彭琳晶，干耀愷，姚怡飛*

(1 上海交通大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，上海 200030;2 上海交通大學(xué) 醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院 骨科，上海 200011)

骨缺損常見(jiàn)于腫瘤切除、先天性畸形、骨折、髖關(guān)節(jié)或膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)翻修或牙科中的牙周炎等情況[1]，直接影響病人的肢體活動(dòng)，甚至對(duì)生活質(zhì)量和生命安全造成影響。在關(guān)節(jié)面，緊鄰關(guān)節(jié)部位，或者韌帶的銜接部位的骨缺損會(huì)造成一系列問(wèn)題，需外科的干預(yù)促進(jìn)骨缺損愈合，對(duì)此骨科醫(yī)生面臨著巨大挑戰(zhàn)[2]。臨床中自體骨移植是骨科修復(fù)的傳統(tǒng)方法，與同種異體移植相比，它具有較快的融合與較少的移植排斥問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)。然而，自體骨來(lái)源有限且易對(duì)患者造成二次傷害，可能會(huì)造成供體部位疾病的發(fā)生，包括運(yùn)動(dòng)受限、感知障礙和疼痛[3-5]等問(wèn)題，限制了自體骨移植在節(jié)段性骨缺損治療中的使用。迄今為止，針對(duì)治療骨缺損植入材料的研究仍在繼續(xù)，其中不銹鋼、鈦合金、鈷鉻合金是目前在臨床中常用的骨缺損修復(fù)金屬材料，但仍存在高彈性模量[6]、高摩擦因數(shù)[7]、細(xì)胞毒性[8]和潛在的過(guò)敏風(fēng)險(xiǎn)[9]等問(wèn)題。若將金屬制備成多孔結(jié)構(gòu)，會(huì)大大降低原本遠(yuǎn)高于人體植入所需的剛度與強(qiáng)度，還有利于骨組織向植入體內(nèi)生長(zhǎng)融合，加強(qiáng)植入體與骨組織的連接。

鉭是一種原子序號(hào)為73的化學(xué)元素，而多孔結(jié)構(gòu)的鉭作為一種新型植入材料，相比于鈦具有更高的惰性，即使在強(qiáng)酸環(huán)境中，其表面形成的氧化膜也可維持較好的抗腐蝕性能[10]，植入體內(nèi)后表現(xiàn)出優(yōu)異的細(xì)胞及組織相容性，進(jìn)一步保證了骨植入物在體內(nèi)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。同時(shí)多孔鉭材料具有高孔隙率、低彈性模量和適當(dāng)?shù)牧W(xué)性能[11]，與人類(lèi)松質(zhì)骨相似的多孔結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出良好的骨傳導(dǎo)能力及骨長(zhǎng)入能力，被認(rèn)為是優(yōu)異的修復(fù)骨缺損的生物醫(yī)用材料之一[12]，近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注[13-14]。本綜述總結(jié)多孔鉭作為治療骨缺損的植入材料，在制備工藝、表面改性、生物學(xué)研究及臨床應(yīng)用方面的研究進(jìn)展，并提出多孔鉭在表面改性建立復(fù)合體系、優(yōu)化制備工藝及個(gè)性化制備技術(shù)的發(fā)展方向，為多孔鉭植入物在治療骨缺損的臨床應(yīng)用提供參考。

1 鉭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與發(fā)展歷史

外科醫(yī)生一直在嘗試?yán)酶鞣N金屬來(lái)修復(fù)身體的缺陷，長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明這是一個(gè)可行的方法，然而植入體對(duì)醫(yī)用金屬有較高的要求。金屬植入物在人體中的應(yīng)用日益廣泛，誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)是金屬的一個(gè)致命缺陷，易導(dǎo)致患者的疼痛與不適。金屬鉭作為一種具有強(qiáng)韌性的惰性金屬，易與氧氣結(jié)合在其表面形成一層薄且致密的氧化層，該氧化物幾乎不溶于酸性物質(zhì)，僅溶于濃硫酸和磷酸，使金屬鉭具有較好的生物相容性，在20世紀(jì)就有文獻(xiàn)報(bào)告將金屬鉭應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[15-17]。

