钽金属的医学应用探究

钽金属的医学应用探究

发布时间:2014-08-28 来源:毕业论文网

1、钽应用的生物学基础

不溶性的钽盐经过口腔或局部注射均不被人体吸收，胃肠道对可溶性钽盐的

吸收量也极小。钽一旦进入人体后，负责清除钽的主要载体是吞噬细胞，体内吞

噬细胞在接触钽尘1h后均可存活且无细胞变性，仅伴有葡萄糖氧化的明显增加。而在相同条件下，矽尘则可使吞噬细胞出现严重胞浆变性和死亡，这说明钽是无

细胞毒性的[5]。1940年，纯钽首次被应用于骨科医疗[6]，多数报道显示钽金属

作为人体植入物未发现任何不良反应。

2、钽的医学应用

2.1钽丝

钽的延展性好，可制成与头发丝相当甚至更细的细丝。钽丝作为手术缝合线

具备灭菌简易、刺激较小、抗张力大等优点，但同时也存在不易打结的缺点。钽

丝可用于缝合骨、肌腱、筋膜，以及减张缝合或口腔内牙齿固定，还可用作内脏

手术使用的缝合线，或嵌人人造眼球中。钽丝甚至可以替代肌腱和神经纤维。徐

皓等[7报道了33例采用钽丝环扎内固定治疗各种类型髌骨骨折病例，术后随访

5个月至l6年中，除2例出现轻度创伤性关节炎外，其余31例均取得良好疗效，

无并发症。

2.2钽片

钽金属可以制作成各种形状和尺寸的钽片，根据人体各部位的需要进行植入，如修补、封闭人体破碎头盖骨和四肢骨折的裂缝及缺损。而用钽片制成人造耳固

定在头部之后，再从腿上移植皮肤，经过一段时间后，新移植的皮肤生长得很好，

几乎看不出是人造钽耳朵。

2.3钽支架

利用钽丝可编织成网状球囊扩张支架，钽支架在X光下清晰可视，非常便

于监测和随访。其长期滞留体内无断裂及腐蚀。钽的柔韧性良好，因此钽丝支架

可以较好地适应动脉的正常搏动，能够快速、准确地释放。侯东明等[8将钽丝支

架植入小型猪的冠状动脉内，并观察了植入后6个月的结果。结果表明，植入支

架后冠状血管未见局部组织排异反应，新生内膜的增殖呈时相性过程;在3个月时，新生内膜的增殖达到峰值，其成分主要是大量增殖的平滑肌细胞和细胞外基质。临床实验结果显示，即使在病人患有缺血性综合症的情况下，钽丝支架介入

治疗也是安全有效的，急性和亚稳性血栓也稳定在允许的范围内，血管的再生结

果令人满意[9]。该疗法可以应对复杂的伤害，手术操作性良好，6个月后的亚急

性血栓和血管再狭窄率下降L1。

2.4多孔钽棒

多孔钽棒是一种具有人体松质骨结构特点的蜂窝状立体棒状结构，平均孔隙

为430~m，孔隙率为75～8O。多孑L钽棒的弹性模量约为3GPa，介于松质骨(约

为1GPa)与皮质骨(约为15GPa)之间，远低于常用的钛合金植人材料(约为

11OGPa)，从而可避免应力遮挡效应『1]。多孔钽棒由Zimmer公司制备，图1

为多孔钽棒以及植入后的X光片。多孔钽棒植入主要用于早中期股骨头缺血性

坏死的治疗~13,14]。股骨头坏死是因股骨头血运破坏所导致的一种影响功能的

疾病，任何年龄均可患该病，但多发于年轻人。对于早期股骨头坏死的治疗，主

要有降低股骨头内压力、增加股骨头血供、防止或减慢股骨头变形等方法。多孔

钽棒对股骨头坏死区域有很好的支撑作用，避免股骨头塌陷，并有对股骨头缺血

坏死区域再血管化的潜能[1。多孔钽可以促进细胞增殖，提高成骨细胞的造骨能

力1.】。临床实验表明，钽金属植入物治疗早期股骨头坏死的早期临床效果令人

满意rl，术后成功率明显高于腓骨植骨术。多孔钽棒植入与传统手术相比，具有

手术操作简单、手术时间短(平均手术时间为36min)、出血量少(平均出血为70mL)、创伤小、术后恢复快、住院时间短(平均为lOd)等优点l_】。因此，钽棒植人为

