严重闭合性锁骨骨折常继发于自然灾害及突发事件场景，此类创伤的临床特征要求对锁骨区域实施即时固定，以规避骨折断端对毗邻心肺组织造成继发性损伤。当前临床救治标准强调，为确保固定器械的力学稳定性与生物适配性，需依据患者锁骨解剖形态进行个性化定制。然而，突发事件现场伤员伤情的不可预测性，使得“先评估后定制”的传统模式难以满足紧急救治时效性需求。近年来，自聚合型聚合物泡沫材料因具备现场快速成型、低固化时间及轻质便携等特性，成为生理曲面部位（如锁骨）紧急固定的研究热点。但现有材料体系存在显著局限性：其力学性能参数（如抗压强度、抗疲劳韧性）难以满足临床固定需求，在应力集中区域易发生断裂失效。随着灾害医学领域创伤性锁骨骨折病例数的逐年递增，开发兼具快速成型能力与优异机械性能的新型自聚合泡沫材料，已成为提升灾害现场骨折急救水平的关键技术突破点。该类材料的研发不仅涉及高分子材料科学的性能优化，更需结合生物力学与创伤急救医学的临床需求，构建多学科协同创新体系。

  在骨创伤修复材料领域的前沿探索中，西安理工大学汤玉斐教授团队与空军军医大学吴子祥教授团队开展了深度合作，针对锁骨骨折紧急固定的临床需求，进行了创新性的研究与技术突破。该联合团队首次将临床应用的聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥作为前驱体材料，提出并设计了一种全新的聚合物复合发泡技术--自聚合固化同步化学发泡法。此技术巧妙地利用了脂肪族酸的油溶性，以及生物大分子纳米球（如壳聚糖纳米球）所具备的表面势能和丰富的极性官能团结构等特性，在非常规的、粘度和温度呈双重动态增加的聚合物熔体环境中，实现了对气泡孔结构的精准调控。通过这一创新方法，成功制备出了高性能的自聚合聚甲基丙烯酸甲酯“骨锁”硬质泡沫敷料。该敷料集轻质、高强度、良好的生物相容性和卓越的形状适应性等优点于一身，为锁骨骨折的紧急固定提供了一种全新且有效的解决方案。此外，研究团队还开创性地建立了自固化双重发泡动力学模型。这一模型的建立不仅为深入理解聚合物发泡过程中的复杂物理化学机制提供了理论框架，同时也为完善聚合物发泡理论体系提供了重要的参考依据，具有一定的学术价值和理论意义。相关研究成果以“Aliphatic-acid coating and nano chitosan nucleator synergistically regulate the performance of PMMA Bone-Locking foam dressing used for emergency fixation of clavicle fracture”为题发表在国际顶级期刊《International Journal of Biological Macromolecules》(IF:7.7，中科院top期刊)上。西安理工大学张博博士为论文第一作者，西安理工大学汤玉斐教授、空军军医大学西京医院吴子祥教授为论文共同通讯作者，合作者还包括西安理工大学赵康教授。该工作得到国家自然科学基金和陕西省自然科学基础研究计划的资助与支持。

图1.“骨锁”泡沫敷料的制备、性能和应用场景。

图2. PMMA泡沫敷料的气泡孔形态。(A-C)使用不同包覆程度的发泡剂制备的PMMA泡沫敷料气泡孔微观形态；(D-H)添加成核剂制备的PMMA泡沫敷料的气泡孔微观形态。

图3.PMMA泡沫敷料的气泡孔特性。(A-C)PF₃的显微CT的顶视图、前视图成像和迭代重建成像.(D)PF₃的气泡孔尺寸分布曲线.

