医用多孔钽的制备及性能研究

医用多孔钽的制备及性能研究

井蕊璇1，谷立民1，代丽娜1

1.西安超码科技有限公司，陕西 西安 710025

摘要：本文采用多孔碳作为基体进行金属钽沉积，对制备得到的多孔钽进行结构表征和性能测试，重点评估了生物相容性，结果发现所制备的多孔钽在炭骨架上沉积均匀，当密度大于4g cm-1时，平均压缩强度66.8MPa，平均弹性模量2.27GPa，弯曲强度最大可达102.2MPa；同时该材料表现出良好的生物相容性，在清洗与辐照灭菌后对细胞无毒性且三维多孔结构为其生长提供了良好的生长空间，皮下植入测试表明植入后无排异现象产生，对细胞的生长无影响。

关键词：多孔炭，多孔钽，化学气相沉积，生物相容性。

Preparation and properties of medical porous tantalum

Jing Ruixuan1,Gu Limin1, Dai Lina1

（1.Xi’an ChaoMa Technology Co. Ltd, Shaanxi Xi’an 710025）

Abstract:

In this paper, the porous tantalum was prepared which using porous carbon is used as the matrix by CVD, and the structure and properties of porous tantalum were characterized and tested, while the biocompatibility was also evaluated. The results show that the porous tantalum prepared by this method is uniformly deposited on the carbon skeleton. When the density is greater than 4g cm-1, the average compressive strength is 66.8MPa, the average elastic modulus is 2.27GPa, and the maximum flexural strength is 102.2MPa; At the same time, the material shows good biocompatibility, non-toxic to cells after cleaning and irradiation sterilization, and the three-dimensional porous structure provides a good growth space for its growth. The subcutaneous implantation test shows that there is no rejection after implantation, which has no effect on the growth of cells.

Key words:Porous carbon;Porous tantalum;Chemical vapor deposition;Biocompatibility.

1.前言

金属钽晶体结构为体心立方，最早发现于1802年[1-3]，纯钽为一种银灰色难熔金属,其熔点为2980℃,仅次于钨和铼,抗磨损并耐多种酸性腐蚀[4-7]。由于良好的物理和化学性能，广泛应用于电容器、真空炉、化学反应装置、核反应堆、航空航天器和导弹等中。此外，钽与液体无反应具有良好的生物相容性,也成为制作外科植入物的理想材料[8-10]。多孔钽作为骨科植入材料的研制，开发开始于美国的ImPIex公司，并被称为Hedroeel，2003年更名为Trabecula:Metal(小梁金属)[11]。多孔钽由纯钽制成，在制作过程中以聚胺酯前体进行碳化得到的碳骨架为支架。该碳骨架具有多重十二面体网状结构，整体分布微孔，孔隙率可高达98%，再将纯钽粉通过化学气相沉积的方法附着到十二面体碳骨架上就形成了多孔钽结构[12-15]。我们使用的多孔钽生物材料其表面的钽层厚度在40-60µm之间，在重量上钽约占99%，而碳骨架则占1%左右[16]。

本文主要介绍了多孔钽的制备及性能研究，将聚氨酯泡沫在惰性气氛下炭化得到具有三维网络结构的开孔碳骨架，采用化学气相沉积法在碳骨架上均匀沉积金属钽涂层制备得到多孔钽材料，并对其进行微观形貌、孔隙形貌、力学性能及生物相容性进行分析研究。

2、实验方法及原料

前驱体泡沫采用多孔炭（自制），纯钽（纯度＞99.95%），高纯氮气（Ar，大于99.99%），氢气，氩气，氯气，其中钽金属主要由宁夏东方钽业提供，氢气和氯气为市场采购。

将自制的多孔炭与纯钽置于化学气相沉积炉中，在惰性气氛下升温至1025℃保温2h后打开氢气氯气通路，真空度为530Pa开始沉积，5h后冷却至室温得到多孔钽。

采用XRD-7000S型X射线衍射仪对制备的样品进行物相分析。采用场发射扫描电镜（蔡司MERLIN Compact）观察样品形貌，并配合能谱仪分析微区元素分布情况。采用失重法对多孔钽进行孔隙率计算[19]，抗弯强度测试在英制Instron1195万能材料试验机上进行，压缩性能采用INSTRON-5967 万能强力仪进行测试。依次采用丙酮，酒精，去离子水和超声波对多孔钽样品进行真空清洗，干燥后分装每个多孔钽样品于单独的密封袋后进行钴60灭菌进行灭菌试验[21]。体内生物相容性评价按照GB/T16886.5-2017体外细胞毒性试验对细胞的生物相容性进行检测。体外生物相容性评价采用大鼠皮下植入实验评价材料的生物相容性，主要评价皮下组织的炎症反应及植入材料。

3.结果与讨论

3.1 多孔炭及多孔钽结构表征和性能测试

对沉积的多孔钽进行物相分析，如图2所示。在2θ=38°，55°，69°，84°呈现金属钽（110）（200）（211）及（220）晶面的衍射峰，说明金属钽成功沉积在多孔炭上制备出多孔钽，且衍射峰峰型尖锐，说明制备的多孔钽纯度较高，没有杂质相产生。多孔炭在2θ=27°，43°呈现明显的非晶型馒头峰，由于其峰强较弱，在多孔钽中不显现。

图2多孔钽的XRD图

图3多孔钽的SEM图与能谱图

图3为多孔钽的微观形貌图。多孔钽很好的保持了多孔炭的三维网络多孔结构同时在炭骨架上均匀沉积了金属钽涂层。该方法制备的多孔钽和商用多孔钽多孔结构和连通特性类似。进一步采用能谱元素分析方法进行钽沉积层的化学成分分析。结果表明，其主要元素成分为Ta，以及少量的C和O元素，此外，多孔钽SEM形貌分析表明，其表面会有黑色斑点状物质。该区域相比其他沉积层区域，C元素在其中占比最高，且存在Cl元素，出现原因是制备过程中产生的化学物质残留。

