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隨著醫(yī)學理論技術的不斷發(fā)展更新，以及人口老齡化社會來臨，加之體育、交通等事故頻發(fā)導致創(chuàng)傷增加，特別是相關患者對生活水平和生存質量提高的期待，使人工種植需求量越來越大，人類越來越重視醫(yī)學材料的研究與應用，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的耐腐蝕性、良好生物相容性和特有的結構性質被應用到臨床中，取得了良好的效果，醫(yī)用鉭的臨床上應用也越來越廣泛。
鉭（Tantalum，Ta）的原子序數是73，原子量為180.95，略帶顯蘭色的淺灰色，質地堅硬，硬度為6-6.5莫氏，僅次于金剛石，密度為16.68g/cm3，熔點高達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，其抗拉強度高于其他傳統(tǒng)多孔材料；其維氏顯微硬度240-393MPa，彎曲強度為110MPa，壓縮強度和拉伸強度分別是60MPa和63MPa，屈曲強度為10nm，彈性模量約3GPa，介于皮質骨與松質骨之間，與人和牛的松質骨相近，加之其類似于人體松質骨的蜂窩狀三維多孔結構，能避免應力遮擋效應，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高、孔隙率高及耐腐蝕性強等特點。
鉭具有優(yōu)良的穩(wěn)定性，與人體組織不易發(fā)生反應。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)生化學反應，部分無機鹽對鉭無腐蝕作用；金屬鉭能在人體復雜液體環(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取出。
鉭具有良好的生物相容性，與體液無反應、對機體組織無刺激。研究發(fā)現(xiàn)機體清除人體內鉭的主要方式是巨噬細胞吞噬反應，實驗證明該反應是輕微的，還不足以使吞噬細胞發(fā)生變性、壞死或崩解，吞噬細胞與鉭塵接觸1h后仍存活，無細胞變性，且細胞狀態(tài)良好。這與在同條件下矽肺患者游離二氧化矽粉塵進入人體內引發(fā)的肺泡巨噬細胞導致變性壞死崩解的現(xiàn)象相反，證實鉭元素具有優(yōu)異的細胞相容性，無細胞毒性，關于鉭及多孔鉭對成骨細胞和間充質干細胞有細胞毒性作用報道較少。鉭具有較高表面能及較好的潤濕性，植入機體后，生物組織在其表面易生長，并與自然骨有較高的結合性能，故稱為“親生物金屬”。
由多孔鉭制成的植入體在提供力學強度的同時可減少應力遮擋，利于應力傳導，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生長，利于種植體骨結合以及營養(yǎng)物質、代謝產物的運輸，具有優(yōu)良的骨傳導性、促骨再生性、較低的細菌黏附性等優(yōu)點。多孔鉭可對骨組織提供符合生理性應力分布及傳導的結構性支持，無應力遮擋，且其蜂窩狀立體結構可使骨質快速、牢靠的長入，從而增強骨頭壞死區(qū)域的再血管化，減少骨移植以及由此帶來的相關并發(fā)癥。
3.1醫(yī)用鉭的基礎應用
鉭絲在骨科用于肌腱、筋膜、骨甚至是神經纖維的減張縫合，也可用于口腔內牙齒的固定及骨折時鉭絲環(huán)扎，徐皓等對33例各種類型髕骨骨折患者采用鉭絲環(huán)扎內固定治療，術后跟蹤隨訪5個月至16年不等，結果發(fā)現(xiàn)僅2例出現(xiàn)創(chuàng)傷性關節(jié)炎，其余31例均無并發(fā)癥，獲得良好療效；鉭絲強度高、拉力大固定牢靠，彈性小韌性好易打結，生物相容性好對人體無毒無害，耐腐蝕無需再次手術取出，鉭絲環(huán)扎內固定易操作，時間短，創(chuàng)傷小，適應證廣，術后可早期活動防止關節(jié)僵硬及肌肉萎縮。
鉭網鉭片可用于修補、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脈內觀察6個月未見排異現(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，與傳統(tǒng)手術相比，多孔鉭棒骨科植入手術具有操作簡單、手術時間短（平均手術時間36min）、出血量少（平均出血為70ml）、創(chuàng)傷小、術后恢復快、治療時間短等優(yōu)點。多孔鉭棒對骨頭壞死的區(qū)域有極好的支撐作用，可避免壞死骨頭塌陷，并有對其再血管化的潛能；多孔鉭棒植入物能對髓腔進行減壓，其蜂窩狀結構與生物相容性可對骨誘導和骨細胞生長提供有利條件，其彈性模量與人體腓骨接近，在股骨頭內也較少產生應力遮擋和集中；鉭填充材料可用于外科手術后組織再造或填充，鐘建鑫等建立比格犬牙缺失模型，3個月后于缺牙區(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成骨能力，其修復頜骨缺損效果優(yōu)于臨床常用的Bio-oss骨粉。多孔鉭填充材料能促進細胞增殖并提高成骨細胞的造骨能力，為臨床材料應用擴展了思路，增加了選擇途徑。
3.3多孔鉭人工關節(jié)
多孔鉭適宜的彈性模量及摩擦系數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要高，相對松質骨和皮質骨，多孔鉭的摩擦系數分別是0.88和0.74，比其它方式表面處理材料的摩擦系數高達40-80%，有利于材料植入后的初期穩(wěn)定性，Hasart等報道對38例PaproskyⅢA、ⅢB型髖臼缺損患者采用多孔鉭髖臼增強假體行髖關節(jié)重建，術后25個月隨訪顯示所有患者髖關節(jié)活動功能均明顯增強，平均Poste-Merled，Aubigne骸關節(jié)功能評分自術前6分提高至術后13分，平均Harris髖關節(jié)評分自29分提高至78分。Unger等對95例108膝行TKA患者采用一體化多孔擔脛骨平臺假體，4年隨訪結果提示，一體化多孔擔脛骨平臺假體用于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節(jié)重建和口腔種植領域將是一個重要的研究方向。
