钽金属在医学领域的应用

马剑，李乾，尹芸生

(山西医科大学第二医院骨科，山西 太原 030001)

钽是一种稀有高熔点金属，能经受高温和矿物酸的腐蚀，抗蚀能力与玻璃相同，在常温的空气中稳定。正因为钽金属所具有的高熔点、大强度、耐磨损、抗腐蚀等理化特性，因而其被大范围用于飞机、火箭等需要耐热材料以及需要高强度零部件的工业领域。不仅如此，钽金属还具有优良的生物相容性和稳定性，因此钽金属也被制造成各种接骨板以及螺钉用于医学领域。

1 钽金属的理化性质

钽是一种浅灰色金属，位于元素周期表中第73位，质地较硬，其硬度系数仅次于金刚石，硬度高达6～6.5，其溶点也很高，达2 996℃，仅次于钨和铼。实验证明，钽的抗腐蚀性极强，常温下与碱性溶液、稀硫酸、盐酸和浓硝酸均无化学反应，在氢氟酸和热浓硫酸作用下稍微有所反应。这样的物理和化学性质在金属中是比较难得的。

因钽金属对间歇元素的容限及其合理的弹性模量，使得钽金属成为合金的基体元素；钽金属可以利用其耐腐蚀的化学性能，与惰性气体钨弧焊接制造各种化工设备；此外，一些特种器材的制备也需要在钽坩埚内进行，例如特种玻璃的熔化等。正因为钽金属独特的物理和化学特性，使之成为现代工业不可或缺的原材料。

2 钽金属在医学领域的应用

医学在不断的进步，各种治疗技术也在不断提高。因钽金属具有优异的力学性能和抗疲劳特性，故被广泛应用于临床，尤其是在骨科领域，替代人体骨组织起到承重的作用，并取得了显著的临床疗效。与人体组织在强度、生物相容性和稳定性方面，钽金属材料比传统金属材料的人工置入物更具优势，因而钽金属在医学领域的发展有着更广阔的前景。

2.1 钽金属的生物学特性 虽然人体正常含有极少量的钽金属，但是人体很难吸收不溶性钽盐，不管是通过口腔直接服食或是通过局部直接注射均不易被人体所吸收，而可溶性的钽盐在经过胃肠道时也只有极少量能被人体所吸收，因摄入放射性钽尘的人，7 d内大便排出97%，4 h内尿中未检出钽[1]。吞噬细胞吞噬钽尘1 h后能全部存活并无任何细胞变性仅伴随葡萄糖氧化作用增强，相同条件下，吞噬细胞吞噬矽尘后则出现吞噬细胞胞浆的严重变性，甚至出现吞噬细胞的死亡，通过以上实验说明钽对人体细胞是无毒性的，是安全的[2，3]。

另外，国外学者Bobyn构建了犬的髋臼模型，证明了钽金属具有良好的骨引导作用，能与宿主骨组织进行良好的连接而产生迅速的骨长入和固定力[4，5]，也有学者在细胞培养中发现其能与骨细胞发生结合反应，证明了钽金属还具有长期的组织相容性[6]。正因为钽金属的无毒安全性和良好的骨引导作用以及长期的组织相容性，因此钽金属被称之为骨小梁金属而运用于医学领域，随即Schildhauer等[7]学者为了进一步探讨钽棒的适用性进行了钽棒对细菌黏附性作用的研究，研究结果发现金黄色葡萄球菌对纯钽棒的黏附性明显比钛合金，精炼不锈钢及钽外套的不锈钢的黏附低(P<0.05)。正由于钽金属稳定的生物学特性使它自1940年首次用于骨科医疗[8]，如今已被广泛的用于现代医学的各个领域中，尤其在骨科领域中，它的优势更是得到了充分的运用，发挥了重要的作用，而在这期间有关钽金属作为人体植入物植入人体后出现不良反应的报道仅有一例，患者在体内置入钽钉后出现慢性荨麻疹[9]，大多数报道中均未见明显的不良反应[10，11]。

2.2 钽金属的医学应用

2.2.1 钽丝 钽可制成直径为0.2 mm的细丝，作为易灭菌、较小刺激周围组织的抗张力缝线，供临床手术中使用。徐皓等[8]收治了33 例各种类型髌骨骨折的患者，利用钽丝环扎内固定手术方式对其进行手术，术后5个月～16年的随访中发现仅有2 例患者出现轻度创伤性关节炎，而剩余的31 例患者均取得了良好疗效，且无明显并发症。

