Гибридные материалы на основе полиметилметакрилата и природных биополимеров как основа для повышения качества костных цементов

Одним из наиболее распространенных и востребованных материалов для костной хирургии на сегодняшний день остается костный цемент на основе полиметилметакрилата. Основные направления научных изысканий сосредоточены на создании цементов нового поколения, обладающих комплексом улучшенных свойств, таких как снижение экзотермического эффекта при отверждении, повышение биосовместимости, возможность регулирования механических параметров медицинского изделия, продление срока службы имплантатов. Одним из наиболее перспективных вариантов достижения улучшенных функциональных свойств костных цементов является разработка нанокомпозитных систем с применением биополимерных модификаторов. Целью проведенной работы являлось исследование способа создания композитного материала на основе полиметилметакрилата и биополимеров, позволяющего получать составы для акрилатных костных цементов с равномерным распределением наноцеллюлозы в объеме материала. Предложенный способ получения композитного материала основан на предварительной полимеризации метилметакрилата на волокнах целлюлозы с последующим использованием получаемого материала в качестве одного из компонентов костного цемента. Для полученных таким способом образцов исследован температурной профиль полимеризации, изучены механические свойства, проанализированы структура и морфология методом электронной микроскопии. Модификация костных цементов материалами на основе целлюлозы позволила увеличить длительность и повысить эффективность высвобождения антибиотика из состава модифицированного костного цемента. При этом разработанные материалы модифицированных костных цементов обладают сопоставимыми механическими свойствами по сравнению с классическими коммерческими составами.

1. Seesala V.S., Sheikh L., Basu B., Mukherjee S. Mechanical and bioactive properties of PMMA bone cement: a review. ACS Biomaterials Science & Engineering. 2024;10(10):5939-5959. DOI: 10.1021/acsbiomaterials.4c00779.

2. Merajikhah A., Soleimani M. Bone cement and occupational hazards for healthcare providers and patients: a narrative review. Current Surgery Reports. 2024;12(8):252-259. DOI: 10.1007/s40137-024-00408-w.

3. Stojkovic M., Milovanovic J., Vitkovic N., Trajanovic M., Grujovic N., Milivojevic V., et al. Reverse modeling and solid free-form fabrication of sternum implant. Austral-asian Physical & Engineering Sciences in Medicine. 2010;33(3):243-250. DOI: 10.1007/s13246-010-0029-1.

4. Provenzano M.J., Murphy K.P.J., Riley L.H. Bone cements: review of their physiochemical and biochemical properties in percutaneous vertebroplasty. American Journal of Neuroradiology. 2004;25(7):1286-1290.

5. Kuehn K.-D., Ege W., Gopp U. Acrylic bone cements: composition and properties. Orthopedic Clinics of North America. 2005;36(1):17-28. DOI: 10.1016j.ocl.2004.06.010.

6. Lewis G. Properties of acrylic bone cement: state of the art review. Journal of Biomedical Materials Research. 1997;38(2):155-182. DOI: 10.1002/(sici)1097-4636(199722)38:2<155::aid-jbm10>3.0.co;2-c.

7. Magnan B., Bondi M., Maluta T., Samaila E., Schirru L., Dall’Oca C. Acrylic bone cement: current concept review. Musculoskeletal Surgery. 2013;97(2):93-100. DOI: 10.1007/s12306-013-0293-9.

8. Saleh K.J., El Othmani M.M., Tzeng T.H., Mihalko W.M., Chambers M.C., Grupp T.M. Acrylic bone cement in total joint arthroplasty: a review. Journal of Orthopaedic Research. 2016;34(5):737-744. DOI: 10.1002/jor.23184.

9. Balato G., Roscetto E., Vollaro A., Galasso O., Gasparini G., Ascione T., et al. Bacterial biofilm formation is variably inhibited by different formulations of antibiotic-loaded bone cement in vitro. Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 2019;27(6):1943-1952. DOI: 10.1007/s00167-018-5230-x.

10. Gao Z., Kan Y.-C., Xie Y.-H., Guo R., Li C., Xu Y., et al. A review on non-leaching antibacterial bone cement for orthopedic surgery: from past to current insights. AIP Advances. 2023;13(10):1-10. DOI: 10.20944/preprints202308.1315.v1.

11. Opalko M., Bösebeck H., Vogt S. Properties and clinical application safety of antibiotic-loaded bone cement in kyphoplasty. Journal of Orthopaedic Surgery and Research. 2019;14(1):238. DOI: 10.1186/s13018-019-1200-3.

12. Chang Y.H., Tai C.L., Hsu H.Y., Hsieh P.H., Lee M.S., Ueng S.W.N. Liquid antibiotics in bone cement. Bone & Joint Research. 2014;3(8):246-251. DOI: 10.1302/2046-3758.38.2000305.

13. Van Mullem P.J., de Wijn J.R., Vaandrager J.M. Porous acrylic cement: evaluation of a novel implant material. Annals of Plastic Surgery. 1988;21(6):576-582. DOI: 10.1097/00000637-198812000-00015.

