让镁造福更多骨伤患者 访天津理工大学材料科学与工程学院博士生导师陈民芳教授

撰文/王懿霖 摄影/袁丽

Reporter's notes

人物素描

联系采访天津理工大学材料科学与工程学院博士生导师陈民芳教授有一些“曲折”。一是正逢岁末年初，陈民芳有许多教学任务和课题需要完成，时间紧迫；二是她认为自己只是一名普通的教师，并没有特别突出的事迹。当然，这都出自陈民芳的谦虚。最终，在记者说只想了解项目相关内容才得以促成这次的采访。临近2023年春节，校园里十分安静，偶尔走过的人也是步履匆匆，陈民芳就是其中一位。为了在节前完成课题结项，她独自来到办公室加班，记者抓住这个机会和她见了面。

陈民芳虽然为人低调，但她所负责的项目并不低调。2022年，在天津市科学技术奖励大会上首次亮相就惊艳全场，并在世界智能大会上大放异彩的首台“天津号”纯太阳能车，其轻量化的问题瓶颈就是陈民芳带领团队攻破多个技术壁垒完成的。在“天津号”达到国际或国内领先水平的16 项技术中，就包括了陈民芳的2 项。

可谁又能想到，如此重大的技术突破却是出自陈民芳的“无心插柳”。“从大方向来说，我的专业是金属材料，但在近20年的时间里我始终专注的是镁合金在生物医学领域的应用，‘天津号’的成功应该说是我们多年来技术积累的第一个结果。”

提到镁合金，大家最先想到的应该是其在工业领域所发挥的作用，在生物医学领域未见应用。“的确，镁合金作为最轻的金属结构材料，具有比强度高、尺寸稳定、易于加工成型等优点，已经成为航空航天、汽车、电子通信等工业领域的重要材料。”陈民芳介绍说，也是由于镁合金的这些特性，很多年前就有国外学者尝试其在生物医学领域的开发应用，但都没有获得成功。“大概是在2005年，在德国医学学术年会上发布了一款可降解的镁合金心血管支架，当时我觉得这个方向很有前景，我们可以努力尝试其在骨折内固定领域的应用。”

当然，搞科研不能“拍脑门”，陈民芳选择这条路也是经过了严谨的论证。“我们都知道，由于运动、外伤等原因，骨骼损伤的发生率比较高，而一旦发生，骨科医生会在患者体内植入固定材料，以此来帮助骨骼生长愈合。但以往植入的固定材料并不能被人体降解吸收，因此患者还需进行二次手术将固定材料取出，这不仅增加了患者治疗成本，也使患者遭受了二次痛苦。”陈民芳介绍说，相比于传统的钛及钛合金、医用不锈钢等植入物，镁合金的密度和弹性模量与人体骨组织更为接近，可显著降低应力遮挡效应，有利于骨组织的愈合。“而且，镁是维持身体健康必须的常量元素之一，镁合金植入后可以在修复受损骨组织的过程中逐渐降解，不仅不需要二次手术取出，还能在降解后释放出镁离子，有效地促进骨组织再生修复。”

既然镁合金的优势如此突出，为何一直没能走向临床？“确实有很多技术上的挑战。”陈民芳说，早在18世纪就有学者做出过尝试，但由于镁是非常活泼的金属，在降解过程中会释放大量的气体，因此很长一段时间在医学领域无法得以应用。“随着金属冶炼技术的进步和凝固理论的丰富发展，镁合金的力学性能和耐蚀性也在不断提高，这主要得益于铝、锌、钙和稀土等元素的添加。”陈民芳说，既然要做可以实际应用到临床的镁合金产品，那就要朝着全生物安全型去努力，“因此，我们选择了镁、锌、钙以及纳米氧化镁颗粒作为主要成分进行合金设计。”

可支撑、可降解、抗腐蚀，要做到这几点，仅选定成分还远远不够。“几年的时间里，我们一直在突破成分配比的问题，但结果一直都不令人满意。”为了达到骨折患者初期的坚强支撑，陈民芳和团队认为在合金中加入3%的锌较为合适，也是这个阶段性的成果禁锢了他们继续前进的步伐。“后来，是学生在做实验时的一句话提醒了我。”趁热打铁，陈民芳赶紧重新整理思路带领团队设计实验、分析结果，终于在2021年初得到了理想的数据结论。

