出品：科普中國

作者：可可（金屬材料學(xué)博士）

監(jiān)制：中國科普博覽

在骨科手術(shù)室里，醫(yī)生們時常面臨這樣的困境：當(dāng)腫瘤切除后留下不規(guī)則的骨缺損，或是關(guān)節(jié)翻修術(shù)中需要填補復(fù)雜的骨質(zhì)空洞時，傳統(tǒng)的修復(fù)材料就像試圖用方塊拼圖去填補曲線輪廓——既難以精準(zhǔn)匹配形態(tài)，力學(xué)性能又常常不盡如人意。而今，一種特殊的金屬材料正在改寫這一局面。它的名字叫多孔鉭，這種在元素周期表中以熔點高達近3000攝氏度而著稱的“最難熔金屬”之一，如今正在人體內(nèi)上演著助力骨骼重生的奇跡。

中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心生命健康材料與器件研究部的劉文濤副研究員團隊，經(jīng)過多年深耕，不僅揭示了多孔鉭促進成骨的分子機制，更創(chuàng)造性地提出了多孔鉭顆粒填充修復(fù)的新策略。這項研究成果已經(jīng)從實驗室走向了手術(shù)臺——2025年7月4日，遼寧省人民醫(yī)院成功完成了國內(nèi)首例多孔鉭顆粒植骨關(guān)節(jié)翻修術(shù)，為一位髖關(guān)節(jié)臼底存在不規(guī)則骨缺損的患者帶來了新的希望。

多孔鉭（左）和松質(zhì)骨（右）顯微結(jié)構(gòu)存在相似性

（圖片來源：參考文獻2）

骨骼重建：一道橫亙在醫(yī)學(xué)面前的難題

人體的骨骼系統(tǒng)是一個精密而復(fù)雜的支撐結(jié)構(gòu)。當(dāng)疾病或創(chuàng)傷導(dǎo)致骨質(zhì)缺損時，修復(fù)工作就變得異常棘手。尤其是在關(guān)節(jié)翻修手術(shù)、嚴(yán)重創(chuàng)傷處理以及骨腫瘤切除術(shù)后，醫(yī)生們常常面對形狀各異、大小不一的骨缺損區(qū)域。這些缺損往往呈現(xiàn)不規(guī)則的三維形態(tài)，如同自然界中被侵蝕的巖石表面，充滿了凹凸起伏和復(fù)雜曲線。

傳統(tǒng)的骨修復(fù)材料在這種情況下顯得力不從心。金屬植入物雖然強度高，但彈性模量遠大于天然骨，容易產(chǎn)生應(yīng)力遮擋效應(yīng)——就像一根過于堅硬的拐杖會讓腿部肌肉逐漸萎縮一樣，過硬的植入物會導(dǎo)致周圍骨組織因受力減少而逐漸退化。而生物陶瓷或骨水泥類材料，雖然生物相容性較好，但難以適配復(fù)雜的缺損形態(tài)，且力學(xué)性能也難以完全滿足臨床需求。

更為關(guān)鍵的是，理想的骨修復(fù)材料不僅要在結(jié)構(gòu)上與缺損區(qū)域完美契合，還要能夠促進新骨的生長，最終實現(xiàn)植入材料與原生骨組織的牢固整合。這就像修復(fù)一座古老建筑，不僅要確保新材料能夠精準(zhǔn)嵌入、支撐結(jié)構(gòu)，還要讓新舊部分融為一體，共同承受荷載，實現(xiàn)長久的穩(wěn)固。

多孔鉭：藏在微觀世界里的生命支架

鉭，這個在化學(xué)元素周期表中排行第73位的金屬，天生就帶著一種“高冷”的氣質(zhì)。它的熔點接近3000攝氏度，化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，甚至能夠抵御王水的腐蝕。正是這種卓越的穩(wěn)定性，讓它在極端環(huán)境下依然能夠保持本色，也讓它成為了理想的生物醫(yī)用材料候選者。

