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隨著醫(yī)學(xué)理論技術(shù)的不斷發(fā)展更新，以及人口老齡化社會(huì)來臨，加之體育、交通等事故頻發(fā)導(dǎo)致創(chuàng)傷增加，特別是相關(guān)患者對(duì)生活水平和生存質(zhì)量提高的期待，使人工種植需求量越來越大，人類越來越重視醫(yī)學(xué)材料的研究與應(yīng)用，取得了令人矚目的成就。在眾多的醫(yī)用材料中，鉭作為一種金屬生物材料因具有極強(qiáng)的耐腐蝕性、良好生物相容性和特有的結(jié)構(gòu)性質(zhì)被應(yīng)用到臨床中，取得了良好的效果，醫(yī)用鉭的臨床上應(yīng)用也越來越廣泛。
鉭（Tantalum，Ta）的原子序數(shù)是73，原子量為180.95，略帶顯蘭色的淺灰色，質(zhì)地堅(jiān)硬，硬度為6-6.5莫氏，僅次于金剛石，密度為16.68g/cm3，熔點(diǎn)高達(dá)2996℃，固態(tài)鉭金屬的彈性模量高，為186-191GPa，冷加工后鉭的抗拉強(qiáng)度為200-300MPa，極具延展性，延伸率在10-25%間，與軟骨相近，其抗拉強(qiáng)度高于其他傳統(tǒng)多孔材料；其維氏顯微硬度240-393MPa，彎曲強(qiáng)度為110MPa，壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度分別是60MPa和63MPa，屈曲強(qiáng)度為10nm，彈性模量約3GPa，介于皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨之間，與人和牛的松質(zhì)骨相近，加之其類似于人體松質(zhì)骨的蜂窩狀三維多孔結(jié)構(gòu)，能避免應(yīng)力遮擋效應(yīng)，被Zimmer公司稱為“骨小梁樣金屬（poroustantalumtrabecularmetal，PTTM）”，與傳統(tǒng)種植體鈦及鈦合金相比，多孔鉭具有硬度大、彈性模量低、抗剪切力和摩擦系數(shù)高、孔隙率高及耐腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)。
鉭具有優(yōu)良的穩(wěn)定性，與人體組織不易發(fā)生反應(yīng)。鉭在空氣中其表面極易形成一層致密的具有穩(wěn)定生物惰性的氧化膜Ta2O5，具有優(yōu)異的耐蝕性，常溫下與溴水、氯氣、硫酸、鹽酸、濃硝酸甚至“王水”等溶劑不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，部分無機(jī)鹽對(duì)鉭無腐蝕作用；金屬鉭能在人體復(fù)雜液體環(huán)境下保持較好的穩(wěn)定性而不降解，因此也不需二次手術(shù)取出。
鉭具有良好的生物相容性，與體液無反應(yīng)、對(duì)機(jī)體組織無刺激。研究發(fā)現(xiàn)機(jī)體清除人體內(nèi)鉭的主要方式是巨噬細(xì)胞吞噬反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)證明該反應(yīng)是輕微的，還不足以使吞噬細(xì)胞發(fā)生變性、壞死或崩解，吞噬細(xì)胞與鉭塵接觸1h后仍存活，無細(xì)胞變性，且細(xì)胞狀態(tài)良好。這與在同條件下矽肺患者游離二氧化矽粉塵進(jìn)入人體內(nèi)引發(fā)的肺泡巨噬細(xì)胞導(dǎo)致變性壞死崩解的現(xiàn)象相反，證實(shí)鉭元素具有優(yōu)異的細(xì)胞相容性，無細(xì)胞毒性，關(guān)于鉭及多孔鉭對(duì)成骨細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞有細(xì)胞毒性作用報(bào)道較少。鉭具有較高表面能及較好的潤濕性，植入機(jī)體后，生物組織在其表面易生長，并與自然骨有較高的結(jié)合性能，故稱為“親生物金屬”。