鉭在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的發(fā)展主要分為3個(gè)階段。在1940年，鉭最初被用于外科縫合線，主要用于縫合皮膚，縫合后因未出現(xiàn)炎癥或疤痕組織，醫(yī)生嘗試將其應(yīng)用于其他的病例中[15]。在第二次世界大戰(zhàn)期間，鉭開(kāi)始被廣泛用于戰(zhàn)場(chǎng)創(chuàng)傷引起的顱骨缺損[16]。隨后鉭的使用范圍逐漸擴(kuò)大，包括血管吻合[17]、腹疝[18]、神經(jīng)重建[19]以及額竇[20]，這些文獻(xiàn)報(bào)告均表明鉭具有出色的生物相容性，唯一的缺點(diǎn)是鉭的價(jià)格昂貴。從1950年代開(kāi)始，鈦?zhàn)鳛獒t(yī)用金屬逐漸替代了鉭[21-22]，而鈦的價(jià)格遠(yuǎn)低于鉭[23]。金屬鉭發(fā)展的第2個(gè)階段是隨著粉末冶金技術(shù)的引入及多孔金屬的制備成功。以多孔鈦為代表，多孔金屬逐漸廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。多孔結(jié)構(gòu)不僅可以提供力學(xué)支撐，還可促使骨組織長(zhǎng)入，達(dá)到再生和生物固定的效果。而多孔鉭雖在價(jià)格上高于多孔鈦，但多孔鉭表現(xiàn)出更優(yōu)異的促進(jìn)人成骨細(xì)胞增殖、分化和黏附的能力[12]。Implex公司開(kāi)發(fā)的Hedroced是最早的商業(yè)化多孔鉭材料，后被美國(guó)捷邁公司并購(gòu)，改名為T(mén)rabecular Metal，也叫作骨小梁金屬。在1997年，F(xiàn)DA批準(zhǔn)Trabecular Metal作為一種多孔鉭植入物應(yīng)用于髖關(guān)節(jié)骨缺損的治療，標(biāo)志著多孔鉭植入物商業(yè)化的成功。目前，臨床中最常用的多孔鉭植入物為該公司所生產(chǎn)的相關(guān)產(chǎn)品。第3階段主要是多孔鉭制備工藝的進(jìn)步，隨著增材制造技術(shù)的提出與應(yīng)用發(fā)展，大幅度提高了原料的使用效率，同時(shí)可精確調(diào)控孔隙率與孔徑，可設(shè)計(jì)出個(gè)性化定制的多孔鉭植入物。目前，國(guó)內(nèi)臨床嘗試3D打印個(gè)性化定制植入體，但在專(zhuān)用設(shè)備及工藝方面仍需攻克較多問(wèn)題。

2 多孔鉭的制備工藝

金屬鉭作為一種生物惰性金屬，在體內(nèi)形成的惰性氧化物涂層具有防腐效果，避免金屬離子引起的炎癥或異物反應(yīng)，被視為最理想的植入物材料，但相對(duì)于鈦及其合金，研究多孔鉭的文獻(xiàn)相對(duì)較少。同時(shí)，金屬鉭高達(dá)2996 ℃的熔點(diǎn)增加了鉭的加工難度。目前，常見(jiàn)的多孔鉭制備工藝主要有化學(xué)氣相沉積法(chemical vapor deposition,CVD)、粉末冶金(powder metallurgy,PM)、增材制造技術(shù)(additive manufacturing, AM)等，應(yīng)用在多孔鉭加工的增材制造技術(shù)主要為激光熔覆沉積技術(shù)(laser engineering net shape,LENS)、選擇性激光熔化成型(selective laser melting, SLM)和電子束熔化成型(electron beam melting, EBM)。通過(guò)不同的制備工藝獲得的多孔鉭形態(tài)各不相同，但其目的是制備出適當(dāng)?shù)牧W(xué)性能的同時(shí)要保證開(kāi)放的孔隙相互連接的微結(jié)構(gòu)的多孔鉭來(lái)提高骨傳導(dǎo)性能。不同工藝所制備的多孔鉭支架的微結(jié)構(gòu)如圖1所示[24-29]，具體的孔隙率及力學(xué)性能，如表1所示[1,12，27，29-32]。

表1 多孔鉭制備工藝、孔隙率及力學(xué)性能

圖1 人體松質(zhì)骨與不同工藝制備的多孔鉭掃描電鏡圖

2.1 化學(xué)氣相沉積

目前，在臨床中常用的多孔鉭相關(guān)產(chǎn)品，主要通過(guò)CVD工藝制備，制備過(guò)程如圖2所示[33]。主要制備過(guò)程大致可分為兩步：首先，將聚亞安酯泡沫前體熱解制備多孔碳支架，這種碳支架的孔隙率高達(dá)98%，然后運(yùn)用CVD技術(shù)，將汽化后的鉭金屬離子均勻沉積到多孔碳支架上，形成與人體松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)相似的多孔鉭。該多孔鉭的形狀與力學(xué)性能主要依賴于多孔碳支架，可根據(jù)不同的需求設(shè)計(jì)不同的尺寸與形狀的多孔碳支架，也可通過(guò)調(diào)節(jié)鉭沉積厚度來(lái)調(diào)整力學(xué)性能或孔徑。Ma等[26]以多孔碳化硅材料替代多孔碳支架，利用CVD技術(shù)制備了新型多孔鉭。其制備過(guò)程中發(fā)現(xiàn)鉭涂層的厚度與沉積時(shí)間線性相關(guān)，可控制多孔碳化硅支架表面鉭沉積的厚度，制備出不同力學(xué)特性的多孔鉭。該制備工藝不僅解決了碳化硅因脆性較大而不足以支撐承重部位載荷的缺陷問(wèn)題，同時(shí)制備的多孔鉭具有理想的孔隙率和三維互通的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及與骨組織相匹配的力學(xué)性能。目前，應(yīng)用于骨科的鉭材料的平均孔徑為400～600 μm，孔隙率約為75%～85%，平均最大抗壓強(qiáng)度為50～70 MPa[30]。但這種制備方法不能保證多孔材料在制備過(guò)程中孔徑和孔隙率的精度，因此多孔鉭的孔徑大小和孔隙率對(duì)成骨和骨結(jié)合的實(shí)際影響并不確定。同時(shí)，在制備過(guò)程中需要價(jià)格高昂的原料，過(guò)高的制備成本限制了其在生物醫(yī)用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

