多孔钽金属的生物学特性：近期临床应用安全但远期反应待证实

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.43.024

摘要/Abstract

摘要：

背景：多孔钽金属具有整体容积孔隙率高、弹性模量低及表面摩擦系数高等特点，以其稳定的生物学特性、良好的生物相容性和特有的结构性质，引起医学界特别是骨科领域的广泛关注。
目的：综述钽金属的生物学特性，包括其机械性能、生物相容性及生物活性。
方法：应用计算机检索1990至2014年PubMed数据库、中文科技期刊数据库、万方数据库、维普数据库中有关多孔钽金属的文献。英文检索词为“Porous tantalum，biological character，orthopedic applications”，中文检索词为“多孔钽；生物学特性；骨科应用”。
结果与结论：多孔钽金属具有较大的孔隙率与表面摩擦力，有与人体骨质接近的弹性模量，有较好的生物相容性，其作为良好的骨科植入材料越来越被大家所接受，目前多应用于一体化髋臼杯、全髋关节翻修臼杯与髋臼增强垫块、多孔钽金属棒及胫骨平台假体、髌骨假体等的制备中。骨外科中应用多种多孔钽金属植入体的短期随访已有报道，临床数据、放射学检查及取出物的组织学分析已证明该材料的实用性和安全性，但该材料的远期效果如何还有待证实。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

全文链接：

关键词: 生物材料, 材料相容性, 多孔钽, 生物学特性, 机械性能, 生物相容性, 生物活性, 骨科应用, 综述

Abstract:

BACKGROUND: Porous tantalum, characterized as high porosity, low elastic modulus, high friction coefficient, stable biological properties, good compatibility and typical structural properties, has been the focus in medicine, especially in orthopedics.
OBJECTIVE: To review the biological characteristics of porous tantalum, including its mechanical properties, compatibility, and biological activity.
METHODS: A computer-based search of PubMed, CSTJ, Wanfang and VIP databases was done for articles relevant to porous tantalum published from 1990 to 2014 using the keywords of “porous tantalum, biological character, orthopedic applications” both in English and Chinese.
RESULTS AND CONCLUSION: Porous tantalum, with high porosity, low elastic modulus, high friction coefficient, and good compatibility, has become increasingly popular in medicine, especially in orthopedics. At present, porous tantalum is used in the preparation of the integrated acetabular cup, total hip arthroplasty acetabular cup, acetabular reinforcing pad, porous tantalum metal rod, tibial plateau prosthesis and patellar prosthesis and tibial plateau prosthesis. The short-term follow-up of porous tantalum implants in orthopedic surgery has been reported. And clinical data, radiology, histological analysis of the removed material have proved the practicability and safety of the porous tantalum. But the long-term effects of porous tantalum remain to be confirmed.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

全文链接：

Key words: tantalum, biocompatible materials, review

中图分类号:

R318

李斌，华永新，杨光. 多孔钽金属的生物学特性：近期临床应用安全但远期反应待证实[J]. 中国组织工程研究, 2014, 18(43): 7028-7032.

Li Bin, Hua Yong-xin, Yang Guang. Biological characteristics of porous tantalum: short-term application is clinically safe but the long-term effect needs to be further studied[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(43): 7028-7032.

图/表（结果） 1

多孔钽金属的制作过程是首先对多聚泡沫材料聚亚安酯前体进行热降解，得到低密度、玻璃质样的碳骨架，这一碳骨架呈多重的十二面体排列，形成纵横交错的网格及遍布整体的微孔，然后将商业纯钽通过化学气相沉积/渗透技术(CVD/CVI)结合在这种交联的碳骨架上，由此形成类似松质骨结构的金属支架网络^[7-9]。原始的碳骨架能够根据需要做成各种不同的形状，设计者可以通过改变碳骨架构成的方法来设计出品种多样的骨科植入器械。钽金属的沉积厚度为10-100 μm，基本能达到100%致密，颗粒大小仅有1-5 μm，纯度超过99.5%。多孔钽金属的涂层厚度多为40-60 μm，最大抗压强度和抗剪切强度为35-45 MPa，假体的机械性能可通过改变多孔钽金属涂层的厚度来调整。目前临床应用在骨外科植入假体，多孔钽金属的平均孔径在400-600 μm之间，整体孔隙率为75%-85%，这种结构易于诱导骨组织的附着和长入。

