多孔钽金属的骨外科应用：关节置换假体及软骨重建支架

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.12.026

摘要/Abstract

摘要：

背景：多孔钽金属具有稳定的生物学特性、良好的生物相容性，且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，是一种较理想的骨科植入材料。
目的：综述钽金属在人工关节、脊柱、骨坏死和骨缺损等方面的应用现状。
方法：应用计算机检索1990至2014年PubMed数据库、万方数据库及维普数据库，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，这些优点提高了其在体内的稳定性，是一种良好的骨科植入材料，多用于一体化髋臼杯、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、钽金属椎间融合器等，取得了良好的临床效果。

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, 骨生物材料, 多孔钽, 生物学特性, 骨科应用, 关节置换假体, 软骨重建支架

Abstract:

BACKGROUND: Porous tantalum with high porosity, low elastic modulus, high friction coefficient has stable biological characters and good biocompatibility, which is considered as an ideal implant material in orthopedic surgery.
OBJECTIVE: To review the application situation of porous tantalum used in artificial joints, spine, bone necrosis, defects of bone and so on.
METHODS: A computer-based search of PubMed, Wanfang, and VIP databases was performed for relevant articles published from 1990 to 2014 using the keywords of “porous tantalum, biological character, orthopedic applications” in English and Chinese.
RESULTS AND CONCLUSION: Porous tantalum is a kind of good orthopedic implant material, with high porosity, low elastic modulus, high friction coefficient, and good compatibility. Porous tantalum is mostly used in the preparation of integrated acetabular cup, total hip arthroplasty acetabular cup, acetabular reinforcing pad, porous tantalum metal rod, tibial plateau prosthesis, patellar prosthesis and tibial plateau prosthesis, which has achieved good clinical effects.

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, Hip Prosthesis, Joint Prosthesis

中图分类号:

R318

李斌，夏卿，华永新，杨光，裴小捷 . 多孔钽金属的骨外科应用：关节置换假体及软骨重建支架[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(12): 1943-1947.

Li Bin, Xia Qing, Hua Yong-xin, Yang Guang, Pei Xiao-jie . Porous tantalum in orthopedic applications: joint replacement and cartilage reconstruction scaffolds[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(12): 1943-1947.

图/表（结果） 1

2.1 多孔钽金属的生物学特性 多孔钽金属的制作过程是先热降解多聚泡沫材料聚亚安酯前体，得到多重的十二面体排列的碳骨架，这一碳骨架呈纵横交错的网格和遍布整体的微孔，然后将纯钽通过化学气相沉积/渗透技术(CVD/CVI)结合到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。

理想的骨科植入材料必须具有较好的机械性能。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，明显低于钛合金(110 GPa)和钴铬合金(220 GPa)。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。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的孔隙率是30%-35%。与自体骨移植物和传统的金属材料相比，多孔钽金属能提供更好的初始稳定性。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生长，医学上称之谓生物相容性^[8]。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，表现出良好的稳定性^[9]。多孔钽还可以促进细胞增殖，提高成骨细胞的造骨能力^[10-11]。动物实验证明，多孔钽能为骨长入和机械性联结提供结构支架^[12-13]，并且多孔钽金属的结构除了具有促进骨长入的作用^[14-15]，还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。早期研究发现纤维组织在多孔结构中能够快速愈合^[12]，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使假体界面的血管化和组织附着力相应增加^[16]。

2.2 多孔钽金属在骨外科应用 见图1。

2.2.1 一体化髋臼杯 多孔钽一体化髋臼是先制作一多孔钽罩，厚约5 mm，然后通过压膜法将超高分子聚乙烯臼衬直接压入整块的多孔钽罩，聚乙烯臼衬一般进入多孔钽罩内1.0-2.0 mm，外层仍有2.0-3.0 mm厚的多孔钽，其网格和微孔结构有利于骨与软组织的长入^[17]。这种一体化髋臼的硬度比有实心金属后背的髋臼杯低数倍，但是更多的生理性载荷能传递到周围骨组织。多孔钽一体化髋臼的切面并不是半球形，而是稍呈椭圆形，这种设计可以保证其在髋臼边缘卡压良好，增强了髋臼假体植入后的早期稳定性。而且为了阻止聚乙烯磨损的碎屑游离到假体-髋臼骨面，这种髋臼假体没有设计螺钉固定孔和臼顶安装孔。

这种假体的设计有以下几个优点：聚乙烯内衬和金属臼罩的一体化设计，避免臼衬底层的磨损；多孔钽金属的弹性模量低，减少了髋臼骨质应力性遮挡的丢失；多孔钽金属表面的摩擦系数高，增强了髋臼植入的早期稳定性；多孔钽金属的孔隙率高有利于骨长入，增强了其远期稳定性。

