Cements, ko var izmantot cilvēka organismā – kaulu cements

Kaulu cements ir plaši lietots kaulu cementa nosaukums un ir medicīnisks materiāls, ko izmanto ortopēdijā. Tā izskata un fizikālo īpašību dēļ, kas pēc sacietēšanas atgādina celtniecībā un apdarē izmantoto balto cementu, tam ir tik populārs nosaukums. 70. gados kaulu cementu jau izmantoja locītavu protēžu fiksēšanai, to var izmantot arī kā audu plombēšanas un remonta materiālu ortopēdijā un zobārstniecībā.

Kaulu cementa lielākā priekšrocība ir tā ātra sacietēšana, kas ļauj veikt agrīnas pēcoperācijas rehabilitācijas aktivitātes. Protams, kaulu cementam ir arī daži trūkumi, piemēram, ik pa laikam paaugstināts spiediens kaulu smadzeņu dobumā pildīšanas laikā, kas var izraisīt tauku pilienu iekļūšanu asinsvados un izraisīt emboliju. Turklāt tas atšķiras no cilvēka kauliem, un laika gaitā mākslīgās locītavas joprojām var kļūt vaļīgas. Tāpēc pētījumi par kaulu cementa biomateriāliem vienmēr ir bijuši pētnieku aktuāls jautājums.

Šobrīd visplašāk izmantotie un pētītie kaulu cementi ir polimetilmetakrilāta (PMMA) kaulu cements, kalcija fosfāta kaulu cements un kalcija sulfāta kaulu cements.
PMMA kaulu cements ir akrila polimērs, kas izveidots, sajaucot šķidru metilmetakrilāta monomēru un dinamisku metilmetakrilāta stirola kopolimēru, ar zemu monomēra atlikumu, zemu noguruma pretestību un spriedzes plaisāšanas izturību, kā arī augstu stiepes izturību un plastiskumu. PMMA kaulu cements ir plaši izmantots medicīniskās plastiskās ķirurģijas jomā, un tas tika izmantots zobārstniecībā, galvaskausā un citās kaulu remonta jomās jau 1940. gados. Akrilāta kaulu cements ir izmantots cilvēka audu ķirurģijā un ir pielietots simtiem tūkstošu klīnisku gadījumu gan vietējā, gan starptautiskā mērogā.

PMMA kaulu cementa cietā fāze parasti ir daļēji polimerizēts prepolimērs PMMA, un šķidrā fāze ir MMA monomērs, kam pievienoti daži polimerizācijas iniciatori un stabilizatori. Ja cietās fāzes prepolimēru PMMA sajauc ar šķidrās fāzes MMA monomēru, nekavējoties notiek polimēra kopolimerizācijas reakcija, lai panāktu kaulu cementa sacietēšanu. Taču šajā sacietēšanas procesā izdalās liels daudzums siltuma, kas var izraisīt apkārtējo audu termiskus bojājumus, izraisot iekaisumu un pat audu nekrozi. Tāpēc steidzami ir nepieciešams vairāk pētījumu, lai uzlabotu polimetilmetakrilāta kaulu cementa kvalitāti un samazinātu vai novērstu PMMA kaulu cementa blakusparādības.

Kalcija fosfāts tiek izmantots kaulu atjaunošanā, jo tas ir lieliski biosaderīgs un spēj atjaunot kaulus. Klīniski to bieži izmanto kā injicējamu materiālu, lai aizpildītu kaulu spraugas un uzlabotu aparatūras fiksāciju lūzumu ķirurģijā. Kalcija fosfāta kaulu cementa sastāvs ir līdzīgs cilvēka kaulu minerālvielām, kuras var atkārtoti uzsūkties un veicināt dabisko kaulu augšanu un pārveidošanu. Kalcija fosfāta kaulu cementa sacietēšanas mehānisms ir šķīdināšanas hidratācijas nokrišņu reakcija. Kontrolējot reakcijas procesa pH vērtību, hidroksilapatīts (HA) var izgulsnēties pH diapazonā no 4,2 līdz 11. Sākotnējā posmā HA veidošanos galvenokārt kontrolē virsmas reakcijas, un HA, kas rodas starp daļiņām un uz daļiņu virsmas, nostiprina savienojumus starp daļiņām. Jo lielāks ir HA kristālu saturs, jo vairāk ir saskares punktu, un attiecīgi palielinās arī spiedes izturība. Vēlākā hidratācijas reakcijas stadijā daļiņu virsma tiek pārklāta ar HA slāni, un kalcija fosfāta kaula cementa hidratācijas reakcija kļūst par difūziju, ko kontrolē hidratācijas reakcija. Ar nepārtrauktu hidratācijas reakciju rodas arvien vairāk HA daļiņu, un radītie HA kristāli aug. Hidratācijas produkti pakāpeniski aizpilda reakcijā iesaistītā ūdens telpu, līdz ar to iepriekš ūdens aizņemto telpu HA kristāli sadala neregulārās kapilārās porās.

