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醫(yī)用多孔金屬鉭材料的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用
目前，多孔金屬鉭優(yōu)良的力學(xué)性能和組織相容性而應(yīng)用于臨床，下面是小編搜集整理的一篇探究醫(yī)用多孔金屬鉭材料基礎(chǔ)的論文范文，供大家閱讀參考。
[摘要] 金屬鉭一般用于制作電容器的陽極。除此之外因其具有合適的機(jī)械強(qiáng)度、良好的彈性模量、耐腐蝕性、良好的生物相容性、高孔隙率、合適的孔徑以及立體空間結(jié)構(gòu)而作為骨移植材料受到醫(yī)學(xué)界特別是骨科界的廣泛關(guān)注。該文通過查閱目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，就多孔鉭金屬材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的基礎(chǔ)研究及應(yīng)用進(jìn)行綜述。
[關(guān)鍵詞] 金屬鉭;骨移植材料;生物相容性
目前醫(yī)用骨修復(fù)材料主要有天然衍生骨材料、醫(yī)用陶瓷類以及金屬及其合金材料等。鉭具有高摩擦系數(shù)，這將使其具有較好的機(jī)械穩(wěn)定性并且當(dāng)鉭移植物植入動(dòng)物體內(nèi)后沒有周圍炎癥反應(yīng)而具有優(yōu)良的生物相容性。因此在骨折內(nèi)固定等外科手術(shù)中發(fā)揮了重要作用[1]。然而大量的臨床研究表明，目前臨床上所使用金屬材料由于具有腐蝕性、彈性模量過高等原因?qū)е碌钠谡蹟�、金屬過敏、假體松動(dòng)等，不能完全滿足人體生理環(huán)境、生物力學(xué)以及使用壽命的要求[2]。上世紀(jì)末美國(guó)Zimmer公司研制的新型醫(yī)用多孔鉭材料與傳統(tǒng)的金屬材料如鈦、鎂以及合金相比，具有更強(qiáng)的抗腐蝕性 、更高的摩擦系數(shù)、更好的耐磨損性，同時(shí)多孔鉭在彈性模量、機(jī)械強(qiáng)度、抗疲勞性、生物相容性方面也有出色的表現(xiàn);其高孔隙率對(duì)于細(xì)胞粘附增殖以及促進(jìn)纖維和骨組織向內(nèi)生長(zhǎng)極為有利，同時(shí)細(xì)胞可以在相互連通的孔隙內(nèi)自由地進(jìn)行物質(zhì)交換，從而使其具有很好的促組織內(nèi)生性和骨傳導(dǎo)性，可以達(dá)到生物固定的目的[3-5]。多孔鉭優(yōu)秀的特質(zhì)使其很快被用于骨組織工程支架材料方面的研究并取得了令人鼓舞的效果。
1 多孔金屬鉭的物理特性
鉭(tantalum)是一種難熔金屬， 熔點(diǎn)近3 000度 ，外觀呈深灰色，表面光潔，多孔狀結(jié)構(gòu)。表面及斷面可見分布均勻的蜂窩狀孔隙，針尖大小。掃描電鏡觀察材料表面及斷面可見20～50 μm的微粒，微粒之間有分布均勻直徑約400～600 μm的微孔結(jié)構(gòu)[6]�？紫秲�(nèi)部相互連通。鉭在生物體內(nèi)極其穩(wěn)定， 在常溫及各種環(huán)境中均不溶解， 也不呈現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)它與一些元素如氧、碳以及氮等元素具有高親和力，常溫下在鉭周圍形成保護(hù)膜而具有抗腐蝕性特點(diǎn)。多孔鉭由鉭粉制備而成，鉭粉經(jīng)加熱形成鉭蒸汽而沉積于碳或其它元素形成的支架，去除支架后及可獲得高孔隙率75%～85%，孔徑約400～600 μm，具有三維立體空間構(gòu)型的多孔鉭材料[7-8]。在醫(yī)學(xué)上，鉭是比較理想的骨科植入材料，有“小梁金屬”之稱。它與人體骨骼、肌肉組織直接接觸時(shí)，具有事宜的機(jī)械強(qiáng)度，其彈性
