タンタルの生物適合性
ロバート・J・ハーリング氏のこの記事での結論:
” 「入手できる情報からすると、タンタルは希釈または酸化形態のいずれにおいても化学的攻撃に対して高度に抵抗できそして不適切な生物学的反応が起こるのは 極僅かである。」 多くの研究は骨の手術が絡む応用を含む多様な状況においても優秀な生物適合性を実証しています。”
タンタルは50年以上にわたって臨床応用に広く使用されて来ました。:
• その高密度によって、診断目的の放射線マーカーとして
• 整骨材が感染を防止するので、骨への永久インプラントのための素材として
• 血管用チップとして、タンタルは強磁性ではないのでMRI走査に非常に適しているため特別な利点を持っています。
• 頭蓋骨損傷の修理材として – アメリカ合衆国医療素材標準はこの応用にタンタルを掲げています。
• 骨折の修理に
• 胆管と動静脈の瘻管狭窄を手当てするステントとして(血液透析器)
• 歯科応用に
• その他の多様な応用に
タンタルの生物適合性
ロバート・J・ハーリング氏による
理学士(優等学位)、生物学C、生物学MI、DipRC資格、医学研究審議会資格、欧州毒物学会登録毒物学者、2002年4月
この報告は Danfoss Tantalum Technologies社の許可と謝辞をもって転載されている。
はじめに
この文書はタンタルの生物適合性の問題に関連する情報を提示している文献を評価している。この情報は科学文献、ダンフォス技術センターによって行われた研究から抜き出したもの、デンマークポリマーセンター、ライス国立研究所(デンマーク)によって行われた概略評価研究によるものである。
科学的文献
(i) Physical Properties
タンタルとその合金は 1000 dg. Cまでの顕著な機械的特性を持っている。. タンタルは化学的に安定であり、空気中での酸化は 300 dg. Cである。そしてそれは 腐食に対する優れた耐性を持つが、強力な酸とアルカリにのみは浸食され加水分解してフッ化酸を形成する。
タンタルの記号は Ta である。 原子番号は 73 である。 平均原子量は 180.95 である。 周期律表ではバナジウムとニオブとともに VB グループに属する。 比重16.6 g.cm3 融点 3000 dg. C
反応性金属でありながら (周期律表での位置で)、タンタルは実用的観点からは貴金属に属すると考えられる
(ii) 材料反応
生体内での劣化を予測するための体外研究に関する出版データは少ない。タンタルは 非常に低い 溶解性の酸化タンタルの薄層で囲われていて、これは生物的な環境を反映する広い範囲のpH と pO2 の組み合わせにおいてそうである。タンタルと酸化タンタルの平衡反応は酸化による保護力のため特徴つけることが困難である。体内腐食の放散は非常に微量であり、腐食の放散に関連した局所、全身、あるいは別の個所での集積を示す報告は見当たらない。動物と臨床の両方で極普通に観察されるところでは視認できる腐食または腐食した製品はないとされている。特定の生物適合性の研究で、ワタリらは腹部の皮下組織、およびネズミの大腿骨骨髄にインプラントしたタンタルを２または４週間観察した。 この金属の柔らかい組織への溶解は、X線走査解析顕微鏡(XSAM)を用いても検出されず、電子端子微細解析機(EPMA)の原子マッピング処理を用いても、骨の中にその金属の溶解はなかった。この研究はタンタルを生物内材料として使用することは生物適合性において受け入れられると結論づけた。インプラントと組織の間に運動が可能である場合、ある場合微量の染みが認められた。これはチタンとチタン 合金 について起こる状況と類似しており、酸化物微粒子の剥離に続いて起こり得る。タンタルと酸化タンタルの摂取は呼吸系または消化器系のいずれかのシステムからの 非常に低 レベルのタンタルの吸収を生じるが、やはりその材料の低い水溶性が反映している。タンタルは呼吸器疾患の無い動物と人間において、肺、気道、と食道から確実に排除される
(iii) 母体の反応
タンタル粒子(10から50 micrometre) と純粋チタンはいずれも人間の真皮、繊維芽細胞の培養において成長阻害を起さない。ほかの者はタンタルをステンレス鋼と純チタンを含む いくつかの 他の金属と合金のグループに入れ、生物学的影響の欠如に関連して研究した。タンタルの毒物学的効果に関連する標準のデータを見出すことは困難である。参考文献ではタンタルに起因する人間の疾病は知られていない、工業的状況での全身被毒も知られていない、そしてタンタルとタンタル化合物は推定上または可能性の発がん物質としてはリストされていないことを示している。ネズミへの５酸化タンタルの経口 LD50 摂取が１文献で引用されており、体重の kg 当たり8g となる。そこでは、ラベル付けされたタンタルが動物モデルに注射された。１５％のみが体内に留まり、残りは急速に排泄された。体内に留まった物の40％は骨の中に保持された。
タンタルが薄片、ワイヤ、または網目として動物または人間の柔らかい組織に埋め込まれた場合、 主な局部組織の反応は薄い、ギラギラ光る面が形成されるが炎症の証拠はなかった。この反応は緩い血管の通った皮下組織で特徴づけられ、 さらに いくつかケースではインプラントと接触する上皮の存在が見られた。クシェットらの研究では、羊の大腿骨動脈へのタンタルステントのインプラントに続く病理学的プロセスの理解がタンタルベースの 製品で発現する良好な生物適合性のさらなる証拠を与えている。インプラント後最初の４日間は組織されない鼓動でおおわれるのが観察された。15日で新生内膜の過形成でステントの動脈部分が完全にカバーされた。この繊維芽ボール様の組織は外来物に対する体の反応を呈示していない。42 日後にはコラーゲンと筋繊維芽細胞が徐々に繊維芽細胞様組織を置き換えていて治癒プロセスを示している。同様の反応がチタンとチタン合金、ジルコニウム、ニオブ、とプラチニウムもインプラントに際して見られる。特定の生物適合性の研究で、ワタリらは腹部の皮下組織、およびネズミの大腿骨骨髄にインプラントしたタンタルを２または４週間観察した。インプラントの周辺に炎症反応は観察されず、全て薄い繊維状連結組織に囲まれている。この研究はタンタルが生体素材として使用するのに 充分な 生物適合性を持っていると結論した。
