鈦合金常被譽為生物醫學“萬能金屬”，從骨科植入物到牙科修復，從心血管支架到手術器械，鈦合金的應用幾乎覆蓋了現代醫學的各個領域。

看似平凡的金屬，為何能在人體內“隱形”穿梭，與我們的組織和平共處？它有何神奇的“生物魔力”？這種魔力又是從何而來？讓我們在本篇文章中一探究竟。

Part.1

從戰機到人體，鈦合金的華麗轉身

鈦合金的故事始于航空領域。20世紀40年代，科學家偶然發現這種用于制造戰斗機的金屬，竟然與動物骨骼相處融洽。

20世紀50年代，鈦合金正式進軍醫療界。最初的明星產品Ti-6Al-4V（含6%鋁和4%釩）表現出色，但醫生們發現其中的釩元素可能帶來健康隱患。于是材料學家們開始“調配新配方”，用更安全的鈮替代釩，研制出Ti-6Al-7Nb等新型合金。

科學家通過調整鋁、釩、鈮等“配料”的比例，可以定制出適合不同醫療需求的鈦合金。如今的鈦合金家族已發展出三大門派：

α型：穩定性高但強度一般

β型：彈性最好，最接近真實骨骼

α+β型：兼顧強度與韌性

在醫學材料的世界里，鈦合金就像一位全能選手——既結實又輕盈，還能和人體和諧相處。

優點一：完美的生物相容性。如果把一塊金屬放進身體里，最怕發生什么？沒錯，就是排異反應。但鈦合金卻能和人體和平共處，這要歸功于它的一項特殊技能——自動生成保護膜（二氧化鈦層）。它在人體環境中幾乎不會溶解，能有效阻擋金屬離子釋放，并且不會被體液腐蝕，也不易引發免疫系統的攻擊。

這層保護膜能吸附鈣和磷酸鹽，促進羥基磷灰石（構成人體骨骼和牙齒的主要無機成分）沉積，使骨細胞直接在鈦表面生長，形成“生物融合”。相比之下，不銹鋼和鈷鉻合金會緩慢釋放鎳、鉻離子，可能引發過敏或毒性反應，通常被纖維組織包裹，無法實現真正的生物相容。

優點二：強韌又輕盈。鈦合金的第二個超能力是它的力學性能。醫生們發現，理想的植入材料應該具備兩個特點——足夠堅固，能承受日?；顒樱覐椥砸咏鎸嵐趋馈ｂ伜辖鹜昝罎M足了這些要求。首先，它具備輕量化的特點，密度只有鋼鐵的一半，但強度相當；其次，它的彈性適中，新型鈦合金的彈性模量約60GPa（吉帕），已經非常接近人骨的30GPa；第三，它能抗疲勞，可以承受數百萬次的彎曲而不斷裂。

優點三：卓越的耐腐蝕性。恒溫37℃、富含氯離子的體液，以及持續的機械摩擦——人體環境對金屬來說其實很“兇險”，在這樣的環境下，很多金屬都會被慢慢腐蝕。但鈦合金卻表現出驚人的穩定性——在模擬體液中，鈦合金每年的腐蝕量還不到一根頭發絲直徑的千分之一。

正是以上特質，讓鈦合金成為了醫學植入材料的“黃金標準”。

用于牙科種植體的各種鈦合金及其相關機械性能（參考文獻[1]）

Part.2

為何人體不排斥鈦合金？

鈦合金因其優異的綜合性能，已全面應用于現代醫療領域，涵蓋牙科修復體、心血管支架、骨科植入器械等關鍵場景。那么，為何人類的身體不排斥鈦合金？這就要從一個融合了骨組織與免疫調控的新興交叉學科——骨免疫學說起。

1981年，瑞典學者Albrektsson首次用電子顯微鏡證實了鈦與骨組織之間的“直接接觸”，這被視為種植成功的標志。這種種植體植入牙槽骨后與新骨直接接觸的現象被稱為“骨整合（osseointegration）”，但當時人們并不了解這一過程的生物學機制。

后續研究發現，這種“結合”其實是免疫系統經過嚴密調控后的妥協性結果。Albrektsson后來將這種機制定義為一種“異物平衡”（foreign body equilibrium, FBE）。換句話說，種植體在人體內并非完全被當作“自己人”，而是被“容忍”的異物。對于鈦合金材料，免疫系統并未排斥它，而是在調節反應強度的基礎上與其達成了和平共處的狀態。

2023年，Waad Kheder的研究表明，鈦顆粒的“骨整合”與種植體周圍牙齦組織中T細胞和巨噬細胞的活動密不可分。這兩種細胞正是出演“骨整合”大戲的關鍵角色。

巨噬細胞，顧名思義，是一類擅長吞噬異物或細胞殘骸的免疫細胞。它們由血液中的單核細胞分化而來，是人體先天免疫防線的重要組成部分。但與傳統“清道夫”的單一角色不同，巨噬細胞在身體的不同部位、面對不同信號時，還能展現出極高的“可塑性”——這意味著它們能變換身份，承擔各種功能。其中最重要的一種“變身”過程叫“極化”。當巨噬細胞受到特定刺激時，會在兩種功能截然不同的狀態間切換：

