Az emberi szervezetben felhasználható cement - csontcement

A csontcement a csontcement általánosan használt neve, és az ortopédiában használt orvosi anyag. Megszilárdulás után az építőiparban és dekorációban használt fehércementre emlékeztető megjelenése és fizikai tulajdonságai miatt olyan népszerű a neve. Az 1970-es években a csontcementet már ízületi protézisrögzítésre használták, az ortopédia és a fogászat szövettömő és -javító anyagaként is használható.

A csontcement legnagyobb előnye a gyors megszilárdulása, amely lehetővé teszi a korai posztoperatív rehabilitációs tevékenységeket. A csontcementnek persze vannak hátrányai is, például a töltés során a csontvelőüregben időnként nagy nyomás, ami miatt zsírcseppek kerülhetnek az erekbe és embóliát okozhatnak. Ráadásul eltér az emberi csontoktól, és idővel a mesterséges ízületek még mindig meglazulhatnak. Ezért a csontcement bioanyagok kutatása mindig is a kutatók forró téma volt.

Jelenleg a legszélesebb körben használt és kutatott csontcementek a polimetil-metakrilát (PMMA) csontcement, kalcium-foszfát csontcement és kalcium-szulfát csontcement.
A PMMA csontcement egy akril polimer, amelyet folyékony metil-metakrilát monomer és dinamikus metil-metakrilát-sztirol kopolimer összekeverésével állítanak elő, alacsony monomermaradékkal, alacsony kifáradás- és feszültségrepedésállósággal, valamint nagy szakítószilárdsággal és plaszticitással. A PMMA csontcementet széles körben használták az orvosi plasztikai sebészet területén, és már az 1940-es években alkalmazták a fogászatban, a koponyában és más csontjavítási területeken. Az akrilát csontcementet az emberi szövetsebészetben használták, és klinikai esetek százezreiben alkalmazták hazai és nemzetközi szinten egyaránt.

A PMMA csontcement szilárd fázisa általában részben polimerizált PMMA prepolimer, a folyékony fázis pedig MMA monomer, néhány polimerizációs iniciátor és stabilizátor hozzáadásával. Ha a PMMA szilárd fázisú prepolimert összekeverik a folyékony fázisú MMA monomerrel, azonnal polimer kopolimerizációs reakció megy végbe a csontcement megszilárdulása érdekében. E megszilárdulási folyamat során azonban nagy mennyiségű hő szabadul fel, ami hőkárosodást okozhat a környező szövetekben, ami gyulladáshoz, sőt szöveti nekrózishoz vezethet. Ezért sürgősen további kutatásokra van szükség a polimetil-metakrilát csontcement minőségének javítása és a PMMA csontcement mellékhatásainak csökkentése vagy megszüntetése érdekében.

A kalcium-foszfátot kiváló biokompatibilitása és csontregeneráló képessége miatt a csontjavításban alkalmazzák. Klinikailag gyakran használják injektálható anyagként a csontrések kitöltésére és a törési műtéteknél a hardverrögzítés javítására. A kalcium-foszfát-csontcement összetétele hasonló az emberi csontok ásványi anyagaihoz, amelyek újra felszívódnak, és elősegítik a természetes csontok befelé történő növekedését és átépülését. A kalcium-foszfát csontcement szilárdulási mechanizmusa egy oldódási hidratációs kicsapódási reakció. A reakciófolyamat pH-értékének szabályozásával a hidroxiapatit (HA) a 4,2-11 pH-tartományban tud kicsapódni. A kezdeti szakaszban a HA képződését elsősorban felületi reakciók szabályozzák, a részecskék között és a részecskék felületén keletkező HA pedig erősíti a részecskék közötti kapcsolatokat. Minél nagyobb a HA kristály tartalma, annál több az érintkezési pont, és ennek megfelelően nő a nyomószilárdság is. A hidratációs reakció későbbi szakaszában a részecske felületét HA-réteggel vonják be, és a kalcium-foszfát-csontcement hidratációs reakciója a hidratációs reakción keresztül diffúzióvezéreltté válik. A folyamatos hidratációs reakcióval egyre több HA részecske keletkezik, és a keletkező HA kristályok növekednek. A hidratációs termékek fokozatosan kitöltik a reakcióban részt vevő víz terét, így a korábban víz által elfoglalt teret a HA kristályok szabálytalan kapilláris pórusokra osztják fel.

