Cement použiteľný v ľudskom tele - kostný cement

Kostný cement je bežne používaný názov pre kostný cement a je to medicínsky materiál používaný v ortopédii. Pre svoj vzhľad a fyzikálne vlastnosti pripomínajúce biely cement používaný v stavebníctve a dekoráciách po stuhnutí má taký ľudový názov. V 70. rokoch 20. storočia sa kostný cement používal už na fixáciu kĺbových protéz a možno ho použiť aj ako výplňový a reparačný materiál tkaniva v ortopédii a stomatológii.

Najväčšou výhodou kostného cementu je jeho rýchle tuhnutie, umožňujúce skoré pooperačné rehabilitačné aktivity. Kostný cement má samozrejme aj určité nevýhody, ako je občasný vysoký tlak v dutine kostnej drene pri plnení, čo môže spôsobiť vniknutie kvapôčok tuku do krvných ciev a spôsobiť embóliu. Navyše sa líši od ľudských kostí a časom sa môžu umelé kĺby stále uvoľniť. Preto bol výskum biomateriálov kostného cementu vždy horúcou témou záujmu výskumníkov.

V súčasnosti sú najpoužívanejšími a najskúmanejšími kostnými cementmi polymetylmetakrylátový (PMMA) kostný cement, kostný cement fosforečnan vápenatý a kostný cement síranu vápenatého.
Kostný cement PMMA je akrylový polymér vytvorený zmiešaním tekutého metylmetakrylátového monoméru a dynamického metylmetakrylátového styrénového kopolyméru s nízkym zvyškom monoméru, nízkou odolnosťou proti únave a odolnosťou voči praskaniu pri napätí, ako aj vysokou pevnosťou v ťahu a plasticitou. Kostný cement PMMA sa široko používa v oblasti lekárskej plastickej chirurgie a už v štyridsiatych rokoch minulého storočia sa používal v zubnom lekárstve, lebke a iných oblastiach opravy kostí. Akrylátový kostný cement sa používa v chirurgii ľudských tkanív a bol aplikovaný v stovkách tisícov klinických prípadov doma aj v zahraničí.

Pevná fáza kostného cementu PMMA je vo všeobecnosti čiastočne polymerizovaný predpolymér PMMA a kvapalná fáza je monomér MMA s pridanými niektorými iniciátormi polymerizácie a stabilizátormi. Keď sa predpolymér PMMA v tuhej fáze zmieša s monomérom MMA v kvapalnej fáze, okamžite dôjde ku kopolymerizačnej reakcii polyméru, aby sa dosiahlo stuhnutie kostného cementu. Počas tohto procesu tuhnutia sa však uvoľňuje veľké množstvo tepla, ktoré môže spôsobiť tepelné poškodenie okolitých tkanív, čo vedie k zápalu až nekróze tkaniva. Preto je naliehavo potrebný ďalší výskum na zlepšenie kvality polymetylmetakrylátového kostného cementu a zníženie alebo odstránenie vedľajších účinkov kostného cementu PMMA.

Fosforečnan vápenatý sa používa pri obnove kostí vďaka svojej vynikajúcej biokompatibilite a schopnosti regenerácie kostí. Klinicky sa často používa ako injekčný materiál na vyplnenie medzier kostí a zlepšenie fixácie hardvéru pri operáciách zlomenín. Zloženie kostného cementu fosforečnanu vápenatého je podobné minerálom v ľudských kostiach, ktoré sa môžu reabsorbovať a podporovať vnútorný rast a prestavbu prirodzených kostí. Mechanizmus tuhnutia kostného cementu fosforečnanu vápenatého je precipitačná reakcia rozpúšťaním a hydratáciou. Riadením hodnoty pH reakčného procesu sa môže hydroxyapatit (HA) vyzrážať v rozmedzí pH 4,2-11. V počiatočnom štádiu je tvorba HA riadená hlavne povrchovými reakciami a HA generovaná medzi časticami a na povrchu častíc posilňuje spojenie medzi časticami. Čím vyšší je obsah kryštálov HA, tým je viac kontaktných bodov a zodpovedajúcim spôsobom sa zvyšuje aj pevnosť v tlaku. V neskoršom štádiu hydratačnej reakcie je povrch častíc potiahnutý vrstvou HA a hydratačná reakcia kalciumfosfátového kostného cementu sa stáva difúziou riadenou hydratačnou reakciou. Pri kontinuálnej hydratačnej reakcii sa vytvára stále viac častíc HA a generované kryštály HA rastú. Hydratačné produkty postupne zapĺňajú priestor vody zúčastňujúcej sa reakcie, takže priestor predtým zaberaný vodou je kryštálmi HA rozdelený na nepravidelné kapilárne póry.