M1型巨噬細胞：這是被稱為“促炎型”的表型，會釋放大量炎癥因子（如IL-1β、IL-6、TNF等），幫助身體識別和消滅病原體，但也可能導致組織損傷。

M2型巨噬細胞：這是“抗炎型”的代表，能分泌如IL-10和TGF-β等抑炎因子，協助組織修復和新血管生成，是傷口愈合過程中的重要角色。

種植體植入后，血液中的單核細胞迅速進入局部組織，分化為巨噬細胞，并釋放出大量炎癥因子（如IL-1、IL-8、MCP-1等）。這一炎癥反應是骨修復的前奏，也是種植體最終“被接受”或“被排斥”的關鍵轉折點。如果炎癥未能順利過渡至修復階段，就可能形成持續的M1主導狀態，導致種植體失敗。

在這一過程中，T調節細胞（Tregs）能夠指揮調控巨噬細胞M1/M2的切換。T調節細胞就像是免疫系統中的“和平指揮官”——在它的影響下，巨噬細胞可從M1型轉變為M2型，從“破壞模式”進入“修復模式”，幫助種植體穩固扎根。

T調節細胞是怎么發揮作用的呢？首先，Tregs能增加抗炎細胞因子的分泌（IL-4、IL-10、IL-13和TGF-β），抑制促炎細胞因子（TNF-α、一氧化氮和活性氧）等的分泌，促使單核細胞朝著抗炎的M2巨噬細胞表型分化。另外，Tregs還能和巨噬細胞進行直接的細胞間相互作用，來調節巨噬細胞，減少炎癥對身體的傷害。

有研究表明，在純鈦表面，由于缺少特殊的修飾，巨噬細胞釋放出促炎信號，容易引發炎癥反應，不利于種植體的長期穩定。但是當鈦合金表面涂上特殊涂層（比如NT-ICA-ASP/PLGA）時，情況就大不相同了。巨噬細胞接觸到這層“友好外衣”后，能夠減少促炎信號的釋放，轉而增加促再生信號，使成骨細胞更快地增殖、粘附，并積極合成和分泌骨基質成分，直到在植入物周圍建造出一層厚實的新骨。

于是，經過這一系列持續動態的生物反應，最終實現了身體與異物的平衡共存。如今，骨整合現象也已被理解為一種骨免疫反應。

活體骨內植入后，周圍骨免疫系統隨時間變化的示意圖（參考文獻[2]）

那么，明白了身體對鈦合金的“容忍”機制，也就很容易懂得身體為何“排斥”其他金屬。首先，其他金屬植入物在體內環境中會發生不同程度的腐蝕和離子釋放。當這些金屬離子（如鎳、鈷、鉻等）進入組織后，會激活巨噬細胞等免疫細胞向促炎型轉化。而且，它們釋放的金屬離子可能干擾細胞代謝，引起過敏反應。此外，某些金屬的腐蝕產物會改變局部pH值，破壞組織微環境。

因此，在未來的牙科與骨科治療中，是否能通過優化免疫環境、引導巨噬細胞極化，成為決定治療成功與否的重要一環。那些缺乏免疫調節能力的種植材料，往往面臨炎癥過強、骨吸收過快等問題。而真正“智能”的材料，能與免疫系統“對話”，激活身體自身的修復潛能，推動骨組織向有利方向發展。

Part.3

鈦合金的醫學應用全景

具體來說，鈦合金在醫學中有哪些常用領域呢？

首先，鈦合金在骨科領域的應用最為廣泛，主要用于修復或替換受損的骨骼和關節。鈦合金的耐磨性和抗疲勞性使其成為長期植入膝關節和肩關節的理想選擇。Ti-6Al-4V和Ti-6Al-7Nb是人工髖關節的主要材料，其低彈性模量可減少“應力屏蔽”效應（即植入物比骨骼更硬，導致周圍骨質流失）。另外，純鈦（CP-Ti）和Ti-6Al-4V的骨板、螺釘和髓內釘可用于固定骨折，其力學性能與骨骼匹配，能夠避免二次斷裂風險。

其次，鈦合金在牙科領域的應用已有數十年歷史，主要包括牙科種植體，假牙和正畸治療。純鈦（CP-Ti）和Ti-6Al-4V是最常用的牙種植體材料，通過骨整合與頜骨牢固結合。鈦合金是用于制作活動假牙的金屬支架，比傳統鈷鉻合金更輕、更舒適。在正畸應用中，利用形狀記憶效應，鎳鈦（NiTi）弓絲可提供持續、溫和的矯治力。鈦合金托槽比不銹鋼更輕、更耐腐蝕，適用于長期佩戴。