2.1 机械性能理想的骨科植入材料必须具有较好的机械性能。钽金属与钛金属、钴铬合金、不锈钢及其他骨科植入材料的机械性能对比见表1^[7]。固态钽金属的弹性模量相对较高，约为185 GPa，与多孔碳骨架结合后其弹性模量显著降低，约为3 GPa，介于松质骨(0.1-0.5 GPa)和皮质骨(12-18 GPa)之间，明显比钛合金(110 GPa)和钴铬合金(220 GPa)低。钽金属的弹性模量与软骨下骨相近，但其强度却是后者的10倍。Shimko等^[10]认为钽金属的弹性模量与人和牛的松质骨相近。弹性模量低使其能更好地避免应力遮挡，对骨质的重塑更有利。

Zardiackas等^[7]发现钽金属比悬臂弯曲的松质骨强度更强，其压缩极限强度是(60±18) MPa，拉伸极限强度是(63±6) MPa，弯曲极限强度是(110±11) MPa，其疲劳极限及耐力极限均高于松质骨、冻干骨折片、陶瓷颗粒和钙盐剂。它的这些机械性使其在骨科应用中能够有效承载生理载荷和骨长入(例如脊柱融合，髋膝人工关节置换，修

复骨缺损等)。

多孔钽的孔隙率高达75%-85%，而钛喷涂金属表面的孔隙率是40%-50%，钴铬合金熔结珍珠面是30%-35%。Heiner等^[11]认为临床使用的多孔钽金属植入假体的抗弯曲强度相当于人体的腓骨，而且降低其孔隙率可以显著提高其抗弯刚度。Zhang等^[12]对多孔钽金属界面和骨膜完整、骨膜缺损、表面平坦的皮质骨及松质骨的界面摩擦系数作了比较，结果表明微孔结构的多孔钽金属和上述表面的磨檫经过电子束放电处理以后，多孔钽金属和上述表面的摩擦系数分别是1.10，0.82，0.86，0.98。研究结果表明多孔钽相对于松质骨的表面摩擦系数明显高于其他多孔表面的金属和熔结珍珠表面材料(0.5-0.66)，从而证实多孔钽金属与自体骨移植物和传统的金属材料相比，能提供更好的初始稳定性。

2.2 生物相容性钽不仅对人体没有任何损害，而且人体的肌肉骨骼还可以在其上面生长，医学上称之谓生物相容性^[13]。钽金属目前在医学各学科中应用于修补片、缝线、放射标志物及人工关节假体表面等。研究发现，多孔钽植入物在体内形成了惰性氧化涂层，使其能适应体内的各种酸碱环境，并表现出良好的稳定性^[5]。有学者认为钽和钛都具有良好的生物相容性，在组织学检查中，钛金属植入物周围的组织中未发现巨噬细胞，钽金属植入物周围偶见少量巨噬细胞，与钛金属相比较总体结果无统计学差异。

Matsuno等^[14]将钽丝植入兔软组织和股骨，用来测定钽丝对软组织和硬组织的反应。植入4周以后，钽金属表现出了优良的抗腐蚀性，并且无分解发生。大量的研究通过组织学分析证实钽金属假体周围的组织无炎症反应或出现巨噬细胞等^[15-16]，但是目前却没有关于多孔钽金属微粒或碎片的生物相容性和反应性报道，相对于整块钽金属的生物相容性研究，它的意义更重要。

