سیمان قابل استفاده در بدن انسان - سیمان استخوان

سیمان استخوان نامی است که معمولاً برای سیمان استخوان استفاده می شود و یک ماده پزشکی است که در ارتوپدی استفاده می شود. به دلیل ظاهر و خصوصیات فیزیکی شبیه به سیمان سفیدی که پس از انجماد در ساختمان سازی و تزئینات استفاده می شود، نامی پرطرفدار دارد. در دهه 1970، سیمان استخوان قبلاً برای تثبیت پروتز مفصل استفاده می شد و همچنین می توان از آن به عنوان ماده پرکننده و ترمیم بافت در ارتوپدی و دندانپزشکی استفاده کرد.

بزرگترین مزیت سیمان استخوان انجماد سریع آن است که امکان فعالیت های توانبخشی زودهنگام بعد از عمل را فراهم می کند. البته سیمان استخوان معایبی نیز دارد، مانند فشار زیاد گهگاهی در حفره مغز استخوان در حین پر شدن که می تواند باعث ورود قطرات چربی به رگ های خونی و ایجاد آمبولی شود. علاوه بر این، با استخوان های انسان متفاوت است و با گذشت زمان، مفاصل مصنوعی ممکن است همچنان شل شوند. بنابراین، تحقیق بر روی مواد زیستی سیمان استخوان همیشه موضوع داغ مورد توجه محققان بوده است.

در حال حاضر، سیمان استخوانی که به طور گسترده مورد استفاده و تحقیق قرار گرفته است، سیمان استخوانی پلی متیل متاکریلات (PMMA)، سیمان استخوانی فسفات کلسیم و سیمان استخوانی سولفات کلسیم است.
سیمان استخوانی PMMA یک پلیمر اکریلیک است که از اختلاط مونومر متیل متاکریلات مایع و کوپلیمر متیل متاکریلات استایرن پویا، با باقیمانده مونومر کم، مقاومت در برابر خستگی کم و مقاومت در برابر ترک خوردگی تنشی، و همچنین استحکام کششی و انعطاف پذیری بالا تشکیل شده است. سیمان استخوان PMMA به طور گسترده ای در زمینه جراحی پلاستیک پزشکی استفاده شده است و از اوایل دهه 1940 در دندانپزشکی، جمجمه و سایر زمینه های ترمیم استخوان استفاده شده است. سیمان استخوان آکریلات در جراحی بافت انسانی استفاده شده است و در صدها هزار مورد بالینی در داخل و خارج از کشور استفاده شده است.

فاز جامد سیمان استخوان PMMA عموماً نیمه پلیمریزه شده پیش پلیمری PMMA است و فاز مایع مونومر MMA است که برخی آغازگرها و تثبیت کننده های پلیمریزاسیون اضافه شده است. هنگامی که پیش پلیمر فاز جامد PMMA با مونومر MMA فاز مایع مخلوط می شود، واکنش کوپلیمریزاسیون پلیمری بلافاصله برای رسیدن به انجماد سیمان استخوان رخ می دهد. با این حال، در طول این فرآیند انجماد، مقدار زیادی گرما آزاد می شود که می تواند باعث آسیب حرارتی به بافت های اطراف شود و منجر به التهاب و حتی نکروز بافت شود. بنابراین، تحقیقات بیشتری برای بهبود کیفیت سیمان استخوانی پلی متیل متاکریلات و کاهش یا حذف عوارض جانبی سیمان استخوانی PMMA ضروری است.

فسفات کلسیم به دلیل زیست سازگاری عالی و توانایی بازسازی استخوان در ترمیم استخوان استفاده می شود. از نظر بالینی، اغلب به عنوان یک ماده تزریقی برای پر کردن شکاف های استخوانی و بهبود تثبیت سخت افزار در جراحی شکستگی استفاده می شود. ترکیب سیمان استخوان فسفات کلسیم مشابه مواد معدنی استخوان‌های انسان است که می‌تواند دوباره جذب شود و باعث رشد درونی و بازسازی استخوان‌های طبیعی شود. مکانیسم انجماد سیمان استخوانی فسفات کلسیم یک واکنش رسوبی هیدراتاسیون انحلال است. با کنترل مقدار pH فرآیند واکنش، هیدروکسی آپاتیت (HA) می تواند در محدوده pH 4.2-11 رسوب کند. در مرحله اولیه، تولید HA عمدتاً توسط واکنش‌های سطحی کنترل می‌شود و HA تولید شده بین ذرات و روی سطح ذرات، اتصالات بین ذرات را تقویت می‌کند. هر چه محتوای کریستال های HA بیشتر باشد، نقاط تماس بیشتری وجود دارد و مقاومت فشاری نیز بر این اساس افزایش می یابد. در مرحله بعدی واکنش هیدراتاسیون، سطح ذرات با لایه ای از HA پوشانده می شود و واکنش هیدراتاسیون سیمان استخوان فسفات کلسیم از طریق واکنش هیدراتاسیون کنترل می شود. با واکنش هیدراتاسیون مداوم، ذرات HA بیشتر و بیشتر تولید می شوند و کریستال های HA تولید شده در حال رشد هستند. محصولات هیدراتاسیون به تدریج فضای آب شرکت کننده در واکنش را پر می کنند، به طوری که فضایی که قبلاً توسط آب اشغال شده بود توسط کریستال های HA به منافذ مویرگی نامنظم تقسیم می شود.

