骨科疾病目前是危害人们身体健康的常见疾病之一,对患者生活质量产生严重影响,借助植入物对受损骨组织进行重建是治疗骨科疾病最常规有效的手段。理想的骨植入材料应该具备以下特点：(1) 植入物材料具备良好的生物相容性,植入体内后无有毒元素溶出;(2) 植入物材料的力学性能与骨组织相匹配,尤其是材料的弹性模量与骨组织(0.01~30 GPa)越接近越好,同时还应具备足够的强度;(3) 植入物材料可与骨组织形成良好的骨整合,即新骨与植入体直接接触,不存在纤维结缔组织层的插入,保证其植入体内后稳定不松动^[1]。目前临床上所使用的骨植入物产品大多是由不锈钢、Co-Cr合金或者钛合金等金属材料加工制作。但这几种材料都存在弹性模量高、在体液环境下容易受到腐蚀且骨整合性能差等不足,因此均未达到理想的治疗效果^[2]。

Ta是一种著名的“亲生物”金属,在大气环境中Ta金属表面总是不可避免的形成一层Ta₂O₅薄膜,对Ta金属基体起到保护作用,其在体液环境中化学性质非常稳定,耐腐蚀性极强,具有极佳的生物相容性^[3],但是Ta的密度(16.65 g/cm³)和弹性模量(185.7 GPa)都非常高,密度过高不利于植入器件的轻量化,降低了术后患者活动的舒适度;人皮质骨的弹性模量仅为7~30 GPa,植入物与植入部位骨组织弹性模量不匹配,会引起植入部位应力遮挡,引起骨质疏松,从而导致骨折部位二次断裂。多孔Ta的出现完美解决了这2个问题,这种材料最初由美国Implex公司开发,商品名为Hedrocel,2003年Zimmer公司将其并购,并更名为Trabecular Metal (TM,骨小梁金属),以TM材料为基础形成了一系列新型的骨植入器械,并在临床上获得了广泛应用^[4]。

经过长期的临床疗效观察,多孔Ta骨植入器件在体内表现出极佳的生物相容性,而且多孔Ta与骨组织形成良好的骨整合,不易发生松动,体现出优异的长期稳定性,患者的临床反馈普遍比较满意^[5-7],尤其在人工关节和脊柱外科领域获得了越来越广泛的应用。

1 骨小梁结构多孔Ta作为骨植入材料的优势

骨小梁结构多孔Ta孔隙结构如图1a^[8]所示,它与松质骨骨小梁结构(图1b)^[9]类似,具有三维连通的孔隙结构,孔隙率在75%~85%之间,孔隙尺寸约400~600 μm,非常适宜骨组织的长入;多孔Ta的弹性模量E和其孔隙率R_p密切相关,符合Gibson & Ashby公式^[10]：

E≈E0×Rpn(1)

式中,E₀是Ta金属的弹性模量(185.7 GPa),指数n介于1.8~2.2之间。通过调整多孔Ta的孔隙率可使其弹性模量与植入部位骨组织弹性模量相匹配,避免应力遮挡效应,文献[11]报道多孔Ta的孔隙率达到75%~80%时,其弹性模量位于1.5~10 GPa之间,同时强度可以达到50~110 MPa,疲劳强度约为35 MPa;Ta金属具有良好的生物相容性,与Ti金属相比,人骨髓间充质干细胞(hMSCs)在Ta金属表面的铺展更好,与成骨相关的碱性磷酸酶(ALP)的表达更高^[12],这一方面得益于Ta金属在体液环境中更好的化学稳定性,另一方面还可能和Ta金属较高的表面能有关^[13];多孔Ta还显示了相对较高的摩擦系数,这一特性同样有利于维持植入宿主骨后的初期稳定;多孔Ta金属可以诱导新生骨组织的长入,新生的骨组织可完全长入多孔Ta金属内部,并且新骨与多孔钽间无纤维结缔组织层插入,新骨与多孔Ta金属直接接触,两者之间可以形成理想的骨性整合^[14]。

2 多孔Ta的制备

Ta是一种难熔性金属,熔点高达2980 ℃,其多孔材料的制备方法理论上和其它多孔难熔金属的制备一样,但是Ta在高温下易与C、O反应,因此目前报道的方法较少^[15]。已知的方法主要包括气相沉积法^[16-18]、泡沫复制法^[9,15,19]、3D打印法^[13,20]和粉末冶金方法^[21],不同工艺获得的多孔钽形态各不相同,如图2^{[9,16,17,20,21]}所示,其力学性能如表1^{[1,9,15,17,20,21]}所示。

