赵阳 李亮 王志强

多孔钽在关节融合中的历史与前景

赵阳 李亮 王志强

多孔钽是一种类似于松质骨的低弹性模量金属，目前广泛应用于骨科领域( 如髋关节和膝关节置换术、脊柱外科、骨移植替代物、关节融合 )。它的十二面体多孔结构是通过碳气相沉积/渗透技术将纯钽浇筑到碳晶体支架上获得的。这个过渡金属拥有着一些有趣的生物材料性能，包括人们熟知的高容积孔隙率( 70%～80% )，良好的力学特性，生物相容性和生物学活性等，还具有很好的骨和纤维的生长特性，能够允许骨与软组织快速和大量的附着。钽软骨复合材料在体外实验早期研究中取得了可喜的成果，这为未来的关节表面修复提供了一种新的选择。现就多孔钽近年来的演变和发展以及在关节融合中的应用综述如下。

一、多孔钽的制备

多孔钽植入物，由热固性泡沫材料聚合物的热解，制成了一个具有十二面体结构的低密度碳晶体骨架( 98% 孔隙度 )，再用市售纯钽使用化学气相沉积 / 渗透[1-2]的方法沉积到这个碳支架上而获得。最初的碳骨架可以做成许多不同的形状，不同尺寸，这给设计师们提供了无限的舞台。通常情况下，钽涂层的厚度取值范围从 40～60 μm。通过调整钽沉积厚度，设计师可以改变孔径的大小和植入物的力学性能。目前，应用于矫形外科中的多孔钽植入物，平均孔径为 400～600 μm，体积孔隙率大约 75%～ 85% [ 99% 钽，1% 碳( 重量比 )]。

1. 骨内生长性：1980 年，Bobyn 等在烧结材料上找到了适合组织生长的最佳孔径大小，串珠样 Co-Cr 大概是 50～400 μm[3]。这种材料能保持 8 周 17 兆帕的最大抗曲强度的优势。Bobyn 等通过一个经皮质犬模型证实多孔钽作为一种比较成熟的支架材料，它的高孔隙率能显著增加骨组织的附着量，说明多孔钽材料具有良好的力学性能以及骨内向生长性。Bobyn 等在一个为期 6 个月的体内研究中发现在 22 例骨水泥多孔钽髋臼犬模型研究中，通过影像学摄片，组织学和电子显微镜观察检测骨移植物界面，在 22 例模型中发现骨组织长入深度范围从0.2～2 mm，平均孔内长入面积为 16.8%，而孔外平均为25.1%。这些结果与 Jasty 等之前研究的犬模型相比，骨组织长入钛纤维金属和钴铬合金的比例分别为 21.5% 和13.4%[4]。与多孔钽髋臼组件中骨组织长入率相比，在理论上，多孔钽组件导致骨组织移植物界面力学性能增加。Hanzlik 等[5]报道 76 例应用骨水泥多孔钽进行髋臼修复手术病例的回顾研究中，对骨组织长入植入物内情况进行了分析。通过影像学摄片检测骨移植物界面，发现仅 1 例出现植入物松动，骨组织长入多孔钽孔隙内情况良好。这些在实验室动物模型以及临床效果上，已经对多孔钽在全关节置换、脊柱融合、踝关节融合、股骨头坏死等领域的应用产生了深远的影响。

2. 纤维组织增长特性：纤维组织在多孔金属移植物内的增长对附着于膝关节植入物表面的韧带和肌腱有益。假体中软组织血管的长入，从力学和生物学的角度上讲可以增强附着强度[2]。此前的研究表明，纤维组织在多孔结构的材料内能迅速愈合[2,6]，这种情况在孔径增加到 50 μm以上更加明显。增加孔径的大小，孔隙率，植入时间，大血管和附着强度都会增加。Hacking 等报道了在多孔钽犬模型中的显微组织生长情况。将矩形钽植入物放置到杂种狗的皮下组织，评估 4、8 和 16 周组织学检查发现，在钽与组织植入物界面有完整的血管增长。这种嵌组织通过组织学分析，有密集有序的胶原蛋白和明显的血管生长。多孔钽植入物与组织附着强度的测试结果为：60.7，70.9，89.4 g / μm，这比传统的烧结串珠多孔的涂料附着强度增加了 3～6 倍[6-7]。Co-Cr 合金植入物孔径约 90 μm，＜400～600 μm。同样，多孔钽材料高的孔隙率能增加单位体积内组织长入量。多孔钽的这种组织生长特性对于上肢和下肢的关节成形术中肌腱和韧带的附着具有广泛的应用前景。

