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新型骨植入材料—鉭表面合金
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介紹 骨骼是一個復雜的剛性器官，由有機和無機部分組成。與肝臟一樣，骨骼也被認為是具有高度再生能力的器官。然而，產(chǎn)生寬間隙的大骨缺損會阻礙骨愈合過程。因此，需要開發(fā)一種能夠輔助骨愈合過程的材料。多年來，已有多種生物材料用于此目的。過去一直使用含釩的鈦合金，但由于其在體內(nèi)的毒性而停止使用。除了廣泛使用的金屬植入物外，研究人員還進行了使用聚合物和陶瓷作為骨愈合生物材料的研究。一些聚合物的特性，如低楊氏模量，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蝕性。生物陶瓷也有類似的問題:盡管具有高強度，但它們表現(xiàn)出較低的斷裂韌性，使其非常脆。 鎂具有與骨骼相似的密度和楊氏模量。它還具有良好的生物活性、機械相容性和低成本。此外，患者不需要二次手術取出植入物，因為它是可生物降解的。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)鎂在體內(nèi)的耐腐蝕性較差，這與骨骼愈合的時間線不符。與此同時，鎂的制備也很復雜，因為生產(chǎn)需要多個步驟。鋁合金具有良好的生物活性和較低的楊氏模量，使其成為解決骨移植材料問題的一種選擇。盡管如此，與正常皮質骨相比，鋁具有更高的拉伸和彎曲強度。鋁的這一特性導致應力屏蔽效應。此外，據(jù)報道，鋁導致了幾例骨軟化癥和神經(jīng)系統(tǒng)疾病。 鈦是目前植入行業(yè)中使用最多的金屬，但是純鈦作為骨植入材料的使用并不像鈦合金那樣受歡迎，因為鈦合金提供了更好的重量強度比。然而，最近的研究發(fā)現(xiàn)，純鈦在與鉭的動態(tài)加載中具有類似的特性，優(yōu)于鈦合金。 在一項研究中，科學家們試圖用鉭涂層修飾脆弱但易延展的網(wǎng)狀玻璃碳（RVC）。該研究表明，在體外和體內(nèi)研究中，Ta涂層RVC均可促進粘附、聚集和增殖。 牙科和骨科手術中生物材料開發(fā) 植入物/聚合物需要具有生物惰性，具有高斷裂韌性、良好的疲勞強度、與骨骼相似的彈性模量、優(yōu)異的耐腐蝕性，并具有與周圍骨骼骨結合的能力。它還應該防止應力在其自身和骨骼之間的不均勻轉移。支架應該理想地是生物相容的、骨傳導的、具有高機械強度、具有允許細胞遷移的多孔網(wǎng)絡、支持血管生成和營養(yǎng)輸送以用于生長。 鉭已被證明具有耐腐蝕性和生物活性。它能夠通過骨向內(nèi)生長和機械附著與骨結合。其他性能包括低彈性模量、高表面摩擦、優(yōu)異的骨整合性、化學穩(wěn)定性和生物相容性，這使Ta成為金屬植入物的良好生物材料。使用Ta有幾個優(yōu)點；它堅硬、有韌性、耐化學腐蝕且無毒。此外，成骨細胞的粘附、增殖、分化效果也很好。然而，助教也有一些缺點；它昂貴且難以加工和制造。目前，鉭被用作制造血管夾、放射證據(jù)骨骼標記、神經(jīng)重建和顱骨缺損修復的材料，而多孔鉭被用于髖關節(jié)和膝關節(jié)成形術、脊柱手術和骨移植替代品。髖臼杯、脛骨和脊柱植入物也是多孔鉭的一些其他產(chǎn)品。 鉭Ti–29Nb–13Ta–4.6Zr (TNTZ)合金和涂層 TNTZ是一種β型合金，于2003年首次生產(chǎn)，由無毒金屬組成，用于硬組織置換等骨科植入物，主要集中在膝關節(jié)和髖關節(jié)。由于楊氏模量取決于晶體取向，當晶體取向為（100）方向時，TNTZ表現(xiàn)出較低的楊氏模量，與骨骼的上限相匹配（TNTZv/s30 GPa骨骼）。等通道轉角擠壓（ECAP）、累積軋制結合（ARB）、高壓扭轉（HPT）和傳統(tǒng)的嚴寒（加工、軋制、型鍛）等塑性變形工藝可提高“固溶”b型合金的強度，同時保持較低的楊氏模量。然而，增加單獨冷加工/在HPT期間增加旋轉將有助于增加抗拉強度。據(jù)觀察，添加少量陶瓷如TiB或Y2O3也有助于提高動態(tài)強度。然而，為了達到最佳效果，增加的質量必須為0.05-5%。TNTZ-ST（固溶治療）的骨萎縮程度最低。兔子動物模型研究表明，與Ti–6Al–4V ELI和SUS 316L相比，TNTZ棒和板的脛骨骨折骨萎縮程度最低，因此骨重塑更好。當TNTZ用作棒時，脛骨的直徑增加，并且觀察到髓內(nèi)骨的雙壁結構。 CVI氣相沉積鉭表面合金 CVI氣相沉積鉭表面合金是一種用于在鈦植入物上沉積鉭涂層的技術。