对比不同来源骨块移植物：3D 打印玻璃陶瓷支架在垂直骨增量的表现

来源：EFL生物3D打印与生物制造

口腔颌面骨缺损修复中，垂直骨增量手术面临诸多挑战。传统的骨块移植技术虽应用广泛，但不同来源的骨块存在明显缺陷。自体骨块存在供应有限、取骨部位易出现并发症且吸收快的问题；异体骨和异种骨则有潜在的疾病传播风险、免疫原性较高以及整体加工成本高昂的缺点。此外，这些骨块在手动塑形、定位和固定时难以精准适配骨缺损部位，其内部微观结构也不利于骨组织再生。  

来自北京航空航天大学生物与医学工程学院樊瑜波教授团队利用数字光处理（DLP）增材制造技术，创新性地设计并制备出具有哈弗斯管和小梁多孔结构的3D打印玻璃陶瓷支架（3DP）。团队对3DP的形貌、微观结构、元素组成和机械特性进行研究，并与牛异种骨块（XBB）、人同种异体骨块（ABH）和兔自体骨块（ABR）对比，还通过兔颅骨模型评估它们的垂直成骨能力。相关工作以“Enhanced efficacy of 3D architectural glass–ceramic scaffolds in vertical bone augmentation compared with conventional bone-block grafts of different origins”为题发表在《Materials & Design》上。研究发现3DP在垂直骨增量方面表现出色，为未来临床垂直骨增量应用提供了新的解决方案。该论文通讯作者为樊瑜波教授与王超副教授，第一作者为博士研究生王文洁和郑玲玲，北京航空航天大学为第一完成单位。

1. 3DP的设计与制备及微观结构表征，利用3-Matic软件设计包含哈弗斯管和小梁多孔结构的3DP模型，通过DLP设备打印并烧结成型，采用扫描电子显微镜（SEM）、压汞仪（MIP）和X射线衍射仪（XRD）等方法对其微观结构和晶体相进行研究。结果显示，3DP精准呈现设计结构，表面粗糙多孔，总孔隙率51.5%，有双峰孔径分布，大孔利于骨长入，纳米孔增强细胞黏附，烧结后含有氟磷灰石、β-白磷钙石和β-硅灰石晶体。

图1. 3DP的三维设计图、照片及SEM图像。

图4. 四种骨块移植物的理化和机械特性。  

2. 四种骨块移植物的体外生物活性评估，通过模拟体液（SBF）浸泡实验，结合SEM、EDS和XRD分析，研究3DP、XBB、ABH和ABR在SBF中浸泡不同时间后的表面形貌、元素组成变化及羟基磷灰石形成情况。结果表明，浸泡后各骨块表面均有羟基磷灰石形成，3DP表面形成的羟基磷灰石层更均匀致密，其Ca/P比更接近天然骨，显示出良好的体外生物活性。

图2. 四种骨块移植物在SBF中浸泡后的SEM图像及EDS分析。  

3. 四种骨块移植物的细胞相容性研究，将小鼠前成骨细胞MC3T3-E1接种于四种骨块移植物表面，通过CCK-8法检测细胞增殖情况，采用荧光染色观察细胞黏附形态，利用RT-qPCR检测成骨相关基因表达。结果显示，与XBB、ABH和ABR相比，3DP上的细胞增殖率更高，细胞黏附形态更良好，成骨相关基因（如ALP、OCN、RUNX2）表达水平显著上调，表明3DP具有更优异的细胞相容性和成骨诱导能力。

图3. 四种骨块移植物的细胞相容性评价。  

4. 四种骨块移植物的综合特性分析，运用SEM、能谱仪（EDS）、Micro-CT和万能材料试验机，对3DP、牛异种骨块（XBB）、人同种异体骨块（ABH）和兔自体骨块（ABR）的表面形貌、元素组成、内部微观结构、压缩强度和弹性模量进行观察与测试。结果表明，各骨块表面形貌和元素组成差异明显，3DP的小梁厚度较大，ABR的孔径最大；3DP的压缩强度和弹性模量相对较高，各骨块在微观结构和力学性能方面差异显著。

图5. 四种骨块移植物的形态表征及元素组成。

图6. 四种骨移植物的Micro-CT图像分析。  

5. 体内实验评估骨块移植物的成骨效果，构建兔颅骨模型，将四种骨块移植物分别植入兔颅骨，术后4周和12周，借助Micro-CT和组织学分析来评估新骨形成情况。Micro-CT分析发现，3DP和XBB的新骨高度、体积及总体积比在多数时间点优于ABH和ABR ，3DP早期垂直成骨更快；组织学分析显示，所有骨块均与宿主骨整合，但3DP新骨呈定向生长，且在4周时新骨面积显著高于XBB和ABH。

图7. 骨块移植物内新骨形成的代表性放射学图像。

图8. 四种移植物新骨高度、体积、总体积比和新骨面积的统计分析。

图9. 体内研究的组织学分析。

研究结论
本研究存在一定局限性，但仍可得出以下结论：首先，当前以兔子为对象的初步研究显示，具有哈弗斯管和小梁多孔结构的增材制造玻璃陶瓷支架，在垂直骨增量方面，相较于其他三种具有不同天然小梁多孔结构的骨移植物，展现出更优异的成骨性能。其次，多孔结构的各项参数对其机械性能和成骨性能均有影响。支架中通道与多孔网络的组合结构，在早期能促进骨组织沿设计通道快速垂直生长。不过，本研究的观察期有限、样本量较小，手术技术和移植物材料的差异可能影响测量结果，且3DP支架的生物力学和降解性能还需进一步深入体外实验探究。因此，在将这种增材制造的玻璃陶瓷支架应用于临床试验前，还需要开展更深入的研究。

文章来源：
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.113989