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  嚴重閉合性鎖骨骨折常繼發于自然災害及突發事件場景，此類創傷的臨床特征要求對鎖骨區域實施即時固定，以規避骨折斷端對毗鄰心肺組織造成繼發性損傷。當前臨床救治標準強調，為確保固定器械的力學穩定性與生物適配性，需依據患者鎖骨解剖形態進行個性化定制。然而，突發事件現場傷員傷情的不可預測性，使得“先評估后定制”的傳統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場快速成型、低固化時間及輕質便攜等特性，成為生理曲面部位（如鎖骨）緊急固定的研究熱點。但現有材料體系存在顯著局限性：其力學性能參數（如抗壓強度、抗疲勞韌性）難以滿足臨床固定需求，在應力集中區域易發生斷裂失效。隨著災害醫學領域創傷性鎖骨骨折病例數的逐年遞增，開發兼具快速成型能力與優異機械性能的新型自聚合泡沫材料，已成為提升災害現場骨折急救水平的關鍵技術突破點。該類材料的研發不僅涉及高分子材料科學的性能優化，更需結合生物力學與創傷急救醫學的臨床需求，構建多學科協同創新體系。

  在骨創傷修復材料領域的前沿探索中，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，進行了創新性的研究與技術突破。該聯合團隊首次將臨床應用的聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥作為前驅體材料，提出并設計了一種全新的聚合物復合發泡技術--自聚合固化同步化學發泡法。此技術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構等特性，在非常規的、粘度和溫度呈雙重動態增加的聚合物熔體環境中，實現了對氣泡孔結構的精準調控。通過這一創新方法，成功制備出了高性能的自聚合聚甲基丙烯酸甲酯“骨鎖”硬質泡沫敷料。該敷料集輕質、高強度、良好的生物相容性和卓越的形狀適應性等優點于一身，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，研究團隊還開創性地建立了自固化雙重發泡動力學模型。這一模型的建立不僅為深入理解聚合物發泡過程中的復雜物理化學機制提供了理論框架，同時也為完善聚合物發泡理論體系提供了重要的參考依據，具有一定的學術價值和理論意義。相關研究成果以“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、空軍軍醫大學西京醫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、性能和應用場景。

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

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；(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構的調控機制。(A)傳統熱塑性泡沫(聚丙烯)和PMMA 泡沫敷料在發泡過程中的粘度變化；(B)PMMA泡沫敷料的開始發泡時間與其自身粘度變化的關系；(C)發泡過程中的質量損失曲線；(D)發泡過程中的氣體逸出率曲線。

圖6. 溫度驅動的二次發泡。(A)發泡過程中質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泡沫敷料氣泡孔結構變化示意圖。

圖8. 動態二元場中的氣泡殼模型。(A)發泡初期的氣泡殼模型，(B)溫度驅動發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。表示氣泡的內部壓力p_T.表示溫度引起的內部壓力增加，p_g.表示熔體對氣泡施加的壓力。

圖9. 應用安全評估-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傷固定材料是否導致組織燙傷。(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)使用手指關節測試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節模型；(G)使用PF₃固定腕關節；(H)PF₃和腕關節之間界面接觸能力的數碼照片；(I)實現腕關節固定后，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.

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，設計了一種創新的聚合物復合發泡技術--自聚合固化同步化學發泡法，在粘度和溫度雙重動態增加的非常規聚合物熔體中成功調節氣泡孔結構，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構和生物相容性，巧妙地控制了PMMA泡沫的氣泡孔結構，并成功制造了高性能（輕質、高強度、良好的生物相容性和形狀適應性）自聚合聚甲基丙烯酸甲酯“骨鎖”硬質泡沫敷料。該研究不僅成功解決了復雜部位創傷急救固定難題，而且創新的拓寬了臨床醫用PMMA骨水泥的應用環境。

  (2)本研究創新性的構建了不同于傳統發泡理論的雙變量場氣泡殼模型，提出并推導了動態雙變量場氣泡生長動力學，從理論上揭示了粘度和溫度協同影響氣泡生長行為，為完善高分子復合發泡領域的理論提供了參考，也為其他輕質、高強度自固化泡沫的結構和性能設計提供了理論依據，具有一定的理論價值。

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