3D打印鉭金屬醫(yī)用研究進(jìn)程與三大類臨床應(yīng)用

作者：楊振宇,，朱江奇等
來(lái)源：金屬世界Metal World

鉭是一種稀有金屬,，具有良好的高溫力學(xué)性能、抗腐蝕性能和生物相容性,，在航空航天,、電子和醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。近日《金屬世界》期刊發(fā)表的《 3D打印鉭醫(yī)用金屬材料》一文介紹了鉭的基本性能,、鉭礦的分布,、冶煉流程以及鉭在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用,，重點(diǎn)介紹了3D打印制備醫(yī)用鉭的優(yōu)勢(shì)及醫(yī)用鉭在生物醫(yī)用方面的研究進(jìn)程與臨床應(yīng)用。本期谷.專欄將簡(jiǎn)要分享該文內(nèi)容,。

論文鏈接：http://metalworld.ustb.edu.cn/cn ... 0-6826.2023.10.0885

鉭金屬
瑞典化學(xué)家A. G. Ekaberg于1802年在一種鉭鈮礦中通過(guò)化學(xué)反應(yīng)發(fā)現(xiàn)了一種金屬元素,，并參考西方神宙斯兒子的名字（Tantalus）命名該元素為Tantalum（鉭）。鉭是元素周期表第73號(hào)元素,，位列第六周期第五副族,，位于鈮元素的下一周期。由于鉭和鈮的化學(xué)性質(zhì)十分相近,，且常被發(fā)現(xiàn)在同一種礦石中,，19世紀(jì)前的人們常誤認(rèn)為兩者是同一元素。直到1844年,，德國(guó)化學(xué)家Heinrich Rose通過(guò)化學(xué)方法證明兩者是不同元素,，鉭的面紗才逐漸被揭曉。

如圖1(a),，鉭金屬呈銀白色,，密度為16.654 g/cm3，其高密度與相對(duì)原子質(zhì)量,、原子半徑及原子體積相關(guān),。鉭原子相對(duì)原子質(zhì)量約為180.95，原子體積為10.9 cm3/mol,，原子半徑為0.146 nm,，每單位原子體積所具有的相對(duì)原子質(zhì)量大，因而其密度高,。如圖1(b),，鉭具有體心立方的晶格結(jié)構(gòu)，原子間排列緊密,，滑移系較多,，因此鉭的延伸性能較好。鉭原子間金屬鍵合結(jié)合能大,，破壞金屬鍵合需要的能量較大,，導(dǎo)致其熔點(diǎn)高達(dá)2997 ℃。此外鉭具有低膨脹系數(shù),，約為7×10–6 ℃–1,，低于金銀鋁銅鐵等常見(jiàn)金屬。

圖1  金屬鉭相關(guān)信息：(a)純鉭塊體,；(b)晶體結(jié)構(gòu)

鉭礦分布,、冶煉及鉭的應(yīng)用
地殼中鉭元素含量較少，約為地殼質(zhì)量的0.0002%,，目前,，全球已探明鉭的可開(kāi)采量約為14萬(wàn)t,，主要集中在澳大利亞和巴西，約為13.9萬(wàn)t,。由于礦物沖突等問(wèn)題,，世界上只有極少數(shù)國(guó)家具有開(kāi)采鉭礦的能力，其中剛果,、巴西,、盧旺達(dá)和尼日利亞為生產(chǎn)鉭礦最多的幾個(gè)國(guó)家，4國(guó)產(chǎn)量占世界總生產(chǎn)量的80%以上,。我國(guó)鉭礦主要分布在江西,、內(nèi)蒙古和廣東3個(gè)省區(qū)，儲(chǔ)存量占全國(guó)鉭礦的72.6%,。江西宜春鉭鈮礦有限公司和寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司分別是我國(guó)最大的鉭鈮選礦廠和最大的鉭產(chǎn)品生產(chǎn)公司,。據(jù)2022年年度統(tǒng)計(jì)，我國(guó)礦山產(chǎn)量約78 t,，鉭相關(guān)產(chǎn)品及原料進(jìn)口量為8645.9 t,，而出口量為805.9 t。我國(guó)仍是世界上最大的鉭進(jìn)口國(guó)家,，全球30%的鉭金屬和礦石等鉭產(chǎn)品被我國(guó)采購(gòu),。

