Cement koji se može koristiti u ljudskom tijelu - koštani cement

Koštani cement je uobičajeni naziv za koštani cement i medicinski je materijal koji se koristi u ortopediji. Zbog svog izgleda i fizičkih svojstava koja podsjećaju na bijeli cement koji se koristi u građevinarstvu i dekoraciji nakon skrućivanja, dobio je tako popularan naziv. Sedamdesetih godina prošlog stoljeća koštani cement se već koristi za fiksaciju zglobnih proteza, a može se koristiti i kao materijal za punjenje i reparaciju tkiva u ortopediji i stomatologiji.

Najveća prednost koštanog cementa je njegovo brzo skrućivanje, što omogućuje rane postoperativne rehabilitacijske aktivnosti. Naravno, koštani cement ima i neke nedostatke, poput povremenog visokog tlaka u šupljini koštane srži tijekom punjenja, što može uzrokovati ulazak kapljica masti u krvne žile i uzrokovati emboliju. Štoviše, razlikuje se od ljudskih kostiju, a tijekom vremena umjetni zglobovi ipak mogu postati labavi. Stoga je istraživanje biomaterijala koštanog cementa uvijek bilo vruća tema za brigu istraživača.

Trenutno su najčešće korišteni i istraživani koštani cementi polimetil metakrilatni (PMMA) koštani cement, kalcijev fosfatni koštani cement i kalcijev sulfatni koštani cement.
PMMA koštani cement je akrilni polimer nastao miješanjem tekućeg monomera metil metakrilata i dinamičkog kopolimera metil metakrilata stirena, s malim ostatkom monomera, niskom otpornošću na zamor i otpornošću na pucanje, kao i visokom vlačnom čvrstoćom i plastičnošću. PMMA koštani cement naširoko se koristi u području medicinske plastične kirurgije, a primjenjivan je u stomatologiji, lubanji i drugim područjima popravka kostiju već 1940-ih. Akrilatni koštani cement korišten je u kirurgiji ljudskog tkiva i primijenjen je u stotinama tisuća kliničkih slučajeva u zemlji i inozemstvu.

Čvrsta faza PMMA koštanog cementa općenito je djelomično polimerizirani prepolimer PMMA, a tekuća faza je MMA monomer, uz neke dodane inicijatore polimerizacije i stabilizatore. Kada se pretpolimer krute faze PMMA pomiješa s monomerom MMA tekuće faze, odmah dolazi do reakcije kopolimerizacije polimera kako bi se postiglo skrućivanje koštanog cementa. Međutim, tijekom tog procesa skrućivanja oslobađa se velika količina topline koja može uzrokovati toplinsko oštećenje okolnih tkiva, što dovodi do upale, pa čak i nekroze tkiva. Stoga su hitno potrebna dodatna istraživanja kako bi se poboljšala kvaliteta polimetil metakrilatnog koštanog cementa i smanjile ili uklonile nuspojave PMMA koštanog cementa.

Kalcijev fosfat se primjenjuje u obnovi kostiju zbog svoje izvrsne biokompatibilnosti i sposobnosti regeneracije kosti. Klinički, često se koristi kao injekcijski materijal za popunjavanje koštanih praznina i poboljšanje hardverske fiksacije u kirurgiji prijeloma. Sastav kalcijevog fosfatnog koštanog cementa sličan je mineralima ljudskih kostiju, koji se mogu ponovno apsorbirati i pospješiti rast i remodeliranje prirodnih kostiju prema unutra. Mehanizam skrućivanja kalcijevog fosfatnog koštanog cementa je reakcija otapanja, hidratacije i taloženja. Kontrolom pH vrijednosti reakcijskog procesa, hidroksiapatit (HA) se može istaložiti unutar pH raspona od 4,2-11. U početnoj fazi, stvaranje HA je uglavnom kontrolirano površinskim reakcijama, a HA stvorena između čestica i na površini čestica jača veze između čestica. Što je veći sadržaj kristala HA, to je više kontaktnih točaka, a time se povećava i tlačna čvrstoća. U kasnijoj fazi reakcije hidratacije, površina čestice je obložena slojem HA, a reakcija hidratacije kalcijevog fosfatnog koštanog cementa postaje kontrolirana difuzijom putem reakcije hidratacije. Uz kontinuiranu reakciju hidratacije, stvara se sve više čestica HA, a generirani kristali HA rastu. Produkti hidratacije postupno ispunjavaju prostor vode koja sudjeluje u reakciji, tako da je prostor koji je prethodno zauzimala voda kristalima HA podijeljen na nepravilne kapilarne pore.

