?難熔金屬鈮在醫(yī)療行業(yè)中的應(yīng)用

難熔金屬鈮在醫(yī)療行業(yè)中的應(yīng)用

鈮（Nb）是一種難熔金屬，其熔點(diǎn)約為 2500℃，晶體結(jié)構(gòu)為體心立方，純鈮的密度約為 8.5g/cm3。1844 年，德國(guó)化學(xué)家 Heinrich Rose 證明了鈳鐵礦中實(shí)際包含了兩種元素，一種是鉭（Ta）元素，另一種便是鈮(Nb)元素。鈮是一種帶光澤的灰色金屬，在室溫下長(zhǎng)期存放后變?yōu)樗{(lán)色，在低溫下會(huì)呈現(xiàn)超導(dǎo)體性質(zhì)。鈮和鉭的化學(xué)性質(zhì)很相似，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性能，但其密度相比于其他難熔金屬更低。鈮對(duì)很多腐蝕介質(zhì)在冷態(tài)或稍熱的條件下不起反應(yīng)，金屬鈮在空氣中只在高于 200℃時(shí)才會(huì)明顯氧化。鈮和 Cl、H、N、分別在 200℃、250℃、400℃時(shí)才發(fā)生反應(yīng)。鈮由于具有優(yōu)良的理化性能和生物相容性，因此在醫(yī)療行業(yè)的不同細(xì)分領(lǐng)域中起到著重要影響作用。

圖片1.png

金屬鈮

金屬鈮的生物特性

鈮可提高種植體耐腐蝕性和生物相容性。早在 1991 年，就有學(xué)者對(duì)植入兔骨的純鈦種植體和純鈮種植體做了相關(guān)研究和分析，結(jié)果顯示純鈮種植體的開(kāi)啟扭矩顯著高于純鈦種植體，并推測(cè)可能是由于純鈮種植體相對(duì)于純鈦種植體更加不規(guī)則的表面形態(tài)造成的。然而，更多研究還是傾向于通過(guò)在鈦合金中引入鈮元素，降低鈦合金中有毒金屬(如鎳、釩)離子的析出以改善鈦合金生物相容性，以及降低鈦合金的彈性模量并提高種植體的機(jī)械強(qiáng)度。Sakai 等檢測(cè)了 15 種常用生物材料元素對(duì)成骨細(xì)胞樣細(xì)胞生物活性的影響，結(jié)果顯示，無(wú)論是微粒形式還是離子形式，釩和鎳的細(xì)胞毒性都遠(yuǎn)高于鈮。而在 2020 年，俄羅斯托木斯克理工大學(xué)研發(fā)出一種物理特性與骨組織最為接近的鈦鈮合金，有助于制造高質(zhì)量的移植體，以有效地修復(fù)損傷骨骼。研究人員發(fā)現(xiàn)鈮含量從 5%到 50%的軟性鈮鈦合金后發(fā)現(xiàn)，鈮含量為 25%的鈦合金的細(xì)胞活性最高。該中心經(jīng)理羅曼·蘇爾蔑涅夫稱，隨著鈮含量的增加，鈦合金表面氧化物納米管形成加速。通過(guò)電化學(xué)陽(yáng)極氧化生長(zhǎng)的納米管，由于其具有空心結(jié)構(gòu)，可在手術(shù)前將其加載到植入物表面來(lái)完成局部藥物遞送，例如抗生素或生長(zhǎng)因子。通過(guò)改變鈮含量和電化學(xué)陽(yáng)極氧化的參數(shù)，可以控制納米管的幾何參數(shù)、物理和機(jī)械性能，創(chuàng)建具有特定特征的植入物，最大限度地滿足臨床目標(biāo)的要求。

圖片2.png

純鈦種植體

而在外科缺損修復(fù)方面，修補(bǔ)材料和支架材料需要良好的延展性，比強(qiáng)度，耐磨性，耐腐蝕性等。由于長(zhǎng)期植入人體，因此金屬材料的生物相容性和細(xì)胞毒性等生物學(xué)指標(biāo)也受到科研人員的廣泛關(guān)注。降低金屬材料的彈性模量，使之盡可能的接近骨組織，以減少應(yīng)力遮擋效應(yīng)，是近期研究者們努力地方向之一。據(jù)相關(guān)研究顯示，鈦合金中加入無(wú)毒性金屬元素鈮，能夠有效降低合金的彈性模量，并提高耐腐蝕性。

