Zement, der im menschlichen Körper verwendet werden kann – Knochenzement

Knochenzement ist eine häufig verwendete Bezeichnung für Knochenzement und ein medizinisches Material, das in der Orthopädie verwendet wird. Aufgrund seines Aussehens und seiner physikalischen Eigenschaften, die dem weißen Zement ähneln, der nach dem Erstarren im Bau- und Dekorationsbereich verwendet wird, hat er einen so beliebten Namen. Knochenzement wurde bereits in den 1970er-Jahren zur Fixierung von Gelenkprothesen eingesetzt und kann auch als Gewebefüll- und Reparaturmaterial in der Orthopädie und Zahnmedizin eingesetzt werden.

Der größte Vorteil von Knochenzement ist seine schnelle Verfestigung, die frühe postoperative Rehabilitationsmaßnahmen ermöglicht. Natürlich hat Knochenzement auch einige Nachteile, wie zum Beispiel einen zeitweise hohen Druck in der Knochenmarkhöhle beim Füllen, der dazu führen kann, dass Fetttröpfchen in die Blutgefäße gelangen und eine Embolie verursachen. Darüber hinaus unterscheidet es sich von menschlichen Knochen und mit der Zeit können sich künstliche Gelenke dennoch lockern. Daher ist die Erforschung von Knochenzement-Biomaterialien seit jeher ein wichtiges Thema für Forscher.

Die derzeit am häufigsten verwendeten und erforschten Knochenzemente sind Polymethylmethacrylat (PMMA)-Knochenzement, Kalziumphosphat-Knochenzement und Kalziumsulfat-Knochenzement.
PMMA-Knochenzement ist ein Acrylpolymer, das durch Mischen von flüssigem Methylmethacrylat-Monomer und dynamischem Methylmethacrylat-Styrol-Copolymer entsteht und geringe Monomerrückstände, geringe Ermüdungsbeständigkeit und Spannungsrissbeständigkeit sowie hohe Zugfestigkeit und Plastizität aufweist. PMMA-Knochenzement ist in der medizinischen plastischen Chirurgie weit verbreitet und wurde bereits in den 1940er Jahren in der Zahnheilkunde, im Schädelbereich und in anderen Bereichen der Knochenreparatur eingesetzt. Acrylat-Knochenzement wird in der menschlichen Gewebechirurgie verwendet und in Hunderttausenden klinischen Fällen im In- und Ausland eingesetzt.

Die feste Phase von PMMA-Knochenzement ist im Allgemeinen ein teilweise polymerisiertes Präpolymer PMMA und die flüssige Phase ist MMA-Monomer, dem einige Polymerisationsinitiatoren und Stabilisatoren zugesetzt sind. Wenn das Festphasen-Präpolymer PMMA mit dem Flüssigphasen-MMA-Monomer gemischt wird, findet sofort eine Polymer-Copolymerisationsreaktion statt, um die Verfestigung von Knochenzement zu erreichen. Bei diesem Verfestigungsprozess wird jedoch eine große Menge an Wärme freigesetzt, die zu thermischen Schäden am umliegenden Gewebe führen kann, was zu Entzündungen und sogar Gewebenekrose führen kann. Daher sind dringend weitere Forschungsarbeiten erforderlich, um die Qualität von Polymethylmethacrylat-Knochenzement zu verbessern und die Nebenwirkungen von PMMA-Knochenzement zu reduzieren oder zu beseitigen.

Calciumphosphat wird aufgrund seiner hervorragenden Biokompatibilität und Knochenregenerationsfähigkeit bei der Knochenreparatur eingesetzt. Klinisch wird es häufig als injizierbares Material verwendet, um Knochenlücken zu füllen und die Hardware-Fixierung bei der Frakturchirurgie zu verbessern. Die Zusammensetzung von Calciumphosphat-Knochenzement ähnelt den Mineralien menschlicher Knochen, die resorbiert werden können und das innere Wachstum und den Umbau natürlicher Knochen fördern. Der Verfestigungsmechanismus von Calciumphosphat-Knochenzement ist eine Auflösungs-Hydratations-Ausfällungsreaktion. Durch die Kontrolle des pH-Wertes des Reaktionsprozesses kann Hydroxylapatit (HA) im pH-Bereich von 4,2–11 ausfallen. Im Anfangsstadium wird die Bildung von HA hauptsächlich durch Oberflächenreaktionen gesteuert, und die zwischen Partikeln und auf der Oberfläche von Partikeln erzeugte HA stärkt die Verbindungen zwischen Partikeln. Je höher der Anteil an HA-Kristallen ist, desto mehr Kontaktpunkte gibt es und entsprechend steigt auch die Druckfestigkeit. Im späteren Stadium der Hydratationsreaktion wird die Partikeloberfläche mit einer HA-Schicht überzogen, und die Hydratationsreaktion von Calciumphosphat-Knochenzement wird durch die Hydratationsreaktion diffusionskontrolliert. Durch die kontinuierliche Hydratationsreaktion werden immer mehr HA-Partikel erzeugt und die erzeugten HA-Kristalle wachsen. Hydratationsprodukte füllen nach und nach den Raum des an der Reaktion beteiligten Wassers, sodass der zuvor von Wasser eingenommene Raum durch die HA-Kristalle in unregelmäßige Kapillarporen unterteilt wird.