2.2 粉末冶金

粉末冶金也被稱為空間占位法，與CVD制備法相比，制備成本更低。PM主要分為4個(gè)步驟，如圖3所示[28]。在此制備方法中，首先需要將金屬鉭粉末與造孔劑粉末充分混合，并施加適當(dāng)?shù)膲毫?lái)壓實(shí)，后將壓胚放入溫水中使造孔劑溶解，最后進(jìn)行燒結(jié)制備出具有多孔結(jié)構(gòu)的鉭。對(duì)于造孔劑的選擇要考慮成本、溶解速度、熔點(diǎn)、細(xì)胞毒性等因素。常見(jiàn)的造孔劑有淀粉、尿素、氯化鈉和蔗糖。Adamek等[31]將蔗糖作為造孔劑，根據(jù)鉭與蔗糖不同的配比，制備出孔隙率分別為50%，60%，70%的多孔鉭。另一項(xiàng)研究是將氯化鈉顆粒作為造孔劑，在制造過(guò)程中利用兩種不同大小的NaCl顆粒(100～397 μm，397～940 μm)，改變兩種NaCl顆粒的比例(0∶100，50∶50，70∶30)，制備出孔隙率分別為60%，70%，80%的多孔鉭[28]。不難看出，利用PM制備的多孔鉭的孔隙率與力學(xué)性能主要取決于造孔劑的顆粒大小及混合物中的含量。

圖3 PM制備法制備示意圖[28]

此外，Yang等[27]嘗試?yán)媒n海綿與燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合制備多孔鉭，將有機(jī)海綿作為多孔骨架，添加聚乙烯醇作為黏結(jié)劑，以此來(lái)優(yōu)化鉭顆粒對(duì)海綿的黏附能力，燒結(jié)獲得多孔鉭，該制備方法解決了在CVD制備技術(shù)中殘余碳對(duì)生物相容性的不利影響。體外測(cè)試表明，通過(guò)該制備方法在促進(jìn)骨細(xì)胞增殖與細(xì)胞毒性方面表現(xiàn)突出。

2.3 增材制造

相對(duì)于粉末冶金、氣相沉積等傳統(tǒng)的制備方法，增材制造技術(shù)在高熔點(diǎn)金屬加工中凸顯優(yōu)勢(shì)，尤其是在原材料成本較高的金屬鉭的加工中，既縮短了時(shí)間成本也降低了材料消耗。增材制造技術(shù)具有個(gè)性化定制的特點(diǎn)，可精確控制宏觀結(jié)構(gòu)與微觀結(jié)構(gòu)[34]，能最大程度地滿足在不同應(yīng)用情境下的需求，因此近期受到廣泛的關(guān)注。目前，增材制造技術(shù)廣泛應(yīng)用于多孔金屬的骨植入物加工生產(chǎn)中[34-39]。

增材制備工藝如圖4所示[37-39]。2010年，Balla團(tuán)隊(duì)[12]首次報(bào)告了通過(guò)LENS技術(shù)加工多孔鉭，發(fā)現(xiàn)可通過(guò)LENS技術(shù)中的激光功率、掃描速度、粉末進(jìn)給率、層厚及激光掃描距離等加工參數(shù)控制多孔鉭的孔隙率，并成功制備了孔隙率范圍在27%～55%、楊氏模量范圍為1.5～20 GPa的多孔鉭樣品。制備出的多孔鉭與多孔鈦對(duì)照相比，其良好的化學(xué)性質(zhì)、高潤(rùn)濕性和較高的表面能，增強(qiáng)了多孔鉭表面與細(xì)胞的相互作用，表現(xiàn)出優(yōu)異的細(xì)胞黏附、生長(zhǎng)和分化。2015年，Wauthle等[29]首次應(yīng)用SLM技術(shù)，制備出孔隙率高達(dá)80%，且具有完全連通開(kāi)放的多孔鉭，多孔鉭與多孔鈦合金相比表現(xiàn)出更優(yōu)異的成骨性能和疲勞強(qiáng)度。Luo等[40]利用SLM技術(shù)，設(shè)計(jì)并制備了孔徑分別為100～200，200～400，400～600，600～800 μm，對(duì)應(yīng)的孔隙率分別為25%，55%，75%，85%的多孔鉭支架，通過(guò)體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)及有限元分析研究了多孔鉭的孔徑和孔隙度對(duì)成骨與骨融合性能的影響，發(fā)現(xiàn)孔徑為400～600 μm的多孔鉭支架表現(xiàn)出最合適的滲透性和比表面積，有利于細(xì)胞黏附和增殖，如圖5所示[40]。該研究表明利用增材制造技術(shù)可以設(shè)計(jì)出最合適的多孔結(jié)構(gòu)，最大化發(fā)揮多孔鉭材料的優(yōu)勢(shì)。增材制造的最大優(yōu)勢(shì)是可以根據(jù)臨床應(yīng)用的需求個(gè)性化定制不同形狀或制備不同孔隙率的多孔結(jié)構(gòu)，目前為止，該技術(shù)已有部分臨床轉(zhuǎn)化，后續(xù)需要更多制備技術(shù)與設(shè)備的開(kāi)發(fā)。

