Najwcześniej opracowanym materiałem do wypełnień kostnych jest polimetakrylan metylu (PMMA). Polimer ten należy do grupy żywic akrylowych i jest przygotowywany w warunkach pokojowych podczas operacji poprzez polimeryzację monomeru metakrylanu metylu w obecności substancji inicjujących, aktywujących oraz stabilizujących reakcję. W ortopedii głównym zadaniem wypełnień kostnych jest przymocowanie implantów stawowych do kości i dostarczenie antybiotyków. Wypełnienia na bazie PMMA charakteryzują się dobrymi właściwościami mechanicznymi i są łatwo dostarczane do organizmu przez zastrzyki. Szybko ulegają jednak zużyciu i mają słabą biokompatybilność, przez co nie są dobrze przytwierdzone do odpowiedniej tkanki. W wyniku tego po dłuższym czasie ulegają poluzowaniu. Dodatkowo podczas reakcji twardnienia polimeru w organizmie wydzielane jest ciepło, które może uszkadzać otaczające komórki. Aby zmniejszyć te działania niepożądane, polimetakrylan metylu jest modyfikowany przez inne substancje. Naukowcy opracowują również alternatywne materiały, które mogłyby służyć jako wypełnienia kostne.

Modyfikacje polimetakrylanu metylu

PMMA modyfikowany jest głównie w celu osiągnięcia właściwości antybakteryjnych. Dostarczenie antybiotyku do miejsca zabiegu jest kluczowe z uwagi na wzmożone ryzyko infekcji. Najczęściej do polimeru dodawana jest gentamycyna lub erytromycyna ze względu na zdolność oddziaływania na szerokie spektrum bakterii. Antybiotyki uwalniane są stopniowo w miejscu zagrożonym infekcją, działając na patogeny, zanim rozpoczną one szkodliwe działanie. Stosowane mogą być również antybiotyki na nośnikach, takich jak żelatyna, która umożliwia kontrolowane, a nie swobodne ich uwalnianie.

Oprócz antybiotyków polimetakrylan metylu może być modyfikowany za pomocą pierwiastków lub związków, które wykazują działanie antybakteryjne. Naukowcy dowodzą, że bezpieczne dla człowieka i wydajne działanie zapewniają m.in. domieszki nanocząstek złota, miedzi, tlenku miedzi oraz tlenku cynku. Każde z tych wypełnień oddziałuje na inne rodzaje bakterii, a zatem stosowanie takich modyfikacji wiązałoby się z dokładnym określeniem, jakie patogeny mogą zaatakować tkankę. Uwagę naukowców skupiają również biokompatybilne materiały (hydroksyapatyt, chitozan lub fosforan trójwapniowy), które można dodać do akrylowej bazy z PMMA. Badacze z Tajwanu stworzyli wypełnienie akrylowe z dodatkiem fosforanu trójwapniowego oraz chitozanu, co umożliwiło uzyskanie właściwości zbliżonych do ludzkich kości. Chitozan wykazuje działanie antybakteryjne i promujące rozwój tkanki kostnej, natomiast za właściwości mechaniczne wypełnienia odpowiada fosforan trójwapniowy. Jego dodatek zmniejsza również szkodliwe dla organizmu ciepło wydzielanie podczas reakcji polimeryzacji.

Alternatywne wypełnienia kostne

Opracowywane nowoczesne wypełnienia kostne opierają się na kilku związkach i pierwiastkach: wapniu, glikolu polietylenowym, żelatynie i tlenku grafenu. Całkowite odejście od stosowania polimetakrylanu metylu pozwala na stworzenie nowych i możliwie bardziej wydajnych materiałów, jednak są one dopiero w fazie początkowych badań. Chińscy naukowcy opracowali bioaktywny materiał, wykorzystując związki organiczne i nieorganiczne: krzemian wapnia, alginian sodu oraz półwodny siarczan wapnia. Ich celem było zwiększenie właściwości mechanicznych poprzez połączenie krzemianu wapnia i alginianu sodu oraz poprawa biodegradowalności i czasu utwardzania w organizmie dzięki dodaniu siarczanu wapnia. W rezultacie otrzymano wypełnienie o wytrzymałości porównywalnej do kości korowej człowieka. Co więcej, materiał kompozytowy charakteryzował się niską cytotoksycznością i zapewniał proliferację komórek tkanki kostnej.

Wypełnienie na bazie krzemianu wapnia zostało również zmodyfikowane przez zespół badaczy za pomocą glikolu polietylenowego i tlenku grafenu. Tlenek grafenu, oprócz wzmocnienia wytrzymałości materiału, zapewnia też właściwości antybakteryjne oraz wspomaga proliferację komórek. Właściwości bioaktywne tlenku grafenu są dodatkowo zwiększane dzięki modyfikacji glikolem polietylenowym, który poprawia także rozpuszczalność tlenku grafenu. Wytrzymałość krzemianu wapnia wzrosła w wyniku modyfikacji o ponad 130%. Wykazano również, że cytotoksyczne działanie tlenku grafenu w małych jego stężeniach jest znikome, a zatem ten materiał, jeśli pomyślnie przejdzie badania kliniczne, będzie mógł być bezpiecznie stosowany, zamiast modyfikowanego PMMA.