Kemik Çimentosu
Nagihan Emeksiz – Yüksek Lisans Öğrencisi /Nanoteknoloji ve İleri Malzemeler, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mersin Üniversitesi
Eklem replasman cerrahisi, işlevini kaybetmiş olan kemik dokusunun çıkarılması ve protez ile değiştirilmesini içermektedir. Eklem replasmanları, cerrahi müdahalenin gereksinimlerine bağlı olarak kemik çimentolu ya da çimentosuz olarak gerçekleşmektedir. Çimentosuz eklem replasmanlarında protezin sabitleme aşaması, kullanılan implantın gözenekli yüzeyi sayesinde gerçekleşmektedir. Gözenekli yapı, doku büyümesine izin vererek biyolojik bir sabitlemeyi sağlamaktadır. Ayrıca implant yüzeyinde hidroksiapatit gibi osteogenetik aktiviteyi artırıcı bir biyomalzeme kullanılması, kemik dokusu ile implant arasında biyolojik sabitlemeyi gerçekleştiren kimyasal bağlar oluşumuna neden olur. Çimentosuz eklem replasmanları her ne kadar etkili bir seçenek olarak değerlendirilse bile protezin stabil kalması kemik dokusunun büyümesine bağlı olduğundan uzun tedavi süresi gerektirir [1].
Kemik çimentosu, katı faz ve sıvı faz bileşenlerinin karıştırılmasıyla elde edilen macun bir formdur. Bu yapı biyomalzemeye, geometrik olarak karmaşık kusurlara dahi nüfuz etme imkânı verir böylece başarılı bir kemik- çimento teması oluşur. Diş hekimliği uygulamalarında kullanılan polimetilmetakrilat (PMMA), 1960 yılında Sir John Charnley tarafından kalça protezi ameliyatında kullanmasıyla kemik çimentosu tanımı ortaya çıkmıştır. Herhangi bir işleme gerek duymadan kendiliğinden sertleşen PMMA, eklem protezlerinin sabitlenmesi için derz dolgu malzemesi olarak ilgi görmüştür. Bu strateji ortopedi alanında, implant ve kemik arasındaki eşit yük dağılımını sağlayan bir protez sabitleme tekniğinin gelişimine yol açmıştır [2]
Şekil 1: Kalça eklem protezi ve PMMA kemik çimentosunun şematik gösterimi [3].
Kemik çimentosu, eklem protezini kemik dokusuna sabitleyerek protez ile kemik dokusu arasındaki boş alanı dolduran önemli bir ara yüz görevi üstlenir. Kemik vücudun en sert dokularından biridir. Hareket edebilme yeteneğimiz, çoğunlukla yük taşıyan eklem bölgelerine bağlıdır. Eklem replasman uygulamalarında yük (stres) taşıma kapasitesi göz önüne alındığında tercih edilen biyomalzemelerin yeterli mekanik mukavemete sahip olması gereklidir. Kemik çimentoları polimer ve seramik olmak üzere iki farklı türde sınıflandırılmaktadır. Polimer kemik çimentosu, akrilik olarak tanınan PMMA (polimetilmetakrilat) içerikli bir malzemedir. Akrilik çimento viskoelastik bir polimer olması nedeniyle maruz kalınan yükün (stres), kemik üzerinde homojen bir dağılımını sağlar böylece lokal yüksek temas stresini azaltır [3].
Şekil 2: Kemik dokusu ve kemik çimentolarının mekanik özellikleri [4].
Bir diğer kemik çimentosu ise kalsiyum fosfat içerikli biyoseramiktir. Kalsiyum ve fosfat içerikleri doğal kemik dokunun mineral bir parçasıdır. Bu nedenle kalsiyum fosfat içerikli kemik çimentoları yüksek biyouyumluluk ve kemik oluşumunu destekleyici (osteogenik) potansiyeli mevcuttur. Aynı zamanda seramik biyomalzemeler sınıfına giren kalsiyum fosfat içerikli çimentolar çoğu seramikler gibi kırılgan özellik göstermektedirler. Bu durum, uygulama alanlarını yük taşıma kapasitesi gerektirmeyen implantlarla sınırlamaktadır. Kalsiyum fosfat bazlı çimentolar çökelme işlemi ile elde edilmektedir. Çökelme sırasında malzemenin kristal yapılarında meydana gelen kümelenmeler (aglomera), iç yapıda nano/mikro boyutlarda gözenekler oluşmasına neden olmaktadır. Bu boşluklu yapılar hücrenin besin ve atık transferi için önemlidir. Bununla birlikte gözenekli yapı malzemenin yüzey alanının artmasına neden olarak hücrenin implant boşluklarına doğru büyümesini sağlar [5].
