Kovakudosvaurioiden korjaussementti - lasikuituvahvisteinen huokoinen polymetyylimetakrylaatti
FT Mervi Puskan hammasprotetiikan ja biomateriaalitieteen alan väitöskirja "Acrylic bone cement - a study on the modification of polymethacrylate-based bone cement by porogen fillers, reinforcing glass fibres and semi-interpenetrating network structure" tarkastettiin Turun yliopiston lääketieteellisessä tiedekunnassa 17. joulukuuta 2004. Työn ovat ohjanneet professorit Pekka Vallittu ja Antti Yli-Urpo Turun yliopistosta sekä dosentti Ilkka Kangasniemi Vivoxid Oy:stä. Väitöskirjan esitarkastivat professorit Minna Kellomäki Tampereen teknillisestä yliopistosta ja Antonio Moroni Bolognan yliopistosta Italiasta. Vastaväittäjänä tilaisuudessa toimi professori Ari Rosling Åbo Akademista ja kustoksena professori Antti Yli-Urpo.
Kovakudosvaurioiden korjaamiseen hammaslääketieteessä (esim. hammasprotetiikassa) ja ortopediassa käytetään yleisesti akryylimuoveja. Kovakudosvaurioiden hoidossa nämä muovit ovat läheisessä kontaktissa korjattavan hammas- tai luukudoksen kanssa, samoin myös syljen, veren tai kudosnesteen kanssa. Hammaslääketieteessä akryylimuoveja käytetään lähinnä paikkausaineissa, irtoproteesien pohjalevyissä ja kiinteiden proteettisten rakenteiden sementointiaineina. Ortopediassa akryylimuoveja käytetään ensisijaisesti tekonivelten (esim. lonkka- tai polviproteesien) kiinnittämisessä elävään luukudokseen. Yleensä hammaslääketieteessä ja ortopediassa käytettävät akryyliset ei-biologisesti hajoavat muovit pohjautuvat kemiallisesti samoihin perusraaka-aineisiin: polymetyylimetakrylaattipitoiseen jauheeseen (PMMA, polymetyylimetakrylaatti) ja metyylimetakrylaattipitoiseen (MMA, metyylimetakrylaatti) monomeeriliuokseen. Inertit akryylimuovit valmistetaan lääketieteellisissä sovellutuksissa tavallisimmin sekoittamalla monomeeriliuos ja jauheseos viskoosiksi massaksi juuri ennen niiden applikaatiota kovakudokseen.
Biomateriaaleina käytettävistä täysin kovettuneista akryylimuoveista ei yleensä ole isäntäkudokselle haittaa, vaikkakin ne saattavat joskus luhistua mekaanisesti, jos niitä käytetään kantavien kudosten hoidossa. Elimistö saattaa myös joskus kokea rakenteeltaan hyvin tiiviit akryylimuovit ns. vieraiksi aineiksi, jolloin ne häiritsevät korjattavan kovakudoksen normaalia toimintaa, kuten esimerkiksi kasvua ja paranemista. Akryylimuovien vierasesinereaktion aiheuttaa enimmäkseen niiden ei-biologinen kiinnittyminen kovakudokseen. Ei-biologisessa kiinnittymisessä kovakudos ei kasva tarpeeksi läheiseen kontaktiin tiiviin, ei-huokoisen akryylimuovin kanssa. Huono kiinnittyminen aiheutuu siitä, että biomateriaaleina yleisesti käytettävät akryylimuovit eivät ole toiminnallisesti aktiivisia elävän kudoksen kanssa. Suurimman ongelman tiivis, kudoksen kanssa toiminnallisesti passiivinen akryylimuovi aiheuttaa, jos sitä käytetään sementointiaineena, varsinkin kiinnitettäessä ortopedisia tekoniveliä kovakudokseen.
Tutkimuksen tavoite - uusi kovakudosvaurioiden korjaussementti
Väitöskirjatutkimus keskittyi uudentyyppisen, ns. huokoisen akryylisen polymeerirakenteen kehitystyöhön. Huokoinen rakenne mahdollistaa kovakudoksen kasvun sementointiaineen sisään. Sementointiaineen sisälle kasvavan uudiskudoksen uskotaan selkeästi parantavan implantin kiinnittymistä ympäröivään kovakudokseen, koska kovakudoksen ja sementointiaineen välinen sidospinta-ala on huomattavasti suurempi kuin perinteistä akryylimuovimateriaalia käytettäessä.
