钽具有“亲生物”金属之称，纯钽应用于骨科医疗至今已有80多年。80年，瑞典化学家Ekeberg在矿石中发现了钽，并以Tantalus命名。年罗兹用钠还原NaTaF7方法，获得了较高纯度的钽。
随后，凭借其独特的理化性质和极佳的生物惰性与生物相容性，纯钽于年首次被应用于骨科领域，至今已有80年的临床应用历史，成为了继钛金属之后又一种新型生物材料，被广泛应用在口腔种植体植入、股骨头坏死治疗、冠状动脉支架植入、人工髋臼假体植入、外科手术缝合线制作等医学相关领域。大量文献证实，纯钽作为人体植入物尚未发生不良反应。
.生物学和理化性质钽的物理性质
纯钽是一种灰色、光亮、坚硬的金属，硬度适中，延展性好，可拉成比头发丝还细的钽丝。见图：
图.金属的物理性质
力学性能
纯钽与骨组织弹性模量相差较大，不利于骨结合。而多孔钽作为新型的骨科植入材料，内部结构相互连通，纵横交织。具有高孔隙率、低弹性模量及高表面摩擦系数等物理特性。
在力学性能方面，多孔钽优于实体钽和其他常用的医用金属材料。其特殊孔结构使其弹性模量介于人的松质骨和皮质骨之间，特别适用于骨置换，关节置换和人体组织填充。可在提供力学强度的同时减少应力遮挡，利于应力传导，便于骨骼塑形，又兼具有优良的骨诱导性，广泛应用于骨科领域，并取得了理想疗效。
与其他多孔材料相比，多孔钽的摩擦系数相对于松质骨和皮质骨分别是0.80和0.74，与骨组织之间的摩擦系数要比传统金属材料高40%~80%。这有助于与宿主骨界面结合，增强植入初期的稳定性。
良好的耐腐蚀性
在室温下，钽不会与盐酸，浓硝酸甚至王水反应，普通的无机盐也不会腐蚀它。化学性质极其稳定，除氢氟酸、三氧化硫、热浓硫酸和碱外，能抵抗所有无机和有机酸腐蚀。
良好的生物相容性
与传统的医用金属材料不同，生物组织在植入一段时间后会在钽上生长，就像在真实骨骼上生长一样。因此钽也被称为“亲金属”。
良好的骨生物活性
具有生物活性的骨材料界面是羟基磷灰石层而不是结缔组织层，钽金属本身具有良好的骨生物活性和稳定的生物惰性，这使它与骨之间形成强有力的骨界面整合。
二、行业情况.临床需求高，市场规模大制备生物相容性高的骨性支架一直是医学领域的研究热点课题之一，我国每年约有不少于万例的医疗人体骨骼植入，每例价格达数万乃至十多万元。根据EvaluateMedTech，骨科相关的医疗器械在07年全球的销售为亿美元，04年将达47亿美元，年复合增长为3.7%。而据南方医药经济研究所数据，08年国内骨科植入耗材市场规模为58亿元，04-08年CAGR为7.%，其预计到03年，规模可达亿元，09-03年CAGR达4.%，增速远超全球市场潜力巨大。
.当前骨科金属植入材料医疗人体骨骼植入材料的选择，早先应用的材料是不锈钢、镍铬合金、镍钛合金，最近、3年时兴的是TC4钛合金，这些材料含镍、铬、或铝、钒等有害元素，而且由于其弹性模量超出人体骨骼太多、材料与人体亲和力低，容易发生“骨不粘”现象。医疗界专家和市场迫切需要新型的无毒无害的、人体亲和力好的新材料来改善目前的局面。
