人体の中で使えるセメント「骨セメント」

骨セメントとは骨セメントの通称で、整形外科などで使用される医療材料です。 固まった後の外観や物性が建築や装飾に使用される白セメントに似ていることから、このように呼ばれています。 1970 年代には、骨セメントはすでに人工関節の固定に使用されており、整形外科や歯科でも組織の充填および修復材料として使用できます。

骨セメントの最大の利点は、すぐに固まるため、術後の早期リハビリテーション活動が可能になることです。 もちろん、骨セメントには、充填中に骨髄腔内に時折高圧が発生し、脂肪滴が血管に入り塞栓症を引き起こす可能性があるなど、いくつかの欠点もあります。 また、人間の骨とは異なりますので、時間が経つと人工関節が緩んでしまうことがあります。 したがって、骨セメント生体材料に関する研究は、研究者にとって常に関心のある話題です。

現在、最も広く使用され研究されている骨セメントは、ポリメチルメタクリレート (PMMA) 骨セメント、リン酸カルシウム骨セメント、および硫酸カルシウム骨セメントです。
PMMA 骨セメントは、液体メタクリル酸メチル モノマーと動的メタクリル酸メチル スチレン コポリマーを混合して形成されるアクリル ポリマーで、モノマー残留物が少なく、耐疲労性と応力亀裂性が低く、高い引張強度と可塑性を備えています。 PMMA 骨セメントは医療形成外科の分野で広く使用されており、1940 年代には歯科、頭蓋骨、その他の骨修復分野にも応用されてきました。 アクリル酸骨セメントは人体組織の手術に使用されており、国内外で数十万の臨床例に適用されています。

PMMA骨セメントの固相は一般に部分的に重合したプレポリマーPMMAであり、液相はいくつかの重合開始剤と安定剤が添加されたMMAモノマーです。 固相プレポリマーPMMAを液相MMAモノマーと混合すると、ポリマー共重合反応が直ちに起こり、骨セメントが固化します。 しかし、この凝固プロセス中に大量の熱が放出され、周囲の組織に熱損傷を引き起こし、炎症や組織の壊死を引き起こす可能性があります。 したがって、ポリメチルメタクリレート骨セメントの品質を改善し、PMMA 骨セメントの副作用を軽減または排除するには、さらなる研究が緊急に必要です。

リン酸カルシウムは、その優れた生体適合性と骨再生能力により、骨修復に応用されています。 臨床的には、骨折手術において骨の隙間を埋め、ハードウェアの固定を改善するための注入材料としてよく使用されます。 リン酸カルシウム骨セメントの組成は人骨のミネラルに似ており、再吸収され、自然な骨の内側への成長と再構築を促進します。 リン酸カルシウム骨セメントの凝固機構は溶解水和沈殿反応です。 反応プロセスの pH 値を制御することにより、ハイドロキシアパタイト (HA) は pH 4.2 ～ 11 の範囲内で沈殿します。 初期段階では、HAの生成は主に表面反応によって制御されており、粒子間や粒子表面に生成されたHAは粒子間の結合を強化します。 HA結晶の含有量が多いほど接触点が多くなり、それに応じて圧縮強度も増加します。 水和反応の後期では粒子表面がHAの層で覆われ、リン酸カルシウム骨セメントの水和反応は水和反応を介して拡散制御されるようになる。 水和反応が継続することで、HA粒子がどんどん生成され、生成されたHA結晶が成長していきます。 水和生成物は、反応に関与する水の空間を徐々に満たし、その結果、それまで水によって占められていた空間は、HA 結晶によって不規則な毛細管細孔に分割されます。

ゲルの細孔は増加し、細孔サイズは常に減少します。 HAの結晶が千鳥状に架橋されており、粒子間の結合強度が高まっています。 骨セメント材料は、多数の細孔を有する固体の多孔質構造に固化するため、マクロな硬化強度を示します。

臨床現場では、外傷性椎骨破裂骨折は特殊な損傷メカニズムを持ち、通常は骨の再建能力が高い若年者に発生します。 リン酸カルシウム骨セメントは、このような骨折の治療に効果的に使用できます。 一方、リン酸カルシウム骨セメントは、良性骨腫瘍切除手術に有効な骨代替品でもあります。 しかし、凝固時間が長く、凝固プロセス中の熱放出が比較的低いため、リン酸カルシウム骨セメントは接着力と強度が比較的低く、骨から崩壊しやすいです。 したがって、リン酸カルシウム骨セメントの研究はまだ継続中です。

硫酸カルシウムは、骨修復のための最も単純な代替材料であり、100 年以上にわたって骨修復材料として使用されており、臨床応用の歴史は最も長いです。 硫酸カルシウムは、人間の耐性、生分解性、骨伝導特性に優れているため、初期の研究では自家骨移植の重要な代替材料となっています。 硫酸カルシウム骨セメントの固相の主流は無水硫酸カルシウム粉末であり、液相は生理食塩水などの水溶液である。 固相と液相を混合すると、硫酸カルシウムが水和反応を起こし、針状の硫酸カルシウム二水和物ウィスカーが生成し、互いに架橋・積み重なり、一定の形状と強度を持ったパイル状に固化します。 しかし、生物活性が低いため、硫酸カルシウム骨セメントは硫酸カルシウム移植片と骨組織の間に化学結合を形成できず、急速に分解します。 硫酸カルシウム骨セメントは移植後 6 週間以内に完全に吸収されますが、この急速な分解は骨形成のプロセスとは一致しません。 したがって、リン酸カルシウム骨セメントと比較して、硫酸カルシウム骨セメントの開発と臨床応用は比較的限られています。

さらに、多くの研究では、有機小分子、生分解性ポリマー、タンパク質、多糖類、無機分子、バイオセラミックス、バイオガラスが骨セメントの性能を効果的に改善できることが示されており、新しいタイプの骨セメントに革新的なアイデアを提供しています。
要約すると、骨セメントは臨床歯科および整形外科において重要な役割を果たすことができ、骨格系の理想的な薬物担体および骨代替材料となることが期待されています。

科学、技術、材料の継続的な革新と発展により、将来的には高強度、注入可能、耐水性、急速硬化タイプなど、より高品質な骨セメント材料が開発されると考えられています。 臨床現場での骨セメントの応用はますます普及し、その価値も高まるでしょう。