钽基金属生物材料在种植牙中的研究进展_张桂兰
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多孔钽涂层具有开放性十二面体重复结构，而 成骨细胞前体的聚集、成骨细胞的增值和分化、基 质的分泌关键就在于该涂层的开放性结构，因此多 孔钽涂层能够促进肉芽组织快速长入和血管生长因 子的产生从而有助于内皮新生血管的形成[27]。因为 新生成的健康肉芽组织能促进最初骨的形成，所以 多孔钽涂层的骨移植物能抵抗早期和即刻载荷。 Papi P 等[28, 29]也认为多孔钽涂层结构可以促进即刻 种植体的早期稳定性。
·302·
CHINESE JOURNAL OF GERIATRIC DENTISTRY SEPTEMBER 2015 VOL．13 NO．5
中华老年口腔医学杂志 2015 年 9 月第 13 卷第 5 期
纯钛种植体相似；同时钽 - 钛 - 铌 - 钽合金还具 有抗腐蚀性和良好的生物相容性，因此可用于种植 牙材料[24- 26]。
2. 以钽为基础的金属生物材料在种植牙中的实验 研究
随着多孔钽材料作为小梁金属在临床矫形外科 的广泛应用，以钽为基础的种植牙优势也逐渐凸显 出来，钽金属生物材料良好的生物相容性、独特机 械学特性为其在种植牙中的发展提供了广阔空间。
2. 1 多孔钽种植体 钽金属颗粒(直径范围为 10- 25μm)通过选择性激光熔融技术[20](SLM)制备成 多孔钽微体系结构，该结构的单元格为十二面体， 孔隙率为 80%，平均支架径为 150μm，平均孔径 为 500μm。在动物模型中根据不同需要通过 SLM 法可以制备出不同直径和高度的多孔钽支架。例如 在大鼠股骨缺损的动物模型中，制备的多孔钽支架 的直径为 4mm，高为 6mm，包括和股骨的骨髓腔 一致的中央通道；为了多孔钽静态和动态的机械测
综上所述，多孔钽涂层种植体具有形成骨结合 和骨长入的孔隙结构、良好的生物相容性及良好的 机械性能，因此优于其它种植牙材料，提高在临床 实验中的成功率。
3. 以多孔钽为基础的生物金属材料在种植牙中的 临床应用及可能出现的问题
3. 1 以多孔钽为基础的生物金属材料在种植 牙中的临床应用 钛及钛合金种植体因其较高的成 功率而得到广泛应用，但对于临床中一些特殊的病 例，此种种植体有一定的局限性，而以多孔钽为基 础的种植牙就表现出独特优势。对于组织愈合较差 的病例，例如患有糖尿病、骨质疏松症、放射线骨 坏死的患者和长时间吸烟的患者通过以多孔钽为基 础种植牙来提高组织愈合率。其次，当剩余骨组织 不足时，同时又需要骨移植或有新生的骨组织，在 骨科病例中多孔钽对其有较好的愈合效果。在口腔 疾病中，同期骨移植区域伴有垂直或水平的骨量增 加、凹陷处骨量增加的病例和新植入的静脉窦的病 例时，多孔钽均能起到一定的治愈效果。再次，对 于Ⅲ型或Ⅳ型骨质患者，以多孔钽为基础的种植牙 是较好的选择。患有Ⅲ型或Ⅳ型骨质的病人因全身 的并发症而造成严重的伤口不愈，通过多孔钽扩大 表面面积可能会促进更快更稳定的骨结合[31]。在种 植牙病例中，由于患者的需求，需要即刻种植体的 早期负荷或永久性的植入物早期植入，这就要求缩 短愈合时间，因此以多孔钽为基础的种植牙为患者 和临床医生提供了另一种可能的选择。
2. 3 钽涂层种植体 多孔钽涂层种植体主要 指钛及钛合金种植体。近年来，通过激光焊接技术 可以在钛及钛合金种植体的表面制备出多孔钽涂层 结构。该涂层结构由 2％的玻璃碳支架和 98％的钽 通过 CVI/ CVD 法制备而成 。钛及钛合金种植体 通过研磨法制备而成，表面呈螺旋状，种植体颈部 及根尖部表面经过羟基磷灰石或羟基磷灰石样颗粒 喷砂钢处理。多孔钽涂层位于钛及钛种植体中间 部分，通过激光焊接技术与颈部、根尖部相接[10]。
CHINESE JOURNAL OF GERIATRIC DENTISTRY SEPTEMBER 2015 VOL．13 NO．5
中华老年口腔医学杂志 2015 年 9 月第 13 卷第 5 期
