多孔钽在骨科和口腔医学领域应用的研究进展

李粤源, 郭小玲, 李思雨, 刘凯楠, 王茜, 王志强

植入物的使用可以追溯到远古时代, 随着时代的发展以及医学理论和技术的不断更新进步, 现今对金属植入材料的研究受到更多关注。理想的植入材料应该无毒、不致癌、无致热、无过敏且具有良好的生物相容性。植入材料的关键性能包括强度、耐久性和抗疲劳能力[1］。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2 980 ℃, 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[2-4］, 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

1 多孔钽的制备

理想的植入材料植入人体需要承受短期和长期生理负荷, 且具有良好的组织相容性, 多孔钽金属可满足这种临床需要。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）[17］, 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[18-19］。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。

2 多孔钽的优异性能

2.1 多孔钽的生物相容性种植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[20-21］。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[22-23］。有学者通过多孔钽培养成骨细胞, 光学显微镜和扫描电镜观察细胞形态、黏附和增殖情况, 结果发现多孔钽材料对成骨细胞没有毒性作用, 成骨细胞在多孔钽上培养的第10天, 多孔钽表面和内部孔隙中的细胞多层生长, 分泌基质并完全覆盖多孔钽表面, 提示多孔钽具有出色的生物相容性[24］。

2.2 多孔钽的抗菌性植入物感染是植入材料使用过程中最常见和最严重的并发症之一, 会造成一系列严重的临床问题, 感染往往会导致假体装置失效, 需要更换植入物[25］, 因此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[26］。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。在体外实验中, TaCaP-Zn不但具有对金黄色葡萄球菌的抗菌活性, 还能减少浮游细菌及固着细菌。有学者开发了钽植入物的抗菌涂层, 使用聚羟基烷酸酯作为携带活性成分的基质, 应用了浸渍镀膜技术成功覆盖固体钽片, 还采用新型PHA乳液流动工艺, 用于多孔钽内表面的涂覆, 并对生物聚合物涂层的抗菌性能和生物集成进行分析, 结果发现多孔钽展现出良好的抗菌性能, 表面含有抗生素的PHAS涂层可为多孔钽表面提供抗菌效果, 保护植入物免受革兰阳性和阴性细菌的侵袭, 通过使用可生物降解的PHA, 产生的药物输送系统确保了多孔钽植入人体后在一段时间内不受细菌感染[27］。

2.3 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（Ta2O5）和二氧化钽（TaO2）[28］, Ta2O5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。

3 多孔钽在骨科和口腔医学领域的应用

3.1 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[29］, 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[30］。

3.2 多孔钽在修复骨与关节缺损方面的应用有学者报道了1例诊断为慢性炎症、伴有骨缺损的胫骨假体松动和严重的骨质疏松症, 通过3D打印的多孔纯钽垫辅助左全膝关节置换术治疗取得了满意的效果, 证实3D打印的多孔钽假体可用于重建关节置换手术后慢性炎症病人的胫骨缺损[31］。Panda等[32］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[33-34］。Ling等[35］发现初次全髋关节置换术中使用多孔钽假体重建髋臼缺损, 可取得满意的临床和影像学结果, 虽然这项回顾性研究的受试者数量有限, 需要一项样本量更大的前瞻性对照研究, 以进一步评价钽充填物在重建初次全髋关节髋臼缺损中与其他方法相比的效果。但总体来说, 应用多孔钽假体重建髋臼缺损是成功的。

3.3 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[36］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。

3.4 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[37］。除此之外, 多孔钽还可应用于颌骨的缺损修复, 钟建鑫等[38］通过构建颌骨骨缺损模型, 分别应用多孔钽颗粒和Bio-oss骨粉分别填充填比格犬下颌右侧骨缺损和比格犬左侧下颌骨缺损, 3个月后通过X线片以及甲苯胺蓝组织染色表现证实了孔钽颗粒具有良好的诱导成骨能力, 其修复颌骨骨缺损效果要优于Bio-oss骨粉的效果, 虽然在本次实验研究中缺少样本以及空白对照组, 但是为将来多孔钽应用于下颌缺损的研究奠定了基础。对于患有骨质疏松症、糖尿病等疾病导致机体组织愈合不良的病人而言, 通过以多孔钽为基础的种植牙可显著提高病人的组织愈合率, 最近有研究表明, 多孔钽骨小梁种植体可能更有利于骨质疏松病人种植修复后的二期稳定性[39-41］。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[42-44］。刘洪臣教授[45］还提出了一种人工种植牙全身给药系统的新理念, 多孔钽人工种植牙有望通过机体的骨组织吸收并到达全身, 为临床提供新的给药途径。

4 总结与展望

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种植, 与传统的种植体钛相比之下, 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。