鉭金屬醫學運用研發

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金屬材料具有優異的綜合力學性能和抗疲勞特性，特別適用于人體承力部位的骨替代植入。因此，不銹鋼、鈦合金和鈷基合金等多種金屬材料作為生物醫用材料已經廣泛應用于臨床，并且取得了較好的治療效果。但是，復雜的人體內環境會引起材料腐蝕而導致有毒元素的釋放[1]，從而導致金屬材料的生物相容性降低。此外，金屬材料的彈性模量與人體骨組織相差過大，易產生應力遮擋效應，不利于新骨的生長和重塑，甚至導致二次骨折口]。以上這些不足對于金屬材料作為生物醫用材料的臨床應用產生了一定負面影響。目前，鉭金屬以其特有的優勢吸引醫學工作者和材料科研人員的關注。與現有醫用金屬材料相比，鉭主要具有兩方面的明顯優勢：(1)鉭具有更為優異的耐蝕性能，常溫下，鉭與鹽酸、濃硝酸甚至“王水”都不發生化學反應，一般的無機鹽對鉭均沒有腐蝕作用；(2)鉭的生物相容性更佳，植入一段時間后，生物組織易在鉭表面上生長，所以鉭又有“親生物金屬”之稱_4]。金屬鉭的諸多優勢為其在醫療領域的應用提供了廣闊的發展空間。鉭是一種略帶蘭色的淺灰色金屬，質地堅硬，密度為16．5g／cm。，熔點為3014℃，彈性模量為186～191GPa，冷加工后鉭的抗拉強度為200300MPa，延伸率為10～25，具有良好的延展性和韌性。2O世紀5O年代后，由于鉭在化工、電子、機械加工、電氣和航天等工業中的應用不斷擴大，促進了鉭提取工藝研究和生產的發展。我國于2O世紀6O年代初期建立了鉭的冶金工業，為鉭在工業領域中的廣泛應用建立了必要的原料基礎。隨著人們對鉭研究的不斷深入以及醫務人員對其臨床應用的肯定，鉭金屬已成為生物醫用材料領域中一個很有前景的發展方向。

1鉭應用的生物學基礎

不溶性的鉭鹽經過口腔或局部注射均不被人體吸收，胃腸道對可溶性鉭鹽的吸收量也極小。鉭一旦進入人體后，負責清除鉭的主要載體是吞噬細胞，體內吞噬細胞在接觸鉭塵1h后均可存活且無細胞變性，僅伴有葡萄糖氧化的明顯增加。而在相同條件下，矽塵則可使吞噬細胞出現嚴重胞漿變性和死亡，這說明鉭是無細胞毒性的[5]。1940年，純鉭首次被應用于骨科醫療[6]，多數報道顯示鉭金屬作為人體植入物未發現任何不良反應。

2鉭的醫學應用

2．1鉭絲

鉭的延展性好，可制成與頭發絲相當甚至更細的細絲。鉭絲作為手術縫合線具備滅菌簡易、刺激較小、抗張力大等優點，但同時也存在不易打結的缺點。鉭絲可用于縫合骨、肌腱、筋膜，以及減張縫合或口腔內牙齒固定，還可用作內臟手術使用的縫合線，或嵌人人造眼球中。鉭絲甚至可以替代肌腱和神經纖維。徐皓等[7報道了33例采用鉭絲環扎內固定治療各種類型髕骨骨折病例，術后隨訪5個月至l6年中，除2例出現輕度創傷性關節炎外，其余31例均取得良好療效，無并發癥。、

2．2鉭片

鉭金屬可以制作成各種形狀和尺寸的鉭片，根據人體各部位的需要進行植入，如修補、封閉人體破碎頭蓋骨和四肢骨折的裂縫及缺損。而用鉭片制成人造耳固定在頭部之后，再從腿上移植皮膚，經過一段時間后，新移植的皮膚生長得很好，幾乎看不出是人造鉭耳朵。