钽基金属生物材料在种植牙中的研究进展 *
·综述·
张桂兰 刘洪臣
【摘要】 以钽为基础的金属生物材料是一种新型的骨植入物材料，但目前这种材料在种植牙中的应用并不常 见。近年来，钽因耐腐蚀性强和良好的生物相容性等特性被引入了种植牙中并进行了一些初步研究。本文将对钽 及多孔钽的生物学特性，以及钽基金属生物材料(多孔钽、钽合金和钽涂层)种植牙的生物学特性和现阶段的实验 及临床研究进展作一综述。
1. 钽及多孔钽 1802 年，瑞典化学 家 Ekebereg 首次发现 了
钽[4]，其原子量为 73，是一种稀有的、坚硬的、蓝 灰色并且有光泽度的高熔点金属(熔点为 3017℃)， 同时还具有极强的耐腐蚀性等特性[5- 7]。多孔钽又 称 骨 小 梁 样 金 属 (Porous Tantalum Trabecular Metal，PTTM)在 1990 年被发现[8]，是一种开放孔 隙的生物材料，具有三维十二面体结构，其制备方 法较多，例如化学气相渗透和沉积法(CVI/ CVD) 和粉末冶金法(PM)等[9- 11]。
关键词：钽；多孔钽；涂层；种植牙
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
[中国图书分类号] R783. 1
[文献标识码] A
[文章编号] 1672- 2973(2015)05- 0301- 05
近年来，随着种植牙技术的发展，种植牙成为 牙列缺失和缺损的主要修复方法之一[1- 3]。与其它 传统修复方法如：全口义齿、局部可摘义齿、固定 义齿相比，种植牙在美观、舒适度、保护天然牙和 骨组织等方面有一定的优势。近年来，钽因耐腐蚀 性强和生物相容性好等特性而作为一种金属材料被 引入到种植牙中，本文主要目的就是阐述以钽为基 础的种植牙的生物学特性、制备及其实验研究与临 床应用。
与钛及钛合金种植体相比，多孔钽具有耐腐蚀 性强、孔隙率高、弹性模量低、剪切力和摩擦系数 高等特点。到目前为止，钽及多孔钽对成骨细胞或
间 充 质 干 细 胞 无 细 胞 毒 性 [12, 13]。 最 为 重 要 的 是 ： PTTM 因具有多孔结构及高的孔隙率有利于骨长 入。综上所述，钽及多孔钽作为生物金属材料在临 床中有广泛的应用前景[14]，可用于棒、丝、人工关 节、脊柱融合器、种植牙等 [15- 17, 19]。但是钽及多孔 钽因价格昂贵，目前在种植牙中多以合金或涂层的 形式存在 ，在临床应用中受到一定的限制。
研究发现[7, 20]多孔钽表现出的机械性能如：屈 服强度 12. 7MPa、弹性模量 1. 22GPa 和良好的延 展性均在松质骨范围之内，而且疲劳极限为 7. 35MPa，并有相对较高的抗循环载荷。通过体外 细胞毒性试验证明 SLM 法制备的多孔纯钽材料具 有良好的生物相容性，并且在大鼠体内的节段性骨 缺损模型中，此种多孔材料表现出良好的骨传导性 和生物机械性能。12 周后对此种材料的多孔结构 进行组织学分析有大量的骨长入，而且在个别病例 中，骨缺损的部位完全被新生骨填充。通过扭转实 验证明多孔纯钽 - 骨界面有较强的连接性和较高 的骨修复能力。由以上介绍可以推断通过 SLM 法 制备的多孔纯钽生物材料有可能成为种植牙材料， 但这还需要进一步的临床实验研究来验证。
2. 2. 4 钽 - 钛 - 铌 - 锆合金种植体 钽 钛 - 锆 - 铌合金种植体[24]的表面易形成稳定的氧 化 层 ， 此 氧 化 层 由 氧 化 钛 (T iO2)、 氧 化 锆 (Zr O2)、 氧 化 铌 (Nb2O5) 和 氧 化 钽 (Ta2O5) 构 成 。 Sepideh Minagar 等[24, 25]研究发现，此氧化层可通过阳极氧 化法制备而成并具有多孔纳米管结构。可通过扫描 电镜 - 能谱仪，X 射线衍射(XRD)分析和三维表 面光度仪来分析多孔纳米管结构的纳米级分布、形 态和物理化学性质、表面性能及其生物活性。研究 发现氧化钽表现为不规律的多孔结构，与多孔纯钽 相比有较高的摩擦性能和表面性能；氧化铌表现出 规律的多孔结构和低的摩擦性能，但是退火之前就 无生物活性；四种金属氧化物在退火之后均表现出 活跃的生物活性。
