骨折無法愈合對患者來說是一個巨大的負擔，這也常常導致需要進行進一步的額外手術。Fraunhofer研究人員與合作伙伴合作開發了一種用于治療此類不愈合病例的復合材料。由此產生的植入物（稱為支架）可以顯著提高治療成功率并加快愈合過程，該材料由可生物降解的聚合物和生物活性玻璃組合組成，可作為主體和支撐結構。該結構的目的是抑制傷口部位細菌，并支持新骨結構的生長。這項創新的醫學工程獲得了德國聯邦教育和研究部資助的SCABAEGO聯合研究項目的支持。
根據估計，每年約有80萬例骨折患者在德國醫院接受治療。在這些病例中，約有10%的病例由于骨骼未正確愈合而出現治療后并發癥，導致疼痛的假關節病，使骨骼無法承受重量。對于患者來說，這通常意味著需要長期住院，并進行后續手術和長期治療，而對于診所來說，這需要提供耗時且昂貴的治療費用。
為了防止這種情況發生，位于不來梅的Fraunhofer制造技術和先進材料研究所（IFAM）現在通過SCABAEGO（支架生物活性玻璃增強成骨）聯合研究項目提供了一種既優雅又有效的解決方案。該項目的目的是測試在手術中使用生物活性材料支持愈合過程并降低感染風險的工作。該研究所的合作伙伴是海德堡大學醫院的創傷和重建外科，以及總部位于萊比錫的專門從事醫療工程的BellaSeno公司。
Fraunhofer IFAM研究人員開發了一種由可生物降解聚合物聚己內酯（PCL）和生物活性玻璃制成的復合材料，然后，將這種復合材料用于3D打印定制的骨折部位的主要和支撐結構，稱為支架。在此之前，使用計算機斷層掃描（CT）繪制受損骨骼的結構圖。定制的結構代替了缺失的部分骨頭，然后用取自髂骨或較大長骨的骨髓填充。這確保了生物骨替代材料（自體骨工藝，ABG）得到穩定的容納，骨折部位安全愈合。
在中試工廠，一臺3D打印機用復合材料制造支架
生物活性復合材料轉化為骨骼
創新的醫療產品提供了更多的優勢。Fraunhofer IFAM醫療技術和生命科學業務部門負責人Kai Borcherding博士解釋道：“支架中的生物活性玻璃會將周圍環境的pH值提高到堿性。下一步我們要研究的是這種方法的預期結果，即抑制細菌生長”。研究人員希望這將顯著降低術后感染的風險。
生物活性玻璃還支持骨折部位新骨的生長。由于與體液接觸，玻璃會變成羥基磷灰石，這是一種主要來源于磷酸鈣的化合物，也是一種與骨骼非常相似的物質。海德堡大學醫院創傷外科醫生兼實驗創傷外科主任Tobias Großner博士表示：“有了生物活性玻璃，我們可以解決診所面臨的問題——我們可以抑制細菌生長，并為骨骼愈合提供有效支持。六到七年后，支架將完全生物降解并轉化為骨骼。”
生物活性玻璃已經被用于治療骨缺損。新穎之處在于將其與工業規模的PCL相結合。Fraunhofer的研究人員已經成功地將生物玻璃和PCL結合起來，創造出一種可以直接用于增材制造的復合材料。這樣做的主要結果是可以生產定制的3D支架。在工業規模上生產復合材料既簡單又快速。Borcherding解釋道：“在經歷多個加工步驟之前，將PCL聚合物與玻璃顆粒和溶劑混合。最后，通過干燥去除溶劑，并對殘留的復合材料進行精細研磨。”
SCABAEGO項目支架可以定制，來適合任何尺寸的長骨。在骨骼CT掃描的幫助下，支架可以使用3D打印進行定制
可定制的骨骼支撐結構
項目合作伙伴BellaSeno使用3D打印機將這種材料打印出來。BellaSeno公司董事總經理兼項目協調員Mohit Chhaya博士說：“我們使用3D打印，這樣就可以為每位患者單獨創建每個支架，以適應骨折部位。”在此之前，需要對受損骨骼進行CT掃描，然后可以制作骨骼的3D虛擬圖像。利用這些數據，3D打印機構建了一個與骨骼完美貼合的支架。Großner說：“每個病人都會得到一個獨特的、量身定制的支架。這避免了手術室耗時的機械裝配和剪裁。”。
從PCL（左）到含有生物活性玻璃的復合材料（右）（中）
易于愈合的新概念
由于超過了以往的繁雜程序，這種創新的復合材料有望在治療方面取得重大進展。目前的技術包括在初次手術中用骨水泥覆蓋骨折部位。人體將這種水泥視為異物，并用骨膜（骨膜）保護自己。這就是眾所周知的Masquelet誘導膜技術。這個過程可能需要長達兩個月的時間。
在此之后，患者必須再次接受手術。這一次，外科醫生切開骨膜，取出水泥，用自體骨填充空間，并重新密封骨膜。到目前為止，幾乎沒有什么選擇可以安全地錨定軟骨痂，從而在不受干擾的情況下治愈骨折。當與板或釘一起使用時，支架為柔軟的骨痂提供所需的結構，直到骨頭愈合。
SCABAEGO項目研究團隊已經在與海德堡大學醫院合作，在體外和體內進行臨床前試驗，研究這一概念。在這些過程中，復合材料的配方正在優化中。生物活性玻璃在支架中的比例可以在10%到30%之間。Borcherding說：“我們正在試驗混合物的比例，以便在保持支架的核心強度的同時，盡可能利用玻璃的生物積極特性。”
