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鉭具有“親生物”金屬之稱,純鉭應(yīng)用于骨科醫(yī)療至今已有80多年。1802年,瑞典化學(xué)家Ekeberg在礦石中發(fā)現(xiàn)了鉭,并以Tantalus命名。1866年羅茲用鈉還原Na2TaF7方法,獲得了較高純度的鉭。
隨后,憑借其獨特的理化性質(zhì)和極佳的生物惰性與生物相容性,純鉭于1940年首次被應(yīng)用于骨科領(lǐng)域,至今已有80年的臨床應(yīng)用歷史,成為了繼鈦金屬之后又一種新型生物材料,被廣泛應(yīng)用在口腔種植體植入、股骨頭壞死治療、冠狀動脈支架植入、人工髖臼假體植入、外科手術(shù)縫合線制作等醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域。大量文獻(xiàn)證實,純鉭作為人體植入物尚未發(fā)生不良反應(yīng)。
純鉭是一種灰色、光亮、堅硬的金屬,硬度適中,延展性好,可拉成比頭發(fā)絲還細(xì)的鉭絲。純鉭與骨組織彈性模量相差較大,不利于骨結(jié)合。而多孔鉭作為新型的骨科植入材料,內(nèi)部結(jié)構(gòu)相互連通,縱橫交織。具有高孔隙率、低彈性模量及高表面摩擦系數(shù)等物理特性。在力學(xué)性能方面,多孔鉭優(yōu)于實體鉭和其他常用的醫(yī)用金屬材料。其特殊孔結(jié)構(gòu)使其彈性模量介于人的松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨之間,特別適用于骨置換,關(guān)節(jié)置換和人體組織填充??稍谔峁┝W(xué)強度的同時減少應(yīng)力遮擋,利于應(yīng)力傳導(dǎo),便于骨骼塑形,又兼具有優(yōu)良的骨誘導(dǎo)性,廣泛應(yīng)用于骨科領(lǐng)域,并取得了理想療效。具有生物活性的骨材料界面是羥基磷灰石層而不是結(jié)締組織層,鉭金屬本身具有良好的骨生物活性和穩(wěn)定的生物惰性,這使它與骨之間形成強有力的骨界面整合。
多孔鉭具有諸多優(yōu)勢如:(1)可與宿主骨界面完美整合:相比于最常用的鈦金屬,鉭金屬生物相容性更佳,骨融合能力更強。(2)獨特的仿生骨小梁結(jié)構(gòu):鉭金屬的彈性模量更接近骨組織,較其他金屬更適合仿生人體的骨小梁結(jié)構(gòu)。(3)誘導(dǎo)骨和血管快速長入:可以促進骨組織和血管組織快速長到多孔鉭的孔隙中,其高度的多孔性和支撐結(jié)構(gòu)提供了廣泛的骨長入空間,形成良好的生物固定作用,可有效解決骨水泥放熱,對周圍組織的影響,是臨床上的一大進步。
上述優(yōu)勢,使其在不同尺寸骨科植入物,和不同部位骨缺損中展現(xiàn)出極大的臨床應(yīng)用價值和適用空間。
鉭金屬具優(yōu)異的耐腐蝕性,將其涂覆在某些醫(yī)用金屬材料表面,可有效阻止有毒元素的釋放,提高金屬材料的生物相容性。鉭涂層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,從而臨床應(yīng)用越加廣泛,患者選擇更加靈活。五氯化鉭是一種白色粉末,由單質(zhì)金屬鉭高溫氯化制備而成,五氯化鉭具有較低的沸點,很高的反應(yīng)活性,對于氫還原CVD制備多孔鉭是絕佳的材料選擇。
此外,鉭金屬也已作為種植體材料被應(yīng)用于缺失牙患者的修復(fù)治療中。 有實驗表明,在牙合力負(fù)載過程中,傳統(tǒng)種植體可吸收負(fù)載能量的30%,而鉭金屬骨小梁種植體可吸收50%-75%,使得種植體在長期的口內(nèi)功能負(fù)載中將牙合力分散至周圍骨質(zhì)中,避免了應(yīng)力集中,而較高的摩擦系數(shù)使其在種植體植入過程中具有良好的初期穩(wěn)定性,從而提高種植牙的結(jié)合率,特別是骨質(zhì)量較差的種植患者。
Zimmer的宏觀多孔結(jié)構(gòu)由網(wǎng)狀玻璃碳支架構(gòu)成,鉭金屬在支架表面通過化學(xué)氣相沉積/滲透(CVD/CVI)的方式覆蓋。純鉭做為原料,使用化學(xué)氣相沉積(Chemical vapordeoposition,)方法,與Cl2發(fā)生反應(yīng),生成氣態(tài)五氯化鉭,再使用H2將五氯化鉭中的Ta還原出來并沉積到碳骨架上,形成類似松質(zhì)骨的獨特多孔結(jié)構(gòu)。CVD制備的多孔鉭具有海綿狀的多孔結(jié)構(gòu)、縱橫交錯的網(wǎng)格以及分布整體的孔道,網(wǎng)格呈多重十二面體結(jié)構(gòu),孔徑大小為400~600μm,孔隙率為75~85%,鉭層厚度為40~60μm,可通過調(diào)節(jié)鉭層厚度來調(diào)整多孔鉭的機械性能。
據(jù)行業(yè)專家和三方機構(gòu)調(diào)研,多孔鉭系列產(chǎn)品作為骨科植入的高端產(chǎn)品,幾乎占據(jù)Zimmer全產(chǎn)品線的1/3,年銷售額約為120億元,且近年持有10%左右的增速。若按關(guān)節(jié)初次植入后10年作為翻修/置換時間預(yù)測,多孔鉭產(chǎn)品作為關(guān)節(jié)翻修的必須明星產(chǎn)品,即將迎來一輪更快的增速。
此外,多孔鉭多年臨床評估結(jié)果顯示Trabecular MetalTM(骨小梁金屬)具有優(yōu)越的多孔特性,可以提供骨科植入物所需的生理強度,和類似松質(zhì)骨的彈性模量。但Zimmer氣相沉積工藝繁雜帶來的原料、設(shè)備、廠房成本,人工成本和進口關(guān)稅等導(dǎo)致捷邁多孔鉭產(chǎn)品價格昂貴。據(jù)了解,國內(nèi)銷售的zimmer多孔鉭棒價格一般在2.5萬元人民幣以上(不同城市價格略有差異)。因此多孔鉭產(chǎn)品臨床療效雖備受骨科醫(yī)生認(rèn)可,但國內(nèi)滲透率仍不高。
仿生骨小梁多孔結(jié)構(gòu)三維建模圖:側(cè)視圖、俯視圖、縱切剖面圖(從左至右)
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