2.2.2 钽片 当上下肢或其它部位发生了裂缝骨折或发生了骨折不愈合时，钽金属就可以制成不同形状和大小的钽片，对其裂缝和不愈合的地方进行修补，以期达到功能愈合。利用钽片制成人造耳朵的外形后固定在头部，再从大腿上取皮移植到钽片上，经过一段时间，形成人造钽耳朵[12]。

2.2.3 钽支架 由于钽金属具有较强的延展性，因而用其制作的钽丝支架能在动脉内较好的适应其搏动，达到精准、迅速的释放。有学者利用小型猪的冠状动脉作为研究模型，将钽金属制成钽丝支架植入其内，为期6个月的观察，结果发现冠状动脉在植入支架后其局部组织未见任何排异现象出现，且新生内膜出现时相性的增殖改变[13]。动物实验出现满意效果后，将钽丝支架试验于临床患者。选取患有缺血性综合征的患者为实验对象，结果表明钽丝支架介入治疗是安全有效的[14]。该疗法具有良好的手术操作性，可以用于应对复杂的伤害，也能大大降低6个月后亚急性血栓和血管再狭窄的概率[15]。

2.2.4 钽金属棒 由于钽金属良好的生物相容性、韧性及拥有比钛更强的惰性，因而被制备成了具有蜂窝状立体结构的骨小梁结构的支撑棒，由钽金属通过蒸汽沉淀技术制成的骨小梁金属，有约430um的平均空隙和约75%～80%孔隙率的多孔钽棒约有3Gpa的弹性模型量，介于弹性模量约为1Gpa的松质骨和弹性型量约为15Gpa的皮质骨之间[13]，从而可避免应力遮挡效应[5，16]。钽棒在生物力学性能上与骨相似，加上其韧性强不易疲劳断裂和其具有较强惰性等特点使其可以在人体内长期存留。钽棒为圆柱体外形设计，直径为10 mm，长70～130 mm，末端螺纹部分粗14 mm，长25 mm。

股骨头坏死是因股骨头血运破坏而主要侵袭年轻人的一种进展性疾病，目前病因仍不清楚。对股骨头内压力的降低，股骨头血供的增强以及对股骨头变性的防止或减缓是早期股骨头坏死的主要治疗方法，多孔钽棒可以为成骨细胞提供空间和微循环代谢环境，使骨-金属形成牢固的结合，从而使植入物位置稳定。多孔钽棒能避免股骨头塌陷，能很好的支撑股骨头的坏死区域，并对缺血坏死的股骨头区域的血管有再生的潜能[17]。另外多孔钽还具有促进细胞增殖，提高成骨细胞的造骨能力[18]。临床实验表明，对于早期股骨头坏死的治疗，钽棒或钽块的植入，不失为一种好的选择，且效果令人满意[19-21]。据此理论和基础研究，美国食品药品管理局监管的器械许可研究机构开展前瞻性临床研究，2000年6月开始评价多孔钽假体治疗Steinberg Ⅰ期和Ⅱ期股骨头坏死的安全性和有效性。起初在美国境内进行临床试验，后在欧洲及其它地区应用，并于2008年进入中国大陆临床使用。

国内外众多专家对钽棒治疗早期股骨头坏死进行了大量的临床研究。Taso等[13]最早开展钽棒支撑的临床研究(2000年6月开始在全美境内进行多中心研究，截止2004年12月31日)，观察发现采用相同钽棒手术进行治疗的98 例股骨头缺血坏死患者的113 例髋，其术后4年股骨头有高达72.5%的存活率，没有任何病例的骨密度在影像学分析中显示异常，也没有任何假体松动及放射性透光线的现象出现，取得令人满意的治疗效果。Veillette等[22]对Steinberg分期Ⅰ～Ⅲ期的52 例患者共58侧髋进行了髓芯减压加多孔钽条植入手术，术后随访48个月，治疗效果满意。

张颖等[23]观察钽棒置入组及带旋髂深血管蒂髂骨瓣移植组的治疗效果，结果示：钽棒置入组的术中出血量和手术时间都明显少于骨瓣移植组。两组术前Harris评分无明显差异，术后Harris评分钽棒置入组略优于旋髂深骨瓣移植组。陈晋斌等[24]研究髓心减压植骨与钽棒植入治疗股骨头缺血性坏死的临床疗效，得出髓心减压钽棒植入术对早期成人股骨头坏死髋关节功能改善明显优于髓心减压植骨术。罗华云等[25]对9 例(10髋)成人早期股骨头坏死采用钽棒植入治疗，结果示：钽棒植入治疗成人早期股骨头坏死手术简单易行，能有效避免坏死区股骨头塌陷，近期疗效明显。欧志学等[26]从2008年6月至2010年10月，采用钽棒植入术治疗早期股骨头坏死共58 例63髋，全部获得随访，结果示：对于股骨头早期坏死的治疗，钽棒植入术是一种行之有效的方法。

