多孔鉭的理化/生物特性及其骨整合能力研究進展*

張彥博 李瑞延 劉貫聰 梁豪君 卿云安 秦彥國*

多孔鉭的理化/生物特性及其骨整合能力研究進展*

張彥博 李瑞延 劉貫聰 梁豪君 卿云安 秦彥國*

近年來，以鈦合金為主的骨骼材料得到了廣泛的應(yīng)用。臨床研究中，植入體的腐蝕磨損和骨整合能力不足是造成其無菌性松動的主要原因，最終可導(dǎo)致手術(shù)失敗。因此制備綜合性能優(yōu)越的植入體材料是骨組織工程研究的熱點。多孔鉭擁有良好的理化性質(zhì)，耐腐蝕和抗磨損性能出色，其良好的生物相容性和多孔結(jié)構(gòu)可以促進新骨的長入和成骨細胞的增殖，從而提高骨整合能力。并且表面改性技術(shù)的發(fā)展賦予了多孔鉭更加優(yōu)良的性能和功能，擴展了其臨床應(yīng)用。本文將針對多孔鉭的理化/生物特性及其骨整合能力的研究進展進行綜述。

多孔鉭；生物相容性；骨長入；骨整合

鉭最早是由瑞典化學(xué)家 Ekebereg發(fā)現(xiàn) [1]，1903年，Werner首次對其進行了提純并獲得了相對純凈的鉭樣品[1]。鉭是一種堅硬伴藍灰色光澤的過渡金屬 [2]，其熔點較高（3017℃），屬于難熔金屬。鉭的化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，抗腐蝕性極強 [3,4]，在溫度不高于150℃時與包括鹽酸、硝酸及“王水”在內(nèi)的大多數(shù)強酸都不發(fā)生反應(yīng)。鉭擁有良好的生物相容性 [3]和促進成骨的能力，可以促進成骨細胞的粘附、增殖和分化。這些優(yōu)良的特性使得鉭作為一種新型的生物骨科材料擁有廣闊的應(yīng)用前景。

1 制造工藝及理化性質(zhì)

1.1 多孔鉭的制備

雖然鉭金屬具有良好的理化性質(zhì)，但其較高的密度(16.68 g/cm3)和機械強度限制了它在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用[5]。為了解決這一問題，在1990年開發(fā)了多孔鉭，對其機械特性進行優(yōu)化，使其能夠應(yīng)用于臨床。目前為止，多空鉭的制備主要有兩種方法：化學(xué)氣相滲透沉積法（CVI/CVP）和粉末冶金技術(shù)（PM）[6]。CVI/CVP法是將汽化的金屬鉭滲透沉積到多孔碳骨架上，在其表面形成鉭層。該方法制備的多孔鉭孔徑大小為400 m～600 m，孔隙率位為75%～80%。PM技術(shù)是將聚氨酯灌注到鉭槳中，在真空干燥后，將樣品放到1950°C真空熔爐中2小時，以10°C/min的速度加熱和降溫。該法制得的多孔鉭孔徑300 m～600 m，孔隙率66.7%[6]。相比之下，CVI/CVP法制備的多孔鉭更適于臨床應(yīng)用，因為其形狀和機械特性主要取決于碳支架的結(jié)構(gòu)，因此可以根據(jù)具體的需求來設(shè)計和制備相應(yīng)的多孔鉭支架，滿足不同的臨床需求。

