骨折无法愈合对患者来说是一个巨大的负担，这也经常导致需要进一步的额外手术。弗劳恩霍夫的研究人员与合作伙伴一起开发了一种复合材料，用于治疗这种不愈合的病例。由此产生的植入物(称为支架)旨在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的组合制成，可以作为主要和支撑结构。
其目的是抑制伤口处细菌的生长，并支持新骨结构的生长。这项创新的医学工程是由德国联邦教育和研究部(BMBF)资助的SCABAEGO联合研究项目的成果。
德国医院每年治疗约80万例骨折。对于大约10%的这些病例，由于骨没有正确愈合而出现治疗后并发症，导致疼痛的假关节，使得不可能将重量放在骨上。对于患者来说，这通常意味着长期住院，进行后续手术和长期治疗，而对于诊所来说，这涉及到提供耗时和昂贵的治疗。
为了防止这种情况发生，位于不来梅的IFAM弗劳恩霍夫制造技术和先进材料研究所通过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假设。该研究所该项目的合作伙伴是海德堡大学医院创伤和重建外科系以及位于莱比锡的BellaSeno医疗工程专业公司。
弗劳恩霍夫IFAM的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，这种复合材料被用于3D打印骨折部位的定制主结构和支撑结构，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。定制的结构替代了骨骼缺失的部分。然后用取自髂嵴或更大的长骨的骨髓填充。这确保了生物骨替代材料(自体骨工艺，ABG)被稳定地包含并且骨折部位安全地愈合。
创新的医疗产品提供了更多的优势。“支架中的生物活性玻璃将周围环境的pH值提高到碱性。弗劳恩霍夫IFAM医院医疗技术和生命科学业务部门的负责人Kai Borcherding博士解释说:“我们下一步要研究的是抑制细菌生长的预期结果。研究人员预计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。因为它与体液接触，玻璃会变成羟基磷灰石，羟基磷灰石是一种主要来自磷酸钙的化合物，是一种非常类似于骨骼的物质。“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，并为骨愈合提供有效的支持。六到七年后，支架将完全生物降解并转化为骨骼，”海德堡大学医院创伤外科医生兼实验创伤外科主任Tobias Groß ner博士说。
生物活性玻璃已经被用于治疗骨缺损。新的是在工业规模上将其与PCL相结合。弗劳恩霍夫的研究人员已经成功地将玻璃和PCL结合在一起，创造出一种可以直接用于添加制造的复合材料。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是简单和快速的。PCL聚合物在经历多个加工步骤之前与玻璃颗粒和溶剂混合。最后，通过干燥去除溶剂，并精细研磨残留的复合材料，”Borcherding解释道。
项目合作伙伴BellaSeno使用3D打印机从这种材料中“打印”出支架。“我们使用3D打印，这样我们就可以单独创建每个支架，以适应每个患者的骨折部位，”BellaSeno的董事总经理兼项目协调员Mohit Chhaya博士说。在此之前，对受损骨骼进行CT扫描。然后可以产生骨骼的3D虚拟图像。利用这些数据，3D打印机构建了一个完美贴合骨骼的支架。“每位患者都会收到一个独特的、量身定制的支架。这就避免了手术室里耗时的机械装配和裁剪，”groner说。
超越以前的程序，创新的复合材料应该在治疗上取得重大进展。现代技术包括在初始手术中用骨水泥覆盖骨折部位。人体将这种水泥视为异物，用骨膜(骨膜)保护自己。这就是所谓的马斯克莱特诱导膜技术。这个过程可能需要两个月。过了这段时间，病人必须再次接受手术。这一次，外科医生切开骨膜，移除水泥，用自体骨填充空间，并重新密封骨膜。到目前为止，很少有安全固定软骨痂的选择，因此可以无干扰地愈合骨折。当与板或钉一起使用时，支架为软骨痂提供所需的结构，直到骨愈合。
SCABAEGO项目研究小组已经在与海德堡大学医院合作，通过临床前试验在体外和体内研究这一概念。在进行这些工作的同时，复合材料的配方也在不断优化。生物活性玻璃在支架中的比例可以在10%和30%之间。“我们正在试验混合比例，以便我们可以尽可能地利用玻璃的生物积极特性，同时保持支架的核心强度，”Borcherding说。
