Cementi ossei 1 BIO LS1, Slide di Biomateriali E Tessuti Biologici

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CEMENTI OSSEI CEMENTI OSSEI

(PMMA)(PMMA)

Prima partePrima parte

(dalla tesi di diploma in Ingegneria Biomedica (dalla tesi di diploma in IngegneriaBiomedica di Paolodi Paolo CigagnaCigagna))

Premessa Premessa

Il cemento osseo, o cemento acrilico, appartiene alla classe Il cemento osseo, o cemento acrilico, appartiene alla classe delle resine acriliche autoindurentidelle resine acriliche autoindurenti; esso è costituito da due; esso è costituito da due componenti, una polvere ed un liquido, a base dicomponenti, una polvere ed un liquido, a base di polimetilmetacrilato (PMMA).polimetilmetacrilato (PMMA).

L'utilizzo del PMMA risale agli anni trenta, ma il primo impiegoL'utilizzo del PMMA risale agli anni trenta, ma il primo impiego in ambito ortopedico per il fissaggio di protesi d’anca è delin ambito ortopedico per il fissaggio di protesi d’anca è del 1960: questa data segna l'inizio dell'evoluzione del cemento1960: questa data segna l'inizio dell'evoluzione del cemento osseo, che nel corso degli anni ha subito notevoli modifiche eosseo, che nel corso degli anni ha subito notevoli modifiche e perfezionamenti sia dal punto di vista della formulazioneperfezionamenti sia dal punto di vista della formulazione chimica che delle applicazioni cliniche e delle tecniche dichimica che delle applicazioni cliniche e delle tecniche di preparazione.preparazione.

La funzione del cemento è di rilevante importanza ma non può La funzione del cemento è di rilevante importanza ma non può essere trascurata la risposta che il PMMA provoca sui tessutiessere trascurata la risposta che il PMMA provoca sui tessuti con i quali viene a contatto.con i quali viene a contatto.

Il difetto principale del cemento osseo, tralasciando Il difetto principale del cemento osseo, tralasciando alcuni aspetti meccanici, consiste dunque nellaalcuni aspetti meccanici, consiste dunque nella tossicità dei suoi componentitossicità dei suoi componenti ..

La formulazione chimica include infatti sostanze quali laLa formulazione chimica include infatti sostanze quali la dimetilparatoluidina dimetilparatoluidina (DMPT), il(DMPT), il perossido di benzoileperossido di benzoile e ile il fattore inibentefattore inibente idrochinoneidrochinone , oltre al, oltre al monomero MMAmonomero MMA ,, tutte riconosciute come dannose per l'organismo, poichétutte riconosciute come dannose per l'organismo, poiché possono colpire organi quali i polmoni, il fegato ed i reni.possono colpire organi quali i polmoni, il fegato ed i reni.

Oltre a ciò, a tali sostanze è attribuibile la reazione del tessuto Oltre a ciò, a tali sostanze è attribuibile la reazione del tessuto all'interfaccia osso-all'interfaccia osso-cemento, che può causare il fallimentocemento, che può causare il fallimento dell'impianto.dell'impianto.

Va poi sottolineata laVa poi sottolineata la (^) tossicità del solfato di bariotossicità del solfato di bario , che, che oltre ad indurre unaoltre ad indurre una risposta osteonecroticarisposta osteonecrotica , agisce sulla, agisce sulla differenziazione degli osteoclasti con conseguentedifferenziazione degli osteoclasti con conseguente riassorbimento osseo e formazione di lacune diriassorbimento osseo e formazione di lacune di riassorbimento.riassorbimento.

Il cemento osseo consente di adattare la protesi Il cemento osseo consente di adattare la protesi all’osso ospite, modificandone le dimensioni, il volumeall’osso ospite, modificandone le dimensioni, il volume e la forma e permettendo una distribuzione dellee la forma e permettendo una distribuzione delle sollecitazioni meccaniche per mezzo del suo modulosollecitazioni meccaniche per mezzo del suo modulo elastico.elastico.

Questa è una delle argomentazioni che più influiscono Questa è una delle argomentazioni che più influiscono nella scelta tra protesi cementate e non cementatenella scelta tra protesi cementate e non cementate ..