A gél pórusai megnövekednek, a pórusok mérete pedig folyamatosan csökken. A HA kristályok lépcsőzetesen és áthidalva vannak, és a részecskék közötti kötési szilárdság növekszik. A csontcement anyag szilárd porózus szerkezetté szilárdul, nagyszámú pórussal, így makro kikeményedési szilárdságot mutat.

A klinikai gyakorlatban a traumás csigolyatörések speciális sérülési mechanizmussal rendelkeznek, és általában olyan fiataloknál fordulnak elő, akiknek erősebb a csontrekonstrukciós képessége. A kalcium-foszfát csontcement hatékonyan alkalmazható az ilyen törések kezelésére. Eközben a kalcium-foszfát csontcement hatékony csontpótló a jóindulatú csontdaganat reszekciós műtéteknél. Azonban a hosszú megszilárdulási idő és a viszonylag alacsony hőleadás miatt a kalcium-foszfát-csontcementnek viszonylag gyenge a tapadása és szilárdsága, és hajlamos a csontról való szétesésre. Ezért a kalcium-foszfát csontcement kutatása még mindig folyamatban van.

A kalcium-szulfát a legegyszerűbb alternatív anyag a csontjavításhoz, és több mint 100 éve használják csontjavító anyagokban, a leghosszabb klinikai alkalmazási múlttal. A kalcium-szulfát jó humán toleranciával, biológiai lebonthatósággal és csontvezetési tulajdonságokkal rendelkezik, így a korai kutatások során fontos alternatív anyag az autológ csontátültetéshez. A kalcium-szulfát-csontcement szilárd fázisú főárama vízmentes kalcium-szulfát por, a folyékony fázis pedig fiziológiás sóoldat és egyéb vizes oldatok. Amikor a szilárd és a folyékony fázis összekeveredik, a kalcium-szulfát hidratációs reakción megy keresztül, és tű alakú kalcium-szulfát-dihidrát bajuszokat hoz létre, amelyek áthidalják és egymásra rakódnak, így egy bizonyos alakú és szilárdságú halommá szilárdulnak. A gyenge biológiai aktivitás miatt azonban a kalcium-szulfát csontcement nem tud kémiai kötéseket kialakítani a kalcium-szulfát graftok és a csontszövet között, és gyorsan lebomlik. A kalcium-szulfát csontcement a beültetés után hat héten belül teljesen felszívódhat, és ez a gyors lebomlás nem felel meg a csontképződés folyamatának. Ezért a kalcium-foszfát csontcementhez képest a kalcium-szulfát csontcement fejlesztése és klinikai alkalmazása viszonylag korlátozott.

Emellett számos tanulmány kimutatta, hogy a kis szerves molekulák, biológiailag lebontható polimerek, fehérjék, poliszacharidok, szervetlen molekulák, biokerámiák és bioüveg hatékonyan javíthatják a csontcement teljesítményét, innovatív ötleteket nyújtva új típusú csontcementekhez.
Összefoglalva, a csontcement jelentős szerepet játszhat a klinikai fogászatban és az ortopédiában, és várhatóan ideális gyógyszerhordozó és csontpótló anyag lesz a csontrendszer számára.

A tudomány, a technológia és az anyagok folyamatos innovációjával és fejlesztésével úgy gondolják, hogy a jövőben több jó minőségű csontcement anyagot fognak kifejleszteni, például nagy szilárdságú, injektálható, vízálló és gyorsan kötő típusokat. A csontcement alkalmazása a klinikai gyakorlatban egyre elterjedtebb lesz, és értéke is nő.