2.2.5 钽金属在关节外科的应用 多孔钽在关节材料的使用上也具有明显的的优点，因钽金属具有一定的弹性，所以当与皮质骨相互作用时，可以产生轻微的形变而不发生碎裂，另外，钽金属的摩擦系数较其它金属高，所以钽金属植入后稳定性相对较高[27]。有研究者就钽金属对于关节的作用进行了研究，Itala等[28]利用多孔钽垫圈将断裂的髌腱固定在胫骨结节处，观察发现，术后6周左右髌腱的强度大致恢复到了术前水平。Mrosek等[29]利用钽和骨膜植入，修复兔的胫骨外髁软骨下骨缺损的试验中发现，钽有着明显的作用。因多孔钽在动物关节试验中效果明显，于是美国食品药品管理局于1997年批准了多孔钽用于制造人工髋臼假体。由于有动物实验的成功以及人工髋臼假体的批准生产，髋臼假体的临床试验随即进行开来，Gruen等[30]观察随访了574个多孔钽髋臼假体，进行了长达24～58个月的随访，结果示：术后早期有部分假体和骨性髋臼间有间歇，但随着时间的延长，这种间歇在X线片上消失，表明有骨已长入假体髋臼杯中。Unger等[31]在髋臼假体的翻修中用到多孔钽髋臼，随访显示患者术后髋关节的Harris评分有明显提高。Florio等[32]随访了将多孔钽一体化胫骨平台应用于初次全膝关节置换术的患者，术后2年的随访中，假体-骨界面没有发现明显的进展性的X线透亮线。Nasser等[33]对利用多孔钽髌骨假体行全膝关节置换术，随访报告说明，多孔钽全髌骨假体的疗效是安全、有效的。

Radnay等[34]利用多孔钽对10 例全膝关节置换术后存在关节不稳的进行了关节翻修手术，术后随访，所有患者X线片均未见明显的假体松动、移位现象。Sporer等[35，36]学者也利用多孔钽制成的全髋假体行全髋关节翻修手术，疗效显著。虽然多孔钽全关节置换的术后短期疗效满意，但是长期临床效果还有待进一步研究[37]。

2.2.6 钽金属在脊柱外科的应用 多孔钽可作为填充材料作用于人体的各个部位[38]，如椎体肿瘤切除后，避免脊髓受压而安置的假体，椎弓置换等。另外由于钽金属优异的物理和化学特性，以及长期的组织相容性的生物性能，也被用于研发颈、腰椎的融合装置。Zou等[39]开展了动物实验，比较了多孔钽和碳纤素两种材料制成的椎间融合器的融合效果，术后为期6个月的随访显示：联合应用多孔钽制成的椎间融合器的实验组椎间融合率更高。Wiglield等[40]也利用多孔钽制成的椎间融合器进行了20 例颈椎融合手术，术后随访12个月，20 例患者的椎间融合达到了预期效果。Schoettle等[41]利用多孔钽制成的椎间融合器进行了50 例患者共61个节段颈椎行椎间融合手术，术后进行了为期2年的随访，结果显示椎间融合稳定良好。

2.2.7 钽涂层 很多有毒金属材料因其独特的性能可用于医学领域，但由于其金属毒性的释放而不能将其优点用于临床。现在，我们可以将耐腐蚀性强且稳定的钽金属涂覆在这些有毒金属材料的表面，阻止有毒元素的释放，使那些有独特性能但原先忌于毒性不能用于临床的金属材料重新用于临床，同时由于钽金属的生物相容性也提高了被涂覆金属的生物相容性。钽金属不仅可以涂覆在金属表面，还可以涂覆在一些非金属表面，例如在脊柱融合术中用到的碳笼，一旦将钽涂覆其表面，这样碳笼不仅在强度和韧性方面，还在生物相容性方面得到显著提高，使碳笼更满足手术的需要[42]。钽还具有X射线可视性，提高了钽及其合金在人体中的可视性。

3 展 望

虽然钽金属及其合金材料在材料、制造和医学领域中越来越受到人们重视，尤其在医学医学领域的骨科领域更是备受关注，并取得了不错的短期临床疗效，但是钽金属的生物相容性和无细胞毒性等独特性能还需要更多的实验和长期临床疗效来证实，相信通过不断的研究，钽金属及其合金材料必将在各领域尤其是医学领域发挥更重要的作用。

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