Zmodyfikowany cement kostny w artroplastyce – przełom w leczeniu stawu biodrowego

Czym zmodyfikowany cement kostny wpływa na artroplastykę stawu biodrowego?

Badania nad zmodyfikowanym cementem kostnym ES-CS-PMMA wykazują obiecujące wyniki w kontekście endoprotezoplastyki stawu biodrowego, nie wpływając negatywnie na rozkład naprężeń mechanicznych w porównaniu do tradycyjnego PMMA. Naukowcy opracowali cement kostny zawierający enoksaparynę sodową (ES) zamkniętą w mikrosferach chitozanowych (CS), który ma na celu zminimalizowanie powikłań związanych ze standardowym cementem PMMA, jednocześnie zachowując jego właściwości mechaniczne.

Artroplastyka stawu biodrowego stała się niezbędną procedurą w leczeniu złamań szyjki kości udowej, martwicy głowy kości udowej, zapalnego zapalenia stawów i innych schorzeń. Z przyspieszeniem starzenia się populacji i wzrostem częstości występowania chorób układu mięśniowo-szkieletowego na całym świecie, liczba wykonywanych zabiegów gwałtownie wzrosła. Polimetakrylan metylu (PMMA) został wprowadzony do praktyki klinicznej przez profesora Charnleya w połowie XX wieku i od tego czasu jest szeroko stosowany w dziedzinie artroplastyki stawów.

Mimo że cementowe endoprotezy stawów wykazują niższe wskaźniki rewizji w porównaniu do bezcementowych, szczególnie u pacjentów w podeszłym wieku, PMMA ma istotne wady. Monomer metakrylanu metylu (MMA) wykazuje toksyczność, a egzotermiczna reakcja polimeryzacji może powodować martwicę termiczną okolicznych tkanek. Dodatkowo, produkty martwicy termicznej i cząsteczki cementu mogą wywoływać miejscowy stan zapalny, prowadząc do resorpcji kości na granicy cement-kość i zwiększając ryzyko aseptycznego obluzowania implantu.

Czy kombinacja ES i mikrosfer chitozanowych to przełom w artroplastyce?

Aby złagodzić te negatywne efekty, opracowano cement ES-PMMA zawierający enoksaparynę sodową. ES-PMMA uwalnia terapeutycznie istotne stężenia ES w ciągu 24 godzin, osiągając skuteczność przeciwzakrzepową poprzez hamowanie białka CD40 w komórkach śródbłonka naczyniowego. Dodatkowo, ES-PMMA indukuje polaryzację makrofagów M2, zwiększa wydzielanie mediatorów przeciwzapalnych i promuje osteogenezę na granicy cement-kość. Jednak ES-PMMA charakteryzuje się szybkim uwalnianiem leku i krótkim oknem terapeutycznym.

W celu rozwiązania tego problemu, naukowcy zastosowali chitozan (CS) – opłacalny, biodegradowalny polimer o wysokiej zdolności do wiązania leków – jako nośnik o przedłużonym uwalnianiu. Poprzez połączenie ES z CS w celu utworzenia mikrosfer zawierających lek i zintegrowanie ich z PMMA, opracowano cement kostny ES-CS-PMMA. W porównaniu do ES-PMMA, ES-CS-PMMA wykazuje zmniejszone uwalnianie początkowe, wydłużony czas uwalniania oraz zwiększoną zdolność do ciągłego hamowania stanu zapalnego i stymulowania osteogenezy wokół implantu.

Jak modyfikacja cementu wpływa na rozkład naprężeń?

Badacze przeprowadzili kompleksową analizę mechaniczną obu rodzajów cementu. Wykorzystując metodę ultradźwiękową, wykazali, że moduł Younga (miara sztywności materiału) dla tradycyjnego PMMA wynosi 4127 MPa, a dla ES-CS-PMMA 4331 MPa. Współczynnik Poissona (miara odkształcalności poprzecznej) wynosił odpowiednio 0,25 i 0,28. Wyniki te wskazują, że dodanie mikrosfer chitozanowych do PMMA może zwiększyć sztywność materiału, co może być korzystne dla stabilności implantu.

