钽基材料在医学领域的应用与研究进展

发布时间:

2026-02-07

钽（Tantalum，Ta）是一种稀有的过渡金属元素，由瑞典化学家AndersGustavEkebereg于1802年发现，原子序数为73[1]。钽基材料是指以钽元素为主要成分或核心结构单元，并在此基础上通过合金化、复合化或特殊加工工艺进行改性以满足特定应用需求的一类材料，包括钽、多孔钽、钽合金、钽化合物、钽基复合材料等。近年来，钽基材料以其独特的理化性质、极强的耐腐蚀性、卓越的高温稳定性和良好的导热导电性在化工防腐、电子电容、航空航天及军工等关键领域发挥着不可替代的作用。同时，优异的生物相容性和力学适配性使其在生物医药领域展现出新的应用价值。随着材料改性技术的进一步突破，钽基材料在骨科学、口腔医学、影像学、心血管介入学等领域的应用迅速扩展，成为高端植入器械的核心材料之一。本文系统综述钽基材料在医学领域应用的生物学基础、现状和未来方向，为钽基材料在临床上的广泛应用提供参考。
1 钽基材料在医学领域应用的生物学基础
钽基材料具有卓越的生物学特性，包括良好的骨结合性能、血液相容性、抗菌性能等，这与其本身特殊的材料性质有着密切的关系，也是其能够在医学领域广泛应用的生物学基础。
1.1 钽基材料的骨结合性能
骨结合是指植入体与骨组织之间发生的直接连接现象，涉及多种生物学过程。当植入体植入骨组织后，会引发局部的炎症反应，随后植入体表面形成类骨质层，诱导骨组织增殖和分化，两者形成紧密连接，最终实现骨组织与植入体的稳定结合。这一过程与植入体本身和植入体周边环境息息相关。钽是一种生物惰性金属，不刺激骨生长，但其衍生物氧化钽、多孔钽、纳米钽等都表现出优异的骨结合性能，可以促进成骨细胞增殖、分化，并促进骨骼、肌腱和韧带的向内生长。
在细胞学实验中，有学者在钛种植体表面制备Ta2O5涂层，经过特殊处理后，Ta2O5涂层可提高成骨细胞和成纤维细胞的黏附、增殖、分化、矿化及成骨基因的表达[2-3]。将多孔钽与骨髓间充质干细胞、MG63成骨细胞和牙髓干细胞共培养以评价其生物活性，结果显示，多孔钽可以更好地促进细胞黏附、增殖和成骨分化[4]。在其他研究中，同样发现钽对L929哺乳动物细胞、人单核细胞白血病细胞、牙龈成纤维细胞和成纤维细胞无毒害作用[5-8]，并可以增强种植体周围软组织的整合。有研究报道，将钽涂层种植体在磷酸盐缓冲盐水中浸泡28d，结果显示钽涂层会释放0.2μg/L钽，而在临床应用中，由于机械磨损，一些纳米级的碎屑不可避免地会从种植体表面剥落，可能会影响周围细胞的存活。针对这些纳米级的钽颗粒，Wang等[9]的研究发现，低浓度（12.5μg/mL）的钽纳米颗粒可促进成骨细胞的增殖，而当浓度≥25μg/mL时，钽纳米颗粒开始降低成骨细胞的活力。这与近期的研究[10-12]，同时印证了钽纳米颗粒无细胞毒性，且在合适的浓度下能显著促进成骨细胞的黏附、增殖、成熟和分化。近年来，研究发现钽与大量经典的成骨信号通路相关，包括Wnt/β-连环蛋白信号通路、转化生长因子β和骨形态发生蛋白信号通路、丝裂原活化蛋白激酶信号通路和整合素信号通路[13]。与钛相比，钽可以使成骨信号传导途经的关键分子表达更高，表明钽可对与成骨相关的多种信号传导途径产生更积极的影响。这些研究为钽诱导骨形成的现象提供了关键性的机制解释。
