馬劍,李乾,尹蕓生
(山西醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院骨科,山西 太原 030001)
鉭是一種稀有高熔點(diǎn)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?yàn)殂g金屬所具有的高熔點(diǎn)、大強(qiáng)度、耐磨損、抗腐蝕等理化特性,因而其被大范圍用于飛機(jī)、火箭等需要耐熱材料以及需要高強(qiáng)度零部件的工業(yè)領(lǐng)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(xué)領(lǐng)域。
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(dá)6~6.5,其溶點(diǎn)也很高,達(dá)2 996℃,僅次于鎢和錸。實(shí)驗(yàn)證明,鉭的抗腐蝕性極強(qiáng),常溫下與堿性溶液、稀硫酸、鹽酸和濃硝酸均無(wú)化學(xué)反應(yīng),在氫氟酸和熱濃硫酸作用下稍微有所反應(yīng)。這樣的物理和化學(xué)性質(zhì)在金屬中是比較難得的。
因鉭金屬對(duì)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(xué)性能,與惰性氣體鎢弧焊接制造各種化工設(shè)備;此外,一些特種器材的制備也需要在鉭坩堝內(nèi)進(jìn)行,例如特種玻璃的熔化等。正因?yàn)殂g金屬獨(dú)特的物理和化學(xué)特性,使之成為現(xiàn)代工業(yè)不可或缺的原材料。
醫(yī)學(xué)在不斷的進(jìn)步,各種治療技術(shù)也在不斷提高。因鉭金屬具有優(yōu)異的力學(xué)性能和抗疲勞特性,故被廣泛應(yīng)用于臨床,尤其是在骨科領(lǐng)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(qiáng)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(shì),因而鉭金屬在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展有著更廣闊的前景。
2.1 鉭金屬的生物學(xué)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(guò)口腔直接服食或是通過(guò)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(guò)胃腸道時(shí)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(xì)胞吞噬鉭塵1 h后能全部存活并無(wú)任何細(xì)胞變性僅伴隨葡萄糖氧化作用增強(qiáng),相同條件下,吞噬細(xì)胞吞噬矽塵后則出現(xiàn)吞噬細(xì)胞胞漿的嚴(yán)重變性,甚至出現(xiàn)吞噬細(xì)胞的死亡,通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)說(shuō)明鉭對(duì)人體細(xì)胞是無(wú)毒性的,是安全的[2,3]。
另外,國(guó)外學(xué)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(dǎo)作用,能與宿主骨組織進(jìn)行良好的連接而產(chǎn)生迅速的骨長(zhǎng)入和固定力[4,5],也有學(xué)者在細(xì)胞培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)其能與骨細(xì)胞發(fā)生結(jié)合反應(yīng),證明了鉭金屬還具有長(zhǎng)期的組織相容性[6]。正因?yàn)殂g金屬的無(wú)毒安全性和良好的骨引導(dǎo)作用以及長(zhǎng)期的組織相容性,因此鉭金屬被稱之為骨小梁金屬而運(yùn)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,隨即Schildhauer等[7]學(xué)者為了進(jìn)一步探討鉭棒的適用性進(jìn)行了鉭棒對(duì)細(xì)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(duì)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(xué)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(xué)的各個(gè)領(lǐng)域中,尤其在骨科領(lǐng)域中,它的優(yōu)勢(shì)更是得到了充分的運(yùn)用,發(fā)揮了重要的作用,而在這期間有關(guān)鉭金屬作為人體植入物植入人體后出現(xiàn)不良反應(yīng)的報(bào)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(bào)道中均未見(jiàn)明顯的不良反應(yīng)[10,11]。
2.2 鉭金屬的醫(yī)學(xué)應(yīng)用
2.2.1 鉭絲 鉭可制成直徑為0.2 mm的細(xì)絲,作為易滅菌、較小刺激周?chē)M織的抗張力縫線,供臨床手術(shù)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(shù)方式對(duì)其進(jìn)行手術(shù),術(shù)后5個(gè)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(guān)節(jié)炎,而剩余的31 例患者均取得了良好療效,且無(wú)明顯并發(fā)癥。
2.2.2 鉭片 當(dāng)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(shí),鉭金屬就可以制成不同形狀和大小的鉭片,對(duì)其裂縫和不愈合的地方進(jìn)行修補(bǔ),以期達(dá)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?gòu)拇笸壬先∑ひ浦驳姐g片上,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間,形成人造鉭耳朵[12]。