由多孔鉭制成的植入體在提供力學(xué)強(qiáng)度的同時(shí)可減少應(yīng)力遮擋，利于應(yīng)力傳導(dǎo)，便于骨骼再生及塑形，具有極佳的生物相容性，能使骨組織和血管等向種植體內(nèi)生長，利于種植體骨結(jié)合以及營養(yǎng)物質(zhì)、代謝產(chǎn)物的運(yùn)輸，具有優(yōu)良的骨傳導(dǎo)性、促骨再生性、較低的細(xì)菌黏附性等優(yōu)點(diǎn)。多孔鉭可對(duì)骨組織提供符合生理性應(yīng)力分布及傳導(dǎo)的結(jié)構(gòu)性支持，無應(yīng)力遮擋，且其蜂窩狀立體結(jié)構(gòu)可使骨質(zhì)快速、牢靠的長入，從而增強(qiáng)骨頭壞死區(qū)域的再血管化，減少骨移植以及由此帶來的相關(guān)并發(fā)癥。
3.1醫(yī)用鉭的基礎(chǔ)應(yīng)用
鉭絲在骨科用于肌腱、筋膜、骨甚至是神經(jīng)纖維的減張縫合，也可用于口腔內(nèi)牙齒的固定及骨折時(shí)鉭絲環(huán)扎，徐皓等對(duì)33例各種類型髕骨骨折患者采用鉭絲環(huán)扎內(nèi)固定治療，術(shù)后跟蹤隨訪5個(gè)月至16年不等，結(jié)果發(fā)現(xiàn)僅2例出現(xiàn)創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎，其余31例均無并發(fā)癥，獲得良好療效；鉭絲強(qiáng)度高、拉力大固定牢靠，彈性小韌性好易打結(jié)，生物相容性好對(duì)人體無毒無害，耐腐蝕無需再次手術(shù)取出，鉭絲環(huán)扎內(nèi)固定易操作，時(shí)間短，創(chuàng)傷小，適應(yīng)證廣，術(shù)后可早期活動(dòng)防止關(guān)節(jié)僵硬及肌肉萎縮。
鉭網(wǎng)鉭片可用于修補(bǔ)、支撐和封閉骨折的裂縫以及肌肉或骨缺損組織，早期效果好。鉭支架植入小型豬冠狀動(dòng)脈內(nèi)觀察6個(gè)月未見排異現(xiàn)象，能降低亞急性血栓和血管再狹窄概率，且血管再生令人滿意。
3.2多孔鉭棒及鉭填充材料
多孔鉭棒可用于上下頜骨植入手術(shù)，與傳統(tǒng)手術(shù)相比，多孔鉭棒骨科植入手術(shù)具有操作簡單、手術(shù)時(shí)間短（平均手術(shù)時(shí)間36min）、出血量少（平均出血為70ml）、創(chuàng)傷小、術(shù)后恢復(fù)快、治療時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。多孔鉭棒對(duì)骨頭壞死的區(qū)域有極好的支撐作用，可避免壞死骨頭塌陷，并有對(duì)其再血管化的潛能；多孔鉭棒植入物能對(duì)髓腔進(jìn)行減壓，其蜂窩狀結(jié)構(gòu)與生物相容性可對(duì)骨誘導(dǎo)和骨細(xì)胞生長提供有利條件，其彈性模量與人體腓骨接近，在股骨頭內(nèi)也較少產(chǎn)生應(yīng)力遮擋和集中；鉭填充材料可用于外科手術(shù)后組織再造或填充，鐘建鑫等建立比格犬牙缺失模型，3個(gè)月后于缺牙區(qū)建立頜骨缺失模型，同期植入多孔鉭顆粒和Bio-oss骨粉，3個(gè)月后硬組織切片染色觀察發(fā)現(xiàn)：多孔鉭顆粒組缺損區(qū)骨組織較為成熟，包繞了大量的多孔鉭顆粒且相互交聯(lián)呈網(wǎng)狀，Bio-oss骨粉顆粒組周圍雖然也有較成熟的骨組織包繞，但顆粒之間有大量骨陷窩存在，說明多孔鉭顆粒具有良好的誘導(dǎo)成骨能力，其修復(fù)頜骨缺損效果優(yōu)于臨床常用的Bio-oss骨粉。多孔鉭填充材料能促進(jìn)細(xì)胞增殖并提高成骨細(xì)胞的造骨能力，為臨床材料應(yīng)用擴(kuò)展了思路，增加了選擇途徑。
3.3多孔鉭人工關(guān)節(jié)
