鉭金屬在醫(yī)學領域的應用

馬劍，李乾，尹蕓生

(山西醫(yī)科大學第二醫(yī)院骨科，山西 太原 030001)

鉭是一種稀有高熔點金屬，能經(jīng)受高溫和礦物酸的腐蝕，抗蝕能力與玻璃相同，在常溫的空氣中穩(wěn)定。正因為鉭金屬所具有的高熔點、大強度、耐磨損、抗腐蝕等理化特性，因而其被大范圍用于飛機、火箭等需要耐熱材料以及需要高強度零部件的工業(yè)領域。不僅如此，鉭金屬還具有優(yōu)良的生物相容性和穩(wěn)定性，因此鉭金屬也被制造成各種接骨板以及螺釘用于醫(yī)學領域。

1 鉭金屬的理化性質(zhì)

鉭是一種淺灰色金屬，位于元素周期表中第73位，質(zhì)地較硬，其硬度系數(shù)僅次于金剛石，硬度高達6～6.5，其溶點也很高，達2 996℃，僅次于鎢和錸。實驗證明，鉭的抗腐蝕性極強，常溫下與堿性溶液、稀硫酸、鹽酸和濃硝酸均無化學反應，在氫氟酸和熱濃硫酸作用下稍微有所反應。這樣的物理和化學性質(zhì)在金屬中是比較難得的。

因鉭金屬對間歇元素的容限及其合理的彈性模量，使得鉭金屬成為合金的基體元素；鉭金屬可以利用其耐腐蝕的化學性能，與惰性氣體鎢弧焊接制造各種化工設備；此外，一些特種器材的制備也需要在鉭坩堝內(nèi)進行，例如特種玻璃的熔化等。正因為鉭金屬獨特的物理和化學特性，使之成為現(xiàn)代工業(yè)不可或缺的原材料。

2 鉭金屬在醫(yī)學領域的應用

醫(yī)學在不斷的進步，各種治療技術也在不斷提高。因鉭金屬具有優(yōu)異的力學性能和抗疲勞特性，故被廣泛應用于臨床，尤其是在骨科領域，替代人體骨組織起到承重的作用，并取得了顯著的臨床療效。與人體組織在強度、生物相容性和穩(wěn)定性方面，鉭金屬材料比傳統(tǒng)金屬材料的人工置入物更具優(yōu)勢，因而鉭金屬在醫(yī)學領域的發(fā)展有著更廣闊的前景。

2.1 鉭金屬的生物學特性 雖然人體正常含有極少量的鉭金屬，但是人體很難吸收不溶性鉭鹽，不管是通過口腔直接服食或是通過局部直接注射均不易被人體所吸收，而可溶性的鉭鹽在經(jīng)過胃腸道時也只有極少量能被人體所吸收，因攝入放射性鉭塵的人，7 d內(nèi)大便排出97%，4 h內(nèi)尿中未檢出鉭[1]。吞噬細胞吞噬鉭塵1 h后能全部存活并無任何細胞變性僅伴隨葡萄糖氧化作用增強，相同條件下，吞噬細胞吞噬矽塵后則出現(xiàn)吞噬細胞胞漿的嚴重變性，甚至出現(xiàn)吞噬細胞的死亡，通過以上實驗說明鉭對人體細胞是無毒性的，是安全的[2，3]。

另外，國外學者Bobyn構(gòu)建了犬的髖臼模型，證明了鉭金屬具有良好的骨引導作用，能與宿主骨組織進行良好的連接而產(chǎn)生迅速的骨長入和固定力[4，5]，也有學者在細胞培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)其能與骨細胞發(fā)生結(jié)合反應，證明了鉭金屬還具有長期的組織相容性[6]。正因為鉭金屬的無毒安全性和良好的骨引導作用以及長期的組織相容性，因此鉭金屬被稱之為骨小梁金屬而運用于醫(yī)學領域，隨即Schildhauer等[7]學者為了進一步探討鉭棒的適用性進行了鉭棒對細菌黏附性作用的研究，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)金黃色葡萄球菌對純鉭棒的黏附性明顯比鈦合金，精煉不銹鋼及鉭外套的不銹鋼的黏附低(P<0.05)。正由于鉭金屬穩(wěn)定的生物學特性使它自1940年首次用于骨科醫(yī)療[8]，如今已被廣泛的用于現(xiàn)代醫(yī)學的各個領域中，尤其在骨科領域中，它的優(yōu)勢更是得到了充分的運用，發(fā)揮了重要的作用，而在這期間有關鉭金屬作為人體植入物植入人體后出現(xiàn)不良反應的報道僅有一例，患者在體內(nèi)置入鉭釘后出現(xiàn)慢性蕁麻疹[9]，大多數(shù)報道中均未見明顯的不良反應[10，11]。