图4为多孔钽MicroCT成像示意图，由图4可以看出该方法成功制备了具有高孔隙率的多孔材料，发现随着沉积时间的增加，多孔炭结构上的金属钽涂层不断增加，导致其孔隙率逐渐减小。当多孔钽密度大于4g/cm3时，其孔隙率大约为75±3.24%。同时采用Micro-CT分析多孔钽支架的平均孔径及孔隙率，结果显示多孔钽的孔隙率为72.16±4.57%（密度＞4 g/cm3），平均孔径为707.91±22.42 μm，与失重法测试结果一致。

图4多孔钽MicroCT成像示意图

对密度大于4g/cm3的多孔钽进行了压缩测试，计算其压缩强度与弹性模量(如表1)。由表可以看出压缩强度的变化与试样密度的变化一致，弹性模量与压缩强度成正比，且均符合医用植入物力学要求。这是由于多孔钽的密度取决于金属钽的涂层厚度，密度越高涂层越厚，压缩强度随之增强，抵抗变形能力增加，表明该方法制备医用多孔钽具有良好的力学性能。

表1不同密度的多孔钽支架对应的压缩强度与弹性模量

三点弯曲实验测试密度大于4g/cm3的多孔钽材料，压至试样出现断裂为止，计算后得弯曲强度结果如表2所示。由表可以看出密度越大的试样其弯曲强度先增加后降低，由于材料密度越大，金属钽涂层的加厚使多孔炭骨架兼具了金属的延展性与韧性，材料的弯曲性能提高；进一步增加金属钽涂层时使多孔钽的韧带宽度增加，孔径减小，钽层过厚，多孔炭骨架与金属钽层的结合性降低导致弯曲强度降低。综上，当多孔钽密度大于4g/cm3时各项指标均符合医用植入理化性能要求。

表2多孔钽的弯曲强度

3.2灭菌性能

图5为不同清洗工艺下细胞的存活率。由图可以看出超声及多次换液对细胞的存活均有积极的作用，超声+多次换液培养5天细胞存活率高达98.9%，表明该工艺所制备的多孔钽试样对细胞的无毒性，后续试样均采用超声+多次换液的清洗工艺。

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图5不同清洗工艺下细胞的存活率

图6细胞增殖图，*代表p＜0.5。

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3.2生物相容性

1.体外生物相容性测试-

（1）细胞增殖

对锚定在多孔钽支架上的细胞进行了1、3、5天的增殖实验测试，结果如图6所示。由图可以看出从第1天到第3天时，支架上的细胞数量显著增加，同时从第3天到第5天时，细胞增加的数量有所减少，并即将达到阈值，这是由于支架的表面能提供给细胞锚定的面积有限所导致的，使后续细胞没有足够的空间及能量进行增殖。但该增殖实验结果表明多孔钽支架具有良好的生物相容性，细胞可以在其表面黏附与增殖。

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2）骨架染色

使用鬼笔环肽将细胞骨架染成红色，Sytox Green将细胞核染成绿色。如图7所示，在共聚焦显微镜下可以观察到细胞在多孔钽的三维网络结构上黏附，并且分布在不同的平面上。表明该方法所制备的多孔钽材料可以使骨髓间充质干细胞（rBMSCs）良好地黏附与生长，且可以伸展到试样内部的多孔结构上。

图7细胞骨架染色三维图

（3）细胞黏附观察

SEM细胞黏附图如图8所示，大量的细胞可以在多孔钽骨架表面黏附与伸展。同时不同层面的多孔钽骨架均可观察到细胞，说明细胞可以顺利穿过多孔钽中的孔隙，并且锚定在支柱上。表明该方法所制备的多孔钽具有良好的细胞相容性，使细胞在其三维骨架结构上生长。

图8骨髓间充干细胞黏附的SEM图。

2.体内生物相容性测试

（1）皮下种植实验

对皮下植入多孔钽后的大鼠分别在0（种植前），7、14、28天进行进行体重检测，结果如表3所示。由表可以看出植入7、14、28天后大鼠体重变化均在正常生长增重范围内，该方法所制备的多孔钽对大鼠的生长无影响，表明该材料具有良好的生物安全性。

表3多孔钽皮下种植后大鼠的体重

（2）血常规检测

对皮下植入多孔钽后的大鼠分别在0（种植前），7天进行血常规检测，结果如表4和表5所示，加粗与加有下划线的数值代表异常。0天结果如表4所示，出现了4只大鼠的异常，是由于大鼠进入了一个新的环境（动物房），没有适应，导致了饮食的异常进而影响血常规的结果，其余大鼠结果显示均正常。7天的结果如表5所示，所有大鼠基本正常。表明该方法所制备的多孔钽试样对动物不会产生毒性，具有良好的生物相容性，与上述测试结果一致。

表4大鼠0天时的血常规检测结果

表5大鼠7天时的血常规检测结果

4.结论和展望

采用化学气相沉积法制备出多孔钽后部分区域会残留有C元素与Cl元素，但在超声+多次清洗灭菌后对细胞不会影响的增值与生长。制备的多孔钽拥有大的孔隙率和平均孔径，为细胞增殖提供了大量生长空间，密度大于4g/cm3的多孔钽材料力学性能与人体松质骨匹配，符合骨植入物的力学要求。体外的细胞实验和大鼠的皮下植入实验均验证了多孔钽材料在清洗与灭菌后不会对细胞和大鼠产生毒性，具有良好的生物相容性。该方法低成本、工艺简单的优势为医用植入物的商业化提供了新的思路。

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