Gēla poras ir palielinātas, un poru izmērs tiek pastāvīgi samazināts. HA kristāli ir sadalīti un savienoti, un savienojuma stiprums starp daļiņām palielinās. Kaulu cementa materiāls ir sacietējis cietā porainā struktūrā ar lielu poru skaitu, tādējādi parādot makro cietēšanas spēku.

Klīniskajā praksē traumatiskiem skriemeļu lūzumiem ir īpašs ievainojumu mehānisms, un tie parasti rodas jauniem cilvēkiem, kuriem ir spēcīgākas kaulu atjaunošanas spējas. Kalcija fosfāta kaulu cementu var efektīvi izmantot šādu lūzumu ārstēšanai. Tikmēr kalcija fosfāta kaulu cements ir arī efektīvs kaulu aizstājējs labdabīga kaulu audzēja rezekcijas operācijām. Tomēr, ņemot vērā ilgo sacietēšanas laiku un salīdzinoši zemo siltuma izdalīšanos sacietēšanas procesā, kalcija fosfāta kaulu cementam ir salīdzinoši slikta adhēzija un izturība, un tas ir pakļauts sadalīšanai no kaula. Tāpēc kalcija fosfāta kaulu cementa pētījumi joprojām turpinās.

Kalcija sulfāts ir vienkāršākais alternatīvais materiāls kaulu atjaunošanai, un tas ir izmantots kaulu remonta materiālos vairāk nekā 100 gadus, un tam ir visilgākā klīniskā pielietojuma vēsture. Kalcija sulfātam ir laba cilvēka tolerance, bionoārdīšanās un kaulu vadītspējas īpašības, padarot to par svarīgu alternatīvu materiālu autologai kaulu transplantācijai agrīnā pētniecībā. Kalcija sulfāta kaulu cementa cietās fāzes galvenā plūsma ir bezūdens kalcija sulfāta pulveris, un šķidrā fāze ir fizioloģisks sāls šķīdums un citi ūdens šķīdumi. Kad cietā un šķidrā fāze tiek sajaukta, kalcija sulfāts tiek pakļauts hidratācijas reakcijai, radot adatas formas kalcija sulfāta dihidrāta ūsas, kas savienojas un sakrājas viena ar otru, tādējādi sacietējot kaudzē ar noteiktu formu un stiprumu. Tomēr sliktas bioloģiskās aktivitātes dēļ kalcija sulfāta kaulu cements nevar veidot ķīmiskas saites starp kalcija sulfāta transplantātiem un kaulaudiem, un tas ātri sadalīsies. Kalcija sulfāta kaulu cements var pilnībā uzsūkties sešu nedēļu laikā pēc implantācijas, un šī straujā degradācija neatbilst kaulu veidošanās procesam. Tāpēc, salīdzinot ar kalcija fosfāta kaulu cementu, kalcija sulfāta kaulu cementa izstrāde un klīniskais pielietojums ir salīdzinoši ierobežots.

Turklāt daudzi pētījumi ir parādījuši, ka mazas organiskās molekulas, bioloģiski noārdāmi polimēri, proteīni, polisaharīdi, neorganiskās molekulas, biokeramika un biostikls var efektīvi uzlabot kaulu cementa veiktspēju, sniedzot novatoriskas idejas jauniem kaulu cementa veidiem.
Rezumējot, kaulu cementam var būt nozīmīga loma klīniskajā zobārstniecībā un ortopēdijā, un ir sagaidāms, ka tas kļūs par ideālu zāļu nesēju un kaulu aizvietotāju skeleta sistēmai.

Pastāvīgi attīstoties zinātnes, tehnoloģiju un materiālu inovācijām un attīstībai, tiek uzskatīts, ka nākotnē tiks izstrādāti vairāk augstas kvalitātes kaulu cementa materiālu, piemēram, augstas stiprības, injicējami, ūdens izturīgi un ātri sacietējoši veidi. Kaulu cementa pielietojums klīniskajā praksē kļūs arvien plašāks, un pieaugs arī tā vērtība.