出品：科普中国

作者：李娟（生命科学专业博士）

监制：中国科普博览

钛合金常被誉为生物医学“万能金属”，从骨科植入物到牙科修复，从心血管支架到手术器械，钛合金的应用几乎覆盖了现代医学的各个领域。

看似平凡的金属，为何能在人体内“隐形”穿梭，与我们的组织和平共处？它有何神奇的“生物魔力”？这种魔力又是从何而来？让我们在本篇文章中一探究竟。

从战机到人体，钛合金的华丽转身

钛合金的故事始于航空领域。20世纪40年代，科学家偶然发现这种用于制造战斗机的金属，竟然与动物骨骼相处融洽。

20世纪50年代，钛合金正式进军医疗界。最初的明星产品Ti-6Al-4V（含6%铝和4%钒）表现出色，但医生们发现其中的钒元素可能带来健康隐患。于是材料学家们开始“调配新配方”，用更安全的铌替代钒，研制出Ti-6Al-7Nb等新型合金。

科学家通过调整铝、钒、铌等“配料”的比例，可以定制出适合不同医疗需求的钛合金。如今的钛合金家族已发展出三大门派：

α型：稳定性高但强度一般

β型：弹性最好，最接近真实骨骼

α+β型：兼顾强度与韧性

在医学材料的世界里，钛合金就像一位全能选手——既结实又轻盈，还能和人体和谐相处。

优点一：完美的生物相容性。如果把一块金属放进身体里，最怕发生什么？没错，就是排异反应。但钛合金却能和人体和平共处，这要归功于它的一项特殊技能——自动生成保护膜（二氧化钛层）。它在人体环境中几乎不会溶解，能有效阻挡金属离子释放，并且不会被体液腐蚀，也不易引发免疫系统的攻击。

这层保护膜能吸附钙和磷酸盐，促进羟基磷灰石（构成人体骨骼和牙齿的主要无机成分）沉积，使骨细胞直接在钛表面生长，形成“生物融合”。相比之下，不锈钢和钴铬合金会缓慢释放镍、铬离子，可能引发过敏或毒性反应，通常被纤维组织包裹，无法实现真正的生物相容。

优点二：强韧又轻盈。钛合金的第二个超能力是它的力学性能。医生们发现，理想的植入材料应该具备两个特点——足够坚固，能承受日常活动，而且弹性要接近真实骨骼。钛合金完美满足了这些要求。首先，它具备轻量化的特点，密度只有钢铁的一半，但强度相当；其次，它的弹性适中，新型钛合金的弹性模量约60GPa（吉帕），已经非常接近人骨的30GPa；第三，它能抗疲劳，可以承受数百万次的弯曲而不断裂。

优点三：卓越的耐腐蚀性。恒温37℃、富含氯离子的体液，以及持续的机械摩擦——人体环境对金属来说其实很“凶险”，在这样的环境下，很多金属都会被慢慢腐蚀。但钛合金却表现出惊人的稳定性——在模拟体液中，钛合金每年的腐蚀量还不到一根头发丝直径的千分之一。

正是以上特质，让钛合金成为了医学植入材料的“黄金标准”。

用于牙科种植体的各种钛合金及其相关机械性能

（图片来源：参考文献[1]）

为何人体不排斥钛合金？

钛合金因其优异的综合性能，已全面应用于现代医疗领域，涵盖牙科修复体、心血管支架、骨科植入器械等关键场景。那么，为何人类的身体不排斥钛合金？这就要从一个融合了骨组织与免疫调控的新兴交叉学科——骨免疫学说起。

1981年，瑞典学者Albrektsson首次用电子显微镜证实了钛与骨组织之间的“直接接触”，这被视为种植成功的标志。这种种植体植入牙槽骨后与新骨直接接触的现象被称为“骨整合（osseointegration）”，但当时人们并不了解这一过程的生物学机制。

后续研究发现，这种“结合”其实是免疫系统经过严密调控后的妥协性结果。Albrektsson后来将这种机制定义为一种“异物平衡”（foreign body equilibrium, FBE）。换句话说，种植体在人体内并非完全被当作“自己人”，而是被“容忍”的异物。对于钛合金材料，免疫系统并未排斥它，而是在调节反应强度的基础上与其达成了和平共处的状态。