在动物实验中，Wei等[14]将多孔钽棒植入狗的后腿，3~6周后，通过活检观察到在钽-宿主骨界面和孔洞处有新成骨细胞黏附以及新骨长入。此外，有国内学者通过将多孔钽与多孔钛种植体植入新西兰大白兔的双侧股骨外踝处建立的骨缺损中，分别于2、4、8周后观察，发现多孔钽能与骨组织形成早期的生物结合，具有与多孔钛相似的骨结合能力[15]。同样Fraser等[16]研究发现，尽管在家兔中植入多孔钽种植体并没有对种植体稳定系数、硬度和新生长骨的弹性模量等产生显著效果，但钽基植入物对新血管形成、伤口愈合和成骨特异性基因的表达显著高于钛基植入物[17]。在最新的报道中，Zhang等[18]分别将3D打印组与化学气相沉积组多孔钽融合器植入羊的C3/4颈椎节段，随访12个月，两组在成骨效果及长期生物相容性方面均表现优异。此研究在证明钽基材料骨结合性能的同时，提示3D打印钽基材料可实现复杂结构设计、低成本制造及个性化定制，为钽基材料未来更广泛的临床应用提供了坚实的科学依据。
1.2 钽基材料的血液相容性
钽基材料在血液相容性方面具有显著优势，特别是在支架和其他血液接触性植入物中，其优异的内皮化、血栓抑制、低血小板附着和激活、延长凝血时间等特性，使其成为理想的血液接触材料。钽的表面电荷、耐腐蚀性及半导体性质，使其在防止血栓形成和促进血管愈合方面发挥重要作用，这些特性为钽在心血管、骨科及其他领域的应用提供了强有力的支持。
内皮化是指血管内皮细胞在支架材料表面形成连续细胞层的过程，这一过程能够通过释放前列环素和一氧化氮等抗凝物质抑制血小板聚集，对于避免血栓的形成和保持血管的正常功能至关重要，是保证动脉支架长期安全性的关键因素。Giessen等[19]将一根直径0.127mm的钽丝制成正弦波螺旋线圈支架植入动物动脉中，该支架在7d内完成了内皮化，有效地防止了血栓的形成。该研究小组在另一项研究中比较了自扩张式钴合金不锈钢壁支架与球囊扩张式钽支架在猪模型中的有效性，结果显示，不锈钢支架在1周后的通畅率为62%，如果给予抗血栓药物，1周后通畅率为100%；而钽支架在未给予抗血栓药物的情况下1周后显示100%通畅[20]。Chopra等[21]将牙周膜干细胞和内皮祖细胞在多孔钽金属（Ta）圆盘上单独或共培养，发现Ta圆盘可以显著促进这两种细胞增殖，增强成骨和新生血管活动，并分析其通过增加Runt相关转录因子2和血管内皮细胞生长因子受体2活性来实现。这些研究表明，钽支架具有优异的内皮化特性，有利于保持血管开放的长期安全性，在血液相容性方面表现出显著优势。
考虑到钽具有优异的血液相容性，其还被纳入其他聚合物、金属和陶瓷生物材料中，以改善血液相容性。Piquet等[22]将0.1mm钽丝与Dacron纤维共织制成支架移植物，用于治疗小型猪的主动脉瘤。植入6周后，整个支架移植物管腔实现内皮化，且所有移植物在取出前均保持通畅，有效治疗了动脉瘤。Bakri等[23]通过等离子体离子沉积法，将钽离子整合至膨胀聚四氟乙烯（ePTFE）表面。在ePTFE表面形成的纳米级富钽表面层促进了内皮细胞的黏附、增殖和铺展，同时抑制了血小板的黏附与激活，相较于未改性的ePTFE表现出显著优势。此外，在犬主动脉旁路模型中，钽改性的ePTFE通过快速形成管腔内皮细胞层显著抑制血栓形成，展现出抗血栓特性。
1.3 钽基材料的抗菌性能