3.多种尺寸植入物，不同临床应用场景多孔钽具有诸多优势如：（）可与宿主骨界面完美整合：相比于最常用的钛金属，钽金属生物相容性更佳，骨融合能力更强。（）独特的仿生骨小梁结构：钽金属的弹性模量更接近骨组织，较其他金属更适合仿生人体的骨小梁结构。（3）诱导骨和血管快速长入：可以促进骨组织和血管组织快速长到多孔钽的孔隙中，其高度的多孔性和支撑结构提供了广泛的骨长入空间，形成良好的生物固定作用，可有效解决骨水泥放热，对周围组织的影响，是临床上的一大进步。
上述优势，使其在不同尺寸骨科植入物，和不同部位骨缺损中展现出极大的临床应用价值和适用空间。
)多孔钽在骨科中的应用在临床应用中，可采取中小尺寸修复产品全部应用多孔钽打印。大尺寸修复产品，考虑到纯钽的密度高，打印的植入假体过重，可采用多组分梯度打印，在骨长入区域采用多孔钽，其他区域可以选用价格便宜、质量较轻的钛合金等其他金属。
随着近年来人们对钽材料研究的不断深入，已有多项临床试验结果证明医用钽与钛等金属相结合制成的新型植入体可弥补其他金属材料在生物相容性、生物活性及种植体-骨性结合等方面所存在的不足。相关产品如表所示：
产品
材料体系
介绍
适用部位
多孔钽棒
纯钽
?具良好生物相容性和低弹性模量，可为软骨下骨板起到支撑作用
?多孔钽棒为一长70~30mm、直径0mm的圆柱体，末端螺纹长5mm，直径4mm
髓芯减压术治疗股骨头坏死
胫骨平台假体与胫骨锥状填充物
纯钽
?严重的胫骨缺损是膝关节翻修术中的一大难题，多孔钽胫骨锥状垫块为治疗严重且复杂的胫骨缺损提供了新方法
膝关节置换
脊柱融合装置
纯钽
?多孔钽的弹性模量与骨组织相近，制成的椎间融合器具微孔结构，骨组织可以沿着微孔长入在椎间植骨融合时特别是全椎板切除时，能最大限度保留其他部位的骨组织，避免二次损伤，同时也不影响椎间植骨融合疗效
颈椎融合手术
一体化髋臼杯与髋臼增强垫块
钽+其他材料
?预先制备一个厚约5mm钽罩，然后将聚乙烯臼衬压入多孔钽罩内.0~.0mm厚，其多孔结构有利于骨与软组织长入
全髋关节置换翻修
髌骨假体
钽+其他材料
?有临床报道多孔钽髌骨假体用于髌骨骨缺损的可恢复膝关节的运动功能
?通常由以下３部分组成：多孔钽突起面与髌骨或髌韧带相结合，平坦面和聚乙烯髌骨相固定；多孔钽边缘是纯钛，上面有孔，通过该孔可以将多孔钽髌骨假体缝合到髌韧带上；人工聚乙烯髌骨面和多孔钽金属固定，另一面和股骨滑车契合
髌骨严重骨缺损和髌骨切除后的患者
表：多孔钽产品在临床上的应用
)钽涂层——骨科应用新方向钽金属具优异的耐腐蚀性，将其涂覆在某些医用金属材料表面，可有效阻止有毒元素的释放，提高金属材料的生物相容性。钽涂层能满足理想的骨移植材料三要素，即骨传导、骨诱导和骨生成作用，从而临床应用越加广泛，患者选择更加灵活。
目前钽涂层骨移植材料研究热度很高，根据国家知识产权局的部分数据统计，钽涂层专利详见表：
序号
申请号
申请(专利权)人
发明(设计)名称
重庆文理学院
一种钽涂层制备方法
中国科学院金属研究所；东北大学
一种提高溅射钽涂层与合金钢基体界面结合力的方法
3
西北有色金属研究院
多孔氧化锌和氧化钽涂层共修饰的人工植入体及其制备方法
4
中国科学院上海硅酸盐研究所
一种兼具良好生物相容性和光热转换效果的氧化钽涂层及其制备方法和应用
5
赵德伟;?马志杰;?李军雷
个性化3D打印多孔钛基钽涂层接骨板及其制备方法
6
赵德伟;?马志杰;?李军雷
一种钛基钽涂层生物植入物材料的制备方法
7
西北有色金属研究院
表面包覆钽涂层的医用多孔钛或钛合金材料的制备方法