2．3鉭支架

利用鉭絲可編織成網狀球囊擴張支架，鉭支架在X光下清晰可視，非常便于監測和隨訪。其長期滯留體內無斷裂及腐蝕。鉭的柔韌性良好，因此鉭絲支架可以較好地適應動脈的正常搏動，能夠快速、準確地釋放。侯東明等[8將鉭絲支架植入小型豬的冠狀動脈內，并觀察了植入后6個月的結果。結果表明，植入支架后冠狀血管未見局部組織排異反應，新生內膜的增殖呈時相性過程；在3個月時，新生內膜的增殖達到峰值，其成分主要是大量增殖的平滑肌細胞和細胞外基質。臨床實驗結果顯示，即使在病人患有缺血性綜合癥的情況下，鉭絲支架介入治療也是安全有效的，急性和亞穩性血栓也穩定在允許的范圍內，血管的再生結果令人滿意[9]。該療法可以應對復雜的傷害，手術操作性良好，6個月后的亞急性血栓和血管再狹窄率下降L1。

2．4多孔鉭棒

多孑L鉭棒是一種具有人體松質骨結構特點的蜂窩狀立體棒狀結構，平均孔隙為430~m，孔隙率為75～8O。多孑L鉭棒的彈性模量約為3GPa，介于松質骨(約為1GPa)與皮質骨(約為15GPa)之間，遠低于常用的鈦合金植人材料(約為11OGPa)，從而可避免應力遮擋效應『1]。多孔鉭棒由Zimmer公司制備，圖1為多孔鉭棒以及植入后的X光片。圖1多孔鉭棒及植入后的X光片Fig．1Poroustantrumrodsandradiographforinterventionimplant多孔鉭棒植入主要用于早中期股骨頭缺血性壞死的治療~13,14]。股骨頭壞死是因股骨頭血運破壞所導致的一種影響功能的疾病，任何年齡均可患該病，但多發于年輕人。對于早期股骨頭壞死的治療，主要有降低股骨頭內壓力、增加股骨頭血供、防止或減慢股骨頭變形等方法。多孔鉭棒對股骨頭壞死區域有很好的支撐作用，避免股骨頭塌陷，并有對股骨頭缺血壞死區域再血管化的潛能[1。多孔鉭可以促進細胞增殖，提高成骨細胞的造骨能力1．】。臨床實驗表明，鉭金屬植入物治療早期股骨頭壞死的早期臨床效果令人滿意rl，術后成功率明顯高于腓骨植骨術。多孔鉭棒植入與傳統手術相比，具有手術操作簡單、手術時間短(平均手術時間為36min)、出血量少(平均出血為70mL)、創傷小、術后恢復快、住院時間短(平均為lOd)等優點l_】。因此，鉭棒植人為臨床治療早期股骨頭壞死提供了一種新的選擇。

