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(gè)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?cè)诒酒恼轮幸惶骄烤埂?/p>

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(dòng)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(cuò)，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(dòng)生成保護(hù)膜（二氧化鈦層）。它在人體環(huán)境中幾乎不會(huì)溶解，能有效阻擋金屬離子釋放，并且不會(huì)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(zhǎng)，形成“生物融合”。相比之下，不銹鋼和鈷鉻合金會(huì)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(gè)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(gè)特點(diǎn)——足夠堅(jiān)固，能承受日?；顒?dòng)，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(duì)金屬來說其實(shí)很“兇險(xiǎn)”，在這樣的環(huán)境下，很多金屬都會(huì)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(chǎng)景。那么，為何人類的身體不排斥鈦合金？這就要從一個(gè)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(shí)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”（foreign body equilibrium, 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(duì)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，Waad Kheder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(dòng)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(zhǎng)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(duì)不同信號(hào)時(shí)，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(shí)，會(huì)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(huì)釋放大量炎癥因子（如IL-1β、IL-6、TNF等），幫助身體識(shí)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(duì)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(hào)，容易引發(fā)炎癥反應(yīng)，不利于種植體的長(zhǎng)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(shí)，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(hào)的釋放，轉(zhuǎn)而增加促再生信號(hào)，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(dòng)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(shí)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(duì)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(huì)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(huì)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(huì)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(duì)話”，激活身體自身的修復(fù)潛能，推動(dòng)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(zhǎng)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(xiǎn)。

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(dòng)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(zhǎng)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(dòng)恢復(fù)形狀，支撐狹窄的動(dòng)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(chǎng)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(jià)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(yǔ)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(gè)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(shí)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(zhǎng)。

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(yáng)極氧化等方法，在鈦合金表面構(gòu)建出納米級(jí)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(zhǎng)因子。

其中，陽(yáng)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(duì)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(shí)，還能主動(dòng)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(yǔ)

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(huì)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。

參考文獻(xiàn):

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[2]Yun JI, Yun SI, Kim JH, Kim DG, Lee DW. Mediation of Osseointegration, Osteoimmunology, and Osteoimmunologic Integration by Tregs and Macrophages: A Narrative Review. Int J Mol Sci. 2025 Jun 5;26(11):5421. doi: 10.3390/ijms26115421. PMID: 40508228; PMCID: PMC12154945.

[3]Svadlakova T, Kolackova M, Kulich P, Kotoucek J, Rosecka M, Krejsek J, Fiala Z, Andrys C. Human Primary Monocytes as a Model for in vitro Immunotoxicity Testing: Evaluation of the Regulatory Properties of TiO2 Nanoparticles. Int J Nanomedicine. 2025 Jan 30;20:1171-1189. doi: 10.2147/IJN.S498690. PMID: 39902067; PMCID: PMC11789775.

[4]Kheder W, Bouzid A, Venkatachalam T, Talaat IM, Elemam NM, Raju TK, Sheela S, Jayakumar MN, Maghazachi AA, Samsudin AR, et al. Titanium Particles Modulate Lymphocyte and Macrophage Polarization in Peri-Implant Gingival Tissues. International Journal of Molecular Sciences. 2023; 24(14):11644. https://doi.org/10.3390/ijms241411644

出品：科普中國(guó)

作者：李娟（生命科學(xué)專業(yè)博士）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

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