2.1 气相沉积法

目前临床上使用的多孔Ta金属主要通过化学气相沉积(CVD)工艺制备,工艺过程如图3所示。

首先对聚氨酯泡沫材料前体进行热解,获得具有海绵状多孔结构的玻璃质热解碳骨架,然后以商业纯Ta为原料,使用CVD工艺,与Cl₂发生反应,生成气态TaCl₅,再使用H₂将TaCl₅中的Ta还原出来并沉积到碳骨架上,形成独特的多孔结构。

2Ta+5Cl2→2TaCl5(2)

5H2+2TaCl5→2Ta+10HCl(3)

CVD工艺制得的多孔Ta维持了碳骨架海绵状的多孔结构,具有纵横交错的网格及遍布整体的孔道,网格呈多重十二面体结构排列。通过对反应时间进行控制,可使碳骨架上所沉积的Ta涂层的厚度在几微米至几百微米之间,为了更好地满足临床上对多孔Ta力学性能以及与骨长入性能相关的孔隙尺寸的要求,多孔Ta涂层厚度一般为40~60 μm,孔隙尺寸约为400~600 μm,孔隙率75%~85%。

近期国内研究团队在骨小梁结构多孔Ta制作方面取得重大突破,本文作者所在课题组^[17]通过CVD工艺在多孔SiC支架表面获得了具有骨小梁结构的多孔Ta金属,Ta涂层的厚度与沉积时间线性相关,通过调控沉积时间,可准确控制SiC基体表面Ta涂层厚度在几微米至上百微米间变化,从而针对不同植入部位对力学承载性能要求不同,对多孔Ta的孔隙率以及孔隙尺寸实现精准定制,使植入物的综合力学性能与植入部位承载要求相匹配。目前该工艺获得的多孔Ta材料的弹性模量介于1~30 GPa之间,相应的压缩强度位于10~200 MPa范围内。

2.2 泡沫浸渍法

泡沫浸渍法工艺流程如图4所示,聚乙烯醇(PVA)的水溶液作为黏结剂,把Ta粉加入至PVA水溶液黏结剂中获得具备适当黏度和流动性的浆料;具备三维连通孔隙结构的聚氨酯泡沫作为多孔支架,聚氨酯泡沫体经过压缩、排气后,放入浆料中,反复压缩泡沫体,利用聚氨酯的弹性扩张来吸附浆料,浸渍后,去除泡沫中多余的浆料,获得坯体;坯体经过真空干燥,获得干坯体;干坯体经过烧结获得多孔Ta材料。

PVA的浓度对浆料黏度影响较大,并最终对多孔Ta的孔隙率产生较大影响。研究^[15]发现,当PVA的浓度为4%~6%时,烧结后样品的孔隙率为60%~70%,此时孔隙率适中,力学性能与人体骨力学性能接近,适宜作为人体骨组织替代材料。泡沫浸渍法制备的多孔Ta的不足之处在于：浆料浸渍过程中容易发生孔隙堵塞现象,影响了多孔Ta整体的三维连通孔隙结构,不利于骨组织的完全长入;另外坯体烧结过程中第一阶段成为脱脂阶段,该阶段发生的反应主要是PVA和泡沫支架的分解和挥发,支架分解后会在材料内部留下孔道,其作用类似于缺陷,这会对多孔Ta的力学性能尤其是抗疲劳性能产生不利影响。