İdeal bir kemik çimentosu, hücre bağlanması ve çoğalmasını hedeflemek için uygun yüzey kimyası ve gözenekli yapısıyla karakterize edilir. Bunun yanı sıra çimentonun, doğal dokunun mekanik özellikleri ile benzer mukavemet göstermesi de beklenmektedir. Kalsiyum fosfat kemik çimentoları kırılgan ve iç gözenekli malzemeler oldukları için mukavemetleri akrilik kemik çimentolara kıyasla daha düşüktür (Şekil 2) [4]. Bu nedenle eklem protezlerinin sabitlenmesinde kalsiyum fosfat kemik çimentolarının kullanımı, zayıf mukavemetlerinden dolayı başarısızlık ile sonuçlanabilir.
Şekil 3: Kalsiyum fosfat kemik çimentosu gözenekli yapısının SEM görüntüsü [5].
Ortopedik cerrahideki son gelişmeler minimal invaziv cerrahi tekniklerin uygulanması ile ilgilidir. Bu alanda vertebroplasti ve kifoplasti gibi omurga kırıklarını tedavi etmek amaçlı uygulanan cerrahi prosedürler enjekte edilebilir materyallerin kullanımını gerektirir. Bu durum kemik çimentolarının enjekte edilebilir şekilde geliştirilmesinde belirleyici bir rol oynamaktadır. Omurga (vertebral kolon), kafa tasından pelvise uzanan bir dizi kemiktir. Omurganın temel işlevi, baş ve gövde için bir destek mekanizması sağlarken omuriliği ve omurilik sinirlerinin parçalarını korumaktır. Osteoporoz veya travma kaynaklı omurga kemiklerinde kırılar meydana gelmektedir. Vertebroplasti, omurganın kırık bölgesine kemik çimentosu malzemesinin spinal iğne yardımıyla enjekte edilmesini içeren bir cerrahi prosedürdür. Hasarlı bölgeye enjekte edilen yaklaşık 1-2 mL kemik çimentosu, 15 ila 45 dakika arasında sertleşir böylece kırığın stabilize edilmesini ve omurgadaki doğal yüke dayanabilmesini sağlar [6].
Omurga kırıklarının tedavisi için minimal invaziv cerrahi uygulamalarda akrilik, kalsiyum fosfat ve kompozit çimentoları içeren üç biyomalzeme sınıfı bulunmaktadır. PMMA, biyomekanik mukavemeti ve in vivo inflamatuar bir yanıt oluşturmaması nedeniyle bu uygulama için nispeten başarılı bir materyal olmuştur. PMMA kemik çimentosu, minimal invaziv omurga onarımı için bir numaralı seçenek değildir. PMMA’ya kıyasla biyoaktif bir biyomalzeme olan kalsiyum fosfat içerikli kemik çimentoların daha fazla ilgi görmesinin nedeni, PMMA kemik çimentosunun kullanımın getirdiği dezavantajlarıdır. Bunlar, termal kemik ve doku nekrozuna neden olabilecek yüksek polimerizasyon sıcaklığı ve artık monomer toksisitesi potansiyelidir [7].
Referanslar
1. Deb, S., (2010). Acrylic bone cements for joint replacement, Biomedical composites, p. 210-233 doi: 10.1533/9781845697372.2.210
2. Ginebra, M., P., Montufar, E., B., (2019). Cements as bone repair materials, Bone Repair Biomaterials, p. 233-271 doi: 10.1016/B978-0-08-102451-5.00009-3
3. Dunne, N., Clements, J., (2014). Acrylic cements for bone fixation in joint replacement, Joint Replacement Technology, p.212-256 doi: 10.1533/9780857098474.2.212
4. Vasilyev, A., V., Kuznetsova, V., S., Bukharova… Chvalun S., N., Goldshtein, D., V., Kulakov, A., A., (2020). Development prospects of curable osteoplastic materials in dentistry and maxillofacial surgery, Heliyon doi: 10.1016/j.heliyon.2020.e04686
5. Cama, G., (2014). Calcium phosphate cements for bone regeneration, Biomaterials for Bone Regeneration, p.3-25 doi: 10.1533/9780857098104.1.3
6. O’hara, R., Buchanan, F., Dunne, N., (2014). Injectable calcium phosphate cements for spinal bone repair, Biomaterials for Bone Regeneration, p.26-61 doi: 10.1533/9780857098104.1.26
7. Lieberman, I., H., Togawa, D., Kayanja, M., M., (2005). Vertebroplasty and kyphoplasty: Filler materials, The Spine Journal, 5 (6), 205S–316S doi: 10.1016/j.spinee.2005.02.020