然而，劉文濤團隊研究的并非普通的致密鉭金屬，而是具有特殊結(jié)構(gòu)的多孔鉭。想象一下海綿的微觀結(jié)構(gòu)——無數(shù)相互連通的孔隙構(gòu)成了一個三維網(wǎng)絡(luò)，這正是多孔鉭的形態(tài)特征。這種獨特的多孔結(jié)構(gòu)賦予了材料許多神奇的性質(zhì)。

首先是力學(xué)性能的優(yōu)化。多孔鉭的彈性模量介于天然骨和致密金屬之間，這意味著它既有足夠的強度支撐身體重量，又不會過于堅硬而產(chǎn)生應(yīng)力遮擋。這種恰到好處的力學(xué)匹配，就像是為骨骼定制了一副合身的“盔甲”，既能保護，又不妨礙原有組織的正常功能。

其次是生物學(xué)功能的卓越表現(xiàn)。多孔鉭的三維連通孔隙為細胞的遷移和增殖提供了天然的“高速公路”，營養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物可以在孔隙中自由流通。更重要的是，研究證實多孔鉭能夠顯著加速新骨生成，增強骨與植入體的整合效應(yīng)。新生的骨組織會像藤蔓攀爬在支架上一樣，逐漸長入多孔鉭的孔隙結(jié)構(gòu)中，最終形成一個牢不可破的整體。

劉文濤團隊通過大量的體內(nèi)外實驗進一步證實了多孔鉭的優(yōu)異性能。在動物實驗中，植入多孔鉭后，周圍的成骨細胞活性明顯提高，新骨形成速度顯著加快。這些實驗數(shù)據(jù)不僅驗證了多孔鉭作為骨修復(fù)材料的可行性，更為后續(xù)的機理研究和臨床應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。

臨床所使用的多孔鉭骨植入器件

(a) 多孔鉭制髖關(guān)節(jié)假體

(b) 多孔鉭制膝關(guān)節(jié)假體

(c) 多孔鉭制棒狀植入物

(d) 多孔鉭制脊柱融合器

(e) 多孔鉭制雙向加壓螺釘

(f) 多孔鉭制髖臼翻修假體

（圖片來源：參考文獻2）

顆粒的智慧：填補不規(guī)則缺損的創(chuàng)新方案

在深入理解了多孔鉭的成骨機理后，劉文濤團隊并沒有滿足于理論研究，而是將目光投向了臨床實際問題的解決。他們注意到，雖然多孔鉭材料性能優(yōu)異，但在面對復(fù)雜不規(guī)則的骨缺損時，如何實現(xiàn)完美的形態(tài)匹配仍然是一個挑戰(zhàn)。

答案在于改變材料的形態(tài)——從整塊的植入體轉(zhuǎn)變?yōu)榭闪鲃拥念w粒。這個看似簡單的轉(zhuǎn)變，卻蘊含著深刻的智慧。想象一下，用方塊積木搭建復(fù)雜造型時會遇到很多困難，但如果換成沙子，就可以輕松填充任何形狀的模具。多孔鉭顆粒正是基于這個原理。

團隊研究表明，顆粒形式的多孔鉭具備優(yōu)良的流動性，可以像液體一樣靈活適配各類復(fù)雜缺損形態(tài)。在手術(shù)過程中，醫(yī)生只需要將顆粒填入缺損區(qū)域，它們就會自動適應(yīng)腔隙的形狀，不留任何空白。這種因形就勢的特性，極大地提高了手術(shù)操作的便捷性。

更重要的是，顆粒填充方式能夠顯著降低應(yīng)力遮擋效應(yīng)。因為每個顆粒都相對獨立，它們之間可以產(chǎn)生微小的相對位移，整體表現(xiàn)出一定的“柔性”，更接近天然骨組織的力學(xué)行為。這就像是一堆鵝卵石鋪成的路面，雖然每塊石頭都很堅硬，但整體卻能夠適應(yīng)地形的微小變化。