圖4 AM制備工藝示意圖 (a)LENS[37]；(b)SLM[38]；(c)EBM[39]

圖5 多孔鉭支架的孔徑對(duì)成骨與骨融合的影響[40]

3 力學(xué)性能

作為骨植入物材料替代人體的骨組織需要滿足以下條件，首先，需要適當(dāng)?shù)膭偠群涂箟簭?qiáng)度為骨關(guān)節(jié)提供支撐，為植入物提供有利于骨組織再生的力學(xué)環(huán)境，但也不能過(guò)高，否則會(huì)引起新骨形成所需載荷降低；其次，要有一定的抗疲勞斷裂的能力；最后，植入材料的彈性模量要與人體骨的彈性模量相匹配，避免出現(xiàn)應(yīng)力屏蔽，造成植入的失敗。只有當(dāng)骨組織受到合適大小的力學(xué)載荷時(shí)，骨組織才會(huì)正常生長(zhǎng)[41]。受力不足，則會(huì)引起骨吸收；受力過(guò)大，則會(huì)破壞骨組織[42]。

3.1 抗壓強(qiáng)度

骨組織是一種對(duì)受力較為敏感的組織，當(dāng)植入物植入體內(nèi)后其周?chē)墙M織的受力情況與骨組織的生長(zhǎng)情況息息相關(guān)。健康的哺乳動(dòng)物的皮質(zhì)板層骨可承受的極限強(qiáng)度或斷裂強(qiáng)度閾值大約為120 MPa(或應(yīng)變超過(guò)25000 με)，發(fā)生骨吸收的應(yīng)力閾值范圍是1～2 MPa(或應(yīng)變低于50～100 με)，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致剛度和密度下降；發(fā)生骨生長(zhǎng)的應(yīng)力閾值是20 MPa(或應(yīng)變超過(guò)1000～1500 με)，進(jìn)一步導(dǎo)致骨強(qiáng)度增大；發(fā)生疲勞損傷的應(yīng)力閾值為60 MPa(或應(yīng)變超過(guò)3000 με)，相應(yīng)的骨組織更容易發(fā)生損傷[41]。因此，制備的多孔鉭植入物的抗壓強(qiáng)度足以滿足骨組織力學(xué)功能的重建。從表1多孔鉭壓縮實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可知，抗壓強(qiáng)度的差異可能來(lái)源于多孔結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工藝的差異。在不同制備工藝下多孔鉭的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，與CVD制備的鉭支架相比，AM小梁支架在較低的應(yīng)變下表現(xiàn)出壓縮屈服點(diǎn)，如圖6所示[43]。值得注意的是，多孔鉭支架的抗壓強(qiáng)度與孔隙率呈負(fù)相關(guān)，因此，設(shè)計(jì)合理的孔徑或孔隙率來(lái)平衡多孔鉭的抗壓強(qiáng)度也是未來(lái)的研究重點(diǎn)。

圖6 不同方法制備的多孔鉭的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線[43] (a)CVD；(b)AM

此外，孔隙幾何結(jié)構(gòu)也是設(shè)計(jì)多孔植入物時(shí)要考慮的重要參數(shù)，孔隙幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)很大程度上受到制備方式的影響，CVD制備方式是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)沉積在碳骨架，其孔隙結(jié)構(gòu)呈鱗片狀的疊加，相反在AM制備方式中可以設(shè)計(jì)與加工孔隙結(jié)構(gòu)，與CVD制備的鉭支架相比，AM小梁支架在較低的應(yīng)變下表現(xiàn)出壓縮屈服點(diǎn)[43]。在相關(guān)文獻(xiàn)中AM制備方式已成功制備出孔隙幾何結(jié)構(gòu)為菱形十二面體[32]，仿生骨小梁[43]和菱形[44]的多孔鉭支架。也有一些研究是通過(guò)有限元來(lái)預(yù)測(cè)不同孔結(jié)構(gòu)的骨科植入體的應(yīng)力分布和力學(xué)性能，Gao等[45]對(duì)具有立方體、斜十二面體和泰森多邊形孔隙結(jié)構(gòu)的多孔鉭植入物模型進(jìn)行了有限元受力分析，應(yīng)力分布結(jié)果顯示最大主應(yīng)力主要集中在支柱交叉處，是對(duì)于載荷最為薄弱的部分。但孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)多孔鉭支架的力學(xué)性能、生物相容性和骨結(jié)合的影響有待進(jìn)一步研究。

3.2 疲勞強(qiáng)度

骨植入物在體內(nèi)中承受高循環(huán)的載荷[46]，因此在多孔鉭支架設(shè)計(jì)過(guò)程中也需要考慮其疲勞性能。Ghouse等[47]對(duì)比了四種金屬合金的高周期性疲勞強(qiáng)度(CP-Ti，Ti-6Al-4V ELI，Ta和Ti-30Ta)，結(jié)果顯示在同樣的剛度下，多孔鉭和鈦鉭合金具有最大的疲勞強(qiáng)度，比CP-Ti高8%，比Ti-6Al-4V高19%。同時(shí)，在此研究中通過(guò)優(yōu)化AM制備工藝參數(shù)，多孔材料的疲勞強(qiáng)度提高了7%～8%。Wauthle等[48]的研究也發(fā)現(xiàn)，在106的循環(huán)中多孔鉭的疲勞強(qiáng)度明顯高于多孔鈦合金(Ti-6Al-4V ELI)(7.35 MPavs4.18 MPa)，前者由于其高延展性，允許更多的塑性變形，降低了裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)散[49]。