多孔鉭適宜的彈性模量及摩擦系數(shù)有利于提高植入體的初期穩(wěn)定性，多孔鉭比其它多孔材料的摩擦系數(shù)要高，相對(duì)松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨，多孔鉭的摩擦系數(shù)分別是0.88和0.74，比其它方式表面處理材料的摩擦系數(shù)高達(dá)40-80%，有利于材料植入后的初期穩(wěn)定性，Hasart等報(bào)道對(duì)38例PaproskyⅢA、ⅢB型髖臼缺損患者采用多孔鉭髖臼增強(qiáng)假體行髖關(guān)節(jié)重建，術(shù)后25個(gè)月隨訪顯示所有患者髖關(guān)節(jié)活動(dòng)功能均明顯增強(qiáng)，平均Poste-Merled，Aubigne骸關(guān)節(jié)功能評(píng)分自術(shù)前6分提高至術(shù)后13分，平均Harris髖關(guān)節(jié)評(píng)分自29分提高至78分。Unger等對(duì)95例108膝行TKA患者采用一體化多孔擔(dān)脛骨平臺(tái)假體，4年隨訪結(jié)果提示，一體化多孔擔(dān)脛骨平臺(tái)假體用于TKA的成功率高，可避免大范圍植骨或者骨移植。多孔鉭棒在人工顳下頜關(guān)節(jié)重建和口腔種植領(lǐng)域?qū)⑹且粋€(gè)重要的研究方向。
3.4生物鉭涂層
將金屬鉭涂層制備于鈦及其金合金金屬或玻璃碳等基體上，可阻止基體離子的釋放，改善其生物相容性，既充分利用了金屬鉭優(yōu)異的耐蝕性和生物相容性，又發(fā)揮了鈦及其合金或玻璃碳等原料相對(duì)低廉和易加工的優(yōu)勢(shì)，為降低金屬鉭在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用成本拓寬了思路；鉭還可涂覆于一些聚合物組成復(fù)合材料表面，采用堿熱處理等技術(shù)以改善材料在人體內(nèi)的可視性和生物相容性。多孔鉭涂層不僅無細(xì)胞毒性，還能促進(jìn)局部細(xì)胞生長和促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞分化，具有十二面體開放型結(jié)構(gòu)，利于成骨細(xì)胞前體聚集、增殖和分化以及基質(zhì)的分泌，促進(jìn)肉芽組織快速長入及血管生長因子的產(chǎn)生從而有助于內(nèi)皮新生血管的形成。同時(shí)新生成的健康肉芽組織能促進(jìn)新骨形成，加之彈性模量與天然骨相似，避免局部應(yīng)力集中和骨吸收發(fā)生，因而多孔鉭涂層種植體有利于抵抗早期和即刻載荷。Papi等也認(rèn)為多孔鉭涂層結(jié)構(gòu)可促進(jìn)即刻種植體的早期穩(wěn)定性。含鉭涂層將會(huì)成為醫(yī)用生物材料表面改性的重要研究方向。
3.5多孔鉭合金種植體
由于資源有限價(jià)格昂貴，鉭在臨床應(yīng)用受到一定限制，與其他金屬形成合金可減少鉭的用量而達(dá)到同樣甚至更好的效果，因而鉭合金的應(yīng)用已成為降低成本和用量的研究熱點(diǎn)之一。多孔鉭合金種植體主要包括鈦鉭合金、鈦鉭鋯合金、鈦鉭鈮鋯合金等種植體。Kim等將多孔鉭加載到鈦種植體上，制得組合式牙科種植體，該種植體由三部分組成，包括Ti-6Al-4V柱、TrabecularMetalTM套筒和頂端部分，三者單獨(dú)制作后再組合而成，鈦合金柱的頸部和頂端部分為螺紋狀和HA層以增加粗糙度，中段直徑略小以容納多孔鉭套筒，最后將頂端部分焊接到鈦合金柱上，將該種植體和鈦種植體植入犬頜骨內(nèi)，發(fā)現(xiàn)兩者的穩(wěn)定性均良好，骨接觸面積無明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，但多孔鉭內(nèi)有明顯的骨組織長入。
研發(fā)者將鉭粉與碳酸氫鈉和聚乙烯醇混合造粒后壓入有機(jī)泡沫體中成型，再經(jīng)脫脂、燒結(jié)、冷卻和熱處理制得替代牙骨的多孔鉭醫(yī)用植入物，經(jīng)測(cè)試，該方法可使多孔鉭材料雜質(zhì)含量低于0.2%、密度為11.67-13.34g/cm3，孔隙率為20-30%，孔隙直徑為5-30μm，彈性模量為4.5-6.0Gpa、抗壓強(qiáng)度為100-130Mpa、彎曲強(qiáng)度為110-130Mpa，適用于牙科醫(yī)用植入材料。學(xué)者用含10、20、30%鉭的鈦鉭合金研究其降解行為并與傳統(tǒng)種植材料進(jìn)行比較，結(jié)果顯示三種鉭含量鈦合金的降解速率均低于純鈦的（1.8×10-3mm/y），依次為1.4×10-3mm/y、6.3×104mm/y和1.2×10-3mm/y。這說明相對(duì)于純鈦，鈦鉭合金降解速率降低，利于植入后遠(yuǎn)期穩(wěn)定。Cimpean用鑄造和熱機(jī)械處理然后再結(jié)晶制取了新型鉭鈦鋯合金（Ti-25Ta-5Zr），試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)該合金無細(xì)胞毒性、無致敏反應(yīng)，具有較好的細(xì)胞粘附和擴(kuò)散能力以及細(xì)胞增殖性能，同時(shí)發(fā)現(xiàn)經(jīng)熱機(jī)械處理的鉭合金能提高其抗腐蝕性和生物相容性。
