提到鈦，有人說(shuō)它是一種礦巖，有人想到網(wǎng)絡(luò)熱詞“鈦合金眼”，有人猜它可以用做工業(yè)材料，當(dāng)然也有人問(wèn)：鈦是什么？盡管鈦的一些性能并沒有被公眾所熟知，但這并不能阻止它有一番大作為。這不，最近它又被3D打印技術(shù)制成“人工腦殼”用來(lái)代替人的顱骨。
消息一出，人們議論紛紛： 鈦緣何能做“人工腦殼”？用鈦制品做醫(yī)用材料靠譜嗎？與其它材料相比有啥不一樣？在推廣中遇到哪些瓶頸？除此之外鈦還有什么用途？就這些疑問(wèn)，中科院金屬研究所研究員徐東生為讀者答疑釋惑。
鈦為什么能植入人體？ 無(wú)毒、耐腐蝕、彈性好、強(qiáng)度高
將一種物質(zhì)植入人體可不像說(shuō)的這般輕松。徐東生說(shuō)：“將物質(zhì)植入人體需要幾個(gè)條件，首先要求這種物質(zhì)必須無(wú)毒，與人體無(wú)不良反應(yīng)；其次是一般不能腐蝕；再次是如果作為骨替代物需要強(qiáng)度高、耐疲勞、同時(shí)和彈性模量要與人骨接近。
將鈦合金用于人工骨制移植，在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的越來(lái)越廣泛。是什么原因讓鈦從眾多備選材料中脫穎而出？徐東生說(shuō)：“從前用的骨替代用金屬如不銹鋼等，其彈性模量大多很高，與骨之間彈性模量不匹配，使得載荷不能由植體很好地傳遞到相鄰骨組織，出現(xiàn)‘應(yīng)力屏蔽’現(xiàn)象，從而導(dǎo)致種植體周圍發(fā)生骨吸收，導(dǎo)致局部骨質(zhì)疏松，最終引起種植體松動(dòng)或附近的骨斷裂。
“鈦是少有的幾個(gè)對(duì)人體無(wú)害的元素金屬之一。就目前看，鈦可能是放在人體里最好的骨替代材料”徐東生說(shuō)，“尤其是一些新發(fā)明的低模量鈦合金，彈性模量和人骨非常接近，這樣就不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力屏蔽，給人體帶來(lái)一些諸如骨質(zhì)疏松這樣的問(wèn)題，也不需要像其他骨制品幾年就得更換一次。這類合金與人體力學(xué)相容性非常好，會(huì)隨著自身骨頭的變形而變形。而其他像是鐵、鎳等合金骨制品則會(huì)隨著時(shí)間的推移，導(dǎo)致一些諸如過(guò)敏、發(fā)炎、生銹等問(wèn)題。有些金屬雖然與人體沒有反應(yīng)，如金、鎳等，但是強(qiáng)度及彈性等方面遠(yuǎn)不及鈦。
將鈦植入人體有何風(fēng)險(xiǎn)？ 生物相容性是關(guān)鍵
鈦制品植入人體風(fēng)險(xiǎn)究竟有多大？這是老百姓關(guān)心的熱點(diǎn)。徐東生說(shuō)：“很多人擔(dān)心骨質(zhì)移植會(huì)不會(huì)造成病變的發(fā)生。實(shí)際上在我們所的研究初期就已考慮到這點(diǎn)。確實(shí)有些材料移植到體內(nèi)會(huì)加速細(xì)胞增長(zhǎng)，甚至導(dǎo)致癌癥。十幾年前我們就開始與他人合作進(jìn)行生物相容性研究，通過(guò)一些實(shí)驗(yàn)觀察細(xì)胞如何在鈦移植體上生長(zhǎng)、蛋白質(zhì)會(huì)不會(huì)沉積。經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的試驗(yàn)觀察和臨床經(jīng)驗(yàn)證明，這種鈦合金的生物相容性很好。
據(jù)國(guó)外研究表明，某些鈦合金植入體內(nèi)后，合金中的V等離子會(huì)擴(kuò)散到其周圍的軟組織中，引起發(fā)炎等癥狀。這項(xiàng)研究是否說(shuō)明鈦制品骨質(zhì)移植存在一些無(wú)法避免的漏洞？
有關(guān)資料顯示，正常人的體液中含有水、葡萄糖、蛋白質(zhì)以及類脂肪等物質(zhì)，正常狀態(tài)下pH值為7.4，這些特性就決定了人體環(huán)境具有一定的腐蝕性。而生物體環(huán)境的復(fù)雜性決定了種植體組織之間反應(yīng)的復(fù)雜性。徐東生說(shuō)：“我們的鈦合金去除了對(duì)人體有害的V等元素，采用Nb， Zr， Sn等無(wú)毒元素，同時(shí)鈦具有很大的惰性，相較于不銹鋼及其他合金，鈦的抗腐蝕性能是非常出色的，當(dāng)前它仍是已知最適合制造種植體的材料。當(dāng)然，關(guān)于鈦的醫(yī)用材料還有很多問(wèn)題有待進(jìn)一步探索，包括它的設(shè)計(jì)方法、制備工藝、性能測(cè)試等問(wèn)題。
3D打印鈦合金骨骼難在哪兒？ 造價(jià)高，臨床有待驗(yàn)證，技術(shù)亟待完美