2.3 增材制造(3D打印)法

增材制造(3D打印)法是近几十年兴起的一种新型的快速成型技术,它以3D模型数据为基础,采用层层叠加的方法制备零件。增材制造方法加工自由度高,尤其在加工制作具备复杂多孔结构零件方面优势突出^[22]。3D打印法制备多孔Ta金属所选用的原材料为球形Ta粉,球形Ta粉具有优异的流动性,保证铺粉均匀,目前已知的关于多孔Ta的打印均采用激光打印方法,利用激光的能量使Ta粉熔融,从而烧结粘连在一起^[20,22]。Balla等^[22]通过激光3D打印法获得了孔隙率分别为27%和55%的多孔Ta,体外细胞实验结果表明,多孔Ta金属比多孔Ti的生物相容性更好,人胎儿成骨细胞在多孔Ta金属表面培养时,细胞的碱性磷酸酶表达水平更高,说明Ta金属在促成骨方面具有比Ti更好的生物活性。Wauthle等^[20]通过3D打印获得孔隙率达到80%的多孔Ta骨植入材料并应用于大段骨缺损的修复,多孔Ta金属的屈服强度达到12.7 MPa,抗压强度36.1 MPa,弹性模量为1.22 GPa,疲劳强度约为7.35 MPa,基本满足作为骨植入材料的要求。体外实验结果表明,3D打印多孔Ta无细胞毒性,植入至体内12周后,多孔Ta内观察到明显的骨长入,个别案例甚至观察到骨缺损上下断面在多孔Ta内长合在一起,抗扭转实验结果表明,多孔Ta和周围骨组织界面处也形成较强的结合。该研究结果表明,3D打印多孔Ta金属的力学性能、体内外生物相容性以及骨传导性能完全可以胜任骨缺损的修复治疗。如表1所示,3D打印多孔Ta的力学性能略低于CVD法制备的多孔Ta,但是3D打印多孔Ta金属的优势在于其可以满足个性化定制的需求,针对不同病人各自骨缺损形态不同,通过3D打印的方式可制作出与其形态完全吻合的多孔Ta植入物。

2.4 粉末冶金方法

粉末冶金是一种少切削或者无切削的材料加工方法,这种方法在生产结构复杂的多孔金属材料方面有其独特优势。大量国内外科研工作者通过粉末冶金方法制备多孔钛合金,作为骨植入材料,应用于承重部位骨修复^[23-26]。受到粉末冶金方法制备多孔钛合金材料的工作启发,有研究者尝试了通过粉末冶金方法制备多孔Ta金属。Zhou和Zhu^[21]首先把糯米粉和NaCl颗粒混合得到球状颗粒物,作为造孔剂;把Ta粉和造孔剂混合均匀,经过等静压处理后获得生坯;1800 ℃烧结,除去糯米粉的同时,获得初步的海绵状多孔Ta样品,把该样品置于循环水中除去NaCl,获得最终的多孔Ta支架,工艺流程如图5。通过这一方法制备的多孔Ta支架具有基本连通的孔隙结构,孔隙尺寸在100~400 μm,支架的抗压强度达到(50.3±0.5) MPa,弹性模量为(2.0±0.3) GPa,满足作为支架材料应用于骨组织修复的使用要求,但受到制备方法限制,该方法获得的多孔钽不可避免地会存在大量闭孔。

3 多孔Ta的生物学性能研究

多孔Ta作为骨植入材料在临床上使用过程中,观察到其内部有大量的新生骨组织的长入,多孔Ta与周围骨组织形成一个整体,导致植入物很难从植入部位取出,表现出优异的骨整合性能^[12]。为了解释这一现象,大量科研工作者对Ta金属的生物学性能进行了研究。Sagomonyants等^[27]通过把人成骨细胞与Ta金属、Ti金属以及用于细胞培养的塑料板共培养,对比这3种材料的生物学性能,发现人成骨细胞在Ta金属表面的黏附、增殖以及矿化显著优于Ti和塑料板。Tang等^[28]通过真空等离子喷涂的方法在Ti金属表面制备Ta涂层,体外细胞实验结果表明,hMSC在Ta涂层表面的黏附、增殖以及成骨分化方面显著优于裸的Ti;动物体内植入实验结果显示,Ta涂层样品的骨整合性能以及诱导新骨长入性能方面也优于Ti。Wang等^[29]通过离子注入方法把Ta注入至Ti表面,对比了Ta的注入对Ti的生物学性能方面的影响,研究发现,相对于未经Ta注入处理的Ti金属,MG63细胞在Ta注入的Ti样品表面表现出更好的与成骨相关的生物活性。Lu等^[30]通过离子注入的方法把Ta注入至聚醚醚酮(PEEK)材料表面,藉此提高PEEK材料与成骨相关的生物活性,体内外实验结果表明Ta的注入可显著提高PEEK材料的骨整合性能。

综上,体外细胞实验结果表明,Ta可以提高材料表面干细胞的成骨分化能力,提升干细胞与成骨相关的ALP、骨细胞特异转录因子(RUNX2)等标记物的表达水平;同时,体内实验结果也显示,作为骨植入材料使用时,Ta金属表现出良好的骨传导和骨整合性能。Balla等^[11]认为,Ta优良的生物学性能可能和其较高的表面能相关,高表面能有助于细胞在材料表面的黏附;同时,高表面能还意味着材料具有亲水特性,这有助于提高体液中促成骨相关蛋白在材料表面的吸附。目前,关于Ta金属在促成骨机理方面的研究尚显不足,有待进一步的深入研究。

