Клинические применения пористого тантала

Пористый тантал стал чудесным материалом в биомедицинской инженерии благодаря своей превосходной биосовместимости, коррозионной стойкости и свойствам, соответствующим механике натуральной кости. Изначально он был синтезирован для ортопедии, а в настоящее время его применение распространилось на стоматологию, сердечно-сосудистые устройства и экспериментальную регенеративную медицину. Давайте рассмотрим его экспериментальное и клиническое применение.

[1]

Почему именно пористый тантал?

Тантал - тугоплавкий металл, который имеет множество преимуществ при использовании в качестве биоматериала. Пористый тантал особенно востребован для остеоинтеграции в дополнение к долгосрочной биологической стабильности.

Пористый тантал изготавливается путем нанесения тантала на строительный каркас, что позволяет создать высокооднородную, взаимосвязанную структуру, идеально подходящую для медицинских имплантатов. Танталовая пена, получаемая методами спекания или пространственного держателя, имеет менее регулярную структуру пор и обычно используется в конструкционных или экспериментальных приложениях, где допустима более низкая точность.

Пористый тантал обладает рядом важных свойств, которые хорошо подходят для биомедицинских применений.

• Высокая пористость, до 80 %, обеспечивает врастание и васкуляризацию тканей.
• Его модуль упругости весьма схож с модулем упругости костной ткани, что минимизирует экранирование напряжений и способствует естественной передаче нагрузки.
• Пористый тантал также обладает превосходной коррозионной стойкостью, оставаясь стабильным и инертным в физиологических условиях.
• Благодаря высокому коэффициенту трения он также обладает максимальной начальной механической стабильностью при имплантации.

Все эти характеристики делают пористый тантал особенно подходящим для использования в несущих нагрузку имплантатах, а также в тканеинженерных скаффолдах.

Дополнительное чтение: Тантал: Свойства и применение

[2]

1. Ортопедические имплантаты

Пористый тантал широко используется в ортопедической реконструктивной хирургии, особенно у пациентов с сильной потерей костной ткани или ее низким качеством.

--Артропластика тазобедренного и коленного суставов пористым танталом

Пористый тантал является эффективным материалом для сложных операций по артропластике тазобедренного и коленного суставов. Механическая стабильность в сочетании с высоким потенциалом роста костной ткани особенно полезна при ревизионной тотальной артропластике тазобедренного сустава (ТТА) и тотальной артропластике коленного сустава.

При ревизионной ТТА все чаще используются пористые танталовые модульные аугменты и ацетабулярные чашки для устранения обширной потери костной ткани и сложных дефектов вертлужной впадины. Эти имплантаты имеют высокопористую поверхность, которая обеспечивает быстрое врастание кости, а благодаря высокому коэффициенту трения они обеспечивают прочную первичную фиксацию.

Знаковая клиническая работа Weeden и Schmidt (2008) подтвердила 98% выживаемость в течение пяти лет у людей, получивших пористые танталовые ацетабулярные чашки при ревизионном ТЭЛА. В статье рассматривались 43 сложных ревизии вертлужной впадины, включая 33 дефекта типа 3A по Папроски и 10 дефектов типа 3B с сильной потерей кости и разрывом таза. В 26 из них для дополнения вертлужной впадины использовались модульные танталовые аугменты. При среднем наблюдении в течение 2,8 лет 42 из 43 компонентов оставались стабильными, а единственная неудача была вызвана септическим расшатыванием. [3]

При тотальной артропластике коленного сустава пористые танталовые конусы широко используются при лечении больших метафизарных костных дефектов, обеспечивая как биологическую, так и механическую фиксацию. Конусы позволяют восстановить костный запас и создать прочную основу для фиксации имплантата в случае обширной потери кости.

--Клетки для спинальной фузии

Тантал продемонстрировал огромный потенциал в хирургии позвоночника, особенно в качестве межтеловых кейджей для процедуры трансфораминального поясничного межтелового эндопротезирования (TLIF). Танталовые кейджи разработаны для оптимизации стабильности позвоночника и способствуют интеграции костной ткани, снижая риск проседания имплантата за счет механической совместимости с прилежащей костью.

Клинически доказано, что остеоинтеграция танталовых кейджей превосходит остеоинтеграцию традиционных материалов, таких как полиэфирэфиркетон (PEEK). Ретроспективный анализ 40 пациентов, перенесших TLIF, позволил оценить результаты, включая облегчение симптомов, возвращение к активной деятельности и рентгенографическое сращение. Хотя обе группы, металлический и PEEK-клетка, показали схожее улучшение функции, были заметны различия в реакции костной ткани и результатах сращения. [4]

При наблюдении в течение одного года остеолиз произошел в 50 % случаев с использованием PEEK-клетки, в то время как с использованием металлического кейджа - только в 10 %. Кроме того, в 40 % случаев наблюдалось сращение металлического кейджа, что намного лучше, чем в 15 % случаев с кейджами из полиэфирэфиркетона. Эти результаты свидетельствуют об остеоиндуктивной природе тантала, а также о его высокой биосовместимости и механической компетентности.