1.2 多孔鉭的理化特性

多孔鉭是孔間相互連通的三維立體結(jié)構(gòu) [7]，孔徑大小400m～600m，孔隙率75%～80%[8]。多孔鉭與其他金屬材料相比有許多明顯的優(yōu)勢：接近正常骨質(zhì)的彈性模量，多孔鉭的彈性模量（1.3 GPa～10 GPa）[9,13]與人體正常骨質(zhì)相近 [10]，可以減少應(yīng)力遮擋，有利于維持假體周圍骨的生長和減少骨質(zhì)流失 [11]；較高的孔隙率，多孔鉭的孔隙率（75%～85%）相比于鈷鉻合金（30%～35%）以及鈦纖維金屬網(wǎng)（40%～ 50%）更高 [12]。高孔隙率可以促進孔內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)交換 [13]，更有利于骨長入，促進骨整合，增加其在體內(nèi)的穩(wěn)定性；更高的摩擦系數(shù)，多孔鉭的摩擦系數(shù)據(jù)文獻報道要比傳統(tǒng)的多孔涂層高40%～75%[14]，使得其耐用性更高。多孔鉭的以上特性使得它在臨床骨科材料應(yīng)用中擁有很大的潛力。

2 生物相容性

鉭是一種無細胞毒性材料。早在1981年，Werman等[15]對金屬鉭做了毒性研究。相同條件下，分別將鉭和矽注入體內(nèi)，負責清除鉭和矽的主要載體是吞噬細胞，體內(nèi)吞噬細胞在接觸鉭塵1小時后均可存活且無細胞變性，而矽塵可使吞噬細胞出現(xiàn)嚴重胞漿變性和死亡。WANG等[16]將多孔鉭的提取液和正常培養(yǎng)液同時培養(yǎng)成骨細胞，24小時后通過MTT檢測來評估成骨細胞在兩種不同液體中的生存率，獨立樣本t檢驗結(jié)果顯示：兩組樣品的細胞增殖沒有明顯差異，表明鉭對細胞沒有明顯的毒性作用。在一些動物模型實驗中，各種形式的金屬鉭對各種類型的組織，都沒有產(chǎn)生明顯的炎癥或過敏反應(yīng) [17]。許多體內(nèi)體外實驗也證明鉭可以應(yīng)用于許多形式的醫(yī)學(xué)材料，比如起搏器電極 [18]、微納米粒子 [19]、X線標記物 [20]、關(guān)節(jié)假體 [21-22]、牙科種植體 [2]、顱骨板 [23]等。目前為止，還沒有證據(jù)表明鉭對成骨細胞及骨髓間充質(zhì)干細胞有明顯的毒性作用。由于鉭表面氧化物層的存在，鉭在體內(nèi)呈現(xiàn)出明顯的生物惰性[3,5]，不易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，不產(chǎn)生金屬離子刺激作用，其醫(yī)用生物安全性極佳。有報道稱鉭涂層能夠有效阻止鈷鉻鉬合金假體的離子的釋放 [24]，減輕假體周圍的炎癥反應(yīng)和過敏反應(yīng)，改善了其生物相容性。因此，鉭被認為是一種“親生物”金屬。

3 多孔鉭的骨整合能力

“骨整合”是指種植體與周圍骨組織直接接觸，無任何纖維組織介于其間。由于多孔鉭良好的生物相容性及三維多孔結(jié)構(gòu)，骨組織不僅能粘附在其表面，更能長入多孔鉭內(nèi)部，有研究者將這一現(xiàn)象稱為骨整合作用。而良好的骨整合正是植入物長期穩(wěn)定的關(guān)鍵。