Nel caso di protesi non cementate i problemi che sorgonoNel caso di protesi non cementate i problemi che sorgono sono legati principalmente allasono legati principalmente alla mancanza di un ancoraggiomancanza di un ancoraggio meccanico primariomeccanico primario (^) e ad unae ad una notevole differenza tra inotevole differenza tra i moduli elastici dell’osso e dell’impiantomoduli elastici dell’osso e dell’impianto , che porta ad, che porta ad effetti lesivi qualieffetti lesivi quali scollamentoscollamento ,, necrosi osseanecrosi ossea ee riassorbimento osseo riassorbimento osseo ..

È dunque chiaro che, nel corso degli anni, la visione del ruolo È dunque chiaro che, nel corso degli anni, la visione del ruolo del cemento osseo si è notevolmente ampliata; attualmente,del cemento osseo si è notevolmente ampliata; attualmente, mediante formulazioni chimiche arricchite rispetto allemediante formulazioni chimiche arricchite rispetto alle tradizionali, si è giunti a valutare la capacità del cementotradizionali, si è giunti a valutare la capacità del cemento osseo anche in termini diosseo anche in termini di stimolazione osteogenicastimolazione osteogenica ..

L’utilizzo di un materiale in un ambiente aggressivo e alloL’utilizzo di un materiale in un ambiente aggressivo e allo stesso tempo delicato, come quello biologico, comportastesso tempo delicato, come quello biologico, comporta indubbiamente l’insorgenza di alcune problematiche legate siaindubbiamente l’insorgenza di alcune problematiche legate sia all’ambiente stesso che alle caratteristiche proprie delall’ambiente stesso che alle caratteristiche proprie del materiale.materiale.

3. Il terzo difetto è legato ad un fenomeno che segue alla 3. Il terzo difetto è legato ad un fenomeno che segue alla reazione di polimerizzazione ovvero ilreazione di polimerizzazione ovvero il ritiro volumetricoritiro volumetrico , o, o meglio “ritiro postmeglio “ritiro post--curingcuring”: questo fattore può essere collegato”: questo fattore può essere collegato alla porosità secondo una relazione di proporzionalità inversa.alla porosità secondo una relazione di proporzionalità inversa.

Nel sistema ossoNel sistema osso--cementocemento--impiantoimpianto artroprotesicoartroprotesico il punto diil punto di maggiore debolezza è dovuto alla presenza dimaggiore debolezza è dovuto alla presenza di (^) tre materialitre materiali diversi caratterizzati da tre moduli elastici differentidiversi caratterizzati da tre moduli elastici differenti ..

4. Infine non si può non sottolineare la4. Infine non si può non sottolineare la rispostarisposta infiammatoria che viene evocata dalla reazione delleinfiammatoria che viene evocata dalla reazione delle particelle di cemento a contatto con i tessutiparticelle di cemento a contatto con i tessuti circostanticircostanti ..

Da questa breve panoramica sulle conseguenze dell’utilizzo di Da questa breve panoramica sulle conseguenze dell’utilizzo di un cemento osseo è abbastanza chiaro che la questioneun cemento osseo è abbastanza chiaro che la questione risulta piuttosto complessa e per certi aspetti rischiosa; adrisulta piuttosto complessa e per certi aspetti rischiosa; ad ogni modo un dato rassicurante deriva dal fatto che,ogni modo un dato rassicurante deriva dal fatto che, statisticamente, lastatisticamente, la probabilità di sopravvivenza delleprobabilità di sopravvivenza delle artroprotesi cementate impiantate è, per pazienti conartroprotesi cementate impiantate è, per pazienti con età superiore ai 50 anni, circa del 90% dopo 15 annietà superiore ai 50 anni, circa del 90% dopo 15 anni ..

Tra gli agenti che vengono Tra gli agenti che vengono comunemente aggiunti alcomunemente aggiunti al cemento si riscontrano lecemento si riscontrano le sostanze radio- sostanze radio-opacheopache ..

La radio-La radio-opacità è un requisitoopacità è un requisito essenziale nella diagnosi post-essenziale nella diagnosi post- operatoria perché consente,operatoria perché consente, attraverso indagineattraverso indagine radiografica, di valutare sia laradiografica, di valutare sia la riuscita dell’intervento inriuscita dell’intervento in termini di ancoraggiotermini di ancoraggio meccanico primario, sia lemeccanico primario, sia le proprietà dell’interfacciaproprietà dell’interfaccia cemento-cemento-osso e cementoosso e cemento-- impianto.impianto.