研究團隊對多孔鉭顆粒進行了深入的材料學(xué)表征。結(jié)果顯示，這些顆粒具有分級多孔結(jié)構(gòu)——不僅顆粒本身是多孔的，顆粒之間也形成了較大的孔隙。這種從納米到微米再到宏觀的多級孔隙結(jié)構(gòu)，為營養(yǎng)物質(zhì)傳輸和細胞遷移提供了更加優(yōu)越的條件。同時，顆粒的彈性模量經(jīng)過精心設(shè)計，與天然骨更加接近，能夠有效促進新骨長入和早期愈合。

不同工藝方法制備的多孔鉭金屬

(a) 在多孔碳支架上進行化學(xué)氣相沉積（CVD）

(b) 在多孔碳化硅支架上進行化學(xué)氣相沉積（CVD）

(c) 聚氨酯泡沫浸漬工藝

(d) 增材制造

(e) 粉末冶金

（圖片來源：參考文獻2）

從實驗室到手術(shù)臺：創(chuàng)新成果的臨床轉(zhuǎn)化

將科研成果轉(zhuǎn)化為切實的社會福祉，是許多科學(xué)研究工作的根本追求。劉文濤團隊深知這一點，因此從研究之初就注重與臨床的緊密結(jié)合，推動科研成果向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

2025年7月4日，遼寧省人民醫(yī)院成功完成了國內(nèi)首例多孔鉭顆粒植骨關(guān)節(jié)翻修術(shù)。這臺手術(shù)的成功實施，標(biāo)志著多孔鉭顆粒填充修復(fù)策略正式走向臨床應(yīng)用。對于接受手術(shù)的患者而言，這意味著他們髖關(guān)節(jié)臼底的不規(guī)則骨缺損得到了有效修復(fù)，生活質(zhì)量有望顯著改善。對于骨科醫(yī)生而言，這提供了一種全新的治療選擇，讓以往難以處理的復(fù)雜骨缺損有了更好的解決方案。

骨骼重生的未來圖景

從基礎(chǔ)研究到臨床應(yīng)用，從機理探索到產(chǎn)品轉(zhuǎn)化，多孔鉭金屬植骨研究的成功為生物材料領(lǐng)域樹立了一個典范。這項研究的意義還遠不止于此。多孔鉭顆粒填充修復(fù)策略的提出，為其他類型的骨缺損修復(fù)提供了新思路。未來，這種策略可能會被推廣到更多的臨床場景中，如脊柱融合、顱頜面修復(fù)等領(lǐng)域。隨著材料制備技術(shù)的進步和臨床經(jīng)驗的積累，多孔鉭材料的性能還將得到進一步優(yōu)化。

從金屬元素周期表的一角，到臨床手術(shù)臺上的新星，鉭的這段旅程詮釋了科技創(chuàng)新的深刻內(nèi)涵。它提醒我們，真正偉大的科學(xué)成就往往誕生于對基礎(chǔ)問題的深入探索，成熟于與實際需求的緊密結(jié)合，最終在造福人類的過程中實現(xiàn)其價值。多孔鉭的故事還在繼續(xù)書寫，而每一個新的篇章，都將為人類戰(zhàn)勝疾病、重獲健康增添新的希望。

參考文獻：

【1】Xudong Li et al 2024 Biomed. Mater. 19 042009.DOI 10.1088/1748-605X/ad5481

【2】趙德偉,李軍雷,大連大學(xué)附屬中山醫(yī)院骨科醫(yī)學(xué)研究中心 大連 116001多孔Ta的制備及其作為骨植入材料的應(yīng)用進展,金屬學(xué)報.2017 , 53 (10): 1303-1310.https://doi.org/10.11900/0412.1961.2017.00260