ซีเมนต์ที่สามารถนำมาใช้ในร่างกายมนุษย์ได้ - ซีเมนต์กระดูก

ซีเมนต์กระดูกเป็นชื่อที่ใช้กันทั่วไปสำหรับซีเมนต์กระดูกและเป็นวัสดุทางการแพทย์ที่ใช้ในศัลยกรรมกระดูก เนื่องจากรูปลักษณ์และคุณสมบัติทางกายภาพคล้ายกับซีเมนต์ขาวที่ใช้ในการก่อสร้างและตกแต่งหลังการแข็งตัวจึงมีชื่อที่ได้รับความนิยม ในทศวรรษ 1970 มีการใช้ซีเมนต์กระดูกในการยึดข้อเทียมแล้ว และยังสามารถใช้เป็นวัสดุอุดและซ่อมแซมเนื้อเยื่อในกระดูกและทันตกรรมได้อีกด้วย

ข้อได้เปรียบที่ใหญ่ที่สุดของซีเมนต์กระดูกคือการแข็งตัวอย่างรวดเร็ว ช่วยให้สามารถดำเนินกิจกรรมการฟื้นฟูหลังการผ่าตัดได้ตั้งแต่เนิ่นๆ แน่นอนว่าซีเมนต์กระดูกก็มีข้อเสียอยู่บ้าง เช่น ความดันสูงในโพรงไขกระดูกเป็นครั้งคราวระหว่างการเติม ซึ่งอาจทำให้หยดไขมันเข้าไปในหลอดเลือดและทำให้เกิดเส้นเลือดอุดตันได้ นอกจากนี้ยังแตกต่างจากกระดูกของมนุษย์ และเมื่อเวลาผ่านไปข้อต่อเทียมอาจยังคงหลวมอยู่ ดังนั้นการวิจัยเกี่ยวกับวัสดุชีวภาพของกระดูกซีเมนต์จึงเป็นประเด็นร้อนสำหรับนักวิจัยมาโดยตลอด

ในปัจจุบัน ซีเมนต์กระดูกที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและวิจัยมากที่สุด ได้แก่ ซีเมนต์กระดูกโพลีเมทิลเมทาคริเลต (PMMA) ซีเมนต์กระดูกแคลเซียมฟอสเฟต และซีเมนต์กระดูกแคลเซียมซัลเฟต
ซีเมนต์กระดูก PMMA เป็นโพลีเมอร์อะคริลิกที่เกิดขึ้นจากการผสมโมโนเมอร์เมทิลเมทาคริเลตเหลวกับโคโพลีเมอร์ไดนามิกเมทิลเมทาคริเลตสไตรีน โดยมีโมโนเมอร์ตกค้างต่ำ ต้านทานความเมื่อยล้าต่ำและต้านทานการแตกร้าวจากความเครียด เช่นเดียวกับความต้านทานแรงดึงและความเป็นพลาสติกสูง ซีเมนต์กระดูก PMMA มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านศัลยกรรมพลาสติกทางการแพทย์ และถูกนำมาใช้ในด้านทันตกรรม กะโหลกศีรษะ และการซ่อมแซมกระดูกอื่นๆ ในช่วงต้นทศวรรษที่ 1940 ซีเมนต์กระดูกอะคริเลตถูกนำมาใช้ในการผ่าตัดเนื้อเยื่อของมนุษย์ และถูกนำไปใช้ในกรณีทางคลินิกหลายแสนรายทั้งในและต่างประเทศ

เฟสของแข็งของซีเมนต์กระดูก PMMA โดยทั่วไปจะเป็น PMMA พรีโพลีเมอร์ไรซ์บางส่วน และเฟสของเหลวคือ MMA โมโนเมอร์ โดยมีตัวเริ่มปฏิกิริยาโพลีเมอไรเซชันและสารเพิ่มความคงตัวบางตัวเพิ่มเข้าไป เมื่อ PMMA พรีโพลีเมอร์เฟสของแข็งผสมกับโมโนเมอร์ MMA เฟสของเหลว จะเกิดปฏิกิริยาโพลีเมอร์ไรเซชันทันทีเพื่อให้ซีเมนต์กระดูกแข็งตัว อย่างไรก็ตาม ในระหว่างกระบวนการแข็งตัวนี้ ความร้อนจำนวนมากจะถูกปล่อยออกมา ซึ่งอาจทำให้เกิดความเสียหายจากความร้อนต่อเนื้อเยื่อโดยรอบ นำไปสู่การอักเสบและแม้กระทั่งเนื้อร้ายของเนื้อเยื่อ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมอย่างเร่งด่วนเพื่อปรับปรุงคุณภาพของซีเมนต์กระดูกโพลีเมทิลเมทาคริเลต และลดหรือกำจัดผลข้างเคียงของซีเมนต์กระดูก PMMA