3. 流体流动特性：移植物的高渗透性被认为是对骨传导性有益的，因为它允许血管自由行成，并且能够使营养物质相对自由的流到移植物内部[8]。Hui 等证明，高渗透性的移植物能够增强移植物-骨接口处的骨愈合[9]。他们还发现，松质骨内血管化、成骨细胞和纤维组织形成所需的最小传到阈值是 1.5×10-10m3. s-1Pa-1。

有学者认为：多孔钽植入物相对高孔隙率的流体流动特性能增强多孔钽移植物表面残留物的运输。这种材料的许多优点可能会相互抵消，随着时间的延长，这种高渗透性的金属植入物会产生由粒子介导的无菌性松动。近日，Shimko 等已经发现多孔钽支架植入物的固有渗透率的范围是 2.1×10-10～4.8×10-10m2，这与松质骨的渗透率类似。固有渗透率的概念对组织工程学有重要意义，可能在多孔钽作为植入物的临床应用中发挥重要作用。

4. 软骨传导潜力：最近 Gordon 等[10]提出了软骨传导潜力的概念，即为软骨的生长提供支架。用 4 组成年狗的肱骨头及膝关节软骨，以确定多孔钽支架能否起到支持其表面软骨生长的作用。对软骨-多孔钽片段( 由多孔钽髋臼假体获得 )进行静态和动态培养，用 SDS-PAGE 计数定量计算软骨-钽片段冰冻切片中的 II 型胶原蛋白的含量。他们通过组织学检查发现，植入后 4 周，多孔钽孔表面和孔内都出现了组织的生长。动态培养的样本组中，出现了大量的类软骨细胞，并且糖胺多糖染色阳性[10]。这些细胞外成分中含有 84.5% 的 II 型胶原蛋白，它类似于正常透明软骨。经过静态培养的样本组中，用 SDS-PAGE 技术在细胞外成分中检测不到胶原蛋白[10]。

Mardones 等[11]对新近开发的用来修复软骨损伤的多孔钽-软骨复合物进行了评估。他们在这些多孔钽-软骨复合物圆柱表面发现了类似于透明软骨的成分，其底部有纤维样成分长入支架空隙中。对这种复合物的力学性能与正常兔股骨髁软骨进行对比，发现其力学性能与原始的股骨髁软骨类似[11]。这些研究证明，多孔钽在体外能与软骨细胞形成类似软骨物质，证实了多孔钽的软骨传导潜力。Mrosek 等[12]在建造了 10 只兔子的内外侧髁圆柱形骨软骨缺损模型上填补多孔钽-骨膜或聚己内酯-骨膜两种材料，组织学检测观察，聚己内酯-骨膜效果优于多孔钽，但二者都能促进软骨下骨增长。然而，这些基础为今后的研究和确定这样的多孔钽软骨复合物在关节置换中应用提供了一种新的思路。

二、临床应用及前景

多孔钽金属自应用于临床以来，主要用于髋、膝关节置换术，股骨头坏死等的治疗中，且对髋、膝关节关节损伤的治疗取得了理想的效果[13-14]。但是随着医学的发展，多孔钽已经开始向其它关节损伤治疗延伸。

1. 关节置换术中的应用：多孔钽在髋关节置换术中的应用越来越广泛。Meneghini 等[15]用油压式试验比较传统骨水泥型髋臼和新型多孔钽金属髋臼的稳定性，发现多孔钽髋臼杯展示出了更高的稳定性。Nakashima 等[16]报道 79 例髋关节置换术后 5 年结果，通过影像学检查未发现植入物失败以及松动，随访效果优良。Villanueva-Martínez 等[17]在对 21 例应用多孔钽锥进行膝关节翻修的3 年随访中发现，多孔钽锥能较好的弥补股骨、胫骨缺损，骨槽稳定。而仅有 1 例由于感染严重而失败。多孔钽在关节置换中良好的临床效果，使其在关节外科中发挥着越来越重要的作用。