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低廉和易加工的優(yōu)勢，為降低金屬鉭在醫(yī)療領域的應用成本拓寬了思路；鉭還可涂覆于一些聚合物組成復合材料表面，采用堿熱處理等技術以改善材料在人體內的可視性和生物相容性。多孔鉭涂層不僅無細胞毒性，還能促進局部細胞生長和促進間充質干細胞分化，具有十二面體開放型結構，利于成骨細胞前體聚集、增殖和分化以及基質的分泌，促進肉芽組織快速長入及血管生長因子的產生從而有助于內皮新生血管的形成。同時新生成的健康肉芽組織能促進新骨形成，加之彈性模量與天然骨相似，避免局部應力集中和骨吸收發(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等也認為多孔鉭涂層結構可促進即刻種植體的早期穩(wěn)定性。含鉭涂層將會成為醫(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
由于資源有限價格昂貴，鉭在臨床應用受到一定限制，與其他金屬形成合金可減少鉭的用量而達到同樣甚至更好的效果，因而鉭合金的應用已成為降低成本和用量的研究熱點之一。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，發(fā)現(xiàn)兩者的穩(wěn)定性均良好，骨接觸面積無明顯統(tǒng)計學差異，但多孔鉭內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泡沫體中成型，再經脫脂、燒結、冷卻和熱處理制得替代牙骨的多孔鉭醫(yī)用植入物，經測試，該方法可使多孔鉭材料雜質含量低于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、抗壓強度為100-130Mpa、彎曲強度為110-130Mpa，適用于牙科醫(yī)用植入材料。學者用含10、20、30%鉭的鈦鉭合金研究其降解行為并與傳統(tǒng)種植材料進行比較，結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。這說明相對于純鈦，鈦鉭合金降解速率降低，利于植入后遠期穩(wěn)定。Cimpean用鑄造和熱機械處理然后再結晶制取了新型鉭鈦鋯合金（Ti-25Ta-5Zr），試驗結果發(fā)現(xiàn)該合金無細胞毒性、無致敏反應，具有較好的細胞粘附和擴散能力以及細胞增殖性能，同時發(fā)現(xiàn)經熱機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，能促進體內種植體-骨早期結合。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構，經掃描電鏡-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)律的多孔結構，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)律多孔結構和低摩擦性能，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)出活躍增強的生物活性，提高該合金在種植體中的應用價值。
隨著近年來人們對多孔鉭研究的不斷深入，已有多項臨床試驗結果證明醫(yī)用鉭與鈦金屬相結合而制成的新型牙種植體彌補了其他金屬材料在生物相容性、生物活性及種植體-骨性結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)內認可度較高的金屬鈦，突破性地將其與多孔鉭相結合，從而一改此前產品在生物相容性差、生物活性不高、骨傳導性較低等方面的不足，為新型人工種植體的臨床應用提供了一種較其他產品更為理想的選擇。多孔鉭能滿足理想的骨移植材料三要素，即骨傳導、骨誘導和骨生成作用，使其在臨床種植中的應用將會越來越廣泛。
但由于患者復雜性比如骨質疏松癥、糖尿病、放射線骨壞死的患者或者長時間吸煙患者，以及植入機體環(huán)境的特異性和動態(tài)性比如多菌群的口腔環(huán)境，不易制動的關節(jié)等等因素，制約著以多孔鉭為基礎的種植材料的臨床應用，如何控制和治療種植體周圍炎是目前研究的熱點，其臨床應用遠期效果還需通過長期的實驗來驗證。鉭金屬的臨床應用取得了不錯的短期臨床療效，但其理論上的優(yōu)勢仍需臨床實驗證據及長期療效對比。對與鉭相關材料的作用機制以及開發(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域的研究熱點，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節(jié)重建和口腔種植領域也是較重要的研究方向；對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種植體骨結合、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構利于負載各種細胞因子或藥物，展現(xiàn)其在載藥方面的巨大潛力，需在材料學，生物醫(yī)學和制造業(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在臨床醫(yī)學中得到更加廣泛的應用，為患者謀福。