امروزه
به‌دلیل افزایش جمعیت میانسال و کهنسال در جامعه، نیاز به کاشتنیهای
باکیفیت افزایش یافته است. این کاشتنیها بایستی بتوانند مدت‌زمان طولانی
را در بدن دوام بیاورند. افزایش طول عمر این کاشتنیها، چالش جدیدی را در
رابطه با نقص کارکردی آنها در طول زمان به وجود می‌آورد. برای رفع این
مشکل، بیومتریال‌های تخریب‌پذیر، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. پر
کردن حفرات خالی استخوان، یکی از گزینه‌های مصرف کاربردی این‌گونه مواد
است. با استفاده از مواد تخریب‌پذیر که با گذشت زمان جایگزین بافت جدید
استخوانی می‌شوند، میتوان به نقص ایمپلنت‌های دائمی فائق آمد. تعداد
استخوان‌های یک فرد بالغ مجموعا ۲۰۶ عدد است. استخوان بافتی پویا است که در
طول زندگی فرد، بازشکل‌گیری خود را ادامه می‌دهد.
سلول‌های
تشکیل‌دهنده این بافت (استئوبلاست‌ها، استئوکلاست‌ها و استئوسیت‌ها)،
استخوان پیر و غیرعملکردی را با استخوان جدید جایگزین می‌کنند. نقایص
استخوانی زیادی مانند استئوسارکوما، شکستگی‌های غیرمتحد و عفونت این چرخه
طبیعی را مختل می‌کنند و به این طریق ضایعه ایجادشده به‌طور کامل بهبود
نمی‌یابد. امروزه راه‌حل طلایی برای جایگزینی استخوان، استفاده از اتوگرفت
است. در این روش استخوان‌های سالم در نواحی که متحمل بار نیست، برداشت
می‌شود و به خود شخص پیوند زده می‌شود.
استفاده
از اتوگرفت محدودیت‌هایی شامل درد و ناخوشی در محل برداشت بافت سالم،
نیازمندی به دو عمل جراحی برای پیوند بافت به خود شخص و احتمال بیشتر عفونت
را دارد. علاوه بر این استفاده از اتوگرفت، به‌دلیل استفاده از توده
استخوانی سست، حمایت ساختاری کافی را برای استخوان فراهم نمی‌کند. برای حل
این مشکلات، استفاده از مواد کاشتنیهای مصنوعی مشابه استخوان، راه چاره
است. قسمت معدنی استخوان ۷۰-۶۰% آن را تشکیل می‌دهد. این بخش عمدتا شامل
ترکیبات کلسیم فسفاتی در مقیاس نانو است. بنابراین مواد کلسیم فسفاتی
می‌تواند به‌عنوان جایگزینی برای اتوگرفت در نظر گرفته شود. علاوه بر این
کلسیم فسفات‌ها می‌توانند توسط سلول‌های استخوانی تخریب و جایگزین استخوان
جدید شوند.
این
موضوع به‌عنوان امتیازی ویژه برای کلسیم فسفات‌ها در مقایسه با موادی که
توسط سلول‌های استخوانی تخریب نمی‌شوند، محسوب می‌شود. امروزه سیمانهای
کلسیم فسفاتی به‌طور گسترده به‌دلیل خواص ویژه و منحصربه‌فردشان مانند
شباهت زیاد به استخوان، زیست‌فعالی، زیست‌سازگاری و جذب آهسته‌شان به‌عنوان
گرفت استخوانی استفاده می‌شوند. این نوع سیمان‌ها باعث نفوذ مایعات زیستی
به درون سیمان می‌شود که به جذب و جایگزینی استخوان کمک فراوانی میکند.
به‌طور
کلی از آنجا که سیمان‌ها هنگام مخلوط شدن مایع هستند، می‌توانند در
روش‌های جراحی کم‌تهاجمی به کار روند، ولی محدودیت عمده آنها استحکام کم
آنهاست و از این رو کاربرد آنها به نواحی غیرمتحمل بار نظیر نقایص فکی-
جمجمه‌ای محدود می‌شود. استفاده از نانوذرات زیست‌سازگار، راهبرد جدیدی
برای رفع محدودیتهای سیمانهای کلسیم فسفاتی است. در سیمانهای کامپوزیت،
درجه استحکام مکانیکی در محصول نهایی به نوع ترکیب شیمیایی نانوذره، نسبت
سطح به حجم، پراکندگی و واکنش بین‌سطحی نانوذره با کامپوزیت بستگی دارد.
