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鈦合金常被譽(yù)為生物醫(yī)學(xué)“萬能金屬”，從骨科植入物到牙科修復(fù)，從心血管支架到手術(shù)器械，鈦合金的應(yīng)用幾乎覆蓋了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的各個領(lǐng)域。
看似平凡的金屬，為何能在人體內(nèi)“隱形”穿梭，與我們的組織和平共處？它有何神奇的“生物魔力”？這種魔力又是從何而來？讓我們在本篇文章中一探究竟。
Part.1
從戰(zhàn)機(jī)到人體，鈦合金的華麗轉(zhuǎn)身
鈦合金的故事始于航空領(lǐng)域。20世紀(jì)40年代，科學(xué)家偶然發(fā)現(xiàn)這種用于制造戰(zhàn)斗機(jī)的金屬，竟然與動物骨骼相處融洽。
20世紀(jì)50年代，鈦合金正式進(jìn)軍醫(yī)療界。最初的明星產(chǎn)品Ti-6Al-4V（含6%鋁和4%釩）表現(xiàn)出色，但醫(yī)生們發(fā)現(xiàn)其中的釩元素可能帶來健康隱患。于是材料學(xué)家們開始“調(diào)配新配方”，用更安全的鈮替代釩，研制出Ti-6Al-7Nb等新型合金。
科學(xué)家通過調(diào)整鋁、釩、鈮等“配料”的比例，可以定制出適合不同醫(yī)療需求的鈦合金。如今的鈦合金家族已發(fā)展出三大門派：
α型：穩(wěn)定性高但強(qiáng)度一般
β型：彈性最好，最接近真實(shí)骨骼
α+β型：兼顧強(qiáng)度與韌性
在醫(yī)學(xué)材料的世界里，鈦合金就像一位全能選手——既結(jié)實(shí)又輕盈，還能和人體和諧相處。
優(yōu)點(diǎn)一：完美的生物相容性。如果把一塊金屬放進(jìn)身體里，最怕發(fā)生什么？沒錯，就是排異反應(yīng)。但鈦合金卻能和人體和平共處，這要?dú)w功于它的一項(xiàng)特殊技能——自動生成保護(hù)膜（二氧化鈦層）。它在人體環(huán)境中幾乎不會溶解，能有效阻擋金屬離子釋放，并且不會被體液腐蝕，也不易引發(fā)免疫系統(tǒng)的攻擊。
這層保護(hù)膜能吸附鈣和磷酸鹽，促進(jìn)羥基磷灰石（構(gòu)成人體骨骼和牙齒的主要無機(jī)成分）沉積，使骨細(xì)胞直接在鈦表面生長，形成“生物融合”。相比之下，不銹鋼和鈷鉻合金會緩慢釋放鎳、鉻離子，可能引發(fā)過敏或毒性反應(yīng)，通常被纖維組織包裹，無法實(shí)現(xiàn)真正的生物相容。
優(yōu)點(diǎn)二：強(qiáng)韌又輕盈。鈦合金的第二個超能力是它的力學(xué)性能。醫(yī)生們發(fā)現(xiàn)，理想的植入材料應(yīng)該具備兩個特點(diǎn)——足夠堅固，能承受日?；顒?，而且彈性要接近真實(shí)骨骼。鈦合金完美滿足了這些要求。首先，它具備輕量化的特點(diǎn)，密度只有鋼鐵的一半，但強(qiáng)度相當(dāng)；其次，它的彈性適中，新型鈦合金的彈性模量約60GPa（吉帕），已經(jīng)非常接近人骨的30GPa；第三，它能抗疲勞，可以承受數(shù)百萬次的彎曲而不斷裂。
優(yōu)點(diǎn)三：卓越的耐腐蝕性。恒溫37℃、富含氯離子的體液，以及持續(xù)的機(jī)械摩擦——人體環(huán)境對金屬來說其實(shí)很“兇險”，在這樣的環(huán)境下，很多金屬都會被慢慢腐蝕。但鈦合金卻表現(xiàn)出驚人的穩(wěn)定性——在模擬體液中，鈦合金每年的腐蝕量還不到一根頭發(fā)絲直徑的千分之一。
正是以上特質(zhì)，讓鈦合金成為了醫(yī)學(xué)植入材料的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”。
用于牙科種植體的各種鈦合金及其相關(guān)機(jī)械性能（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）
Part.2
為何人體不排斥鈦合金？