3.3 彈性模量

人體的皮質(zhì)骨的孔隙率為3%～5%，彈性模量為7～30 GPa，松質(zhì)骨的孔隙率為50%～90%，彈性模量為0.01～3.0 GPa[50]。固體形態(tài)下的鉭的彈性模量為185 GPa，遠(yuǎn)超過(guò)骨組織的彈性模量，而多孔鉭的彈性模量為2.3～30 GPa，孔隙率為27%～85%[12,29,51]，與皮質(zhì)骨或松質(zhì)骨相比有很大可變空間。通過(guò)表1中數(shù)據(jù)可以看出，彈性模量同樣受到加工工藝的影響。Zhou等[52]發(fā)現(xiàn)了SLM工藝中的能量密度與掃描速度對(duì)產(chǎn)品致密度的影響，利用優(yōu)化的SLM技術(shù)工藝制備出最高致密度高達(dá)96.92%的鉭樣品；顯微硬度從120HV提高到445HV；抗拉強(qiáng)度從310 MPa提高到739 MPa，相較于粉末冶金產(chǎn)品，其力學(xué)性能均提升2倍以上。多孔結(jié)構(gòu)的彈性模量不僅受其制備工藝及相關(guān)參數(shù)的影響，還受其孔隙特性的影響。通過(guò)數(shù)值仿真的方式，發(fā)現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)中立方孔支架比斜孔支架具有更高的結(jié)構(gòu)模量，且多孔支架的彈性模量與孔隙率呈負(fù)相關(guān)[53]。

4 多孔鉭表面改性

除骨植入物本身的力學(xué)特性外，植入體表面和骨關(guān)節(jié)之間的界面摩擦往往是成功的初始承載和保持穩(wěn)定性的關(guān)鍵。較多的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)材料表面改性提高多孔鉭的表面性能，主要分為生物材料涂層與表面處理，主要目的是增加早期穩(wěn)定性及抗菌性能，建立更優(yōu)的材料骨結(jié)合界面。

4.1 微弧氧化

微弧氧化(micro-arc oxidation, MAO)被認(rèn)為是最有用的表面改性方法之一，李振宗等[54]利用微弧氧化和堿處理技術(shù)處理多孔鉭材料形成表面涂層，處理后鉭片表面微孔數(shù)量和類(lèi)骨麟灰石明顯多于非處理組，多孔鉭表面的鈣磷沉積能力增強(qiáng)，同時(shí)降低了接觸角。將處理的生物活性鉭植入兔顱骨缺損處，發(fā)現(xiàn)新生血管和新骨在4周和12周后分別在植入物孔內(nèi)向內(nèi)生長(zhǎng)。因此，MAO與堿處理相結(jié)合將是提高多孔鉭的骨傳導(dǎo)性的有效途徑。

4.2 表面功能化

BMP-7可刺激間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化，由于其強(qiáng)大的骨誘導(dǎo)作用，自2001年起被應(yīng)用于骨和軟骨修復(fù)[55]。張輝等[56]將多孔鉭浸入BMP-7溶液中，將BMP-7涂覆在多孔鉭棒的表面，分別在兔股骨內(nèi)髁軟骨缺損模型中，植入復(fù)合BMP-7多孔鉭材料(A組)、多孔鉭材料(B組)及不植入材料(C組)。術(shù)后16周的結(jié)果顯示A組新生軟骨及骨組織多于B組，其結(jié)果驗(yàn)證了多孔鉭作為組織工程支架的優(yōu)越性，也體現(xiàn)了多孔鉭材料不僅在骨缺損，在軟骨及軟骨下骨缺損修復(fù)方面的潛力。

此外，骨缺損修復(fù)過(guò)程中各種生長(zhǎng)因子的參與起著至關(guān)重要的作用。轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1(transforming growth factor-β1，TGB-β1)可促進(jìn)新骨生成，刺激骨小梁及微血管的增長(zhǎng)[57]。為彌補(bǔ)多孔鉭植入物缺少血管化的缺陷，張倩等[58]將TGB-β1與孔隙率為70%的多孔鉭顆粒形成新型的生物活性多孔鉭修復(fù)材料，并將此植入到比格犬的下頜骨缺損模型中，發(fā)現(xiàn)此材料可以加速骨缺損區(qū)域的早期成骨及成血管進(jìn)程，加快多孔鉭與周?chē)墙M織的早期生物性結(jié)合，縮短愈合時(shí)間。而堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(basic fibroblast growth factor, bFGF)是一種作用廣泛的細(xì)胞因子，既可促進(jìn)骨細(xì)胞和類(lèi)骨細(xì)胞的有絲分裂，也可調(diào)控細(xì)胞外基質(zhì)的分泌，同時(shí)也是體內(nèi)重要的血管生成因子[59]。通過(guò)將多孔鉭與bFGF的聯(lián)合應(yīng)用的方式[60]，既增強(qiáng)了多孔鉭顆粒的骨修復(fù)能力，同時(shí)解決了多孔鉭材料不能提供成骨因子的缺陷。比格犬下顎骨缺損模型中，bFGF與多孔鉭顆粒復(fù)合組(B組)相比于多孔鉭修復(fù)組(A組)，在8周及12周的甲苯胺藍(lán)染色中表現(xiàn)出更加優(yōu)秀的連續(xù)性與成熟度。Wei等[61]將骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs)/多孔鉭聯(lián)合軟骨細(xì)胞/膠原膜(collagen membranes, CM)構(gòu)建了一個(gè)集成的生物制造平臺(tái)，該組織工程支架結(jié)合多孔鉭組成的仿生支架，在山羊的股骨軟骨缺損的修復(fù)中得到有效的證明。