Meneghini等^[18]认为和传统骨水泥型髋臼相比较，多孔钽金属髋臼杯的稳定性更高。Macheras等^[19]用钽金属髋臼假体对82例患者(86髋)行全髋关节置换，术后进行了7-7.5年(平均7.3年)的随访。术后定期复查X射线片均未发现髋臼杯移位、磨损及周边骨溶解等现象。术后25髋X射线片上出现了1.0-1.5 mm的间隙，随访发现所有间隙均呈进行性缩小，术后2年空白间隙在影像学上消失，被认为是有骨组织长入所致。Gruen等^[17]对行多孔钽金属髋臼假体置换的542例患者(574髋)随访了24-58个月，早期有80个髋臼的100个X射线分区上可见髋臼与假体间的间隙，到随访结束时，84个间隙已完全消失，认为是有骨长入所致。其中有1例髋臼杯因为反复脱位在术后2年取出，大体观察显示多孔钽金属上有大片骨组织附着，非脱钙薄切片的组织学分析证实有多个区域的骨长入。Nakasima等^[20]对采用多孔钽金属髋臼杯进行全髋关节置换后5年的临床及影像学情况进行了随访，结果显示所有的假体影像学显示位置良好，无骨溶解情况，聚乙烯的平均年磨损率为0.004 mm/年，可认为多孔钽金属髋臼杯在5年随访时显示完美的结果。

2.2.2 全髋关节翻修臼杯与髋臼增强垫块 Fernández-Fairen等^[21]采用多孔钽一体化髋臼行髋臼翻修手术共263例，术后随访60-84个月，翻修手术成功率达87%，X射线片检查示所有假体髋臼固定良好。Lachiewicz等^[22]在髋臼翻修中使用多孔钽髋臼，37例(39髋)平均随访3.3年，术后平均Harris评分86，39髋中38个(97%)放射学固定，有1个在6个月时发生机械故障，认为钽髋臼在难做的髋臼翻修中能够提供稳定的固定。复杂的髓臼翻修需要使用顶部有螺孔的多孔钽金属髋臼杯和骨水泥聚乙烯内衬，有学者应用该技术进行了261例翻修手术，术后随访2-4年，1例随骨盆断裂而移动，其余所有重建的髋关节都保持稳定，影像学无放射透亮线。因为其结构单一，生物相容性好，多孔钽金属也被当作骨移植的替代品在临床广泛使用，常用于填充骨缺损、初始螺钉固定骨盆、带一薄层骨水泥与翻修臼杯连接（避免金属-金属摩擦）等，也可设计成不同形态和大小的髋臼增强垫块。

2.2.3 多孔钽金属棒 股骨头坏死Steinberg分期Ⅲa期以下(包括Ⅲa期)的病变行预防性手术治疗有效，可以阻止坏死的继续进展。目前最常用的有效术式是髓芯减压和带血管蒂腓骨植骨，但单纯钻孔减压缺乏对软骨下骨板的结构支撑，并且钻孔减压后骨板骨折的风险增大。多孔钽金属棒有良好的生物相容性和弹性模量，可为软骨下骨板起支撑作用。多孔钽金属棒是一长 70-130 mm、直径10 mm的圆柱体，末端螺纹部分长 25 mm，直径14 mm，这种设计可使其与周围骨质产生高摩擦力，使植入物的位置稳定，末端呈半球形则用来支撑软骨下骨板，在预防股骨头塌陷、简化手术步骤等方面有一定的优势^[23]。

Floerkemeier等^[24]对23例股骨头缺血性坏死行髓芯减压多孔钽金属棒植入，术后平均随访1.45年，13例股骨头缺血性坏死发展至塌陷，最终接受人工全髋关节置换。Veillette等^[25]对52例(58髋)股骨头坏死患者进行了髓芯减压加多孔钽金属棒植入，术后随访48个月，9髋最终因股骨头塌陷行人工全髋关节置换，其余股骨头都存活良好。Tsao等^[26]对98例(113髋)股骨头坏死患者行髓芯减压加多孔钽金属棒植入，术后随访4年，股骨头存活率达到了72.5%，影像学分析没有出现假体松动和放射性透光线。张海宁等^[27]对22例股骨头缺血性坏死患者施行了髓芯减压加多孔钽金属棒植入治疗，术后随访2-25个月，至随访终末时所有股骨头存活良好，无塌陷，没有需行全髋关节置换者，Harris评分为85.5分(62-91分)，高于术前的52.5分。临床证明多孔钽金属棒植入是治疗早期股骨头坏死的一种有效术式，并且临床效果优于其他的预防性手术。