3.1 促進成骨細胞增殖和分化

多孔鉭可以提供一個適宜的微環(huán)境來促進細胞的粘附、增殖、分化，從而提高骨整合能力 [25,26]。相比于鈦網(wǎng)以及其他金屬材料，多孔鉭促進細胞增殖的效果更加明顯。Katie J.Welldon[27]等在多孔鉭的細胞粘附生長實驗中，使用鬼筆環(huán)肽和CFSE熒光染料分別對肌動蛋白和細胞核進行染色觀察發(fā)現(xiàn)：在第3天細胞就可以很好的粘附在多孔鉭的小梁上面，而在第14天和第21天，CFSE明顯降低說明細胞正在進行廣泛的增殖。Vamsi Krishna Balla[28]等通過對比多孔鉭與多孔鈦對于促進 hFOB細胞增殖的能力發(fā)現(xiàn)：雖然前3天兩種材料培養(yǎng)的細胞數(shù)量差別不大，但在第7天，鉭表面細胞量相比鈦表面細胞量高了近50%，同時鉭表面細胞產(chǎn)生的ALP更高，顯示出比多孔鈦結(jié)構(gòu)更好的促進細胞增殖分化能力。Tang等[29]用雄性新西蘭白兔作為股骨移植模型，植入3個月后，組織形態(tài)計量分析顯示：鉭周圍形成的新骨要明顯高于鈦（Ti：14.0741±6.46293，Ta：32.6501±0.90721），雙熒光標記檢測顯示多孔鉭的新骨礦化沉積率也高于多孔鈦，說明多孔鉭涂層的骨整合能力強于鈦涂層移植物。多孔鉭還可以明顯促進女性原代成骨細胞的增殖和分化。Karen等 [30]研究發(fā)現(xiàn)多孔鉭材料可以明顯促進老年女性成骨細胞的增殖并提高骨礦化能力。

3.2 骨組織內(nèi)生長

多孔鉭是開放孔的三維結(jié)構(gòu)，相比于多孔鈦能夠明顯促進骨組織內(nèi)生長 [32]，提高骨整合能力。血管化的骨組織在孔徑300 m以上時就可以長入孔徑內(nèi)，但當孔徑小于50 m時則只有纖維組織長入 [31]。這是由于太小的孔徑限制了體液在支架內(nèi)的流動和骨誘導(dǎo)蛋白的累積 [33]。Bobyn[34]發(fā)現(xiàn)表面多孔的金屬移植物最適于組織長入的孔徑大小是50～400 m。他在多孔鉭促進骨組織長入的能力檢測中將兩種不同孔徑大?。?30 m和650 m）但孔隙率相同（75%～80%）的柱狀多孔鉭植入物植入骨皮質(zhì)完整的犬模型中，并進行組織學(xué)檢測和機械性能測試 [35]。檢測發(fā)現(xiàn)：在孔徑430 m模型中，新骨長入的體積在第4、6周、一年后分別占孔徑大小的42%、63%、80%。在孔徑650m模型中，新骨長入體積在第2周為13%、第4周為53%、第16～52周為70%。兩者沒有明顯差異。機械測試結(jié)果表明最小固定強度在4周后是18.5 MPa，明顯高于鈷鉻合金（9.3 MPa）以及其他幾種多孔結(jié)構(gòu)金屬（1.2 MPa～12.1 MPa）[34,35]。這可能是由于多孔鉭較高的孔隙率引導(dǎo)大量骨組織內(nèi)生長的結(jié)果，使得移植物在體內(nèi)的機械強度增加。可以看出，多孔鉭結(jié)構(gòu)可以在16周內(nèi)充分的促進新骨形成和內(nèi)生長，表明多孔鉭移植物對于早期骨整合具有良好的促進作用。而一年后骨組織生長沒有明顯變化。

3.3 肌腱和韌帶內(nèi)生長

除了促進骨組織內(nèi)生長以外，肌腱和韌帶也可以內(nèi)生長入多孔假體材料。有研究報道稱軟組織可以在孔徑大于50 m 以上時快速長入多孔結(jié)構(gòu) [36-37]。Reach[38]在動物試驗中將狗的岡上肌腱與多孔鉭重新連接，通過比較肌腱-移植物和正常的肌腱-骨的固定強度來反應(yīng)肌腱組織長入情況。機械測試顯示，肌腱強度會隨時間不斷增加。同時組織學(xué)檢測顯示肌腱組織長入密度也隨時間增加。說明肌腱組織可以很好地長入多孔鉭材料。這對一些大型假體植入和髕骨移植尤為重要，因為它可以提高肌腱和韌帶的附著能力，增加移植物在體內(nèi)的穩(wěn)定性，從而降低手術(shù)的失敗率。