它增強了骨結合，而不改變種植體的抗疲勞性。使用這種技術，可以根據(jù)特定需求生產(chǎn)定制的Ta，因為可以設計復雜的植入物。在此過程后觀察到Ta純度的保留。由于通過該技術獲得了精細和微結構特征，機械、物理和生物特性得到了改善。相對較低的電阻使這成為可能。它沒有抗疲勞性低的問題。這種技術還有助于控制Ta的熔點，使制造致密、定制的多孔植入物成為可能。 觀察到細胞-表面相互作用增加，具有高潤濕性和高表面能，并顯示在Ta表面上。低接觸角被認為是有益的，因為細胞在Ta表面的親水性培養(yǎng)基上培養(yǎng)。與此同時，高表面能也賦予培養(yǎng)物中更好的細胞附著。 為了測試體外生物相容性，對人成骨細胞系（HFOB）進行了14天的培養(yǎng)，結果顯示在Ti上培養(yǎng)導致極少數(shù)絲狀體形成，從而導致其附著和鋪展失敗。而在Ta上，細胞呈立方形，發(fā)育出更多的絲狀體，從而導致更好的附著和鋪展。培養(yǎng)14天后，細胞變得更加細長和融合。產(chǎn)生了大量的細胞外基質，這是成骨細胞分化的標志。與存在更密集細胞的Ti相比，快速增殖導致Ta的細胞濃度高6倍。成骨細胞通過絲狀體和板狀體附著，并繼續(xù)重塑為骨結構/支架結構。 圖1是從Myllymaa，S等人的研究中獲得的，其中定量地顯示了對無定形金剛石（AD）、鉭、鈦、鉻（Cr）分別進行了14、17和21天的分析，在AD的平坦表面上有效地觀察到了個體發(fā)育，在Ta、Ti和CR的圖案化表面上也觀察到了個體發(fā)育，但不如在AD上觀察到的那么好，因為在那里它們具有將自身組織成多細胞骨組織類型結構所需的空間。它還表明，與其他材料相比，Ta顯示出最大的細胞密度和表面積覆蓋率；然而，所有細胞的大小幾乎保持不變。 (A)細胞密度在7.5小時(B)細胞覆蓋表面積在7.5小時(C)大小的HMSC在7.5小時(D)細胞覆蓋表面積在5天的鉻、鉭、非晶形鉆石和鉻。 Ta的延展性允許其在加載時軟化材料，從而降低裂紋的產(chǎn)生和擴展，這是Ta良好疲勞行為的一個例子。它是無毒的，顯示出82%的細胞活力。 小梁金屬（多孔鉭） 骨金屬由于其高孔隙率、高摩擦性和低楊氏模量，可隨著骨整合深度的增加而提高初始穩(wěn)定性。盡管缺乏長期臨床結果，但TM杯由于其出色的生物力學性能、生物相容性、避免骨萎縮的能力和有希望的早期臨床結果，是髖臼翻修手術的現(xiàn)狀和未來。 Fernandez及其同事進行的一項案例研究表明，使用多孔鉭髖臼杯治療II型和III型缺損可產(chǎn)生耐用的植入物，該植入物在最短5年的時間內(nèi)沒有出現(xiàn)松動。表1顯示了骨和不同制造的Ta產(chǎn)品之間的性能比較。我們可以看到多孔鉭的性質與松質骨相似，鉭合金（即TNTZ）的性質與皮質骨相似。 討論 最廣泛使用的骨植入物，鈦合金，非常堅固，具有高楊氏模量。應該通過骨骼傳遞的應力被植入物吸收。因此，我們需要一種具有較低楊氏模量和較小剛度的新材料來解決這個問題。具有低楊氏模量的材料是豐富的，但是它們?nèi)狈切迯退璧钠渌匦�。評估骨植入材料的最重要的事情之一是其促進骨生長并在植入物周圍環(huán)境中產(chǎn)生最少炎癥因子的能力。先前的研究已經(jīng)證明，就骨傳導性、骨誘導性和骨整合性而言，鉭優(yōu)于鈦合金。簡而言之，鉭能促進更好的骨再生。 鈦上的鉭涂層可以通過CVI氣相沉積鉭表面合金工藝來完成。它為我們提供了定制植入物的能力。 在治療復雜的情況下，例如不同類型的髖臼骨缺陷、骨盆中斷或在骨生物學不良的一般情況下，多孔鉭是植入物的最佳選擇，因為其具有各種性質，如高表面摩擦、低楊氏模量和高孔隙率，這些性質都有助于更好的骨向內(nèi)生長、穩(wěn)定性和增強植入物與骨的固定。在過去的幾年里，它們出色的生物力學性能、生物相容性和應力屏蔽保護已經(jīng)帶來了巨大的臨床成果。 鉭除了其高楊氏模量和生產(chǎn)成本之外，它幾乎沒有任何缺陷。此外，它是非鐵、非磁性金屬。因此，這些植入物被認為是接受MRI檢查的患者可以接受的。因此，最合理的方法是利用鉭作為PEEK等其他大塊材料的涂層材料，并將PEEK的大塊特性和鉭的表面特性結合起來。 結論 鉭是未來骨植入的生物材料，因為它具有多種特性，如骨誘導、骨再生和骨整合。此外，鉭非常堅固且無毒。增材制造技術的進步使得鉭的各種應用成為可能。鉭可以以塊狀形式使用，也可以僅作為聚合物等其他材料的涂層。 |
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