十几年的深耕探索，陈民芳不仅让镁合金在医疗领域取得突破性进展，在工业领域同样也获得了耀眼的成绩。“虽然专注于生物医学方向，但目前广泛应用的工业领域我们也同样关注，比如刚才提到的‘天津号’，就凝聚了我们多年的科研成果。”据了解，作为纯太阳能车，“天津号”的“体重”需要严格控制，数据显示，“天津号”的整车重量被降低到1020 公斤，相比同类车型“减重”50%以上之多。为达到“天津号”整车减重50%的要求，项目组最初考虑整个车身采用碳纤维骨架，但由于生产周期长、成本昂贵、推广性差、难以量产等诸多因素，最终决定用铝合金骨架和碳纤维覆盖件的组合结构。然而，这种结构无论如何设计仅能实现最大减重40%，最后的10%怎么解决？“因为我们与车企及相关科研单位有着多年的合作经历，在离整车装配时间仅剩1 个半月的时候，该项目负责人找到了我。”但那时陈民芳正备受眼疾困扰，医生告知她需要手术更换晶体。然而，该项目研究时间紧、任务重、难度大，她义无反顾地推迟了手术时间，全身心投入到攻克车身减重难题当中，最终找到了解决方案，使用密度比铝合金小1/3的镁合金制造车身仪表板管梁和轮毂，从而实现了“减重”任务。

耐得住寂寞，方能创造出繁华。陈民芳潜心镁合金材料研究已经16年，她带领的团队是天津市镁合金材料领域研究时间最长、成果最多、实力最强的团队，共拥有镁合金材料的相关专利12 项，完成各类研究项目15项。之所以陈民芳可以取得如此耀眼的成绩，是因为她耐得住性子坚持、静得下心研究。“我经常对年轻人说，一定要坚持，认准方向后开始努力，就一定会有所成就。”陈民芳认为，基础研究是科技创新的基石，只有守住寂寞打好基础，才能不断突破收获成绩。

采访的最后，陈民芳透露，将镁合金骨折内固定产品推向临床，是她未来一段时间内的主要任务。“实验室成熟仅是阶段性胜利，能真正造福骨伤患者才是终极目标。”未来，她将带领团队在现有科研成果上再精进，力求将其打造得更为轻薄，以此来适应颅颌面等精细位置骨修复的应用。

每一个孜孜不倦的奋斗身影背后，都有一颗不服输、不放弃的追梦之心。立志当高远，立志需躬行，扎扎实实干，点点滴滴做，才能干有所成。陈民芳用几十年的科研经历诠释了实干家、奋斗者的精神，也让我们看到了只有脚踏实地、行而不辍、不弃微末，才能有所创造，才能抵达自己梦想中的远方。

Exclusive dialogue

独家对话

记者：您带领团队攻破多个技术壁垒才完成了“天津号”的项目，您能否介绍一下具体难点有哪些？

陈民芳：接到任务后，我们首先在实验室找到了“减重”的解决方案，也就是使用密度比铝合金小1/3 的镁合金制造车身仪表板管梁和轮毂，但这又造成了塑形与承重的冲突。车身仪表板管梁是整车仪表板、中控仪表等部件的主要承重部件，也是车身总成的关键。由于镁合金单件压铸成本高，无法直接浇铸，管梁只能挤压成型。根据整体设计需要，“天津号”仪表板管梁呈“日”字形，横截面金属焊点多达6 个，比普通型材挤压难度系数高了很多；再加上镁合金本身的塑形能力原本就比较差，使用镁合金挤压“日”字形管梁并达到承重要求几乎不可能。所以，我果断决定采用具有自主知识产权的高剪切熔体搅拌技术，通过准纳米尺度CaO 颗粒与Mg-Al 合金熔体反应，原位自生MgO 纳米变质相，显著细化镁合金晶粒及第二相，这样不仅提高了传统Mg-Al 合金的强韧性和耐蚀性，而且还比添加稀土元素的同类镁合金降低了成本。

