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新型骨植入材料—钽表面合金
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介绍 骨骼是一个复杂的刚性器官，由有机和无机部分组成。与肝脏一样，骨骼也被认为是具有高度再生能力的器官。然而，产生宽间隙的大骨缺损会阻碍骨愈合过程。因此，需要开发一种能够辅助骨愈合过程的材料。多年来，已有多种生物材料用于此目的。过去一直使用含钒的钛合金，但由于其在体内的毒性而停止使用。除了广泛使用的金属植入物外，研究人员还进行了使用聚合物和陶瓷作为骨愈合生物材料的研究。一些聚合物的特性，如低杨氏模量，可能提供更好的骨植入材料。然而，聚合物具有生物惰性和高腐蚀性。生物陶瓷也有类似的问题:尽管具有高强度，但它们表现出较低的断裂韧性，使其非常脆。 镁具有与骨骼相似的密度和杨氏模量。它还具有良好的生物活性、机械相容性和低成本。此外，患者不需要二次手术取出植入物，因为它是可生物降解的。然而，研究人员发现镁在体内的耐腐蚀性较差，这与骨骼愈合的时间线不符。与此同时，镁的制备也很复杂，因为生产需要多个步骤。铝合金具有良好的生物活性和较低的杨氏模量，使其成为解决骨移植材料问题的一种选择。尽管如此，与正常皮质骨相比，铝具有更高的拉伸和弯曲强度。铝的这一特性导致应力屏蔽效应。此外，据报道，铝导致了几例骨软化症和神经系统疾病。 钛是目前植入行业中使用最多的金属，但是纯钛作为骨植入材料的使用并不像钛合金那样受欢迎，因为钛合金提供了更好的重量强度比。然而，最近的研究发现，纯钛在与钽的动态加载中具有类似的特性，优于钛合金。 在一项研究中，科学家们试图用钽涂层修饰脆弱但易延展的网状玻璃碳（RVC）。该研究表明，在体外和体内研究中，Ta涂层RVC均可促进粘附、聚集和增殖。 牙科和骨科手术中生物材料开发 植入物/聚合物需要具有生物惰性，具有高断裂韧性、良好的疲劳强度、与骨骼相似的弹性模量、优异的耐腐蚀性，并具有与周围骨骼骨结合的能力。它还应该防止应力在其自身和骨骼之间的不均匀转移。支架应该理想地是生物相容的、骨传导的、具有高机械强度、具有允许细胞迁移的多孔网络、支持血管生成和营养输送以用于生长。 钽已被证明具有耐腐蚀性和生物活性。它能够通过骨向内生长和机械附着与骨结合。其他性能包括低弹性模量、高表面摩擦、优异的骨整合性、化学稳定性和生物相容性，这使Ta成为金属植入物的良好生物材料。使用Ta有几个优点；它坚硬、有韧性、耐化学腐蚀且无毒。此外，成骨细胞的粘附、增殖、分化效果也很好。然而，助教也有一些缺点；它昂贵且难以加工和制造。目前，钽被用作制造血管夹、放射证据骨骼标记、神经重建和颅骨缺损修复的材料，而多孔钽被用于髋关节和膝关节成形术、脊柱手术和骨移植替代品。髋臼杯、胫骨和脊柱植入物也是多孔钽的一些其他产品。 钽Ti–29Nb–13Ta–4.6Zr (TNTZ)合金和涂层 TNTZ是一种β型合金，于2003年首次生产，由无毒金属组成，用于硬组织置换等骨科植入物，主要集中在膝关节和髋关节。由于杨氏模量取决于晶体取向，当晶体取向为（100）方向时，TNTZ表现出较低的杨氏模量，与骨骼的上限相匹配（TNTZv/s30 GPa骨骼）。等通道转角挤压（ECAP）、累积轧制结合（ARB）、高压扭转（HPT）和传统的严寒（加工、轧制、型锻）等塑性变形工艺可提高“固溶”b型合金的强度，同时保持较低的杨氏模量。然而，增加单独冷加工/在HPT期间增加旋转将有助于增加抗拉强度。据观察，添加少量陶瓷如TiB或Y2O3也有助于提高动态强度。然而，为了达到最佳效果，增加的质量必须为0.05-5%。TNTZ-ST（固溶治疗）的骨萎缩程度最低。兔子动物模型研究表明，与Ti–6Al–4V ELI和SUS 316L相比，TNTZ棒和板的胫骨骨折骨萎缩程度最低，因此骨重塑更好。当TNTZ用作棒时，胫骨的直径增加，并且观察到髓内骨的双壁结构。 CVI气相沉积钽表面合金 CVI气相沉积钽表面合金是一种用于在钛植入物上沉积钽涂层的技术。它增强了骨结合，而不改变种植体的抗疲劳性。