Sementti, jota voidaan käyttää ihmiskehossa - luusementti

Luusementti on yleisesti käytetty nimi luusementille ja se on ortopediassa käytettävä lääketieteellinen materiaali. Sen ulkonäön ja fysikaalisten ominaisuuksiensa vuoksi, jotka muistuttavat valkosementtiä, jota käytetään rakentamisessa ja sisustamisessa jähmettymisen jälkeen, sillä on niin suosittu nimi. Luusementtiä käytettiin jo 1970-luvulla nivelproteesien kiinnittämiseen, ja sitä voidaan käyttää myös kudosten täyttö- ja korjausmateriaalina ortopediassa ja hammaslääketieteessä.

Luusementin suurin etu on sen nopea jähmettyminen, mikä mahdollistaa varhaisen postoperatiivisen kuntoutuksen. Tietysti luusementillä on myös joitain haittoja, kuten satunnainen korkea paine luuytimen ontelossa täytön aikana, mikä voi aiheuttaa rasvapisaroiden pääsyn verisuoniin ja aiheuttaa emboliaa. Lisäksi se eroaa ihmisen luista, ja ajan myötä tekonivelet voivat silti löystyä. Siksi luusementin biomateriaalien tutkimus on aina ollut tutkijoiden kuuma huolenaihe.

Tällä hetkellä laajimmin käytetyt ja tutkituimmat luusementit ovat polymetyylimetakrylaatti (PMMA) -luusementti, kalsiumfosfaattiluusementti ja kalsiumsulfaattiluusementti.
PMMA-luusementti on akryylipolymeeri, joka on muodostettu sekoittamalla nestemäistä metyylimetakrylaattimonomeeriä ja dynaamista metyylimetakrylaattistyreenikopolymeeriä, jolla on alhainen monomeerijäännös, alhainen väsymiskestävyys ja jännityshalkeilukestävyys sekä korkea vetolujuus ja plastisuus. PMMA-luusementtiä on käytetty laajalti lääketieteellisen plastiikkakirurgian alalla, ja sitä on käytetty hammaslääketieteessä, kallossa ja muilla luunkorjausaloilla jo 1940-luvulla. Akrylaattiluusementtiä on käytetty ihmisen kudoskirurgiassa ja sitä on sovellettu sadoissa tuhansissa kliinisissä tapauksissa sekä kotimaassa että kansainvälisesti.

PMMA-luusementin kiinteä faasi on yleensä osittain polymeroitua esipolymeeriä PMMA:ta ja nestefaasi on MMA-monomeeria, johon on lisätty joitain polymeroinnin initiaattoreita ja stabilointiaineita. Kun kiinteäfaasinen esipolymeeri PMMA sekoitetaan nestefaasin MMA-monomeerin kanssa, polymeerin kopolymerointireaktio tapahtuu välittömästi luusementin jähmettymisen saavuttamiseksi. Tämän jähmettymisprosessin aikana vapautuu kuitenkin suuri määrä lämpöä, joka voi aiheuttaa lämpövaurioita ympäröiville kudoksille, mikä johtaa tulehdukseen ja jopa kudosnekroosiin. Siksi tarvitaan kiireellisesti lisää tutkimusta polymetyylimetakrylaattiluusementin laadun parantamiseksi ja PMMA-luusementin sivuvaikutusten vähentämiseksi tai poistamiseksi.

Kalsiumfosfaattia käytetään luun korjauksessa sen erinomaisen bioyhteensopivuuden ja luun uudistumiskyvyn ansiosta. Kliinisesti sitä käytetään usein injektoitavana materiaalina luurakojen täyttämiseen ja laitteiston kiinnityksen parantamiseen murtumakirurgiassa. Kalsiumfosfaattiluusementin koostumus on samanlainen kuin ihmisen luiden mineraalit, jotka voivat imeytyä takaisin ja edistää luonnollisten luiden kasvua ja uusiutumista. Kalsiumfosfaattiluusementin jähmettymismekanismi on liukenemishydraatiosaostumisreaktio. Säätämällä reaktioprosessin pH-arvoa hydroksiapatiitti (HA) voi saostua pH-alueella 4,2-11. Alkuvaiheessa HA:n muodostumista ohjataan pääasiassa pintareaktioilla, ja hiukkasten väliin ja hiukkasten pinnalle muodostuva HA vahvistaa hiukkasten välisiä yhteyksiä. Mitä suurempi HA-kiteiden pitoisuus, sitä enemmän kosketuspisteitä on, ja myös puristuslujuus kasvaa vastaavasti. Hydrataatioreaktion myöhemmässä vaiheessa hiukkasten pinta päällystetään HA-kerroksella ja kalsiumfosfaattiluusementin hydraatioreaktiosta tulee diffuusioohjattu hydraatioreaktion kautta. Jatkuvassa hydraatioreaktiossa syntyy yhä enemmän HA-hiukkasia, ja syntyneet HA-kiteet kasvavat. Nesteytystuotteet täyttävät vähitellen reaktioon osallistuvan veden tilan, jolloin HA-kiteet jakavat tilan, jossa vesi on aiemmin ollut, epäsäännöllisiksi kapillaarihuokosiksi.