2.2 鉭金屬的醫(yī)學應用

2.2.1 鉭絲 鉭可制成直徑為0.2 mm的細絲，作為易滅菌、較小刺激周圍組織的抗張力縫線，供臨床手術中使用。徐皓等[8]收治了33 例各種類型髕骨骨折的患者，利用鉭絲環(huán)扎內(nèi)固定手術方式對其進行手術，術后5個月～16年的隨訪中發(fā)現(xiàn)僅有2 例患者出現(xiàn)輕度創(chuàng)傷性關節(jié)炎，而剩余的31 例患者均取得了良好療效，且無明顯并發(fā)癥。

2.2.2 鉭片 當上下肢或其它部位發(fā)生了裂縫骨折或發(fā)生了骨折不愈合時，鉭金屬就可以制成不同形狀和大小的鉭片，對其裂縫和不愈合的地方進行修補，以期達到功能愈合。利用鉭片制成人造耳朵的外形后固定在頭部，再從大腿上取皮移植到鉭片上，經(jīng)過一段時間，形成人造鉭耳朵[12]。

2.2.3 鉭支架 由于鉭金屬具有較強的延展性，因而用其制作的鉭絲支架能在動脈內(nèi)較好的適應其搏動，達到精準、迅速的釋放。有學者利用小型豬的冠狀動脈作為研究模型，將鉭金屬制成鉭絲支架植入其內(nèi)，為期6個月的觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)冠狀動脈在植入支架后其局部組織未見任何排異現(xiàn)象出現(xiàn)，且新生內(nèi)膜出現(xiàn)時相性的增殖改變[13]。動物實驗出現(xiàn)滿意效果后，將鉭絲支架試驗于臨床患者。選取患有缺血性綜合征的患者為實驗對象，結(jié)果表明鉭絲支架介入治療是安全有效的[14]。該療法具有良好的手術操作性，可以用于應對復雜的傷害，也能大大降低6個月后亞急性血栓和血管再狹窄的概率[15]。

2.2.4 鉭金屬棒 由于鉭金屬良好的生物相容性、韌性及擁有比鈦更強的惰性，因而被制備成了具有蜂窩狀立體結(jié)構(gòu)的骨小梁結(jié)構(gòu)的支撐棒，由鉭金屬通過蒸汽沉淀技術制成的骨小梁金屬，有約430um的平均空隙和約75%～80%孔隙率的多孔鉭棒約有3Gpa的彈性模型量，介于彈性模量約為1Gpa的松質(zhì)骨和彈性型量約為15Gpa的皮質(zhì)骨之間[13]，從而可避免應力遮擋效應[5，16]。鉭棒在生物力學性能上與骨相似，加上其韌性強不易疲勞斷裂和其具有較強惰性等特點使其可以在人體內(nèi)長期存留。鉭棒為圓柱體外形設計，直徑為10 mm，長70～130 mm，末端螺紋部分粗14 mm，長25 mm。

