Advances in Bone Repair: A Bioengineered Bone Cement Utilizing Human-Derived Bone Powder

پیشرفت‌ها در ترمیم استخوان: سیمان استخوانی مبتنی بر PMMA مهندسی زیستی با ارتقاء خاصیت استخوان‌هدایت‌پذیری با استفاده از پودر استخوان مشتق‌شده از انسان

Advances in Bone Repair: A Bioengineered PMMA-Based Bone Cement with Enhanced Otseoconductivity Utilizing Human-Derived Bone Powder

Sara Tabatabaee, Mahsa Delyanee, Reza Samanipour, Adel Marzban, Amirhossein Tavakoli & Akram alizadeh

Journal of Polymers and the Environment

https://doi.org/10.1007/s10924-025-03573-w

چکیده

سیمان استخوانی پلی‌متیل متاکریلات (PMMA) به طور مکرر در بسیاری از روش‌های ارتوپدی استفاده می‌شود، اما عدم فعالیت زیستی، گرمای بالای پلیمریزاسیون و مقاومت مکانیکی محدود آن، چالش‌هایی را در کاربردهای بالینی ایجاد می‌کند. در این مطالعه، هدف ما بهبود عملکرد PMMA با تقویت آن توسط کیتوسان (Ch) و پودر استخوان آلواگرافت (BP) بود که هر دو به دلیل خواص زیستی خود شناخته شده‌اند. ما سیمان PMMA-Ch-BP را از طریق روش ریخت‌گری حلالی سنتز کرده و ساختار آن را با استفاده از FTIR و تصویربرداری SEM تأیید کردیم. افزایش قابل توجه ۲۶.۷۷ درصدی در مقاومت فشاری و کاهش دمای پلیمریزاسیون به میزان ۱۵.۲۲ درجه سانتی‌گراد ثبت شد که می‌تواند منجر به کاهش آسیب بافتی شود. این سیمان نوآورانه نشان‌دهنده نرخ بالاتری از بقای سلولی و تکثیر سلول‌ها بود، به طوری که در روز پنجم ۱۲۰ درصد بقای سلولی نسبت به PMMA بدون تغییر مشاهده شد. همچنین، تصاویر SEM نشان داد که پیوستگی سلولی به PMMA-Ch-BP بهبود یافته است، به طوری که سلول‌ها فیلودودیا را بر روی سطح سیمان گسترش داده‌اند. علاوه بر این، فعالیت ALP و رنگ‌آمیزی آلزارین قرمز نشان‌دهنده پتانسیل استخوان‌سازی و بیومینرالیزاسیون بهبود یافته بود. RT-PCR همچنین افزایش بیان ژن‌های مرتبط با استخوان‌سازی را نشان داد که حاکی از سیمانی است که فرایند رشد و بهبودی استخوان را تسهیل می‌کند. بر اساس نتایج به‌دست‌آمده، می‌توان ادعا کرد که PMMA-Ch-BP یک جایگزین جذاب برای استفاده در ارتوپدی است که قدرت، فعالیت زیستی و سازگاری بهبود یافته با بافت استخوان را فراهم می‌کند.

Abstract

Polymethyl methacrylate (PMMA) bone cement is frequently utilized in many orthopedic procedures, but its lack of bioactivity, high polymerization heat, and limited mechanical strength create challenges in clinical applications. In this study, we aimed to improve PMMA’s performance by enhancing it with chitosan (Ch) and allograft bone powder (BP), both known for their bioactive properties. We synthesized the PMMA-Ch-BP cement through a solvent casting method and verified its structure using FTIR and SEM imaging. A promising 26.77% boost in compressive strength and a lower polymerization temperature by 15.22 °C were recorded which could lead to minimizing the tissue damage. The novel cement demonstrated higher cell viability and proliferation rates, achieving 120% cell viability compared to unmodified PMMA by day 5. Also, SEM images confirmed improved cell attachment on PMMA-Ch-BP, with cells extending filopodia across the cement surface. Furthermore, ALP activity and Alizarin red staining revealed enhanced osteogenic potential and biomineralization. RT-PCR further exhibited increased expression of osteogenesis-related genes, suggesting a cement that facilitates the process of bone growth and healing. According to the obtained results, it can be claimed that PMMA-Ch-BP is a compelling alternative for orthopedic use, providing improved strength, bioactivity, and compatibility with bone tissue.