骨折无法愈合对患者来说是一个巨大的负担，这也常常导致需要进行进一步的额外手术。Fraunhofer研究人员与合作伙伴合作开发了一种用于治疗此类不愈合病例的复合材料。由此产生的植入物（称为支架）可以显著提高治疗成功率并加快愈合过程，该材料由可生物降解的聚合物和生物活性玻璃组合组成，可作为主体和支撑结构。该结构的目的是抑制伤口部位细菌，并支持新骨结构的生长。这项创新的医学工程获得了德国联邦教育和研究部资助的SCABAEGO联合研究项目的支持。
根据估计，每年约有80万例骨折患者在德国医院接受治疗。在这些病例中，约有10%的病例由于骨骼未正确愈合而出现治疗后并发症，导致疼痛的假关节病，使骨骼无法承受重量。对于患者来说，这通常意味着需要长期住院，并进行后续手术和长期治疗，而对于诊所来说，这需要提供耗时且昂贵的治疗费用。
为了防止这种情况发生，位于不来梅的Fraunhofer制造技术和先进材料研究所（IFAM）现在通过SCABAEGO（支架生物活性玻璃增强成骨）联合研究项目提供了一种既优雅又有效的解决方案。该项目的目的是测试在手术中使用生物活性材料支持愈合过程并降低感染风险的工作。该研究所的合作伙伴是海德堡大学医院的创伤和重建外科，以及总部位于莱比锡的专门从事医疗工程的BellaSeno公司。
Fraunhofer IFAM研究人员开发了一种由可生物降解聚合物聚己内酯（PCL）和生物活性玻璃制成的复合材料，然后，将这种复合材料用于3D打印定制的骨折部位的主要和支撑结构，称为支架。在此之前，使用计算机断层扫描（CT）绘制受损骨骼的结构图。定制的结构代替了缺失的部分骨头，然后用取自髂骨或较大长骨的骨髓填充。这确保了生物骨替代材料（自体骨工艺，ABG）得到稳定的容纳，骨折部位安全愈合。
在中试工厂，一台3D打印机用复合材料制造支架
生物活性复合材料转化为骨骼
创新的医疗产品提供了更多的优势。Fraunhofer IFAM医疗技术和生命科学业务部门负责人Kai Borcherding博士解释道：“支架中的生物活性玻璃会将周围环境的pH值提高到碱性。下一步我们要研究的是这种方法的预期结果，即抑制细菌生长”。研究人员希望这将显著降低术后感染的风险。
生物活性玻璃还支持骨折部位新骨的生长。由于与体液接触，玻璃会变成羟基磷灰石，这是一种主要来源于磷酸钙的化合物，也是一种与骨骼非常相似的物质。海德堡大学医院创伤外科医生兼实验创伤外科主任Tobias Großner博士表示：“有了生物活性玻璃，我们可以解决诊所面临的问题——我们可以抑制细菌生长，并为骨骼愈合提供有效支持。六到七年后，支架将完全生物降解并转化为骨骼。”
生物活性玻璃已经被用于治疗骨缺损。新颖之处在于将其与工业规模的PCL相结合。Fraunhofer的研究人员已经成功地将生物玻璃和PCL结合起来，创造出一种可以直接用于增材制造的复合材料。这样做的主要结果是可以生产定制的3D支架。在工业规模上生产复合材料既简单又快速。Borcherding解释道：“在经历多个加工步骤之前，将PCL聚合物与玻璃颗粒和溶剂混合。最后，通过干燥去除溶剂，并对残留的复合材料进行精细研磨。”
SCABAEGO项目支架可以定制，来适合任何尺寸的长骨。在骨骼CT扫描的帮助下，支架可以使用3D打印进行定制
可定制的骨骼支撑结构
项目合作伙伴BellaSeno使用3D打印机将这种材料打印出来。BellaSeno公司董事总经理兼项目协调员Mohit Chhaya博士说：“我们使用3D打印，这样就可以为每位患者单独创建每个支架，以适应骨折部位。”在此之前，需要对受损骨骼进行CT扫描，然后可以制作骨骼的3D虚拟图像。利用这些数据，3D打印机构建了一个与骨骼完美贴合的支架。Großner说：“每个病人都会得到一个独特的、量身定制的支架。这避免了手术室耗时的机械装配和剪裁。”。
从PCL（左）到含有生物活性玻璃的复合材料（右）（中）
易于愈合的新概念
由于超过了以往的繁杂程序，这种创新的复合材料有望在治疗方面取得重大进展。目前的技术包括在初次手术中用骨水泥覆盖骨折部位。人体将这种水泥视为异物，并用骨膜（骨膜）保护自己。这就是众所周知的Masquelet诱导膜技术。这个过程可能需要长达两个月的时间。
在此之后，患者必须再次接受手术。这一次，外科医生切开骨膜，取出水泥，用自体骨填充空间，并重新密封骨膜。到目前为止，几乎没有什么选择可以安全地锚定软骨痂，从而在不受干扰的情况下治愈骨折。当与板或钉一起使用时，支架为柔软的骨痂提供所需的结构，直到骨头愈合。
SCABAEGO项目研究团队已经在与海德堡大学医院合作，在体外和体内进行临床前试验，研究这一概念。在这些过程中，复合材料的配方正在优化中。生物活性玻璃在支架中的比例可以在10%到30%之间。Borcherding说：“我们正在试验混合物的比例，以便在保持支架的核心强度的同时，尽可能利用玻璃的生物积极特性。”
来源：碳纤维及其复合材料技术
关键词：
生物活性复合材料
骨骼愈合