鉭鐵礦、鈮鐵礦和鈳鉭鐵礦是冶煉鉭的主要原材料,，由于我國(guó)鉭礦料含有較多錳,、鈦和鎢等雜質(zhì)元素，品位較低,，因此需要先將粗礦粉碎,，并通過(guò)以密度為分選依據(jù)的重選法、以比磁感應(yīng)強(qiáng)度為分選依據(jù)的磁選法和以化學(xué)反應(yīng)發(fā)生與否為分選依據(jù)的化學(xué)選礦法等選礦方法挑選出精礦,。接著添加硫酸,、氫氟酸和硝酸等混合酸將鉭溶解以進(jìn)一步分離鉭和其他元素。此時(shí),，金屬鉭變成了離子狀態(tài),，需使用沉淀劑處理形成氫氧化鉭沉淀，再干燥煅燒形成氧化鉭,，最后在高溫下加入還原劑鈉或鉀與氧化鉭反應(yīng)生成金屬鉭,。

鉭具有良好的高溫力學(xué)性能以及抗蠕變性能,，制備成的Ta–W和Ta–Hf系合金可用作航空航天領(lǐng)域中的高溫結(jié)構(gòu)材料,；鉭的綜合力學(xué)性能較好，其碳化物硬度很高,，與WC相當(dāng),，能被用來(lái)制作切削刀具（圖2(a)）,。鉭的氧化膜具有高介電常數(shù)，因此在電容器裝備中也得到了應(yīng)用（圖2(b)）,；鉭的熱膨脹系數(shù)較低,，硬度高，受溫度和外力影響變化小,，適合制備精密儀器,。純鉭易氧化形成Ta2O5 致密的表面氧化膜，在腐蝕環(huán)境中可以隔絕基體與腐蝕溶液,。常溫下該氧化膜除了與少數(shù)混酸發(fā)生反應(yīng)無(wú)法共存外,，能在整個(gè)pH值范圍內(nèi)穩(wěn)定存在，因此在工業(yè)裝備上也出現(xiàn)了鉭的身影,。如圖2(c)所示,，鉭箔片由于優(yōu)異的高溫性能，可用作真空爐和隔熱應(yīng)用中的內(nèi)襯,。此外,，鉭在人體體液中無(wú)細(xì)胞毒性、不釋放有害元素且不被人體吸收,，表現(xiàn)出優(yōu)異的細(xì)胞相容性和生物穩(wěn)定性,，同時(shí)，鉭還具有優(yōu)異的細(xì)胞附著性,，因此其在醫(yī)療領(lǐng)域的潛力得到了廣泛的關(guān)注,。圖2(d)是醫(yī)用鉭鈦復(fù)合材料，鉭作為涂層可提升合金的生物相容性,。然而涂層與基體材料特性存在差異,，表面改性涂層通常表現(xiàn)出較差的粘結(jié)強(qiáng)度，且涂層在使用過(guò)程中容易受到破壞而限制其作用,。在醫(yī)療行業(yè),，使用鉭作為主要原材料，即制備全鉭骨植入器械,，是克服上述缺點(diǎn)的有效途徑,。但是由于鉭的高熔點(diǎn)及對(duì)氧親和力大等特點(diǎn)，使用傳統(tǒng)加工方法加工難度大,、生產(chǎn)效率和材料利用率低,，大大提高了鉭植入器械的制備成本，增加病人負(fù)擔(dān),，因此亟需一種新工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)全鉭骨植入器械的高效精準(zhǔn)成形,。

