Цемент, пригодный для использования в организме человека — костный цемент.
Костный цемент — это широко используемое название медицинского материала, применяемого в ортопедии. Благодаря своему внешнему виду и физическим свойствам, напоминающим белый цемент, используемый в строительстве и отделке после затвердевания, он получил такое популярное название. Уже в 1970-х годах костный цемент использовался для фиксации суставных протезов, а также может применяться в качестве наполнителя и восстанавливающего материала для тканей в ортопедии и стоматологии.
Главное преимущество костного цемента — его быстрое затвердевание, позволяющее начать послеоперационную реабилитацию на ранней стадии. Конечно, у костного цемента есть и некоторые недостатки, такие как периодическое высокое давление в костномозговой полости во время заполнения, которое может привести к попаданию жировых капель в кровеносные сосуды и вызвать эмболию. Кроме того, он отличается от человеческих костей, и со временем искусственные суставы могут расшатываться. Поэтому исследования биоматериалов на основе костного цемента всегда были актуальной темой для ученых.
В настоящее время наиболее широко используемыми и исследуемыми костными цементами являются полиметилметакрилатный (ПММА) костный цемент, фосфат кальция костный цемент и сульфат кальция костный цемент.
Костный цемент на основе ПММА — это акриловый полимер, образующийся при смешивании жидкого мономера метилметакрилата и динамического сополимера метилметакрилата и стирола. Он обладает низким содержанием мономерного остатка, низкой усталостной прочностью и устойчивостью к растрескиванию под напряжением, а также высокой прочностью на растяжение и пластичностью. Костный цемент на основе ПММА широко используется в медицинской пластической хирургии и применяется в стоматологии, хирургии черепа и других областях восстановления костей еще с 1940-х годов. Акриловый костный цемент используется в хирургии человеческих тканей и был применен в сотнях тысяч клинических случаев как в стране, так и за рубежом.
Твердая фаза костного цемента на основе ПММА обычно представляет собой частично полимеризованный преполимер ПММА, а жидкая фаза — мономер ММА с добавлением некоторых инициаторов полимеризации и стабилизаторов. При смешивании твердофазного преполимера ПММА с жидкофазным мономером ММА немедленно происходит реакция сополимеризации полимеров, приводящая к затвердению костного цемента. Однако в процессе затвердевания выделяется большое количество тепла, что может вызвать термическое повреждение окружающих тканей, приводящее к воспалению и даже некрозу тканей. Поэтому срочно необходимы дополнительные исследования для улучшения качества полиметилметакрилатного костного цемента и уменьшения или устранения побочных эффектов ПММА-цементов.
Фосфат кальция применяется в костной пластике благодаря своей превосходной биосовместимости и способности к регенерации костной ткани. В клинической практике его часто используют в качестве инъекционного материала для заполнения костных дефектов и улучшения фиксации имплантатов при хирургическом лечении переломов. Состав костного цемента на основе фосфата кальция аналогичен минералам человеческих костей, что позволяет ему резорбироваться и способствовать внутреннему росту и ремоделированию естественных костей. Механизм затвердевания костного цемента на основе фосфата кальция представляет собой реакцию растворения-гидратации-осаждения. Путем контроля значения pH в процессе реакции гидроксиапатит (ГА) может осаждаться в диапазоне pH 4,2-11. На начальном этапе образование ГА в основном контролируется поверхностными реакциями, и ГА, образующийся между частицами и на поверхности частиц, укрепляет связи между ними. Чем выше содержание кристаллов ГА, тем больше точек контакта, и, соответственно, увеличивается прочность на сжатие. На поздней стадии реакции гидратации поверхность частиц покрывается слоем гидроксиапатита (ГА), и реакция гидратации костного цемента на основе фосфата кальция становится диффузионно-контролируемой. В результате непрерывной реакции гидратации образуется все больше частиц ГА, и кристаллы ГА растут. Продукты гидратации постепенно заполняют пространство, занятое водой, участвующей в реакции, так что пространство, ранее занимаемое водой, разделяется кристаллами ГА на нерегулярные капиллярные поры.
Размер пор геля увеличивается, а их объем постоянно уменьшается. Кристаллы гидроксиапатита располагаются в шахматном порядке и образуют мостики, при этом прочность сцепления между частицами возрастает. Костный цемент затвердевает, образуя твердую пористую структуру с большим количеством пор, что обеспечивает макроскопическую прочность отверждения.
В клинической практике травматические оскольчатые переломы позвонков имеют особый механизм повреждения и обычно встречаются у молодых людей, обладающих более развитой способностью к восстановлению костной ткани. Для лечения таких переломов может эффективно использоваться костный цемент на основе фосфата кальция. Кроме того, костный цемент на основе фосфата кальция является эффективным заменителем костной ткани при резекции доброкачественных опухолей костей. Однако из-за длительного времени затвердевания и относительно низкого тепловыделения в процессе затвердевания, костный цемент на основе фосфата кальция обладает относительно низкой адгезией и прочностью, а также склонен к отслоению от кости. Поэтому исследования костного цемента на основе фосфата кальция продолжаются.
Сульфат кальция — простейший альтернативный материал для восстановления костной ткани, используемый в костно-регенеративных материалах более 100 лет, имеющий самую долгую историю клинического применения. Сульфат кальция обладает хорошей переносимостью человеком, биоразлагаемостью и свойствами, способствующими костной проводимости, что делает его важным альтернативным материалом для аутологичной трансплантации костной ткани на ранних этапах исследований. Твердая фаза основного потока костного цемента на основе сульфата кальция — это безводный порошок сульфата кальция, а жидкая фаза — физиологический раствор и другие водные растворы. При смешивании твердой и жидкой фаз сульфат кальция подвергается реакции гидратации, образуя игольчатые дигидратные волокна сульфата кальция, которые соединяются и укладываются друг на друга, затвердевая таким образом в структуру определенной формы и прочности. Однако из-за низкой биологической активности костный цемент на основе сульфата кальция не может образовывать химические связи между трансплантатами сульфата кальция и костной тканью и быстро разрушается. Костный цемент на основе сульфата кальция может полностью рассосаться в течение шести недель после имплантации, и это быстрое разрушение не соответствует процессу костеобразования. Поэтому по сравнению с костным цементом на основе фосфата кальция разработка и клиническое применение костного цемента на основе сульфата кальция относительно ограничены.
Кроме того, многочисленные исследования показали, что небольшие органические молекулы, биоразлагаемые полимеры, белки, полисахариды, неорганические молекулы, биокерамика и биостекло могут эффективно улучшить характеристики костного цемента, предоставляя инновационные идеи для создания новых типов костного цемента.
Таким образом, костный цемент может играть значительную роль в клинической стоматологии и ортопедии и, как ожидается, станет идеальным носителем лекарственных средств и материалом-заменителем костной ткани для скелетной системы.
Благодаря непрерывным инновациям и развитию науки, техники и материалов, предполагается, что в будущем будет разработано больше высококачественных костных цементов, таких как высокопрочные, инъекционные, водостойкие и быстротвердеющие типы. Применение костного цемента в клинической практике будет становиться все более распространенным, а его ценность также возрастет.