鈦合金因其優(yōu)異的綜合性能，已全面應(yīng)用于現(xiàn)代醫(yī)療領(lǐng)域，涵蓋牙科修復(fù)體、心血管支架、骨科植入器械等關(guān)鍵場景。那么，為何人類的身體不排斥鈦合金？這就要從一個融合了骨組織與免疫調(diào)控的新興交叉學(xué)科——骨免疫學(xué)說起。
1981年，瑞典學(xué)者Albrektsson首次用電子顯微鏡證實(shí)了鈦與骨組織之間的“直接接觸”，這被視為種植成功的標(biāo)志。這種種植體植入牙槽骨后與新骨直接接觸的現(xiàn)象被稱為“骨整合（osseointegration）”，但當(dāng)時人們并不了解這一過程的生物學(xué)機(jī)制。
后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，這種“結(jié)合”其實(shí)是免疫系統(tǒng)經(jīng)過嚴(yán)密調(diào)控后的妥協(xié)性結(jié)果。Albrektsson后來將這種機(jī)制定義為一種“異物平衡”（foreignbodyequilibrium,FBE）。換句話說，種植體在人體內(nèi)并非完全被當(dāng)作“自己人”，而是被“容忍”的異物。對于鈦合金材料，免疫系統(tǒng)并未排斥它，而是在調(diào)節(jié)反應(yīng)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上與其達(dá)成了和平共處的狀態(tài)。
2023年，WaadKheder的研究表明，鈦顆粒的“骨整合”與種植體周圍牙齦組織中T細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的活動密不可分。這兩種細(xì)胞正是出演“骨整合”大戲的關(guān)鍵角色。
巨噬細(xì)胞，顧名思義，是一類擅長吞噬異物或細(xì)胞殘骸的免疫細(xì)胞。它們由血液中的單核細(xì)胞分化而來，是人體先天免疫防線的重要組成部分。但與傳統(tǒng)“清道夫”的單一角色不同，巨噬細(xì)胞在身體的不同部位、面對不同信號時，還能展現(xiàn)出極高的“可塑性”——這意味著它們能變換身份，承擔(dān)各種功能。其中最重要的一種“變身”過程叫“極化”。當(dāng)巨噬細(xì)胞受到特定刺激時，會在兩種功能截然不同的狀態(tài)間切換：
M1型巨噬細(xì)胞：這是被稱為“促炎型”的表型，會釋放大量炎癥因子（如IL-1β、IL-6、TNF等），幫助身體識別和消滅病原體，但也可能導(dǎo)致組織損傷。
M2型巨噬細(xì)胞：這是“抗炎型”的代表，能分泌如IL-10和TGF-β等抑炎因子，協(xié)助組織修復(fù)和新血管生成，是傷口愈合過程中的重要角色。
種植體植入后，血液中的單核細(xì)胞迅速進(jìn)入局部組織，分化為巨噬細(xì)胞，并釋放出大量炎癥因子（如IL-1、IL-8、MCP-1等）。這一炎癥反應(yīng)是骨修復(fù)的前奏，也是種植體最終“被接受”或“被排斥”的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)。如果炎癥未能順利過渡至修復(fù)階段，就可能形成持續(xù)的M1主導(dǎo)狀態(tài)，導(dǎo)致種植體失敗。
在這一過程中，T調(diào)節(jié)細(xì)胞（Tregs）能夠指揮調(diào)控巨噬細(xì)胞M1/M2的切換。T調(diào)節(jié)細(xì)胞就像是免疫系統(tǒng)中的“和平指揮官”——在它的影響下，巨噬細(xì)胞可從M1型轉(zhuǎn)變?yōu)镸2型，從“破壞模式”進(jìn)入“修復(fù)模式”，幫助種植體穩(wěn)固扎根。
T調(diào)節(jié)細(xì)胞是怎么發(fā)揮作用的呢？首先，Tregs能增加抗炎細(xì)胞因子的分泌（IL-4、IL-10、IL-13和TGF-β），抑制促炎細(xì)胞因子（TNF-α、一氧化氮和活性氧）等的分泌，促使單核細(xì)胞朝著抗炎的M2巨噬細(xì)胞表型分化。另外，Tregs還能和巨噬細(xì)胞進(jìn)行直接的細(xì)胞間相互作用，來調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞，減少炎癥對身體的傷害。
