该项研究由Xiaoyu Wang、Zhenglin Zhu、Haozuo Xiao等来自重庆医科大学附属第一医院骨科的研究团队完成，成果发表于ACS Omega期刊2020年8月刊（Volume 5, Pages 22520-22528）。研究开发了一种新型三维多尺度互连多孔钽支架，并系统评估了其在骨组织工程中的应用潜力。
学术背景
骨缺损的治疗是临床重大挑战，传统自体/异体骨移植存在供体有限和免疫排斥等问题。金属材料因其力学性能成为修复选择，但钛合金等高弹性模量、低孔隙率特性限制了应用。多孔钽（porous tantalum）因其优异的生物惰性、抗腐蚀性和近似松质骨的力学性能（弹性模量0.5-4.0 GPa，孔隙率60-80%）备受关注。然而，现有商业产品（如Zimmer公司）的孔隙参数与天然骨存在差异。本研究旨在开发更接近天然骨小梁结构的三维多孔钽支架，并通过体外和体内实验验证其生物相容性和骨诱导性。
研究流程与实验方法
1. 支架制备与表征
- 制备工艺：采用重庆润泽制药有限公司专利技术，通过海绵载体添加调控孔隙参数，经1500-2100℃高温烧结成型。
- 结构表征：
- SEM观察显示：支架具有三维蜂窝状结构，宏观孔径200-500 μm（图1a），微观互连孔径1-10 μm（图1b-c）
- 工业CT确认：纵向/横向均呈现网状多孔结构（图1c）
- 物理参数：孔隙率60-80%，弹性模量0.5-4.0 GPa，优于Zimmer产品（表1）
2. 体外生物相容性评估
- 细胞实验：
- 使用人脐带间充质干细胞（UC-MSCs），接种于钽粉表面培养
- SEM观察：第3天细胞伸展伪足附着（图2a-b），第5天形成连续细胞层并向材料内部生长（图2c-d）
- 细胞毒性：MTT法检测钽浸提液，培养6天显示无显著细胞毒性（p>0.05）（图2b）
3. 犬股骨缺损模型验证
- 动物模型：
- 7只比格犬建立直径4 mm、深度8 mm的股骨干缺损
- 植入4×8 mm多孔钽棒（每侧2根），术后X线确认位置（图3a）
- 组织学分析：
- 甲基蓝/VG染色显示：3个月时钽棒-宿主骨界面无间隙，骨髓腔侧见新生骨小梁（图4a/5a）；6个月时孔隙内新生骨量显著增加（图4b/5b）
- 定量分析：新生骨面积比3个月（15.2±3.1%） vs 6个月（28.7±4.5%）（p<0.05）（图5c）
- 力学测试：
- 推出试验显示：3个月和6个月组的界面强度与正常骨无统计学差异（图6b-c）
- 失效模式：6个月组2例发生宿主骨断裂而非界面分离
主要结果与科学逻辑
- 结构仿生性：支架的孔隙梯度（宏孔+微孔）模拟天然骨小梁，为细胞迁移和血管化提供三维环境。SEM证实该结构促进细胞伪足延伸（图2），与后续骨整合结果形成证据链。
- 生物相容性：MTT数据（图2b）与SEM细胞形态观察（图2a-d）共同验证材料安全性，为体内实验奠定基础。
- 骨诱导机制：组织学时序变化显示：骨髓腔侧MSCs通过微孔迁移（3个月），最终形成力学稳定的骨-钽复合体（6个月）（图4-5）。推出试验中界面强度与正常骨相当（图6），证实结构仿生对力学整合的关键作用。
结论与价值
本研究开发的新型多孔钽支架具有以下突破：
1. 科学价值：首次实现三尺度（纳米-微米-毫米）孔隙协同仿生，证实随机分布孔隙（200-500 μm）比商业产品的均一孔隙更利于骨长入。
2. 临床应用：相较于Zimmer产品，更宽的参数范围（孔隙率60-80% vs 75-85%）能适配不同部位松质骨需求，弹性模量（0.5-4.0 GPa）精准匹配天然骨，减少应力屏蔽效应。
研究亮点
- 创新设计：通过添加剂调控获得梯度孔隙结构，工业CT/SEM多模态表征（图1）
- 转化证据链：从细胞黏附（体外）→骨长入（组织学）→力学整合（推出试验）的全链条验证
- 参数优化：弹性模量较商业产品降低36%（最低0.5 GPa），更接近松质骨的力学环境
其他发现
研究首次报道多孔钽在骨髓腔环境中的骨诱导特性（图5ba-c），这为髓内钉等承重植入物表面改性提供了新思路。此外，随机孔隙分布导致的各向异性力学性能（表1）可能模拟天然骨的力学适应性，这一特性值得进一步研究。