圖2  鉭在不同領(lǐng)域的應(yīng)用：(a)切削刀具；(b)電容器,；(c)高溫隔熱內(nèi)襯,；(d)金屬植入體

3D打印鉭
3D打印是一種新型加工方法,，該技術(shù)最顯著的特點(diǎn)是可以根據(jù)所導(dǎo)入的工件模型，直接形成最后的三維樣品,。3D打印中的激光粉末熔化技術(shù)（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）和電子束粉末熔化技術(shù)（Electron Beam Melting, EBM）常被用于加工鉭植入器械,，LPBF 3D打印技術(shù)加工示意圖如圖3所示。LPBF加工設(shè)備有3個(gè)倉(cāng)室,，分別為粉料倉(cāng),、成形倉(cāng)和回收倉(cāng)，打印前需提前將金屬粉末加入粉料倉(cāng),，加工時(shí),，粉末被刮刀均勻鋪展在成形倉(cāng)中，再由激光或電子束熔化加熱后凝固成預(yù)先設(shè)定好的形狀,。粉末倉(cāng)逐層上升,，成形倉(cāng)逐層下降，層層疊加最后成形,。

圖3  LPBF加工示意圖

LPBF技術(shù)可以根據(jù)患者治療區(qū)域,，定制形狀大小匹配的金屬骨植入體，滿足患者個(gè)性化定制需求,。加工時(shí)高能量密度的激光束會(huì)按照模型設(shè)計(jì)的軌跡逐層掃描,，各層精準(zhǔn)疊加成目標(biāo)形狀，實(shí)現(xiàn)工件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)自由,。鉭的熔點(diǎn)高,，傳統(tǒng)加工方法加工鉭效率太低，LPBF加工過(guò)程中瞬間釋放的高能激光束能充分且快速地使難熔鉭粉熔化,，大大降低了制備生物醫(yī)用鉭的難度,，提高植入體制備效率，縮短術(shù)前準(zhǔn)備周期,。加工過(guò)程中未用完的粉末可回收利用,，且打印樣品精度高，后續(xù)僅需要少量的銑削加工,，材料利用率高,，大大降低鉭植入體的制造成本。此外,，LPBF可以實(shí)現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)的快速制備,，有效解決實(shí)體鉭植入器械質(zhì)量過(guò)重和力學(xué)性能不匹配的問(wèn)題。

3D打印醫(yī)用鉭的影響因素
通過(guò)3D打印制備的鉭醫(yī)用金屬植入體需要不斷優(yōu)化力學(xué)性能和生物性能以滿足實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的需求并規(guī)避潛在的風(fēng)險(xiǎn)�,，F(xiàn)階段,，3D打印鉭需要在以下2個(gè)方面得到進(jìn)一步的提升：

1）植入體需要滿足不同患者個(gè)性化需求，與不同受損部位和畸形骨實(shí)現(xiàn)良好匹配，因此產(chǎn)品的加工工藝應(yīng)具備高自由度從而減少對(duì)產(chǎn)品形狀和尺寸設(shè)計(jì)的限制,。植入體在植入人體后需要發(fā)揮基本的力學(xué)支撐作用，因此材料應(yīng)具備良好的強(qiáng)度與韌性,。3D打印制備的鉭醫(yī)用金屬植入體的力學(xué)性能與加工粉末的質(zhì)量,、加工參數(shù)及熱處理相關(guān)，可通過(guò)調(diào)節(jié)相應(yīng)的工藝參數(shù)獲取合適的力學(xué)性能,，然而工藝參數(shù)與材料的實(shí)際成形性能和服役表現(xiàn)的作用關(guān)系仍不明確,，有待進(jìn)一步探究。