有研究表明，在純鈦表面，由于缺少特殊的修飾，巨噬細(xì)胞釋放出促炎信號，容易引發(fā)炎癥反應(yīng)，不利于種植體的長期穩(wěn)定。但是當(dāng)鈦合金表面涂上特殊涂層（比如NT-ICA-ASP/PLGA）時，情況就大不相同了。巨噬細(xì)胞接觸到這層“友好外衣”后，能夠減少促炎信號的釋放，轉(zhuǎn)而增加促再生信號，使成骨細(xì)胞更快地增殖、粘附，并積極合成和分泌骨基質(zhì)成分，直到在植入物周圍建造出一層厚實(shí)的新骨。
于是，經(jīng)過這一系列持續(xù)動態(tài)的生物反應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)了身體與異物的平衡共存。如今，骨整合現(xiàn)象也已被理解為一種骨免疫反應(yīng)。
活體骨內(nèi)植入后，周圍骨免疫系統(tǒng)隨時間變化的示意圖（圖片來源：參考文獻(xiàn)[2]）
那么，明白了身體對鈦合金的“容忍”機(jī)制，也就很容易懂得身體為何“排斥”其他金屬。首先，其他金屬植入物在體內(nèi)環(huán)境中會發(fā)生不同程度的腐蝕和離子釋放。當(dāng)這些金屬離子（如鎳、鈷、鉻等）進(jìn)入組織后，會激活巨噬細(xì)胞等免疫細(xì)胞向促炎型轉(zhuǎn)化。而且，它們釋放的金屬離子可能干擾細(xì)胞代謝，引起過敏反應(yīng)。此外，某些金屬的腐蝕產(chǎn)物會改變局部pH值，破壞組織微環(huán)境。
因此，在未來的牙科與骨科治療中，是否能通過優(yōu)化免疫環(huán)境、引導(dǎo)巨噬細(xì)胞極化，成為決定治療成功與否的重要一環(huán)。那些缺乏免疫調(diào)節(jié)能力的種植材料，往往面臨炎癥過強(qiáng)、骨吸收過快等問題。而真正“智能”的材料，能與免疫系統(tǒng)“對話”，激活身體自身的修復(fù)潛能，推動骨組織向有利方向發(fā)展。
Part.3
鈦合金的醫(yī)學(xué)應(yīng)用全景
具體來說，鈦合金在醫(yī)學(xué)中有哪些常用領(lǐng)域呢？
首先，鈦合金在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用最為廣泛，主要用于修復(fù)或替換受損的骨骼和關(guān)節(jié)。鈦合金的耐磨性和抗疲勞性使其成為長期植入膝關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的理想選擇。Ti-6Al-4V和Ti-6Al-7Nb是人工髖關(guān)節(jié)的主要材料，其低彈性模量可減少“應(yīng)力屏蔽”效應(yīng)（即植入物比骨骼更硬，導(dǎo)致周圍骨質(zhì)流失）。另外，純鈦（CP-Ti）和Ti-6Al-4V的骨板、螺釘和髓內(nèi)釘可用于固定骨折，其力學(xué)性能與骨骼匹配，能夠避免二次斷裂風(fēng)險。
其次，鈦合金在牙科領(lǐng)域的應(yīng)用已有數(shù)十年歷史，主要包括牙科種植體，假牙和正畸治療。純鈦（CP-Ti）和Ti-6Al-4V是最常用的牙種植體材料，通過骨整合與頜骨牢固結(jié)合。鈦合金是用于制作活動假牙的金屬支架，比傳統(tǒng)鈷鉻合金更輕、更舒適。在正畸應(yīng)用中，利用形狀記憶效應(yīng)，鎳鈦（NiTi）弓絲可提供持續(xù)、溫和的矯治力。鈦合金托槽比不銹鋼更輕、更耐腐蝕，適用于長期佩戴。
鈦合金的另一項(xiàng)重要應(yīng)用是在心血管醫(yī)學(xué)中，其低表面能（表面能是指材料表面分子因受力不平衡而具有的額外能量。表面能越高，材料表面越容易吸附其他物質(zhì)）和親水性能夠減少血小板粘附，適合血管植入物（如支架）。在心臟支架領(lǐng)域，鎳鈦合金（Nitinol）支架具有超彈性，可壓縮至極小直徑（1-2mm），植入血管后自動恢復(fù)形狀，支撐狹窄的動脈。而藥物涂層支架是一種表面涂覆抗增殖藥物（如雷帕霉素）的鈦合金支架，可防止血管再狹窄。另外，與傳統(tǒng)不銹鋼材料器械干擾磁場不同，有鈦合金外殼保護(hù)的起搏器和除顫器，能夠不影響核磁共振檢查。