2.2.3 鉭支架 由于鉭金屬具有較強(qiáng)的延展性,因而用其制作的鉭絲支架能在動(dòng)脈內(nèi)較好的適應(yīng)其搏動(dòng),達(dá)到精準(zhǔn)、迅速的釋放。有學(xué)者利用小型豬的冠狀動(dòng)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(gè)月的觀察,結(jié)果發(fā)現(xiàn)冠狀動(dòng)脈在植入支架后其局部組織未見(jiàn)任何排異現(xiàn)象出現(xiàn),且新生內(nèi)膜出現(xiàn)時(shí)相性的增殖改變[13]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)滿意效果后,將鉭絲支架試驗(yàn)于臨床患者。選取患有缺血性綜合征的患者為實(shí)驗(yàn)對(duì)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(shù)操作性,可以用于應(yīng)對(duì)復(fù)雜的傷害,也能大大降低6個(gè)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(qiáng)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(guò)蒸汽沉淀技術(shù)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(yīng)力遮擋效應(yīng)[5,16]。鉭棒在生物力學(xué)性能上與骨相似,加上其韌性強(qiáng)不易疲勞斷裂和其具有較強(qiáng)惰性等特點(diǎn)使其可以在人體內(nèi)長(zhǎng)期存留。鉭棒為圓柱體外形設(shè)計(jì),直徑為10 mm,長(zhǎng)70~130 mm,末端螺紋部分粗14 mm,長(zhǎng)25 mm。
股骨頭壞死是因股骨頭血運(yùn)破壞而主要侵襲年輕人的一種進(jìn)展性疾病,目前病因仍不清楚。對(duì)股骨頭內(nèi)壓力的降低,股骨頭血供的增強(qiáng)以及對(duì)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(xì)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(duì)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(jìn)細(xì)胞增殖,提高成骨細(xì)胞的造骨能力[18]。臨床實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)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(chǔ)研究,美國(guó)食品藥品管理局監(jiān)管的器械許可研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展前瞻性臨床研究,2000年6月開(kāi)始評(píng)價(jià)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(guó)境內(nèi)進(jìn)行臨床試驗(yàn),后在歐洲及其它地區(qū)應(yīng)用,并于2008年進(jìn)入中國(guó)大陸臨床使用。
國(guó)內(nèi)外眾多專家對(duì)鉭棒治療早期股骨頭壞死進(jìn)行了大量的臨床研究。Taso等[13]最早開(kāi)展鉭棒支撐的臨床研究(2000年6月開(kāi)始在全美境內(nèi)進(jìn)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(shù)進(jìn)行治療的98 例股骨頭缺血壞死患者的113 例髖,其術(shù)后4年股骨頭有高達(dá)72.5%的存活率,沒(méi)有任何病例的骨密度在影像學(xué)分析中顯示異常,也沒(méi)有任何假體松動(dòng)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(duì)Steinberg分期Ⅰ~Ⅲ期的52 例患者共58側(cè)髖進(jìn)行了髓芯減壓加多孔鉭條植入手術(shù),術(shù)后隨訪48個(gè)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(shù)中出血量和手術(shù)時(shí)間都明顯少于骨瓣移植組。兩組術(shù)前Harris評(píng)分無(wú)明顯差異,術(shù)后Harris評(píng)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(shù)對(duì)早期成人股骨頭壞死髖關(guān)節(jié)功能改善明顯優(yōu)于髓心減壓植骨術(shù)。羅華云等[25]對(duì)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(shù)簡(jiǎn)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(xué)等[26]從2008年6月至2010年10月,采用鉭棒植入術(shù)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(duì)于股骨頭早期壞死的治療,鉭棒植入術(shù)是一種行之有效的方法。
