医用多孔金属钽材料的基础研究与应用
目前，多孔金属钽优良的力学性能和组织相容性而应用于临床，下面是小编搜集整理的一篇探究医用多孔金属钽材料基础的论文范文，供大家阅读参考。
[摘要] 金属钽一般用于制作电容器的阳极。除此之外因其具有合适的机械强度、良好的弹性模量、耐腐蚀性、良好的生物相容性、高孔隙率、合适的孔径以及立体空间结构而作为骨移植材料受到医学界特别是骨科界的广泛关注。该文通过查阅目前国内外相关文献，就多孔钽金属材料在医学领域中的基础研究及应用进行综述。
[关键词] 金属钽;骨移植材料;生物相容性
目前医用骨修复材料主要有天然衍生骨材料、医用陶瓷类以及金属及其合金材料等。钽具有高摩擦系数，这将使其具有较好的机械稳定性并且当钽移植物植入动物体内后没有周围炎症反应而具有优良的生物相容性。因此在骨折内固定等外科手术中发挥了重要作用[1]。然而大量的临床研究表明，目前临床上所使用金属材料由于具有腐蚀性、弹性模量过高等原因导致的疲劳折断、金属过敏、假体松动等，不能完全满足人体生理环境、生物力学以及使用寿命的要求[2]。上世纪末美国Zimmer公司研制的新型医用多孔钽材料与传统的金属材料如钛、镁以及合金相比，具有更强的抗腐蚀性 、更高的摩擦系数、更好的耐磨损性，同时多孔钽在弹性模量、机械强度、抗疲劳性、生物相容性方面也有出色的表现;其高孔隙率对于细胞粘附增殖以及促进纤维和骨组织向内生长极为有利，同时细胞可以在相互连通的孔隙内自由地进行物质交换，从而使其具有很好的促组织内生性和骨传导性，可以达到生物固定的目的[3-5]。多孔钽优秀的特质使其很快被用于骨组织工程支架材料方面的研究并取得了令人鼓舞的效果。
1 多孔金属钽的物理特性
钽(tantalum)是一种难熔金属， 熔点近3 000度 ，外观呈深灰色，表面光洁，多孔状结构。表面及断面可见分布均匀的蜂窝状孔隙，针尖大小。扫描电镜观察材料表面及断面可见20～50 μm的微粒，微粒之间有分布均匀直径约400～600 μm的微孔结构[6]。孔隙内部相互连通。钽在生物体内极其稳定， 在常温及各种环境中均不溶解， 也不呈现化学反应。当它与一些元素如氧、碳以及氮等元素具有高亲和力，常温下在钽周围形成保护膜而具有抗腐蚀性特点。多孔钽由钽粉制备而成，钽粉经加热形成钽蒸汽而沉积于碳或其它元素形成的支架，去除支架后及可获得高孔隙率75%～85%，孔径约400～600 μm，具有三维立体空间构型的多孔钽材料[7-8]。在医学上，钽是比较理想的骨科植入材料，有“小梁金属”之称。它与人体骨骼、肌肉组织直接接触时，具有事宜的机械强度，其弹性
模量介于具有介于皮质骨和松质骨之间，可以支撑人体骨骼。与体液接触时，能够与生物细胞相适应，具有极好的亲和性，几乎不对人体产生刺激。同时钽的三维立体结构的空隙具有一定的密度，同时也同时多孔钽的可塑性特点还可以使其在临床医学领域中制备成各种形状的骨科内固定器材，如用于治疗骨折的接骨板、螺钉、、钽板或钽片修骨;钽丝和钽箔可以缝合神经和肌腱，甚至是神经纤维，钽网可以用来修补肌肉组织等[9-11]。
2 多孔金属钽的细胞相容性
正常情况下，人体可吸收与代谢以不溶性钽盐的形式存在于生物体内的微量钽元素。当钽进入体内后，机体清除钽的主要方式是巨噬细胞的吞噬反应。如肺泡巨噬细胞吞噬消化及降解。但是经实验证明这些吞噬反应是轻微的，并不足以使得吞噬细胞发生变性、坏死及崩解，细胞保持良好状态。这与矽肺病时，含有游离二氧化矽粉尘进入人体时所发生的'肺泡巨噬细胞最终导致变性坏死崩解的现象正好相反[12-14]。这说明钽元素无细胞毒性，具有良好的细胞相容性，对人体无害。目前，钽以其优异的理化特性及特有的3D结构被应用于骨组织工程支架材料。有研究证明[15-16]：体外将动物成骨细胞与钽复合培养后通过各种显微镜形态学分析与MTT的定量分析，清楚的揭示了多孔钽比多孔钛更优的生物相容性。与多孔钛相比，多孔钽表面有更多的细胞粘附和细胞的微伸展，并且对成骨细胞无接触抑制现象存在。在多孔钽与成骨细胞联合培养时中，成骨细胞外基质分泌并且发生钙化也证明了成骨细胞与多孔钽细胞具有良好的细胞相容性。