鈮在多孔植入物中的應(yīng)用

多孔醫(yī)用金屬植入材料具有治療骨組織創(chuàng)傷和股骨組織壞死等重要而特殊的用途。作為骨組織創(chuàng)傷和股骨組織壞死治療使用的多孔植入材料，其孔隙度應(yīng)達(dá)30～80%，而且孔隙最好全部連通與均勻分布，或根據(jù)需要孔隙部分連通與均勻分布，使之既與人體的骨組織生長(zhǎng)相一致，又減輕了材料本身的重量，以適合人體植入使用。目前這類材料多是使用不銹鋼，鈦合金，鉭等金屬。而難熔金屬鈮，由于它具有優(yōu)秀的生物兼容性和力學(xué)性能，其多孔材料有望作為替代前述等傳統(tǒng)醫(yī)用金屬生物材料，成為主要作為骨組織壞死治療的生物材料。由于金屬鈮對(duì)人體的無(wú)害、無(wú)毒、無(wú)副作用，如果能均勻分布連通孔隙以及與人體相適應(yīng)的物理機(jī)械性能，則是保證新生骨組織正常生長(zhǎng)的重要連接件構(gòu)成材料。目前使用純鈮作為多孔植入物的研究還很少，而將鈮與鈦結(jié)合做的復(fù)合材料多孔植入物，已經(jīng)有不少的研究。徐健等人采用粉末冶金法制備不同孔隙率的 Ti-25Nb 合金。然后根據(jù)幾個(gè)特性對(duì)合金進(jìn)行評(píng)估，例如機(jī)械性能、純度、孔徑和孔隙率。為了評(píng)估生物相容性，對(duì)標(biāo)本進(jìn)行甲基噻唑四唑 (MTT) 比色測(cè)定、使用吖啶染色的細(xì)胞粘附和增殖測(cè)定、掃描電子顯微鏡和炎癥因子白細(xì)胞介素 6 (IL-6) 的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，具有連通孔的多孔 Ti-25Nb 合金的孔徑為 200～500μm，有利于骨向內(nèi)生長(zhǎng)。該合金的抗壓強(qiáng)度與皮質(zhì)骨相似，而彈性模量更接近松質(zhì)骨。MTT 測(cè)定表明，該合金對(duì)兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞無(wú)不良反應(yīng)，毒性為 0～1 級(jí)。細(xì)胞粘附和增殖實(shí)驗(yàn)表明，合金表面和孔內(nèi)有良好的細(xì)胞生長(zhǎng)。根據(jù) IL-6 水平，該合金沒(méi)有引起任何明顯的炎癥反應(yīng)。滿足了臨床骨科植入物的基本要求，使該合金具有良好的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景。具有 70% 孔隙率的合金具有最佳的機(jī)械性能，以及合適的孔徑和孔隙率，允許更多的骨向內(nèi)生長(zhǎng)。

圖片3.png

根據(jù)兔股髓腔設(shè)計(jì)的孔隙率為 70%的多孔 Ti-25Nb 合金試樣

圖片4.png

Ti-25Nb 合金的孔徑和孔隙率

圖片5.png

細(xì)長(zhǎng)/棘狀形狀的兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞附著在合金間隙表面

增材制造技術(shù)加工多孔植入物

粉末冶金法作為一種傳統(tǒng)的加工方式，在制備多孔金屬的過(guò)程中具有成本低，工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，但燒結(jié)時(shí)間短，難以控制凝固速度和氣孔形成的大小，因此難以制備出具有均勻的氣孔尺寸和孔隙率的多孔結(jié)構(gòu)且難以獲得形狀復(fù)雜的多孔金屬零件。近年來(lái)，隨著增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展，多孔醫(yī)用金屬植入物有了更多的新嘗試。比起傳統(tǒng)粉末冶金加工方式，增材制造對(duì)于具有多孔的形狀、中空結(jié)構(gòu)復(fù)雜產(chǎn)品制造的精確性；可降低生產(chǎn)成本（無(wú)模制造）并加快高價(jià)值組件的上市時(shí)間；增材制造過(guò)程，極大的減少了材料浪費(fèi)，污染??；柔性制造，個(gè)性化定制程度高。目前用于增材制造多孔植入物的金屬主要是鈦合金，鈷鉻合金，和金屬鉭。其中鈦合金作為一種比較成熟的材料主要用于制造髖臼杯，多孔支架等植入產(chǎn)品。而鉭金屬則可用于制造仿生骨小梁多孔支架。據(jù)新聞報(bào)道，2021 年西京醫(yī)院骨科在國(guó)際上首次將鉭金屬 3D 打印的長(zhǎng)節(jié)段人工椎體，運(yùn)用于脊柱惡性腫瘤整塊切除后的缺損重建。

圖片6.png

鉭金屬 3D 打印長(zhǎng)節(jié)段人工椎體

圖片7.png

增材制造鈦合金多孔植入物

雖然目前使用金屬鈮或鈦鈮合金進(jìn)行多孔植入物 3D 打印的研究還比較少見(jiàn)，但隨著增材制造技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展，制造過(guò)程中機(jī)理的深入研究，以及金屬鈮成本的不斷下降等因素，增材制造鈮金屬多孔植入物方面的應(yīng)用也會(huì)逐漸發(fā)展起來(lái)，鈮優(yōu)秀的力學(xué)性能和細(xì)胞活性能夠得到充分的發(fā)揮。

鈮由于其優(yōu)良的生物相容性和耐腐蝕性在多個(gè)醫(yī)學(xué)細(xì)分領(lǐng)域均有應(yīng)用，作為純鈦的補(bǔ)充或鈦合金中有毒元素的替代品，以提高生物材料的機(jī)械性能、化學(xué)性能，改善生物相容性。作為一種新型的多孔醫(yī)用金屬植入材料，具有很強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用價(jià)值。

圖片8.png