股骨頭壞死是因股骨頭血運破壞而主要侵襲年輕人的一種進展性疾病，目前病因仍不清楚。對股骨頭內(nèi)壓力的降低，股骨頭血供的增強以及對股骨頭變性的防止或減緩是早期股骨頭壞死的主要治療方法，多孔鉭棒可以為成骨細胞提供空間和微循環(huán)代謝環(huán)境，使骨-金屬形成牢固的結(jié)合，從而使植入物位置穩(wěn)定。多孔鉭棒能避免股骨頭塌陷，能很好的支撐股骨頭的壞死區(qū)域，并對缺血壞死的股骨頭區(qū)域的血管有再生的潛能[17]。另外多孔鉭還具有促進細胞增殖，提高成骨細胞的造骨能力[18]。臨床實驗表明，對于早期股骨頭壞死的治療，鉭棒或鉭塊的植入，不失為一種好的選擇，且效果令人滿意[19-21]。據(jù)此理論和基礎研究，美國食品藥品管理局監(jiān)管的器械許可研究機構(gòu)開展前瞻性臨床研究，2000年6月開始評價多孔鉭假體治療Steinberg Ⅰ期和Ⅱ期股骨頭壞死的安全性和有效性。起初在美國境內(nèi)進行臨床試驗，后在歐洲及其它地區(qū)應用，并于2008年進入中國大陸臨床使用。

國內(nèi)外眾多專家對鉭棒治療早期股骨頭壞死進行了大量的臨床研究。Taso等[13]最早開展鉭棒支撐的臨床研究(2000年6月開始在全美境內(nèi)進行多中心研究，截止2004年12月31日)，觀察發(fā)現(xiàn)采用相同鉭棒手術進行治療的98 例股骨頭缺血壞死患者的113 例髖，其術后4年股骨頭有高達72.5%的存活率，沒有任何病例的骨密度在影像學分析中顯示異常，也沒有任何假體松動及放射性透光線的現(xiàn)象出現(xiàn)，取得令人滿意的治療效果。Veillette等[22]對Steinberg分期Ⅰ～Ⅲ期的52 例患者共58側(cè)髖進行了髓芯減壓加多孔鉭條植入手術，術后隨訪48個月，治療效果滿意。

張穎等[23]觀察鉭棒置入組及帶旋髂深血管蒂髂骨瓣移植組的治療效果，結(jié)果示：鉭棒置入組的術中出血量和手術時間都明顯少于骨瓣移植組。兩組術前Harris評分無明顯差異，術后Harris評分鉭棒置入組略優(yōu)于旋髂深骨瓣移植組。陳晉斌等[24]研究髓心減壓植骨與鉭棒植入治療股骨頭缺血性壞死的臨床療效，得出髓心減壓鉭棒植入術對早期成人股骨頭壞死髖關節(jié)功能改善明顯優(yōu)于髓心減壓植骨術。羅華云等[25]對9 例(10髖)成人早期股骨頭壞死采用鉭棒植入治療，結(jié)果示：鉭棒植入治療成人早期股骨頭壞死手術簡單易行，能有效避免壞死區(qū)股骨頭塌陷，近期療效明顯。歐志學等[26]從2008年6月至2010年10月，采用鉭棒植入術治療早期股骨頭壞死共58 例63髖，全部獲得隨訪，結(jié)果示：對于股骨頭早期壞死的治療，鉭棒植入術是一種行之有效的方法。

2.2.5 鉭金屬在關節(jié)外科的應用 多孔鉭在關節(jié)材料的使用上也具有明顯的的優(yōu)點，因鉭金屬具有一定的彈性，所以當與皮質(zhì)骨相互作用時，可以產(chǎn)生輕微的形變而不發(fā)生碎裂，另外，鉭金屬的摩擦系數(shù)較其它金屬高，所以鉭金屬植入后穩(wěn)定性相對較高[27]。有研究者就鉭金屬對于關節(jié)的作用進行了研究，Itala等[28]利用多孔鉭墊圈將斷裂的髕腱固定在脛骨結(jié)節(jié)處，觀察發(fā)現(xiàn)，術后6周左右髕腱的強度大致恢復到了術前水平。Mrosek等[29]利用鉭和骨膜植入，修復兔的脛骨外髁軟骨下骨缺損的試驗中發(fā)現(xiàn)，鉭有著明顯的作用。因多孔鉭在動物關節(jié)試驗中效果明顯，于是美國食品藥品管理局于1997年批準了多孔鉭用于制造人工髖臼假體。由于有動物實驗的成功以及人工髖臼假體的批準生產(chǎn)，髖臼假體的臨床試驗隨即進行開來，Gruen等[30]觀察隨訪了574個多孔鉭髖臼假體，進行了長達24～58個月的隨訪，結(jié)果示：術后早期有部分假體和骨性髖臼間有間歇，但隨著時間的延長，這種間歇在X線片上消失，表明有骨已長入假體髖臼杯中。Unger等[31]在髖臼假體的翻修中用到多孔鉭髖臼，隨訪顯示患者術后髖關節(jié)的Harris評分有明顯提高。Florio等[32]隨訪了將多孔鉭一體化脛骨平臺應用于初次全膝關節(jié)置換術的患者，術后2年的隨訪中，假體-骨界面沒有發(fā)現(xiàn)明顯的進展性的X線透亮線。Nasser等[33]對利用多孔鉭髕骨假體行全膝關節(jié)置換術，隨訪報告說明，多孔鉭全髕骨假體的療效是安全、有效的。