通過(guò)多種表面改性的方式，可以大大地提高多孔鉭的成骨性能，但也有報(bào)告指出，鉭缺乏抗菌性能或抑制生物膜形成的能力[62]。針對(duì)這個(gè)缺陷，有文獻(xiàn)指出多孔鉭圓柱體可以作為萬(wàn)古霉素的載體并進(jìn)行逐步釋放[63]，或使用多羥基烷烴酸鹽(polyhydroxyalkanoates，PHAs)作為載體來(lái)攜帶活性成分[64]，在涂層的作用下多孔鉭表現(xiàn)出抗菌性能，可以在短時(shí)間內(nèi)避免受到細(xì)菌的污染。如果將此發(fā)現(xiàn)應(yīng)用在體內(nèi)，后續(xù)可能有助于預(yù)防或治療植入體周?chē)P(guān)節(jié)感染。多孔鉭與多種生長(zhǎng)因子的聯(lián)合應(yīng)用，既為骨組織的生長(zhǎng)提供了良好的力學(xué)環(huán)境，也改善了金屬鉭作為惰性金屬無(wú)法提供成骨所需的成長(zhǎng)因子的缺陷，展示了多孔鉭與多細(xì)胞、生長(zhǎng)因子建立聯(lián)合體系方面的巨大潛力。后續(xù)研究中需進(jìn)一步研究生長(zhǎng)因子對(duì)多孔鉭顆粒促進(jìn)成骨的劑量效應(yīng)，并進(jìn)一步探索多孔鉭顆粒和其他生長(zhǎng)因子在骨修復(fù)過(guò)程中的相互影響。

5 生物學(xué)性能研究

當(dāng)植入物植入到人體后，植入物會(huì)長(zhǎng)時(shí)間作為異物植入在體內(nèi)，植入物與體內(nèi)的特定生物環(huán)境兩者會(huì)相互影響，直到達(dá)到平衡或植入體移出體外。而多孔鉭作為骨植入材料會(huì)有大量的新生骨組織長(zhǎng)入到植入物部，表現(xiàn)出了優(yōu)異的骨整合性能。大量的科研工作嘗試通過(guò)體外細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)、體內(nèi)節(jié)段性骨缺損模型和組織學(xué)分析定量評(píng)價(jià)多孔鉭的生物相容性和成骨性能。

5.1 細(xì)胞毒性研究

在較多的文獻(xiàn)中，鉭已被證明在體內(nèi)或體外，組織或細(xì)胞等多個(gè)尺度下各種形狀的植入物中表現(xiàn)出較低的細(xì)胞毒性。Matsuno[65]將鈦、鉿、鈮、鉭、錸的金屬絲植入大鼠腹部皮下組織和股骨骨髓中，經(jīng)過(guò)2周或4周后，植入體周?chē)鸁o(wú)炎性反應(yīng)，所有植入體均包有薄層結(jié)締組織。在大鼠腹部的軟組織中未檢測(cè)到金屬鉭的溶解，與植入體接觸骨組織的百分比明顯增加，表明金屬鉭具有良好的生物相容性和骨傳導(dǎo)性。Li等[8]利用成骨細(xì)胞SaOS2來(lái)評(píng)估鉭、鈦、鈮、鉬、鈮等在鈦合金中常見(jiàn)的元素，觀察這些元素在粉末狀與塊狀下的細(xì)胞毒性，通過(guò)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鈦、鈮、鉬等金屬粉末均具有細(xì)胞毒性，鉬金屬在塊狀中表現(xiàn)出細(xì)胞毒性。鉬、鈦、鈮的安全離子濃度分別為8.5，15.5，172.0 μg/L(低于安全離子濃度則無(wú)毒)，但在金屬鉭的實(shí)驗(yàn)組中未見(jiàn)明顯的細(xì)胞損害。Wauthle等[29]將小鼠成纖維細(xì)胞(L929)放置在多孔鉭支架的浸提液中41 h進(jìn)行體外實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)其細(xì)胞毒性，結(jié)果表現(xiàn)出良好的生物相容性，且未發(fā)現(xiàn)細(xì)胞毒性。此外，金屬鉭易與氧結(jié)合，易在多孔鉭植入物的表面上形成氧化層(Ta2O5)，這種氧化層不僅防止了植入物在體內(nèi)的腐蝕，也確保了在較寬的pH范圍內(nèi)保持穩(wěn)定[66]。細(xì)胞的形態(tài)學(xué)與細(xì)胞的活動(dòng)性也是評(píng)估細(xì)胞毒性的指標(biāo)之一。Gee等[67]評(píng)估了多孔鉭對(duì)人體成纖維細(xì)胞、成骨細(xì)胞及間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells, MSCs)的增殖和活動(dòng)性的影響。體外研究表明，持續(xù)培養(yǎng)28天后多孔鉭對(duì)成纖維細(xì)胞的行為沒(méi)有顯著的負(fù)面影響，此外，對(duì)成骨細(xì)胞或人間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖和行為也沒(méi)有任何抑制作用。