8
韩国东海碳素株式会社
碳化钽涂层碳材料
9
医院
一种多孔钽涂层的人工种植体及其制备方法
0
X
医院
一种钛基钽涂层生物支架材料及其制备方法
中国人民解放军第二军医大学
一种钽涂层椎弓根螺钉及其制备方法
08X
吉林大学
钽涂层多级孔聚醚醚酮人工骨支架的3D打印制造方法
3
西安福安创意咨询有限责任公司
钽涂层人工肩关节假体的设计方法
4
西安福安创意咨询有限责任公司
钽涂层人工肘关节假体的设计方法
5
中国人民解放军第四军医大学
一种钽涂层人工假体制备方法
6
皇家飞利浦电子股份有限公司
透明氧化锆－钽和/或氧化钽涂层
表：钽涂层植入物相关专利
此外，钽金属也已作为种植体材料被应用于缺失牙患者的修复治疗中。有实验表明，在牙合力负载过程中，传统种植体可吸收负载能量的30%，而钽金属骨小梁种植体可吸收50%-75%，使得种植体在长期的口内功能负载中将牙合力分散至周围骨质中，避免了应力集中，而较高的摩擦系数使其在种植体植入过程中具有良好的初期稳定性，从而提高种植牙的结合率，特别是骨质量较差的种植患者。
三、捷迈邦美(ZIMMER)独家垄断多年，工艺繁杂，成本较高.多孔钽的临床应用史多孔钽最早由美国新泽西州的Implex公司开发，商品名Hedrocel。年，美国FDA批准多孔钽用于人工髋臼假体。年Implex被Zimmer公司收购，并将Hedrocel更名为TrabecularMetalTM（骨小梁金属），之后该产品被广泛应用于初次关节置换和翻修关节置换手术、肿瘤重建手术、脊柱融合、股骨头坏死以及足踝手术中。Zimmer产品已临床应用近0年，深受医生和患者认可，市场份额逐年提升。
.Zimmer多孔钽的化学气相沉积工艺Zimmer的宏观多孔结构由网状玻璃碳支架构成，钽金属在支架表面通过化学气相沉积/渗透（CVD/CVI）的方式覆盖。纯钽做为原料，使用化学气相沉积（Chemicalvapordeoposition，）方法，与Cl发生反应，生成气态TaCl5，再使用H将TaCl5中的Ta还原出来并沉积到碳骨架上，形成类似松质骨的独特多孔结构。CVD制备的多孔钽具有海绵状的多孔结构、纵横交错的网格以及分布整体的孔道，网格呈多重十二面体结构，孔径大小为~μm，孔隙率为75~85%，钽层厚度为40~60μm，可通过调节钽层厚度来调整多孔钽的机械性能。
3.多孔钽产品临床价值高，渗透率低据行业专家和三方机构调研，多孔钽系列产品作为骨科植入的高端产品，几乎占据Zimmer全产品线的/3，年销售额约为0亿元，且近年持有0%左右的增速。若按关节初次植入后0年作为翻修/置换时间预测，多孔钽产品作为关节翻修的必须明星产品，即将迎来一轮更快的增速。
此外，多孔钽多年临床评估结果显示TrabecularMetalTM（骨小梁金属）具有优越的多孔特性，可以提供骨科植入物所需的生理强度，和类似松质骨的弹性模量。但Zimmer气相沉积工艺繁杂带来的原料、设备、厂房成本，人工成本和进口关税等导致捷迈多孔钽产品价格昂贵。据了解，国内销售的zimmer多孔钽棒价格一般在.5万元人民币以上（不同城市价格略有差异）。因此多孔钽产品临床疗效虽备受骨科医生认可，但进口产品垄断价格昂贵导致国内渗透率不高。