（2）植入體需要在人體內(nèi)長(zhǎng)期服役,，對(duì)人體組織細(xì)胞的影響應(yīng)盡可能小,，避免出現(xiàn)感染。現(xiàn)階段,，大多數(shù)研究對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控,，以提升鉭植入體的生物性能，然而3D打印鉭金屬的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前仍需要進(jìn)一步研究,。

人體骨根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨,，皮質(zhì)骨較為致密堅(jiān)硬，位于骨骼外層,；松質(zhì)骨呈現(xiàn)三維網(wǎng)狀小梁結(jié)構(gòu),，位于骨骼芯部。純鉭的彈性模量一般超過(guò)100 GPa,，遠(yuǎn)大于松質(zhì)骨（0.01~1.57 GPa）和皮質(zhì)骨（5~23 GPa）彈性模量,。植入體和人體骨彈性模量不匹配，在承受應(yīng)力時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的應(yīng)變從而導(dǎo)致骨與骨之間相對(duì)位移,，長(zhǎng)期植入會(huì)引起“應(yīng)力屏蔽”效應(yīng),。植入體承受大部分的應(yīng)變，可能會(huì)發(fā)生變形,，影響服役壽命與性能,；人體骨長(zhǎng)期缺乏壓力刺激，會(huì)導(dǎo)致成骨細(xì)胞活性降低,，造成人體骨廢用性萎縮,。將金屬植入體設(shè)計(jì)成多孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)多孔結(jié)構(gòu)形狀及孔隙率,，可以改變彈性模量大小,，并為骨細(xì)胞長(zhǎng)入和粘附提供更多位置，有利于植入體與松質(zhì)骨緊密結(jié)合,。

常見(jiàn)的多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有仿生小梁結(jié)構(gòu),、金剛石結(jié)構(gòu)和菱形十二面體等結(jié)構(gòu)，通過(guò)LPBF 3D打印技術(shù)制備的多孔鉭對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)尺寸及力學(xué)性能如表1所示。綜合分析,，仿生小梁和立方結(jié)構(gòu)的彈性模量與松質(zhì)骨更貼合,，屈服強(qiáng)度值也相對(duì)較高。仿生小梁結(jié)構(gòu)表面積更大,，與松質(zhì)骨的結(jié)合會(huì)更牢固,，目前市場(chǎng)商業(yè)化多孔鉭結(jié)構(gòu)以小梁結(jié)構(gòu)為主。

3D打印醫(yī)療鉭植入體案例
隨著醫(yī)療水平的不斷進(jìn)步及《中國(guó)制造2025》的實(shí)施,，以增材制造為代表的新型制備工藝推動(dòng)了我國(guó)骨科植入體市場(chǎng)蓬勃發(fā)展,。自2015年起，我國(guó)成為世界上第二大骨植入體消費(fèi)國(guó),。目前骨植入體產(chǎn)品根據(jù)使用場(chǎng)景可分為脊柱類,、關(guān)節(jié)類和創(chuàng)傷類，其中髖臼杯（關(guān)節(jié)植入物）和椎間融合器（脊柱植入物）的商業(yè)化發(fā)展最快,。骨植入體制造材料包括金屬,、陶瓷、高分子和碳質(zhì)材料,，其中鉭作為金屬骨植入體中的一員,，具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?br />
脊柱類產(chǎn)品
3D打印全鉭脊柱植入器械的臨床研究在國(guó)內(nèi)已開(kāi)展。2021年7月,，空軍軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院將3D打印鉭錐體植入患者錐體缺損部位（圖4(a)）,，以促進(jìn)缺損部位快速愈合。由于患者椎部有腫瘤持續(xù)壓迫脊柱,，需要進(jìn)行三節(jié)段脊椎腫瘤后路整塊切除,，并需植入體對(duì)缺損部位進(jìn)行支撐。鉭錐體相對(duì)于常見(jiàn)的鈦植入體具有更好的促骨長(zhǎng)入能力,，彈性模量與人體骨更匹配,，因此最終該醫(yī)院選用鉭人工椎體作為植入體。該臨床植入案例的成功證實(shí)了3D打印全鉭植入器械的性能和實(shí)際操作的可行性（圖4(b)）,。