临床治疗早期股骨头坏死提供了一种新的选择。

2.5多孔钽人工关节

多孔钽作为人工关节材料也具有明显优势。多孔钽有一定的弹性，当与弹性

模量相对较大的皮质骨发生相互作用时，在一定范围内会产生轻微形变而不发生

碎裂。这一特性使多孔钽髋臼盖与骨性髋臼能更好地相配，提高植入物的初期稳

定性，减少发生髋臼骨折的可能。另外，多孔钽的摩擦系数比其它多孔材料高，如相对松质骨和皮质骨，多孔钽的摩擦系数分别是0.88和0.74，比用其它方式

进行表面处理后的材料的摩擦系数高4O～8O，这也有利于植入后的初期稳定性口。人们将超高分子量、高密度聚乙烯直接压制在完全由多孔钽组成的基材上，制备出多孔钽髋臼盖。这种一体化的设计比实心金属髋臼盖更加富有弹性，更符

合人体生理结构，并且能将载荷均匀地传递给周围的骨骼[2]。聚乙烯和多孔钽

的整体性避免了多孔钽底部的磨损以及体液和残屑从螺丝孔流出[22,23]，相关的

临床试验结果证实没有错位和无菌性松动现象发生【2。参考多孔钽髋臼盖的设

计理念，多孔钽一聚乙烯一体化的胫骨连结平台已设计成功[25这种设计比传统

材料具有更低的弹性模量，从而将对周围胫骨的应力遮挡效应降低到更小的程度。针对髌骨缺失设计的髌骨假体，将多孔钽穹型结构连结肌腱并缝合在相应位置上，最终可促进组织的生长。此外，股骨锥以及胫骨和髌骨的组合关节的植入效果也

很好，没有并发症的发生~2627]。多孔钽用于全膝关节置换的临床实验结果表明

l[2]，多孔钽结构提供了足够的支撑，病人骨愈合良好，没有无菌性松动现象发生，病人满意度良好。另外，使用多孔钽全膝关节置换的患者术后骨矿盐密度的

降低小于使用钴铬合金的患者，但是长期临床效果还有待进一步研究[3。由于钽

本身的惰性，以及多孔钽与人体相适宜的力学性能和良好的生物相容性，多孔钽将在人工关节领域中发挥更大的作用。

2.6多孔钽填充材料

多孔钽也可作为人体各个部位的填充材料[3，如肿瘤切除后的组织再造、颈部和腰椎溶解填补、椎弓置换等。由于多孔钽在力学性能、组织生长、加工性能等方面近乎完美的融合，为多孔钽的成型提供了广阔的设计空间。

2.7钽涂层

人们利用钽金属优异的耐腐蚀性，将其涂覆在某些医用金属材料表面，以阻止有毒元素的释放，提高金属材料的生物相容性，同时钽涂层也提高了材料在人体中的可视性。Cai等[3z]利用多弧离子镀法在Ni-Ti形状记忆合金表面沉积了钽涂层。与未涂层的Ni-Ti合金相比，沉积钽后材料的体外凝血时间延长，无明显血小板堆积，仅观察到少量伪足的出现，这说明沉积钽涂层后Ni-Ti合金的生物相容性提高。美国Isoflux生物材料公司利用磁控溅射技术将钽沉积在Ni-Ti血管支架表面，对猪的植入实验结果表明，涂层与未涂层样品在血管狭窄、内膜厚度和产生炎症等指标上无明显差别。另外，由于钽的X射线可视性，无需在支架上做标记。Chen等[33,34利用磁控溅射技术将掺杂了钽的TO及T0/Ti-N薄膜沉积在生物材料表面，体外细胞培养和血小板粘附实验表明，这种掺杂钽的涂层有效地提高了被涂覆材料的生物相容性。钽涂层可提高钛金属的骨整合性能，增进细胞的粘附能力，促进细胞的生长。钽涂层更高的表面能和更好的润湿性改善了细胞与植入材料之间的相互作用[3。除了金属材料外，钽还可以涂覆在一些非金属材料表面，如碳笼表面涂覆钽用于脊柱融合术，钽涂层提高了碳笼的强度、韧性以适合脊柱承力及更好地满足手术过程的要求[3，37]。钽也可与某些聚合物组成复合材料涂覆于材料表面[3B]，改善材料的可视性和生物相容性。

3、结语

钽金属在医学领域中的应用越来越受到人们的重视，特别是多孔钽在临床上取得了满意的治疗效果，但是多孔钽理论上的优异生物相容性还需要通过更多的临床实验与其它材料长期植入的治疗效果对比来证实。此外，钽金属植入器件长期服役期间的移动需要定量的描述，以确定多种钽结构的力学稳定性。通过材料、制造和医学工作者等方面的共同努力，钽金属必将会在医学应用中发挥越来越重要的作用。