4 多孔Ta金属的临床应用

目前临床上所使用的多孔Ta骨植入产品主要集中于人工关节(主要是髋关节和膝关节)和脊柱外科领域,产品如图6^[7.31]所示。图6a为最早投入到临床应用的多孔Ta一体化髋臼假体^[7,31],假体外层的多孔Ta具有高孔隙率、高摩擦系数和低弹性模量的特点,可有效减少应力遮挡效应,并诱导骨组织长入多孔Ta的孔隙,增加髋臼植入的初期和远期稳定性。Ries等^[32]对比了带多孔Ta的假体(11例)和不带多孔Ta假体(7例)应用于膝关节置换的手术治疗效果,发现在植入1 a以后,不带多孔Ta的假体都发生了不同程度的松动,而10例带多孔Ta的假体仍然保持稳定,多孔Ta内有新骨的长入,起到了固定作用。Zhang等^[33]统计了多孔Ta棒应用于早期股骨头坏死治疗的效果以及安全性,结果显示多孔Ta棒确实有助于髋关节功能的恢复,股骨头塌陷率显著降低,手术失血量以及手术时间明显缩短,同时还降低了手术并发症的发生率。多孔Ta在颈椎和脊椎外科也有广泛的应用,Fernandez-Fairen等^[34]对比了多孔Ta和自体骨分别应用于颈椎前路手术时,多孔Ta和自体骨与周围椎体的融合情况,发现多孔Ta组的融合率达到78.6%,而自体骨移植组的融合率仅为57.5%,认为多孔Ta完全可以替代自体骨用于颈椎融合术。Kanczler和Oreffo^[35]统计了280例应用多孔Ta加工制作的Ta笼作为椎体融合器治疗退行性腰椎畸形的临床案例,统计分析结果证明了Ta笼的安全有效性,Ta笼的临床治疗效果以及患者功能恢复情况令人满意。Eriksen等^[36]将Ta金属涂覆在碳笼表面用于脊柱融合术,既满足了上述要求,又取得了良好的临床随访效果。本文作者所在课题组^[37]利用CVD技术,成功制备出多孔Ta金属双向加压螺钉,其优势是：(1) 螺钉头端和尾端均有螺纹,具有双向加压的作用,对骨折固定牢靠;(2) 多孔结构,有利于骨组织长入,增加对骨组织的把持力;(3) Ta金属可诱导新骨生成,促进骨折早期愈合,保障植入物长期稳定性。制备的多孔Ta金属螺钉涂层厚度一般为50~60 μm,孔隙尺寸约为400~600 μm,孔隙率80%~85%。这种加压螺钉的抗拉强度达到66.7 MPa,抗压强度达158.3 MPa,抗扭转强度达21 MPa,满足作为骨植入材料的要求。他们还根据股骨头内血运新发现,提出了治疗股骨颈骨折的新方法,同时运用多孔Ta金属双向加压螺钉治疗股骨颈骨折取得了良好的临床前期效果^[38]。考虑到人体骨骼结构的复杂性,对发育性髋关节发育不良的患者,本文作者所在课题组采用3D打印法制备多孔Ta髋臼修复假体,假体与缺损部位呈解剖融合,不仅实现了个性化定制,同时将三维连通的孔隙结构和Ta金属的生物学性能完美结合,取得了良好的临床前期效果。由此可见,多孔Ta金属作为骨植入材料,其在临床应用方面均取得了良好的治疗效果。

5 展望

利用骨组织工程方法修复骨缺损是目前组织工程领域的热门研究方向。利用多孔Ta作为支架材料,在其表面和内部负载药物或者细胞因子,然后与细胞共培养获得细胞杂化材料,植入至骨组织需要修复的位置,有望实现骨再生。干细胞联合多孔Ta金属应用于骨缺损的修复治疗,可以加快多孔Ta内骨小梁结构的形成,从而加速骨再生进程。多孔Ta基骨组织工程方法已经取得初步进展,药物或者细胞因子的引入以及其临床治疗效果有待进一步的研究与验证。

The authors have declared that no competing interests exist.

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