2.3 生物活性传统的骨科植入金属不具备生物活性，不能直接联结到人体活体骨上。为了增强金属假体与骨界面的联结，各种具有生物活性的假体表面涂层逐渐发展起来。羟基磷灰石等生物陶瓷研究显示其能够自发的与骨界面联结。Miyazaki等^[17-18]的研究证实钽金属水凝胶在体外弱碱环境中能诱导形成类似骨质的磷灰石涂层，这种水凝胶涂层经过300 ℃的高温处理，能形成一种安全的无定形钽金属涂层^[5^，^19]。在模拟体液中浸泡1周，经过碱和热处理的钽金属基质表面有球状物沉积，试验证实沉积物是类似骨质的磷灰石^[20-21]。磷灰石形成以后，将吸引周围体液的钙磷离子自发聚集在假体与骨周围，使假体紧密结合在骨上。Barrere等^[16]评价了无钙磷涂层和有钙磷涂层钽金属的骨整合作用，证实碳酸磷灰石能促进骨整合和骨传导。他们认为有碳酸磷灰石涂层的多孔钽金属可以促进早期骨沉积，从而达到远期的稳定固定。Barrere等^[15]认为磷酸八钙的成骨作用比碳酸磷灰石更出色。磷酸八钙的表面更粗糙，并且吸收比碳酸磷灰石缓慢。改进多孔钽金属的钙磷涂层，获得最佳的溶解率和显微结构，将提高多孔钽金属的骨整合作用。

2.4 与成骨细胞的作用多孔钽可以促进细胞增殖，提高成骨细胞的造骨能力^[22-23]。动物实验结果证明，多孔钽能为骨长入和机械性联结提供结构支架^[8^，^14]。Findlay等^[24]用多孔钽金属和传统假体材料做比较，衡量其对人体成骨细胞的作用，发现在细胞生长速度、细胞黏附、基因表达和细胞形态学上，钽金属与传统假体材料(钛和钴铬合金)之间无差别。在底物依赖的实验中，两者在体外矿化、破骨和成骨相关的mRNA表达方面无差别。在表面结构相关的研究中，粗制和精炼的钽金属盘在促进成骨这方面无差别。钽金属有促进人体成骨细胞黏附、生长和分化，促进骨生长的功能，加强植入物与骨之间的连接，实现生物固定^[24]。

2.5 骨长入多孔钽金属的结构具有促进骨长入的作用^[25-26]，其中包括多孔钽柱^[27]、圆盘和髋臼假体等^[28]。Bobyn等^[29-31]将多孔钽柱植入犬体内，4周时机械性能测试证实多孔钽柱的剪切应力明显高于钴铬熔结珍珠面结构和其他多孔金属材料。这是因为多孔钽金属的高孔隙率可以为骨长入提供更大的容积空间。他们认为多孔钽金属能够与新生骨在16周形成相对完整的结合，但在之后的1年内却只有很小的变化。

Bobyn等^[30]将22例非骨水泥型多孔钽金属髋臼部件植入犬体内6个月，通过放射线、组织学和扫描电镜来监测骨与假体界面的稳定性。骨长入的深度为0.2-1.2 mm，在所有切片中，骨长入的平均值16.8%，边缘部分的骨长入达到25.1%。而早期Jasty等^[32]研究的钛纤维金属和钴铬熔结珍珠面材料的假体界面骨长入结果分别为21.5%和13.4%，钽金属均优于上述结果。这些实验室基础研究和动物实验结果证明，钽金属相对传统的多孔结构材料在骨整合方面能够提供更大的骨长入空间和更高的机械连接力，为钽金属的临床应用提供了理论上的支持。李海鹏等^[28]对53例(59髋) 应用多孔钽金属髋臼假体进行了初次全髋关节置换，通过临床功能、影像学评估和患者满意度评价来对疗效进行评估。其中42例获得随访，平均随访(33.0±7.4)个月，术后髋关节的活动范围和临床功能评价均明显提高(P < 0.05)，影像学检查假体无明显移位，假体周围无骨溶解发生，其中34例(80.1%) 在假体骨界面发现有明显的骨长入。