2．5多孔鉭人工關節

多孔鉭作為人工關節材料也具有明顯優勢。多孔鉭有一定的彈性，當與彈性模量相對較大的皮質骨發生相互作用時，在一定范圍內會產生輕微形變而不發生碎裂。這一特性使多孔鉭髖臼蓋與骨性髖臼能更好地相配，提高植入物的初期穩定性，減少發生髖臼骨折的可能。另外，多孔鉭的摩擦系數比其它多孔材料高，如相對松質骨和皮質骨，多孔鉭的摩擦系數分別是0．88和0．74，比用其它方式進行表面處理后的材料的摩擦系數高4O～8O，這也有利于植入后的初期穩定性口。人們將超高分子量、高密度聚乙烯直接壓制在完全由多孔鉭組成的基材上，制備出多孔鉭髖臼蓋。這種一體化的設計比實心金屬髖臼蓋更加富有彈性，更符合人體生理結構，并且能將載荷均勻地傳遞給周圍的骨骼[2]。聚乙烯和多孔鉭的整體性避免了多孔鉭底部的磨損以及體液和殘屑從螺絲孔流出[2,23]，相關的臨床試驗結果證實沒有錯位和無菌性松動現象發生【2。參考多孔鉭髖臼蓋的設計理念，多孔鉭一聚乙烯一體化的脛骨連結平臺已設計成功[25](見圖2)。圖2多孔鉭脛骨關節及植入后的x光片Fig．2Poroustantalumtibia]jointandradiographforinterventionimplant這種設計比傳統材料具有更低的彈性模量，從而將對周圍脛骨的應力遮擋效應降低到更小的程度。針對髕骨缺失設計的髕骨假體，將多孔鉭穹型結構連結肌腱并縫合在相應位置上，最終可促進組織的生長。此外，股骨錐以及脛骨和髕骨的組合關節的植入效果也很好，沒有并發癥的發生~2627]。多孔鉭用于全膝關節置換的臨床實驗結果表明l[2]，多孔鉭結構提供了足夠的支撐，病人骨愈合良好，沒有無菌性松動現象發生，病人滿意度良好。另外，使用多孔鉭全膝關節置換的患者術后骨礦鹽密度的降低小于使用鈷鉻合金的患者，但是長期臨床效果還有待進一步研究[3。由于鉭本身的惰性，以及多孔鉭與人體相適宜的力學性能和良好的生物相容性，多孔鉭將在人工關節領域中發揮更大的作用。

2．6多孔鉭填充材料

多孔鉭也可作為人體各個部位的填充材料[3，如腫瘤切除后的組織再造、頸部和腰椎溶解填補、椎弓置換等。由于多孔鉭在力學性能、組織生長、加工性能等方面近乎完美的融合，為多孔鉭的成型提供了廣闊的設計空間。

2．7鉭涂層

人們利用鉭金屬優異的耐腐蝕性，將其涂覆在某些醫用金屬材料表面，以阻止有毒元素的釋放，提高金屬材料的生物相容性，同時鉭涂層也提高了材料在人體中的可視性。Cai等[3z]利用多弧離子鍍法在Ni-Ti形狀記憶合金表面沉積了鉭涂層。與未涂層的Ni-Ti合金相比，沉積鉭后材料的體外凝血時間延長，無明顯血小板堆積，僅觀察到少量偽足的出現，這說明沉積鉭涂層后Ni-Ti合金的生物相容性提高。美國Isoflux生物材料公司利用磁控濺射技術將鉭沉積在Ni-Ti血管支架表面，對豬的植入實驗結果表明，涂層與未涂層樣品在血管狹窄、內膜厚度和產生炎癥等指標上無明顯差別。另外，由于鉭的X射線可視性，無需在支架上做標記。Chen等[3,34利用磁控濺射技術將摻雜了鉭的TO及T0／Ti-N薄膜沉積在生物材料表面，體外細胞培養和血小板粘附實驗表明，這種摻雜鉭的涂層有效地提高了被涂覆材料的生物相容性。鉭涂層可提高鈦金屬的骨整合性能，增進細胞的粘附能力，促進細胞的生長。鉭涂層更高的表面能和更好的潤濕性改善了細胞與植入材料之間的相互作用[3。除了金屬材料外，鉭還可以涂覆在一些非金屬材料表面，如碳籠表面涂覆鉭用于脊柱融合術，鉭涂層提高了碳籠的強度、韌性以適合脊柱承力及更好地滿足手術過程的要求[3，37]。鉭也可與某些聚合物組成復合材料涂覆于材料表面[3B]，改善材料的可視性和生物相容性。

3結語

鉭金屬在醫學領域中的應用越來越受到人們的重視，特別是多孔鉭在臨床上取得了滿意的治療效果，但是多孔鉭理論上的優異生物相容性還需要通過更多的臨床實驗與其它材料長期植入的治療效果對比來證實。此外，鉭金屬植入器件長期服役期間的移動需要定量的描述，以確定多種鉭結構的力學穩定性。通過材料、制造和醫學工作者等方面的共同努力，鉭金屬必將會在醫學應用中發揮越來越重要的作用。