圖4  3D打印鉭人工椎體：(a)打印成品,；(b)植入人體后X光照片

隨著3D打印全鉭脊柱植入器械的發(fā)展，鉭椎間融合器于2023年1月獲得中國(guó)國(guó)家藥品監(jiān)督管理局（National Medical Products Administarion, NMPA）的三類醫(yī)療器械許可,。鉭椎間融合器作為國(guó)內(nèi)首款通過(guò)LPBF制備并獲得NMPA批準(zhǔn)的鉭骨科植入體,，標(biāo)志著其產(chǎn)品化的成功和較高的醫(yī)療應(yīng)用價(jià)值。該鉭椎間融合器產(chǎn)品具有小梁結(jié)構(gòu),，可實(shí)現(xiàn)68%~78%的高孔隙率,，以促進(jìn)骨組織和血管融合；彈性模量與人體松質(zhì)骨相當(dāng),，具有出色的穩(wěn)定性和生物力學(xué)相容性（圖5(a)）,。2023年3月，武漢協(xié)和醫(yī)院成功將鉭金屬椎間植入體應(yīng)用于脊椎手術(shù)，術(shù)后患者恢復(fù)良好,，頸部疼痛癥狀得到緩解（圖5(b)）,。

圖5  3D打印鉭椎間融合器：(a)打印成品；(b)植入人體后X光照片

關(guān)節(jié)類產(chǎn)品
鉭關(guān)節(jié)類植入器械的臨床研究開(kāi)展較早,。2017年,，陸軍軍醫(yī)大學(xué)通過(guò)3D打印制備了鉭膝關(guān)節(jié)墊塊（圖6(a)），并對(duì)84歲的患者進(jìn)行了置換手術(shù),。3D打印前，先基于患者CT掃描結(jié)果構(gòu)建植入體模型,，并在計(jì)算機(jī)模擬了假體植入情況,，經(jīng)過(guò)反復(fù)模擬并修改，然后進(jìn)行個(gè)性化打印,。通過(guò)個(gè)性化定制的產(chǎn)品表面粗糙且具備小梁結(jié)構(gòu),，有助于植入體與人體骨的長(zhǎng)期穩(wěn)定，術(shù)后效果良好（圖6(b)）,。

圖6  3D打印鉭金屬膝關(guān)節(jié)墊塊：(a)打印成品,；(b)植入人體后X光照片

近三年來(lái)，大連大學(xué)附屬中山醫(yī)院完成了多例3D打印多孔鉭關(guān)節(jié)植入手術(shù),，包含髖關(guān)節(jié),、腕掌關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)等，促進(jìn)了鉭植入體的發(fā)展,。2021年,，大連大學(xué)附屬中山醫(yī)院為一位股骨頭缺損并患有慢性關(guān)節(jié)感染的患者進(jìn)行3D打印鉭金屬髖關(guān)節(jié)植入(圖7)。為了解決植入后的關(guān)節(jié)感染問(wèn)題,，該醫(yī)院選擇3D打印多孔鉭金屬假體,，并利用多孔結(jié)構(gòu)的孔隙搭載抗生素。由于鉭在體液中不降解,，能長(zhǎng)期為患者提供支撐,，搭載在植入體上的抗生素局部緩慢釋放，能起到長(zhǎng)期抗菌作用,；設(shè)計(jì)的多孔結(jié)構(gòu)有利于骨組織長(zhǎng)入鉭植入體及抗生素的傳遞,。該研究通過(guò)對(duì)鉭金屬外加抗菌藥物，解決了實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的感染問(wèn)題,，為后續(xù)鉭金屬成分設(shè)計(jì)提供了新的思路,。