四、未来国产化方向是3D打印个性化定制多孔钽虽为理想的骨科植入材料。但由于人体的差异性、骨缺损部位形态的随机性，如骨肿瘤患者、骨畸形患者等，标准化多孔钽已经不能满足患者个性化治疗要求。从临床医学发展趋势看，最好的治疗方法应该是个性化治疗，最好的植入体应该是个性化植入体。
)推动因素国家扶持
随着3D打印技术成熟，国家大力提倡精准医疗，传统工艺无法做到个性化，3D打印既可以做个性化也可以做批量生产。同时为了打破zimmer垄断，国家在06年底，设立了3D打印多孔钽重点研发专项，鼓励创新。
3D打印技术优势
（）3D打印技术的精确、个性化定制。计算机辅助设计，根据患者的CT和MRI影像学数据进行配准，建立计算机3D模型，根据患者实际的骨缺损/坏死区域，精准打印个性化定制解剖学形态匹配的植入物。植入产品贴合度和表面粗糙度，完美填充了巨大骨缺损，确保了骨缺损后钽金属垫块植入的初始稳定性，表面粗糙多孔的金属骨小梁设计又可以使自体骨快速长入金属孔隙内，从而获得假体与自体骨的长期稳定，手术的操作流程大大简化，并减少了手术并发症。
（）3D打印技术可按需定制按需升级。据了解，进口的钽金属棒产品顶端是圆柱体的平面，在与圆弧型的股骨头接触时，只有单个的接触点受力。而不同于传统工艺制备出一成不变孔道的骨小梁结构，3D打印可定制出适配性高、组织相容性较好的内植入物，应用于硬组织缺损修复。
随着技术的不断发展，3D打印技术也会逐渐完善，应用于临床骨科疾病治疗中，不仅可提高治疗效果，同时对改善患者预后具有一定促进意义。
成本优势
原材料成本：相较于传统铸造和机加工工艺，3D打印工艺可减少0-30%的原料浪费。
生产线和设备成本：基于3D打印工艺，产品可做批量化定制生产，产量可根据需求调整打印机设备的型号大小和数量。同时，较之传统工艺的车模刨铣和机加工步骤，节省了众多辅助设备的成本损耗。
人力成本：鉴于3D打印仅需一名工程师操作，极大减低传统工艺生产线上的人力损耗。
环保费用：zimmer化学气相沉积工艺过程中会产生盐酸等有害物质，需做环保处理
)国内发展情况前，国外大公司对多孔钽金属的研究较为成熟，并有相关的产品，但因其专利壁垒且价格昂贵而不能广泛应用于国人。而在3D打印多孔钽方面国内外尚处于起步阶段，要实现个性化多孔钽规模化生产及临床应用，急需解决以下问题：①钽粉原材料质量及价格问题。②专用设备及工艺问题。目前，商用3D打印装备均面向不锈钢、钛合金以及钴铬钼合金植入体的个性化制造，但钽的高熔点、高密度以及热物理性质的差异，尚需研制专业化的装备和工艺参数才可实现多孔钽的产业化制造。③3D打印工艺与传统工艺之间的差异性问题。Zimmer公司生产的多孔钽已经在临床应用5年，形成了市场垄断。3D打印多孔钽具有量体裁衣的特点，与骨缺损的解剖外形更匹配，但在内部结构特性、力学和生物学特性方面与Zimmer公司生产的多孔钽之间是否存在差异？以及是否导致修复效果产生差异？尚需进行大量的基础研究和临床验证。④多组分梯度打印。钽是稀有金属，价格昂贵，密度几乎是钛的４倍，纯钽粉打印的植入假体重量较大。此外，选用钽成分的主要原因是利用多孔钽的生物力学特性跟宿主骨界面进行整合。
国内近些年对3D打印多孔钽金属的研究也有了突破性发展，以大洲为代表的企业团队也获得了较大成果，并将成果进行了初步的临床转化，未来经过更多的努力，将最终受益广大国内患者。