同时当二者共同培养时钽可以促进成骨细胞粘附、增殖并向其内部孔隙长入，提高成骨细胞的成骨能力，从而加强与骨组织的整合及固定能力。Findlay等[17]用人成骨细胞复合5 mm厚多孔片钽并与钛、铬-钴合金对比检测细胞增殖与功能基因的表达，结果显示不同的金属材料测量参数中并无显著差异。通过细胞形态学观察和共聚焦显微镜鉴定人成骨细胞在不同基质材料上附着情况相似。无论是细胞数量还是细胞分裂数，钽金属材料与其它基质材料均无差异。通过对成骨细胞或成骨活性的众多基因mRNA表达水平分析，钽金属与其它基质材料无显著差异有时甚至高于其它材料。人成骨细胞体外矿化结果也显示钽金属较其他材料无差异。表明钽金属是人成骨细胞粘附、增殖与分化的良好支架材料。李矛等[18]将细胞与钛、羟基磷灰石及钽涂层支架材料复合培养时，细胞的相对增殖率以钽涂层最高，为113.2%，羟基磷灰石涂层次之，为110.5%，钛涂层最低，为109.8%。表明3种支架材料均对细胞无生长抑制作用。但钽涂层表面更适合细胞的黏附、生长。也有人将兔骨髓基质干细胞接种在多孔钛及钽涂层多孔钛合金支架材料，在各个时间点钽涂层支架表面的增殖及粘附效果均显著优于多孔钛合金支架，说明钽涂层支架较多孔钛合金支架有更好的细胞相容性，有望成为新一代的生物医用金属材料[19]。
3 多孔金属钽的组织相容性
目前，多孔金属钽优良的力学性能和组织相容性而应用于临床。美国在多孔金属钽的生产与研究方面领先于其他国家，其中Zimmer公司生产的多孔钽材料除具有三维多孔结构且可促进成骨细胞黏附、分化生长，利于水及营养物质在多孔钽内的运输之特点。人体的组织再造、植骨及置换术等都可应用多孔钽材料植入骨缺损部位，骨质会沿着多孔钽孔隙及与宿主界面长入，使钽材料充分与骨组织紧密结合并融为一体。作为支架材料植入人体后，由于其优良的组织相容性使得多孔钽在人体内不降解，因此也不需要二次手术取出[20]。此外，多孔也可钽作为人工关节材料显示出无以伦比的优越性：如多孔钽的弹性模量与比自己相对大的皮质骨相互作用时，由于多孔钽具有较好的柔韧性及可塑性，因此并无变形且断裂的现象出现。这一特性可使得在关节重建术中所植入的钽假体与宿主骨之间匹配良好并无松动，提高了植入假体的稳定性。国外许多文献也证实了多孔钽具有良好的组织相容性。Zardiackas[21]研究发现多孔金属钽屈曲强度为10 Nm，人腓骨平均屈曲强度为8～12.5 Nm，两者大小相似。多孔金属钽弹性模量约为3 GPa，和正常人体骨相似，所以在提供足够生理支持的情况下还可以很大程度上的降低应力遮挡，从而更加有利于骨质的长入与重塑，而钛合金、钴铬合金等弹性模量明显高于骨皮质，容易产生应力遮挡。医用多孔金属钽质地坚固，抗磨损、抗疲劳能力均优于骨松质、陶瓷制品、冻干骨片，可以提供足够的生理负荷。这种多孔金属钽已广泛用于临床，比如多孔钽假体治疗人工关节翻修术后、骨肿瘤切除术后、严重关节炎、严重创伤后骨缺损，多孔钽棒治疗早期股骨头坏死，多孔金属钽椎间盘融合椎体等，并且效果满意[22]。
4 结语
目前的研究多为材料学及在骨科领域中的应用，其它学科都待开发。虽然多孔钽金属材料在骨科领域的应用目前并且取得了不错的短期临床疗效。但其理论上的优势仍有待于临床证据和长期的临床随访。这就需要加强基础理论与相关交叉学科知识的学习。对其成形机理， 孔隙结构及孔隙率进行更加全面的研究， 争取更快的推进其多孔钽的国产化及批量生产。扩大其在骨科及口腔科的应用范围。相信随着制备工艺以及临床技术的日趋成熟，越来越多的金属钽支架材料会材料应用到临床中。
[参考文献]
[1] Tang Z， Xie Y， Yang F， et al. Porous Tantalum Coatings Prepared by Vacuum Plasma Spraying Enhance BMSCs Osteogenic Differentiation and Bone Regeneration In Vitro and In Vivo[J]. PLOS ONE. 2013，8 (6)： e66263(1-11).
