钛的奇妙之旅：从溪边黑沙到人体的“最佳拍档”
2024-10-24耿雁冰
我们在学习金属材料时会认识到钛，它有很多的优秀性能，如熔点高、密度小、可塑性好、易于加工、机械性能好等。尤其是钛和钛合金的抗腐蚀性能非常好，远优于不锈钢，即使把它们放在海水中数年，取出时仍光亮如初。但是，你知道吗，钛合金还有一个特殊的性能，它与人体具有很好的相容性，因此可以用来制造人造骨等。
那么，钛以及它的相容性是怎么被发现的呢？
钛的发现及命名
1791年，英国业余矿物学家格雷戈尔在英格兰西部康沃尔的一条小溪旁找到了一些黑沙（其实是钛铁矿），这些黑沙会被磁铁吸引。经过分析，他发现黑沙里面有氧化铁及一种他无法辨识的白色金属氧化物。他意识到这里面一定含有一种未被发现的金属，于是在英国康沃尔郡皇家地质学会及德国的《化学年刊》发表了这一发现。
1795年，德国化学家克拉普罗特在分析匈牙利产的红色金红石时，也发现了这种氧化物。他主张采取为铀命名的方法，用希腊神话中泰坦神族“Titanic”的名字，给这种新元素起名叫“Titanium”，中文按其译音定名为“钛”。当他听闻格雷戈尔较早前的发现之后，他取得了一些黑沙的样本，并证实它含钛。
格雷戈尔和克拉普罗特所发现的钛是粉末状的二氧化钛，而不是金属钛。因为钛的氧化物极其稳定，而且金属钛能与氧、氮、氢、碳等直接激烈地化合，所以单质钛很难制取。直到1910年，美国化学家亨特才第一次用钠还原氯化钛，制得纯度达99.9%的金属钛。
制作假肢的最大困难
自古以来，医生就会用木头做成假肢代替人身上缺失的肢体。工业革命以后，金属假肢逐渐普及。最理想的假肢是让金属或木头和身体融合在一起，但没人做得到。这些尝试都遭到了人体免疫系统的抵抗，金、锌、镁以及镀铬的猪尿脬，通通不行。
作为一个血液研究者，瑞典医生皮尔·英格瓦·布赖恩马克知道其中的原因。一般而言，血细胞会成群结队地包围外来物质，用光滑纤维质的胶原蛋白将它紧紧包裹起来。但细胞不够聪明，无法鉴别哪种外来物质是有害的，所以几个月后，植入的不管是什么东西，总会被胶原蛋白包裹起来，很容易滑移或者抠下来。这也是人体的一种防御机制，就是将外来物质密封起来防止泄露。
不过，布赖恩马克发现了一个奇怪的现象——出于某种原因，钛似乎“迷惑”了血细胞，它完全不会引发免疫反应，甚至还能骗到身体里的成骨细胞，这些细胞会贴到钛上，好像这个22号元素真是身体里的骨头一样。因此，钛能够完全融入身体。
钛的相容性是如何发现的
布赖恩马克是怎么发现这一现象的呢？
1952年，布赖恩马克开始研究骨髓如何产生新的血细胞。他希望能够直接进行观察，于是在兔子的股骨上凿了几个洞，然后把一层蛋壳一样薄的钛片覆在上面。这种薄片在强光下是透明的，所以可以作为观察窗。观察结果十分令人满意，布赖恩马克决定把昂贵的钛片拆下来用于别的实验，可让他上火的是，钛片怎么都撬不动。他只得放弃了这些钛片，还有可怜的兔子。
可是，接下来的实验中又发生了同样的事情，钛片总是紧紧地嵌在股骨上，怎么也拿不下来。于是，布赖恩马克又认真地检查了一番。这次的发现比观察刚长出的血细胞有趣多了，他将这种现象称作“骨整合”。现在，骨整合的定义是在光学显微镜下，植入体与骨组织之间呈现的无纤维结缔组织界面层的直接接触。通俗地讲，就是相容性。
因为钛的耐腐蚀性、稳定性高，即使和人体长期接触，也不影响其本质，所以不会造成人的过敏。而且，它还是唯一对人类自主神经和味觉没有任何影响的金属。因此，钛又被人们称为“亲生物金属”。
医疗界的“超级英雄”
由于那次意外的发现，布赖恩马克的研究小组将研究重点转向钛在人类骨中的运用，其中就包括将钛钉植入颌骨里以替代已经脱落的牙齿。经过无数次的研究和试验，布赖恩马克于1965年将人类历史上第一颗纯钛的根形种植牙植入病人戈斯塔·拉森的口内。直至拉森先生于2006年去世，这颗种植牙使用了41年之久，始终完好如初。
1981年，钛种植牙正式开始工业化生产，并持续创新发展至今，数十年来造福全球无数的缺牙患者。
生物相容性好这一特点，使钛与其他金属相比具有独特的优势，因此在医学领域获得广泛青睐。医用钛合金作为一种新型合金，同时也是一种载体材料，被广泛应用于肢体植入、替代性功能材料、牙科、医疗器械等相关领域。
1972年，我国开始采用国产钛及钛合金制品。北京积水潭医院等20多家医院先后采用钛及钛合金人造骨头与关节用于临床治疗应用和研究，制造的髋关节、肘关节、下颌骨等用于临床治疗病人。同时，华山医院与上海冶金研究所的模拟人体体液浸泡实验、电化学阳极化实验和腐蚀动力学曲线的测定，证明了钛及钛合金人造骨头与关节用于人体具有优异的耐腐蚀性，生物学反应也很小，是一种理想的人体植入物。复旦大学生物系人类生理学研究组与上海市第六人民医院进行了相关的力学性能测定，认为钛及钛合金的强度满足了人体植入物的要求。
20世纪80年代中期以后，国产钛及钛合金加工材用于制造人体植入物的数量增加，其中钛形状记忆合金的开发与应用达到国际先进水平。到了20世纪90年代中期，国产钛及钛合金加工材在矫形外科、神经外科、口腔颌面外科等方面广泛应用。采用钛及钛合金制造的股骨头、髋关节、肱骨、颅骨、肘关节、肩关节、掌指关节、颌骨以及心瓣膜、肾瓣膜、血管扩张器、夹板、假体、紧固螺钉等上百种金属件移植到人体中，取得了良好的效果，被医学界给予了很高的评价。
医用钛及钛合金材料的优势已经被医学界认可，也被越来越多的患者接受。未来，钛及钛合金作为人体植入物的研究与应用还将进一步发展。
（责任编辑：白玉磊）