使用这种技术，可以根据特定需求生产定制的Ta，因为可以设计复杂的植入物。在此过程后观察到Ta纯度的保留。由于通过该技术获得了精细和微结构特征，机械、物理和生物特性得到了改善。相对较低的电阻使这成为可能。它没有抗疲劳性低的问题。这种技术还有助于控制Ta的熔点，使制造致密、定制的多孔植入物成为可能。 观察到细胞-表面相互作用增加，具有高润湿性和高表面能，并显示在Ta表面上。低接触角被认为是有益的，因为细胞在Ta表面的亲水性培养基上培养。与此同时，高表面能也赋予培养物中更好的细胞附着。 为了测试体外生物相容性，对人成骨细胞系（HFOB）进行了14天的培养，结果显示在Ti上培养导致极少数丝状体形成，从而导致其附着和铺展失败。而在Ta上，细胞呈立方形，发育出更多的丝状体，从而导致更好的附着和铺展。培养14天后，细胞变得更加细长和融合。产生了大量的细胞外基质，这是成骨细胞分化的标志。与存在更密集细胞的Ti相比，快速增殖导致Ta的细胞浓度高6倍。成骨细胞通过丝状体和板状体附着，并继续重塑为骨结构/支架结构。 图1是从Myllymaa，S等人的研究中获得的，其中定量地显示了对无定形金刚石（AD）、钽、钛、铬（Cr）分别进行了14、17和21天的分析，在AD的平坦表面上有效地观察到了个体发育，在Ta、Ti和CR的图案化表面上也观察到了个体发育，但不如在AD上观察到的那么好，因为在那里它们具有将自身组织成多细胞骨组织类型结构所需的空间。它还表明，与其他材料相比，Ta显示出最大的细胞密度和表面积覆盖率；然而，所有细胞的大小几乎保持不变。 (A)细胞密度在7.5小时(B)细胞覆盖表面积在7.5小时(C)大小的HMSC在7.5小时(D)细胞覆盖表面积在5天的铬、钽、非晶形钻石和铬。 Ta的延展性允许其在加载时软化材料，从而降低裂纹的产生和扩展，这是Ta良好疲劳行为的一个例子。它是无毒的，显示出82%的细胞活力。 小梁金属（多孔钽） 骨金属由于其高孔隙率、高摩擦性和低杨氏模量，可随着骨整合深度的增加而提高初始稳定性。尽管缺乏长期临床结果，但TM杯由于其出色的生物力学性能、生物相容性、避免骨萎缩的能力和有希望的早期临床结果，是髋臼翻修手术的现状和未来。 Fernandez及其同事进行的一项案例研究表明，使用多孔钽髋臼杯治疗II型和III型缺损可产生耐用的植入物，该植入物在最短5年的时间内没有出现松动。表1显示了骨和不同制造的Ta产品之间的性能比较。我们可以看到多孔钽的性质与松质骨相似，钽合金（即TNTZ）的性质与皮质骨相似。 讨论 最广泛使用的骨植入物，钛合金，非常坚固，具有高杨氏模量。应该通过骨骼传递的应力被植入物吸收。因此，我们需要一种具有较低杨氏模量和较小刚度的新材料来解决这个问题。具有低杨氏模量的材料是丰富的，但是它们缺乏骨修复所需的其他特性。评估骨植入材料的最重要的事情之一是其促进骨生长并在植入物周围环境中产生最少炎症因子的能力。先前的研究已经证明，就骨传导性、骨诱导性和骨整合性而言，钽优于钛合金。简而言之，钽能促进更好的骨再生。 钛上的钽涂层可以通过CVI气相沉积钽表面合金工艺来完成。它为我们提供了定制植入物的能力。 在治疗复杂的情况下，例如不同类型的髋臼骨缺陷、骨盆中断或在骨生物学不良的一般情况下，多孔钽是植入物的最佳选择，因为其具有各种性质，如高表面摩擦、低杨氏模量和高孔隙率，这些性质都有助于更好的骨向内生长、稳定性和增强植入物与骨的固定。在过去的几年里，它们出色的生物力学性能、生物相容性和应力屏蔽保护已经带来了巨大的临床成果。 钽除了其高杨氏模量和生产成本之外，它几乎没有任何缺陷。此外，它是非铁、非磁性金属。因此，这些植入物被认为是接受MRI检查的患者可以接受的。因此，最合理的方法是利用钽作为PEEK等其他大块材料的涂层材料，并将PEEK的大块特性和钽的表面特性结合起来。 结论 钽是未来骨植入的生物材料，因为它具有多种特性，如骨诱导、骨再生和骨整合。此外，钽非常坚固且无毒。增材制造技术的进步使得钽的各种应用成为可能。钽可以以块状形式使用，也可以仅作为聚合物等其他材料的涂层。 |
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