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骨科植入材料新秀——由五氯化鉭CVD制備多孔鉭材料助力大健康產業(yè)發(fā)展

鉭具有“親生物”金屬之稱，純鉭應用于骨科醫(yī)療至今已有80多年。1802年，瑞典化學家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和極佳的生物惰性與生物相容性，純鉭于1940年首次被應用于骨科領域，至今已有80年的臨床應用歷史，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、外科手術縫合線制作等醫(yī)學相關領域。大量文獻證實，純鉭作為人體植入物尚未發(fā)生不良反應。

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)絲還細的鉭絲。純鉭與骨組織彈性模量相差較大，不利于骨結合。而多孔鉭作為新型的骨科植入材料，內部結構相互連通，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。其特殊孔結構使其彈性模量介于人的松質骨和皮質骨之間，特別適用于骨置換，關節(jié)置換和人體組織填充?？稍谔峁┝W強度的同時減少應力遮擋，利于應力傳導，便于骨骼塑形，又兼具有優(yōu)良的骨誘導性，廣泛應用于骨科領域，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構：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構。（3）誘導骨和血管快速長入：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構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、骨誘導和骨生成作用，從而臨床應用越加廣泛，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用于缺失牙患者的修復治療中。 有實驗表明，在牙合力負載過程中，傳統(tǒng)種植體可吸收負載能量的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功能負載中將牙合力分散至周圍骨質中，避免了應力集中，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合率，特別是骨質量較差的種植患者。

Zimmer的宏觀多孔結構由網狀玻璃碳支架構成，鉭金屬在支架表面通過化學氣相沉積/滲透（CVD/CVI）的方式覆蓋。純鉭做為原料，使用化學氣相沉積（Chemical vapordeoposition，）方法，與Cl2發(fā)生反應，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，形成類似松質骨的獨特多孔結構。CVD制備的多孔鉭具有海綿狀的多孔結構、縱橫交錯的網格以及分布整體的孔道，網格呈多重十二面體結構，孔徑大小為400~600μm，孔隙率為75~85%，鉭層厚度為40~60μm，可通過調節(jié)鉭層厚度來調整多孔鉭的機械性能。

據行業(yè)專家和三方機構調研，多孔鉭系列產品作為骨科植入的高端產品，幾乎占據Zimmer全產品線的1/3，年銷售額約為120億元，且近年持有10%左右的增速。若按關節(jié)初次植入后10年作為翻修/置換時間預測，多孔鉭產品作為關節(jié)翻修的必須明星產品，即將迎來一輪更快的增速。

此外，多孔鉭多年臨床評估結果顯示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，和類似松質骨的彈性模量。但Zimmer氣相沉積工藝繁雜帶來的原料、設備、廠房成本，人工成本和進口關稅等導致捷邁多孔鉭產品價格昂貴。據了解，國內銷售的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）。因此多孔鉭產品臨床療效雖備受骨科醫(yī)生認可，但國內滲透率仍不高。

仿生骨小梁多孔結構三維建模圖：側視圖、俯視圖、縱切剖面圖（從左至右）

引自：https://zhuanlan.zhihu.com/p/345047204