Aby ocenić wpływ zmodyfikowanego cementu na rozkład naprężeń w endoprotezie stawu biodrowego, naukowcy przeprowadzili analizę metodą elementów skończonych (FEA). Wykorzystując dane CT zdrowego mężczyzny, stworzyli trójwymiarowy model kości udowej i implantu tytanowego. Symulowano obciążenia odpowiadające powolnemu chodowi osoby o masie 70 kg, uwzględniając siły mięśniowe działające na staw biodrowy.

Analiza naprężeń von Misesa (powszechnie stosowana miara w inżynierii mechanicznej do oceny wytrzymałości materiałów) wykazała, że implantacja protezy znacząco zmienia przenoszenie obciążeń w kości udowej. W naturalnej kości udowej naprężenia są głównie rozłożone wzdłuż stron przednio-przyśrodkowej i tylno-bocznej, skoncentrowane w kości korowej, z obciążeniem stopniowo wzrastającym od regionu proksymalnego do dystalnego. Po implantacji protezy, naprężenia w kości zmniejszają się, a obciążenie jest przenoszone głównie przez trzpień protezy.

Badacze przeprowadzili szczegółową analizę rozkładu naprężeń, dzieląc model kości udowej na regiony proksymalne (1-5), środkowe (6-10) i dystalne (11-15). W regionach proksymalnych i środkowych nie zaobserwowano istotnych różnic w średnich naprężeniach między trzema modelami (naturalną kością udową, PMMA i ES-CS-PMMA), chociaż naprężenia w kości korowej były przenoszone na trzpień protezy. W regionie dystalnym średnie naprężenie po implantacji protezy było znacząco niższe niż w naturalnej kości udowej (p < 0,05).

Analiza szczytowych naprężeń wykazała, że po implantacji protezy, najwyższe naprężenia szczytowe występowały w regionach proksymalnych 3 i 4 oraz dystalnym regionie 15. W regionie środkowym implantacja protezy powodowała większe naprężenia szczytowe niż w naturalnej kości udowej (p < 0,001). Jednak nie zaobserwowano istotnych różnic w naprężeniach szczytowych między dwoma rodzajami cementu kostnego.

Czy modyfikowany cement pokonuje kliniczne wyzwania?

Wyniki te mają istotne implikacje kliniczne. Cement ES-CS-PMMA może potencjalnie zmniejszyć ryzyko powikłań związanych z tradycyjnym PMMA, takich jak zakrzepica, stan zapalny i aseptyczne obluzowanie, jednocześnie zachowując porównywalną stabilność mechaniczną. Jest to szczególnie istotne dla pacjentów w podeszłym wieku z obniżoną jakością kości, którzy mogą odnieść największe korzyści z cementowanej endoprotezoplastyki.

Zgodnie z raportem z 2018 roku opublikowanym przez Australian Orthopaedic Association National Joint Replacement Registry, protezy bezcementowe wykazują znacznie podwyższone ryzyko rewizji u pacjentów powyżej 80 roku życia, szczególnie w ciągu pierwszych trzech miesięcy po operacji. Złamania okołoprotezowe, zwłaszcza dotyczące komponentów udowych, są najczęstszą przyczyną rewizji. Badania Burnetta i współpracowników wykazały, że ryzyko powikłań chirurgicznych w bezcementowej artroplastyce stawu biodrowego w przypadku złamań szyjki kości udowej jest wyższe niż w artroplastyce cementowanej, z 11-krotnie zwiększonym ryzykiem złamania okołoprotezowego w porównaniu do artroplastyki cementowanej.

Autorzy badania podkreślają jednak pewne ograniczenia swojego modelu. Symulacja nie uwzględnia pełnego zakresu sił wielokierunkowych działających na staw biodrowy, takich jak siły skręcające i dynamiczne siły ścinające. Ponadto, model zakłada pełne połączenie między implantem, cementem i kością, nie uwzględniając mikroruchomości, które mogą występować w warunkach klinicznych. Przyszłe badania powinny integrować wielomodalne warunki obciążenia i stosować modele kontaktu z tarciem, aby lepiej odzwierciedlać rzeczywiste warunki biomechaniczne.