此外，鈦合金在顱頜面修復(fù)領(lǐng)域也展現(xiàn)出卓越的應(yīng)用價值，成為重建患者面容與功能的關(guān)鍵材料。在顱骨修復(fù)中，鈦網(wǎng)憑借其輕量化特性和優(yōu)異的生物相容性，已逐步取代傳統(tǒng)丙烯酸樹脂材料。在頜面重建方面，3D打印鈦合金植入物能夠精確匹配患者骨骼結(jié)構(gòu)，有效恢復(fù)咀嚼和語言功能。在耳鼻喉科領(lǐng)域，鈦合金制成的中耳植入物和人工耳蝸電極，則為聽力障礙患者帶來了重獲聽力的希望。
鈦合金醫(yī)療設(shè)備在人體各個部位都有廣泛應(yīng)用（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）
Part.4
“萬能金屬”是如何煉成的？
在醫(yī)療領(lǐng)域，鈦合金要完成從金屬原料到“人體好搭檔”的華麗變身，需要經(jīng)歷一系列精密的加工過程。
傳統(tǒng)鍛造法通過反復(fù)錘煉來塑造鈦合金。比如，鑄造法是將熔化的鈦合金倒入模具，適合制作牙冠等小型零件，但內(nèi)部可能產(chǎn)生微小氣孔；鍛造法是用萬噸壓力機(jī)反復(fù)捶打，使鈦板強(qiáng)度提升2-3倍。這些方法雖然成熟，但很難做出復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
相比來說，新型制造技術(shù)則能夠打造出更為精準(zhǔn)的“金屬積木”。比如，用激光將鈦粉逐層熔化堆積，可以制作出帶有精細(xì)孔洞的髖關(guān)節(jié)；在真空環(huán)境中用電子束加工技術(shù)，能夠打造出適合承重部位的植入體。3D打印技術(shù)讓鈦合金植入體的制造進(jìn)入精準(zhǔn)定制時代，具有精確孔隙結(jié)構(gòu)的植入體，能完美促進(jìn)骨細(xì)胞生長。
為了讓鈦合金更好地融入人體，科學(xué)家還開發(fā)了多種表面處理技術(shù)，類似給金屬穿上“智能外衣”。通過噴砂酸蝕、陽極氧化等方法，在鈦合金表面構(gòu)建出納米級的特殊結(jié)構(gòu)，不僅提升了生物相容性，還能負(fù)載藥物或生長因子。
其中，陽極氧化形成的納米管陣列直徑僅50-100納米，相當(dāng)于頭發(fā)絲的千分之一；而銀納米粒子涂層對金黃色葡萄球菌的抑菌率高達(dá)99%。這些創(chuàng)新工藝讓鈦合金從單純的金屬材料轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂猩锘钚缘闹悄苤踩塍w，在修復(fù)人體組織的同時，還能主動促進(jìn)愈合、預(yù)防感染，展現(xiàn)了材料科學(xué)與醫(yī)學(xué)的完美融合。
Part.5
結(jié)語
如前文所述，先進(jìn)的制造工藝讓鈦合金從冰冷的金屬變成了有生物活性的“醫(yī)療伙伴”，在人體內(nèi)發(fā)揮著不可替代的作用。研究表明，鈦納米結(jié)構(gòu)已被證明是先進(jìn)生物醫(yī)學(xué)植入體的理想選擇，其應(yīng)用前景仍在持續(xù)拓展。隨著材料科學(xué)與生物工程的交叉突破，未來的鈦植入物可能會更智能，或?qū)⒕邆渥杂?、免疫調(diào)節(jié)甚至感知功能，繼續(xù)在再生醫(yī)學(xué)、納米醫(yī)療等領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。
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出品：科普中國
作者：李娟（生命科學(xué)專業(yè)博士）
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