Cemento che può essere utilizzato nel corpo umano: cemento osseo

Cemento osseo è un nome comunemente usato per il cemento osseo ed è un materiale medico utilizzato in ortopedia. A causa del suo aspetto e delle proprietà fisiche che ricordano il cemento bianco utilizzato nella costruzione e nella decorazione dopo la solidificazione, ha un nome così popolare. Negli anni ’70 il cemento osseo veniva già utilizzato per il fissaggio delle protesi articolari e può essere utilizzato anche come materiale per il riempimento e la riparazione dei tessuti in ortopedia e odontoiatria.

Il più grande vantaggio del cemento osseo è la sua rapida solidificazione, che consente attività di riabilitazione postoperatoria precoce. Naturalmente, il cemento osseo presenta anche alcuni inconvenienti, come l’alta pressione occasionale nella cavità del midollo osseo durante il riempimento, che può causare l’ingresso di goccioline di grasso nei vasi sanguigni e causare embolia. Inoltre, è diversa dalle ossa umane e, nel tempo, le articolazioni artificiali possono ancora allentarsi. Pertanto, la ricerca sui biomateriali del cemento osseo è sempre stata un argomento di grande interesse per i ricercatori.

Attualmente, i cementi ossei più utilizzati e ricercati sono il cemento osseo al polimetilmetacrilato (PMMA), il cemento osseo al fosfato di calcio e il cemento osseo al solfato di calcio.
Il cemento osseo PMMA è un polimero acrilico formato miscelando monomero di metil metacrilato liquido e copolimero dinamico di metil metacrilato stirene, con basso residuo di monomero, bassa resistenza alla fatica e resistenza allo stress cracking, nonché elevata resistenza alla trazione e plasticità. Il cemento osseo PMMA è stato ampiamente utilizzato nel campo della chirurgia plastica medica ed è stato applicato in odontoiatria, cranio e altri campi di riparazione ossea già negli anni '40. Il cemento osseo acrilato è stato utilizzato nella chirurgia dei tessuti umani ed è stato applicato in centinaia di migliaia di casi clinici sia a livello nazionale che internazionale.

La fase solida del cemento osseo PMMA è generalmente un prepolimero PMMA parzialmente polimerizzato, mentre la fase liquida è un monomero MMA, con l'aggiunta di alcuni iniziatori e stabilizzanti della polimerizzazione. Quando il prepolimero PMMA in fase solida viene miscelato con il monomero MMA in fase liquida, si verifica immediatamente una reazione di copolimerizzazione del polimero per ottenere la solidificazione del cemento osseo. Tuttavia, durante questo processo di solidificazione, viene rilasciata una grande quantità di calore, che può causare danni termici ai tessuti circostanti, portando a infiammazioni e persino a necrosi dei tessuti. Pertanto, sono urgentemente necessarie ulteriori ricerche per migliorare la qualità del cemento osseo polimetilmetacrilato e ridurre o eliminare gli effetti collaterali del cemento osseo PMMA.

Il fosfato di calcio viene applicato nella riparazione ossea grazie alla sua eccellente biocompatibilità e capacità di rigenerazione ossea. Clinicamente, viene spesso utilizzato come materiale iniettabile per riempire gli spazi ossei e migliorare la fissazione dell'hardware nella chirurgia delle fratture. La composizione del cemento osseo al fosfato di calcio è simile ai minerali delle ossa umane, che possono essere riassorbiti e promuovere la crescita verso l'interno e il rimodellamento delle ossa naturali. Il meccanismo di solidificazione del cemento osseo al fosfato di calcio è una reazione di precipitazione, idratazione, dissoluzione. Controllando il valore del pH del processo di reazione, l'idrossiapatite (HA) può precipitare nell'intervallo di pH compreso tra 4,2 e 11. Nella fase iniziale, la generazione di HA è controllata principalmente da reazioni superficiali e l'HA generato tra le particelle e sulla superficie delle particelle rafforza le connessioni tra le particelle. Maggiore è il contenuto di cristalli di HA, maggiori sono i punti di contatto e aumenta di conseguenza anche la resistenza alla compressione. Nella fase successiva della reazione di idratazione, la superficie delle particelle viene rivestita con uno strato di HA e la reazione di idratazione del cemento osseo al fosfato di calcio diventa controllata dalla diffusione attraverso la reazione di idratazione. Con la reazione di idratazione continua, vengono generate sempre più particelle di HA e i cristalli di HA generati crescono. I prodotti di idratazione riempiono gradualmente lo spazio dell'acqua che partecipa alla reazione, in modo che lo spazio precedentemente occupato dall'acqua venga diviso in pori capillari irregolari dai cristalli di HA.

