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  嚴重閉合性鎖骨骨折常繼發(fā)于自然災(zāi)害及突發(fā)事件場景，此類創(chuàng)傷的臨床特征要求對鎖骨區(qū)域?qū)嵤┘磿r固定，以規(guī)避骨折斷端對毗鄰心肺組織造成繼發(fā)性損傷。當前臨床救治標準強調(diào)，為確保固定器械的力學穩(wěn)定性與生物適配性，需依據(jù)患者鎖骨解剖形態(tài)進行個性化定制。然而，突發(fā)事件現(xiàn)場傷員傷情的不可預(yù)測性，使得“先評估后定制”的傳統(tǒng)模式難以滿足緊急救治時效性需求。近年來，自聚合型聚合物泡沫材料因具備現(xiàn)場快速成型、低固化時間及輕質(zhì)便攜等特性，成為生理曲面部位（如鎖骨）緊急固定的研究熱點。但現(xiàn)有材料體系存在顯著局限性：其力學性能參數(shù)（如抗壓強度、抗疲勞韌性）難以滿足臨床固定需求，在應(yīng)力集中區(qū)域易發(fā)生斷裂失效。隨著災(zāi)害醫(yī)學領(lǐng)域創(chuàng)傷性鎖骨骨折病例數(shù)的逐年遞增，開發(fā)兼具快速成型能力與優(yōu)異機械性能的新型自聚合泡沫材料，已成為提升災(zāi)害現(xiàn)場骨折急救水平的關(guān)鍵技術(shù)突破點。該類材料的研發(fā)不僅涉及高分子材料科學的性能優(yōu)化，更需結(jié)合生物力學與創(chuàng)傷急救醫(yī)學的臨床需求，構(gòu)建多學科協(xié)同創(chuàng)新體系。

  在骨創(chuàng)傷修復(fù)材料領(lǐng)域的前沿探索中，西安理工大學湯玉斐教授團隊與空軍軍醫(yī)大學吳子祥教授團隊開展了深度合作，針對鎖骨骨折緊急固定的臨床需求，進行了創(chuàng)新性的研究與技術(shù)突破。該聯(lián)合團隊首次將臨床應(yīng)用的聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥作為前驅(qū)體材料，提出并設(shè)計了一種全新的聚合物復(fù)合發(fā)泡技術(shù)--自聚合固化同步化學發(fā)泡法。此技術(shù)巧妙地利用了脂肪族酸的油溶性，以及生物大分子納米球（如殼聚糖納米球）所具備的表面勢能和豐富的極性官能團結(jié)構(gòu)等特性，在非常規(guī)的、粘度和溫度呈雙重動態(tài)增加的聚合物熔體環(huán)境中，實現(xiàn)了對氣泡孔結(jié)構(gòu)的精準調(diào)控。通過這一創(chuàng)新方法，成功制備出了高性能的自聚合聚甲基丙烯酸甲酯“骨鎖”硬質(zhì)泡沫敷料。該敷料集輕質(zhì)、高強度、良好的生物相容性和卓越的形狀適應(yīng)性等優(yōu)點于一身，為鎖骨骨折的緊急固定提供了一種全新且有效的解決方案。此外，研究團隊還開創(chuàng)性地建立了自固化雙重發(fā)泡動力學模型。這一模型的建立不僅為深入理解聚合物發(fā)泡過程中的復(fù)雜物理化學機制提供了理論框架，同時也為完善聚合物發(fā)泡理論體系提供了重要的參考依據(jù)，具有一定的學術(shù)價值和理論意義。相關(guān)研究成果以“Aliphatic-acid coating and nano chitosan nucleator synergistically regulate the performance of PMMA Bone-Locking foam dressing used for emergency fixation of clavicle fracture”為題發(fā)表在國際頂級期刊《International Journal of Biological Macromolecules》(IF:7.7，中科院top期刊)上。西安理工大學張博博士為論文第一作者，西安理工大學湯玉斐教授、空軍軍醫(yī)大學西京醫(yī)院吳子祥教授為論文共同通訊作者，合作者還包括西安理工大學趙康教授。該工作得到國家自然科學基金和陜西省自然科學基礎(chǔ)研究計劃的資助與支持。

圖1.“骨鎖”泡沫敷料的制備、性能和應(yīng)用場景。

圖2. PMMA泡沫敷料的氣泡孔形態(tài)。(A-C)使用不同包覆程度的發(fā)泡劑制備的PMMA泡沫敷料氣泡孔微觀形態(tài)；(D-H)添加成核劑制備的PMMA泡沫敷料的氣泡孔微觀形態(tài)。

圖3.PMMA泡沫敷料的氣泡孔特性。(A-C)PF₃的顯微CT的頂視圖、前視圖成像和迭代重建成像.(D)PF₃的氣泡孔尺寸分布曲線.

