材料科学家的故事（南华金属普通工人材料科学家任玲：美丽铜话)
出品：中国科普博览 SELF格致论道讲坛
导语：铜是人类最早使用的金属之一，在距今四五千年前的尧舜禹时代，人们已经能够冶炼青铜器，在夏商周的青铜时代，更出现了繁复精美的青铜祭品，到如今，铜的应用已经深入到我们生活的每一个领域……铜作为一种神奇的化学元素，它的故事仍然在延续。中科院金属所副研究员任玲和她的同事们一直从事基于铜元素的医用生物材料研发，那么，他们已经创造或即将创造哪些新的铜话？
今天我想和大家聊一聊铜。
提到铜你的脑海中第一反应是什么？估计有人第一印象就是铜火锅。对于我来说，我最先想到的，可以说第一时间蹦出来的，是细菌，就是细菌。
细菌和铜有什么关系呢？其实它们关系非常大，它们之间的纠葛已经长达一千多年了。喜欢喝红酒的朋友们应该都知道法国波尔多红酒，非常好喝，也很著名，但是在这种光鲜亮丽的背后，都会有一段不为人知的心酸的往事，那么波尔多红酒也是这样。
任玲 中科院“SELF格致论道”讲坛第六期
话说就是在1878年，也不知道什么原因，细菌突然开始攻击波尔多地区的葡萄，那么那一段时间整个波尔多地区庄园的葡萄都遭受了这种毒害。结果怎么样呢，所有的葡萄园枝叶凋零，葡萄产量基本为零。那么谁最着急呢，当然是这些庄园的园主，那我们没有了葡萄哪来的酒，没有的酒哪来的钱呢，所以他们非常着急，他们想尽了各种各样的办法，尝试了很多种的杀菌剂，但是丝毫没有作用。
这种状况一直维持到了1885年，一位植物学家米拉德教授，他也是在偶然间研究植物学的时候，突然发现一种液体，这种液体可以杀菌，它被我们后人称作波尔多液体，这位教授把这种液体广泛地应用到了波尔多地区，所以葡萄产量上来了，葡萄园主高兴了，我们又喝到了来自波尔多的名酒。所以我们来致敬米拉德教授，让我们珍惜现在的红酒，大家不要再拿红酒当可乐一杯一杯地干了。
话说回来什么是波尔多液呢？它为什么具有这么强的作用呢？简单来说它就是一种硫酸铜溶液，因为含有铜，所以具有杀菌作用。自从这次葡萄危机以后，那个时候人们认识到铜的杀菌作用，从此以后出现了很多铜的杀菌剂，就已经变成常识被人们认可了。铜除了具有杀菌的作用还有其他的作用吗？
作为我们身体必需的一种微量元素，铜对我们的身体健康非常重要，它可以促进我们骨骼的生长，促进血管再生，如果我们皮肤有一个伤口，如果有铜存在的话，这个皮肤会很快愈合。
铜还对我们的心脏有很大的好处。我不说铜有多么好，我就说一下没有铜我们的心脏会怎么样。没有铜会引发很多常见的冠心病，比如说冠状动脉硬化、冠状血栓、冠状坏死、冠状血管瘤等等很多冠状疾病。这些疾病都很要命，所以铜对我们来说非常重要。
既然它这么好，我们怎么利用起来呢？我是研究金属的，金属材料是我所擅长的，我怎么将铜和金属材料结合起来。那么大家知道铜是一种金属元素，同时非常巧的是在金属材料领域里，铜还是一种非常常用的冶金元素，也就是说我可以通过金属熔炼的过程把铜加到现有金属材料中。
我再为大家举一些简单的例子，比如不锈钢材料。不锈钢主要成分铁硌镍钼猛，这些都是金属。我找来一个特别大的炉子，这个炉子能升温到两三千度，我把这些铜还有不锈钢的主要原材料、铁矿石都扔到这个炉子里，两三千度的高温，大家想，会什么样,原材料都瞬间变成了一种液体，它们之间相互融合，形成了一种新的液体，这时候找来一盆凉水，往上一喷，这个金属就凝固了，形成了一个铁锭子，这就是含铜的不锈钢。
我所在的课题组，中国科学院金属研究所（杨柯）研究员领导的课题组，我们从2000年开始就研究含铜的金属材料，我们研究涉及的领域非常广泛，与我们生活是密切相关的，但是我们的目的只有一个，就是利用金属材料这种载体来发挥铜的这些好处。
下面我与大家分享我们在研究工作中碰到的一些例子。
大家看我手上有一双不锈钢筷子，但是它不是普通的不锈钢筷子，它是用我们研发的含铜不锈钢做成的，它有什么好处呢？有一天我的同事做了这样的实验，我们把这个实验记录下来。大家看这有一碗新鲜的米饭，分别插两排筷子。拍摄照片的时间是炎热的夏天，也就是三伏天。我们看看三天以后的结果，我们已经明显的看到，右边的筷子它周围的米饭已经变黄了，左边这个筷子的颜色和现状没有丝毫的改变。我们放大看看这个变黄的情况，其实就是发霉了，长毛了，这样的米饭你敢吃吗？吃进去都是细菌。大家现在可能已经猜到了左边的筷子就是我们手上的含铜不锈钢筷子，它真正起到了含铜的杀菌作用。
