多孔钽的理化/生物特性及其骨整合能力研究进展*

张彦博 李瑞延 刘贯聪 梁豪君 卿云安 秦彦国*

多孔钽的理化/生物特性及其骨整合能力研究进展*

张彦博 李瑞延 刘贯聪 梁豪君 卿云安 秦彦国*

近年来，以钛合金为主的骨骼材料得到了广泛的应用。临床研究中，植入体的腐蚀磨损和骨整合能力不足是造成其无菌性松动的主要原因，最终可导致手术失败。因此制备综合性能优越的植入体材料是骨组织工程研究的热点。多孔钽拥有良好的理化性质，耐腐蚀和抗磨损性能出色，其良好的生物相容性和多孔结构可以促进新骨的长入和成骨细胞的增殖，从而提高骨整合能力。并且表面改性技术的发展赋予了多孔钽更加优良的性能和功能，扩展了其临床应用。本文将针对多孔钽的理化/生物特性及其骨整合能力的研究进展进行综述。

多孔钽；生物相容性；骨长入；骨整合

钽最早是由瑞典化学家 Ekebereg发现 [1]，1903年，Werner首次对其进行了提纯并获得了相对纯净的钽样品[1]。钽是一种坚硬伴蓝灰色光泽的过渡金属 [2]，其熔点较高（3017℃），属于难熔金属。钽的化学性质十分稳定，抗腐蚀性极强 [3,4]，在温度不高于150℃时与包括盐酸、硝酸及“王水”在内的大多数强酸都不发生反应。钽拥有良好的生物相容性 [3]和促进成骨的能力，可以促进成骨细胞的粘附、增殖和分化。这些优良的特性使得钽作为一种新型的生物骨科材料拥有广阔的应用前景。

1 制造工艺及理化性质

1.1 多孔钽的制备

虽然钽金属具有良好的理化性质，但其较高的密度(16.68 g/cm3)和机械强度限制了它在生物医学方面的应用[5]。为了解决这一问题，在1990年开发了多孔钽，对其机械特性进行优化，使其能够应用于临床。目前为止，多空钽的制备主要有两种方法：化学气相渗透沉积法（CVI/CVP）和粉末冶金技术（PM）[6]。CVI/CVP法是将汽化的金属钽渗透沉积到多孔碳骨架上，在其表面形成钽层。该方法制备的多孔钽孔径大小为400 m～600 m，孔隙率位为75%～80%。PM技术是将聚氨酯灌注到钽桨中，在真空干燥后，将样品放到1950°C真空熔炉中2小时，以10°C/min的速度加热和降温。该法制得的多孔钽孔径300 m～600 m，孔隙率66.7%[6]。相比之下，CVI/CVP法制备的多孔钽更适于临床应用，因为其形状和机械特性主要取决于碳支架的结构，因此可以根据具体的需求来设计和制备相应的多孔钽支架，满足不同的临床需求。

1.2 多孔钽的理化特性

多孔钽是孔间相互连通的三维立体结构 [7]，孔径大小400m～600m，孔隙率75%～80%[8]。多孔钽与其他金属材料相比有许多明显的优势：接近正常骨质的弹性模量，多孔钽的弹性模量（1.3 GPa～10 GPa）[9,13]与人体正常骨质相近 [10]，可以减少应力遮挡，有利于维持假体周围骨的生长和减少骨质流失 [11]；较高的孔隙率，多孔钽的孔隙率（75%～85%）相比于钴铬合金（30%～35%）以及钛纤维金属网（40%～ 50%）更高 [12]。高孔隙率可以促进孔内营养物质交换 [13]，更有利于骨长入，促进骨整合，增加其在体内的稳定性；更高的摩擦系数，多孔钽的摩擦系数据文献报道要比传统的多孔涂层高40%～75%[14]，使得其耐用性更高。多孔钽的以上特性使得它在临床骨科材料应用中拥有很大的潜力。

2 生物相容性

钽是一种无细胞毒性材料。早在1981年，Werman等[15]对金属钽做了毒性研究。相同条件下，分别将钽和矽注入体内，负责清除钽和矽的主要载体是吞噬细胞，体内吞噬细胞在接触钽尘1小时后均可存活且无细胞变性，而矽尘可使吞噬细胞出现严重胞浆变性和死亡。WANG等[16]将多孔钽的提取液和正常培养液同时培养成骨细胞，24小时后通过MTT检测来评估成骨细胞在两种不同液体中的生存率，独立样本t检验结果显示：两组样品的细胞增殖没有明显差异，表明钽对细胞没有明显的毒性作用。在一些动物模型实验中，各种形式的金属钽对各种类型的组织，都没有产生明显的炎症或过敏反应 [17]。许多体内体外实验也证明钽可以应用于许多形式的医学材料，比如起搏器电极 [18]、微纳米粒子 [19]、X线标记物 [20]、关节假体 [21-22]、牙科种植体 [2]、颅骨板 [23]等。目前为止，还没有证据表明钽对成骨细胞及骨髓间充质干细胞有明显的毒性作用。由于钽表面氧化物层的存在，钽在体内呈现出明显的生物惰性[3,5]，不易发生电化学腐蚀，不产生金属离子刺激作用，其医用生物安全性极佳。有报道称钽涂层能够有效阻止钴铬钼合金假体的离子的释放 [24]，减轻假体周围的炎症反应和过敏反应，改善了其生物相容性。因此，钽被认为是一种“亲生物”金属。