圖4. PMMA泡沫敷料的特性。(A)泡沫參數(shù)；(B)比強度；(C)彈性模量；(D)PF₃的滲透性具有不同的厚度；(E)PF₃的透氣性和比強度比較以及有關(guān)泡沫或紡織材料的其他研究報告。

圖5. 脂肪酸涂層和納米殼聚糖對泡沫敷料孔結(jié)構(gòu)的調(diào)控機制。(A)傳統(tǒng)熱塑性泡沫(聚丙烯)和PMMA 泡沫敷料在發(fā)泡過程中的粘度變化；(B)PMMA泡沫敷料的開始發(fā)泡時間與其自身粘度變化的關(guān)系；(C)發(fā)泡過程中的質(zhì)量損失曲線；(D)發(fā)泡過程中的氣體逸出率曲線。

圖6. 溫度驅(qū)動的二次發(fā)泡。(A)發(fā)泡過程中質(zhì)量損失和氣體逃逸率隨聚合溫度的變化曲線；(B)SA₃的TGA曲線.

圖7.引入油溶性涂層和納米成核劑引起的PMMA泡沫敷料氣泡孔結(jié)構(gòu)變化示意圖。

圖8. 動態(tài)二元場中的氣泡殼模型。(A)發(fā)泡初期的氣泡殼模型，(B)溫度驅(qū)動發(fā)泡階段的氣泡殼模型。當氣泡核增長時，半徑從r=R₁增加到r=R₂，它受驅(qū)動力和阻力的影響，如圖中的箭頭所示。箭頭方向表示力的方向p_l表示流體壓力τ_RR表示粘性張力p_a。表示氣泡的內(nèi)部壓力p_T.表示溫度引起的內(nèi)部壓力增加，p_g.表示熔體對氣泡施加的壓力。

圖9. 應(yīng)用安全評估-體外細胞實驗。(A)CCK-8法檢測的OD值；(B)熒光染色；(C)細胞活力；(D)活細胞/死細胞染色；(E)樣本植入過程；(F)肌肉和皮膚組織的H&E染色圖像。

圖10. 用固定材料處理/未處理的皮膚組織炎癥分析用于判定創(chuàng)傷固定材料是否導(dǎo)致組織燙傷。(A)H&E染色、(B)Masson染色和(C)免疫熒光染色。

圖11. PF₃的固定性能。(A)PF₃任意成型能力。(B)使用手指關(guān)節(jié)測試PF₃的界面接觸能力；(C)彎曲手指116°后，PF3在1分鐘后仍保持彎曲形狀；(D)PF₃部分固化后可承受200g壓力而不變形；(E)PF₃彎曲角度為64°，可承受約135MPa的負載；(F)可自由彎曲以進行固定實驗的腕關(guān)節(jié)模型；(G)使用PF₃固定腕關(guān)節(jié)；(H)PF₃和腕關(guān)節(jié)之間界面接觸能力的數(shù)碼照片；(I)實現(xiàn)腕關(guān)節(jié)固定后，在手掌一端施加負載以評估固定強度；(J)PF₃的固定時間參數(shù).

圖12. 生物固定效果。(A)建立脛骨骨折模型和X射線影像學檢查；(B)使用鋁塑膠合板固定斷裂部位的過程；(C)使用PMMA泡沫敷料固定斷裂部位的過程；(D)將大鼠無約束地喂在籠子里，以夸張地模仿運輸過程中四肢的意外晃動；(E)鋁塑膠合板固定72h后脛骨骨折的X線成像；(F)使用PMMA泡沫敷料固定后72h脛骨骨折的X射線成像；(G)固定72h后足部顏色和腿部肌肉病理檢查，估計血液循環(huán)能力和組織壞死情況；(H)用電動石膏鋸清除固定物料。

本文要點：

  (1)本研究以PMMA為基體，設(shè)計了一種創(chuàng)新的聚合物復(fù)合發(fā)泡技術(shù)--自聚合固化同步化學發(fā)泡法，在粘度和溫度雙重動態(tài)增加的非常規(guī)聚合物熔體中成功調(diào)節(jié)氣泡孔結(jié)構(gòu)，利用脂肪族酸的油溶性和生物大分子納米球的表面勢能、豐富的極性官能團結(jié)構(gòu)和生物相容性，巧妙地控制了PMMA泡沫的氣泡孔結(jié)構(gòu)，并成功制造了高性能（輕質(zhì)、高強度、良好的生物相容性和形狀適應(yīng)性）自聚合聚甲基丙烯酸甲酯“骨鎖”硬質(zhì)泡沫敷料。該研究不僅成功解決了復(fù)雜部位創(chuàng)傷急救固定難題，而且創(chuàng)新的拓寬了臨床醫(yī)用PMMA骨水泥的應(yīng)用環(huán)境。

  (2)本研究創(chuàng)新性的構(gòu)建了不同于傳統(tǒng)發(fā)泡理論的雙變量場氣泡殼模型，提出并推導(dǎo)了動態(tài)雙變量場氣泡生長動力學，從理論上揭示了粘度和溫度協(xié)同影響氣泡生長行為，為完善高分子復(fù)合發(fā)泡領(lǐng)域的理論提供了參考，也為其他輕質(zhì)、高強度自固化泡沫的結(jié)構(gòu)和性能設(shè)計提供了理論依據(jù)，具有一定的理論價值。

  文章來源: https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.138112