Die Gelporen werden vergrößert und die Porengröße nimmt stetig ab. Die HA-Kristalle sind versetzt angeordnet und verbrückt, und die Bindungsstärke zwischen den Partikeln nimmt zu. Das Knochenzementmaterial verfestigt sich zu einer festen porösen Struktur mit einer großen Anzahl von Poren und weist somit eine Makrohärtungsfestigkeit auf.

In der klinischen Praxis weisen traumatische Wirbelkörperfrakturen einen besonderen Verletzungsmechanismus auf und treten meist bei jungen Menschen auf, die über eine stärkere Fähigkeit zur Knochenrekonstruktion verfügen. Zur Behandlung solcher Frakturen kann Calciumphosphat-Knochenzement wirksam eingesetzt werden. Mittlerweile ist Calciumphosphat-Knochenzement auch ein wirksamer Knochenersatz für die Resektion gutartiger Knochentumoren. Aufgrund der langen Erstarrungszeit und der relativ geringen Wärmefreisetzung während des Erstarrungsprozesses weist Calciumphosphat-Knochenzement jedoch eine relativ schlechte Haftung und Festigkeit auf und neigt dazu, sich vom Knochen zu lösen. Daher ist die Forschung an Calciumphosphat-Knochenzement noch im Gange.

Calciumsulfat ist das einfachste alternative Material zur Knochenreparatur und wird seit über 100 Jahren in Knochenreparaturmaterialien verwendet, mit der längsten klinischen Anwendungsgeschichte. Calciumsulfat weist eine gute menschliche Verträglichkeit, biologische Abbaubarkeit und Knochenleitungseigenschaften auf, was es in der frühen Forschung zu einem wichtigen Alternativmaterial für die autologe Knochentransplantation macht. Der Festphasen-Hauptstrom von Calciumsulfat-Knochenzement ist wasserfreies Calciumsulfat-Pulver, und die flüssige Phase besteht aus physiologischer Kochsalzlösung und anderen wässrigen Lösungen. Beim Mischen der festen und flüssigen Phasen geht Calciumsulfat eine Hydratationsreaktion ein, wodurch nadelförmige Calciumsulfat-Dihydrat-Whisker entstehen, die sich miteinander verbinden und stapeln und so zu einem Haufen mit einer bestimmten Form und Festigkeit verfestigen. Aufgrund der geringen biologischen Aktivität kann Calciumsulfat-Knochenzement jedoch keine chemischen Bindungen zwischen Calciumsulfat-Transplantaten und Knochengewebe eingehen und wird schnell abgebaut. Calciumsulfat-Knochenzement kann innerhalb von sechs Wochen nach der Implantation vollständig resorbiert werden, und dieser schnelle Abbau entspricht nicht dem Prozess der Knochenbildung. Daher sind die Entwicklung und klinische Anwendung von Calciumsulfat-Knochenzement im Vergleich zu Calciumphosphat-Knochenzement relativ begrenzt.

Darüber hinaus haben viele Studien gezeigt, dass kleine organische Moleküle, biologisch abbaubare Polymere, Proteine, Polysaccharide, anorganische Moleküle, Biokeramik und Bioglas die Leistung von Knochenzement effektiv verbessern können, was innovative Ideen für neue Arten von Knochenzement liefert.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Knochenzement in der klinischen Zahnheilkunde und Orthopädie eine bedeutende Rolle spielen kann und voraussichtlich ein idealer Wirkstoffträger und Knochenersatzmaterial für das Skelettsystem werden wird.

Aufgrund der kontinuierlichen Innovation und Weiterentwicklung von Wissenschaft, Technologie und Materialien wird davon ausgegangen, dass in Zukunft weitere hochwertige Knochenzementmaterialien entwickelt werden, beispielsweise hochfeste, injizierbare, wasserbeständige und schnell abbindende Typen. Der Einsatz von Knochenzement in der klinischen Praxis wird immer weiter zunehmen und auch sein Wert wird zunehmen.