2. 2 多孔钽合金种植体 钽因价格昂贵在临 床应用受到一定的限制，因此钽合金在临床中有着 广泛的应用前景。目前，多孔钽合金种植体主要包 括钽钛合金种植体、钽钛锡合金种植体、钽钛锆合 金种植体、钽 - 钛 - 铌 - 锆合金种植体。
2. 2. 1 钽钛合金种植体 对于钽钛合金种植 体(10%- 30%的钽含量)其降解行为被进行了重点研 究并且和传统种植材料(商品纯钽、钛铝钒合金)进 行了比较[21]。在含 10%、20%和 30%钽的钽钛合金 中 ， 含 20%钽 的 合 金 的 降 解 速 率 最 低 (6. 3 × 10- 4mm/ y)， 其 次 是 含 30% 钽 的 合 金 （1. 2 × 10- 3mm/ y)，降解速率最高的是含 10%钽的合金 (1. 4×10- 3mm/ y)。而且这三种钽钛合金的降解速 率均低于纯钛的(1. 8×10- 3mm/ y)，这说明对于钽 钛合金，钛降解速率减慢了。与钛铝钒合金相比， 含 20%钽的钽钛合金的降解速率低了 - 22%，但是 含 30%钽的钽钛合金的(弹性模量与自然骨最接近) 降解速率高了 - 48%。为了降低含 30%钽的钽钛合 金的降解速率，合金表面通过电化学沉积法被镀上 钙磷涂层，这种涂层的钽钛合金的降解速率(3. 8× 10- 3mm/ y)比钛铝钒合金的低 - 53%。因此含 30% 钽钙磷涂层的钽钛合金是一种稳定的承重种植牙材 料[21]。
与钛相比，多孔钽涂层不仅无细胞毒性，还可 促进局部细胞的生长(例如成骨细胞长入周围骨组 织中)和促进间充质干细胞的分化，证明钽能增强 成骨细胞分化[30]。钛及钛合金种植体表面的多孔钽 涂层结构通过增加骨与种植体的接触面(以三维的 方式促进血管再生和模拟松质骨结构)也可以促进 骨结合[28]。多孔钽涂层钛及钛合金种植体不但能促 进骨结合还能促进骨长入，骨长入的一个重要原因 是多孔钽涂层结构(类似骨小梁结构)和周围的松质 骨极其相似，孔径和周围骨组织匹配。除了具备骨 小梁样的多孔结构这一优势外，多孔钽的弹性模量 也与天然骨相似，这意味着多孔钽涂层能避免人工 关节对关节软骨表面形成局部应力及骨吸收的发 生，因应力通过多孔结构均匀的分布到周围骨组织 中。
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中华老年口腔医学杂志 2015 年 9 月第 13 卷第 5 期
纯钛种植体相似；同时钽 - 钛 - 铌 - 钽合金还具 有抗腐蚀性和良好的生物相容性，因此可用于种植 牙材料[24- 26]。
2. 以钽为基础的金属生物材料在种植牙中的实验 研究
随着多孔钽材料作为小梁金属在临床矫形外科 的广泛应用，以钽为基础的种植牙优势也逐渐凸显 出来，钽金属生物材料良好的生物相容性、独特机 械学特性为其在种植牙中的发展提供了广阔空间。
2. 1 多孔钽种植体 钽金属颗粒(直径范围为 10- 25μm)通过选择性激光熔融技术[20](SLM)制备成 多孔钽微体系结构，该结构的单元格为十二面体， 孔隙率为 80%，平均支架径为 150μm，平均孔径 为 500μm。在动物模型中根据不同需要通过 SLM 法可以制备出不同直径和高度的多孔钽支架。例如 在大鼠股骨缺损的动物模型中，制备的多孔钽支架 的直径为 4mm，高为 6mm，包括和股骨的骨髓腔 一致的中央通道；为了多孔钽静态和动态的机械测
综上所述，多孔钽涂层种植体具有形成骨结合 和骨长入的孔隙结构、良好的生物相容性及良好的 机械性能，因此优于其它种植牙材料，提高在临床 实验中的成功率。
3. 以多孔钽为基础的生物金属材料在种植牙中的 临床应用及可能出现的问题