4 多孔鉭的表面改性

雖然多孔鉭具有良好的骨整合能力，但還不能達到早期負重進行功能鍛煉的臨床需求，因而需要通過表面改性的方法進一步提高其生物性能，增強早期穩(wěn)定性。

目前表面改性方法有很多，應(yīng)用于多孔鉭改性的方法主要是磷酸鈣仿生涂層。Ca、P作為人體骨質(zhì)最主要的兩種元素，CaP涂層具有良好的骨傳導(dǎo)性和促進成骨細胞增殖分化的能力。研究表明經(jīng)過磷酸鈣表面修飾的多孔鉭，其骨結(jié)合率明顯要高于未修飾的樣品。Zhou等[39]通過沉積法合成了CaP-PLA復(fù)合涂層進行多孔鉭表面修飾，顯示出更高的促細胞粘附和礦化能力，同時進一步提高了材料的親水性。陽極氧化法也是一種比較成熟的表面改性方法，能使種植體表面形成一層致密的氧化膜，以增強金屬的抗腐蝕性能，且有一定的生物活性，可增強其骨結(jié)合率。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)陽極氧化處理的種植體表面有較均勻的、孔徑在100nm-500nm大小不一的圓孔狀結(jié)構(gòu)分布，具有很好的親水性，利于細胞早期黏附生長 [40,41]，已用于鈦合金及多孔鉭的表面修飾來增強其抗腐蝕性及成骨活性 [42,43]。激光熔覆技術(shù)是利用高能激光束將不同性能、成份的合金與基材表面熔化后在基材表面形成與其具有完全不同性能和成份的合金層，有研究表明激光熔覆技術(shù)制備新型納米鉭-鈦合金棒擁有更好的促進骨增值分化的作用 [44]。Guo等 [45]通過靜電作用進行多孔鉭的表面修飾，賦予了多孔鉭表面藥物釋放的作用?？稍谝欢〞r間內(nèi)持續(xù)釋放阿霉素等抗癌藥，殺傷癌細胞。這對于因骨腫瘤而造成的骨缺損具有良好的應(yīng)用前景，擴展了多孔鉭臨床應(yīng)用的多功能化。

5 總結(jié)展望

多孔鉭作為一種生物相容性良好的生物材料具有高孔隙率、接近人體正常骨質(zhì)的彈性模量、高摩擦系數(shù)以及耐腐蝕性等特點，同時它的促成骨細胞增殖分化能力，骨組織內(nèi)生特性及促肌腱附著能力對于提高骨整合能力具有重要作用。國外多項研究結(jié)果證實了多孔鉭假體在人工關(guān)節(jié)領(lǐng)域內(nèi)令人滿意的臨床效果，并逐漸拓展到脊柱外科等其他骨科分支，但其在體內(nèi)的長期穩(wěn)定性仍需要較長時間的隨訪觀察和更加充分的臨床證據(jù)。目前通過表面修飾的方法在保留多孔鉭理化性質(zhì)的同時進一步提高了其生物活性。因此，未來的研究方向?qū)⑹歉鼉?yōu)良的表面改性技術(shù)的應(yīng)用來增強多孔鉭的骨整合能力，以及在保持骨整合能力的同時實現(xiàn)臨床應(yīng)用的功能化，如：負載藥物使其具有抗菌、抗腫瘤的效果等，使其滿足不同的臨床需求。

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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吉林省科技發(fā)展計劃項目（20150414006G H）；2吉林省省級產(chǎn)業(yè)創(chuàng)業(yè)專項資金項目（2016C037）

吉林大學(xué)第二醫(yī)院，吉林 長春 130000

張彥博（1991-）男，碩士，住院醫(yī)師。研究方向：骨關(guān)節(jié)外科。

*[通訊作者]秦彥國（1976-）男，博士，教授，主任醫(yī)師。研究方向：骨關(guān)節(jié)外科。

2016-12-26）