5.2 成骨性能研究

骨植入物的成骨性能，主要通過(guò)骨整合能力(bone on-growth)與骨長(zhǎng)入能力(bone in-growth)來(lái)評(píng)估，前者是指種植體在骨組織上的生長(zhǎng)或種植體與周?chē)墙M織的直接接觸，觀察植入后是否發(fā)生植入體的松動(dòng)或脫位；后者是為了評(píng)估植入后在植入體內(nèi)形成新的骨性結(jié)構(gòu)來(lái)確保功能重建和骨的長(zhǎng)期穩(wěn)定，而多孔鉭植入物的開(kāi)放互聯(lián)結(jié)構(gòu)有利于成骨細(xì)胞的黏附和增殖。

Gao等[45]的研究中，利用AM制備了多孔鉭與多孔Ti-6Al-4V，并植入到兔子右后腿骨缺損模型中，植入后第4周、8周和12周的射線照片中多孔鉭標(biāo)本比多孔Ti6Al4V更有效地融入周?chē)墙M織，未發(fā)生松動(dòng)或脫位，且結(jié)合組織學(xué)圖像顯示，與多孔Ti6Al4V支架相比，鉭支架表現(xiàn)更優(yōu)的骨長(zhǎng)入和骨整合。為觀察植入后新骨形成和骨-植入體界面的顯微結(jié)構(gòu)變化，一些研究利用微型計(jì)算機(jī)斷層掃描(Micro-CT)對(duì)多孔鉭植入物在體骨融合性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。Wang等[68]比較了多孔鈦支架與多孔鉭支架在第6周和第12周的表面新骨形成情況，發(fā)現(xiàn)多孔鉭植入體周?chē)男鹿求w積明顯大于多孔鈦植入體周?chē)男鹿求w積。同時(shí)利用Micro-CT圖像進(jìn)行了三維重建，并評(píng)估了術(shù)后第16周時(shí)多孔鉭植入物周?chē)鹿堑捏w積分?jǐn)?shù)，發(fā)現(xiàn)新形成的骨不僅分布在多孔鉭植入物的表面，而且還已滲透到它們的內(nèi)部[69]。這些結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)的鈦合金相比多孔鉭可能具有更優(yōu)異的骨整合與骨長(zhǎng)入能力。

此外，許多研究嘗試通過(guò)成骨信號(hào)通路來(lái)闡釋金屬鉭在骨組織生長(zhǎng)中的作用機(jī)制。Wnt/β-catenin被認(rèn)為是與骨代謝的調(diào)節(jié)密切相關(guān)的一個(gè)通路[70]，而TGF-β間接限制破骨細(xì)胞的形成，進(jìn)一步影響骨的形成[71]。Shi等[72]研究了鉭涂層椎弓根螺釘?shù)某晒切阅埽l(fā)現(xiàn)鉭涂層實(shí)驗(yàn)組的catenin水平顯著高于對(duì)照組(p<0.05),通過(guò)qRT-PCR檢測(cè)發(fā)現(xiàn)Sp7， Alpl，Col1a1與Smad6等分化基因的表達(dá)量增加了一倍以上，其他基因(Spp1，Runx2，Axin2，Opg，C-myc)的表達(dá)量也顯著上調(diào)。同時(shí)，在第21天和第28天對(duì)Smad3進(jìn)行定量分析，測(cè)量TGF-β/smad通路激活情況，相對(duì)于對(duì)照組分別提高了36%和40%(p<0.05)。這些結(jié)果表明，鉭涂層可通過(guò)激活Wnt/β-catenin和TGF-β/smad信號(hào)通路對(duì)破骨細(xì)胞有抑制作用，刺激骨組織的形成。在基因?qū)用嫔?，F(xiàn)raser等[73]利用兔脛骨間隙愈合模型研究多孔鉭修飾與否對(duì)鈦植入物與骨界面成骨性能的影響，術(shù)后的第4周時(shí)發(fā)現(xiàn)含多孔鉭的植入體關(guān)鍵成骨COL1A1基因的表達(dá)上調(diào)，且生物力學(xué)穩(wěn)定性和組織形態(tài)測(cè)量結(jié)果上也顯著優(yōu)于鈦植入物的實(shí)驗(yàn)組。