2.2.5 鉭金屬在關(guān)節(jié)外科的應(yīng)用 多孔鉭在關(guān)節(jié)材料的使用上也具有明顯的的優(yōu)點(diǎn),因鉭金屬具有一定的彈性,所以當(dāng)與皮質(zhì)骨相互作用時(shí),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(duì)較高[27]。有研究者就鉭金屬對(duì)于關(guān)節(jié)的作用進(jìn)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(shù)后6周左右髕腱的強(qiáng)度大致恢復(fù)到了術(shù)前水平。Mrosek等[29]利用鉭和骨膜植入,修復(fù)兔的脛骨外髁軟骨下骨缺損的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),鉭有著明顯的作用。因多孔鉭在動(dòng)物關(guān)節(jié)試驗(yàn)中效果明顯,于是美國(guó)食品藥品管理局于1997年批準(zhǔn)了多孔鉭用于制造人工髖臼假體。由于有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的成功以及人工髖臼假體的批準(zhǔn)生產(chǎn),髖臼假體的臨床試驗(yàn)隨即進(jìn)行開(kāi)來(lái),Gruen等[30]觀察隨訪了574個(gè)多孔鉭髖臼假體,進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)24~58個(gè)月的隨訪,結(jié)果示:術(shù)后早期有部分假體和骨性髖臼間有間歇,但隨著時(shí)間的延長(zhǎng),這種間歇在X線片上消失,表明有骨已長(zhǎng)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(shù)后髖關(guān)節(jié)的Harris評(píng)分有明顯提高。Florio等[32]隨訪了將多孔鉭一體化脛骨平臺(tái)應(yīng)用于初次全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的患者,術(shù)后2年的隨訪中,假體-骨界面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的進(jìn)展性的X線透亮線。Nasser等[33]對(duì)利用多孔鉭髕骨假體行全膝關(guān)節(jié)置換術(shù),隨訪報(bào)告說(shuō)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(duì)10 例全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后存在關(guān)節(jié)不穩(wěn)的進(jìn)行了關(guān)節(jié)翻修手術(shù),術(shù)后隨訪,所有患者X線片均未見(jiàn)明顯的假體松動(dòng)、移位現(xiàn)象。Sporer等[35,36]學(xué)者也利用多孔鉭制成的全髖假體行全髖關(guān)節(jié)翻修手術(shù),療效顯著。雖然多孔鉭全關(guān)節(jié)置換的術(shù)后短期療效滿意,但是長(zhǎng)期臨床效果還有待進(jìn)一步研究[37]。
2.2.6 鉭金屬在脊柱外科的應(yīng)用 多孔鉭可作為填充材料作用于人體的各個(gè)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(xué)特性,以及長(zhǎng)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(kāi)展了動(dòng)物實(shí)驗(yàn),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(shù)后為期6個(gè)月的隨訪顯示:聯(lián)合應(yīng)用多孔鉭制成的椎間融合器的實(shí)驗(yàn)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(jìn)行了20 例頸椎融合手術(shù),術(shù)后隨訪12個(gè)月,20 例患者的椎間融合達(dá)到了預(yù)期效果。Schoettle等[41]利用多孔鉭制成的椎間融合器進(jìn)行了50 例患者共61個(gè)節(jié)段頸椎行椎間融合手術(shù),術(shù)后進(jìn)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(dú)特的性能可用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,但由于其金屬毒性的釋放而不能將其優(yōu)點(diǎn)用于臨床。現(xiàn)在,我們可以將耐腐蝕性強(qiáng)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(dú)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(shí)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(shù)中用到的碳籠,一旦將鉭涂覆其表面,這樣碳籠不僅在強(qiáng)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(shù)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。
雖然鉭金屬及其合金材料在材料、制造和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中越來(lái)越受到人們重視,尤其在醫(yī)學(xué)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的骨科領(lǐng)域更是備受關(guān)注,并取得了不錯(cuò)的短期臨床療效,但是鉭金屬的生物相容性和無(wú)細(xì)胞毒性等獨(dú)特性能還需要更多的實(shí)驗(yàn)和長(zhǎng)期臨床療效來(lái)證實(shí),相信通過(guò)不斷的研究,鉭金屬及其合金材料必將在各領(lǐng)域尤其是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。
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