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迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 [:1700544707]
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迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 解决牙疼烦恼
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起初只是嘴里有一颗牙微微不舒服，几天后这颗牙却变得更酸、更痛，喝热水时尤其难受。后来我有一天吃三明治，吃着吃着突然听见可怕的碎裂声，直让我头皮发麻。很不幸，我嘴巴里的毛病更严重了，而且一阵猛烈的刺痛有如闪电，从口腔顶部直蹿脑门。我用舌头小心翼翼地试探发痛的部位，发现原本光滑的牙齿变得凹凸起伏，把我吓坏了。我觉得我的牙齿好像碎了一半，后来发现果真如此。我没办法再吃喝任何东西，因为神经从断牙处露了出来，一碰到就痛得厉害，像针刺一样，所以对任何入口的东西都非常敏感。我的嘴巴仿佛变成了禁飞区，我脑中一片空白，只想赶快止痛。
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古埃及人和古希腊人都解决不了这个问题。我们的老祖先必须与蛀牙共存。他们老是牙疼，痛得太厉害就只得把牙齿拔掉。如果不是找铁匠用钳子硬拔，就是运气好一点由老练的医生帮忙。医学发达后，开始有麻醉剂可以舒缓疼痛，例如鸦片酊等。
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1840年，有人发明了一种银、锡、汞的合金，称为“汞齐”，成为人类蛀牙史上的转折点。原始状态的汞齐因为含有水银，在室温时是液体。但只要掺入其他成分，汞齐里的汞、银和锡就会发生反应，形成新的结晶，非常坚硬耐磨。这种神奇材料可以在液态时注入牙齿蛀孔中，等它硬化。而且它硬化后会稍微膨胀，使填充材料“咬住”蛀孔，和牙齿完全密合。汞齐制成的填充材料远优于铅或锡制成的填充物。后两种金属虽然都有人用过，但质地太软无法耐久，而且要以液体形态灌入蛀孔，都得加热到熔点，但这又会烫到令人无法忍受。
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这种廉价又无须拔牙的龋齿治疗法问世150年后，我接受了人生中第一次补牙。那块补牙现在还在，我用舌头还能感觉到它光滑的表面。它让我从身心俱创的小男孩再度变回了活泼调皮的捣蛋鬼。我后来又补了八次牙，前四次用汞齐，后四次用复合树脂。复合树脂由硅石粉末和强韧的透明塑料混合而成，坚硬耐磨，而且颜色比汞齐更接近牙齿的原色。和汞齐一样，复合树脂也是在液态时灌入蛀孔，但灌入后需要用紫外线照射，启动树脂内的化学反应，让树脂瞬间硬化。除了补牙之外，现代人还可以选择拔掉蛀牙换成瓷牙或氧化锆牙。这两种材质通常比复合树脂更耐磨，颜色也更像牙齿。要不是这些生物医用材料，我现在可能没剩几颗牙了。
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迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 [:1700544708]
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迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 用钛固定韧带
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我体内还有另一种生物医用材料，一直扶持我到现在，是我1999年在美国新墨西哥州工作时植入的。那天我在室内足球场踢球，球在我脚下而我正打算迅速转身，突然听见膝盖“啪”的一声，随即剧烈扭痛。我只是扭动膝盖，没有被撞到，韧带竟然就断了，简直不可思议。但事情真的就这样发生了。我扭断了右膝的一条韧带，叫前十字韧带。
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韧带是人体的橡皮筋。肌肉、韧带和联结肌肉与骨骼的肌腱，这三样东西负责联结关节，让人体可以自由动作。骨骼之间由韧带联结，韧带有黏弹性，亦即它能瞬间拉长和弹回，但只要拉长不动一段时间就会变长。这就是运动员常做伸展运动的原因，他们希望拉长韧带，让关节更有弹性。韧带虽然对关节如此重要，却没有血液补给，因此只要断裂就几乎无法复原。所以为了让我的膝盖恢复正常运作，就得更换韧带。
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这类手术有几种做法，而我的主治医生选择用我的大腿后肌来重建我的前十字韧带。但为了让新的韧带固定在膝盖上，就必须使用螺丝把新的韧带牢牢拴住，让我未来能再踢足球或去滑雪。