图4. PMMA泡沫敷料的特性。(A)泡沫参数；(B)比强度；(C)弹性模量；(D)PF₃的渗透性具有不同的厚度；(E)PF₃的透气性和比强度比较以及有关泡沫或纺织材料的其他研究报告。

图5. 脂肪酸涂层和纳米壳聚糖对泡沫敷料孔结构的调控机制。(A)传统热塑性泡沫(聚丙烯)和PMMA 泡沫敷料在发泡过程中的粘度变化；(B)PMMA泡沫敷料的开始发泡时间与其自身粘度变化的关系；(C)发泡过程中的质量损失曲线；(D)发泡过程中的气体逸出率曲线。

图6. 温度驱动的二次发泡。(A)发泡过程中质量损失和气体逃逸率随聚合温度的变化曲线；(B)SA₃的TGA曲线.

图7.引入油溶性涂层和纳米成核剂引起的PMMA泡沫敷料气泡孔结构变化示意图。

图8. 动态二元场中的气泡壳模型。(A)发泡初期的气泡壳模型，(B)温度驱动发泡阶段的气泡壳模型。当气泡核增长时，半径从r=R₁增加到r=R₂，它受驱动力和阻力的影响，如图中的箭头所示。箭头方向表示力的方向p_l表示流体压力τ_RR表示粘性张力p_a。表示气泡的内部压力p_T.表示温度引起的内部压力增加，p_g.表示熔体对气泡施加的压力。

图9. 应用安全评估-体外细胞实验。(A)CCK-8法检测的OD值；(B)荧光染色；(C)细胞活力；(D)活细胞/死细胞染色；(E)样本植入过程；(F)肌肉和皮肤组织的H&E染色图像。

图10. 用固定材料处理/未处理的皮肤组织炎症分析用于判定创伤固定材料是否导致组织烫伤。(A)H&E染色、(B)Masson染色和(C)免疫荧光染色。

图11. PF₃的固定性能。(A)PF₃任意成型能力。(B)使用手指关节测试PF₃的界面接触能力；(C)弯曲手指116°后，PF3在1分钟后仍保持弯曲形状；(D)PF₃部分固化后可承受200g压力而不变形；(E)PF₃弯曲角度为64°，可承受约135MPa的负载；(F)可自由弯曲以进行固定实验的腕关节模型；(G)使用PF₃固定腕关节；(H)PF₃和腕关节之间界面接触能力的数码照片；(I)实现腕关节固定后，在手掌一端施加负载以评估固定强度；(J)PF₃的固定时间参数.

图12. 生物固定效果。(A)建立胫骨骨折模型和X射线影像学检查；(B)使用铝塑胶合板固定断裂部位的过程；(C)使用PMMA泡沫敷料固定断裂部位的过程；(D)将大鼠无约束地喂在笼子里，以夸张地模仿运输过程中四肢的意外晃动；(E)铝塑胶合板固定72h后胫骨骨折的X线成像；(F)使用PMMA泡沫敷料固定后72h胫骨骨折的X射线成像；(G)固定72h后足部颜色和腿部肌肉病理检查，估计血液循环能力和组织坏死情况；(H)用电动石膏锯清除固定物料。

本文要点：

  (1)本研究以PMMA为基体，设计了一种创新的聚合物复合发泡技术--自聚合固化同步化学发泡法，在粘度和温度双重动态增加的非常规聚合物熔体中成功调节气泡孔结构，利用脂肪族酸的油溶性和生物大分子纳米球的表面势能、丰富的极性官能团结构和生物相容性，巧妙地控制了PMMA泡沫的气泡孔结构，并成功制造了高性能（轻质、高强度、良好的生物相容性和形状适应性）自聚合聚甲基丙烯酸甲酯“骨锁”硬质泡沫敷料。该研究不仅成功解决了复杂部位创伤急救固定难题，而且创新的拓宽了临床医用PMMA骨水泥的应用环境。

  (2)本研究创新性的构建了不同于传统发泡理论的双变量场气泡壳模型，提出并推导了动态双变量场气泡生长动力学，从理论上揭示了粘度和温度协同影响气泡生长行为，为完善高分子复合发泡领域的理论提供了参考，也为其他轻质、高强度自固化泡沫的结构和性能设计提供了理论依据，具有一定的理论价值。

  文章来源: https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.138112