برای دستیابی به خاصیت مکانیکی بهتر، نسبت سطح به حجم بالایی نیاز است.
به‌طور
کلی سیمانهای استخوانی شامل دو جزء پودری و مایع هستند که در پیوندهای
استخوانی برای فراهم ساختن حمایت استخوان، پرکردن جاهای خالی و افزایش
ترمیم نقایص اسکلتی ضروری هستند و در جراحی‌های ارتوپدی، جمجمه و فک به‌کار
می‌روند. سیمان‌ها به دو منظور خاص در جراحی‌های ارتوپدی مورد استفاده
قرار می‌گیرند:
به‌عنوان تثبیت‌کننده پروتزها و ایمپلنت‌ها؛
به‌عنوان پرکننده‌ها[۱].
چهار
نوع سیمان استخوان برای کاربردهای ارتوپدی و دندانپزشکی موجود است که دو
مورد ابتدایی پایه پلیمری و دو مورد بعدی پایه سرامیکی دارند و عبارتند از:
سیمانهای اکریلیکی یا سیمانهای با پایه پلی‌متیل متاکریلات (PMMA)؛
سیمانهای با پایه پلی‌پروپیلفومریت (PPF)؛
سیمانهای کلسیم فسفات (CPC)؛
سیمانهای گلاس یونومر (Glass Ionomer).
معروف‌ترین
گروه سیمان استخوان و البته قدیمی‌ترین نوع آنها، سیمان استخوان بر پایه
پلیمر PMMA است. این سیمان‌ها اساسا از پودر جامد پلیمر PMM)پلی‌متیل
متاکریلات) و مونومر مایع MMA) متیل متاکریلات( به همراه چند افزودنی دیگر
تشکیل می‌شوند. در سال ۱۹۵۸ اولین استفاده موفقیت‌آمیز از این نوع سیمان
توسط سر جان چارنلی[۲] برای تثبیت سر استخوان فمور، صورت گرفت که نقطه شروع
تحقیقات زیادی در این زمینه و تکنیک‌های مختلف جراحی بود. امروز بیش از
۴۵ سال است که از این فرآورده در دندانپزشکی و ارتوپدی استفاده می‌شود.
سیمان
های پلیمری دارای معایبی هستند که استفاده از آنها را محدود میکند. این
معایب شامل افزایش دما هنگام پلیمریزه شدن، وجود مونومرهای سمی و احتمال لق
شدگی پروتز در طول زمان است. درسیمان‌های گلاس یونومر علاوه بر محدودیت
استحکام مکانیکی، آزادسازی ترکیبات سیلیکاتی یا آلومیناتی و رسوب آنها در
مغز، کبد و کلیه استفاده از آنها را دچار اشکال میکند. در این میان
استفاده از سیمانهای کلسیم فسفاتی گزینه ایمن‌تری به نظر می‌رسد.
اولین
استفاده سیمانهای کلسیم فسفاتی روی مدل حیوانی در سال ۱۹۲۰ صورت گرفت. در
حالی که اولین فرمولاسیون ارائه‌شده برای مصرف ارتوپدی و دندانی در سال
۱۹۷۰ توسط دریسکل[۳] و همکارانش صورت گرفت، اما بران[۴] و چو[۵]
به‌عنوان اولین افراد در حوزه سیمان استخوانی کلسیم فسفاتی شناخته می‌شوند.
سیمانهای کلسیم فسفاتی امروزه به‌طور گسترده به‌دلیل خواص ویژه و
منحصربه‌فردشان مانند شباهت زیاد به استخوان، زیست‌فعالی، زیست‌سازگاری و
جذب آهسته‌شان به‌عنوان گرفت استخوانی استفاده می‌شوند
گرفت‌های
استخوانی بر پایه کلسیم و فسفات به شکل‌های مختلف مانند ذره یا قطعه
متراکم یا متخلخل و سیمان مورد استفاده قرار می‌گیرند. از جمله محدودیتهای
استفاده به‌صورت قطعه، مشکل جورشدن شکل قطعه با شکل نقص استخوان است.