我看到了这样的结果以后非常感兴趣，我想用自己做一个人体实验看看会发生什么效果。在这之前我经常得口腔溃疡，可能说这个频率还是挺高的，两三个月一次，虽然这不是什么大毛病，但是我相信大家都有这种体会，吃饭的时候特别难受。神奇就神奇在当我2013年开始用我们含铜不锈钢餐具以后我再也没有口腔溃疡了。也许大家觉得这很神奇，但这的确是我自己亲身经历的。
现在我的同事已经将含铜不锈钢加工成了餐具，甚至是婴儿用品，还有礼品，还包括厨房中水槽、菜板、菜刀、不锈钢的保温杯、电饭煲的内胆，还有洗衣机滚筒的内胆等等。
我另外一个同事跟我说，我们不能说仅仅把这些材料用到日常生活中吧？于是这个家伙就把含铜不锈钢深入到了海底世界。海底世界非常漂亮，那里不仅有这些非常漂亮的海洋生物，还有输送石油的管道，一般都是这种普通的碳钢材料，连不锈钢都不是，所以经常会发生腐蚀，主要就是因为细菌、微生物黏附，发生的微生物腐蚀，最后导致漏油事件。那么我们就在想，如果用我们的含铜不锈钢替代这些管道的材料，是不是就可以减少这些漏油事件呢。
也许在未来某一天我们还可以把这种材料送到太空中去，对抗太空中那些变异的细菌。
以上都是铜和金属材料在我们人体之外的事儿。我们的人体也会用到金属，医用金属材料是生物材料的一种。
任玲 中科院“SELF格致论道”讲坛第六期
为大家举一些简单的例子，比如爱美的女士，隆鼻、隆胸用到的填充物就是生物材料——大家不要看我，我都是真的——还有我们的人体关节，这些关节也可以是人工制造的关节，烤瓷牙也是生物材料，骨折以后用到的可降解高分子骨钉也是生物材料。由于其中金属类的生物材料有非常好的力学承载能力，简单地说就是非常强、非常硬，这是大家可以感触的。同时它还有非常好的可塑性，特别容易加工，可以把金属加工成各种形状，金属还不会坏掉，不会折掉，它还具有非常强的抗腐蚀的能力。
正是因为这些原因，现在医用金属材料已经得到了最为广泛的应用，占所有生物材料份额的40%。
我们临床中常用的金属材料有哪些呢？基本就是四大类，不锈钢，钛合金等。比如说我们人工髋关节，也就是我们俗称的股骨头，多半是用钛合金做的。
还有牙种植体。有很多朋友，包括我自己，在进入到这个领域以前对牙种植体都有一个非常模糊的想法，我们可能认为种植体就是在牙里种上一颗种子，就能长出来一颗牙了?其实不是的，牙种植体是什么呢，其实就是用金属做的牙根，然后在根上弄上这种烤瓷的牙，这就是种植体。种植体一般都是用纯钛来做的。心血管支架，就是用不锈钢或者是钛合金起来做成的。骨折用到的接骨板，接骨钉，还有骨针这一系列的产品都是用不锈钢或者是钛合金做成的。
当这种金属类的医用器械植入到我们人体之后会怎么样呢？细菌又回来了，可以说细菌这个小东西，它非常顽强，而且无处不在，而且它们还有一个爱好，非常喜欢我们身体上有异物，只要它们感受到了我们身体来了一个外来客，它们马上通过各种途径，各种方式，向外来物表面聚集，于是形成了细菌生物膜，这种膜就好像我们家里的鱼缸好长时间没有清洗，内壁的膜就是细菌生物膜。
这种膜能抵御外来抗生素对细菌的攻击，同时细菌在里面待着很舒服了，它有保护伞，它就会释放毒物。那会怎么样呢，这种金属类的器械，它表面是我们的组织，我们的组织就因为它释放的毒素，最后导致红肿、流脓，也就是感染发生了，这种感染一旦发生带来的结果可以说是灾难性的。在我研究中碰到这样一个例子，一位患者，他需要植入人工的髋关节，手术过程很顺利，但是非常不幸的是术后发生了感染，就是利用这种植入器械引发的感染。怎么办呢，这个患者又经历了两次手术，用抗生素清洗感染部位，刮除这些感染的组织，对于患者来说简直是痛苦之极，医生也很头疼，她们最担心的是手术过后这种感染的发生。
现在比较通用的方法就是在金属类的植入物器械外表面涂上一层抗生素类的药物，这种方法短期是有效的，但是存在很多的弊端。比如这种涂层，它和金属性质差异非常大，这个涂层这么薄，里面抗生素能持续多长时间，一旦它释放完了，细菌又来攻击我怎么办。抗生素的滥用，现在已经导致了一种巨无霸、什么都不怕的细菌——超级细菌的出现。
看来我们需要的是一种能够安全长效地解决这个问题的思维方式。那么我们有这样的思路，我们不做表面文章，而是从金属材料自身成分设计入手。如果说这种材料它能够释放一种抗菌的元素，同时这种元素还不会引发细菌耐药性，最好是无机的抗生剂。以上的逻辑，含铜金属材料完全符合，所以我的工作就是验证含铜金属材料它是否具有抗细菌感染，是否能够抑制这种植物器械引发的细菌感染，同时推进它的临床应用。
