新闻缘起：

    据了解，今年第四代3D打印机将引进国内一些医院，它能打出钛合金物件，有望直接用作骨科材料植入人体。而在前不久，白求恩国际和平医院神经外科有一名罕见肿瘤患者，因为脑壳受到肿瘤细胞包裹侵蚀，3/4的脑壳都被更换为钛合金的“人工脑壳”。

    提到钛，有人说它是一种矿岩，有人想到网络热词“钛合金眼”，有人猜它可以用做工业材料，当然也有人问：钛是什么？尽管钛的一些性能并没有被公众所熟知，但这并不能阻止它有一番大作为。这不，最近它又被3D打印技术制成“人工脑壳”用来代替人的颅骨。

    消息一出，人们议论纷纷： 钛缘何能做“人工脑壳”？用钛制品做医用材料靠谱吗？与其它材料相比有啥不一样？在推广中遇到哪些瓶颈？除此之外钛还有什么用途？就这些疑问，中科院金属研究所研究员徐东生为读者答疑释惑。

    钛为什么能植入人体？ 无毒、耐腐蚀、弹性好、强度高

    将一种物质植入人体可不像说的这般轻松。徐东生说：“将物质植入人体需要几个条件，首先要求这种物质必须无毒，与人体无不良反应；其次是一般不能腐蚀；再次是如果作为骨替代物需要强度高、耐疲劳、同时和弹性模量要与人骨接近。”

    将钛合金用于人工骨制移植，在医学上应用的越来越广泛。是什么原因让钛从众多备选材料中脱颖而出？徐东生说：“从前用的骨替代用金属如不锈钢等，其弹性模量大多很高，与骨之间弹性模量不匹配，使得载荷不能由植体很好地传递到相邻骨组织，出现‘应力屏蔽’现象，从而导致种植体周围发生骨吸收，导致局部骨质疏松，最终引起种植体松动或附近的骨断裂。”

    “钛是少有的几个对人体无害的元素金属之一。就目前看，钛可能是放在人体里最好的骨替代材料”徐东生说，“尤其是一些新发明的低模量钛合金，弹性模量和人骨非常接近，这样就不会产生应力屏蔽，给人体带来一些诸如骨质疏松这样的问题，也不需要像其他骨制品几年就得更换一次。这类合金与人体力学相容性非常好，会随着自身骨头的变形而变形。而其他像是铁、镍等合金骨制品则会随着时间的推移，导致一些诸如过敏、发炎、生锈等问题。有些金属虽然与人体没有反应，如金、镍等，但是强度及弹性等方面远不及钛。”

    将钛植入人体有何风险？ 生物相容性是关键

    钛制品植入人体风险究竟有多大？这是老百姓关心的热点。徐东生说：“很多人担心骨质移植会不会造成病变的发生。实际上在我们所的研究初期就已考虑到这点。确实有些材料移植到体内会加速细胞增长，甚至导致癌症。十几年前我们就开始与他人合作进行生物相容性研究，通过一些实验观察细胞如何在钛移植体上生长、蛋白质会不会沉积。经过无数次的试验观察和临床经验证明，这种钛合金的生物相容性很好。”

    据国外研究表明，某些钛合金植入体内后，合金中的V等离子会扩散到其周围的软组织中，引起发炎等症状。这项研究是否说明钛制品骨质移植存在一些无法避免的漏洞？

    有关资料显示，正常人的体液中含有水、葡萄糖、蛋白质以及类脂肪等物质，正常状态下pH值为7.4，这些特性就决定了人体环境具有一定的腐蚀性。而生物体环境的复杂性决定了种植体组织之间反应的复杂性。徐东生说：“我们的钛合金去除了对人体有害的V等元素，采用Nb， Zr， Sn等无毒元素，同时钛具有很大的惰性，相较于不锈钢及其他合金，钛的抗腐蚀性能是非常出色的，当前它仍是已知最适合制造种植体的材料。当然，关于钛的医用材料还有很多问题有待进一步探索，包括它的设计方法、制备工艺、性能测试等问题。”

    3D打印钛合金骨骼难在哪儿？ 造价高，临床有待验证，技术亟待完美

    相比传统方式，3D打印在实体制造中省去了冗长而昂贵的模具制造过程，这一显著优势使得它被各行业争相投入运用。在医用方面，骨骼3D打印已不再是神话。徐东生说：“骨骼3D打印简单来说，首先需要对需复制的骨骼或者对身体上的对称骨骼进行3D成像，然后输入3D打印机层层叠加，直至形成3D的实体。这意味着骨骼的3D打印技术成功地解决了根据个体需求进行结构设计这一难题。”但将钛合金骨骼3D打印技术要想被广泛运用，估计还得等上一段时间。

    在人们的印象中，只要和钛扯上关系，似乎就注定价值不菲。那么，这是不是造成推广运用难的原因？对此徐东生表示，造价高确实是一个问题，但这并不是唯一的原因。“需要用大量的科学研究和临床试验来证明这项技术的安全可靠，也是一个关键因素。”