大洲医学是由美国哈佛大学医学院归国科学家杨景周博士领衔创办，在3D打印、新材料、生命科学和生物技术领域融合创新，推动3D打印骨科植入物产业升级。大洲医学经过研发攻关，率先突破激光3D打印仿生骨小梁多孔钽关键制备技术，形成了具有知识产权保护的与zimmer完全不同的高壁垒技术路线，处于全球领先地位。如图所示，采用专业建模软件可获得高度仿生骨小梁多孔结构，孔隙率、丝径、孔径、孔道连通性、孔径分布等孔道结构参数均可精准设计和调控。图3所示为打印仿生骨小梁多孔钽样品，其孔道结构与三维模型一致。不同年龄、性别的骨缺损和骨疾病患者的骨骼多孔结构以及不同部位的骨骼结构均有明显差异。大洲3D打印可制备与患者骨缺损部位多孔结构和力学性能匹配的个性化定制多孔钽植入物。
图.仿生骨小梁多孔结构三维建模图：侧视图、俯视图、纵切剖面图和三维图（从左至右）
图3.激光3D打印仿生骨小梁多孔钽实物照片
同时大洲针对大尺寸骨科植入物钽材料重量较大的问题，已研发出新型轻质钽合金，逐步布局钽合金材料、加工工艺、临床产品完整的专利体系，从而形成类似捷迈邦美曾经的市场统治地位。
下表3，显示了国内医用钽金属的主要布局企业：
公司
投资方/股东
产品
公司介绍和布局
西安赛隆金属材料
西安同创熙成投资管理，陕西科控协同创业投资管理合伙企业
3D打印球形钽粉、高品质球形钛及钛合金粉末
·03成立，从事金属零件的直接3D打印技术
·采用电子束选区熔化成形成套装备
·目前可供应球形化钽粉
深圳大洲医学
深创投
3D打印多孔钽AVN重建棒、融合器、关节垫块等
·08年成立，主要业务方向为新型生物医学材料、3D打印骨科植入物、生物打印及再生医学产品
·采取激光熔融3D打印技术，突破捷迈专利，多款3D打印多孔钽骨科植入物产品在积极推进中
重庆润泽医药
NA
多级多孔钽材料
·年成立，是一家专注神经科及骨科领域骨科植入物的医疗公司
·与中南大学粉末冶金实验室合作，并采用粉末冶金技术制备多孔钽植入物，09年，其《多孔钽骨填充材料》获证，是国内首个多孔钽获证产品。目前暂未医院集采目录
株洲普林特
NA
3D打印用钽粉和其他金属粉末
·06.3成立，具有大批量低成本钽粉制成专利
·曾进行过3D打印多孔钽产品开发，并成功打印出网格多孔钽样品
·目前主要从事适用于3D金属打印粉末的专利技术
本文作者郭爽，强云资本医疗健康行业研究员，沈阳药科大学生物学硕士，曾任职药明康德，专注国内外创新药品、创新器械的市场研究
骨科项目/（孙先生）（请备注公司-职位）
关于强云
强云资本是全国工商联医药业商会理事单位，专注于为医疗健康领域成长期的企业提供深度财务顾问服务。自05年成立以来，强云资本已协助多家客户公司成功完成私募股权融资数十亿元。
秉承“行业研究发掘价值，交易设计提升价值，资本注入实现价值”的融资理念，以追求业内最高的融资/并购成功率为宗旨，强云资本为企业在融资过程中所提供的服务远超过资本对接本身。公司把通常意义上精品投行、会计师、律师等一系列中介机构的服务打包成一个整体，为客户提供一站式融资/并购方案。强云资本期望与客户形成长期合作关系，强调融资完成后持续跟进，致力于陪伴客户持续成长。
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