Robert J Harling在这篇文章中总结道：

“现有信息表明,钽具有很强的抗化学腐蚀能力,在还原或氧化状态下几乎不会引起不良的生物学反应。许多研究证实钽在多种应用背景下,包括骨手术中具有很好的生物相容性。”

钽广泛应用于临床研究已达50余年：
• 因其具有高密度性,作为放射照相标记物用于诊断
• 作为永久性骨植入材料用,防止骨移位
• 作为血管夹用,因为钽的一个特殊优势是它不具有铁磁性,故而高度适合MRI扫描
• 用于颅骨缺陷修复 – 中国医学材料标准中有关于钽在此中的应用
• 作为灵活支架防止动脉破裂
• 作为支架治疗胆道和动静脉(血液透析器)瘘管狭窄
• 用于骨折修复
• 用于牙科
• 其他多方面应用

钽的生物相容性

作者 Robert J Harling
BSc(Hons) CBiol, MIBiol, DipRCPath, MRCPath, Eurotox Registered Toxicologist; April 2002

本报告经丹佛斯钽技术公司同意允许转载

引言

本报告对钽生物相容性相关文献进行了综述。钽生物相容性相关信息来源于科学文献，科学文献来源于由丹佛斯技术中心开展的提取研究以及丹麦聚合物中心Risø国家实验室开展的表面评估研究。

科学文献

(i) 物理性质

钽及其合金的机械性能可达1000dg.C。钽具有很强的抗腐蚀能力，仅能被强酸强碱水解形成的氢氟酸腐蚀。

钽符号 Ta
原子序数 73
平均原子量180.95
元素周期表，把VB和钒、铌归为一类
密度 16.6 g.cm3
熔点 3000 dg.C尽管钽是一种活性金属（根据在元素周期表中的位置），但在实际应用中钽是一种出色的金属材料。

(ii) 材料相应

通过体外研究预测体内退化的相关发表数据极其有限。钽的表面覆盖有一层极低溶解度的钽氧化膜，其pH值和pO2组合范围较广，可以反映出生物学情况。钽/钽氧化平衡反应因氧化物的保护作用无法直接对其进行表征。体内腐蚀释放非常轻微，尚无报告显示局部、全身或远端部位的浓度与腐蚀释放有关。在动物和临床报告中最常见的观察结果是缺乏可见的腐蚀或腐蚀产物。Watari等人在一项特定的生物相容性研究中，研究了钽植入大鼠腹部皮下组织和股骨骨髓2周或4周后的情况。

X射线扫描分析显微镜（XSAM）未检测到金属在软组织中溶解，电子探针微量分析仪（EPMA）定位程序也未检测到金属在骨中溶解。研究得出结论，钽作为生物材料具有可接受的生物相容性。如果移植体和组织之间出现移动，那么在某些情况下会出现轻微的变色。这类似于钛和钛合金的情况，可能是由氧化颗粒的去除引起。摄入钽和氧化钽会使呼吸系统或胃肠道系统对钽的吸收非常低，这也反映了钽这种材料溶解度较低这一特性。在没有呼吸道疾病的情况下，动物和人的肺、呼吸道和食道中的钽可迅速清除。

(iii) 宿主反应

在人皮肤成纤维细胞培养中，钽颗粒(10-50μm)和纯钛均不会造成生长抑制。其他研究组的钽与其他一些金属和合金，包括不锈钢和纯钛在生物效应方面缺乏联系。很难找到有关钽毒理学效应方面的标准数据。参考文献表明，尚无已知的人类疾病是由钽引起的，工业环境中发生的全身性中毒原因未知，钽和钽化合物未被列为假定的或可能的致癌物。一篇参考文献中引用称，大鼠中五氧化二钽的口服LD50（半数致死量）超过8 g/kg体重。在注射了标签钽的动物模型中，只有15%的钽被保留在体内，其余部分被迅速清除体外。保留在体内的钽中有40%留在骨内。