2.6 纤维组织长入钽金属能够促进纤维组织长入，能够促进韧带和肌腱直接连接到假体表面上，早期研究发现纤维组织在多孔结构中能够快速愈合^[8]，当多孔钽金属孔径增加到50 μm时更能够促进这种愈合。增加孔径、孔隙率和植入时间能够相应增加假体界面的血管化和组织附着力。Hacking等^[8]在犬皮下组织植入了矩形多孔钽金属块，分别在4，8，16周时对纤维组织的长入情况进行观察。组织学检查显示在多孔钽金属表面和内部都有软组织的长入，并且有血管形成。随着血管形成，这种软组织形成了一种致密有序的胶原束；并且测试4，8，16周时这种组织的附着力分别为60.7，70.9，89.4 g/mm，是熔结珍珠多孔表面的3-6倍。造成这种差异的原因可能是多孔钽金属的孔径是400-600 μm，而钴铬合金熔结珍珠多孔表面的孔径仅为90 μm左右，并且多孔钽金属的孔隙率高达80%，可以为纤维组织的长入提供更大的空间。多孔钽金属这种特性对其在四肢关节成形手术中的应用具有重要意义，可以促进韧带和肌腱黏附。

张海宁等^[27]对22例股骨头缺血性坏死患者进行了多孔钽金属棒系统固定治疗，术后随访2-25个月，检测指标包括Harris评分、髋关节X射线分期、植入物存留情况、并发症发生情况和患者的主观满意度。在随访期间，影像学检查未发现明显股骨头塌陷和囊变区扩大等现象，植入物与骨结合良好，未出现植入物松动、移位等并发症，大部分患者疼痛、跛行等症状明显减轻；至终末随访时Harris评分是85.5分(62-91分)，与术前相比差异有显著性意义；至随访结束，没有需行全髋关节置换继续治疗者。多孔钽金属的的孔隙率与骨的结构类似，为75%-80%，平均孔隙是430 μm，适合人体组织长入。植入动物模型后出现快速的骨和纤维组织长入，4周后长入多孔钽金属内的软组织可达1 cm，16周后可达 2.3 cm。对其植入股骨头内的生物力学测试表明，植入物本身的强度为植入后所受压力的9.3倍，并且可耐受4倍于体质量的疲劳实验^[27]。

2.7 软骨传导性 Gordon等^[33]认为多孔钽金属能够促进软骨生长，提供结构上的支持，证实了多孔钽金属的软骨传导性。从犬肱骨头和鹂鹋的膝关节取得软骨，然后体外培养，分为动态和静态环境两种情况，观察软骨细胞在多孔钽金属表面的生理行为。利用聚丙烯酰氨凝胶电泳(SDS-PAGE)技术检测软骨-钽金属冰冻切片中Ⅱ型胶原的含量^[34]。实验结果证实，在培养4周后静态组无组织生长，只检测到琼脂糖，而没有检测到胶原；在生物反应器的动态组，培养4周后钽金属表面出现了白色半透明组织，并且检测到84.5%的Ⅱ型胶原，与正常软骨的值相接近^[33]。Mardones等^[35]将软骨-钽复合物应用于软骨修复，先将2月龄兔骨膜与多孔钽金属制成复合物，培养基中培养6周以后，在多孔钽表面生成了透明软骨，其与多孔钽之间有纤维组织连结。与兔股骨髁软骨行机械性测试比较，在应力-应变曲线上两者相似^[35]。体外实验结果证实了软骨-钽复合物具有良好的软骨修复功能。

