Inimkehas kasutatav tsement – ​​luutsement

Luutsement on luutsemendi üldkasutatav nimetus ja see on ortopeedias kasutatav meditsiiniline materjal. Tänu oma välimusele ja füüsikalistele omadustele, mis meenutavad pärast tahkumist ehituses ja kaunistamisel kasutatud valget tsementi, on see nii populaarne nimi. 1970. aastatel kasutati luutsementi juba liigeseproteeside fikseerimiseks, samuti saab seda kasutada koetäite- ja -parandusmaterjalina ortopeedias ja hambaravis.

Luutsemendi suurim eelis on selle kiire tahkumine, mis võimaldab varakult operatsioonijärgset taastusravi. Muidugi on luutsemendil ka mõningaid miinuseid, näiteks aeg-ajalt kõrge rõhk luuüdi õõnes täitmise ajal, mis võib põhjustada rasvapiiskade sattumist veresoontesse ja embooliat. Veelgi enam, see erineb inimese luudest ja aja jooksul võivad kunstliigesed ikkagi lahti minna. Seetõttu on luutsemendi biomaterjalide uurimine teadlaste jaoks alati olnud kuum mureteema.

Praegu on kõige laialdasemalt kasutatavad ja uuritud luutsemendid polümetüülmetakrülaat (PMMA) luutsement, kaltsiumfosfaatluutsement ja kaltsiumsulfaatkonditsement.
PMMA luutsement on vedela metüülmetakrülaatmonomeeri ja dünaamilise metüülmetakrülaatstüreeni kopolümeeri segamisel moodustunud akrüülpolümeer, millel on madal monomeerijääk, madal väsimuskindlus ja pingepragunemiskindlus, samuti kõrge tõmbetugevus ja plastilisus. PMMA luutsementi on laialdaselt kasutatud meditsiinilise plastilise kirurgia valdkonnas ning seda on kasutatud hambaravis, kolju- ja muudes luuparandusvaldkondades juba 1940. aastatel. Akrülaatluutsementi on kasutatud inimese kudede kirurgias ja seda on kasutatud sadadel tuhandetel kliinilistel juhtudel nii riigisiseselt kui ka rahvusvaheliselt.

PMMA luutsemendi tahke faas on üldiselt osaliselt polümeriseeritud eelpolümeer PMMA ja vedel faas on MMA monomeer, millele on lisatud mõningaid polümerisatsiooni initsiaatoreid ja stabilisaatoreid. Kui tahke faasi eelpolümeer PMMA segatakse vedela faasi MMA monomeeriga, toimub koheselt polümeeri kopolümerisatsioonireaktsioon, et saavutada luutsemendi tahkumine. Selle tahkumisprotsessi käigus eraldub aga suur hulk soojust, mis võib põhjustada ümbritsevate kudede termilisi kahjustusi, põhjustades põletikku ja isegi koenekroosi. Seetõttu on polümetüülmetakrülaatluutsemendi kvaliteedi parandamiseks ja PMMA-luutsemendi kõrvalmõjude vähendamiseks või kõrvaldamiseks kiiresti vaja rohkem uuringuid.

Kaltsiumfosfaati kasutatakse luude parandamisel tänu selle suurepärasele biosobivusele ja luude taastumisvõimele. Kliiniliselt kasutatakse seda sageli süstitava materjalina luuvahede täitmiseks ja riistvara fikseerimise parandamiseks luumurdude kirurgias. Kaltsiumfosfaat-luutsemendi koostis sarnaneb inimese luude mineraalidega, mis võivad uuesti imenduda ja soodustada looduslike luude kasvu ja ümberkujunemist. Kaltsiumfosfaatluutsemendi tahkestumise mehhanism on lahustumise hüdratatsiooni sadestamise reaktsioon. Reguleerides reaktsiooniprotsessi pH väärtust, võib hüdroksüapatiit (HA) sadestuda pH vahemikus 4,2-11. Algstaadiumis juhitakse HA teket peamiselt pinnareaktsioonide abil ning osakeste vahel ja osakeste pinnal tekkiv HA tugevdab osakeste vahelisi ühendusi. Mida suurem on HA kristallide sisaldus, seda rohkem on kokkupuutepunkte ja vastavalt suureneb ka survetugevus. Hüdratsioonireaktsiooni hilisemas etapis kaetakse osakeste pind HA kihiga ja kaltsiumfosfaatluutsemendi hüdratatsioonireaktsioon muutub hüdratatsioonireaktsiooni kaudu difusioonijuhitavaks. Pideva hüdratatsioonireaktsiooniga tekib üha rohkem HA osakesi ja tekkinud HA kristallid kasvavad. Hüdratsiooniproduktid täidavad reaktsioonis osaleva vee ruumi järk-järgult, nii et HA kristallid jagavad varem vee poolt hõivatud ruumi ebakorrapärasteks kapillaarpoorideks.