早期的研究确实报道了人类大脑中钽沉积后产生的脓肿，然而，感染被认为是其中的潜在原因，而非植入材料导致的组织反应。此外，一些早期的临床研究由于植入钽的来源、纯度、术前清洗和消毒程序问题不得不受到一定质疑。当作为钽箔、钽丝、钽棒或钽球植入人体时，有几篇报告 称，钽可以作为骨整合材料。也就是说，骨直接附着在种植体上，而不会影响软组织层或包膜。有人认为，这是因为钽和钛一样，具有一种不导电的表面氧化物，这种氧化物不会使蛋白质变性，因此允许骨整合。支持这一说法的研究工作由Zitter等人提出，他们描述了一种用于测量植入体中金属电流密度的体外系统。这些测量结果与体内生物相容性研究结果一致。在他们的研究中，纯金属如钛、铌和钽的电流密度值最低，这与这些材料具有很高的生物相容性有关。这些材料之所以具有较低的电流密度，是因为这些贱金属具有稳定的氧化层。稳定的氧化层阻止了电子的交换，由此避免了任何的氧化还原反应。因此，这些材料具有生物惰性。Bobyn等人（1）在一项为期52周的犬类研究中使用75%-80%多孔的圆柱形钽植入物，植入到股骨。由于多孔钽植入体早期具有较高的固定强度，该项研究明确证实了骨长入移植体中。报告指出在使用这些材料期间未出现任何不良反应迹象。Kato等人开展的一项碱金属和热处理钽相关研究描述了钽在兔研究中的骨结合能力，研究中未发现提示植入不良反应的组织学效应。Bobyn等（2）人研究了植入钽生物材料对双侧髋关节置换术犬骨组织的影响。多孔钽的骨生长良好，组织病理学检查证实植入物具有良好的生物相容性。Sharma等人的体外研究表明，钽表面的氧化层增强了界面处蛋白质的吸附。研究中使用了多种混合蛋白，其中包括白蛋白、球蛋白和纤维蛋白原。钽植入物生物相容性良好的原因之一在于，钽表面对蛋白质的吸附，而非蛋白质的变性。

在几项研究中，钽被认为具有生物惰性，因此，在某些实验情况下被选为阴性对照。比如，Miller等人在一项研究中使用钽作为阴性对照，其中，对植入了钽的大鼠进行尿液和血浆取样，采用Ames试验检测其诱变活性。所有结果均为阴性。为了缓解神经缺陷，人们正在研制用于神经修复的慢性植入刺激电极。Johnson等人的对比研究对钽-钽氧化物电极在猫的大脑植入中的应用进行了考察。研究结束时将电极取出发现，所有电极均被硬脑膜-拱状结缔组织的纤维鞘松散包裹。电极表面无组织附着。组织学上可见稍增厚的软膜，伴轻微的软膜下神经胶质反应，但皮层区无神经元反应或炎症反应。研究得出结论，钽-钽氧化物电极比铑、铂或碳电极造成的组织损伤更小，且钽-钽氧化物电极不会产生神经毒性作用。

(iv) 临床缓解

钽已有长达50余年的临床应用史

• 因其具有高密度性,作为放射照相标记物用于诊断
• 作为永久性骨植入材料用,防止骨移位
• 作为血管夹用,因为钽的一个特殊优势是它不具有铁磁性,故而高度适合MRI扫描
• 用于颅骨缺陷修复 – 中国医学材料标准中有关于钽在此中的应用
• 作为灵活支架防止动脉破裂
• 作为支架治疗胆道和动静脉(血液透析器)瘘管狭窄
• 用于骨折修复
• 用于牙科
• 其他多方面应用

Aronson等人对钽针和球形钽标记物植入兔和儿童骨组织及软组织在放射成像中的应用进行了研究。标记物周围未见肉眼反应，植入骨的标记物牢牢固定，与相邻骨板紧密接触。家兔镜检未见骨反应或轻度纤维化，6周后见轻度纤维化，但无或仅有轻微炎症反应。在植入后48周，儿童无炎症反应，仅有轻微纤维化。文章的结论部分对钽的生物惰性进行了评述。