鈦合金的另一項重要應用是在心血管醫學中，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額外能量。表面能越高，材料表面越容易吸附其他物質）和親水性能夠減少血小板粘附，適合血管植入物（如支架）。在心臟支架領域，鎳鈦合金（Nitinol）支架具有超彈性，可壓縮至極小直徑（1-2mm），植入血管后自動恢復形狀，支撐狹窄的動脈。而藥物涂層支架是一種表面涂覆抗增殖藥物（如雷帕霉素）的鈦合金支架，可防止血管再狹窄。另外，與傳統不銹鋼材料器械干擾磁場不同，有鈦合金外殼保護的起搏器和除顫器，能夠不影響核磁共振檢查。

此外，鈦合金在顱頜面修復領域也展現出卓越的應用價值，成為重建患者面容與功能的關鍵材料。在顱骨修復中，鈦網憑借其輕量化特性和優異的生物相容性，已逐步取代傳統丙烯酸樹脂材料。在頜面重建方面，3D打印鈦合金植入物能夠精確匹配患者骨骼結構，有效恢復咀嚼和語言功能。在耳鼻喉科領域，鈦合金制成的中耳植入物和人工耳蝸電極，則為聽力障礙患者帶來了重獲聽力的希望。

鈦合金醫療設備在人體各個部位都有廣泛應用（參考文獻[1]）

Part.4

“萬能金屬”是如何煉成的？

在醫療領域，鈦合金要完成從金屬原料到“人體好搭檔”的華麗變身，需要經歷一系列精密的加工過程。

傳統鍛造法通過反復錘煉來塑造鈦合金。比如，鑄造法是將熔化的鈦合金倒入模具，適合制作牙冠等小型零件，但內部可能產生微小氣孔；鍛造法是用萬噸壓力機反復捶打，使鈦板強度提升2-3倍。這些方法雖然成熟，但很難做出復雜的內部結構。

相比來說，新型制造技術則能夠打造出更為精準的“金屬積木”。比如，用激光將鈦粉逐層熔化堆積，可以制作出帶有精細孔洞的髖關節；在真空環境中用電子束加工技術，能夠打造出適合承重部位的植入體。3D打印技術讓鈦合金植入體的制造進入精準定制時代，具有精確孔隙結構的植入體，能完美促進骨細胞生長。

為了讓鈦合金更好地融入人體，科學家還開發了多種表面處理技術，類似給金屬穿上“智能外衣”。通過噴砂酸蝕、陽極氧化等方法，在鈦合金表面構建出納米級的特殊結構，不僅提升了生物相容性，還能負載藥物或生長因子。

其中，陽極氧化形成的納米管陣列直徑僅50-100納米，相當于頭發絲的千分之一；而銀納米粒子涂層對金黃色葡萄球菌的抑菌率高達99%。這些創新工藝讓鈦合金從單純的金屬材料轉變為具有生物活性的智能植入體，在修復人體組織的同時，還能主動促進愈合、預防感染，展現了材料科學與醫學的完美融合。

Part.5

結語

如前文所述，先進的制造工藝讓鈦合金從冰冷的金屬變成了有生物活性的“醫療伙伴”，在人體內發揮著不可替代的作用。研究表明，鈦納米結構已被證明是先進生物醫學植入體的理想選擇，其應用前景仍在持續拓展。隨著材料科學與生物工程的交叉突破，未來的鈦植入物可能會更智能，或將具備自愈合、免疫調節甚至感知功能，繼續在再生醫學、納米醫療等領域發揮關鍵作用。

參考文獻:

[1]Sarraf M, Rezvani Ghomi E, Alipour S, Ramakrishna S, Liana Sukiman N. A state-of-the-art review of the fabrication and characteristics of titanium and its alloys for biomedical applications. Biodes Manuf. 2022;5(2):371-395. doi: 10.1007/s42242-021-00170-3. Epub 2021 Oct 26. PMID: 34721937; PMCID: PMC8546395.

[2]Yun JI, Yun SI, Kim JH, Kim DG, Lee DW. Mediation of Osseointegration, Osteoimmunology, and Osteoimmunologic Integration by Tregs and Macrophages: A Narrative Review. Int J Mol Sci. 2025 Jun 5;26(11):5421. doi: 10.3390/ijms26115421. PMID: 40508228; PMCID: PMC12154945.

[3]Svadlakova T, Kolackova M, Kulich P, Kotoucek J, Rosecka M, Krejsek J, Fiala Z, Andrys C. Human Primary Monocytes as a Model for in vitro Immunotoxicity Testing: evaluation of the Regulatory Properties of TiO2 Nanoparticles. Int J Nanomedicine. 2025 Jan 30;20:1171-1189. doi: 10.2147/IJN.S498690. PMID: 39902067; PMCID: PMC11789775.

[4]Kheder W, Bouzid A, Venkatachalam T, Talaat IM, Elemam NM, Raju TK, Sheela S, Jayakumar MN, Maghazachi AA, Samsudin AR, et al. Titanium Particles Modulate Lymphocyte and Macrophage Polarization in Peri-Implant Gingival Tissues. International Journal of Molecular Sciences. 2023; 24(14):11644. https://doi.org/10.3390/ijms241411644

出品：科普中國

作者：李娟（生命科學專業博士）

監制：中國科普博覽

本文僅代表作者觀點，不代表中國科普博覽立場

本文首發于中國科普博覽（kepubolan）

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