骨科植入材料新秀——由五氯化钽CVD制备多孔钽材料助力大健康产业发展

钽具有“亲生物”金属之称，纯钽应用于骨科医疗至今已有80多年。1802年，瑞典化学家Ekeberg在矿石中发现了钽，并以Tantalus命名。1866年罗兹用钠还原Na₂TaF₇方法，获得了较高纯度的钽。

随后，凭借其独特的理化性质和极佳的生物惰性与生物相容性，纯钽于1940年首次被应用于骨科领域，至今已有80年的临床应用历史，成为了继钛金属之后又一种新型生物材料，被广泛应用在口腔种植体植入、股骨头坏死治疗、冠状动脉支架植入、人工髋臼假体植入、外科手术缝合线制作等医学相关领域。大量文献证实，纯钽作为人体植入物尚未发生不良反应。

纯钽是一种灰色、光亮、坚硬的金属，硬度适中，延展性好，可拉成比头发丝还细的钽丝。纯钽与骨组织弹性模量相差较大，不利于骨结合。而多孔钽作为新型的骨科植入材料，内部结构相互连通，纵横交织。具有高孔隙率、低弹性模量及高表面摩擦系数等物理特性。在力学性能方面，多孔钽优于实体钽和其他常用的医用金属材料。其特殊孔结构使其弹性模量介于人的松质骨和皮质骨之间，特别适用于骨置换，关节置换和人体组织填充。可在提供力学强度的同时减少应力遮挡，利于应力传导，便于骨骼塑形，又兼具有优良的骨诱导性，广泛应用于骨科领域，并取得了理想疗效。具有生物活性的骨材料界面是羟基磷灰石层而不是结缔组织层，钽金属本身具有良好的骨生物活性和稳定的生物惰性，这使它与骨之间形成强有力的骨界面整合。

多孔钽具有诸多优势如：（1）可与宿主骨界面完美整合：相比于最常用的钛金属，钽金属生物相容性更佳，骨融合能力更强。（2）独特的仿生骨小梁结构：钽金属的弹性模量更接近骨组织，较其他金属更适合仿生人体的骨小梁结构。（3）诱导骨和血管快速长入：可以促进骨组织和血管组织快速长到多孔钽的孔隙中，其高度的多孔性和支撑结构提供了广泛的骨长入空间，形成良好的生物固定作用，可有效解决骨水泥放热，对周围组织的影响，是临床上的一大进步。

上述优势，使其在不同尺寸骨科植入物，和不同部位骨缺损中展现出极大的临床应用价值和适用空间。

钽金属具优异的耐腐蚀性，将其涂覆在某些医用金属材料表面，可有效阻止有毒元素的释放，提高金属材料的生物相容性。钽涂层能满足理想的骨移植材料三要素，即骨传导、骨诱导和骨生成作用，从而临床应用越加广泛，患者选择更加灵活。五氯化钽是一种白色粉末，由单质金属钽高温氯化制备而成，五氯化钽具有较低的沸点，很高的反应活性，对于氢还原CVD制备多孔钽是绝佳的材料选择。

此外，钽金属也已作为种植体材料被应用于缺失牙患者的修复治疗中。 有实验表明，在牙合力负载过程中，传统种植体可吸收负载能量的30%，而钽金属骨小梁种植体可吸收50%-75%，使得种植体在长期的口内功能负载中将牙合力分散至周围骨质中，避免了应力集中，而较高的摩擦系数使其在种植体植入过程中具有良好的初期稳定性，从而提高种植牙的结合率，特别是骨质量较差的种植患者。

Zimmer的宏观多孔结构由网状玻璃碳支架构成，钽金属在支架表面通过化学气相沉积/渗透（CVD/CVI）的方式覆盖。纯钽做为原料，使用化学气相沉积（Chemical vapordeoposition，）方法，与Cl2发生反应，生成气态五氯化钽，再使用H₂将五氯化钽中的Ta还原出来并沉积到碳骨架上，形成类似松质骨的独特多孔结构。CVD制备的多孔钽具有海绵状的多孔结构、纵横交错的网格以及分布整体的孔道，网格呈多重十二面体结构，孔径大小为400~600μm，孔隙率为75~85%，钽层厚度为40~60μm，可通过调节钽层厚度来调整多孔钽的机械性能。

据行业专家和三方机构调研，多孔钽系列产品作为骨科植入的高端产品，几乎占据Zimmer全产品线的1/3，年销售额约为120亿元，且近年持有10%左右的增速。若按关节初次植入后10年作为翻修/置换时间预测，多孔钽产品作为关节翻修的必须明星产品，即将迎来一轮更快的增速。

此外，多孔钽多年临床评估结果显示Trabecular MetalTM（骨小梁金属）具有优越的多孔特性，可以提供骨科植入物所需的生理强度，和类似松质骨的弹性模量。但Zimmer气相沉积工艺繁杂带来的原料、设备、厂房成本，人工成本和进口关税等导致捷迈多孔钽产品价格昂贵。据了解，国内销售的zimmer多孔钽棒价格一般在2.5万元人民币以上（不同城市价格略有差异）。因此多孔钽产品临床疗效虽备受骨科医生认可，但国内渗透率仍不高。

仿生骨小梁多孔结构三维建模图：侧视图、俯视图、纵切剖面图（从左至右）

引自：https://zhuanlan.zhihu.com/p/345047204