撰文/王懿霖 攝影/袁麗

Reporter's notes

人物素描

聯(lián)系采訪天津理工大學材料科學與工程學院博士生導師陳民芳教授有一些“曲折”。一是正逢歲末年初，陳民芳有許多教學任務和課題需要完成，時間緊迫；二是她認為自己只是一名普通的教師，并沒有特別突出的事跡。當然，這都出自陳民芳的謙虛。最終，在記者說只想了解項目相關內(nèi)容才得以促成這次的采訪。臨近2023年春節(jié)，校園里十分安靜，偶爾走過的人也是步履匆匆，陳民芳就是其中一位。為了在節(jié)前完成課題結項，她獨自來到辦公室加班，記者抓住這個機會和她見了面。

陳民芳雖然為人低調(diào)，但她所負責的項目并不低調(diào)。2022年，在天津市科學技術獎勵大會上首次亮相就驚艷全場，并在世界智能大會上大放異彩的首臺“天津號”純太陽能車，其輕量化的問題瓶頸就是陳民芳帶領團隊攻破多個技術壁壘完成的。在“天津號”達到國際或國內(nèi)領先水平的16 項技術中，就包括了陳民芳的2 項。

可誰又能想到，如此重大的技術突破卻是出自陳民芳的“無心插柳”?！皬拇蠓较騺碚f，我的專業(yè)是金屬材料，但在近20年的時間里我始終專注的是鎂合金在生物醫(yī)學領域的應用，‘天津號’的成功應該說是我們多年來技術積累的第一個結果。”

提到鎂合金，大家最先想到的應該是其在工業(yè)領域所發(fā)揮的作用，在生物醫(yī)學領域未見應用?！暗拇_，鎂合金作為最輕的金屬結構材料，具有比強度高、尺寸穩(wěn)定、易于加工成型等優(yōu)點，已經(jīng)成為航空航天、汽車、電子通信等工業(yè)領域的重要材料。”陳民芳介紹說，也是由于鎂合金的這些特性，很多年前就有國外學者嘗試其在生物醫(yī)學領域的開發(fā)應用，但都沒有獲得成功。“大概是在2005年，在德國醫(yī)學學術年會上發(fā)布了一款可降解的鎂合金心血管支架，當時我覺得這個方向很有前景，我們可以努力嘗試其在骨折內(nèi)固定領域的應用?！?/p>

當然，搞科研不能“拍腦門”，陳民芳選擇這條路也是經(jīng)過了嚴謹?shù)恼撟C?！拔覀兌贾?，由于運動、外傷等原因，骨骼損傷的發(fā)生率比較高，而一旦發(fā)生，骨科醫(yī)生會在患者體內(nèi)植入固定材料，以此來幫助骨骼生長愈合。但以往植入的固定材料并不能被人體降解吸收，因此患者還需進行二次手術將固定材料取出，這不僅增加了患者治療成本，也使患者遭受了二次痛苦?！标惷穹冀榻B說，相比于傳統(tǒng)的鈦及鈦合金、醫(yī)用不銹鋼等植入物，鎂合金的密度和彈性模量與人體骨組織更為接近，可顯著降低應力遮擋效應，有利于骨組織的愈合?！岸遥V是維持身體健康必須的常量元素之一，鎂合金植入后可以在修復受損骨組織的過程中逐漸降解，不僅不需要二次手術取出，還能在降解后釋放出鎂離子，有效地促進骨組織再生修復。”

既然鎂合金的優(yōu)勢如此突出，為何一直沒能走向臨床？“確實有很多技術上的挑戰(zhàn)。”陳民芳說，早在18世紀就有學者做出過嘗試，但由于鎂是非?；顫姷慕饘?，在降解過程中會釋放大量的氣體，因此很長一段時間在醫(yī)學領域無法得以應用?！半S著金屬冶煉技術的進步和凝固理論的豐富發(fā)展，鎂合金的力學性能和耐蝕性也在不斷提高，這主要得益于鋁、鋅、鈣和稀土等元素的添加?！标惷穹颊f，既然要做可以實際應用到臨床的鎂合金產(chǎn)品，那就要朝著全生物安全型去努力，“因此，我們選擇了鎂、鋅、鈣以及納米氧化鎂顆粒作為主要成分進行合金設計?！?/p>

可支撐、可降解、抗腐蝕，要做到這幾點，僅選定成分還遠遠不夠?！皫啄甑臅r間里，我們一直在突破成分配比的問題，但結果一直都不令人滿意。”為了達到骨折患者初期的堅強支撐，陳民芳和團隊認為在合金中加入3%的鋅較為合適，也是這個階段性的成果禁錮了他們繼續(xù)前進的步伐?！昂髞?，是學生在做實驗時的一句話提醒了我?！背脽岽蜩F，陳民芳趕緊重新整理思路帶領團隊設計實驗、分析結果，終于在2021年初得到了理想的數(shù)據(jù)結論。