Geeli poorid suurenevad ja pooride suurus väheneb pidevalt. HA kristallid on ajatatud ja sillatud ning osakeste vaheline sidumistugevus suureneb. Luutsemendi materjal tahkub suure hulga pooridega tahkeks poorseks struktuuriks, mis näitab makrokõvastumise tugevust.

Kliinilises praktikas on traumaatilisel lülisambamurrul spetsiaalne vigastusmehhanism ja need tekivad tavaliselt noortel inimestel, kellel on tugevam luude taastamise võime. Kaltsiumfosfaat luutsementi saab selliste luumurdude raviks tõhusalt kasutada. Samal ajal on kaltsiumfosfaat-luutsement ka tõhus luu asendaja healoomulise luukasvaja resektsiooni operatsioonil. Pika tahkumisaja ja suhteliselt madala soojuse vabanemise tõttu tahkestamisprotsessi ajal on kaltsiumfosfaat-luutsemendil aga suhteliselt halb adhesioon ja tugevus ning see on altid luust lagunema. Seetõttu on kaltsiumfosfaat-luutsemendi uuringud veel pooleli.

Kaltsiumsulfaat on kõige lihtsam alternatiivne materjal luude parandamiseks ja seda on kasutatud luude parandamise materjalides üle 100 aasta ning sellel on pikim kliiniline kasutuslugu. Kaltsiumsulfaadil on inimesel hea taluvus, biolagunevus ja luu juhtivusomadused, mistõttu on see oluline alternatiivmaterjal autoloogse luu siirdamiseks varases uurimistöös. Kaltsiumsulfaadi luutsemendi tahke faasi põhivool on veevaba kaltsiumsulfaadi pulber ja vedel faas on füsioloogiline soolalahus ja muud vesilahused. Tahke ja vedela faasi segamisel läbib kaltsiumsulfaat hüdratatsioonireaktsiooni, tekitades nõelakujulisi kaltsiumsulfaatdihüdraadi vurrud, mis silduvad ja kuhjuvad üksteisega, tahkudes seega teatud kuju ja tugevusega hunnikuks. Kuid halva bioloogilise aktiivsuse tõttu ei saa kaltsiumsulfaat-luutsement moodustada keemilisi sidemeid kaltsiumsulfaadi siirikute ja luukoe vahel ning laguneb kiiresti. Kaltsiumsulfaat luutsement võib täielikult imenduda kuue nädala jooksul pärast implanteerimist ja see kiire lagunemine ei sobi luu moodustumise protsessiga. Seetõttu on kaltsiumfosfaat-luutsemendiga võrreldes suhteliselt piiratud kaltsiumsulfaat-luutsemendi väljatöötamine ja kliiniline kasutamine.

Lisaks on paljud uuringud näidanud, et väikesed orgaanilised molekulid, biolagunevad polümeerid, valgud, polüsahhariidid, anorgaanilised molekulid, biokeraamika ja bioklaas võivad tõhusalt parandada luutsemendi jõudlust, pakkudes uuenduslikke ideid uut tüüpi luutsemendi jaoks.
Kokkuvõtteks võib öelda, et luutsemendil võib olla oluline roll kliinilises hambaravis ja ortopeedias ning sellest peaks saama luusüsteemi jaoks ideaalne ravimikandja ja luuasendusmaterjal.

Teaduse, tehnoloogia ja materjalide pideva innovatsiooni ja arenguga usutakse, et tulevikus töötatakse välja rohkem kvaliteetseid luutsemendi materjale, näiteks ülitugevaid, süstitavaid, veekindlaid ja kiiresti kivistuvaid materjale. Luutsemendi kasutamine kliinilises praktikas muutub üha laialdasemaks ning tõuseb ka selle väärtus.