我的这个工作非常有意义也很有趣，我每天打交道的都是细菌和细胞这些可爱的微小生物，我把它们当成宠物来养，养到金属表面。定期为它们做一些健康检查抽血、验尿、拍一个胸片，再检查一下DNA的完整性。
这是我用扫描电子显微镜为细菌拍的一个黑白的集体照，我们看到,左边就是普通金属,它的表面细菌不到24小时已经变成这种人山人海的情况了，看来这种普通金属非常适合细菌在表面黏附，环境非常优越。他们一而十，十而百，百而千，千而万地繁衍下去。而右边是铜金属，它表面的细菌非常少，看来铜对细菌进行了大规模的绞杀，所以细菌纷纷逃离。
我们再来给它们拍一个彩色的照片，有这样的一种染色剂，它能够区分细菌的死活，如果细菌是活的，那么它就会呈现绿色；如果细菌已经死亡了，是尸体了，它就会呈现红色。那么我们放眼望去，对于左边普通金属来说，一片绿色，生机盎然，而含铜金属表面都是一些红色的尸体，看来这里已经成为细菌的坟墓了。
我们再用更高的技术手段——生物手段，来看一看单个的细菌如何。左边还是普通金属表面，我们看到这个细菌是什么状态，体态丰盈饱满，个头肥大。而对于含铜金属表面，这个细菌刚刚经历了一场车祸，肢体破碎，血流不止。以上都只是一小部分的实验结果，大量的实验已经证明了含铜的金属材料具有抗细菌感染的功能，能够有效地抑制植入器械引发的细菌感染。
可能有一些学微生物，或者是学生物学的同学会问，既然含铜的金属材料能够这么有效地杀死细菌，它是否对我们人体细胞也不分青红皂白就格杀勿论呢？
这就是有关生物材料安全性的问题，也是我工作的重点内容之一，也是相同的方法，养一些细胞在金属表面。今天天气特别好，蓝天，白云，如果一会儿我们结束，外面有大片草地，你会认为哪种姿势躺在草地上是最舒服的，我认为可能是那种伸展我们四肢，释放我们自己，那样拥抱蓝天的姿势最舒服的。同样细胞是我们身体一部分，它和我们思维保持高度一致的，它也这么认为。所以我们看到，在含铜金属表面，我们骨头的细胞才能够伸展的非常好，细胞的身体铺展的非常漂亮，看来这种含铜的金属非常适合这种细胞的生长，它是没有毒性的，非常安全的，完全可以用到我们体内。
我的其他工作还证明了这种含铜的金属材料对我们的骨骼还有心血管都有非常好的作用。于是加工成了骨折固定系列肩骨板、骨钉、骨针，还有牙种植体，通过大量的动物实验目前已经发现这种植物器械周围的骨头可以快速闭合，而且能够促进周围血晕的生长。
现在含铜的不锈钢已经加工成心血管支架，这种支架目前已经植入到猪心脏内，实验结果发现它能够有效地抑制因为血管、支架植入以后发生的再次狭窄问题。对于很多冠心病患者来说，这个是一个福音，因为他不用再终生服用（抗菌）药物。
那么大家可能非常关心，既然你的材料这么好，什么时候能用上呢，这也是我非常关心的问题。作为一名研究人员来说，我们最大的希望就是在我们有生之年能够看到自己的研究真正的用上。然而这种植入类的医疗器械如果想实现医学转化非常困难，道路非常漫长。在我们国家需要向国家CFDA——国家食品药品监督管理总局来申请医疗器械注册证，要想拿到这个证，要过五关斩六将，层层关卡：需要把材料送到权威部门进行检验，动物实验，甚至是临床实验。这个难度，其监管力度比奶粉还要多好多倍，特别是对我研究的这种含铜金属的新材料来说，它是完全地设计国产化，制造国产化，而且国外没有例子让你模仿的，这种新材料的医疗器械想拿到这种注册证，简直是难上加难。目前在我们国家还没有新材料医疗器械拿到注册证，最快就是刚刚完成临床实验，还在等待结果。
可以说前方的道路我们可以预见是非常坎坷，非常荆棘，但是我们还会坚定不移地走下去。我们希望通过自己的努力，向全世界证明中国人不仅有很强的模仿能力，我们还有更强的创新和创造能力。值得欣慰的是，我的课题组开发了一种新的材料，它现在已经做成了心血管支架，植入到了人的体内，进行了二期临床实验，冠心病志愿者的心脏内已经植入了这种支架，这让我们看到了希望。所以我坚信在未来某一天更多含铜金属材料也一定能够成功地实现医学转化，为我们的生活带来美好和希望。感谢大家聆听美丽铜话，谢谢。
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