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醫用多孔金屬鉭材料的基礎研究與應用
目前，多孔金屬鉭優良的力學性能和組織相容性而應用于臨床，下面是小編搜集整理的一篇探究醫用多孔金屬鉭材料基礎的論文范文，供大家閱讀參考。
[摘要] 金屬鉭一般用于制作電容器的陽極。除此之外因其具有合適的機械強度、良好的彈性模量、耐腐蝕性、良好的生物相容性、高孔隙率、合適的孔徑以及立體空間結構而作為骨移植材料受到醫學界特別是骨科界的廣泛關注。該文通過查閱目前國內外相關文獻，就多孔鉭金屬材料在醫學領域中的基礎研究及應用進行綜述。
[關鍵詞] 金屬鉭;骨移植材料;生物相容性
目前醫用骨修復材料主要有天然衍生骨材料、醫用陶瓷類以及金屬及其合金材料等。鉭具有高摩擦系數，這將使其具有較好的機械穩定性并且當鉭移植物植入動物體內后沒有周圍炎癥反應而具有優良的生物相容性。因此在骨折內固定等外科手術中發揮了重要作用[1]。然而大量的臨床研究表明，目前臨床上所使用金屬材料由于具有腐蝕性、彈性模量過高等原因導致的疲勞折斷、金屬過敏、假體松動等，不能完全滿足人體生理環境、生物力學以及使用壽命的要求[2]。上世紀末美國Zimmer公司研制的新型醫用多孔鉭材料與傳統的金屬材料如鈦、鎂以及合金相比，具有更強的抗腐蝕性 、更高的摩擦系數、更好的耐磨損性，同時多孔鉭在彈性模量、機械強度、抗疲勞性、生物相容性方面也有出色的表現;其高孔隙率對于細胞粘附增殖以及促進纖維和骨組織向內生長極為有利，同時細胞可以在相互連通的孔隙內自由地進行物質交換，從而使其具有很好的促組織內生性和骨傳導性，可以達到生物固定的目的[3-5]。多孔鉭優秀的特質使其很快被用于骨組織工程支架材料方面的研究并取得了令人鼓舞的效果。
1 多孔金屬鉭的物理特性
鉭(tantalum)是一種難熔金屬， 熔點近3 000度 ，外觀呈深灰色，表面光潔，多孔狀結構。表面及斷面可見分布均勻的蜂窩狀孔隙，針尖大小。掃描電鏡觀察材料表面及斷面可見20～50 μm的微粒，微粒之間有分布均勻直徑約400～600 μm的微孔結構[6]�？紫秲炔肯嗷ミB通。鉭在生物體內極其穩定， 在常溫及各種環境中均不溶解， 也不呈現化學反應。當它與一些元素如氧、碳以及氮等元素具有高親和力，常溫下在鉭周圍形成保護膜而具有抗腐蝕性特點。多孔鉭由鉭粉制備而成，鉭粉經加熱形成鉭蒸汽而沉積于碳或其它元素形成的支架，去除支架后及可獲得高孔隙率75%～85%，孔徑約400～600 μm，具有三維立體空間構型的多孔鉭材料[7-8]。在醫學上，鉭是比較理想的骨科植入材料，有“小梁金屬”之稱。它與人體骨骼、肌肉組織直接接觸時，具有事宜的機械強度，其彈性
模量介于具有介于皮質骨和松質骨之間，可以支撐人體骨骼。與體液接觸時，能夠與生物細胞相適應，具有極好的親和性，幾乎不對人體產生刺激。同時鉭的三維立體結構的空隙具有一定的密度，同時也同時多孔鉭的可塑性特點還可以使其在臨床醫學領域中制備成各種形狀的骨科內固定器材，如用于治療骨折的接骨板、螺釘、、鉭板或鉭片修骨;鉭絲和鉭箔可以縫合神經和肌腱，甚至是神經纖維，鉭網可以用來修補肌肉組織等[9-11]。
2 多孔金屬鉭的細胞相容性
正常情況下，人體可吸收與代謝以不溶性鉭鹽的形式存在于生物體內的微量鉭元素。當鉭進入體內后，機體清除鉭的主要方式是巨噬細胞的吞噬反應。如肺泡巨噬細胞吞噬消化及降解。但是經實驗證明這些吞噬反應是輕微的，并不足以使得吞噬細胞發生變性、壞死及崩解，細胞保持良好狀態。這與矽肺病時，含有游離二氧化矽粉塵進入人體時所發生的肺泡巨噬細胞最終導致變性壞死崩解的現象正好相反[12-14]。這說明鉭元素無細胞毒性，具有良好的細胞相容性，對人體無害。目前，鉭以其優異的理化特性及特有的3D結構被應用于骨組織工程支架材料。有研究證明[15-16]：體外將動物成骨細胞與鉭復合培養后通過各種顯微鏡形態學分析與MTT的定量分析，清楚的揭示了多孔鉭比多孔鈦更優的生物相容性。