十幾年的深耕探索，陳民芳不僅讓鎂合金在醫(yī)療領域取得突破性進展，在工業(yè)領域同樣也獲得了耀眼的成績?！半m然專注于生物醫(yī)學方向，但目前廣泛應用的工業(yè)領域我們也同樣關注，比如剛才提到的‘天津號’，就凝聚了我們多年的科研成果?！睋?jù)了解，作為純太陽能車，“天津號”的“體重”需要嚴格控制，數(shù)據(jù)顯示，“天津號”的整車重量被降低到1020 公斤，相比同類車型“減重”50%以上之多。為達到“天津號”整車減重50%的要求，項目組最初考慮整個車身采用碳纖維骨架，但由于生產(chǎn)周期長、成本昂貴、推廣性差、難以量產(chǎn)等諸多因素，最終決定用鋁合金骨架和碳纖維覆蓋件的組合結構。然而，這種結構無論如何設計僅能實現(xiàn)最大減重40%，最后的10%怎么解決？“因為我們與車企及相關科研單位有著多年的合作經(jīng)歷，在離整車裝配時間僅剩1 個半月的時候，該項目負責人找到了我。”但那時陳民芳正備受眼疾困擾，醫(yī)生告知她需要手術更換晶體。然而，該項目研究時間緊、任務重、難度大，她義無反顧地推遲了手術時間，全身心投入到攻克車身減重難題當中，最終找到了解決方案，使用密度比鋁合金小1/3的鎂合金制造車身儀表板管梁和輪轂，從而實現(xiàn)了“減重”任務。

耐得住寂寞，方能創(chuàng)造出繁華。陳民芳潛心鎂合金材料研究已經(jīng)16年，她帶領的團隊是天津市鎂合金材料領域研究時間最長、成果最多、實力最強的團隊，共擁有鎂合金材料的相關專利12 項，完成各類研究項目15項。之所以陳民芳可以取得如此耀眼的成績，是因為她耐得住性子堅持、靜得下心研究?！拔医?jīng)常對年輕人說，一定要堅持，認準方向后開始努力，就一定會有所成就。”陳民芳認為，基礎研究是科技創(chuàng)新的基石，只有守住寂寞打好基礎，才能不斷突破收獲成績。

采訪的最后，陳民芳透露，將鎂合金骨折內(nèi)固定產(chǎn)品推向臨床，是她未來一段時間內(nèi)的主要任務?！皩嶒炇页墒靸H是階段性勝利，能真正造福骨傷患者才是終極目標。”未來，她將帶領團隊在現(xiàn)有科研成果上再精進，力求將其打造得更為輕薄，以此來適應顱頜面等精細位置骨修復的應用。

每一個孜孜不倦的奮斗身影背后，都有一顆不服輸、不放棄的追夢之心。立志當高遠，立志需躬行，扎扎實實干，點點滴滴做，才能干有所成。陳民芳用幾十年的科研經(jīng)歷詮釋了實干家、奮斗者的精神，也讓我們看到了只有腳踏實地、行而不輟、不棄微末，才能有所創(chuàng)造，才能抵達自己夢想中的遠方。

Exclusive dialogue

獨家對話

記者：您帶領團隊攻破多個技術壁壘才完成了“天津號”的項目，您能否介紹一下具體難點有哪些？

陳民芳：接到任務后，我們首先在實驗室找到了“減重”的解決方案，也就是使用密度比鋁合金小1/3 的鎂合金制造車身儀表板管梁和輪轂，但這又造成了塑形與承重的沖突。車身儀表板管梁是整車儀表板、中控儀表等部件的主要承重部件，也是車身總成的關鍵。由于鎂合金單件壓鑄成本高，無法直接澆鑄，管梁只能擠壓成型。根據(jù)整體設計需要，“天津號”儀表板管梁呈“日”字形，橫截面金屬焊點多達6 個，比普通型材擠壓難度系數(shù)高了很多；再加上鎂合金本身的塑形能力原本就比較差，使用鎂合金擠壓“日”字形管梁并達到承重要求幾乎不可能。所以，我果斷決定采用具有自主知識產(chǎn)權的高剪切熔體攪拌技術，通過準納米尺度CaO 顆粒與Mg-Al 合金熔體反應，原位自生MgO 納米變質(zhì)相，顯著細化鎂合金晶粒及第二相，這樣不僅提高了傳統(tǒng)Mg-Al 合金的強韌性和耐蝕性，而且還比添加稀土元素的同類鎂合金降低了成本。