منافذ ژل افزایش یافته و اندازه منافذ به طور مداوم کاهش می یابد. کریستال های HA به صورت تکان خورده و پل زده می شوند و استحکام پیوند بین ذرات در حال افزایش است. ماده سیمان استخوان به یک ساختار متخلخل جامد با تعداد زیادی منافذ جامد می‌شود، بنابراین استحکام ماکرو پخت را نشان می‌دهد.

در عمل بالینی، شکستگی‌های ترکیدگی مهره‌ای دارای مکانیسم آسیب خاصی است و معمولاً در جوانانی که توانایی بازسازی استخوان قوی‌تری دارند، رخ می‌دهد. سیمان استخوان فسفات کلسیم می تواند به طور موثر برای درمان چنین شکستگی هایی استفاده شود. در همین حال، سیمان استخوان فسفات کلسیم نیز جایگزین استخوانی موثری برای جراحی برداشتن تومور خوش خیم استخوان است. با این حال، به دلیل زمان انجماد طولانی و انتشار حرارت نسبتا کم در طول فرآیند انجماد، سیمان استخوان فسفات کلسیم چسبندگی و استحکام نسبتاً ضعیفی دارد و مستعد تجزیه از استخوان است. بنابراین، تحقیقات روی سیمان استخوان فسفات کلسیم هنوز ادامه دارد.

سولفات کلسیم ساده ترین ماده جایگزین برای ترمیم استخوان است و بیش از 100 سال است که در مواد ترمیم استخوان استفاده می شود، با طولانی ترین سابقه کاربرد بالینی. سولفات کلسیم دارای تحمل انسان، تجزیه پذیری زیستی و خواص هدایت استخوانی خوبی است که آن را به یک ماده جایگزین مهم برای پیوند استخوان اتولوگ در تحقیقات اولیه تبدیل کرده است. جریان اصلی فاز جامد سیمان استخوانی سولفات کلسیم پودر سولفات کلسیم بی آب و فاز مایع فیزیولوژیکی نمک و سایر محلول های آبی است. هنگامی که فاز جامد و مایع مخلوط می شوند، سولفات کلسیم تحت یک واکنش هیدراتاسیون قرار می گیرد و سبیل های سولفات کلسیم دی هیدرات سوزنی شکلی تولید می کند که با یکدیگر پل می شوند و روی هم چیده می شوند، بنابراین به شکل توده ای با شکل و استحکام خاصی جامد می شوند. با این حال، به دلیل فعالیت بیولوژیکی ضعیف، سیمان استخوانی سولفات کلسیم نمی تواند پیوندهای شیمیایی بین گرافت های سولفات کلسیم و بافت استخوان ایجاد کند و به سرعت تجزیه می شود. سیمان استخوان سولفات کلسیم را می توان در عرض شش هفته پس از کاشت به طور کامل جذب کرد و این تخریب سریع با روند تشکیل استخوان مطابقت ندارد. بنابراین، در مقایسه با سیمان استخوانی فسفات کلسیم، توسعه و کاربرد بالینی سیمان استخوانی سولفات کلسیم نسبتاً محدود است.

علاوه بر این، بسیاری از مطالعات نشان داده‌اند که مولکول‌های آلی کوچک، پلیمرهای زیست تخریب‌پذیر، پروتئین‌ها، پلی‌ساکاریدها، مولکول‌های معدنی، بیوسرامیک‌ها و شیشه‌های زیستی می‌توانند به طور موثری عملکرد سیمان استخوان را بهبود بخشند و ایده‌های نوآورانه‌ای را برای انواع جدیدی از سیمان استخوان ارائه کنند.
به طور خلاصه، سیمان استخوان می تواند نقش مهمی در دندانپزشکی بالینی و ارتوپدی ایفا کند و انتظار می رود که به یک حامل دارو و ماده جایگزین استخوان ایده آل برای سیستم اسکلتی تبدیل شود.

با نوآوری و توسعه مداوم علم، فناوری و مواد، اعتقاد بر این است که مواد سیمان استخوانی باکیفیت بیشتری مانند انواع با استحکام بالا، تزریقی، مقاوم در برابر آب و گیرش سریع در آینده توسعه خواهند یافت. استفاده از سیمان استخوان در عمل بالینی به طور فزاینده ای گسترده خواهد شد و ارزش آن نیز افزایش خواهد یافت.