Badacze zwracają również uwagę, że choć ich model uwzględnia obciążenia związane z powolnym chodem, co jest lepsze niż uproszczenia związane ze staniem na jednej nodze, to nie odtwarza w pełni wielokierunkowego środowiska obciążeniowego stawu biodrowego. Krytyczne pominięcia obejmują siłę skręcającą i dynamiczne siły ścinające. Te uproszczenia prawdopodobnie zaniżają naprężenia ścinające na granicy trzpień-cement i zaciemniają kierunkowo-specyficzne wzorce mikroruchów, szczególnie wpływające na oceny stabilności implantów zapobiegających rotacji.

Jakie perspektywy daje nowa era cementu kostnego?

Pomimo tych ograniczeń, badanie dostarcza cennych informacji na temat biomechaniki zmodyfikowanego cementu kostnego. Porównywalny rozkład naprężeń w osłonce cementowej między grupami ES-CS-PMMA i PMMA sugeruje podobne mechanizmy zmęczeniowego uszkodzenia w zmodyfikowanym cemencie. Wskazuje to, że przyszłe testy in vitro powinny priorytetowo traktować monitorowanie propagacji pęknięć na powierzchni styku po milionie cykli, zamiast krótkoterminowej degradacji wytrzymałości.

Warto zauważyć, że chociaż analiza FE przyjmowała obciążenia związane z chodem dla dorosłego mężczyzny o masie 70 kg, waga i wiek pacjenta krytycznie zmieniają odpowiedź biomechaniczną. Zwiększenie masy ciała znacznie podnosi dynamiczną siłę działającą na staw biodrowy, znacząco zwiększając naprężenie osłonki cementowej, przy czym mikroruchy na powierzchni styku mogą potencjalnie przekraczać próg resorpcji kości. Pacjenci w podeszłym wieku wykazują wyraźnie niższy moduł kości beleczkowej, zwiększając osłonięcie naprężeń w proksymalnej części kości udowej i intensyfikując koncentrację naprężeń ścinających na powierzchniach styku trzpień-cement.

Podsumowując, badanie potwierdza, że dodanie odpowiedniej ilości leków lub innych substancji aktywnych do cementu kostnego nie pogarsza jego właściwości mechanicznych. Cement ES-CS-PMMA może stanowić obiecującą alternatywę dla tradycyjnego PMMA w endoprotezoplastyce stawu biodrowego, potencjalnie poprawiając wyniki kliniczne poprzez zmniejszenie ryzyka powikłań przy zachowaniu stabilności mechanicznej implantu. Moduł Younga PMMA wynosił 4127 MPa z współczynnikiem Poissona 0,25, podczas gdy ES-CS-PMMA wykazywał moduł Younga 4331 MPa i współczynnik Poissona 0,28. Te dane stanowią podstawę dla przyszłych badań nad implantami cementowymi lub artroplastyką stawu biodrowego.

Podsumowanie

Zmodyfikowany cement kostny ES-CS-PMMA stanowi znaczący postęp w dziedzinie endoprotezoplastyki stawu biodrowego. Zawiera on enoksaparynę sodową zamkniętą w mikrosferach chitozanowych, co pozwala na przedłużone uwalnianie leku i zmniejszenie powikłań związanych ze standardowym cementem PMMA. Badania wykazały, że ES-CS-PMMA charakteryzuje się porównywalnym rozkładem naprężeń mechanicznych jak tradycyjny PMMA, przy czym jego moduł Younga wynosi 4331 MPa, a współczynnik Poissona 0,28. Cement ten wykazuje skuteczność przeciwzakrzepową, redukuje stan zapalny i promuje osteogenezę na granicy cement-kość. Jest szczególnie korzystny dla pacjentów w podeszłym wieku, u których protezy cementowe wykazują niższe wskaźniki rewizji w porównaniu do bezcementowych. Analiza metodą elementów skończonych potwierdziła, że modyfikacja cementu nie wpływa negatywnie na stabilność mechaniczną implantu, zachowując jednocześnie wszystkie korzyści terapeutyczne.