當然，后續(xù)的研制過程也非一帆風順。第一次正式上線擠壓鎂合金，擠出的型材就出現(xiàn)了斷裂。于是，我們研制小組成員反復觀看擠壓視頻，多次與現(xiàn)場工程師溝通，并對工廠郵寄過來的管梁樣品進行一系列顯微組織觀察和性能測試，從配料到成品逐道工序逐一排查，終于找出了斷裂原因。最終，我們將長2 米、壁厚2 毫米的50×50 毫米“日”字形管件擠壓成功，連同5×1.5毫米的鎂合金板材一同為“天津號”瘦身的最后10%作出了貢獻，實現(xiàn)了科技成果的成功轉化。

記者：請您介紹一下生物醫(yī)療領域鎂合金的研發(fā)重點和難點有哪些？

陳民芳：我們研究的鎂合金前提是生物安全，也就是說該材料的應用不會對人體形成安全隱患。僅就目前臨床來看，雖然也有可降解生物材料的應用，但局限于聚乳酸等高分子材料和Ca-P 類生物陶瓷。由于其力學性能不足、降解產(chǎn)物呈酸性、脆性大等缺陷，使用范圍受到極大限制。所以，低模量、高強度的可降解生物材料在臨床上仍是空白，無法滿足骨科、矯形外科和心血管患者對可降解吸收植入器件的需求。

一段時間的科研論證表明，醫(yī)用鎂合金以其顯著優(yōu)于可降解高分子和陶瓷材料的綜合力學性能，其良好的生物相容性和獨特的腐蝕吸收特性成為新一代高強度、低模量、可降解植入材料的典型代表。一旦成功，將顛覆在骨折內(nèi)固定、血管支架和腔道支架的介入治療，以及外科手術吻合器、閉合夾等的臨床應用現(xiàn)狀，所以，鎂合金成為生物材料領域的重要前沿研究方向。

自2005年以來，國內(nèi)外研究者通過合金化、表面涂層和添加陶瓷顆粒增強復合材料等方法，提高鎂及其合金的強度，改善耐蝕性。經(jīng)過近20年的基礎研究和體內(nèi)外植入實驗，德國、日本、韓國等相繼開發(fā)了商品化的可降解鎂合金血管支架和骨螺釘產(chǎn)品，雖然在應用方面仍有局限性，但在臨床上顯示出良好的安全性和有效性。而目前，我國一些單位和課題組所開發(fā)的相關產(chǎn)品也多處在第三方評價或?qū)徟^程中。但是，這并不意味著可降解鎂合金已經(jīng)完全滿足了臨床使用要求，僅就骨折內(nèi)固定而言，目前的醫(yī)用鎂合金還不能同時滿足屈服強度大于200MPa，伸長率大于10%， 降解速率小于0.5mm/y 臨床要求。特別是僅由生物安全元素構成的醫(yī)用鎂合金，往往很難實現(xiàn)優(yōu)異的綜合性能。因此，兼具多種性能要求的鎂合金研發(fā)非常具有挑戰(zhàn)性。

記者：目前，您和團隊在生物醫(yī)療領域的鎂鋁合金研發(fā)都取得哪些突破和成績？

陳民芳：經(jīng)過近20年的不懈努力，我們在可降解鎂合金領域主持完成了國家及天津市各類項目15項，擁有授權發(fā)明專利13 件，發(fā)表SCI 檢索論文百余篇。與此同時，我也很榮幸得到了同行的認可，受邀成為中國可降解鎂合金材料產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟專家，中國生物材料學會醫(yī)用金屬材料分會和腐蝕與防護分會委員。

從事鎂合金研究多年，我最高興的就是我的科研成果沒有被“束之高閣”，而是一步一步地不斷在向市場應用邁進。2017年，由我主持的基于6 項國家發(fā)明專利和16 篇學術論文的國家基金項目獲天津市科技進步獎二等獎，其成果用于多家公司的相關產(chǎn)品。而此后的多年里，我也和團隊一起根據(jù)企業(yè)和臨床產(chǎn)品的需求不斷調(diào)整材料成分，逐步提高性能，深入推進專利鎂合金的產(chǎn)業(yè)化。

近期，我與一家公司簽署了協(xié)議，以醫(yī)用鎂合金專利技術入股，共同合作開發(fā)可降解骨折內(nèi)固定產(chǎn)品。我們預計在2023年下半年將有相關產(chǎn)品申請注冊，一旦得到應用將填補國內(nèi)空白。未來一段時間，我們的重點工作將圍繞產(chǎn)業(yè)化、臨床試驗等方面開展，目的就是希望我們的產(chǎn)品可以更快地應用到臨床，盡早造福更多的骨傷患者。