2. 椎间关节融合中的应用：多孔钽金属特殊的结构性能及适合组织长入的特性，使其在脊柱外科中的应用越来越多，并主要用于颈椎和腰椎融合装置的研究。Sinclair等[18]在动物实验中，比较多孔钽和 PEEK2 不同材料制成的椎问融合器的融合效果，并应用影像学及组织学进行评价[19-20]。对 25 只山羊进行了单级颈椎间盘切除及融合术，并交替植入了多孔钽及 PEEK 融合装置，观察 6、12 和 26 周。两个装置都包含一个中心孔( GH )、其中由自动物自体髂骨获得的自体骨组织填充。骨组织长入植入物以及植入物表面的百分比，是植入物与宿主桥接的证据，这可以通过影像获得。骨基质附着率可以通过组织学染色的方法获得。在所有观察的时间点，植入多孔钽融合器的动物，植入物界面骨组织含量明显高于植入 PEEK 融合器的动物。在 6，12 周时，多孔钽组的中心孔内骨基质附着率显著高于 PEEK 组，在第 26 周时，两组未见明显差异。与 PEEK 植入物组相比，大量的植入多孔钽的动物已经证明了自体骨与相邻两椎骨间的桥接更显著。组织学染色表明，多孔钽融合器比 PEEK 融合器更有优势，因为它能显著地促进宿主骨基质的附着。因此，Sinclair 等[18]得出结论，多孔钽融合器比 PEEK 融合器在促进骨组织长入植入物以及植入物周围的骨基质附着方面更有优势，钽的多孔结构促进了宿主骨组织的长入和植入物与骨组织的桥接，这有利于骨组织的长期附着，使其在临床应用中具有巨大的竞争力。Meneghini 等[15]也对 50 例共 61 个节段进行颈椎椎间融合手术。术中应用多孔钽椎间融合器加前路钢板辅助固定，术后随访 2 年发现，椎间均达到良好的融合，且稳定可靠。由于多孔钽应用于脊柱外科的时间尚短，积累的经验和临床资料相对来说较少，且缺乏大样本的中远期随访报道，所以还有待于对多孔钽的椎间融合效果进一步地深入研究。

3. 踝关节融合中的应用：随着对多孔钽研究的深入，其优良的结构特性使其在踝关节疾病中的应用开始被受关注。以往治疗晚期踝关节疾病最常用的是踝关节融合术，须应用多种内、外固定技术。外固定是采用不同类型的外固定支架对矫正后的踝关节加压固定，疗效确切，外固定术一般适用于伴有广泛软组织损伤或其它因素导致内固定效果不佳的患者；内固定是采用不同类型的内固定器材如螺钉、钢板、髓内钉等予以固定，是目前临床主要的固定方式。Zwipp 等[21]采用 4 枚螺钉内固定进行踝关节融合术94 例，术后平均 6 年踝关节融合率可达 99%，其中，5%的患者发生伤口延迟愈合，3.2% 发生术后血肿，继发性距下关节炎和距舟关节炎发生率分别为 17% 和 11%，分别有 30% 及 19% 的患者术前原有的距下关节和距舟关节炎出现进展。Levent 等[22]报道应用髓内钉结合外固定的方法进行踝关节融合，减少了外固定的时间，提高了患者的耐受力，同时减小了并发症发生率。Ahmad 等[23]使用肱骨近端锁定钢板行踝关节融合术，由于锁定钢板能够提供固定融合角度，并进行多平面固定，因此取得了满意的临床效果。Frigg 等[24]回顾分析了应用多孔钽进行踝关节融合 9 例，术后随访 2 年，9 例没有发生并发症。AOFAS评分在 2 年内由术前的 32( 范围 8～62 )增加到了 74( 范围 37～100 )。这些观察结果与报道过的钽在脊柱融合以及TKAs 中的结果相一致。钽的优势在于避免了取髂骨时造成的感染和其它并发症。有报道称，自体髂骨移植术后并发症发病率为 15% 到 48%( 术后血肿、感染、感觉减退、增加术后疼痛、伤口裂开、外观缺陷、长期疼痛和工作生活不便等 )[25-27]，多孔钽的这些优势决定了它在今后的踝关节损伤中将会发挥越来越重要的作用。

