鈦的奇妙之旅：從溪邊黑沙到人體的“最佳拍檔”

我們在學習金屬材料時會認識到鈦，它有很多的優秀性能，如熔點高、密度小、可塑性好、易于加工、機械性能好等。尤其是鈦和鈦合金的抗腐蝕性能非常好，遠優于不銹鋼，即使把它們放在海水中數年，取出時仍光亮如初。但是，你知道嗎，鈦合金還有一個特殊的性能，它與人體具有很好的相容性，因此可以用來制造人造骨等。

那么，鈦以及它的相容性是怎么被發現的呢？

鈦的發現及命名

1791年，英國業余礦物學家格雷戈爾在英格蘭西部康沃爾的一條小溪旁找到了一些黑沙（其實是鈦鐵礦），這些黑沙會被磁鐵吸引。經過分析，他發現黑沙里面有氧化鐵及一種他無法辨識的白色金屬氧化物。他意識到這里面一定含有一種未被發現的金屬，于是在英國康沃爾郡皇家地質學會及德國的《化學年刊》發表了這一發現。

1795年，德國化學家克拉普羅特在分析匈牙利產的紅色金紅石時，也發現了這種氧化物。他主張采取為鈾命名的方法，用希臘神話中泰坦神族“Titanic”的名字，給這種新元素起名叫“Titanium”，中文按其譯音定名為“鈦”。當他聽聞格雷戈爾較早前的發現之后，他取得了一些黑沙的樣本，并證實它含鈦。

格雷戈爾和克拉普羅特所發現的鈦是粉末狀的二氧化鈦，而不是金屬鈦。因為鈦的氧化物極其穩定，而且金屬鈦能與氧、氮、氫、碳等直接激烈地化合，所以單質鈦很難制取。直到1910年，美國化學家亨特才第一次用鈉還原氯化鈦，制得純度達99.9%的金屬鈦。

制作假肢的最大困難

自古以來，醫生就會用木頭做成假肢代替人身上缺失的肢體。工業革命以后，金屬假肢逐漸普及。最理想的假肢是讓金屬或木頭和身體融合在一起，但沒人做得到。這些嘗試都遭到了人體免疫系統的抵抗，金、鋅、鎂以及鍍鉻的豬尿脬，通通不行。

作為一個血液研究者，瑞典醫生皮爾·英格瓦·布賴恩馬克知道其中的原因。一般而言，血細胞會成群結隊地包圍外來物質，用光滑纖維質的膠原蛋白將它緊緊包裹起來。但細胞不夠聰明，無法鑒別哪種外來物質是有害的，所以幾個月后，植入的不管是什么東西，總會被膠原蛋白包裹起來，很容易滑移或者摳下來。這也是人體的一種防御機制，就是將外來物質密封起來防止泄露。

不過，布賴恩馬克發現了一個奇怪的現象——出于某種原因，鈦似乎“迷惑”了血細胞，它完全不會引發免疫反應，甚至還能騙到身體里的成骨細胞，這些細胞會貼到鈦上，好像這個22號元素真是身體里的骨頭一樣。因此，鈦能夠完全融入身體。

鈦的相容性是如何發現的

布賴恩馬克是怎么發現這一現象的呢？

1952年，布賴恩馬克開始研究骨髓如何產生新的血細胞。他希望能夠直接進行觀察，于是在兔子的股骨上鑿了幾個洞，然后把一層蛋殼一樣薄的鈦片覆在上面。這種薄片在強光下是透明的，所以可以作為觀察窗。觀察結果十分令人滿意，布賴恩馬克決定把昂貴的鈦片拆下來用于別的實驗，可讓他上火的是，鈦片怎么都撬不動。他只得放棄了這些鈦片，還有可憐的兔子。

可是，接下來的實驗中又發生了同樣的事情，鈦片總是緊緊地嵌在股骨上，怎么也拿不下來。于是，布賴恩馬克又認真地檢查了一番。這次的發現比觀察剛長出的血細胞有趣多了，他將這種現象稱作“骨整合”。現在，骨整合的定義是在光學顯微鏡下，植入體與骨組織之間呈現的無纖維結締組織界面層的直接接觸。通俗地講，就是相容性。

因為鈦的耐腐蝕性、穩定性高，即使和人體長期接觸，也不影響其本質，所以不會造成人的過敏。而且，它還是唯一對人類自主神經和味覺沒有任何影響的金屬。因此，鈦又被人們稱為“親生物金屬”。

醫療界的“超級英雄”

由于那次意外的發現，布賴恩馬克的研究小組將研究重點轉向鈦在人類骨中的運用，其中就包括將鈦釘植入頜骨里以替代已經脫落的牙齒。經過無數次的研究和試驗，布賴恩馬克于1965年將人類歷史上第一顆純鈦的根形種植牙植入病人戈斯塔·拉森的口內。直至拉森先生于2006年去世，這顆種植牙使用了41年之久，始終完好如初。

1981年，鈦種植牙正式開始工業化生產，并持續創新發展至今，數十年來造福全球無數的缺牙患者。

生物相容性好這一特點，使鈦與其他金屬相比具有獨特的優勢，因此在醫學領域獲得廣泛青睞。醫用鈦合金作為一種新型合金，同時也是一種載體材料，被廣泛應用于肢體植入、替代性功能材料、牙科、醫療器械等相關領域。

1972年，我國開始采用國產鈦及鈦合金制品。北京積水潭醫院等20多家醫院先后采用鈦及鈦合金人造骨頭與關節用于臨床治療應用和研究，制造的髖關節、肘關節、下頜骨等用于臨床治療病人。同時，華山醫院與上海冶金研究所的模擬人體體液浸泡實驗、電化學陽極化實驗和腐蝕動力學曲線的測定，證明了鈦及鈦合金人造骨頭與關節用于人體具有優異的耐腐蝕性，生物學反應也很小，是一種理想的人體植入物。復旦大學生物系人類生理學研究組與上海市第六人民醫院進行了相關的力學性能測定，認為鈦及鈦合金的強度滿足了人體植入物的要求。

20世紀80年代中期以后，國產鈦及鈦合金加工材用于制造人體植入物的數量增加，其中鈦形狀記憶合金的開發與應用達到國際先進水平。到了20世紀90年代中期，國產鈦及鈦合金加工材在矯形外科、神經外科、口腔頜面外科等方面廣泛應用。采用鈦及鈦合金制造的股骨頭、髖關節、肱骨、顱骨、肘關節、肩關節、掌指關節、頜骨以及心瓣膜、腎瓣膜、血管擴張器、夾板、假體、緊固螺釘等上百種金屬件移植到人體中，取得了良好的效果，被醫學界給予了很高的評價。

醫用鈦及鈦合金材料的優勢已經被醫學界認可，也被越來越多的患者接受。未來，鈦及鈦合金作為人體植入物的研究與應用還將進一步發展。

（責任編輯：白玉磊）