Gélové póry sa zväčšujú a veľkosť pórov sa neustále zmenšuje. Kryštály HA sú usporiadané a premostené a pevnosť väzby medzi časticami sa zvyšuje. Materiál kostného cementu stuhne do pevnej poréznej štruktúry s veľkým počtom pórov, čím sa prejavuje makro vytvrdzovacia pevnosť.

V klinickej praxi majú traumatické zlomeniny stavcov špeciálny mechanizmus poranenia a zvyčajne sa vyskytujú u mladých ľudí, ktorí majú silnejšiu schopnosť rekonštrukcie kostí. Na liečbu takýchto zlomenín možno účinne použiť kostný cement fosforečnan vápenatý. Medzitým je kostný cement fosforečnan vápenatý tiež účinnou náhradou kosti pri resekcii benígneho kostného nádoru. Avšak v dôsledku dlhého času tuhnutia a relatívne nízkeho uvoľňovania tepla počas procesu tuhnutia má kostný cement fosforečnanu vápenatého relatívne zlú priľnavosť a pevnosť a je náchylný na rozpad z kosti. Preto výskum kalciumfosfátového kostného cementu stále pokračuje.

Síran vápenatý je najjednoduchší alternatívny materiál na opravu kostí a používa sa v materiáloch na opravu kostí už viac ako 100 rokov s najdlhšou históriou klinickej aplikácie. Síran vápenatý má dobrú ľudskú toleranciu, biologickú odbúrateľnosť a vlastnosti kostnej vodivosti, čo z neho robí dôležitý alternatívny materiál pre autológnu transplantáciu kostí v ranom výskume. Hlavným prúdom kostného cementu na báze síranu vápenatého je bezvodý prášok síranu vápenatého a kvapalná fáza je fyziologický roztok a iné vodné roztoky. Keď sa zmieša tuhá a kvapalná fáza, síran vápenatý podstúpi hydratačnú reakciu, čím sa vytvoria ihličkovité fúzy dihydrátu síranu vápenatého, ktoré sa navzájom premosťujú a stohujú, čím tuhnú do hromady s určitým tvarom a pevnosťou. V dôsledku slabej biologickej aktivity však kostný cement na báze síranu vápenatého nemôže vytvárať chemické väzby medzi štepmi síranu vápenatého a kostným tkanivom a rýchlo sa degraduje. Kostný cement síranu vápenatého môže byť úplne absorbovaný do šiestich týždňov po implantácii a táto rýchla degradácia nezodpovedá procesu tvorby kosti. Preto v porovnaní s kostným cementom s fosforečnanom vápenatým je vývoj a klinické použitie kostného cementu so síranom vápenatým relatívne obmedzené.

Okrem toho mnohé štúdie ukázali, že malé organické molekuly, biodegradovateľné polyméry, proteíny, polysacharidy, anorganické molekuly, biokeramika a biosklo môžu účinne zlepšiť výkonnosť kostného cementu a poskytnúť inovatívne nápady pre nové typy kostného cementu.
Stručne povedané, kostný cement môže hrať významnú úlohu v klinickej stomatológii a ortopédii a očakáva sa, že sa stane ideálnym nosičom liečiv a náhradným materiálom kosti pre kostrový systém.

S neustálou inováciou a vývojom vedy, technológie a materiálov sa predpokladá, že v budúcnosti sa vyvinie viac vysokokvalitných materiálov pre kostný cement, ako sú vysokopevnostné, injekčné, vode odolné a rýchlo tuhnúce typy. Aplikácia kostného cementu v klinickej praxi bude čoraz rozšírenejšia a bude sa zvyšovať aj jeho hodnota.