模量介于具有介于皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨之間，可以支撐人體骨骼。與體液接觸時(shí)，能夠與生物細(xì)胞相適應(yīng)，具有極好的親和性，幾乎不對(duì)人體產(chǎn)生刺激。同時(shí)鉭的三維立體結(jié)構(gòu)的空隙具有一定的密度，同時(shí)也同時(shí)多孔鉭的可塑性特點(diǎn)還可以使其在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中制備成各種形狀的骨科內(nèi)固定器材，如用于治療骨折的接骨板、螺釘、、鉭板或鉭片修骨;鉭絲和鉭箔可以縫合神經(jīng)和肌腱，甚至是神經(jīng)纖維，鉭網(wǎng)可以用來修補(bǔ)肌肉組織等[9-11]。
2 多孔金屬鉭的細(xì)胞相容性
正常情況下，人體可吸收與代謝以不溶性鉭鹽的形式存在于生物體內(nèi)的微量鉭元素。當(dāng)鉭進(jìn)入體內(nèi)后，機(jī)體清除鉭的主要方式是巨噬細(xì)胞的吞噬反應(yīng)。如肺泡巨噬細(xì)胞吞噬消化及降解。但是經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明這些吞噬反應(yīng)是輕微的，并不足以使得吞噬細(xì)胞發(fā)生變性、壞死及崩解，細(xì)胞保持良好狀態(tài)。這與矽肺病時(shí)，含有游離二氧化矽粉塵進(jìn)入人體時(shí)所發(fā)生的肺泡巨噬細(xì)胞最終導(dǎo)致變性壞死崩解的現(xiàn)象正好相反[12-14]。這說明鉭元素?zé)o細(xì)胞毒性，具有良好的細(xì)胞相容性，對(duì)人體無害。目前，鉭以其優(yōu)異的理化特性及特有的3D結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于骨組織工程支架材料。有研究證明[15-16]：體外將動(dòng)物成骨細(xì)胞與鉭復(fù)合培養(yǎng)后通過各種顯微鏡形態(tài)學(xué)分析與MTT的定量分析，清楚的揭示了多孔鉭比多孔鈦更優(yōu)的生物相容性。與多孔鈦相比，多孔鉭表面有更多的細(xì)胞粘附和細(xì)胞的微伸展，并且對(duì)成骨細(xì)胞無接觸抑制現(xiàn)象存在。在多孔鉭與成骨細(xì)胞聯(lián)合培養(yǎng)時(shí)中，成骨細(xì)胞外基質(zhì)分泌并且發(fā)生鈣化也證明了成骨細(xì)胞與多孔鉭細(xì)胞具有良好的細(xì)胞相容性。同時(shí)當(dāng)二者共同培養(yǎng)時(shí)鉭可以促進(jìn)成骨細(xì)胞粘附、增殖并向其內(nèi)部孔隙長(zhǎng)入，提高成骨細(xì)胞的成骨能力，從而加強(qiáng)與骨組織的整合及固定能力。Findlay等[17]用人成骨細(xì)胞復(fù)合5 mm厚多孔片鉭并與鈦、鉻-鈷合金對(duì)比檢測(cè)細(xì)胞增殖與功能基因的表達(dá)，結(jié)果顯示不同的金屬材料測(cè)量參數(shù)中并無顯著差異。通過細(xì)胞形態(tài)學(xué)觀察和共聚焦顯微鏡鑒定人成骨細(xì)胞在不同基質(zhì)材料上附著情況相似。無論是細(xì)胞數(shù)量還是細(xì)胞分裂數(shù)，鉭金屬材料與其它基質(zhì)材料均無差異。通過對(duì)成骨細(xì)胞或成骨活性的眾多基因mRNA表達(dá)水平分析，鉭金屬與其它基質(zhì)材料無顯著差異有時(shí)甚至高于其它材料。人成骨細(xì)胞體外礦化結(jié)果也顯示鉭金屬較其他材料無差異。表明鉭金屬是人成骨細(xì)胞粘附、增殖與分化的良好支架材料。李矛等[18]將細(xì)胞與鈦、羥基磷灰石及鉭涂層支架材料復(fù)合培養(yǎng)時(shí)，細(xì)胞的相對(duì)增殖率以鉭涂層最高，為113.2%，羥基磷灰石涂層次之，為110.5%，鈦涂層最低，為109.8%。表明3種支架材料均對(duì)細(xì)胞無生長(zhǎng)抑制作用。但鉭涂層表面更適合細(xì)胞的黏附、生長(zhǎng)。也有人將兔骨髓基質(zhì)干細(xì)胞接種在多孔鈦及鉭涂層多孔鈦合金支架材料，在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)鉭涂層支架表面的增殖及粘附效果均顯著優(yōu)于多孔鈦合金支架，說明鉭涂層支架較多孔鈦合金支架有更好的細(xì)胞相容性，有望成為新一代的生物醫(yī)用金屬材料[19]。