I pori del gel sono aumentati e la dimensione dei pori viene costantemente ridotta. I cristalli di HA sono sfalsati e collegati a ponte e la forza di legame tra le particelle aumenta. Il materiale del cemento osseo si solidifica in una struttura solida porosa con un gran numero di pori, mostrando così una forza di macroindurimento.

Nella pratica clinica, le fratture vertebrali traumatiche da scoppio hanno un meccanismo di lesione speciale e di solito si verificano nei giovani che hanno una maggiore capacità di ricostruzione ossea. Il cemento osseo al fosfato di calcio può essere utilizzato efficacemente per trattare tali fratture. Nel frattempo, il cemento osseo al fosfato di calcio è anche un efficace sostituto osseo per l’intervento chirurgico di resezione del tumore osseo benigno. Tuttavia, a causa del lungo tempo di solidificazione e del rilascio di calore relativamente basso durante il processo di solidificazione, il cemento osseo al fosfato di calcio ha un'adesione e una resistenza relativamente scarse ed è soggetto a disintegrazione dall'osso. Pertanto, la ricerca sul cemento osseo al fosfato di calcio è ancora in corso.

Il solfato di calcio è il materiale alternativo più semplice per la riparazione ossea ed è utilizzato nei materiali per la riparazione ossea da oltre 100 anni, con la più lunga storia di applicazioni cliniche. Il solfato di calcio ha buone proprietà di tolleranza umana, biodegradabilità e conduzione ossea, rendendolo un importante materiale alternativo per il trapianto di osso autologo nelle prime ricerche. La fase solida principale del cemento osseo al solfato di calcio è la polvere di solfato di calcio anidro, mentre la fase liquida è costituita da soluzioni saline fisiologiche e altre soluzioni acquose. Quando le fasi solida e liquida vengono miscelate, il solfato di calcio subisce una reazione di idratazione, generando baffi di solfato di calcio diidrato a forma di ago che si collegano e si impilano tra loro, solidificandosi così in una pila con una certa forma e forza. Tuttavia, a causa della scarsa attività biologica, il cemento osseo al solfato di calcio non può formare legami chimici tra gli innesti di solfato di calcio e il tessuto osseo e si degraderà rapidamente. Il cemento osseo al solfato di calcio può essere completamente assorbito entro sei settimane dall'impianto e questa rapida degradazione non corrisponde al processo di formazione dell'osso. Pertanto, rispetto al cemento osseo al fosfato di calcio, lo sviluppo e l’applicazione clinica del cemento osseo al solfato di calcio sono relativamente limitati.

Inoltre, molti studi hanno dimostrato che piccole molecole organiche, polimeri biodegradabili, proteine, polisaccaridi, molecole inorganiche, bioceramica e biovetro possono migliorare efficacemente le prestazioni del cemento osseo, fornendo idee innovative per nuovi tipi di cemento osseo.
In sintesi, il cemento osseo può svolgere un ruolo significativo nell’odontoiatria clinica e nell’ortopedia e si prevede che diventi un vettore farmacologico ideale e un materiale sostitutivo osseo per il sistema scheletrico.

Con la continua innovazione e sviluppo della scienza, della tecnologia e dei materiali, si ritiene che in futuro verranno sviluppati materiali per cemento osseo di alta qualità, come tipi ad alta resistenza, iniettabili, resistenti all'acqua e a presa rapida. L’applicazione del cemento osseo nella pratica clinica diventerà sempre più diffusa e anche il suo valore aumenterà.