多孔質タンタルの臨床応用

多孔質タンタルは、その優れた生体適合性、耐食性、および天然骨の力学に一致する特性により、生体医工学における奇跡的な材料として登場した。当初は整形外科用に合成されたが、現在では歯科、心血管デバイス、実験的再生医療などにも用途が広がっている。その実験的および臨床的応用例を見てみよう。

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なぜ多孔質タンタルなのか？

タンタルは耐火性金属であり、生体材料として利用する場合、多くの利点がある。多孔質タンタルは、長期的な生物学的安定性に加え、オッセオインテグレーション（骨癒合）にも特に注目されている。

多孔質タンタルは、タンタルを足場上に堆積させることによって作られ、医療用インプラントに理想的な、非常に均一で相互連結した構造を作り出す。焼結法またはスペースホルダー法で製造される発泡タンタルは、規則性の低い細孔構造を有し、通常、精度が低くても許容される構造的または実験的用途に使用される。

多孔質タンタルは、生物医学的用途に適したいくつかの重要な特性を有している。

• 80%までの高い気孔率により、組織の生着と脈管形成が可能です。
• その弾性率は海綿骨に非常に似ており、応力の遮蔽を最小限に抑え、自然な荷重伝達を促します。
• 多孔質タンタルは耐食性にも優れ、生理的条件下でも安定した不活性を保ちます。
• また、摩擦係数が高いため、移植時の初期機械的安定性が最大となる。

これらの特性により、多孔質タンタルは、荷重を支えるインプラントや組織工学の足場に特に適している。

さらに読むタンタル：特性と応用

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1.整形外科インプラント

多孔質タンタルは、整形外科の再建手術、特に重度の骨欠損や骨質の悪い患者に広く利用されている。

--ポーラス・タンタルを用いた人工股関節置換術および人工膝関節置換術

多孔質タンタルは、要求の厳しい股関節および膝関節形成術に効果的な材料である。機械的安定性と高い骨新生能は、人工股関節全置換術 （THA）や人工膝関節全置換術において特に有益である。

THA再置換術では、広範囲の骨欠損や複雑な寛骨臼 欠損を管理するために、多孔質タンタルモジュラーオー グメントや寛骨臼カップの採用が増えている。これらのインプラントは、表面 が非常に多孔質であるため骨吸収が早く、摩擦係数が高 いため強固な一次固定が可能である。

Weeden氏とSchmidt氏による画期的な臨床論文（2008年） では、再置換THAにおいて多孔質タンタル寛骨臼カッ プを使用した患者の5年後の生存率が98％であるこ とが検証されている。この論文では、43件の困難な寛骨臼再置換術を検討し ており、その中には33件のPaproskyタイプ3Aと10件のタ イプ3B欠損が含まれ、重度の骨欠損と骨盤の不連続 性があった。そのうち26例では、臼蓋シェルの補填に モジュラー・タンタル補強材が使用された。平均2.8年の追跡調査において、43個中42個のコンポー ネントは安定したままであり、敗血症性ゆるみによる失敗は1個であった。[3]

人工膝関節全置換術では、多孔性タンタルコーンは、生物学 的固定と機械的固定の両方が可能な、大きな骨幹部欠損の管理 に一般的に使用されている。このコーンは、骨ストックの回復を可能にし、広範囲に及ぶ骨欠損の場合には、インプラント固定のための強固な土台となる。

--脊椎固定用ケージ

タンタルは脊椎固定術、特に経腰椎椎体間固定術(TLIF)のための椎体間ケージとして大きな可能性を示している。タンタル製ケージは、脊椎の安定性を最適化し、骨との一体化を促進すると同時に、隣接する骨との機械的適合性によりインプラントの沈下リスクを低減するように設計されている。

臨床的には、タンタルケージのオッセオインテグレーションは、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）などの従来の材料よりも優れていることが証明されている。TLIFを受けた40人の患者をレトロスペクティブに評価したところ、症状の緩和、活動への復帰、X線写真による癒合などの転帰が評価された。金属製ケージとPEEK製ケージの両群とも、機能面では同程度の改善を示したが、骨反応と癒合成績には顕著な差があった。[4]

1年後の追跡調査では、PEEK製ケージの50％に骨溶解がみられたのに対し、金属製ケージではわずか10％であった。さらに、金属製ケージの40％が癒合を示し、PEEK製ケージの15％よりはるかに優れていた。これらの所見は、タンタルの骨誘導性と、高い生体親和性と機械的能力を示している。