2.2.4 胫骨平台假体 多孔钽还应用于膝关节置换，与整体髋臼杯设计的理念相同，用压模法直接将超高分子聚乙烯压入整块的多孔钽金属制成整体胫骨假体，减少了胫骨近端的应力遮挡，也避免了聚乙烯垫底面磨损。Unger等^[28]应用多孔钽一体化胫骨假体对95例(108膝)患者施行人工全膝关节置换，术后随访2-4.5年，术后膝关节学会评分（Knee Society Score，KSS）89分，远高于术前的36分；所有病例均固定良好，不需要翻修。Florio等^[29]应用多孔钽金属胫骨平台假体对86例患者(101膝)行人工全膝关节置换并随访2年，其中72例胫骨平台假体是非骨水泥型，29例仅在底座下采用了骨水泥固定(固定栓的周围不用)。末次随访非骨水泥和骨水泥假体的HSS评分相同，假体与骨组织界面没有新的放射透亮线，所有病例都获得了成功。

2.2.5 髌骨假体 多孔钽金属全髌骨假体用于髌骨骨缺损或缺如的病例，用以恢复膝关节的生物力学。它主要由以下3部分组成：多孔钽一面隆起，一面平坦，像围棋子，隆起的一面与髌骨床或者与髌韧带相结合，平坦的一面和聚乙烯人工髌骨相固定；在多孔钽的边缘是纯钛的，上面有孔，经该孔可以将髌骨假体缝合到髌韧带上；聚乙烯人工髌骨一面和多孔钽金属相固定，另一面和股骨滑车相关节。

髌骨严重缺损和髌骨切除后的患者由于伸膝装置结构不全，导致人工全膝关节置换后的效果大受影响，多孔钽金属全髌骨假体的出现为这类患者带来了福音。Kamath等^[30]对23例髌骨严重缺损的患者行人工全膝关节置换，术后平均随访7.7年，其中4例最终行膝关节翻修手，假体存活率为83%(19/23)。Nasser等^[31]采用多孔钽金属髌骨假体对11例患者行人工全膝关节置换，随访32个月，术后影像学检查假体稳定，患者膝关节的活动度大幅度提高到103°远高于术前的62°。由此可见多孔钽金属全髌骨假体是安全有效的。

2.2.6 胫骨锥状填充物 膝关节翻修中严重的胫骨缺损是处理技术上的一大难题，多孔钽金属胫骨锥状填充物的研发能为处理这种严重复杂的胫骨缺损带来希望。这种多孔钽金属制成的胫骨锥状填充物能和宿主骨相结合可取得良好的生物固定，并且可用骨水泥把胫骨假体基板、延长柄和填充物同时粘接在一起，为翻修假体提供结构支撑和有效固定。在膝关节翻修时，如果植入同种异体骨可获得长期生物固定，并且降低骨吸收、骨不愈合和塌陷等不良后果的概率。而其他金属填充块或垫块因不具备多孔结构而无法获得骨整合，只能依靠骨水泥的填充与硬化固定在胫骨干骺端。Radnay与Scuderi^[32]对10例人工全膝关节置换后严重胫骨假体周围骨缺损和关节不稳的患者实施了膝关节翻修手术，用多孔钽金属锥状填充物填补缺损，并对胫骨假体间进行牢靠固定，术后平均随访10个月，所有患者影像学显示固定良好，未见明显的假体松动和移位现象。

2.2.7 定制假体 多孔钽金属目前还被应用于假体的定制，常用于骨肿瘤切除后的肢体重建和严重的创伤后骨缺损，例如组配式袖套、各种垫块等，能够为骨组织切除部位提供的有效的固定和结构性支撑，有利于骨愈合、肌键和韧带附着处的软组织愈合。多孔钽金属的机械强度不高，一般不用来定制股骨柄、股骨髁等假体，但并不影响其独特的局部支撑和传导成骨作用。Chalkin等^[33]报告了1例应用定制假体配合多孔钽金属组配式袖套治疗股骨近端粉碎性骨折术后感染骨质缺损的患者，术后随访3年，获得了满意的稳定性和临床效果。