材料的抗菌性能，可以有效减少相关感染的发生，从而提高种植手术的成功率。离子态钽显示出令人满意的抗菌能力，其机制可能与酶破坏、DNA变性、细胞壁/细胞膜降解和信号通路破坏的联合或单独作用有关，而在最新的一项研究中，Singh等[24]在牙种植体材料（CPTi4级组和5级钛合金）制备钽涂层进行表面改性，发现可影响金黄色葡萄球菌和白色念珠菌的生长，使病菌数目显著减少，表明钽涂层改性可显著增强种植体的抗菌性能，但多孔钽在某些体外实验中并未显示出抗生物膜特性。因此，对于钽的抗菌性能目前尚无一致的定论。
为了使钽基材料能在临床中更好地应用，研究人员通过表面改性技术来提高钽涂层或钽基植入物的抗菌性能。王翠翠等[25]在钽表面Cu掺杂Ta2O5纳米棒，并研究了其抗菌性能，发现Cu掺杂显著提高了多孔钽的抗菌活性。Ding等[26]利用磁控溅射技术在室温下制备了ZnO掺杂的氧化钽多层复合涂层，涂层包含五层结构，从内到外依次为Ti、TiO2、TaxOy-TiO2、TaxOy和ZnO-TaxOy层，研究发现多层复合涂层的骨结合性能和耐腐蚀性均优于单层涂层，且具有明显的抗菌性。随后，该团队用Cu代替ZnO，制备了类似的Cu掺杂Ta2O5多层复合涂层，其具有在24h内杀灭97%以上金黄色葡萄球菌的能力，抗菌率随着Cu含量的增加而增加。此外，研究发现，3D打印多孔钽载双抗生素（万古霉素/利福平）微球复合支架可实现同步序贯释放药物，具有良好的生物相容性和抗菌性能[27]。
此外，口腔环境较为复杂，钽基种植体表面改性后的抗菌性能在口腔动态环境中的长效性也是目前研究的热点问题。Cu掺杂的钽涂层通过优化铜含量和退火温度，进一步增强了其机械性能和抗菌耐久性，能够抵抗口腔环境中的物理磨损，在模拟口腔环境中表现出良好的稳定性[28]。载抗生素微球的钽基材料通过优化微球结构和载体材料，进一步增强了其机械性能和生物相容性，能够适应口腔动态环境中的复杂力学条件，同样表现出优异的长效抗菌效果。
2 钽基材料在医学领域的应用现状
2.1 钽基材料在骨科学中的应用
钽基材料在骨科领域的应用是其生物医学价值的核心体现，尤其在关节置换、脊柱融合以及复杂骨缺损修复中展现出不可替代的优势。由多孔钽制成的髋关节臼杯，其孔隙率达75%~85%，孔径550μm，骨长入深度达2.5mm，10年存活率>98%，显著优于传统钛基材料[29]。钽金属制成的垫块用于膝关节置换翻修术中骨溶解缺损的填充，可为缺损区提供即刻结构性力学支撑[30]。定制化的钽支架人工椎体可用于治疗椎体肿瘤切除后的重建，多孔结构的钽基椎间融合器较聚醚醚酮材料的融合率提高15%~20%，有力促进了椎体间骨融合[31-32]。同时，与椎骨更匹配的弹性模量进一步降低了沉降风险。此外，使用3D打印的多孔钽支架结合骨形态发生蛋白2生长因子用于填充大段骨缺损，大大加速了缺损区的骨愈合。特别是对于骨肿瘤切除后的重建，多孔钽假体的孔径有利于血管的长入，可有效抑制肿瘤复发。表面改性技术的应用，使金属钽及多孔钽具备更加优异的生物学性能，大大提高了钽及多孔钽植入物与周围骨界面的结合能力，从而更好地提高了植入体的临床疗效[33]。
2.2 钽基材料在口腔医学中的应用
钽基材料凭借其卓越的生物相容性、耐腐蚀性、力学适配性及优异的骨结合能力，在口腔医学领域同样展现出独特的应用价值，尤其在种植修复、骨缺损重建和正畸治疗中扮演了重要角色。孔隙率和弹性模量是影响种植体生物力学性能的关键参数，其中孔隙率与骨结合密切相关。颌骨的孔隙率在不同部位存在差异，通常来说上颌骨松质骨孔隙率高于下颌骨，下颌骨后牙区松质骨的孔隙率大于前牙区，但总体而言牙槽骨松质区的孔隙率为50%～90%，多孔钽种植体70%~85%的孔隙率与之相当，可促进骨长入。