3. 1 以多孔钽为基础的生物金属材料在种植 牙中的临床应用 钛及钛合金种植体因其较高的成 功率而得到广泛应用，但对于临床中一些特殊的病 例，此种种植体有一定的局限性，而以多孔钽为基 础的种植牙就表现出独特优势。对于组织愈合较差 的病例，例如患有糖尿病、骨质疏松症、放射线骨 坏死的患者和长时间吸烟的患者通过以多孔钽为基 础种植牙来提高组织愈合率。其次，当剩余骨组织 不足时，同时又需要骨移植或有新生的骨组织，在 骨科病例中多孔钽对其有较好的愈合效果。在口腔 疾病中，同期骨移植区域伴有垂直或水平的骨量增 加、凹陷处骨量增加的病例和新植入的静脉窦的病 例时，多孔钽均能起到一定的治愈效果。再次，对 于Ⅲ型或Ⅳ型骨质患者，以多孔钽为基础的种植牙 是较好的选择。患有Ⅲ型或Ⅳ型骨质的病人因全身 的并发症而造成严重的伤口不愈，通过多孔钽扩大 表面面积可能会促进更快更稳定的骨结合[31]。在种 植牙病例中，由于患者的需求，需要即刻种植体的 早期负荷或永久性的植入物早期植入，这就要求缩 短愈合时间，因此以多孔钽为基础的种植牙为患者 和临床医生提供了另一种可能的选择。
2. 3 钽涂层种植体 多孔钽涂层种植体主要 指钛及钛合金种植体。近年来，通过激光焊接技术 可以在钛及钛合金种植体的表面制备出多孔钽涂层 结构。该涂层结构由 2％的玻璃碳支架和 98％的钽 通过 CVI/ CVD 法制备而成 。钛及钛合金种植体 通过研磨法制备而成，表面呈螺旋状，种植体颈部 及根尖部表面经过羟基磷灰石或羟基磷灰石样颗粒 喷砂钢处理。多孔钽涂层位于钛及钛种植体中间 部分，通过激光焊接技术与颈部、根尖部相接[10]。
CHINESE JOURNAL OF GERIATRIC DENTISTRY SEPTEMBER 2015 VOL．13 NO．5
中华老年口腔医学杂志 2015 年 9 月第 13 卷第 5 期
钽基金属生物材料在种植牙中的研究进展 *
·综述·
张桂兰 刘洪臣
【摘要】 以钽为基础的金属生物材料是一种新型的骨植入物材料，但目前这种材料在种植牙中的应用并不常 见。近年来，钽因耐腐蚀性强和良好的生物相容性等特性被引入了种植牙中并进行了一些初步研究。本文将对钽 及多孔钽的生物学特性，以及钽基金属生物材料(多孔钽、钽合金和钽涂层)种植牙的生物学特性和现阶段的实验 及临床研究进展作一综述。
1. 钽及多孔钽 1802 年，瑞典化学 家 Ekebereg 首次发现 了
钽[4]，其原子量为 73，是一种稀有的、坚硬的、蓝 灰色并且有光泽度的高熔点金属(熔点为 3017℃)， 同时还具有极强的耐腐蚀性等特性[5- 7]。多孔钽又 称 骨 小 梁 样 金 属 (Porous Tantalum Trabecular Metal，PTTM)在 1990 年被发现[8]，是一种开放孔 隙的生物材料，具有三维十二面体结构，其制备方 法较多，例如化学气相渗透和沉积法(CVI/ CVD) 和粉末冶金法(PM)等[9- 11]。
关键词：钽；多孔钽；涂层；种植牙
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
[中国图书分类号] R783. 1
[文献标识码] A
[文章编号] 1672- 2973(2015)05- 0301- 05
近年来，随着种植牙技术的发展，种植牙成为 牙列缺失和缺损的主要修复方法之一[1- 3]。与其它 传统修复方法如：全口义齿、局部可摘义齿、固定 义齿相比，种植牙在美观、舒适度、保护天然牙和 骨组织等方面有一定的优势。近年来，钽因耐腐蚀 性强和生物相容性好等特性而作为一种金属材料被 引入到种植牙中，本文主要目的就是阐述以钽为基 础的种植牙的生物学特性、制备及其实验研究与临 床应用。
与钛及钛合金种植体相比，多孔钽具有耐腐蚀 性强、孔隙率高、弹性模量低、剪切力和摩擦系数 高等特点。到目前为止，钽及多孔钽对成骨细胞或
间 充 质 干 细 胞 无 细 胞 毒 性 [12, 13]。 最 为 重 要 的 是 ： PTTM 因具有多孔结构及高的孔隙率有利于骨长 入。综上所述，钽及多孔钽作为生物金属材料在临 床中有广泛的应用前景[14]，可用于棒、丝、人工关 节、脊柱融合器、种植牙等 [15- 17, 19]。但是钽及多孔 钽因价格昂贵，目前在种植牙中多以合金或涂层的 形式存在 ，在临床应用中受到一定的限制。