與多孔鈦相比，多孔鉭表面有更多的細胞粘附和細胞的微伸展，并且對成骨細胞無接觸抑制現象存在。在多孔鉭與成骨細胞聯合培養時中，成骨細胞外基質分泌并且發生鈣化也證明了成骨細胞與多孔鉭細胞具有良好的細胞相容性。同時當二者共同培養時鉭可以促進成骨細胞粘附、增殖并向其內部孔隙長入，提高成骨細胞的成骨能力，從而加強與骨組織的整合及固定能力。Findlay等[17]用人成骨細胞復合5 mm厚多孔片鉭并與鈦、鉻-鈷合金對比檢測細胞增殖與功能基因的表達，結果顯示不同的金屬材料測量參數中并無顯著差異。通過細胞形態學觀察和共聚焦顯微鏡鑒定人成骨細胞在不同基質材料上附著情況相似。無論是細胞數量還是細胞分裂數，鉭金屬材料與其它基質材料均無差異。通過對成骨細胞或成骨活性的眾多基因mRNA表達水平分析，鉭金屬與其它基質材料無顯著差異有時甚至高于其它材料。人成骨細胞體外礦化結果也顯示鉭金屬較其他材料無差異。表明鉭金屬是人成骨細胞粘附、增殖與分化的良好支架材料。李矛等[18]將細胞與鈦、羥基磷灰石及鉭涂層支架材料復合培養時，細胞的相對增殖率以鉭涂層最高，為113.2%，羥基磷灰石涂層次之，為110.5%，鈦涂層最低，為109.8%。表明3種支架材料均對細胞無生長抑制作用。但鉭涂層表面更適合細胞的黏附、生長。也有人將兔骨髓基質干細胞接種在多孔鈦及鉭涂層多孔鈦合金支架材料，在各個時間點鉭涂層支架表面的增殖及粘附效果均顯著優于多孔鈦合金支架，說明鉭涂層支架較多孔鈦合金支架有更好的細胞相容性，有望成為新一代的生物醫用金屬材料[19]。
3 多孔金屬鉭的組織相容性
目前，多孔金屬鉭優良的力學性能和組織相容性而應用于臨床。美國在多孔金屬鉭的生產與研究方面領先于其他國家，其中Zimmer公司生產的多孔鉭材料除具有三維多孔結構且可促進成骨細胞黏附、分化生長，利于水及營養物質在多孔鉭內的運輸之特點。人體的組織再造、植骨及置換術等都可應用多孔鉭材料植入骨缺損部位，骨質會沿著多孔鉭孔隙及與宿主界面長入，使鉭材料充分與骨組織緊密結合并融為一體。作為支架材料植入人體后，由于其優良的組織相容性使得多孔鉭在人體內不降解，因此也不需要二次手術取出[20]。此外，多孔也可鉭作為人工關節材料顯示出無以倫比的優越性：如多孔鉭的彈性模量與比自己相對大的皮質骨相互作用時，由于多孔鉭具有較好的柔韌性及可塑性，因此并無變形且斷裂的現象出現。這一特性可使得在關節重建術中所植入的鉭假體與宿主骨之間匹配良好并無松動，提高了植入假體的穩定性。國外許多文獻也證實了多孔鉭具有良好的組織相容性。Zardiackas[21]研究發現多孔金屬鉭屈曲強度為10 Nm，人腓骨平均屈曲強度為8～12.5 Nm，兩者大小相似。多孔金屬鉭彈性模量約為3 GPa，和正常人體骨相似，所以在提供足夠生理支持的情況下還可以很大程度上的降低應力遮擋，從而更加有利于骨質的長入與重塑，而鈦合金、鈷鉻合金等彈性模量明顯高于骨皮質，容易產生應力遮擋。醫用多孔金屬鉭質地堅固，抗磨損、抗疲勞能力均優于骨松質、陶瓷制品、凍干骨片，可以提供足夠的生理負荷。這種多孔金屬鉭已廣泛用于臨床，比如多孔鉭假體治療人工關節翻修術后、骨腫瘤切除術后、嚴重關節炎、嚴重創傷后骨缺損，多孔鉭棒治療早期股骨頭壞死，多孔金屬鉭椎間盤融合椎體等，并且效果滿意[22]。
4 結語
目前的研究多為材料學及在骨科領域中的應用，其它學科都待開發。雖然多孔鉭金屬材料在骨科領域的應用目前并且取得了不錯的短期臨床療效。但其理論上的優勢仍有待于臨床證據和長期的臨床隨訪。這就需要加強基礎理論與相關交叉學科知識的學習。對其成形機理， 孔隙結構及孔隙率進行更加全面的研究， 爭取更快的推進其多孔鉭的國產化及批量生產。擴大其在骨科及口腔科的應用范圍。相信隨著制備工藝以及臨床技術的日趨成熟，越來越多的金屬鉭支架材料會材料應用到臨床中。
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