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2006年1月27日，星期五

由美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）旗下的美国国家牙科和颅面研究所（NIDCR）支持的研究人员报告说，他们利用了海水冻结时的独特物理特性，可以指导生产出更具生物相容性的新一代产品人造骨的材料。

正如在1月27日的《科学》杂志上所发表的那样，研究人员使用这项新技术来生产出一种更薄的复合或混合结构，该结构更接近于模仿骨骼的自然支架。科学家说，他们最初的原理证明支架最好是超轻量的，并且比目前的多孔陶瓷植入物材料坚固四倍。

据加利福尼亚州伯克利劳伦斯伯克利国家实验室的科学家，论文的高级作者安东尼·汤姆西亚博士说，仍然无名的冷冻技术，再加上进一步的技术改进，可以生产出更坚固的材料，并且可以扩大规模以制造较大的结构，例如替换髋部和膝盖以及各种牙科材料。

他还指出，它可以很容易地用于制造多层复合材料，以用于各种工业用途，从飞机制造到计算机硬件。 Tomsia说：“冷冻是驱动生产过程的引擎。” “但是发动机在制造的复合材料或聚合物中没有区别。”

本周报道的冷冻技术建立在骨科和组织工程相关领域的两个长期研究挑战的基础上。首先是需要更好的，更具生物相容性的材料来用作人造骨。大多数当前的材料（例如金属）最初都是出于非医疗目的而开发的，因此与骨骼和其他组织的自然结构不匹配，有时会触发关节发炎和慢性酸痛。

第二个挑战是弄清楚如何制造具有足够强度的承重应用的骨再生多孔支架。汤姆西亚说，坚固，多孔的结构将使细胞渗入植入物，粘附在植入物上，并与合成材料更充分地整合在一起。

并在其中摩擦。 “如何使多孔支架结实？”汤姆西亚问。 “这是一个矛盾。就像在问，如何使瑞士奶酪坚挺？但是自然肯定一直都在做。”

自然在很大程度上做到了这一点，即在纳米尺度上建造骨骼，这是科学家在新兴的纳米技术领域开始追求的十亿分之一微米的世界。 Tomsia实验室的成员，论文的主要作者Sylvain Deville博士说：“我们的骨头是由有机和无机材料制成的，它们本身并不是很坚固。” “但是，当自然界将它们以纳米尺度编织在一起时，骨骼的支架结构将非常坚固耐用。问题是人们如何学会在与自然相同的微观尺度上制造复合材料？”

德维尔说，几年前，他和他的同事们在研究海水的物理原理时，提出了一个可能的解决方案。当海水中形成冰晶时，它将盐，污染物和其他杂质从晶体中抽出并进入形成冰层的狭窄通道。杂质聚集在通道中，并保留在冰的水平层之间。

科学家在实验室中发现，形成的冰晶几乎可以抽出任何多余的材料，包括各种陶瓷，许多复合结构的组成部分。据该论文的作者和Tomsia实验室成员Eduardo Saiz博士说，如果他们升华冰并除去水，“我们发现剩下的就是羟基磷灰石板”，一种通常用于制造人造骨的陶瓷生物材料。

Tomsia说：“我们发现水结冰的速度越快，板或晶片状的层就越薄。”他的实验室重新设计了冷冻铸造机，以更好地控制和加速冷冻过程。冷冻铸造机能够将陶瓷结构制造成复杂的形状。 “我们花了大约一年的时间，从100微米的薄层降到了大约一微米，” Tomsia补充说。 “这几乎降到了自然合成的水平。”

尽管实验室的原理证明复合材料很小且呈立方体形状，但Tomsia表示，他和他的同事现在正在努力改善冷冻过程并建造更大的结构，希望有一天有可能推进髋关节植入物的设计。但是，他们强调，不可能确定何时可以达到这一点。 Tomsia说：“大自然可以教会我们如何制作坚固的材料。” “进化发生了数百万年，自然不会犯错误。”

文章标题为“冻结作为构建复杂复合材料的途径”。它发表在2006年1月27日的《科学》杂志上。作者是Sylvain Deville，Eduardo Saiz，Ravi K.Nalla和Antoni P.Tomsia。

美国国家牙科和颅面科学研究所是该国口腔，牙齿和颅面健康研究的主要资助者。

关于美国国立卫生研究院（NIH）：美国国立卫生研究院（NIH）是美国的医学研究机构，包括27个研究所和中心，并且是美国卫生与公共服务部的组成部分。 NIH是进行和支持基础，临床和转化医学研究的主要联邦机构，并且正在调查常见和罕见疾病的病因，治疗方法和治愈方法。有关NIH及其计划的更多信息，请访问www.nih.gov 。

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