研究发现[7, 20]多孔钽表现出的机械性能如：屈 服强度 12. 7MPa、弹性模量 1. 22GPa 和良好的延 展性均在松质骨范围之内，而且疲劳极限为 7. 35MPa，并有相对较高的抗循环载荷。通过体外 细胞毒性试验证明 SLM 法制备的多孔纯钽材料具 有良好的生物相容性，并且在大鼠体内的节段性骨 缺损模型中，此种多孔材料表现出良好的骨传导性 和生物机械性能。12 周后对此种材料的多孔结构 进行组织学分析有大量的骨长入，而且在个别病例 中，骨缺损的部位完全被新生骨填充。通过扭转实 验证明多孔纯钽 - 骨界面有较强的连接性和较高 的骨修复能力。由以上介绍可以推断通过 SLM 法 制备的多孔纯钽生物材料有可能成为种植牙材料， 但这还需要进一步的临床实验研究来验证。
2. 2. 4 钽 - 钛 - 铌 - 锆合金种植体 钽 钛 - 锆 - 铌合金种植体[24]的表面易形成稳定的氧 化 层 ， 此 氧 化 层 由 氧 化 钛 (T iO2)、 氧 化 锆 (Zr O2)、 氧 化 铌 (Nb2O5) 和 氧 化 钽 (Ta2O5) 构 成 。 Sepideh Minagar 等[24, 25]研究发现，此氧化层可通过阳极氧 化法制备而成并具有多孔纳米管结构。可通过扫描 电镜 - 能谱仪，X 射线衍射(XRD)分析和三维表 面光度仪来分析多孔纳米管结构的纳米级分布、形 态和物理化学性质、表面性能及其生物活性。研究 发现氧化钽表现为不规律的多孔结构，与多孔纯钽 相比有较高的摩擦性能和表面性能；氧化铌表现出 规律的多孔结构和低的摩擦性能，但是退火之前就 无生物活性；四种金属氧化物在退火之后均表现出 活跃的生物活性。
2. 2 多孔钽合金种植体 钽因价格昂贵在临 床应用受到一定的限制，因此钽合金在临床中有着 广泛的应用前景。目前，多孔钽合金种植体主要包 括钽钛合金种植体、钽钛锡合金种植体、钽钛锆合 金种植体、钽 - 钛 - 铌 - 锆合金种植体。
2. 2. 1 钽钛合金种植体 对于钽钛合金种植 体(10%- 30%的钽含量)其降解行为被进行了重点研 究并且和传统种植材料(商品纯钽、钛铝钒合金)进 行了比较[21]。在含 10%、20%和 30%钽的钽钛合金 中 ， 含 20%钽 的 合 金 的 降 解 速 率 最 低 (6. 3 × 10- 4mm/ y)， 其 次 是 含 30% 钽 的 合 金 （1. 2 × 10- 3mm/ y)，降解速率最高的是含 10%钽的合金 (1. 4×10- 3mm/ y)。而且这三种钽钛合金的降解速 率均低于纯钛的(1. 8×10- 3mm/ y)，这说明对于钽 钛合金，钛降解速率减慢了。与钛铝钒合金相比， 含 20%钽的钽钛合金的降解速率低了 - 22%，但是 含 30%钽的钽钛合金的(弹性模量与自然骨最接近) 降解速率高了 - 48%。为了降低含 30%钽的钽钛合 金的降解速率，合金表面通过电化学沉积法被镀上 钙磷涂层，这种涂层的钽钛合金的降解速率(3. 8× 10- 3mm/ y)比钛铝钒合金的低 - 53%。因此含 30% 钽钙磷涂层的钽钛合金是一种稳定的承重种植牙材 料[21]。
与钛相比，多孔钽涂层不仅无细胞毒性，还可 促进局部细胞的生长(例如成骨细胞长入周围骨组 织中)和促进间充质干细胞的分化，证明钽能增强 成骨细胞分化[30]。钛及钛合金种植体表面的多孔钽 涂层结构通过增加骨与种植体的接触面(以三维的 方式促进血管再生和模拟松质骨结构)也可以促进 骨结合[28]。多孔钽涂层钛及钛合金种植体不但能促 进骨结合还能促进骨长入，骨长入的一个重要原因 是多孔钽涂层结构(类似骨小梁结构)和周围的松质 骨极其相似，孔径和周围骨组织匹配。除了具备骨 小梁样的多孔结构这一优势外，多孔钽的弹性模量 也与天然骨相似，这意味着多孔钽涂层能避免人工 关节对关节软骨表面形成局部应力及骨吸收的发 生，因应力通过多孔结构均匀的分布到周围骨组织 中。