استفاده از ذرات نیز مشکل مهاجرت دیر یا زود ذرات از مکان ایمپلنت به بافت
اطراف را دارد. در این میان سیمانهای کلسیم فسفاتی یک کشف مهم در جراحی
بازسازی نقص استخوانی محسوب می‌شوند.
سیمان
می‌تواند حین عمل جراحی قالبگیری شود؛ بنابراین به‌خوبی با حفره استخوانی
سازگار می‌شود و هدایت رشد استخوان خوبی دارد و به‌‌آرامی جذب می‌شود. طی
فرایند جذب آرام سیمان، استخوان جدید رشد میکند و جایگزین سیمان می‌شود
.با این وجود سیمانهای تجاری موجود در بازار محدودیت‌هایی دارند؛ از جمله
آنها میتوان کم بودن استحکام مکانیکی، تخریب کندشان در بدن و نداشتن منافذ
درشت[۶] را نام برد. وجود منافذ ریز[۷] در این نوع سیمان‌ها باعث نفوذ
مایعات زیستی به درون سیمان می‌شود که به جذب و جایگزینی استخوان کمک
فراوانی میکند.
به‌طور
کلی از آنجا که سیمان‌ها هنگام مخلوط شدن مایع هستند، می‌توانند در
روش‌های جراحی کم‌تهاجمی به کار روند. ولی همان طور که اشاره شد محدودیت
عمده آنها استحکام کم آنهاست و از این رو کاربرد آنها به نواحی غیرمتحمل
بار نظیر نقایص فکی- جمجمه‌ای محدود می‌شود. فقدان استخوان به‌‌علت خروج
تومور خوش‌خیم، آسیب به استخوان اسفنجی و شل شدگی پروتز ارتوپدی نیز مبحث
عمده در استفاده از این نوع سیمان‌ها است.
جذب
سیمان‌ها در بدن به سن، جنس، وضعیت متابولیک فرد و همچنین به تخلخل،
اندازه ذرات و نسبت پودر به مایع سیمان ارتباط دارد. این نرخ از ۳ تا ۳۶
ماه برای جذب کامل سیمان متغیر است. عوامل متعددی از جمله ترکیب شیمیایی
پودر و مایع سیمان، اندازه ذرات پودر و نسبت مایع به پودرL/P))، رفتار
سیمانهای استخوانی نظیر زمان گیرش[۸]، آهنگ گیرش، آهنگ سخت‌شدن، استحکام
مکانیکی و تغییر pH طی گیرش را متاثر میکند.
علیرغم
پیشرفت‌های شایان توجه در زمینه سیمانهای استخوانی، نیاز به بهبود خواص
زیستی و مکانیکی این ترکیبات هنوز حس می‌شود. از این رو راهکارهای مختلفی
برای بهبود خواص آنها پیشنهاد شده است. یکی از این راهکارها اضافه کردن
فیبرهاست. فیبرهای افزودنی به دو گروه قابل جذب و غیرقابل جذب تقسیم
می‌شوند. فیبرهای قابل جذب شامل پلی‌لاکتید (PLA)، پلی لاکتیککوگلایکولیک
اسید (PLGA)، پلی کپرولاکتون (PCL) و کیتوسان هستند. همچنین فیبرهای
غیرقابل جذب شامل کلاژن، پلی‌آمیدها، فیبرهای کربنی و فیبرهای شیشه‌ای
هستند. تقویت سیمانهای کلسیم فسفاتی حوزه وسیعی از تحقیقات را به خود
اختصاص داده است. این رویکرد برای تولید سیمانهای عملکردی با خواص بهینه
مورد توجه صنعت و پژوهشگران بوده است.
[۱] Fillers
[۲] Sir John Charnley
[۳] Driskell
[۴] Brown
[۵] Chow
[۶] Macropore
[۷] Microporous
[۸] Setting time
منابع :
BARINOV, S. & KOMLEV, V. 2011. Calcium phosphate bone cements. Inorganic Materials, ۴۷, ۱۴۷۰-۱۴۸۵.
BROWN,
W. & CHOW, L. A new calcium-phosphate setting cement. Journal of
Dental Research, 1983. AMER ASSOC DENTAL RESEARCH 1619 DUKE ST,
ALEXANDRIA, VA 22314, 672-672.
JARCHO,
M. 1981. Calcium phosphate ceramics as hard tissue prosthetics.
Clinical orthopaedics and related research, ۱۵۷, ۲۵۹-۲۷۸.
metallurgydata@