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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(chǎn)業(yè)發(fā)展

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(dú)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(dòng)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(shí)，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(jiān)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(shí)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(qiáng)度的同時(shí)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(qiáng)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(qiáng)。（2）獨(dú)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(jìn)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(duì)周圍組織的影響，是臨床上的一大進(jìn)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(jià)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(diǎn)，很高的反應(yīng)活性，對(duì)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(shí)驗(yàn)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(dú)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(cuò)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(jī)械性能。

據(jù)行業(yè)專家和三方機(jī)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(shí)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(píng)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(qiáng)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(jìn)口關(guān)稅等導(dǎo)致捷邁多孔鉭產(chǎn)品價(jià)格昂貴。據(jù)了解，國內(nèi)銷售的zimmer多孔鉭棒價(jià)格一般在2.5萬元人民幣以上（不同城市價(jià)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）

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