当然，后续的研制过程也非一帆风顺。第一次正式上线挤压镁合金，挤出的型材就出现了断裂。于是，我们研制小组成员反复观看挤压视频，多次与现场工程师沟通，并对工厂邮寄过来的管梁样品进行一系列显微组织观察和性能测试，从配料到成品逐道工序逐一排查，终于找出了断裂原因。最终，我们将长2 米、壁厚2 毫米的50×50 毫米“日”字形管件挤压成功，连同5×1.5毫米的镁合金板材一同为“天津号”瘦身的最后10%作出了贡献，实现了科技成果的成功转化。

记者：请您介绍一下生物医疗领域镁合金的研发重点和难点有哪些？

陈民芳：我们研究的镁合金前提是生物安全，也就是说该材料的应用不会对人体形成安全隐患。仅就目前临床来看，虽然也有可降解生物材料的应用，但局限于聚乳酸等高分子材料和Ca-P 类生物陶瓷。由于其力学性能不足、降解产物呈酸性、脆性大等缺陷，使用范围受到极大限制。所以，低模量、高强度的可降解生物材料在临床上仍是空白，无法满足骨科、矫形外科和心血管患者对可降解吸收植入器件的需求。

一段时间的科研论证表明，医用镁合金以其显著优于可降解高分子和陶瓷材料的综合力学性能，其良好的生物相容性和独特的腐蚀吸收特性成为新一代高强度、低模量、可降解植入材料的典型代表。一旦成功，将颠覆在骨折内固定、血管支架和腔道支架的介入治疗，以及外科手术吻合器、闭合夹等的临床应用现状，所以，镁合金成为生物材料领域的重要前沿研究方向。

自2005年以来，国内外研究者通过合金化、表面涂层和添加陶瓷颗粒增强复合材料等方法，提高镁及其合金的强度，改善耐蚀性。经过近20年的基础研究和体内外植入实验，德国、日本、韩国等相继开发了商品化的可降解镁合金血管支架和骨螺钉产品，虽然在应用方面仍有局限性，但在临床上显示出良好的安全性和有效性。而目前，我国一些单位和课题组所开发的相关产品也多处在第三方评价或审批过程中。但是，这并不意味着可降解镁合金已经完全满足了临床使用要求，仅就骨折内固定而言，目前的医用镁合金还不能同时满足屈服强度大于200MPa，伸长率大于10%， 降解速率小于0.5mm/y 临床要求。特别是仅由生物安全元素构成的医用镁合金，往往很难实现优异的综合性能。因此，兼具多种性能要求的镁合金研发非常具有挑战性。

记者：目前，您和团队在生物医疗领域的镁铝合金研发都取得哪些突破和成绩？

陈民芳：经过近20年的不懈努力，我们在可降解镁合金领域主持完成了国家及天津市各类项目15项，拥有授权发明专利13 件，发表SCI 检索论文百余篇。与此同时，我也很荣幸得到了同行的认可，受邀成为中国可降解镁合金材料产业技术创新战略联盟专家，中国生物材料学会医用金属材料分会和腐蚀与防护分会委员。

从事镁合金研究多年，我最高兴的就是我的科研成果没有被“束之高阁”，而是一步一步地不断在向市场应用迈进。2017年，由我主持的基于6 项国家发明专利和16 篇学术论文的国家基金项目获天津市科技进步奖二等奖，其成果用于多家公司的相关产品。而此后的多年里，我也和团队一起根据企业和临床产品的需求不断调整材料成分，逐步提高性能，深入推进专利镁合金的产业化。

近期，我与一家公司签署了协议，以医用镁合金专利技术入股，共同合作开发可降解骨折内固定产品。我们预计在2023年下半年将有相关产品申请注册，一旦得到应用将填补国内空白。未来一段时间，我们的重点工作将围绕产业化、临床试验等方面开展，目的就是希望我们的产品可以更快地应用到临床，尽早造福更多的骨伤患者。