2.歯科インプラント

タンタルの生体適合性とオッセオインテグレーション能は、骨質が悪い患者や過去にインプラントが失敗した患者の歯科インプラントで利用されている。タンタルの使用は、標準的なチタンインプラントと比較して、治癒時間の短縮と長期的な固定性の向上に関連している。

前臨床研究では、ウサギの大腿骨顆部をモデルとして、タンタル製トラベキュラーメタル(TM)歯科インプラントと従来のチタンスクリューベント(TSV)インプラントの性能を比較検討した。この研究では、20本のインプラント（TM10本とTSV10本）が、10匹のニュージーランド白ウサギに無作為に挿入された。8週間の治癒期を経て、インプラントはマイクロCT、組織学、組織形態学で評価された。[5]

その結果、TMインプラントはTSVインプラントよりも、骨とインプラントの接触（BIC）および関心領域の骨量（BV）においてはるかに優れていることが示された。TMインプラントのBICは57.9%±6.5であったのに対し、TSVインプラントは47.6%±8であった。同様に、BVはTMインプラントで57％±7.3、TSVで46.4％±7.4であった。マイクロCT評価でも、TMインプラント群では89.1%±8.7 の骨体積率を示し、TSV群では79.1%±8.6であった。

3.頭蓋顎顔面再建術

多孔質タンタルプレートとメッシュは、審美的適合性と機械的安定性の両方を備えた複雑な顔面再建に使用される。開孔構造により、軟組織との一体化が可能で、感染のリスクも軽減される。

タンタルは、Ti6Al4Vのような従来の材料に比べて骨形成能が向上しているため、顎や顔の複雑な部位の骨再生を促すのに特に有用である。

CMF欠損の非常に個別化された性質に対処するため、3Dプリンティング技術が、患者固有の多孔性タンタルインプラントを製造するために採用されている。最近の研究では、水熱処理によってナノトポグラフィーの表面改質を行った3Dプリンターによるタンタル足場が検討された。この表面工学は、骨芽細胞の接着を支持し、骨髄幹細胞（BMSCs）の骨形成分化を誘発することにより、足場の生物活性を促進することが報告された[6]。[6]

結論

多孔質タンタルは、医学、特に整形外科や歯科のインプラント手術に広く影響を及ぼしてきた。加工とカスタマイズがさらに進歩すれば、多孔質タンタルは、明日のインプラント用生体材料の礎石であり続けるだろう。その他のタンタル製品と技術サポートについては、Stanford Advanced Materials (SAM)をご覧ください。

参考文献

[1] Mohandas, Gokhuldass & Oskolkov, Nikita & Mcmahon, Michael & Walczak, Piotr & Janowski, Miroslaw.(2014).再生医療のための多孔性タンタルおよび酸化タンタルナノ粒子。Acta neurobiologiae experimentalis.74.188-96.10.55782/ane-2014-1984.

[2] Wang X, Zhou K, Li Y, Xie H, Wang B. Preparation, modification, and clinical application of porous tantalum scaffolds.Front Bioeng Biotechnol.2023 Apr 4;11:1127939. doi: 10.3389/fbioe.2023.1127939.pmid: 37082213; pmcid: pmc10110962.

[3] Steven H. Weeden, Robert H. Schmidt, The Use of Tantalum Porous Metal Implants for Paprosky 3A and 3B Defects, The Journal of Arthroplasty, Volume 22, Issue 6, Supplement, 2007, Pages 151-155, ISSN 0883-5403.

[4] Cuzzocrea F, Ivone A, Jannelli E, Fioruzzi A, Ferranti E, Vanelli R, Benazzo F. 後方腰椎椎体間固定術におけるPEEK製ケージと金属製ケー ジの比較：臨床的および放射線学的比較研究。Musculoskelet Surg. 2019 Dec;103(3):237-241. doi: 10.1007/s12306-018-0580-6.Epub 2018 Dec 10.pmid: 30536223.

[5] Al Deeb M, Aldosari AA, Anil S. Osseointegration of Tantalum Trabecular Metal in Titanium Dental Implants：組織学的およびマイクロCT研究。J Funct Biomater.2023 Jul 6;14(7):355. doi: 10.3390/jfb14070355.pmid: 37504850; pmcid: pmc10382015.

[このような研究により、骨粗鬆症の予防と治療法の確立が期待される。Front Bioeng Biotechnol.doi: 10.3389/fbioe.2023.1258030.pmid: 37671184; pmcid: pmc10475942.