2023年，Waad Kheder的研究表明，钛颗粒的“骨整合”与种植体周围牙龈组织中T细胞和巨噬细胞的活动密不可分。这两种细胞正是出演“骨整合”大戏的关键角色。

巨噬细胞，顾名思义，是一类擅长吞噬异物或细胞残骸的免疫细胞。它们由血液中的单核细胞分化而来，是人体先天免疫防线的重要组成部分。但与传统“清道夫”的单一角色不同，巨噬细胞在身体的不同部位、面对不同信号时，还能展现出极高的“可塑性”——这意味着它们能变换身份，承担各种功能。其中最重要的一种“变身”过程叫“极化”。当巨噬细胞受到特定刺激时，会在两种功能截然不同的状态间切换：

M1型巨噬细胞：这是被称为“促炎型”的表型，会释放大量炎症因子（如IL-1β、IL-6、TNF等），帮助身体识别和消灭病原体，但也可能导致组织损伤。

M2型巨噬细胞：这是“抗炎型”的代表，能分泌如IL-10和TGF-β等抑炎因子，协助组织修复和新血管生成，是伤口愈合过程中的重要角色。

种植体植入后，血液中的单核细胞迅速进入局部组织，分化为巨噬细胞，并释放出大量炎症因子（如IL-1、IL-8、MCP-1等）。这一炎症反应是骨修复的前奏，也是种植体最终“被接受”或“被排斥”的关键转折点。如果炎症未能顺利过渡至修复阶段，就可能形成持续的M1主导状态，导致种植体失败。

在这一过程中，T调节细胞（Tregs）能够指挥调控巨噬细胞M1/M2的切换。T调节细胞就像是免疫系统中的“和平指挥官”——在它的影响下，巨噬细胞可从M1型转变为M2型，从“破坏模式”进入“修复模式”，帮助种植体稳固扎根。

T调节细胞是怎么发挥作用的呢？首先，Tregs能增加抗炎细胞因子的分泌（IL-4、IL-10、IL-13和TGF-β），抑制促炎细胞因子（TNF-α、一氧化氮和活性氧）等的分泌，促使单核细胞朝着抗炎的M2巨噬细胞表型分化。另外，Tregs还能和巨噬细胞进行直接的细胞间相互作用，来调节巨噬细胞，减少炎症对身体的伤害。

有研究表明，在纯钛表面，由于缺少特殊的修饰，巨噬细胞释放出促炎信号，容易引发炎症反应，不利于种植体的长期稳定。但是当钛合金表面涂上特殊涂层（比如NT-ICA-ASP/PLGA）时，情况就大不相同了。巨噬细胞接触到这层“友好外衣”后，能够减少促炎信号的释放，转而增加促再生信号，使成骨细胞更快地增殖、粘附，并积极合成和分泌骨基质成分，直到在植入物周围建造出一层厚实的新骨。

于是，经过这一系列持续动态的生物反应，最终实现了身体与异物的平衡共存。如今，骨整合现象也已被理解为一种骨免疫反应。

活体骨内植入后，周围骨免疫系统随时间变化的示意图

（图片来源：参考文献[2]）

那么，明白了身体对钛合金的“容忍”机制，也就很容易懂得身体为何“排斥”其他金属。首先，其他金属植入物在体内环境中会发生不同程度的腐蚀和离子释放。当这些金属离子（如镍、钴、铬等）进入组织后，会激活巨噬细胞等免疫细胞向促炎型转化。而且，它们释放的金属离子可能干扰细胞代谢，引起过敏反应。此外，某些金属的腐蚀产物会改变局部pH值，破坏组织微环境。

因此，在未来的牙科与骨科治疗中，是否能通过优化免疫环境、引导巨噬细胞极化，成为决定治疗成功与否的重要一环。那些缺乏免疫调节能力的种植材料，往往面临炎症过强、骨吸收过快等问题。而真正“智能”的材料，能与免疫系统“对话”，激活身体自身的修复潜能，推动骨组织向有利方向发展。