แคลเซียมฟอสเฟตถูกนำมาใช้ในการซ่อมแซมกระดูกเนื่องจากมีความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดีเยี่ยมและความสามารถในการสร้างกระดูกใหม่ ในทางคลินิก มักใช้เป็นวัสดุฉีดเพื่ออุดช่องว่างของกระดูกและปรับปรุงการยึดติดของฮาร์ดแวร์ในการผ่าตัดกระดูกหัก องค์ประกอบของซีเมนต์กระดูกแคลเซียมฟอสเฟตนั้นคล้ายคลึงกับแร่ธาตุในกระดูกมนุษย์ ซึ่งสามารถดูดซึมกลับคืนได้ และส่งเสริมการเจริญเติบโตภายในและการเปลี่ยนแปลงของกระดูกตามธรรมชาติ กลไกการแข็งตัวของซีเมนต์กระดูกแคลเซียมฟอสเฟตคือปฏิกิริยาการตกตะกอนของไฮเดรชั่นที่ละลาย ด้วยการควบคุมค่า pH ของกระบวนการทำปฏิกิริยา ไฮดรอกซีอะพาไทต์ (HA) สามารถตกตะกอนได้ภายในช่วง pH 4.2-11 ในระยะเริ่มแรก การสร้าง HA จะถูกควบคุมโดยปฏิกิริยาที่พื้นผิวเป็นหลัก และ HA ที่สร้างขึ้นระหว่างอนุภาคและบนพื้นผิวของอนุภาคจะเสริมความแข็งแกร่งให้กับการเชื่อมต่อระหว่างอนุภาค ยิ่งปริมาณคริสตัล HA สูงเท่าใด จุดสัมผัสก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น และกำลังรับแรงอัดก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย ในระยะหลังของปฏิกิริยาไฮเดรชั่น พื้นผิวของอนุภาคจะถูกเคลือบด้วยชั้น HA และปฏิกิริยาไฮเดรชั่นของซีเมนต์กระดูกแคลเซียมฟอสเฟตจะถูกควบคุมการแพร่กระจายผ่านปฏิกิริยาไฮเดรชั่น ด้วยปฏิกิริยาการให้ความชุ่มชื้นอย่างต่อเนื่อง อนุภาค HA จะถูกสร้างขึ้นมากขึ้นเรื่อยๆ และผลึก HA ที่สร้างขึ้นก็จะมีการเจริญเติบโตเพิ่มขึ้น ผลิตภัณฑ์ให้ความชุ่มชื้นจะค่อยๆ เติมเต็มพื้นที่ของน้ำที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยา เพื่อให้พื้นที่ที่น้ำเคยครอบครองก่อนหน้านี้ถูกแบ่งออกเป็นรูพรุนของเส้นเลือดฝอยที่ไม่ปกติด้วยผลึก HA

รูขุมขนเจลเพิ่มขึ้น และขนาดรูขุมขนก็ลดลงอย่างต่อเนื่อง ผลึก HA ถูกเซและเชื่อมต่อกัน และความแข็งแรงพันธะระหว่างอนุภาคก็เพิ่มขึ้น วัสดุซีเมนต์กระดูกแข็งตัวเป็นโครงสร้างรูพรุนแข็งและมีรูพรุนจำนวนมาก จึงแสดงความแข็งแรงในการบ่มระดับมหภาค

ในการปฏิบัติทางคลินิก การแตกหักของกระดูกสันหลังส่วนบาดแผลมีกลไกการบาดเจ็บพิเศษ และมักเกิดขึ้นในคนหนุ่มสาวที่มีความสามารถในการสร้างกระดูกใหม่ได้ดีกว่า ซีเมนต์กระดูกแคลเซียมฟอสเฟตสามารถนำมาใช้รักษากระดูกหักได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะเดียวกัน ซีเมนต์กระดูกแคลเซียมฟอสเฟตก็เป็นสิ่งทดแทนกระดูกที่มีประสิทธิภาพสำหรับการผ่าตัดเนื้องอกในกระดูกที่ไม่เป็นอันตราย อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเวลาในการแข็งตัวที่ยาวนานและการปล่อยความร้อนค่อนข้างต่ำในระหว่างกระบวนการแข็งตัว ซีเมนต์กระดูกแคลเซียมฟอสเฟตจึงมีการยึดเกาะและความแข็งแรงค่อนข้างต่ำ และมีแนวโน้มที่จะสลายตัวออกจากกระดูก ดังนั้นการวิจัยเกี่ยวกับซีเมนต์กระดูกแคลเซียมฟอสเฟตจึงยังคงดำเนินต่อไป