2.8 生物毒性生物体内清除钽的主要载体是巨噬细胞。实验显示，体内巨噬细胞在接触钽尘1 h后，均保持存活且无细胞变性，仅伴有葡萄糖氧化的明显增加，而相同条件下矽尘则可使巨噬细胞出现严重胞浆变性和死亡^[36]，这说明钽是无细胞毒性的，对人体没有任何毒害作用。

参考文献

[1] 路荣建,刘洪臣.多孔钽作为骨植入材料的研究进展[J].中华老年口腔医学杂志,2013, 11(3):173-176.
[2] 邓俊才,王跃.钽金属在骨科的应用[J].生物医学工程学杂志, 2011,28(2):419-422.
[3] Jafari SM,Bender B,Coyle C,et al.Dotantalum and titanium cups show similar vesults in revision hip artroplasty.Clin Orthop Relat Res.2010;468(2):459-465.
[4] 梁卫东,王宏伟,王志强.不同骨组织工程支架材料的生物安全性及性能[J].中国组织工程研究与临床康复, 2010,14(34): 6385-6388.
[5] Cohen R.A porous tantalum trabecular metal: Basic science. Am J Orthop.2002; 31(4):216-217.
[6] 贺瑞,张文志,尚希福,等.钽金属椎间融合器在腰椎间盘突出症减压术后复发融合术中的应用[J].颈腰痛杂志,2013,34(5): 387-390.
[7] Zardiackas LD,Parsell DE,Dillon LD,et al.Structure, metallurgy, and mechanical properties of a porous tantalum foam.J Biomed Mater Res.2001;58(2):180-187.
[8] Hacking SA,Bobyn JD,Toh K,et al.Fibrous tissue ingrowth and attachment to porous tantalum.J Biomed Mater Res. 2000; 52(4):631-638.
[9] 郭敏,郑玉峰.多孔钽材料制备及其骨科植入物临床应用现状[J].中国骨科临床与基础研究杂志,2013,5(1):47-55 .
[10] Shimko DA,Shimko VF,Sander EA,et al.Effect of porosity on the fluid flow characteristics and mechanical properties of tantalum scaffolds.J Biomed Mater Res B Appl Biomatcr. 2005;73(2):315-324.
[11] Heiner AD,Brown TD,Poggie RA.Structural efficacy of a novel porous tantalum implant for osteonecrosis grafting. Trans Orthop Res Soc.2001;26:480.
[12] Zhang Y,Ahn PB,Fitzpatrick DC,et al.Interfacial frictional behavior: cancellous bone. cortical bone,and a novel porous tantalum biomaterial.J Musculoskeletal Res. 1999;3(4): 245-251.
[13] Balla VK,Bose S,Davies NM,et al.Tantalum-A bioactive metal for implants. J Metals.2010;62(7):61-64.
[14] Matsuno H,Yokoyama A,Watari F,et al.Biocompatibility and osteogenesis of refractory metal implants, titanium, hafnium, niobium,tantalum and rhenium. Biomaterials. 2001;22: 1253-1262.
[15] Barrere F,van der Valk CM,Dalmeijer RA,et al.Osteogenecity of octacalcium phosphate coatings applied on porous metal implants.J Biomed Mater Res. 2003;66A(4):779-788.
[16] Barrere F,van der Valk CM,Meijer G,et al.Osteointegration of biomimetic apatite coating applied onto dense and porous metal implants in femurs of goats.J Biomed Mater Res. 2003; 67B(1):655-665.
[17] Miyazaki T,Kim HM,Miyaji F,et al.Bioactive tantalum metal prepared by naoh treatment.J Biomed Mater Res. 2000;50: 35-32.
[18] Miyazaki T,Kim HM,Kokubo T,et al.Mechanism of bonelike apatite formation on bioactive tantalum metal in a simulated body fluid.Biomaterials. 2002;23(3):827-832.
[19] Kokubo T.Metallic materials stimulating bone formation.Med J Malaysia. 2004;59(Suppl B):91-92.
[20] Kokubo T,Kushitani H,Sakka S,et al.Solutions able to reproduce in vivo surface-structure changes in bioactive glass-ceramic.J Biomed Mater Res. 1990;24:721-734.