Radnay等[34]利用多孔鉭對10 例全膝關節(jié)置換術后存在關節(jié)不穩(wěn)的進行了關節(jié)翻修手術，術后隨訪，所有患者X線片均未見明顯的假體松動、移位現(xiàn)象。Sporer等[35，36]學者也利用多孔鉭制成的全髖假體行全髖關節(jié)翻修手術，療效顯著。雖然多孔鉭全關節(jié)置換的術后短期療效滿意，但是長期臨床效果還有待進一步研究[37]。

2.2.6 鉭金屬在脊柱外科的應用 多孔鉭可作為填充材料作用于人體的各個部位[38]，如椎體腫瘤切除后，避免脊髓受壓而安置的假體，椎弓置換等。另外由于鉭金屬優(yōu)異的物理和化學特性，以及長期的組織相容性的生物性能，也被用于研發(fā)頸、腰椎的融合裝置。Zou等[39]開展了動物實驗，比較了多孔鉭和碳纖素兩種材料制成的椎間融合器的融合效果，術后為期6個月的隨訪顯示：聯(lián)合應用多孔鉭制成的椎間融合器的實驗組椎間融合率更高。Wiglield等[40]也利用多孔鉭制成的椎間融合器進行了20 例頸椎融合手術，術后隨訪12個月，20 例患者的椎間融合達到了預期效果。Schoettle等[41]利用多孔鉭制成的椎間融合器進行了50 例患者共61個節(jié)段頸椎行椎間融合手術，術后進行了為期2年的隨訪，結(jié)果顯示椎間融合穩(wěn)定良好。

2.2.7 鉭涂層 很多有毒金屬材料因其獨特的性能可用于醫(yī)學領域，但由于其金屬毒性的釋放而不能將其優(yōu)點用于臨床?，F(xiàn)在，我們可以將耐腐蝕性強且穩(wěn)定的鉭金屬涂覆在這些有毒金屬材料的表面，阻止有毒元素的釋放，使那些有獨特性能但原先忌于毒性不能用于臨床的金屬材料重新用于臨床，同時由于鉭金屬的生物相容性也提高了被涂覆金屬的生物相容性。鉭金屬不僅可以涂覆在金屬表面，還可以涂覆在一些非金屬表面，例如在脊柱融合術中用到的碳籠，一旦將鉭涂覆其表面，這樣碳籠不僅在強度和韌性方面，還在生物相容性方面得到顯著提高，使碳籠更滿足手術的需要[42]。鉭還具有X射線可視性，提高了鉭及其合金在人體中的可視性。

3 展 望

雖然鉭金屬及其合金材料在材料、制造和醫(yī)學領域中越來越受到人們重視，尤其在醫(yī)學醫(yī)學領域的骨科領域更是備受關注，并取得了不錯的短期臨床療效，但是鉭金屬的生物相容性和無細胞毒性等獨特性能還需要更多的實驗和長期臨床療效來證實，相信通過不斷的研究，鉭金屬及其合金材料必將在各領域尤其是醫(yī)學領域發(fā)揮更重要的作用。

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