鈦鉭鈮鋯合金種植體是一種新型雙極耐酸種植材料，具有良好的生物相容性和抗腐蝕性，能促進(jìn)體內(nèi)種植體-骨早期結(jié)合。研究發(fā)現(xiàn)鈦鉭鈮鋯合金表面易形成含氧化鈦（TiO2）、氧化鋯（ZrO2）、氧化鈮（Nb2O5）和氧化鉭（Ta2O5）成分的穩(wěn)定氧化層，該氧化層可通過陽極氧化法制備且具有多孔納米管結(jié)構(gòu)，經(jīng)掃描電鏡-能譜儀，X射線衍射（X-RD）分析和三維表面光度儀分析發(fā)現(xiàn)氧化鉭具有不規(guī)律的多孔結(jié)構(gòu)，與純多孔鉭相比具有較高摩擦性能和表面性能；氧化鈮具有規(guī)律多孔結(jié)構(gòu)和低摩擦性能，退火之前無生物活性；但這些金屬氧化物退火之后均表現(xiàn)出活躍增強(qiáng)的生物活性，提高該合金在種植體中的應(yīng)用價(jià)值。
隨著近年來人們對(duì)多孔鉭研究的不斷深入，已有多項(xiàng)臨床試驗(yàn)結(jié)果證明醫(yī)用鉭與鈦金屬相結(jié)合而制成的新型牙種植體彌補(bǔ)了其他金屬材料在生物相容性、生物活性及種植體-骨性結(jié)合等方面所存在的不足。骨小梁金屬牙科種植體沿用了目前業(yè)內(nèi)認(rèn)可度較高的金屬鈦，突破性地將其與多孔鉭相結(jié)合，從而一改此前產(chǎn)品在生物相容性差、生物活性不高、骨傳導(dǎo)性較低等方面的不足，為新型人工種植體的臨床應(yīng)用提供了一種較其他產(chǎn)品更為理想的選擇。多孔鉭能滿足理想的骨移植材料三要素，即骨傳導(dǎo)、骨誘導(dǎo)和骨生成作用，使其在臨床種植中的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。
但由于患者復(fù)雜性比如骨質(zhì)疏松癥、糖尿病、放射線骨壞死的患者或者長時(shí)間吸煙患者，以及植入機(jī)體環(huán)境的特異性和動(dòng)態(tài)性比如多菌群的口腔環(huán)境，不易制動(dòng)的關(guān)節(jié)等等因素，制約著以多孔鉭為基礎(chǔ)的種植材料的臨床應(yīng)用，如何控制和治療種植體周圍炎是目前研究的熱點(diǎn)，其臨床應(yīng)用遠(yuǎn)期效果還需通過長期的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。鉭金屬的臨床應(yīng)用取得了不錯(cuò)的短期臨床療效，但其理論上的優(yōu)勢(shì)仍需臨床實(shí)驗(yàn)證據(jù)及長期療效對(duì)比。對(duì)與鉭相關(guān)材料的作用機(jī)制以及開發(fā)制備簡便、成本低廉及性能優(yōu)異的多孔鉭骨植入材料將成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，在眾多孔鉭的制備法中，激光制造方法因其靈活、可控等成為主流手段；多孔鉭棒在人工顳下頜關(guān)節(jié)重建和口腔種植領(lǐng)域也是較重要的研究方向；對(duì)人工種植體緩釋給藥系統(tǒng)的研究，多孔鉭人工牙種植體載藥有望在促進(jìn)種植體骨結(jié)合、改善骨代謝疾病狀態(tài)下提高受損的骨愈合能力，多孔鉭骨植入材料表面的微孔結(jié)構(gòu)利于負(fù)載各種細(xì)胞因子或藥物，展現(xiàn)其在載藥方面的巨大潛力，需在材料學(xué)，生物醫(yī)學(xué)和制造業(yè)等多方面共同努力下，全面研究，共同努力，隨著制備工藝以及臨床技術(shù)的日趨完善成熟，相信越來越多的金屬鉭及多孔鉭生物材料將會(huì)在臨床醫(yī)學(xué)中得到更加廣泛的應(yīng)用，為患者謀福。