骨折無法愈合對患者來說是一個巨大的負擔，這也經常導致需要進一步的額外手術。弗勞恩霍夫的研究人員與合作伙伴一起開發了一種復合材料，用于治療這種不愈合的病例。由此產生的植入物(稱為支架)旨在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的組合制成，可以作為主要和支撐結構。
其目的是抑制傷口處細菌的生長，并支持新骨結構的生長。這項創新的醫學工程是由德國聯邦教育和研究部(BMBF)資助的SCABAEGO聯合研究項目的成果。
德國醫院每年治療約80萬例骨折。對于大約10%的這些病例，由于骨沒有正確愈合而出現治療后并發癥，導致疼痛的假關節，使得不可能將重量放在骨上。對于患者來說，這通常意味著長期住院，進行后續手術和長期治療，而對于診所來說，這涉及到提供耗時和昂貴的治療。
為了防止這種情況發生，位于不來梅的IFAM弗勞恩霍夫制造技術和先進材料研究所通過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假設。該研究所該項目的合作伙伴是海德堡大學醫院創傷和重建外科系以及位于萊比錫的BellaSeno醫療工程專業公司。
弗勞恩霍夫IFAM的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，這種復合材料被用于3D打印骨折部位的定制主結構和支撐結構，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。定制的結構替代了骨骼缺失的部分。然后用取自髂嵴或更大的長骨的骨髓填充。這確保了生物骨替代材料(自體骨工藝，ABG)被穩定地包含并且骨折部位安全地愈合。
創新的醫療產品提供了更多的優勢。“支架中的生物活性玻璃將周圍環境的pH值提高到堿性。弗勞恩霍夫IFAM醫院醫療技術和生命科學業務部門的負責人Kai Borcherding博士解釋說:“我們下一步要研究的是抑制細菌生長的預期結果。研究人員預計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。因為它與體液接觸，玻璃會變成羥基磷灰石，羥基磷灰石是一種主要來自磷酸鈣的化合物，是一種非常類似于骨骼的物質。“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，并為骨愈合提供有效的支持。六到七年后，支架將完全生物降解并轉化為骨骼，”海德堡大學醫院創傷外科醫生兼實驗創傷外科主任Tobias Groß ner博士說。
生物活性玻璃已經被用于治療骨缺損。新的是在工業規模上將其與PCL相結合。弗勞恩霍夫的研究人員已經成功地將玻璃和PCL結合在一起，創造出一種可以直接用于添加制造的復合材料。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是簡單和快速的。PCL聚合物在經歷多個加工步驟之前與玻璃顆粒和溶劑混合。最后，通過干燥去除溶劑，并精細研磨殘留的復合材料，”Borcherding解釋道。
項目合作伙伴BellaSeno使用3D打印機從這種材料中“打印”出支架。“我們使用3D打印，這樣我們就可以單獨創建每個支架，以適應每個患者的骨折部位，”BellaSeno的董事總經理兼項目協調員Mohit Chhaya博士說。在此之前，對受損骨骼進行CT掃描。然后可以產生骨骼的3D虛擬圖像。利用這些數據，3D打印機構建了一個完美貼合骨骼的支架。“每位患者都會收到一個獨特的、量身定制的支架。這就避免了手術室里耗時的機械裝配和裁剪，”groner說。
超越以前的程序，創新的復合材料應該在治療上取得重大進展。現代技術包括在初始手術中用骨水泥覆蓋骨折部位。人體將這種水泥視為異物，用骨膜(骨膜)保護自己。這就是所謂的馬斯克萊特誘導膜技術。這個過程可能需要兩個月。過了這段時間，病人必須再次接受手術。這一次，外科醫生切開骨膜，移除水泥，用自體骨填充空間，并重新密封骨膜。到目前為止，很少有安全固定軟骨痂的選擇，因此可以無干擾地愈合骨折。當與板或釘一起使用時，支架為軟骨痂提供所需的結構，直到骨愈合。
SCABAEGO項目研究小組已經在與海德堡大學醫院合作，通過臨床前試驗在體外和體內研究這一概念。在進行這些工作的同時，復合材料的配方也在不斷優化。生物活性玻璃在支架中的比例可以在10%和30%之間。“我們正在試驗混合比例，以便我們可以盡可能地利用玻璃的生物積極特性，同時保持支架的核心強度，”Borcherding說。