    徐东生强调说：“就目前来看，用钛原料打印出来的部件并不是非常完美，一般都会带有一些缺陷——表面上比较粗糙，内部会有一些微孔等，对外观或强度上会造成一定的影响。实际上，想要合金疲劳性能好同时又具有低模量是非常困难的。因为合金的弹性模量比较低的话，它的强度常常也会下降。通过什么办法设计出既具有高强度又具有低弹性模量的钛合金是制作良好种植体的关键，这是我们所多年来的努力方向。”

    ■ 连线专家

    科技日报：“除了在医学方面，钛还应用在哪些方面？”

    徐东生：“钛合金具有优异的比强度，同时还具有良好的高温性能，因此在航空航天上，不仅用于制造飞行器结构件，在发动机中也大量应用，还可以用于制造高压容器，如高压气瓶。钛的耐腐蚀性很好，使它常应用于化工等领域；钛的高强度、耐久性以及良好的装饰性，也适合在汽车、建筑等方面应用。同时钛的氧化物钛白由于具有光催化作用，可分解某些有害污染物，在建筑外墙涂料等方面正在被广泛使用。”

    科技日报：“钛制品广泛应用，还需迈过几道坎？”

    徐东生：“首先，价格是一个不能忽视的问题，钛及钛合金多属于高价位的产品，这是它们没有大量被应用的重要原因；其次，对于提炼钛的能量要求比较高，耗电量比较大，把钛原子从氧化物里分离出来所需要的电能比铝等其他金属高；还有如何改善综合力学性能和工艺性能，进一步研究钛合金的力学和生物学相容性并进行必要的临床试验非常重要，将为新型医用钛合金的发展提供依据。”

    科技日报：“钛制品何时走进寻常百姓家？”

    徐东生：“一个是开发出质优价廉的新型医用钛制品，使它能被老百姓消费的起；规模化本身会使其降低成本；此外，还需要材料工作者以及医学工作者的通力合作，才能将钛及钛合金更多更快的应用到临床中去。钛的腐蚀等的衰减率很低，很多情况下它的腐蚀率几乎可以忽略，这不仅可降低回收费用，而且减少了资源浪费和污染，它的这些优点应该被更多人认识。政府的积极推动也非常重要，如能相应的做出一些鼓励政策促进钛合金的使用将有助于其更广泛的应用。”

    ■ 延伸阅读

    四问“人工脑壳”

    热播剧《永不磨灭的番号》里，主人公“铁脑壳”因为脑壳上修补了一块铁片而给人印象深刻。4月10日，白求恩国际和平医院神经外科有一名罕见肿瘤患者，因为脑壳受到肿瘤细胞包裹侵蚀，3/4的脑壳都要更换为钛合金的“人工脑壳”。如此大面积更换“人工脑壳”的手术非常少见，手术风险和难度也特别大。金属脑壳是如何替换的，患者今后生活有何影响？

    半月前，52岁的患者杨顺利（化名）因头痛、眼眶胀痛，在家人的陪同下来到白求恩国际和平医院治疗，却意外得知，头部长了一个巨大肿瘤，再不进行手术可能会危及生命。

    白求恩国际和平医院神经外科主任樊丰势说，经过诊断分析，患者必须立即手术。而由于巨瘤包裹、侵蚀颅骨，因此必须要将颅骨更换成人工头颅。在一半肿瘤和颅骨成功切除后，随后，经过对剩余颅骨和“人工脑壳”重新塑型，卯上钛钉，金属脑壳被牢牢固定。最后，医生将隔开的脑膜和头皮纷纷修复缝合好，钛合金人工头颅顺利替换。经过整整13个小时，手术顺利结束。

    问：手术用的金属脑壳是怎么做的？

    樊丰势：这个金属脑壳分前后两片，是用两个钛合金网做成的。这个“人工脑壳”是在手术之前做好的，利用3D技术按照成年人的平均参数制作的。这种金属与人体相容性好，表面包上病人自己的组织之后像骨头一样，进入体内不会生锈。

    问：如果患者再需治疗，还能打开脑壳吗？

    樊丰势：因为“人工脑壳”是用钛钉卯上去的，所以还可以拆卸。

    问：金属脑壳功能跟原来的脑壳一样吗？

    樊丰势：脑壳的主要功能就是保护大脑，钛合金质地比较硬，所以比之前的颅骨还要结实。而且，设计时，后半部分质地相对比前方更硬，怎么压也不会变形。此外，因为头皮完整，所以不会让大脑太敏感，散热、存热等大脑调节功能也不受影响。

    问：以后还能长头发吗？

    樊丰势：当然能长头发，因为头发生长主要在于头皮。手术过程中，病人的头皮组织并未受损。等头发长了，头皮上的手术痕迹也被挡住了，与正常人看起来没有明显区别。