相比傳統(tǒng)方式，3D打印在實(shí)體制造中省去了冗長(zhǎng)而昂貴的模具制造過(guò)程，這一顯著優(yōu)勢(shì)使得它被各行業(yè)爭(zhēng)相投入運(yùn)用。在醫(yī)用方面，骨骼3D打印已不再是神話。徐東生說(shuō)：“骨骼3D打印簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，首先需要對(duì)需復(fù)制的骨骼或者對(duì)身體上的對(duì)稱骨骼進(jìn)行3D成像，然后輸入3D打印機(jī)層層疊加，直至形成3D的實(shí)體。這意味著骨骼的3D打印技術(shù)成功地解決了根據(jù)個(gè)體需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這一難題。但將鈦合金骨骼3D打印技術(shù)要想被廣泛運(yùn)用，估計(jì)還得等上一段時(shí)間。
在人們的印象中，只要和鈦扯上關(guān)系，似乎就注定價(jià)值不菲。那么，這是不是造成推廣運(yùn)用難的原因？對(duì)此徐東生表示，造價(jià)高確實(shí)是一個(gè)問(wèn)題，但這并不是唯一的原因。需要用大量的科學(xué)研究和臨床試驗(yàn)來(lái)證明這項(xiàng)技術(shù)的安全可靠，也是一個(gè)關(guān)鍵因素。
徐東生強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“就目前來(lái)看，用鈦原料打印出來(lái)的部件并不是非常完美，一般都會(huì)帶有一些缺陷——表面上比較粗糙，內(nèi)部會(huì)有一些微孔等，對(duì)外觀或強(qiáng)度上會(huì)造成一定的影響。實(shí)際上，想要合金疲勞性能好同時(shí)又具有低模量是非常困難的。因?yàn)楹辖鸬膹椥阅Ａ勘容^低的話，它的強(qiáng)度常常也會(huì)下降。通過(guò)什么辦法設(shè)計(jì)出既具有高強(qiáng)度又具有低彈性模量的鈦合金是制作良好種植體的關(guān)鍵，這是我們所多年來(lái)的努力方向。
熱播劇《永不磨滅的番號(hào)》里，主人公“鐵腦殼”因?yàn)槟X殼上修補(bǔ)了一塊鐵片而給人印象深刻。白求恩國(guó)際和平醫(yī)院神經(jīng)外科有一名罕見腫瘤患者，因?yàn)槟X殼受到腫瘤細(xì)胞包裹侵蝕，3/4的腦殼都要更換為鈦合金的“人工腦殼”。如此大面積更換“人工腦殼”的手術(shù)非常少見，手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和難度也特別大。金屬腦殼是如何替換的，患者今后生活有何影響？
半月前，52歲的患者楊順利（化名）因頭痛、眼眶脹痛，在家人的陪同下來(lái)到白求恩國(guó)際和平醫(yī)院治療，卻意外得知，頭部長(zhǎng)了一個(gè)巨大腫瘤，再不進(jìn)行手術(shù)可能會(huì)危及生命。
白求恩國(guó)際和平醫(yī)院神經(jīng)外科主任樊豐勢(shì)說(shuō)，經(jīng)過(guò)診斷分析，患者必須立即手術(shù)。而由于巨瘤包裹、侵蝕顱骨，因此必須要將顱骨更換成人工頭顱。在一半腫瘤和顱骨成功切除后，隨后，經(jīng)過(guò)對(duì)剩余顱骨和“人工腦殼”重新塑型，卯上鈦釘，金屬腦殼被牢牢固定。最后，醫(yī)生將隔開的腦膜和頭皮紛紛修復(fù)縫合好，鈦合金人工頭顱順利替換。經(jīng)過(guò)整整13個(gè)小時(shí)，手術(shù)順利結(jié)束。
問(wèn)：手術(shù)用的金屬腦殼是怎么做的？
樊豐勢(shì)：這個(gè)金屬腦殼分前后兩片，是用兩個(gè)鈦合金網(wǎng)做成的。這個(gè)“人工腦殼”是在手術(shù)之前做好的，利用3D技術(shù)按照成年人的平均參數(shù)制作的。這種金屬與人體相容性好，表面包上病人自己的組織之后像骨頭一樣，進(jìn)入體內(nèi)不會(huì)生銹。
問(wèn)：如果患者再需治療，還能打開腦殼嗎？
樊豐勢(shì)：因?yàn)?ldquo;人工腦殼”是用鈦釘卯上去的，所以還可以拆卸。
問(wèn)：金屬腦殼功能跟原來(lái)的腦殼一樣嗎？
樊豐勢(shì)：腦殼的主要功能就是保護(hù)大腦，鈦合金質(zhì)地比較硬，所以比之前的顱骨還要結(jié)實(shí)。而且，設(shè)計(jì)時(shí)，后半部分質(zhì)地相對(duì)比前方更硬，怎么壓也不會(huì)變形。此外，因?yàn)轭^皮完整，所以不會(huì)讓大腦太敏感，散熱、存熱等大腦調(diào)節(jié)功能也不受影響。
問(wèn)：以后還能長(zhǎng)頭發(fā)嗎？
樊豐勢(shì)：當(dāng)然能長(zhǎng)頭發(fā)，因?yàn)轭^發(fā)生長(zhǎng)主要在于頭皮。手術(shù)過(guò)程中，病人的頭皮組織并未受損。等頭發(fā)長(zhǎng)了，頭皮上的手術(shù)痕跡也被擋住了，與正常人看起來(lái)沒有明顯區(qū)別。