Sement som kan brukes i menneskekroppen - beinsement

Bensement er et ofte brukt navn for beinsement og er et medisinsk materiale som brukes i ortopedi. På grunn av sitt utseende og fysiske egenskaper som ligner hvit sement brukt i konstruksjon og dekorasjon etter størkning, har den et så populært navn. På 1970-tallet ble beinsement allerede brukt til leddprotesefiksering, og den kan også brukes som vevsfyllings- og reparasjonsmateriale innen ortopedi og odontologi.

Den største fordelen med beinsement er dens raske størkning, noe som muliggjør tidlig postoperativ rehabiliteringsaktiviteter. Bensement har selvfølgelig også noen ulemper, som sporadisk høyt trykk i benmargshulen under fylling, noe som kan føre til at fettdråper kommer inn i blodårene og forårsaker emboli. Dessuten er det forskjellig fra menneskelige bein, og over tid kan kunstige ledd fortsatt bli løse. Derfor har forskning på beinsementbiomaterialer alltid vært et hett tema for forskere.

For tiden er de mest brukte og undersøkte beinsementene polymetylmetakrylat (PMMA) beinsement, kalsiumfosfatbensement og kalsiumsulfatbensement.
PMMA beinsement er en akrylpolymer dannet ved å blande flytende metylmetakrylatmonomer og dynamisk metylmetakrylatstyrenkopolymer, med lav monomerrester, lav utmattelsesbestandighet og motstand mot spenningssprekker, samt høy strekkfasthet og plastisitet. PMMA beinsement har blitt mye brukt innen medisinsk plastisk kirurgi, og har blitt brukt i tannbehandling, hodeskalle og andre beinreparasjonsfelt så tidlig som på 1940-tallet. Akrylbeinsement har blitt brukt i human vevskirurgi og har blitt brukt i hundretusenvis av kliniske tilfeller både innenlands og internasjonalt.

Den faste fasen av PMMA-bensement er vanligvis delvis polymerisert prepolymer PMMA, og væskefasen er MMA-monomer, med noen polymerisasjonsinitiatorer og stabilisatorer tilsatt. Når fastfase-prepolymeren PMMA blandes med væskefase-MMA-monomeren, oppstår en polymerkopolymerisasjonsreaksjon umiddelbart for å oppnå størkning av beinsement. Men under denne størkningsprosessen frigjøres en stor mengde varme, noe som kan forårsake termisk skade på omkringliggende vev, noe som fører til betennelse og til og med vevsnekrose. Derfor er det påtrengende behov for mer forskning for å forbedre kvaliteten på polymetylmetakrylat-bensement og redusere eller eliminere bivirkningene av PMMA-bensement.

Kalsiumfosfat brukes i beinreparasjon på grunn av sin utmerkede biokompatibilitet og beinregenereringsevne. Klinisk brukes det ofte som et injiserbart materiale for å fylle beinhull og forbedre maskinvarefiksering ved frakturkirurgi. Sammensetningen av kalsiumfosfat-bensement ligner på mineralene i menneskelige bein, som kan reabsorberes og fremmer den indre veksten og ombyggingen av naturlige bein. Størkningsmekanismen til kalsiumfosfatbensement er en utfellingsreaksjon for oppløsningshydrering. Ved å kontrollere pH-verdien til reaksjonsprosessen kan hydroksyapatitt (HA) utfelles innenfor pH-området 4,2-11. I det innledende stadiet styres genereringen av HA hovedsakelig av overflatereaksjoner, og HA generert mellom partikler og på overflaten av partikler styrker forbindelsene mellom partikler. Jo høyere innhold av HA-krystaller, jo flere kontaktpunkter er det, og trykkstyrken øker også tilsvarende. I det senere stadiet av hydratiseringsreaksjonen blir partikkeloverflaten belagt med et lag HA, og hydratiseringsreaksjonen av kalsiumfosfatbensement blir diffusjonskontrollert gjennom hydratiseringsreaksjonen. Med den kontinuerlige hydreringsreaksjonen genereres flere og flere HA-partikler, og de genererte HA-krystallene vokser. Hydreringsprodukter fyller gradvis rommet med vann som deltar i reaksjonen, slik at plassen som tidligere var okkupert av vann deles inn i uregelmessige kapillære porer av HA-krystallene.

Gelporene økes, og porestørrelsen reduseres hele tiden. HA-krystallene er forskjøvet og brokoblet, og bindingsstyrken mellom partiklene øker. Bensementmaterialet er størknet til en solid porøs struktur med et stort antall porer, og viser dermed en makroherdestyrke.

I klinisk praksis har traumatiske vertebrale burstfrakturer en spesiell skademekanisme og forekommer vanligvis hos unge mennesker som har sterkere beinrekonstruksjonsevne. Kalsiumfosfat-bensement kan effektivt brukes til å behandle slike brudd. I mellomtiden er kalsiumfosfatbensement også en effektiv benerstatning for benign bensvulstreseksjonskirurgi. På grunn av den lange størkningstiden og den relativt lave varmeavgivelsen under størkningsprosessen, har kalsiumfosfatbensement relativt dårlig vedheft og styrke, og er utsatt for oppløsning fra benet. Derfor pågår fortsatt forskning på kalsiumfosfatbensement.

Kalsiumsulfat er det enkleste alternative materialet for beinreparasjon og har blitt brukt i beinreparasjonsmaterialer i over 100 år, med den lengste kliniske brukshistorien. Kalsiumsulfat har god menneskelig toleranse, biologisk nedbrytbarhet og benledningsegenskaper, noe som gjør det til et viktig alternativt materiale for autolog beintransplantasjon i tidlig forskning. Den faste fase-hovedstrømmen av kalsiumsulfat-bensement er vannfritt kalsiumsulfatpulver, og væskefasen er fysiologisk saltvann og andre vandige løsninger. Når de faste og flytende fasene blandes, gjennomgår kalsiumsulfat en hydratiseringsreaksjon, og genererer nåleformede kalsiumsulfatdihydrat værhår som bygger bro og stables med hverandre, og dermed størkner til en haug med en viss form og styrke. På grunn av dårlig biologisk aktivitet kan kalsiumsulfatbensement imidlertid ikke danne kjemiske bindinger mellom kalsiumsulfattransplantater og benvev, og vil brytes ned raskt. Kalsiumsulfat-bensement kan absorberes fullstendig innen seks uker etter implantasjon, og denne raske nedbrytningen samsvarer ikke med bendannelsesprosessen. Derfor, sammenlignet med kalsiumfosfatbensement, er utviklingen og den kliniske anvendelsen av kalsiumsulfatbensement relativt begrenset.

I tillegg har mange studier vist at små organiske molekyler, biologisk nedbrytbare polymerer, proteiner, polysakkarider, uorganiske molekyler, biokeramikk og bioglass effektivt kan forbedre ytelsen til beinsement, og gir innovative ideer for nye typer beinsement.
Oppsummert kan beinsement spille en betydelig rolle i klinisk odontologi og ortopedi, og forventes å bli en ideell medikamentbærer og benerstatningsmateriale for skjelettsystemet.

Med kontinuerlig innovasjon og utvikling av vitenskap, teknologi og materialer, antas det at flere høykvalitets beinsementmaterialer vil bli utviklet i fremtiden, for eksempel høystyrke, injiserbare, vannbestandige og hurtigherdende typer. Bruken av beinsement i klinisk praksis vil bli stadig mer utbredt, og verdien vil også øke.