I cementi commercialmente disponibili presentano, dal punto I cementi commercialmente disponibili presentano, dal punto di vista della composizione, differenze marginali; gli agentidi vista della composizione, differenze marginali; gli agenti radio-radio-opachi usati sonoopachi usati sono BaSOBaSO 44 ee ZrOZrO 22 , presenti in percentuali, presenti in percentuali diverse nei vari cementi.diverse nei vari cementi.

Recentemente è stata sviluppata una nuova formulazione cheRecentemente è stata sviluppata una nuova formulazione che contienecontiene (^) 6% di BaSO6% di BaSO 44 e 6% di NaFe 6% diNaF : è questo il caso del: è questo il caso del Fluoride Bone Fluoride Bone CementCement ®®^ che è stato utilizzato, inche è stato utilizzato, in concomitanza con ilconcomitanza con il Cemex RXCemex RX ®®^ (9% BaSO(9% BaSO 44 ), nella), nella sperimentazione di cui in seguito verranno discusse lesperimentazione di cui in seguito verranno discusse le modalità.modalità.

La presenza di una percentuale di NaF La presenza di una percentuale diNaF ha lo scopo diha lo scopo di stimolare la crescita ossea e quindi di velocizzare ilstimolare la crescita ossea e quindi di velocizzare il ripristino delle proprietà dei tessuti circostantiripristino delle proprietà dei tessuti circostanti all’impiantoall’impianto ..

−− Cementi con piCementi con piùù basso modulo elastico ed alta duttilitbasso modulo elastico ed alta duttilitàà −− Cemento con modulo ridotto dall'inserimento di un polimero a baCemento con modulo ridotto dall'inserimento di un polimero a bassa temperatura dissa temperatura di transizione vetrosa nel componente in polveretransizione vetrosa nel componente in polvere −− Cementi con resistenza a fatica migliorata usandoCementi con resistenza a fatica migliorata usando copolimericopolimeri basati su PMMAbasati su PMMA −− Sviluppo diSviluppo di attivatoriattivatori meno tossici della DMPT e che possano essere anche chimicamentmeno tossici della DMPT e che possano essere anche chimicamentee incorporati nel cementoincorporati nel cemento −− Miglioramento degli agenti radioMiglioramento degli agenti radio--opachiopachi −− Cementi a bassa viscositCementi a bassa viscositàà con velocitcon velocitàà di polimerizzazione pidi polimerizzazione piùù elevataelevata

44

−− Sviluppo di standard per i test meccaniciSviluppo di standard per i test meccanici −− Sviluppo di standard di conservazione, di invecchiamento e di cSviluppo di standard di conservazione, di invecchiamento e di condizioneondizione −− Standardizzazione dei metodi di presentazione dei risultati deiStandardizzazione dei metodi di presentazione dei risultati dei test sulle propriettest sulle proprietàà di faticadi fatica dei cementidei cementi −− Effetto dei metodi di sterilizzazione sulle proprietEffetto dei metodi di sterilizzazione sulle proprietàà dei cementidei cementi −− Sviluppo di strumenti per la preparazione del cementoSviluppo di strumenti per la preparazione del cemento

(^33)

−− Effetto della mescola sottovuoto sul tempo di indurimento del cEffetto della mescola sottovuoto sul tempo di indurimento del cementoemento −− Effetto della temperatura dei componenti sulle proprietEffetto della temperatura dei componenti sulle proprietàà del cementodel cemento −− Effetto del metodo di mescola sulla resistenza a frattura del cEffetto del metodo di mescola sulla resistenza a frattura del cementoemento −− Ruolo della porositRuolo della porositàà ed altre caratteristiche sulle proprieted altre caratteristiche sulle proprietàà meccaniche del cementomeccaniche del cemento

(^22)

−− Effetto dei metodi di mescola sul tempo di indurimento e sul piEffetto dei metodi di mescola sul tempo di indurimento e sul piccocco esotermicoesotermico (^11) −− Valutazione delle proprietValutazione delle proprietàà meccaniche e chimicomeccaniche e chimico--fisiche delle diverse formulazionifisiche delle diverse formulazioni

Cementi ossei: caratteristiche principali Cementi ossei: caratteristiche principali

Commercialmente si può trovare una considerevole gamma di Commercialmente si può trovare una considerevole gamma di cementi ossei ed un loro accurato confronto risulterebbecementi ossei ed un loro accurato confronto risulterebbe difficile.difficile.

Ad ogni modo si possono elencare dei parametri che sono gliAd ogni modo si possono elencare dei parametri che sono gli elementi distintivi tra prodotti diversi.elementi distintivi tra prodotti diversi.