[21] Kim HM,Miyaji F,Kokubo T,et al.Preparation of bioactive ti and its alloys via simple chemical surface treatment.J Biomed Mater Res.1996;32:409-417.
[22] Sagomonyants KB,Hakim-Zargar M,Jhaveri A,et al.Porous tantalum stimulates the proliferation and osteogenesis of osteoblasts from elderly female patients. J Orthop Res. 2011; 29(4):609-616.
[23] 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.
[24] Findlay DM,Welldon K,Atkins GJ,et al.The proliferation and phenotypic expression of human osteoblasts on tantalum metal.Biomaterials. 2004;25(12):2215-2227.
[25] Dabrowski B,Swieszkowski W,Godlinski D,et al.Highly porous titanium scaffolds for orthopaedic applications.J Biomed Mater Res B Appl Biomater.2010;95(1):53-61.
[26] 朱留洋,李琪佳.金属钽在骨损伤康复治疗中的应用[J].中国矫形外科杂志,2013,21(6): 578-581.
[27] 张海宁,吕成昱,王英振,等.多孔涂层钽金属棒系统治疗成人股骨头缺血性坏死[J].中国组织工程研究,2012,16(38):7053-7056 .
[28] 李海鹏,姚建华,孙天胜,等.多孔钽金属髋臼假体在初次全髋关节置换中的应用[J].解放军医药杂志,2013,25(9):32-34.
[29] Bobyn JD,Stackpool GJ,Hacking SA,et al.Characteristics of bone ingrowth and interface mechanics of a new porous tantalum biomatcrial.J Bone Joint Surg Br. 1999;81(5):907-14.
[30] Bobyn JD,Toh KK,Hacking SA,et al.Tissue response to porous tantalum acetabular cups: a canine model.J Arthroplasty. 1999;14(3):347-354.
[31] Bobyn JD,Pilliar RM,Cameron HU,et al.The optimum pore size for the fixation of porous-surfaced metal implants by the ingrowth of bone.Clin Orthop. 1980;150:263-270.
[32] Jasty M,Bragdon CR,Haire T Jr,et al.Comparison of bone ingrowth into cobalt chrome and titanum fibre mesh porous coated cementless canine acetabular components.J Biomed Matter Res.1993;27:639-644.
[33] Gordon WJ,Conzemius MG,Birdsall E,et al. Chondroconductive potential of tantalum trabecular metal. J Biomed Mater Res B Appl Biomater.2005;75(2):229-333.
[34] O'Driscoll SW,Commisso CN,Fitzsimmons JS.Type ii collagen quantification in experimental chondrogenesis. Osteoarthritis Cartilage.1995;3(3):197-203.
[35] Mardones RM,Rcinholz GG,Fitzsimmons JS,et al. Development of a biologic prosthetic composite for cartilage repair.Tissue Eng.2005;11(9-10):1368-1378.
[36] Schepers SW.The biological action of tantalum oxide.AMA Arch Ind Health.1955;12(2):121.
[37] Zhao T,Yang R,Zhong C,et al.Effective inhibition of nickel release by tantalum-implanted TiNi alloy and its cyto- compatibility evaluation in vitro. J Mater Sci. 2011;46(8): 2529-2535.
[38] 李祥,于晓明,王成焘,等.钽涂层多孔钛合金支架的制备与表征[J].稀有金属材料与工程,2012,41(11):2049-2053.
[39] 于晓明,谭丽丽,杨柯.钽金属的医学应用研究进展[J].材料导报, 2012,26(1):79-82.
[40] 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. Biomed Mater.2010;5(6): 65-68.
[41] Oh KJ,Pandher DS.A new mode of clinical failure of poroustantalum rod. Indian J Orthop.2010;44(4):464-467.