3 多孔金屬鉭的組織相容性
目前，多孔金屬鉭優(yōu)良的力學(xué)性能和組織相容性而應(yīng)用于臨床。美國(guó)在多孔金屬鉭的生產(chǎn)與研究方面領(lǐng)先于其他國(guó)家，其中Zimmer公司生產(chǎn)的多孔鉭材料除具有三維多孔結(jié)構(gòu)且可促進(jìn)成骨細(xì)胞黏附、分化生長(zhǎng)，利于水及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在多孔鉭內(nèi)的運(yùn)輸之特點(diǎn)。人體的組織再造、植骨及置換術(shù)等都可應(yīng)用多孔鉭材料植入骨缺損部位，骨質(zhì)會(huì)沿著多孔鉭孔隙及與宿主界面長(zhǎng)入，使鉭材料充分與骨組織緊密結(jié)合并融為一體。作為支架材料植入人體后，由于其優(yōu)良的組織相容性使得多孔鉭在人體內(nèi)不降解，因此也不需要二次手術(shù)取出[20]。此外，多孔也可鉭作為人工關(guān)節(jié)材料顯示出無以倫比的優(yōu)越性：如多孔鉭的彈性模量與比自己相對(duì)大的皮質(zhì)骨相互作用時(shí)，由于多孔鉭具有較好的柔韌性及可塑性，因此并無變形且斷裂的現(xiàn)象出現(xiàn)。這一特性可使得在關(guān)節(jié)重建術(shù)中所植入的鉭假體與宿主骨之間匹配良好并無松動(dòng)，提高了植入假體的穩(wěn)定性。國(guó)外許多文獻(xiàn)也證實(shí)了多孔鉭具有良好的組織相容性。Zardiackas[21]研究發(fā)現(xiàn)多孔金屬鉭屈曲強(qiáng)度為10 Nm，人腓骨平均屈曲強(qiáng)度為8～12.5 Nm，兩者大小相似。多孔金屬鉭彈性模量約為3 GPa，和正常人體骨相似，所以在提供足夠生理支持的情況下還可以很大程度上的降低應(yīng)力遮擋，從而更加有利于骨質(zhì)的長(zhǎng)入與重塑，而鈦合金、鈷鉻合金等彈性模量明顯高于骨皮質(zhì)，容易產(chǎn)生應(yīng)力遮擋。醫(yī)用多孔金屬鉭質(zhì)地堅(jiān)固，抗磨損、抗疲勞能力均優(yōu)于骨松質(zhì)、陶瓷制品、凍干骨片，可以提供足夠的生理負(fù)荷。這種多孔金屬鉭已廣泛用于臨床，比如多孔鉭假體治療人工關(guān)節(jié)翻修術(shù)后、骨腫瘤切除術(shù)后、嚴(yán)重關(guān)節(jié)炎、嚴(yán)重創(chuàng)傷后骨缺損，多孔鉭棒治療早期股骨頭壞死，多孔金屬鉭椎間盤融合椎體等，并且效果滿意[22]。
4 結(jié)語
目前的研究多為材料學(xué)及在骨科領(lǐng)域中的應(yīng)用，其它學(xué)科都待開發(fā)。雖然多孔鉭金屬材料在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用目前并且取得了不錯(cuò)的短期臨床療效。但其理論上的優(yōu)勢(shì)仍有待于臨床證據(jù)和長(zhǎng)期的臨床隨訪。這就需要加強(qiáng)基礎(chǔ)理論與相關(guān)交叉學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)。對(duì)其成形機(jī)理， 孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙率進(jìn)行更加全面的研究， 爭(zhēng)取更快的推進(jìn)其多孔鉭的國(guó)產(chǎn)化及批量生產(chǎn)。擴(kuò)大其在骨科及口腔科的應(yīng)用范圍。相信隨著制備工藝以及臨床技術(shù)的日趨成熟，越來越多的金屬鉭支架材料會(huì)材料應(yīng)用到臨床中。
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