Menetelmät ja tulokset
Näytekappaleiden ja niissä täytteenä olevan huokoisuutta aiheuttavan aineen (ns. porogeenin) valmistusprosessit ja analyysit perustuivat yleisesti käytössä oleviin materiaalitieteen sekä orgaanisen- ja polymeerikemian työmenetelmiin. Väitöskirjatutkimuksessa akryylimuovimatriisin huokoistamiseksi käytettiin porogeenina trans-4-hydroksi-L-proliinista valmistettua oligomeeria. Porogeenin valmistussynteesi oli yksi väitöskirjatyön tavotteista.
Trans-4-hydroksi-L-proliini on luonnossa sekä kasvi- että eläinkunnassa yleisesti esiintyvä aminohappo. Elimistössä trans-4-hydroksi-L-proliini on yksi kollageenin pääkomponenteista. Polymetyylimetakrylaattimuovista valmistettujen näytekappaleiden ja sen eri porogeenia sisältävien modifikaatioiden mekaaniset ominaisuudet määritettiin taivutuslujuuden ja -moduulin sekä kompressiolujuuden ja -moduulin avulla. Mekaanisissa testeissä näytekappaleet jaoteltiin koostumuksen mukaan eri testiryhmiin. Testikappaleita säilytettiin joko kuivana tai viikon ajan kosteissa kokeellisissa in vitro -olosuhteissa (+37°C).
Tulosten perusteella voidaan todeta, että kovakudoksen yhdistävälle luutumiselle välttämätön huokoinen rakenne on mahdollista muodostaa lisäämällä vesiliukoista porogeenista täyteainetta, trans-4-hydroksi-L-proliinin oligomeeria, akryylimuovimatriisin joukkoon. Kosteissa kokeellisissa in vitro -olosuhteissa täyteaineen todettiin turpoavan ja liukenevan pois inertistä, lääketieteellisissä sovellutuksissa käytettävästä muovimatriisista. Huokoisen rakenteen todettiin kuitenkin heikentävän akryylimuovin mekaanisia ominaisuuksia. Tämä mekaanisten ominaisuuksien heikkenemä pystyttiin kuitenkin lähes kokonaan kompensoimaan lasikuitulujituksella ja lomittaisverkostorakenteella (engl. semi-interpenetrating polymer network, semi-IPN).
Loppupäätelmä
Tässä väitöskirjatutkimuksessa kehitetty huokoinen sementointiaine antaa perustan in vivo -olosuhteissa tapahtuvalle jatkotutkimukselle. Mikäli tutkimusta jatketaan riittävästi, on tulevaisuudessa käytössä toiminnallisesti aktiivinen, kaupallinen kovakudosvaurioiden korjausmateriaali, joka on huokoinen, lasikuituvahvistettu polymetyylimetakrylaatin modifikaatio.
A new porous modification of polymethyl-methacrylate-based matrix polymer for hard tissue reconstructions
In medicine, acrylic polymers are used in several applications. Typically, acrylic polymers are used as filling components or polymer matrix in prosthetic materials (e.g. in fibre reinforced composite, FRC, bridges) in dentistry. In orthopaedics, acrylic polymers (bone cements) are used to fix total joint replacements to bone. The polymer structure of acrylic polymer for medical applications consists of polymethylmethacrylate, PMMA, or related copolymers.
The experimental part of this doctoral thesis was focused on the mechanical properties of porous PMMA matrix reinforced with E-glass fibres and a semi-interpenetrating network (semi-IPN) structure. The porous structure, which was obtained by trans-4-hydroxy-L-proline-based oligomer porogen filler, is supposed to support the bone ingrowth and strengthen the implant connection to hard tissue. To synthesize porogen filler (i.e. trans-4-hydroxy-L-proline-based oligomer) by the melt polycondensation method was one objective of this study.
According to the results of this study, it was noticed that the weakening of the PMMA matrix by the porous structure could be offset by reinforcing the matrix with E-glass fibres. It can be concluded that the PMMA matrices used for both dental and medical applications can be modified in the direction where the matrix polymer has porosity that is reinforced with E-glass fibres and semi-IPN structure without considerably lowering the mechanical properties.