钛合金的医学应用全景

具体来说，钛合金在医学中有哪些常用领域呢？

首先，钛合金在骨科领域的应用最为广泛，主要用于修复或替换受损的骨骼和关节。钛合金的耐磨性和抗疲劳性使其成为长期植入膝关节和肩关节的理想选择。Ti-6Al-4V和Ti-6Al-7Nb是人工髋关节的主要材料，其低弹性模量可减少“应力屏蔽”效应（即植入物比骨骼更硬，导致周围骨质流失）。另外，纯钛（CP-Ti）和Ti-6Al-4V的骨板、螺钉和髓内钉可用于固定骨折，其力学性能与骨骼匹配，能够避免二次断裂风险。

其次，钛合金在牙科领域的应用已有数十年历史，主要包括牙科种植体，假牙和正畸治疗。纯钛（CP-Ti）和Ti-6Al-4V是最常用的牙种植体材料，通过骨整合与颌骨牢固结合。钛合金是用于制作活动假牙的金属支架，比传统钴铬合金更轻、更舒适。在正畸应用中，利用形状记忆效应，镍钛（NiTi）弓丝可提供持续、温和的矫治力。钛合金托槽比不锈钢更轻、更耐腐蚀，适用于长期佩戴。

钛合金的另一项重要应用是在心血管医学中，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额外能量。表面能越高，材料表面越容易吸附其他物质）和亲水性能够减少血小板粘附，适合血管植入物（如支架）。在心脏支架领域，镍钛合金（Nitinol）支架具有超弹性，可压缩至极小直径（1-2mm），植入血管后自动恢复形状，支撑狭窄的动脉。而药物涂层支架是一种表面涂覆抗增殖药物（如雷帕霉素）的钛合金支架，可防止血管再狭窄。另外，与传统不锈钢材料器械干扰磁场不同，有钛合金外壳保护的起搏器和除颤器，能够不影响核磁共振检查。

此外，钛合金在颅颌面修复领域也展现出卓越的应用价值，成为重建患者面容与功能的关键材料。在颅骨修复中，钛网凭借其轻量化特性和优异的生物相容性，已逐步取代传统丙烯酸树脂材料。在颌面重建方面，3D打印钛合金植入物能够精确匹配患者骨骼结构，有效恢复咀嚼和语言功能。在耳鼻喉科领域，钛合金制成的中耳植入物和人工耳蜗电极，则为听力障碍患者带来了重获听力的希望。

钛合金医疗设备在人体各个部位都有广泛应用

（图片来源：参考文献[1]）

“万能金属”是如何炼成的？

在医疗领域，钛合金要完成从金属原料到“人体好搭档”的华丽变身，需要经历一系列精密的加工过程。

传统锻造法通过反复锤炼来塑造钛合金。比如，铸造法是将熔化的钛合金倒入模具，适合制作牙冠等小型零件，但内部可能产生微小气孔；锻造法是用万吨压力机反复捶打，使钛板强度提升2-3倍。这些方法虽然成熟，但很难做出复杂的内部结构。

相比来说，新型制造技术则能够打造出更为精准的“金属积木”。比如，用激光将钛粉逐层熔化堆积，可以制作出带有精细孔洞的髋关节；在真空环境中用电子束加工技术，能够打造出适合承重部位的植入体。3D打印技术让钛合金植入体的制造进入精准定制时代，具有精确孔隙结构的植入体，能完美促进骨细胞生长。

为了让钛合金更好地融入人体，科学家还开发了多种表面处理技术，类似给金属穿上“智能外衣”。通过喷砂酸蚀、阳极氧化等方法，在钛合金表面构建出纳米级的特殊结构，不仅提升了生物相容性，还能负载药物或生长因子。

其中，阳极氧化形成的纳米管阵列直径仅50-100纳米，相当于头发丝的千分之一；而银纳米粒子涂层对金黄色葡萄球菌的抑菌率高达99%。这些创新工艺让钛合金从单纯的金属材料转变为具有生物活性的智能植入体，在修复人体组织的同时，还能主动促进愈合、预防感染，展现了材料科学与医学的完美融合。

结语

如前文所述，先进的制造工艺让钛合金从冰冷的金属变成了有生物活性的“医疗伙伴”，在人体内发挥着不可替代的作用。研究表明，钛纳米结构已被证明是先进生物医学植入体的理想选择，其应用前景仍在持续拓展。随着材料科学与生物工程的交叉突破，未来的钛植入物可能会更智能，或将具备自愈合、免疫调节甚至感知功能，继续在再生医学、纳米医疗等领域发挥关键作用。