3 多孔钽的骨整合能力

“骨整合”是指种植体与周围骨组织直接接触，无任何纤维组织介于其间。由于多孔钽良好的生物相容性及三维多孔结构，骨组织不仅能粘附在其表面，更能长入多孔钽内部，有研究者将这一现象称为骨整合作用。而良好的骨整合正是植入物长期稳定的关键。

3.1 促进成骨细胞增殖和分化

多孔钽可以提供一个适宜的微环境来促进细胞的粘附、增殖、分化，从而提高骨整合能力 [25,26]。相比于钛网以及其他金属材料，多孔钽促进细胞增殖的效果更加明显。Katie J.Welldon[27]等在多孔钽的细胞粘附生长实验中，使用鬼笔环肽和CFSE荧光染料分别对肌动蛋白和细胞核进行染色观察发现：在第3天细胞就可以很好的粘附在多孔钽的小梁上面，而在第14天和第21天，CFSE明显降低说明细胞正在进行广泛的增殖。Vamsi Krishna Balla[28]等通过对比多孔钽与多孔钛对于促进 hFOB细胞增殖的能力发现：虽然前3天两种材料培养的细胞数量差别不大，但在第7天，钽表面细胞量相比钛表面细胞量高了近50%，同时钽表面细胞产生的ALP更高，显示出比多孔钛结构更好的促进细胞增殖分化能力。Tang等[29]用雄性新西兰白兔作为股骨移植模型，植入3个月后，组织形态计量分析显示：钽周围形成的新骨要明显高于钛（Ti：14.0741±6.46293，Ta：32.6501±0.90721），双荧光标记检测显示多孔钽的新骨矿化沉积率也高于多孔钛，说明多孔钽涂层的骨整合能力强于钛涂层移植物。多孔钽还可以明显促进女性原代成骨细胞的增殖和分化。Karen等 [30]研究发现多孔钽材料可以明显促进老年女性成骨细胞的增殖并提高骨矿化能力。

3.2 骨组织内生长

多孔钽是开放孔的三维结构，相比于多孔钛能够明显促进骨组织内生长 [32]，提高骨整合能力。血管化的骨组织在孔径300 m以上时就可以长入孔径内，但当孔径小于50 m时则只有纤维组织长入 [31]。这是由于太小的孔径限制了体液在支架内的流动和骨诱导蛋白的累积 [33]。Bobyn[34]发现表面多孔的金属移植物最适于组织长入的孔径大小是50～400 m。他在多孔钽促进骨组织长入的能力检测中将两种不同孔径大小（430 m和650 m）但孔隙率相同（75%～80%）的柱状多孔钽植入物植入骨皮质完整的犬模型中，并进行组织学检测和机械性能测试 [35]。检测发现：在孔径430 m模型中，新骨长入的体积在第4、6周、一年后分别占孔径大小的42%、63%、80%。在孔径650m模型中，新骨长入体积在第2周为13%、第4周为53%、第16～52周为70%。两者没有明显差异。机械测试结果表明最小固定强度在4周后是18.5 MPa，明显高于钴铬合金（9.3 MPa）以及其他几种多孔结构金属（1.2 MPa～12.1 MPa）[34,35]。这可能是由于多孔钽较高的孔隙率引导大量骨组织内生长的结果，使得移植物在体内的机械强度增加。可以看出，多孔钽结构可以在16周内充分的促进新骨形成和内生长，表明多孔钽移植物对于早期骨整合具有良好的促进作用。而一年后骨组织生长没有明显变化。

3.3 肌腱和韧带内生长

除了促进骨组织内生长以外，肌腱和韧带也可以内生长入多孔假体材料。有研究报道称软组织可以在孔径大于50 m 以上时快速长入多孔结构 [36-37]。Reach[38]在动物试验中将狗的冈上肌腱与多孔钽重新连接，通过比较肌腱-移植物和正常的肌腱-骨的固定强度来反应肌腱组织长入情况。机械测试显示，肌腱强度会随时间不断增加。同时组织学检测显示肌腱组织长入密度也随时间增加。说明肌腱组织可以很好地长入多孔钽材料。这对一些大型假体植入和髌骨移植尤为重要，因为它可以提高肌腱和韧带的附着能力，增加移植物在体内的稳定性，从而降低手术的失败率。