14. Schreurs B.W., Spierings P.T., Huiskes R., Slooff T.J. Effects of preparation techniques on the porosity of acrylic cements. Acta Orthopaedica Scandinavica. 1988;59(4):403-409. DOI: 10.3109/17453678809149391.

15. Bao L., Li X., Qi Y., Wang Z., Li J. PEG/SBA-15-containing acrylic bone cement with enhanced drug release. Chemical Engineering Science. 2020;215:115379. DOI: 10.1016/j.ces.2019.115379.

16. Chao B., Jiao J., Yang L., Wang Y., Yu T., Liu H., et al. Comprehensive evaluation and advanced modification of polymethylmethacrylate cement in bone tumor treatment. Journal of Materials Chemistry B. 2023;11(39):9369-9385. DOI: 10.1039/d3tb01494k.

17. Rasyid H.N., van der Mei H.C., Frijlink H.W., Soegijoko S., van Horn J.R., Busscher H.J., et al. Concepts for increasing gentamicin release from handmade bone cement beads. Acta Orthopaedica. 2009;80(5):508-513. DOI: 10.3109/17453670903389782.

18. Kenny S.M., Buggy M. Bone cements and fillers: a review. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 2003;14(11):923-938. DOI: 10.1023/a:1026394530192.

19. Lee S.J., Yoo J.J., Atala A. Biomaterials and tissue engineering. In: Kim B.W. (ed.). Clinical Regenerative Medicine in Urology. Singapore: Springer; 2017, p. 17-51. DOI: 10.1007/978-981-10-2723-9_2.

20. Harper E.J. Bioactive bone cements. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 1998;212(2):113-120. DOI: 10.1243/0954411981533881.

21. Robu A., Antoniac A., Ciocoiu R., Grosu E., Rau J.V., Fosca M., et al. Effect of the Antimicrobial Agents Peppermint Essential Oil and Silver Nanoparticles on Bone Cement Properties. Biomimetics. 2022;7(3):137. DOI: 10.3390/biomimetics7030137.

22. Verné E., Bruno M., Miola M., Maina G., Bianco C., Cochis A., et al. Composite bone cements loaded with a bioactive and ferrimagnetic glass-ceramic: leaching, bioactivity and cytocompatibility. Materials Science and Engineering: C. 2015;53:95-103. DOI: 10.1016/j.msec.2015.03.039.

23. Wei W., Abdullayev E., Hollister A., Mills D., Lvov Y.M. Clay nanotube/poly(methyl methacrylate) bone cement composites with sustained antibiotic release. Macromolecular Materials and Engineering. 2012;297(7):645-653. DOI: 10.1002/mame.201100309.

24. Zheng X., Wang Y., Liu J., Han J., Cui Z., Wu S., et al. Gelatin/gentamicin sulfate-modified PMMA bone cement with proper mechanical properties and high antibacterial ability. Materials Research Express. 2022;9(3):035405. DOI: 10.1088/2053-1591/ac5e1f.

25. Chen L., Tang Y., Zhao K., Zha X., Liu J., Bai H., et al. Fabrication of the antibiotic-releasing gelatin/PMMA bone cement. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2019;183:110448. DOI: 10.1016/j.colsurfb.2019.110448.

26. Azuara G., García-García J., Ibarra B., Parra-Ruiz F.J., Asúnsolo A., Ortega M.A., et al. Experimental study of the application of a new bone cement loaded with broad spectrum antibiotics for the treatment of bone infection. Revista Española de Cirugía Ortopédica y Traumatología (English Edition). 2019;63(2):95-103. DOI: 10.1016/j.recot.2018.10.002.

27. Wang Q., Dong J.-F., Fang X., Chen Y. Application and modification of bone cement in vertebroplasty: a literature review. Joint Diseases and Related Surgery. 2022;33(2):467-478. DOI: 10.52312/jdrs.2022.628.

28. Ghasemi F. Jahani A., Moradi A., Ebrahimzadeh M.H., Jirofti N. Different modification methods of poly methyl methacrylate (PMMA) bone cement for orthopedic surgery applications. Archives of Bone and Joint Surgery. 2023;11(8):485-492. DOI: 10.22038/ABJS.2023.71289.3330.

29. Cherednichenko K., Sayfutdinova A., Rimashevskiy D., Malik B., Panchenko A., Kopitsyna M., et al. Composite bone cements with enhanced drug elution. Polymers. 2023;15(18):3757. DOI: 10.3390/polym15183757.

30. Wang Z., Nogueira L.P., Haugen H.J., Van Der Geest I.C., de Almeida Rodrigues P.C., Janssen D., et al. Dual-functional porous and cisplatin-loaded polymethylmethacrylate cement for reconstruction of load-bearing bone defect kills bone tumor cells. Bioactive Materials. 2022;15:120-130. DOI: 10.1016/j.bioactmat.2021.12.023.

31. Virto M.R., Frutos P., Torrado S., Frutos G. Gentamicin release from modified acrylic bone cements with lactose and hydroxypropylmethylcellulose. Biomaterials. 2003;24(1):79-87. DOI: 10.1016/s0142-9612(02)00254-5.