2.2.8 脊柱融合装置 坦金属弹性模量与骨基本相似，用坦金属制成的椎间融合器具有微孔，骨组织沿微孔生长，在椎间植骨融合时特别是在全椎板切除患者中，能节省身体其他部位的骨组织，避免取骨部位的损伤，同时也不影响椎间植骨融合效果。目前美国正在进行颈椎和腰椎融合装置的调查研究，而在欧洲相同的脊柱融合装置已经有了近5年的临床研究^[26]。Wigfield等^[34]采用钽金属椎间融合器进行颈椎融合手术并用自体髂骨植骨，术后随访12个月，所有患者椎间融合良好。贺瑞等^[35]采用多孔钽金属椎间融合器对22例腰椎间盘突出症术后复发患者，行后路钉棒系统固定经关节突入路椎间植骨融合，术后随访24-31个月，所有病例无钉棒断裂和椎间融合器下沉，术后随访406个月影像学显示椎间植骨融合。

参考文献

[1] 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.
[2] 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.
[3] 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.
[4] 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.
[5] 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.
[6] 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.
[7] 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.
[8] Balla VK,Bose S,Davies NM,et al.Tantalum-A bioactive metal for implants. J Metals.2010;62(7):61-64.
[9] Cohen R.A porous tantalum trabecular metal: Basic science.Am J Orthop.2002; 31(4):216-217.
[10] 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.
[11] 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.
[12] 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.
[13] 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.
[14] 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.
[15] 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.
[16] 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.
[17] Gruen TA,Poggie RA,Lewallen DG,et al.Radiographic evaluation of a monoblock acetabular component. A multicenter study with 2 to 5 year results. J Arthroplasty. 2005;20(3):369-378.
[18] Meneghini RM,Meyer C,Buckley CA,et al.Mechanical stability of novel highly porous metal acetabular components in revision total hip arthroplasty. J Arthroplasty.2010; 25(3): 337-341.
[19] Macheras GA,Papageloppoulos PJ,Kateros K,et al. Radiological evaluation of the metal-bone interface of a porous tantalum monoblock acetabular component.J Bone Joint Sung (Br).2006;88:304-309.
[20] Nakasima Y,Mashima N,Imai H,et al.Clinical and radiographic evaluation of total hip arthroplasties using porous tantalum modular acetabular components：5-year follow-up of clinical trial.Mod Rheumatol.2013;23(1)112-118.
[21] Fernández-Fairen M,Murcia A,Blanco A,et al.Revision of failed total hip arthroplasty acetabular cups to porous tantalum components: a 5-year follow-up study. J Arthroplasty. 2010;25(6):865-872.
[22] Lachiewicz PF,Soileau ES.Tantalum components in difficult acetabular revisions. Clin Orthop Relat Res.2010;468(2): 454-458.
[23] Wang S,Song X,Sun Y.Short-term effect of trabecular metal rod implant on early avascular necrosis of the femoral head.Zhongguo Xiu Fu Chong Jian Wai Ke Za Zhi. 2011; 25(11): 1335-1338.
[24] Floerkemeier T,Thorey F,Daentzer D,et al.Clinical and radiological outcome of the treatment of osteonecrosis of femoral head using the osteonecrosis intervention implant.Int Orthop.2011;35(4):489-495.
[25] Veillette CJ,Mehdian H,Schemitsch EH. Survivorship analysis and radiographic outcome following tantalum rod insertion for osteonecrosis of the femoral head.J Bone Joint Surg (Am). 2006;88 Suppl 3:48-55.
[26] Tsao AK,Roberson JR,Christie MJ.Biomechanical and clinical evaluations of a porous tantalum implant for the treatment of early-stage osteonecrosis. J Bone Joint Surg (Am) .2005;87 Suppl 2:22-27.
[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] Unger AS,Duggan JP.Midterm results of a porous tantalum monoblock tibia component clinical and radiographic results of 108 knees. J Arthroplasty.2011;26(6): 855-860.
[29] Florio CS,Poggie RA,Sidebotham C,et al. Stability characteristics of a cementless monoblock porous tantalum tibial implant without ancillary fixation.Trans Orthop Res Soc. 2004;29:1530.
[30] Kamath AF,Gee AO,Nelson CL,et al.Porous tantalum patellar components in revision total knee arthroplasty minimum 5-year follow-up.J Arthroplasty.2012; 27(1):82-87.
[31] Nasser S,Poggie RA.Revision and salvage patellar arthroplasty using a porous tantalum implant.J Arthroplasty. 2004;19(5):562-572.
[32] Radnay CS,Scuderi GR. Management of bone loss:augments, cones,offset stems. Clin Orthop Relat Res.2006;(446):83-92.
[33] Chalkin B,Minter J.Limb salvage and abductor reattachment using a custom prosthesis with porous tantalum components. J Arthroplasty.2005;20:127-130.
[34] Wigfield C,Robertson J,Gill S.Clinical experience with porous tantalum cervical interbody implants in a prospective randomized controlled trial.Br J Neurosurg.2003;17:418-425.
[35] 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.