后的X光片。图1多孔钽棒及植入后的X光片Fig．1Poroustantrumrodsandradiographforinterventionimplant多孔钽棒植入主要用于早中期股骨头缺血性坏死的治疗~13,14]。股骨头坏死是因股骨头血运破坏所导致的一种影响功能的疾病，任何年龄均可患该病，但多发于年轻人。对于早期股骨头坏死的治疗，主要有降低股骨头内压力、增加股骨头血供、防止或减慢股骨头变形等方法。多孔钽棒对股骨头坏死区域有很好的支撑作用，避免股骨头塌陷，并有对股骨头缺血坏死区域再血管化的潜能[1。多孔钽可以促进细胞增殖，提高成骨细胞的造骨能力1．】。临床实验表明，钽金属植入物治疗早期股骨头坏死的早期临床效果令人满意rl，术后成功率明显高于腓骨植骨术。多孔钽棒植入与传统手术相比，具有手术操作简单、手术时间短(平均手术时间为36min)、出血量少(平均出血为70mL)、创伤小、术后恢复快、住院时间短(平均为lOd)等优点l_】。因此，钽棒植人为临床治疗早期股骨头坏死提供了一种新的选择。

2．5多孔钽人工关节

多孔钽作为人工关节材料也具有明显优势。多孔钽有一定的弹性，当与弹性模量相对较大的皮质骨发生相互作用时，在一定范围内会产生轻微形变而不发生碎裂。这一特性使多孔钽髋臼盖与骨性髋臼能更好地相配，提高植入物的初期稳定性，减少发生髋臼骨折的可能。另外，多孔钽的摩擦系数比其它多孔材料高，如相对松质骨和皮质骨，多孔钽的摩擦系数分别是0．88和0．74，比用其它方式进行表面处理后的材料的摩擦系数高4O～8O，这也有利于植入后的初期稳定性口。人们将超高分子量、高密度聚乙烯直接压制在完全由多孔钽组成的基材上，制备出多孔钽髋臼盖。这种一体化的设计比实心金属髋臼盖更加富有弹性，更符合人体生理结构，并且能将载荷均匀地传递给周围的骨骼[2]。聚乙烯和多孔钽的整体性避免了多孔钽底部的磨损以及体液和残屑从螺丝孔流出[2,23]，相关的临床试验结果证实没有错位和无菌性松动现象发生【2。参考多孔钽髋臼盖的设计理念，多孔钽一聚乙烯一体化的胫骨连结平台已设计成功[25](见图2)。图2多孔钽胫骨关节及植入后的x光片Fig．2Poroustantalumtibia]jointandradiographforinterventionimplant这种设计比传统材料具有更低的弹性模量，从而将对周围胫骨的应力遮挡效应降低到更小的程度。针对髌骨缺失设计的髌骨假体，将多孔钽穹型结构连结肌腱并缝合在相应位置上，最终可促进组织的生长。此外，股骨锥以及胫骨和髌骨的组合关节的植入效果也很好，没有并发症的发生~2627]。多孔钽用于全膝关节置换的临床实验结果表明l[2]，多孔钽结构提供了足够的支撑，病人骨愈合良好，没有无菌性松动现象发生，病人满意度良好。另外，使用多孔钽全膝关节置换的患者术后骨矿盐密度的降低小于使用钴铬合金的患者，但是长期临床效果还有待进一步研究[3。由于钽本身的惰性，以及多孔钽与人体相适宜的力学性能和良好的生物相容性，多孔钽将在人工关节领域中发挥更大的作用。

2．6多孔钽填充材料

多孔钽也可作为人体各个部位的填充材料[3，如肿瘤切除后的组织再造、颈部和腰椎溶解填补、椎弓置换等。由于多孔钽在力学性能、组织生长、加工性能等方面近乎完美的融合，为多孔钽的成型提供了广阔的设计空间。

2．7钽涂层

人们利用钽金属优异的耐腐蚀性，将其涂覆在某些医用金属材料表面，以阻止有毒元素的释放，提高金属材料的生物相容性，同时钽涂层也提高了材料在人体中的可视性。Cai等[3z]利用多弧离子镀法在Ni-Ti形状记忆合金表面沉积了钽涂层。与未涂层的Ni-Ti合金相比，沉积钽后材料的体外凝血时间延长，无明显血小板堆积，仅观察到少量伪足的出现，这说明沉积钽涂层后Ni-Ti合金的生物相容性提高。美国Isoflux生物材料公司利用磁控溅射技术将钽沉积在Ni-Ti血管支架表面，对猪的植入实验结果表明，涂层与未涂层样品在血管狭窄、内膜厚度和产生炎症等指标上无明显差别。另外，由于钽的X射线可视性，无需在支架上做标记。Chen等[3,34利用磁控溅射技术将掺杂了钽的TO及T0／Ti-N薄膜沉积在生物材料表面，体外细胞培养和血小板粘附实验表明，这种掺杂钽的涂层有效地提高了被涂覆材料的生物相容性。钽涂层可提高钛金属的骨整合性能，增进细胞的粘附能力，促进细胞的生长。钽涂层更高的表面能和更好的润湿性改善了细胞与植入材料之间的相互作用[3。除了金属材料外，钽还可以涂覆在一些非金属材料表面，如碳笼表面涂覆钽用于脊柱融合术，钽涂层提高了碳笼的强度、韧性以适合脊柱承力及更好地满足手术过程的要求[3，37]。钽也可与某些聚合物组成复合材料涂覆于材料表面[3B]，改善材料的可视性和生物相容性。

3结语

钽金属在医学领域中的应用越来越受到人们的重视，特别是多孔钽在临床上取得了满意的治疗效果，但是多孔钽理论上的优异生物相容性还需要通过更多的临床实验与其它材料长期植入的治疗效果对比来证实。此外，钽金属植入器件长期服役期间的移动需要定量的描述，以确定多种钽结构的力学稳定性。通过材料、制造和医学工作者等方面的共同努力，钽金属必将会在医学应用中发挥越来越重要的作用。