同样，颌骨的弹性模量在不同区域也存在差异，皮质骨弹性模量约12~20GPa，通常上颌骨低于下颌骨；松质骨弹性模量的差异则更明显，上颌骨松质骨接近0.1~0.5GPa，而下颌骨松质骨可达1~2GPa。钽基植入材料的弹性模量为2~5GPa，多孔结构可调至0.5~3GPa，显著低于不锈钢和钛基植入材料，更接近人体骨组织的弹性模量，这种低弹性模量有助于减少应力屏蔽效应，进一步促进种植体的骨结合。多孔钽的高孔隙率和低弹性模量使其能够更好地匹配颌骨的生物力学特性，减少应力屏蔽效应，优化应力分布，从而提升种植体的成功率和长期稳定性[34-36]。研究显示，将纯钛种植体和表面具有微纳多孔结构钽涂层种植体分别植入成年比格犬双侧下颌骨牙槽嵴，CT和组织学结果显示，两者的骨-种植体接触率和骨体积分数在4周时即显示出显著差异，8周时差异进一步扩大，钽涂层种植体的骨-种植体接触率比纯钛种植体高出20%~25%，骨体积分数高出15%~20%[37]。由此可见，微纳多孔结构钽涂层可显著促进犬颌骨的早期骨结合，提示其可缩短种植修复的骨愈合周期[38]。此外，多孔结构还可提供可靠的初期稳定性，大大提高了即刻负载的可行性，特别适用于拔牙后即刻种植。纯钽或钛-钽复合基台具有优异的抗腐蚀性、美学性能和软组织相容性，其惰性表面可完全抵抗唾液、微生物、酸性食物等口腔环境的腐蚀，避免了金属离子释放导致的牙龈灰染；表面的灰白色泽更接近天然牙根，减少牙龈透黑现象，尤其适用于前牙区薄龈型患者；良好的软组织相容性可促进牙龈成纤维细胞附着，有效降低了种植体周围炎的发生风险[8]。在颌面部骨缺损修复方面，基于CT数据的3D打印多孔钽支架用于牙槽嵴严重萎缩后的垂直/水平骨增量、颌骨囊肿或肿瘤切除后的节段性缺损重建以及上颌窦底提升中的空间维持支架，不仅为缺损区提供了强大的力学支撑，避免了术区的塌陷，其贯通孔道还可促进血管长入，加速骨结合进程[39-40]。另外，将多孔钽块嵌入颌骨作为义颌或赝复体的锚固点，大大提高了颌面修复体的固位力。在正畸治疗方面，钽基材料的应用尚处于实验性阶段，如使用钽涂层的表面疏水性减少托槽的菌斑附着，采用钽合金弓丝以提供柔和持续的矫治力。
2.3 钽基材料在血管介入医学中的应用
钽基材料在血管介入医学中的应用主要依托其卓越的耐腐蚀性、生物相容性、显影性及表面功能化潜力，尤其在冠脉支架、腔静脉滤器、栓塞器械等领域展现出独特价值。钽基冠脉支架包括钽涂层支架和全钽合金支架两种，钽涂层支架是在钴铬/镍钛合金支架表面溅射0.5~2μm钽层，全钽合金支架则是使用钽-钨（Ta-10W）或钽-铌（Ta-40Nb）合金制造，目前尚处于实验阶段。钽基支架具有优良的力学性能，其高屈服强度可有效支撑血管壁，同时还可保持柔顺性；微纳米级粗糙表面可加速内皮细胞迁移，表面Ta2O5钝化膜抑制血小板黏附，大大提高了支架的抗血栓能力。激光切割钽合金下腔静脉滤器以高摩擦系数钽钩锚定在血管壁，有效降低了移位率；同时，X射线显影清晰度是钛的2.8倍，便于精准释放与术后随访。此外，使用钽标记的血管定位夹，可在术中透视引导肿瘤切除；使用钽丝弹簧圈用于脑动脉瘤栓塞，大大增强了显影性[41]。
3 钽基材料在医学领域应用的未来方向
钽基材料在医学领域的未来发展将聚焦于功能动态化、响应智能化和精准个性化，通过多学科交叉突破现有技术瓶颈，最终实现可降解钽基材料和智能响应钽基植入体的研发以及钽基材料与再生医学的有机融合。
3.1 可降解钽基材料的研发
