出品：科普中國(guó)

作者：可可（金屬材料學(xué)博士）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

在骨科手術(shù)室里，醫(yī)生們時(shí)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(bǔ)復(fù)雜的骨質(zhì)空洞時(shí)，傳統(tǒng)的修復(fù)材料就像試圖用方塊拼圖去填補(bǔ)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(xiě)這一局面。它的名字叫多孔鉭，這種在元素周期表中以熔點(diǎn)高達(dá)近3000攝氏度而著稱(chēng)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(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)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(tuán)隊(duì)，經(jīng)過(guò)多年深耕，不僅揭示了多孔鉭促進(jìn)成骨的分子機(jī)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(xiàng)研究成果已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室走向了手術(shù)臺(tái)——2025年7月4日，遼寧省人民醫(yī)院成功完成了國(guó)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(lái)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(lái)源：參考文獻(xiàn)2）

骨骼重建：一道橫亙?cè)卺t(yī)學(xué)面前的難題

人體的骨骼系統(tǒng)是一個(gè)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(shí)，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(duì)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(mǎn)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(qiáng)度高，但彈性模量遠(yuǎn)大于天然骨，容易產(chǎn)生應(yīng)力遮擋效應(yīng)——就像一根過(guò)于堅(jiān)硬的拐杖會(huì)讓腿部肌肉逐漸萎縮一樣，過(guò)硬的植入物會(huì)導(dǎo)致周?chē)墙M織因受力減少而逐漸退化。而生物陶瓷或骨水泥類(lèi)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(mǎn)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(jìn)新骨的生長(zhǎng)，最終實(shí)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(shí)現(xiàn)長(zhǎng)久的穩(wěn)固。

多孔鉭：藏在微觀世界里的生命支架

鉭，這個(gè)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(diǎn)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(tuán)隊(duì)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(wú)數(shù)相互連通的孔隙構(gòu)成了一個(gè)三維網(wǎng)絡(luò)，這正是多孔鉭的形態(tài)特征。這種獨(dú)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(qiáng)度支撐身體重量，又不會(huì)過(guò)于堅(jiān)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(hù)，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(xì)胞的遷移和增殖提供了天然的“高速公路”，營(yíng)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(shí)多孔鉭能夠顯著加速新骨生成，增強(qiáng)骨與植入體的整合效應(yīng)。新生的骨組織會(huì)像藤蔓攀爬在支架上一樣，逐漸長(zhǎng)入多孔鉭的孔隙結(jié)構(gòu)中，最終形成一個(gè)牢不可破的整體。

劉文濤團(tuán)隊(duì)通過(guò)大量的體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了多孔鉭的優(yōu)異性能。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，植入多孔鉭后，周?chē)?span id="gcu0kis" class="technical_term" style="box-sizing: border-box; color: rgb(0, 85, 255); cursor: pointer;">成骨細(xì)胞活性明顯提高，新骨形成速度顯著加快。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不僅驗(yàn)證了多孔鉭作為骨修復(fù)材料的可行性，更為后續(xù)的機(jī)理研究和臨床應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)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(lái)源：參考文獻(xiàn)2）

顆粒的智慧：填補(bǔ)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(jī)理后，劉文濤團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有滿(mǎn)足于理論研究，而是將目光投向了臨床實(shí)際問(wèn)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(duì)復(fù)雜不規(guī)則的骨缺損時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)完美的形態(tài)匹配仍然是一個(gè)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?dòng)的顆粒。這個(gè)看似簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)變，卻蘊(yùn)含著深刻的智慧。想象一下，用方塊積木搭建復(fù)雜造型時(shí)會(huì)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(gè)原理。

團(tuán)隊(duì)研究表明，顆粒形式的多孔鉭具備優(yōu)良的流動(dòng)性，可以像液體一樣靈活適配各類(lèi)復(fù)雜缺損形態(tài)。在手術(shù)過(guò)程中，醫(yī)生只需要將顆粒填入缺損區(qū)域，它們就會(huì)自動(dòng)適應(yīng)腔隙的形狀，不留任何空白。這種因形就勢(shì)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?yàn)槊總€(gè)顆粒都相對(duì)獨(dú)立，它們之間可以產(chǎn)生微小的相對(duì)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(jiān)硬，但整體卻能夠適應(yīng)地形的微小變化。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)多孔鉭顆粒進(jìn)行了深入的材料學(xué)表征。結(jié)果顯示，這些顆粒具有分級(jí)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(jí)孔隙結(jié)構(gòu)，為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)傳輸和細(xì)胞遷移提供了更加優(yōu)越的條件。同時(shí)，顆粒的彈性模量經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，與天然骨更加接近，能夠有效促進(jìn)新骨長(zhǎng)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(jìn)行化學(xué)氣相沉積（CVD）

(b) 在多孔碳化硅支架上進(jìn)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(lái)源：參考文獻(xiàn)2）

從實(shí)驗(yàn)室到手術(shù)臺(tái)：創(chuàng)新成果的臨床轉(zhuǎn)化

將科研成果轉(zhuǎn)化為切實(shí)的社會(huì)福祉，是許多科學(xué)研究工作的根本追求。劉文濤團(tuán)隊(duì)深知這一點(diǎn)，因此從研究之初就注重與臨床的緊密結(jié)合，推動(dòng)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(guó)內(nèi)首例多孔鉭顆粒植骨關(guān)節(jié)翻修術(shù)。這臺(tái)手術(shù)的成功實(shí)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(duì)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(duì)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(lái)圖景

從基礎(chǔ)研究到臨床應(yīng)用，從機(jī)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(shù)立了一個(gè)典范。這項(xiàng)研究的意義還遠(yuǎn)不止于此。多孔鉭顆粒填充修復(fù)策略的提出，為其他類(lèi)型的骨缺損修復(fù)提供了新思路。未來(lái)，這種策略可能會(huì)被推廣到更多的臨床場(chǎng)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(jìn)步和臨床經(jīng)驗(yàn)的積累，多孔鉭材料的性能還將得到進(jìn)一步優(yōu)化。

從金屬元素周期表的一角，到臨床手術(shù)臺(tái)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(duì)基礎(chǔ)問(wèn)題的深入探索，成熟于與實(shí)際需求的緊密結(jié)合，最終在造福人類(lèi)的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)其價(jià)值。多孔鉭的故事還在繼續(xù)書(shū)寫(xiě)，而每一個(gè)新的篇章，都將為人類(lèi)戰(zhàn)勝疾病、重獲健康增添新的希望。

參考文獻(xiàn)：

【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(jìn)展,金屬學(xué)報(bào).2017 , 53 (10): 1303-1310.https://doi.org/10.11900/0412.1961.2017.00260