初期の研究では、人間のタンタルの脳並置後の膿瘍を報告していたが、感染は、埋め込まれた材料に対する組織の反応というよりは、潜在的な理由として考えなければならない。さらに、注入されたタンタルに使用されるソース、純度、手術前の洗浄、および滅菌プロセスのために、初期の臨床研究のいくつかは疑問視されなければならない。フォイル、ワイヤー、ロッド、またはボールとして埋め込むと、タンタルが骨統合される可能性があるという報告がいくつかある。すなわち、介在する軟組織層またはカプセルなしで、インプラントに対する骨の直接の並置が見られる。この理由は、チタンのように、タンタルはタンパク質を変性させず、したがって骨統合を可能にする非導電性の表面酸化物を有していることが示唆されている。この概念をサポートする研究が、ツィッターらによってインプラントに使用される金属の電流密度を測定するための体外システムを説明して発表された。これらの測定結果は、体内生体適合性試験の結果とよく一致する結果を生成している。彼らの研究では、チタン、ニオブ、タンタルなどの純粋な金属が、高い生体適合性を持つこれらの材料と相関する最低の電流密度値を示した。電流密度が低いこれらの材料について引用されている理由は、金属上に安定した酸化物層が存在するためである。安定した酸化物層は、電子の交換、したがってレドックス反応を防ぎます。したがって、材料は生物不活性です。 ボビンら（1）は、大腿骨に埋め込まれた52週間の犬の研究で、75〜80％の多孔性のタンタルの円筒状インプラントを利用した。骨の内部成長は、多孔質タンタルインプラントの早い時点で高い固定強度が発生する研究で明確に示された。この報告は、利用された手順の間のいかなる副作用の兆候も提供していない。加藤らによるアルカリおよび熱処理したタンタルでの作業は、タンタルの骨結合能力をウサギの研究で説明しており、インプラントへの有害反応を示す組織学的影響は彼らの研究では認められなかった。 ボビンら（2）は、両側股関節形成術を受けたイヌにおいて、埋め込まれたタンタル生体材料に対する骨組織の反応を研究している。多孔質タンタルで良好な骨成長が見られ、組織病理学的検査により、インプラントの生体適合性が確認された。 シャルマらによる体外の研究では、タンタル上の酸化物層の存在が界面でのタンパク質の吸着を促進することが実証されました。研究ではタンパク質の混合物が使用され、これらにはアルブミン、グロブリン、フィブリノーゲンが含まれていた。タンタルインプラントの生体適合性が良好な結果が得られる理由の1つは、タンパク質の変性ではなく、表面へのタンパク質の吸着である。
(iv) 臨床反応
タンタルは50年以上にわたって臨床応用に広く使用されて来た。
• その高密度によって、診断目的の射線マーカーとして
• 整骨材が感染を防止するので、骨への永久インプラントのための素材として
• 血管用チップとして、タンタルは強磁性ではないのでMRI走査に非常に適して居るため特別な利点を持っている。
• 頭蓋骨損傷の修理材として – アメリカ合衆国医療素材標準はこの応用にタンタルを掲げている。
• 動脈の狭窄を防止するための柔軟なステントとして
• 胆管と動静脈の瘻管狭窄を手当てするステント(血液透析器) として
• 骨折の修理に
• 歯科応用に
• その他の多様な応用に
アロンソンらは、X線撮影におけるタンタルマーカーの特定の研究に着手した。ピンと球のマーカーがウサギと子供の骨と軟部組織に埋め込まれている。マーカーの周りには肉眼で見える反応は見られず、骨に埋め込まれたものは<t0 />しっかりと固定され<t1 />、隣接する骨の薄膜に接触していた。ウサギの顕微鏡検査では、反応がなかったか、骨に軽度の線維症が見られたが、6週間後には炎症反応は見られませんであった。子供では炎症反応はなく、挿入後48週間まではわずかな線維症のみであった。タンタルの生物不活性は、論文の結論でコメントされた。
結論
入手可能な情報によると、タンタルは化学的攻撃に対して非常に耐性があり、還元型または酸化型のいずれでも<t0 />ごくわずか<t1 />だけ有害な生物学的反応を引き起こす。多くの研究が多様な状況における優れた生物適合性を明らかにしている。それには骨の手術を含む応用を含んでいる。タンタルでコーティングされた金属とタンタル自体は、標準化された手順の間に抽出媒体に何も放出せず、表面分析は低い不純物プロファイルを示す。 提案された医療機器の製造に使用されるタンタルが純度基準を満たしているとすれば、動物でのさらなる生体適合性試験を実施する理由はない。 日付：2002年4月、このレポートの作成者： Robert J Harling(ロバート・J/・ハーディング) 理学士(<t0/>優等学位)、生物学C、生物学MI、DipRC資格、医学研究審議会資格、欧州毒物学会登録毒物学者
Robert J Harling
BSc(Hons) CBiol, MIBiol, DipRCPath, MRCPath, Eurotox Registered Toxicologist
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