圖7  3D打印鉭金屬髖關(guān)節(jié)

2021年11月，大連大學(xué)附屬中山醫(yī)院根據(jù)患者指掌關(guān)節(jié)半脫位,，保守治療無(wú)法根治疼痛等現(xiàn)狀,，對(duì)患者進(jìn)行了3D打印多孔鉭植入手術(shù)（圖8(a)）。腕掌關(guān)節(jié)植入體是通過(guò)收集患者需要替換部位CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，植入一月后患者關(guān)節(jié)功能恢復(fù)正常（圖8(b)）,。

圖8  3D打印鉭金屬腕骨關(guān)節(jié)：(a)打印成品,；(b)植入人體后X光照片

2022年，大連大學(xué)附屬中山醫(yī)院為患者進(jìn)行了世界首例3D打印鉭金屬踝關(guān)節(jié)植入（圖9）,�,；颊啧钻P(guān)節(jié)距骨壞死并患有踝關(guān)節(jié)炎癥，為了解決患者疼痛癥狀并恢復(fù)腳踝靈活性,，該院為患者個(gè)性化定制了3D打印金屬鉭踝關(guān)節(jié),。植入后患者恢復(fù)良好，術(shù)后一天即可緩慢行走,。

圖9  3D打印鉭金屬踝關(guān)節(jié)

骨盆部位手術(shù)一直是骨科手術(shù)中的難題之一,。2022年，大連大學(xué)附屬中山醫(yī)院為骨盆腫瘤導(dǎo)致右髖關(guān)節(jié)變形的患者進(jìn)行了3D打印鉭半骨盆及髖關(guān)節(jié)假體植入（圖10(a)）,，進(jìn)一步拓寬了3D打印多孔鉭的應(yīng)用,。該患者受損部位大，需要切除髂骨,、髖臼及部分或全部恥骨和坐骨,，切除及植入手術(shù)難度高。該院通過(guò)3D打印為患者定制的植入體與患者切除后缺損部位高度匹配（圖10(b)）,，節(jié)省了植入手術(shù)時(shí)間,。

圖10  3D打印鉭金屬骨盆和髖關(guān)節(jié)：(a)打印成品；(b)植入人體后X光照片

創(chuàng)傷類產(chǎn)品
2019年4月,，由湘雅醫(yī)院研發(fā)的3D打印小梁結(jié)構(gòu)鉭支架被成功植入股骨壞死的患者體內(nèi),，這是世界上首例鉭金屬支架植入手術(shù)（圖11）。該鉭支架頂端與人體骨接觸處呈弧形,，與人體骨弧度相似,，受力時(shí)支架與人體骨接觸點(diǎn)多，受到壓力較為平均,，可防止植入體損壞,。

圖11  3D打印鉭金屬支架

結(jié)束語(yǔ)
3D打印技術(shù)的發(fā)展為鉭在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用提供了更廣闊的空間，鉭的應(yīng)用市場(chǎng)目前正處于快速發(fā)展階段,。一方面,，隨著醫(yī)療技術(shù)的不斷進(jìn)步和人口老齡化的加劇，對(duì)骨科植入物的需求將不斷增加,；另一方面,，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，打印材料的種類和性能也將不斷增加,。

3D打印鉭技術(shù)的發(fā)展也將面臨一些挑戰(zhàn),。例如,，需要進(jìn)一步提高打印精度和效率，降低成本,；需要研究更加先進(jìn)的打印工藝和材料,，以滿足更加復(fù)雜和精細(xì)的醫(yī)療需求；需要加強(qiáng)醫(yī)療監(jiān)管和質(zhì)量控制,，確保3D打印鉭植入物的安全性和有效性,。

總體而言，3D打印鉭的市場(chǎng)前景廣闊,，但也需要不斷的技術(shù)創(chuàng)新和醫(yī)療監(jiān)管來(lái)推動(dòng)其健康發(fā)展,。