结论

现有信息表明,钽具有很强的抗化学腐蚀能力,在还原或氧化状态下几乎不会引起不良的生物学反应。许多研究证实钽在多种应用背景下,包括骨手术中具有很好的生物相容性。在标准化程序中，表面涂有钽的金属及其钽本身不会向萃取介质中释放任何物质，并且表面分析也显示其具有较低的杂志分布。

如果用于制造医疗设备的钽符合相应的纯度标准，那么，就没有必要在动物中进行进一步的生物相容性研究。

报告撰写：日期：2002年4月

Robert J Harling BSc(Hons) CBiol, MIBiol, DipRCPath, MRCPath, Eurotox Registered Toxicologist

参考文献

Aronson,A.S., Jonsson,N. and Alberius,P. Tantalum markers in radiography. Sleletal Radiol. 1985, 14, 207-211.

Birkemose,N-R. Extraction report J.No. 2001734. Danfoss Technology Centre Internal Report 2001.

Black,J. Biological performance of tantalum. Clinical Materials 1994, 16, 167-173.

Bobyn,J.D., Stackpool,G.J., Hacking,S.A., Tanzer,M. and Krygier,J.J. Characteristics of bone ingrowth and interface mechanics of a new porous tanatalum biomaterial. J. Bone and Joint Surgery 1999, 81-B, No.5. (referred in text as Bobyn(1)).

Bobyn,J.D., Toh,K-K, Hacking,S.A., Tanzer,M. and Krygier,J.J. Tissue response to porous tantalum acetabular cups. J. of Arthroplasty 1999, 14, No.3, 347-354. (referred in text as Bobyn(2)).

Crochet,D., Grossetete,R., Bach-Lijour,B., Sagan,C., Lecomte,E., Leurent,B., Brunel,P. and Le Nihouannen,J-C. Plasma treatment effects on the tantalum strecker stent implanted in femoral arteries of sheep. Cardiovasc. Intervent. Radiol. 1994, 17, 285-291.

Johnson,P.F., Bernstein,J.J., Hunter,G., Dawson,W.W. and Hench,L.L. An in vitro and in vivo analysis of anodized tantalum capacitive electrodes: corrosion response, physiology and histology. J. Biomed. Mater. Res. 1977, 11, 637-656.

Kato,H., Nakamura,T., Nishiguchi,S., Matsusue,Y., Kobayashi,M., Miyazaki,T., Kim,H-M. and Kokubo,T. Bonding of alkali- and heat-treated tantalum implants to bone. J. Biomed. Mater. Res. 2000, 53, 28-35.

Matsuno,H., Yokoyama,A., Watari,F., Uo,M. and Kawasaki,T. Biocompatibility and osteogenesis of refractory metal implants, titanium, hafnium, niobium, tantalum and rhenium. Biomaterials 2001, 22, 1253-1262.

Miller,A.C., Fuciarelli,A.F., Jackson,W.E., Ejnik,E.J., Emond,C., Strocko,S., Hogan,J., Page,N. and Pellmar,T. Urinary and serum mutagenicity studies with rats implanted with depleted uranium or tantalum pellets. Mutagenesis 1998, 13, No.6, 643-648.

Sharma,C.P. and Paul,W. Protein interactionwith tantalum: changes with oxide layer and hydroxyapatite at the surface interface. J. Biomed. Mater. Res. 1992, 26, 1179-1184.

Wei,J. Analysis Report: ToF-SIMS characterisation of Ta samples. Danish Polymer Centre, Risø National Laboratory Project No: COMF/ 2001.

Zitter,H. and Plenk Jr,H. The electrochemical behaviour of metallic implant materials as an indicator of their biocompatibility. J. Biomed. Mater. Res. 1987, 21, 881-896.