Osajulkaisut:
I Puska M, Kokkari A, Närhi T, Vallittu P. Mechanical properties of oligomer modified acrylic bone cement. Biomaterials 2003; 24(3): 417-425.
II Puska M, Lassila L, Närhi T, Yli-Urpo A, Vallittu P. Improvement of the mechanical properties of oligomer modified acrylic bone cement reinforced with glass fibers. Applied Composite Materials 2004; 11(1): 17-31.
III Puska M, Närhi T, Aho A, Yli-Urpo A, Vallittu P. Flexural properties of crosslinked and oligomer-modified glass fiber reinforced acrylic bone cement. J Mater Sci Mater Med 2004; 15(9): 1037-1043.
IV Puska M, Lassila L, Kangasniemi I, Aho A, Yli-Urpo A, Vallittu P. Exo-thermal characteristics and release of residual monomers from fiber-reinforced oligomer-modified acrylic bone cement. J BiomaterAppl, in press.
V Puska M, Airola K, Yli-Urpo A, Vallittu P. Synthesis and characterization of polyamide of trans-4-hydroxy-L-proline used as porogen filler in acrylic bone cement. J BiomaterAppl, in press.
Kiitokset
Väitöskirjatyö kuului osana Turun yliopiston lääketieteellisen tiedekunnan Suun terveystieteiden tutkijakouluun (PeGaSOS, Postgraduate School of Oral Health Sciences), josta yhteistyökiitokset erityisesti professori Juha Varrelalle, dosentti Kaisu Pienihäkkiselle ja dosentti Eva Söderlingille. Kiitokset myös väitöskirjatyötä apurahoin tukeneille tahoille: Teknologian kehittämiskeskukselle (TEKES), Suomen Hammaslääkäriseura Apollonialle, Suomen Kemian Päivien Säätiölle, Suomen Kulttuurirahastolle (Varsinais-Suomen rahasto), Instrumentariumin Tiedesäätiölle, Turun Yliopistosäätiölle, Emil ja Blida Maunulan rahastolle (Turun yliopisto), Turun yliopiston lääketieteellisen tiedekunnan PGS-tutkijakoululle (Turku Postgraduate School of Health Sciences) ja turkulaiselle biomateriaalialan yritykselle Vivoxid Oy:lle.
Aiheeseen liittyvää kirjallisuutta:
Charnley J. Anchorage of femoral head prosthesis to the shaft of the femur. J Bone Joint Surg 1960; 42-B: 28-30.
Kuhn K-D. Bone cements. Springer-Verlag. Berlin, Heidelberg 2000.
Lassila LV, Tanner J, Le Bell AM, Narva K, Vallittu PK. Flexural properties of fiber reinforced root canal posts. Dent Mater 2004; 20(1): 29-36.
Lastumäki TM, Lassila LV, Vallittu PK. The semi-interpenetrating polymer network matrix of fiber-reinforced composite and its effect on the surface adhesive properties. J Mater Sci Mater Med 2003; 14: 803-809.
Lewis G. Properties of acrylic bone cement: state of the art review. J Biomed Mater Res 1997; 38: 155-182
Puska MA, Hormi OEO. Synthetic aspects on the polyesters of trans-4-hydroxy-N-bezyl-L-proline and trans-4-hydroxy-L-proline. Polymer Preprints 2000; 41: 1050-1051.
Vallittu P. A review of fiber-reinforced denture base resins. J Prosthodont 1996; 5: 270-276.
Vallittu P. Experiences of the use of glass fibers with multiphase acrylic resin systems. In: Symposium book of the European prosthodontic association (EPA) 22nd annual conference in Turku, Finland 27-29 August 1998. Vallittu PK (ed.). Turku 1998.
Vallittu P. Flexural properties of acrylic resin polymers reinforced with unidirectional and woven glass fibers. J Prosthet Dent 1999; 81: 318-326.
Vallittu PK. Strength and interfacial adhesion of FRC-tooth system. In: The second international symposium on fibre-reinforced plastics in dentistry, 13 October 2001, Nijmegen, The Netherlands. Vallittu PK (ed.). Turku amp Nijmegen 2001.
Turun yliopisto
Hammaslääketieteen laitos
mervi.puska@utu.fi