แคลเซียมซัลเฟตเป็นวัสดุทางเลือกที่ง่ายที่สุดสำหรับการซ่อมแซมกระดูก และมีการใช้ในวัสดุซ่อมแซมกระดูกมานานกว่า 100 ปี โดยมีประวัติการใช้งานทางคลินิกยาวนานที่สุด แคลเซียมซัลเฟตมีความทนทานต่อมนุษย์ มีความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพ และมีคุณสมบัติในการนำกระดูกได้ดี ทำให้กลายเป็นวัสดุทางเลือกที่สำคัญสำหรับการปลูกถ่ายกระดูกแบบอัตโนมัติในการวิจัยเบื้องต้น กระแสหลักของเฟสของแข็งของซีเมนต์กระดูกแคลเซียมซัลเฟตคือผงแคลเซียมซัลเฟตปราศจากน้ำและเฟสของเหลวคือน้ำเกลือทางสรีรวิทยาและสารละลายน้ำอื่น ๆ เมื่อเฟสของแข็งและของเหลวผสมกัน แคลเซียมซัลเฟตจะเกิดปฏิกิริยาไฮเดรชั่น ทำให้เกิดหนวดเคราแคลเซียมซัลเฟตไดไฮเดรตรูปเข็มที่เชื่อมและซ้อนกันเข้าด้วยกัน จึงแข็งตัวเป็นกองที่มีรูปร่างและความแข็งแรงที่แน่นอน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากกิจกรรมทางชีวภาพไม่ดี ซีเมนต์กระดูกแคลเซียมซัลเฟตจึงไม่สามารถสร้างพันธะเคมีระหว่างการปลูกถ่ายแคลเซียมซัลเฟตกับเนื้อเยื่อกระดูกได้ และจะสลายตัวอย่างรวดเร็ว ซีเมนต์กระดูกแคลเซียมซัลเฟตสามารถดูดซึมได้อย่างสมบูรณ์ภายในหกสัปดาห์หลังจากการฝัง และการย่อยสลายอย่างรวดเร็วนี้ไม่ตรงกับกระบวนการสร้างกระดูก ดังนั้น เมื่อเปรียบเทียบกับซีเมนต์กระดูกแคลเซียมฟอสเฟต การพัฒนาและการประยุกต์ใช้ซีเมนต์กระดูกแคลเซียมซัลเฟตทางคลินิกจึงค่อนข้างจำกัด

นอกจากนี้ การศึกษาจำนวนมากยังแสดงให้เห็นว่าโมเลกุลอินทรีย์ขนาดเล็ก โพลีเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ โปรตีน โพลีแซ็กคาไรด์ โมเลกุลอนินทรีย์ เซรามิกชีวภาพ และแก้วชีวภาพ สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของซีเมนต์กระดูกได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยทำให้เกิดแนวคิดที่เป็นนวัตกรรมสำหรับซีเมนต์กระดูกชนิดใหม่
โดยสรุป ซีเมนต์กระดูกสามารถมีบทบาทสำคัญในทันตกรรมคลินิกและศัลยกรรมกระดูก และคาดว่าจะกลายเป็นตัวพายาในอุดมคติและเป็นวัสดุทดแทนกระดูกสำหรับระบบโครงกระดูก

ด้วยนวัตกรรมและการพัฒนาอย่างต่อเนื่องในด้านวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี และวัสดุ เชื่อว่าจะมีการพัฒนาวัสดุซีเมนต์กระดูกคุณภาพสูงมากขึ้นในอนาคต เช่น ประเภทที่มีความแข็งแรงสูง ฉีดได้ ทนน้ำ และแข็งตัวเร็ว การใช้ซีเมนต์กระดูกในทางคลินิกจะแพร่หลายมากขึ้น และมูลค่าของซีเมนต์ก็จะเพิ่มขึ้นด้วย