“會生長”的金屬來了！最難熔的鉭，助力骨骼重生

在骨科手術室里，醫生們時常面臨這樣的困境：當腫瘤切除后留下不規則的骨缺損，或是關節翻修術中需要填補復雜的骨質空洞時，傳統的修復材料就像試圖用方塊拼圖去填補曲線輪廓——既難以精準匹配形態，力學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，如今正在人體內上演著助力骨骼重生的奇跡。

中國科學院金屬研究所沈陽材料科學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，經過多年深耕，不僅揭示了多孔鉭促進成骨的分子機制，更創造性地提出了多孔鉭顆粒填充修復的新策略。這項研究成果已經從實驗室走向了手術臺——2025年7月4日，遼寧省人民醫院成功完成了國內首例多孔鉭顆粒植骨關節翻修術，為一位髖關節臼底存在不規則骨缺損的患者帶來了新的希望。

多孔鉭（左）和松質骨（右）顯微結構存在相似性

（圖片來源：參考文獻2）

骨骼重建：一道橫亙在醫學面前的難題

人體的骨骼系統是一個精密而復雜的支撐結構。當疾病或創傷導致骨質缺損時，修復工作就變得異常棘手。尤其是在關節翻修手術、嚴重創傷處理以及骨腫瘤切除術后，醫生們常常面對形狀各異、大小不一的骨缺損區域。這些缺損往往呈現不規則的三維形態，如同自然界中被侵蝕的巖石表面，充滿了凹凸起伏和復雜曲線。

傳統的骨修復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，容易產生應力遮擋效應——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，但難以適配復雜的缺損形態，且力學性能也難以完全滿足臨床需求。

更為關鍵的是，理想的骨修復材料不僅要在結構上與缺損區域完美契合，還要能夠促進新骨的生長，最終實現植入材料與原生骨組織的牢固整合。這就像修復一座古老建筑，不僅要確保新材料能夠精準嵌入、支撐結構，還要讓新舊部分融為一體，共同承受荷載，實現長久的穩固。

多孔鉭：藏在微觀世界里的生命支架

鉭，這個在化學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。它的熔點接近3000攝氏度，化學性質極其穩定，甚至能夠抵御王水的腐蝕。正是這種卓越的穩定性，讓它在極端環境下依然能夠保持本色，也讓它成為了理想的生物醫用材料候選者。

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

首先是力學性能的優化。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生應力遮擋。這種恰到好處的力學匹配，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。

其次是生物學功能的卓越表現。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”，營養物質和代謝產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。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構中，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外實驗進一步證實了多孔鉭的優異性能。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。這些實驗數據不僅驗證了多孔鉭作為骨修復材料的可行性，更為后續的機理研究和臨床應用奠定了堅實基礎。

臨床所使用的多孔鉭骨植入器件

(a) 多孔鉭制髖關節假體

(b) 多孔鉭制膝關節假體

(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：填補不規則缺損的創新方案

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異，但在面對復雜不規則的骨缺損時，如何實現完美的形態匹配仍然是一個挑戰。

答案在于改變材料的形態——從整塊的植入體轉變為可流動的顆粒。這個看似簡單的轉變，卻蘊含著深刻的智慧。想象一下，用方塊積木搭建復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良的流動性，可以像液體一樣靈活適配各類復雜缺損形態。在手術過程中，醫生只需要將顆粒填入缺損區域，它們就會自動適應腔隙的形狀，不留任何空白。這種因形就勢的特性，極大地提高了手術操作的便捷性。

更重要的是，顆粒填充方式能夠顯著降低應力遮擋效應。因為每個顆粒都相對獨立，它們之間可以產生微小的相對位移，整體表現出一定的“柔性”，更接近天然骨組織的力學行為。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表征。結果顯示，這些顆粒具有分級多孔結構——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構，為營養物質傳輸和細胞遷移提供了更加優越的條件。同時，顆粒的彈性模量經過精心設計，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氣相沉積（CVD）

(b) 在多孔碳化硅支架上進行化學氣相沉積（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）

從實驗室到手術臺：創新成果的臨床轉化

將科研成果轉化為切實的社會福祉，是許多科學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合，推動科研成果向實際應用轉化。

2025年7月4日，遼寧省人民醫院成功完成了國內首例多孔鉭顆粒植骨關節翻修術。這臺手術的成功實施，標志著多孔鉭顆粒填充修復策略正式走向臨床應用。對于接受手術的患者而言，這意味著他們髖關節臼底的不規則骨缺損得到了有效修復，生活質量有望顯著改善。對于骨科醫生而言，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

從基礎研究到臨床應用，從機理探索到產品轉化，多孔鉭金屬植骨研究的成功為生物材料領域樹立了一個典范。這項研究的意義還遠不止于此。多孔鉭顆粒填充修復策略的提出，為其他類型的骨缺損修復提供了新思路。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、顱頜面修復等領域。隨著材料制備技術的進步和臨床經驗的積累，多孔鉭材料的性能還將得到進一步優化。

從金屬元素周期表的一角，到臨床手術臺上的新星，鉭的這段旅程詮釋了科技創新的深刻內涵。它提醒我們，真正偉大的科學成就往往誕生于對基礎問題的深入探索，成熟于與實際需求的緊密結合，最終在造福人類的過程中實現其價值。多孔鉭的故事還在繼續書寫，而每一個新的篇章，都將為人類戰勝疾病、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,大連大學附屬中山醫院骨科醫學研究中心 大連 116001多孔Ta的制備及其作為骨植入材料的應用進展,金屬學報.2017 , 53 (10): 1303-1310.https://doi.org/10.11900/0412.1961.2017.00260