对可降解钽基材料的探索目前主要集中在镁-钽合金（Mg-Ta）、铁-钽合金（Fe-Ta）和锌-钽合金（Zn-Ta）的研发上，设计目标是实现“临时支撑-逐步降解”的功能，目前已取得突破性进展[42]。Mg-Ta合金用于临时骨缺损填充支架，利用镁离子促骨生成的作用引导成骨细胞黏附增殖，镁基体降解后遗留多孔钽骨架，动物实验显示降解速率为0.2mm/年[43]。钽丝增强镁血管支架可提供强大的径向支撑力，降解产物还可以促进血管舒张。Fe-Ta血管支架降解速率可控，提供临时支撑后逐步吸收利用，动物实验证实术后6个月冠脉通畅率大于95%。此外，Zn-Ta合金利用锌离子抗菌和钽元素成骨的功能用于感染性骨缺损修复，体外抑菌率可达99%[44]。
3.2 智能响应钽基植入体的研发
智能响应钽基植入体的研发方向主要是采用不同传感器实时监测植入体骨愈合进程、周围炎症信号以及支架内血流速度[45]。如应力传感型钽支架将压电薄膜嵌入支架中实时监测植入体周围的骨愈合进程；集成pH传感器的口腔种植体实时监测种植体周围炎早期信号，通过感染时微酸环境触发钽-银纳米粒子释放Ag+，抑制金黄色葡萄球菌生物膜；嵌入式钽基压电传感器实时监测支架内血流动力学相关指标。
3.3 钽基材料与再生医学的有机融合
钽基材料的未来发展方向是从结构性替代走向功能性再生，最终成为人体能力增强载体，因此与再生医学的有机融合是实现这一目标的必经之路。目前钽基材料与再生医学的结合主要是通过3D打印多孔钽支架作为载体，负载不同组织模块来实现[46]。如在3D打印多孔钽支架表面负载微小RNA靶向促进成骨细胞分化；在3D打印多孔钽支架表面负载干细胞球构建血管化组织工程骨；在3D打印多孔钽支架表面负载内皮细胞构建小口径人工血管等。
4 小结
钽基材料凭借与人体骨骼高度匹配的力学性能、卓越的长期稳定性和主动骨诱导能力以及不可替代的耐腐蚀性、抗血栓性和表面功能化潜力在骨科学、口腔医学和血管介入医学中得到了广泛的应用。随着可降解技术与智能传感的发展，以及3D打印与再生医学技术的交叉融合，钽基材料有望突破传统金属局限，实现由结构替代向功能重建与智能诊疗的拓展，对推动高性能医疗设备的创新与发展具有重要意义。
参考文献：中华老年口腔医学杂志2025年11月第23卷第6期ChinJGeriatrDent,November,2025,Vol.23,No.6
星尘科技的球形钽粉为高纯度钽经射频等离子体球化制得的球形粉体，粉体特性优异：颗粒呈近完美球形，形貌规整、粒径分布可控，松装与振实密度高，流动性好，易实现均匀成型；纯度可达99.95%以上，杂质含量极低，化学稳定性优异，在人体环境中无溶出、不发生氧化腐蚀；同时具备良好的导电性、导热性与机械可塑性，粉体烧结后可形成多孔结构，孔隙率和孔径可按需调控，适配医用成型加工要求。
在医疗植入领域，球形钽粉是核心医用材料之一，主流用于制备多孔钽植入体：经烧结制成的多孔钽支架、骨缺损填充块等，孔隙结构与人体骨小梁匹配，利于骨细胞黏附、增殖与长入，实现骨整合，大幅提升植入体稳定性，降低松动风险；适用于髋关节、膝关节置换的垫块修复，以及脊柱融合、颌面部骨缺损修复等场景。此外，高纯度球形钽粉可用于医用涂层制备，涂覆于钛合金等植入体基底，提升表面生物相容性与耐腐蚀性；其优异的生物惰性也让其可用于齿科种植体配件，适配长期人体植入需求，临床应用中生物相容性与安全性已得到充分验证。更多产品信息，欢迎联系我们的专业人员，郑经理，13318326187。