2. Зубные имплантаты

Биосовместимость и способность тантала к остеоинтеграции используются в зубных имплантатах для пациентов с плохим качеством кости или ранее неудачными имплантатами. Его использование связано с сокращением времени заживления и более длительной фиксацией по сравнению со стандартными титановыми имплантатами.

В доклиническом исследовании на модели мыщелка бедренной кости кролика изучались характеристики танталовых имплантатов из трабекулярного металла (TM) в сравнении с традиционными титановыми имплантатами с винтовыми отверстиями (TSV). В ходе исследования 20 имплантатов (10 TM и 10 TSV) были случайным образом установлены в 10 новозеландских белых кроликов. После 8-недельной фазы заживления имплантаты были оценены с помощью микрокомпьютерной томографии (микро-КТ), гистологии и гистоморфометрии. [5]

Результаты показали, что имплантаты TM значительно лучше имплантатов TSV в плане контакта кости с имплантатом (BIC) и объема кости (BV) в интересующей области. У имплантатов TM BIC составил 57,9 % ± 6,5, по сравнению с 47,6 % ± 8 у TSV. Аналогично, BV составил 57 % ± 7,3 для имплантатов TM и 46,4 % ± 7,4 для TSV. Результаты микротомографии также подтвердили полученные данные: в группе TM процент объема кости составил 89,1 % ± 8,7 по сравнению с 79,1 % ± 8,6 в группе TSV.

3. Краниомаксиллофациальная реконструкция

Пористые танталовые пластины и сетки используются в сложных реконструкциях лица, обеспечивая как эстетическое соответствие, так и механическую стабильность. Открытая структура пор обеспечивает интеграцию мягких тканей, а также снижает риск инфицирования.

Тантал обладает повышенной остеогенной способностью по сравнению с традиционными материалами, такими как Ti6Al4V, и поэтому особенно полезен для стимулирования роста костной ткани в сложных областях челюсти и лица.

Для решения проблемы очень персонализированной природы дефектов CMF была использована технология 3D-печати для производства пористых танталовых имплантатов, ориентированных на конкретного пациента. В одном из недавних исследований были изучены 3D-печатные танталовые скаффолды с нанотопографической модификацией поверхности, подготовленной с помощью гидротермальной обработки. Сообщалось, что такая поверхностная инженерия способствует повышению биоактивности скаффолда, поддерживая адгезию остеобластов и вызывая остеогенную дифференцировку стволовых клеток костного мозга (СККМ) [6]

Заключение

Пористый тантал оказал широкое влияние на медицинскую практику, в частности на хирургию ортопедических и стоматологических имплантатов. При дальнейшем прогрессе в области обработки и персонализации пористый тантал будет оставаться краеугольным камнем завтрашних имплантируемых биоматериалов. Для получения дополнительной продукции из тантала и технической поддержки, пожалуйста, обратитесь к Stanford Advanced Materials (SAM).

Ссылки:

[1] Mohandas, Gokhuldass & Oskolkov, Nikita & Mcmahon, Michael & Walczak, Piotr & Janowski, Miroslaw. (2014). Пористые наночастицы тантала и оксида тантала для регенеративной медицины. Acta neurobiologiae experimentalis. 74. 188-96. 10.55782/ane-2014-1984.

[2] Wang X, Zhou K, Li Y, Xie H, Wang B. Preparation, modification, and clinical application of porous tantalum scaffolds. Front Bioeng Biotechnol. 2023 Apr 4;11:1127939. doi: 10.3389/fbioe.2023.1127939. PMID: 37082213; PMCID: PMC10110962.

[3] Steven H. Weeden, Robert H. Schmidt, The Use of Tantalum Porous Metal Implants for Paprosky 3A and 3B Defects, The Journal of Arthroplasty, Volume 22, Issue 6, Supplement, 2007, Pages 151-155, ISSN 0883-5403.

[4] Cuzzocrea F, Ivone A, Jannelli E, Fioruzzi A, Ferranti E, Vanelli R, Benazzo F. PEEK versus metal cages in posterior lumbar interbody fusion: a clinical and radiological comparative study. Musculoskelet Surg. 2019 Dec;103(3):237-241. doi: 10.1007/s12306-018-0580-6. Epub 2018 Dec 10. PMID: 30536223.

[5] Al Deeb M, Aldosari AA, Anil S. Osseointegration of Tantalum Trabecular Metal in Titanium Dental Implants: Histological and Micro-CT Study. J Funct Biomater. 2023 Jul 6;14(7):355. doi: 10.3390/jfb14070355. PMID: 37504850; PMCID: PMC10382015.

[6] Zhang C, Zhou Z, Liu N, Chen J, Wu J, Zhang Y, Lin K, Zhang S. Osteogenic differentiation of 3D-printed porous tantalum with nano-topographic modification for repairing craniofacial bone defects. Front Bioeng Biotechnol. 2023 Aug 21;11:1258030. doi: 10.3389/fbioe.2023.1258030. PMID: 37671184; PMCID: PMC10475942.