4. 腕关节融合中的应用：腕关节融合被认为是治疗腕关节损伤的最终手段，其融合方法多种多样。近年来利用部分腕骨融合术治疗腕关节疾患的学者日益增多。部分腕关节融合术的应用起始于 20 世纪初，该术既能减轻腕关节疼痛，又能获得稳定和一部分活动度的优点[28-29]。舟骨切除并四角融合是部分腕关节融合术的经典术式，在四角融合术中常用的内固定方法有克氏针，U 型针，herber 螺钉以及后来发展起来的 spider 钢板和记忆合金[30]，但是随之而来也产生了许多并发症，如感染、固定不牢、骨不连、钢板及螺钉断裂等，这些都是困扰着临床医生的问题。随着多孔钽应用于临床，它的特性为腕关节融合的内固定提供了新的机遇。Adams 等[31]制作了一个用多孔钽进行内固定的四角融合术，对犬进行腕关节融合。方法是在桡腕关节、尺腕关节和第 4 腕骨连接处做一个缺损，然后用多孔钽柱压合连接，并用克氏针固定。对照组不植入任何植入物，在第 4、8、12 周处死实验动物。组织学检测显示，在第 4 周时，骨组织开始长入多孔钽内，力学检测显示随着时间的延长，多空钽与骨组织的稳定程度增加。而对照组在任何时间点都没有出现连接。多孔钽内植物在腕关节四角融合模型中的稳定，表明了它能成为腕关节融合内植物的一种新型材料。但是多孔钽材料与传统腕关节融合材料的性能对比，还有待进行更深入地研究。

虽然钽金属及其合金材料在医学领域，特别是骨科关节领域的应用近年来取得了巨大进步，并且取得了不错的短期临床疗效。但多孔钽材料在理论上的优势仍有待于更充分的临床证据和中长期的临床疗效随访结果来证明。相信通过临床医务人员和工程师们的不懈努力，钽金属及其合金材料将在骨科领域发挥更重要的作用。

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( 本文编辑：李贵存 )

History and prospects of the application of porous tantalum in arthrodesis

ZHAO Yang, LI Liang, WANG Zhiqiang. Department of Orthopaedics, Hebei United University Affliated Hospital, Tangshan, Hebei, 063000, PRC

ObjectiveTo review the characteristics of metal porous tantalum and its application in arthrodesis.MethodsRecent literatures concerning the characteristics of porous tantalum and its application in arthrodesis were retrieved from China National Knowledge Internet( CNKI )and PubMed databases.ResultsPorous tantalum was a kind of metal with low elastic modulus, whose appearance was similar to that of cancellous bone. Recently, it had been widely applied in the orthopaedic feld, inluding hip replacement and knee replacement, spine surgery, bone graft substitutes and arthrodesis. Porous tantalum could be attached by a great quantity of bones and soft tissues quickly, with a high volumetric porosity of 70%-80%, good mechanical characteristics, biocompatibility and biological activity and excellent growth characteristics of bone and soft tissues. At present, satisfactory outcomes could be achieved in the clinical application of porous tantalum for hip and knee injuries. Furthermore, with the development of medicine, porous tantalum could be applied in the treatment of other joint injuries.ConclusionsGood mechanical stability and early surgical outcomes can be obtained by porous tantalum material in arthrodesis.

Arthrodesis; Bone substitute; Porous tantalum

10.3969/j.issn.2095-252X.2014.05.011

R687.4

063000 唐山，河北联合大学附属医院骨科

王志强，Email: wzhqde@163.com

2013-11-13 )