Цемент, який можна використовувати в організмі людини - кістковий цемент

Кістковий цемент - це загальновживана назва кісткового цементу та медичний матеріал, який використовується в ортопедії. За своїм зовнішнім виглядом і фізичними властивостями, що нагадують білий цемент, використовуваний в будівництві та оздобленні після застигання, він отримав таку народну назву. У 1970-х роках кістковий цемент вже використовувався для фіксації суглобових протезів, а також він може бути використаний як матеріал для наповнення та відновлення тканин в ортопедії та стоматології.

Найбільшою перевагою кісткового цементу є його швидке затвердіння, що дозволяє проводити ранню післяопераційну реабілітацію. Звичайно, кістковий цемент також має деякі недоліки, такі як випадковий високий тиск у порожнині кісткового мозку під час пломбування, що може спричинити потрапляння крапель жиру в кровоносні судини та спричинити емболію. Крім того, він відрізняється від людських кісток, і з часом штучні суглоби все одно можуть розхитуватися. Тому дослідження біоматеріалів кісткового цементу завжди були гарячою темою для дослідників.

В даний час найбільш широко використовуваними і дослідженими кістковими цементами є поліметилметакрилатний (ПММА) кістковий цемент, кальцій-фосфатний кістковий цемент і кальцій-сульфатний кістковий цемент.
Кістковий цемент ПММА — це акриловий полімер, утворений шляхом змішування рідкого мономеру метилметакрилату та динамічного сополімеру метилметакрилату стиролу, з низьким залишком мономеру, низьким опором втоми та стійкістю до розтріскування під напругою, а також високою міцністю на розрив і пластичністю. Кістковий цемент PMMA широко використовувався в галузі медичної пластичної хірургії, а також застосовувався в стоматології, черепі та інших областях відновлення кісток ще в 1940-х роках. Акрилатний кістковий цемент використовувався в хірургії людських тканин і застосовувався в сотнях тисяч клінічних випадків як у країні, так і за кордоном.

Тверда фаза кісткового цементу ПММА – це, як правило, частково полімеризований преполімер ПММА, а рідка фаза – мономер ММА з додаванням деяких ініціаторів полімеризації та стабілізаторів. Коли твердофазний форполімер ПММА змішується з рідкофазним мономером ММА, негайно відбувається реакція кополімеризації полімеру для затвердіння кісткового цементу. Однак під час цього процесу твердіння виділяється велика кількість тепла, що може спричинити термічне пошкодження навколишніх тканин, що призводить до запалення та навіть некрозу тканин. Тому терміново необхідні додаткові дослідження для покращення якості кісткового цементу з поліметилметакрилату та зменшення або усунення побічних ефектів кісткового цементу з ПММА.

Фосфат кальцію використовується для відновлення кісткової тканини завдяки його чудовій біосумісності та здатності до регенерації кісткової тканини. Клінічно його часто використовують як ін’єкційний матеріал для заповнення кісткових проміжків і покращення апаратної фіксації в хірургії переломів. Склад кальцієво-фосфатного кісткового цементу подібний до мінералів людських кісток, які можуть реабсорбуватися та сприяти внутрішньому росту та ремоделюванню природних кісток. Механізм затвердіння кальцій-фосфатного кісткового цементу полягає в реакції розчинення, гідратації та преципітації. Контролюючи значення рН реакційного процесу, гідроксиапатит (ГА) може випадати в осад у діапазоні рН 4,2-11. На початковій стадії утворення ГК в основному контролюється поверхневими реакціями, а ГК, що утворюється між частинками та на поверхні частинок, зміцнює зв’язки між частинками. Чим вищий вміст кристалів ГК, тим більше контактних точок, відповідно зростає міцність на стиск. На пізній стадії реакції гідратації поверхня частинок покривається шаром ГК, і реакція гідратації кальцій-фосфатного кісткового цементу стає контрольованою дифузією через реакцію гідратації. Завдяки безперервній реакції гідратації утворюється все більше і більше частинок ГК, а кристали ГК ростуть. Продукти гідратації поступово заповнюють простір води, яка бере участь у реакції, так що простір, раніше зайнятий водою, поділяється кристалами ГК на капілярні пори неправильної форми.

Пори гелю збільшуються, а розмір пор постійно зменшується. Кристали ГК розташовані в шаховому порядку та з’єднані містками, а міцність зв’язку між частинками зростає. Матеріал кісткового цементу твердіє в тверду пористу структуру з великою кількістю пор, що демонструє міцність на макрозатвердіння.

У клінічній практиці травматичні розривні переломи хребців мають особливий механізм ушкодження і зазвичай виникають у молодих людей, які мають більш сильну здатність до відновлення кісток. Для лікування таких переломів можна ефективно використовувати кальцій-фосфатний кістковий цемент. Між тим, кальцій-фосфатний кістковий цемент також є ефективним замінником кістки при хірургічному видаленні доброякісної пухлини кістки. Однак через тривалий час затвердіння та відносно низьке виділення тепла під час процесу затвердіння кальцієво-фосфатний кістковий цемент має відносно погану адгезію та міцність і схильний до розпаду з кістки. Тому дослідження кальцій-фосфатного кісткового цементу все ще тривають.

Сульфат кальцію є найпростішим альтернативним матеріалом для відновлення кісток і використовується в матеріалах для відновлення кісток більше 100 років, з найдовшою історією клінічного застосування. Сульфат кальцію має хорошу переносимість людиною, здатність до біологічного розкладання та властивості кісткової провідності, що робить його важливим альтернативним матеріалом для аутологічної трансплантації кісток у ранніх дослідженнях. Основною твердою фазою кісткового цементу з сульфату кальцію є безводний порошок сульфату кальцію, а рідкою фазою є фізіологічний розчин та інші водні розчини. Коли тверда та рідка фази змішуються, сульфат кальцію вступає в реакцію гідратації, утворюючи голчасті нитки дигідрату сульфату кальцію, які з’єднуються та складаються один з одним, таким чином твердіючи в купу певної форми та міцності. Однак через низьку біологічну активність кальцієвий сульфатний кістковий цемент не може утворювати хімічні зв’язки між кальцієвим сульфатним трансплантатом і кістковою тканиною і швидко руйнується. Кістковий цемент із сульфату кальцію може повністю розсмоктуватися протягом шести тижнів після імплантації, і ця швидка деградація не відповідає процесу формування кістки. Таким чином, порівняно з кальцій-фосфатним кістковим цементом, розробка та клінічне застосування кальцій-сульфатного кісткового цементу є відносно обмеженими.

Крім того, багато досліджень показали, що невеликі органічні молекули, полімери, які біологічно розкладаються, білки, полісахариди, неорганічні молекули, біокераміка та біоскло можуть ефективно покращити ефективність кісткового цементу, надаючи інноваційні ідеї для нових типів кісткового цементу.
Таким чином, кістковий цемент може відігравати важливу роль у клінічній стоматології та ортопедії, і очікується, що він стане ідеальним носієм ліків і матеріалом для заміни кісткової тканини для скелетної системи.

З безперервними інноваціями та розвитком науки, технологій і матеріалів, вважається, що в майбутньому будуть розроблені більш високоякісні матеріали для кісткового цементу, такі як високоміцні, ін’єкційні, водостійкі та швидкосхоплювані. Застосування кісткового цементу в клінічній практиці набуватиме все більшого поширення, а також зростатиме його цінність.