Geelihuokoset lisääntyvät ja huokosten koko pienenee jatkuvasti. HA-kiteet porrastetaan ja silloitetaan, ja hiukkasten välinen sidoslujuus kasvaa. Luusementtimateriaali jähmettyy kiinteäksi huokoiseksi rakenteeksi, jossa on suuri määrä huokosia, mikä osoittaa makrokovettuvan lujuuden.

Kliinisessä käytännössä traumaattisilla nikamamurtumilla on erityinen vammamekanismi ja niitä esiintyy yleensä nuorilla ihmisillä, joilla on vahvempi luun jälleenrakennuskyky. Kalsiumfosfaattiluusementtiä voidaan käyttää tehokkaasti tällaisten murtumien hoitoon. Kalsiumfosfaattiluusementti on myös tehokas luun korvike hyvänlaatuisen luukasvaimen resektioleikkauksessa. Kuitenkin johtuen pitkästä jähmettymisajasta ja suhteellisen alhaisesta lämmön vapautumisesta jähmettymisprosessin aikana, kalsiumfosfaattiluusementillä on suhteellisen huono adheesio ja lujuus, ja se on altis hajoamaan luusta. Siksi kalsiumfosfaattiluusementin tutkimus on edelleen käynnissä.

Kalsiumsulfaatti on yksinkertaisin vaihtoehtoinen materiaali luun korjaukseen, ja sitä on käytetty luun korjausmateriaaleissa yli 100 vuoden ajan, ja sillä on pisin kliininen käyttöhistoria. Kalsiumsulfaatilla on hyvä ihmisen sietokyky, biohajoavuus ja luun johtavuusominaisuudet, joten se on tärkeä vaihtoehtoinen materiaali autologiseen luunsiirtoon varhaisessa tutkimuksessa. Kalsiumsulfaattiluusementin kiinteän faasin päävirta on vedetöntä kalsiumsulfaattijauhetta ja nestefaasi on fysiologista suolaliuosta ja muita vesiliuoksia. Kun kiinteä ja nestefaasi sekoitetaan, kalsiumsulfaatti käy läpi hydraatioreaktion, jolloin syntyy neulan muotoisia kalsiumsulfaattidihydraattiviiksiä, jotka muodostavat siltoja ja pinoutuvat toisiinsa ja jähmettyvät siten tietyn muotoiseksi ja vahvuudeksi kasaksi. Huonosta biologisesta aktiivisuudesta johtuen kalsiumsulfaattiluusementti ei kuitenkaan voi muodostaa kemiallisia sidoksia kalsiumsulfaattisiirteiden ja luukudoksen välille, ja se hajoaa nopeasti. Kalsiumsulfaattiluusementti voi imeytyä täysin kuuden viikon kuluessa implantoinnista, eikä tämä nopea hajoaminen vastaa luun muodostumisprosessia. Siksi kalsiumfosfaattiluusementtiin verrattuna kalsiumsulfaattiluusementin kehitys ja kliininen käyttö on suhteellisen rajallista.

Lisäksi monet tutkimukset ovat osoittaneet, että pienet orgaaniset molekyylit, biohajoavat polymeerit, proteiinit, polysakkaridit, epäorgaaniset molekyylit, biokeramiikka ja biolasi voivat tehokkaasti parantaa luusementin suorituskykyä tarjoten innovatiivisia ideoita uudentyyppisille luusementille.
Yhteenvetona voidaan todeta, että luusementillä voi olla merkittävä rooli kliinisessä hammaslääketieteessä ja ortopediassa, ja siitä odotetaan muodostuvan ihanteellinen lääkkeen kantaja- ja luunkorvikemateriaali luustolle.

Tieteen, teknologian ja materiaalien jatkuvan innovaation ja kehityksen myötä uskotaan, että tulevaisuudessa kehitetään enemmän korkealaatuisia luusementtimateriaaleja, kuten lujia, ruiskettavia, vedenkestäviä ja nopeasti kovettuvia tyyppejä. Luusementin käyttö kliinisessä käytännössä tulee yleistymään ja myös sen arvo kasvaa.