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人体对置入体内的物质非常敏感，绝大多数都会发生排斥，而钛是少数能被接受的材质。并且钛还会产生骨整合，跟骨骼紧密键结，对于连接大腿后肌和骨骼非常有用，形成的密合不会因为时间久了而弱化或松弛。十多年过去了，我膝盖里的钛螺丝依然牢固，而且由于钛很强韧，惰性又高（只有极少数金属不会跟人体起反应，连不锈钢都无法抵挡人体内的化学考验），因此应该还是完好如初。多亏了强韧的氧化钛表面涂层，这些螺丝可以用一辈子，而我当然希望它们能够如此。钛还能耐受高温，因此我将来死亡火化后，还能看得出模样的可能就剩这些螺丝了。我希望当它们重现天日时，我的家人能心怀感念，因为少了它们，我就不能做许多我爱做的事情了，像是跑步、陪孩子踢足球、爬山，等等。钛螺丝和外科医生让我的身体恢复矫健，为此我由衷感谢。
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当然，我离死亡还久得很，我还想维持健康活力五十年，因此将来一定还有不少地方需要重建。目前的科技发展让我对此充满希望，因为尽管我们还离“无敌金刚零零九”的世界很远，但过去四十年来，人类已经在这一方面取得了长足的进步。
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下面照片里的男人是我外公，他过世时是98岁。长寿的他直到辞世前都精神矍铄且良于行，只是得靠拐杖。不是所有人都有他这样的福气。但就算勇健如我外公，身体也有许多毛病，而且体形缩水了不少。人是永远注定会衰老，还是未来可能凭借人体重建的方式抵挡各种老化症状？生物医用材料实验室研发的最新科技能不能为我们带来希望，让我到了98岁高龄依然能走路、跑步甚至滑雪，健康活力就跟现在43岁的我一模一样？
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我母亲陪外公散步，时间为1982年
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就活动力而言，人体最先耗尽的不是肌肉也不是韧带（算我倒霉），而是关节内面。膝关节和髋关节尤其如此，因为这两个部位的运动特别复杂，需要承受极大的重量。但手肘、肩膀和手指的关节也会磨损。关节的磨损和撕裂会造成慢性骨关节炎，让人长期疼痛。另一种关节炎叫类风湿性关节炎，是人体免疫系统攻击关节所致，也会产生同样的症状。
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但无论是关节自行毁损，还是出车祸或剧烈运动造成关节损伤，只要臀部、膝盖、手肘或任何部位的关节耗损殆尽，再多休息与静养也回天乏术。关节内面和骨骼不同，无法自行修复，因为它们根本不是由骨骼构成的。
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迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 [:1700544709]
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迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 关节置换不麻烦
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髋关节置换手术已经问世一段时间了。最早出现在1891年，使用的是象牙材料，现在主要使用钛和瓷。人工髋关节非常成功，因为髋部的活动方式相对单纯，属于杵臼运动，让双腿可以旋转摆动（不过绝大多数动作都不自然，学过瑜伽的人就知道我在讲什么）。过去出现的迪斯科舞，就是专门展现髋部灵活性的舞蹈，跳得好再加上服装新潮，你就是一个很“hip”的家伙，意思不是很屁股，而是很炫。
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我们还在子宫里时，臀部就成形了。大腿骨顶端会生成圆球状的股骨头，跟骨盆的髋臼完全嵌合，之后两根骨头会以同样的速度生长，以确保关节变大了依然密合。不过，这些骨骼的表面非常粗糙（所有骨骼都一样），因此人体会长出一层叫作软骨的外围组织，衬在两根骨头的接合处。软骨比骨骼软，但比肌肉硬，能在骨骼之间形成平滑的界面，并吸收冲击力。之后关节再由韧带、肌腱和肌肉加以固定，限制关节的动作，防止人体跑动、跳跃和跳扭扭舞（没错！）时，股骨头脱离髋臼。所谓的关节炎其实就是软骨受损，而软骨一旦受损就不可能复原。
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因此，髋关节置换手术就是把大腿骨顶端的股骨头锯掉，换成钛做的股骨头，再把按照钛股骨头尺寸制作的髋臼钉入骨盆，最后垫上高密度聚乙烯当成软骨。这套人工关节能让腿部活动完全恢复，并且能使用数十年，只有当聚乙烯磨耗了才需要更换。最新款的人工髋关节密合度更高，甚至不需要聚乙烯来当缓冲，但是否更耐用还言之过早，因为金属（更新款则使用陶瓷）直接接触可能会产生其他的磨损问题。不过，髋关节置换目前已经成为很普通的手术，让数百万的老年人重拾了活动力。
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