4 多孔钽的表面改性

虽然多孔钽具有良好的骨整合能力，但还不能达到早期负重进行功能锻炼的临床需求，因而需要通过表面改性的方法进一步提高其生物性能，增强早期稳定性。

目前表面改性方法有很多，应用于多孔钽改性的方法主要是磷酸钙仿生涂层。Ca、P作为人体骨质最主要的两种元素，CaP涂层具有良好的骨传导性和促进成骨细胞增殖分化的能力。研究表明经过磷酸钙表面修饰的多孔钽，其骨结合率明显要高于未修饰的样品。Zhou等[39]通过沉积法合成了CaP-PLA复合涂层进行多孔钽表面修饰，显示出更高的促细胞粘附和矿化能力，同时进一步提高了材料的亲水性。阳极氧化法也是一种比较成熟的表面改性方法，能使种植体表面形成一层致密的氧化膜，以增强金属的抗腐蚀性能，且有一定的生物活性，可增强其骨结合率。研究发现经阳极氧化处理的种植体表面有较均匀的、孔径在100nm-500nm大小不一的圆孔状结构分布，具有很好的亲水性，利于细胞早期黏附生长 [40,41]，已用于钛合金及多孔钽的表面修饰来增强其抗腐蚀性及成骨活性 [42,43]。激光熔覆技术是利用高能激光束将不同性能、成份的合金与基材表面熔化后在基材表面形成与其具有完全不同性能和成份的合金层，有研究表明激光熔覆技术制备新型纳米钽-钛合金棒拥有更好的促进骨增值分化的作用 [44]。Guo等 [45]通过静电作用进行多孔钽的表面修饰，赋予了多孔钽表面药物释放的作用。可在一定时间内持续释放阿霉素等抗癌药，杀伤癌细胞。这对于因骨肿瘤而造成的骨缺损具有良好的应用前景，扩展了多孔钽临床应用的多功能化。

5 总结展望

多孔钽作为一种生物相容性良好的生物材料具有高孔隙率、接近人体正常骨质的弹性模量、高摩擦系数以及耐腐蚀性等特点，同时它的促成骨细胞增殖分化能力，骨组织内生特性及促肌腱附着能力对于提高骨整合能力具有重要作用。国外多项研究结果证实了多孔钽假体在人工关节领域内令人满意的临床效果，并逐渐拓展到脊柱外科等其他骨科分支，但其在体内的长期稳定性仍需要较长时间的随访观察和更加充分的临床证据。目前通过表面修饰的方法在保留多孔钽理化性质的同时进一步提高了其生物活性。因此，未来的研究方向将是更优良的表面改性技术的应用来增强多孔钽的骨整合能力，以及在保持骨整合能力的同时实现临床应用的功能化，如：负载药物使其具有抗菌、抗肿瘤的效果等，使其满足不同的临床需求。

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Research progress on the physico-chemical/biological characteristics and osseointegration of porous tantalum

Zhang Yanbo,Li Ruiyan,Liu Guancong,et al.The Second Hospital of Jilin University,Changchun Jilin,130000,China

In recent years, the bone materials based on titanium and its alloys have been widely used. In clinical research,the corrosion and wear of implants and the lack of osseointegration are the two main causes for the aseptic loosening,which can eventually lead to the failure of implantation. So, it is a hotspot in the area of bone tissue engineering to prepare the high performance material.Porous tantalum has satisfactory physico-chemical properties and can resist the corrosion and wear,meanwhile,its biocompatibility and porous structure can significantly promote the ingrowth of new bone and the proliferation of osteoblast, further improve the capacity of osseointegration. The development of surface modification technology give sporous tantalum more excellent performance and function, and expands its clinical application. In this paper, the physico-chemical/biological characteristics and osseointegration of porous tantalum will be reviewed.

Porous tantalum;Biocompatibility;Bone in-growth;Osseointegration

10.3969/j.issn.1672-5972.2017.05.018

swgk2016-12-00297

R318.08

A

1吉林省科技发展计划项目（20150414006G H）；2吉林省省级产业创业专项资金项目（2016C037）

吉林大学第二医院，吉林 长春 130000

张彦博（1991-）男，硕士，住院医师。研究方向：骨关节外科。

*[通讯作者]秦彦国（1976-）男，博士，教授，主任医师。研究方向：骨关节外科。

2016-12-26）