[2] Levine B， Sporer S， Della Valle CJ， et al. Porous tantalum in reconstructive surgery of the knee： a review[J].J Knee Surg. 2007，20(3)：185-194.
[3] Reach JS Jr， Dickey ID， Zobitz ME. Direct tendon attachment and healing to porous tantalum： An experimental animal study[J]. Bone Joint Surg Am， 2007， 89(5)：1000-1009.
[4] JonitzA， LochnerK， LindnerT，et al.Oxygen consumption， acidification and migration capacity of human primary osteoblasts within a three-dimensional tantalum scaffold[J].J Mater Sci： Mater Med，2011，22(9)：2089-2095.
[5] Liu G， Wang J， Yang S， et al. Effect of a porous tantalum rod on early and intermediate stages of necrosis of the femoral head[J]. Biomed Mater， 2010， 5(6)： 65-68.
[6] Mrosek EH， Schagemann JC， Chung HW， et al. Porous tantalum and poly-epsilon-caprolactone biocomposites for osteochondral defect repair： preliminary studies in rabbits[J]. J Orthop Res， 2010， 28(2)：141-148.
[7] Sarina KS， Konz GJ，Dawson JM，et al. Host bone response to polyetheretherketone versus porous tantalum implants for cervical spinal fusion in a goat model[J]. SPINE，2012，37(10)：571-580.
[8] Maccauro G， Iommetti PR， Muratori F， et al. An overview about biomedical applications of micron and nano size tantalum[J].Recent Pat Biotechnol， 2009， 3(3)：157-165.
[9] Fleeher X，Paprosky W，Grillo JC，et a1.Do tantalum components provide adequate primary fixation in all acetabular revisions[J].Orthop Traumatol Surg Res，2010，96(3)：235-241.
[10] Lachiewicz PF， Soileau ES.Tantalum components in difficult acetabular revisions[J]. Clin Orthop Relat Res， 2010， 468(2)：454-458.
[11] Rapuano BE， MacDonald DE. Surface oxide net charge of a titanium alloy： Modulation of fibronectin-activated attachment and spreading of osteogenic cells[J].Colloids and Surfaces B： Biointerfaces.2011，82(1)：95-103.
[12] BallaVK， BanerjeeS， BoseS，et al. Direct laser processing of a tantalum coating on titanium for bone replacement structures[J].Acta Biomater. 2010， 6(6)：2329-2334. [13] Hacking S.A， Bobyn J.D，Toh K.K， et al. Fibrous tissue ingrowth and attachment to porous tantalum[J].Journal of Biomedical Materials Research， 2000，25(4)：631-638.
[14] Christie MJ. Clinical applications of trabecular metal[J].Am J Orthop， 2002， 31(4)：219220.
[15] Kim DG， Huja SS， Tee BC， et al.Bone Ingrowth and Initial Stability of Titanium and Porous Tantalum Dental Implants： A Pilot Canine Study[J].Implant Dentistry， 2013， 22(4)：399-405.
[16] Brandao-Burch A， Utting JC， Orriss IR， et al. Acidosis inhibits bone formaby osteoblasts in vitro by preventing mineralization[J]. Calcif Tissue Int， 2005，77(3)：167-174.
[17] Findlay DM， Welldon K， Atkins GJ，et al. The proliferation and phenotypic expression of human osteoblasts on tantalum metal[J]. Biomaterials， 2004，25(12)： 2215-2227.
[18] 李矛， 段永宏， 尹大宇， 等. 等离子喷涂钽涂层人工假体生物相容性研究[J].中国矫形外科杂志， 2011， 19(4)： 320-324.
[19] 于晓明，谭丽丽，杨柯.医用金属表面的钽涂层制备及其临床应用趋势[J].中国骨科临床与基础研究杂志，2013，5(2)：115-119.
[20] 战策， 王志伟. 钽金属在骨科的应用[J].中国矫形外科杂志，2009， 17(20)：1547-1549.
[21] Zardiackas LD， Parsell DE， Dillon LD， et al. Structure， Metallurgy， and Mechanical Properties of a Porous Tantalum Foam[J].J Biomed Mater Res，2001，58(2)：180-187.
[22] Pagani F， Francucci CM， Moro L. Markers of bone turnover： biochemical and clinical perspectives[J].J Endocrinol Invest， 2005， 28(10)：8-13.
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