Pore ​​gela su povećane, a veličina pora se stalno smanjuje. Kristali HA su raspoređeni i premošteni, a snaga vezivanja između čestica se povećava. Materijal koštanog cementa skrućen je u čvrstu poroznu strukturu s velikim brojem pora, čime se pokazuje makro čvrstoća stvrdnjavanja.

U kliničkoj praksi traumatski prsnuti prijelomi kralježaka imaju poseban mehanizam ozljede i obično se javljaju kod mladih ljudi koji imaju jaču sposobnost rekonstrukcije kosti. Kalcijev fosfatni koštani cement može se učinkovito koristiti za liječenje takvih prijeloma. U međuvremenu, koštani cement s kalcijevim fosfatom također je učinkovita zamjena za kosti za operaciju resekcije benignog tumora kosti. Međutim, zbog dugog vremena skrućivanja i relativno niskog otpuštanja topline tijekom procesa skrućivanja, kalcijev fosfatni koštani cement ima relativno slabu adheziju i čvrstoću te je sklon raspadanju iz kosti. Stoga su istraživanja koštanog cementa s kalcijevim fosfatom još uvijek u tijeku.

Kalcijev sulfat je najjednostavniji alternativni materijal za popravak kostiju i koristi se u materijalima za popravak kostiju više od 100 godina, s najdužom poviješću kliničke primjene. Kalcijev sulfat ima dobru ljudsku toleranciju, biorazgradljivost i svojstva koštane vodljivosti, što ga čini važnim alternativnim materijalom za autolognu transplantaciju kostiju u ranim istraživanjima. Kruta faza glavnog toka kalcijevog sulfatnog koštanog cementa je bezvodni kalcijev sulfat u prahu, a tekuća faza je fiziološka otopina i druge vodene otopine. Kada se čvrsta i tekuća faza pomiješaju, kalcijev sulfat prolazi kroz reakciju hidratacije, stvarajući igličaste dlake kalcij sulfat dihidrata koje se premošćuju i slažu jedna s drugom, skrućujući se tako u hrpu određenog oblika i snage. Međutim, zbog slabe biološke aktivnosti, koštani cement s kalcijevim sulfatom ne može stvoriti kemijske veze između transplantata s kalcijevim sulfatom i koštanog tkiva te će se brzo razgraditi. Koštani cement s kalcijevim sulfatom može se potpuno apsorbirati unutar šest tjedana nakon implantacije, a ova brza razgradnja ne odgovara procesu stvaranja kosti. Stoga, u usporedbi s koštanim cementom s kalcijevim fosfatom, razvoj i klinička primjena koštanog cementa s kalcijevim sulfatom relativno su ograničeni.

Osim toga, mnoge su studije pokazale da male organske molekule, biorazgradivi polimeri, proteini, polisaharidi, anorganske molekule, biokeramika i biostaklo mogu učinkovito poboljšati učinkovitost koštanog cementa, pružajući inovativne ideje za nove vrste koštanog cementa.
Ukratko, koštani cement može igrati značajnu ulogu u kliničkoj stomatologiji i ortopediji, a očekuje se da postane idealan nosač lijekova i koštani nadomjesni materijal za koštani sustav.

Uz stalne inovacije i razvoj znanosti, tehnologije i materijala, vjeruje se da će se u budućnosti razviti kvalitetniji materijali za koštani cement, kao što su visokočvrsti, injekcijski, vodootporni i brzostvrdnjavajući tipovi. Primjena koštanog cementa u kliničkoj praksi bit će sve raširenija, a njegova će vrijednost rasti.