6 臨床應(yīng)用

自1997年以來(lái)，多孔鉭材料已廣泛應(yīng)用于臨床的植入物設(shè)計(jì)中，特別是自從引入Trabecular Metal以來(lái)鉭植入物應(yīng)用在人體多個(gè)部位的骨缺損治療中，如圖7所示[74-79]。多孔鉭杯是由Zimmer公司生產(chǎn)的小梁金屬系列，是使用最廣泛和最早期的多孔金屬髖臼杯，隨訪結(jié)果表明植入后有良好的影像學(xué)結(jié)果和長(zhǎng)期生存率，甚至在骨盆不連續(xù)的大面積骨缺損的病例中，嘗試放置兩個(gè)多孔鉭杯的治療方案，表現(xiàn)出良好的短期隨訪結(jié)果[80]。Meneghini等[81]嘗試?yán)枚嗫足g干骺端錐狀假體，作為全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后嚴(yán)重脛骨缺損的替代治療方案，對(duì)于15例病例24～47個(gè)月的隨訪過(guò)程中，未發(fā)現(xiàn)脛骨植入物的松動(dòng)或移位，且所有的15個(gè)多孔干骺端錐體均顯示與脛骨接觸點(diǎn)骨結(jié)合并形成反應(yīng)性骨小梁。與傳統(tǒng)的復(fù)合骨植入材料技術(shù)相比，鉭棒植入治療在SteinbergⅠ期和Ⅱ期的股骨頭壞死中可獲得更好的臨床效果和更高的累積生存率(74.1%vs49.9%)[82]。同時(shí)該研究也表明，多孔鉭棒用于股骨頭壞死早期治療的存活率與病變的大小和位置、棒的頂部與病變外側(cè)邊界的距離、是否使用其他骨植入物等因素有關(guān)。在2009年推出的關(guān)節(jié)盂假體，應(yīng)用于全肩關(guān)節(jié)置換術(shù)(total shoulder arthroplasty, TSA)中，在3年的隨訪中有較為優(yōu)秀的臨床表現(xiàn)[83],但是在長(zhǎng)期感染的翻修病例中發(fā)現(xiàn)其抗菌特性存在缺陷[84]，因此在術(shù)后應(yīng)注意細(xì)菌感染引起的慢性炎癥反應(yīng)導(dǎo)致的骨溶解的發(fā)生。頸椎前路椎間盤(pán)切除椎間融合術(shù)聯(lián)合多孔鉭固定術(shù)(anterior cervical discectomy and fusion, ACDF)是治療頸椎退變的一種公認(rèn)的方法，經(jīng)過(guò)11年的隨訪，結(jié)合臨床與影像學(xué)的評(píng)估，其治療效果與自體骨移植和鋼板的結(jié)果相似[85]，術(shù)后患者的背部與腿部的疼痛明顯降低，但仍有一些患者未能完全恢復(fù)，尤其是曾接受背部手術(shù)的患者[86]。Wang等[78]嘗試設(shè)計(jì)并制造個(gè)性化3D打印多孔鉭植入物，為一位持續(xù)疼痛10年的83歲高齡患者進(jìn)行膝關(guān)節(jié)翻修手術(shù)，術(shù)后恢復(fù)良好，在12個(gè)月后恢復(fù)到正常生活。

圖7 臨床中多孔鉭植入物應(yīng)用

綜上所述，目前利用多孔鉭設(shè)計(jì)的骨植入物應(yīng)用在多個(gè)部位，在后期的隨訪中也表現(xiàn)出較為滿意的效果，但應(yīng)用的多孔鉭植入物多為標(biāo)準(zhǔn)化的商業(yè)化產(chǎn)品，只有較少的文獻(xiàn)報(bào)告進(jìn)行個(gè)性化定制，需要進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)個(gè)性化定制的相關(guān)技術(shù)。在特定環(huán)境與病例中，鉭植入物仍存在一些缺陷，需要依靠醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)在圍術(shù)期的管理中避免并發(fā)癥的發(fā)生。

7 未來(lái)發(fā)展方向

多孔鉭材料由于與人類(lèi)松質(zhì)骨類(lèi)似的多孔結(jié)構(gòu)與良好的成骨性能與骨傳導(dǎo)性作為治療骨缺損的骨植入物材料發(fā)揮著重要的作用。利用多孔鉭材料制造的骨植入物目前應(yīng)用在身體多個(gè)部位的骨缺損的治療中，在短期的隨訪結(jié)果也表現(xiàn)出較為理想的臨床效果。但作為長(zhǎng)期植入在病人體內(nèi)的材料，仍存在一定的局限性。結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展，總結(jié)可能存在以下問(wèn)題。

(1)多孔鉭是一種不能提供生長(zhǎng)因子的惰性材料，因此還需要進(jìn)行表面改性的研究，找出與生長(zhǎng)因子聯(lián)合應(yīng)用的可能性，也可以嘗試在多孔結(jié)構(gòu)中載入抗生素或在表面建立復(fù)合體系，預(yù)防或治療植入體周?chē)年P(guān)節(jié)感染。

(2)在臨床應(yīng)用中多孔鉭骨植入物尺寸多為標(biāo)準(zhǔn)尺寸，個(gè)性化定制未能廣泛應(yīng)用在多孔鉭植入物的設(shè)計(jì)中，尤其是在嚴(yán)重骨缺損的病例中，個(gè)性化定制骨植入物尤為重要，因此在制備技術(shù)方面可能需要進(jìn)一步研究。

(3)可嘗試通過(guò)優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使多孔鉭的力學(xué)性能與骨組織相匹配。

(4)多孔鉭植入物應(yīng)用在人體的多個(gè)部位的骨缺損治療中，但仍缺乏大樣本多中心的臨床長(zhǎng)期隨訪數(shù)據(jù)，難以對(duì)多孔鉭骨植入物的安全性與有效性進(jìn)行更全面的評(píng)價(jià)。