Composite bone cements with a PMMA matrix, containing bioative antibacterial glasses or glassceramics

L’invenzione riguarda la realizzazione di cementi ossei a base di polimetilmetacrilato (PMMA) in grado di promuovere l’osteointegrazione e prevenire contemporaneamente l’insorgenza di infezioni postoperatorie. Nella pratica clinica la fissazione cementata di protesi ortopediche (anca, ginocchio) prevede l’applicazione di cementi acrilici a base di PMMA polimerizzati in situ. Tali cementi favoriscono la stabilità della protesi sia a breve che a lungo termine tramite un ancoraggio meccanico, ma non si integrano completamente con il tessuto osseo e presentano basse proprietà meccaniche. Il cemento a base di PMMA è anche utilizzato per la realizzazione di dispositivi protesici temporanei in caso di revisione. Un ulteriore uso di questo materiale è la chirurgia spinale, nel caso di frattura delle vertebre, dove il PMMA viene iniettato nella vertebra fratturata allo scopo di consolidarla. Un significativo problema della chirurgia implantologica è il possibile sviluppo di infezioni. I dispositivi protesici temporanei sono utilizzati spesso proprio durante la fase di trattamento dell’infezione tramite somministrazione sistemica o localizzata di antibiotici. Negli anni sono stati introdotti diversi accorgimenti per prevenire l’insorgenza delle infezioni periprotesiche, tuttavia, pur essendo diminuito il tasso di infezioni, il problema non è del tutto risolto. Fin dagli anni ’70 è nota la possibilità di introdurre gli antibiotici direttamente nel cemento osseo utilizzato per fissare la protesi, in modo da prevenire l’insediamento dei germi all’interfaccia tessuto osseo-cemento-protesi. Da allora molte indagini sono state portate avanti per dimostrare l’efficacia di tale metodo, utilizzando diversi antibiotici e differenti cementi ossei. Inoltre, è attualmente oggetto di discussione quale sia la modalità migliore per introdurre gli antibiotici nel cemento; infatti la polvere del farmaco può essere addizionata a quella del polimero manualmente in sede di intervento oppure la mescola può essere realizzata direttamente in sede di produzione, con tecniche industriali. In particolare, l’utilizzo di cementi antibiotati commercialmente si è affermato principalmente nei Paesi europei, per contro negli Stati Uniti si preferisce introdurre l’antibiotico necessario manualmente, al momento dell’intervento. Nonostante il gran numero di dati presenti in letteratura, pochi studi paragonano effettivamente cementi antibiotati prodotti commercialmente e cementi addizionati in situ con antibiotici, e a tutt’oggi non esistono dati sufficienti ed esaurienti che comprovino l’efficacia dei cementi addizionati con antibiotici. La presente invenzione propone lo sviluppo di cementi per la fissazione di protesi ortopediche, per la chirurgia spinale o per la realizzazione di protesi temporanee, a base di PMMA addizionati di una seconda fase che sia contemporaneamente bioattiva e antibatterica. Nello specifico tale fase è costituita da un vetro/vetroceramico bioattivo arricchito con ioni metallici ad azione antibatterica (ad esempio Ag, Cu, Zn). Il vetro/vetroceramico è introdotto sotto forma di polvere alla frazione solida del cemento osseo successivamente sottoposta a polimerizzazione in situ mediante mescolamento con il monomero liquido e l’attivatore. I vetri/vetroceramici bioattivi sono in grado di legarsi ai tessuti biologici promuovendo la formazione di uno strato di idrossiapatite sulla loro superficie a seguito della reazione con i fluidi fisiologici. La presenza di una fase bioattiva esposta sulla superficie del cemento fa sì che questa struttura promuova il legame con il tessuto con il quale viene a contatto e quindi l’integrazione del dispositivo. La presenza di questa fase ha anche il vantaggio di diminuire l’aumento locale della temperatura dovuto all’esotermicità della reazione di polimerizzazione, con indiscussi vantaggi a carico dell’osso a diretto contatto con il cemento. L’aggiunta della seconda fase vetrosa/vetroceramica non altera le proprietà di lavorabilità e di indurimento del materiale. Inoltre, la presenza di una seconda fase di tipo inorganico potrebbe contribuire ad aumentare le proprietà meccaniche del cemento. Infine, gli ioni metallici contenuti nella fase vetrosa/vetroceramica vengono rilasciati a contatto con i fluidi biologici esplicando un’azione antibatterica prolungata (fino ad alcune settimane). Variando opportunamente la composizione del vetro e i parametri di introduzione dell’agente antibatterico è possibile modulare, il grado di bioattività del cemento, la cinetica di rilascio degli ioni metallici e le proprietà meccaniche del materiale composito a seconda delle particolari esigenze applicative. A titolo di esempio si riporta in figura 1, la foto relativa ad un test di antibattericità (alone di inibizione) eseguito su un campione di cemento tal quale (1) di cemento caricato con polveri di vero bioattivo a base SiO2-CaO-Na2O-A2O3 (2) e di cemento caricato con polveri dello stesso vetro drogate con ioni argento (3), dove appare evidente l’azione antibatterica del solo cemento addizionato di vetro drogato con argento.