對比不同來源骨塊移植物：3D 打印玻璃陶瓷支架在垂直骨增量的表現(xiàn)

來源：EFL生物3D打印與生物制造

口腔頜面骨缺損修復中，垂直骨增量手術(shù)面臨諸多挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的骨塊移植技術(shù)雖應(yīng)用廣泛，但不同來源的骨塊存在明顯缺陷。自體骨塊存在供應(yīng)有限、取骨部位易出現(xiàn)并發(fā)癥且吸收快的問題；異體骨和異種骨則有潛在的疾病傳播風險、免疫原性較高以及整體加工成本高昂的缺點。此外，這些骨塊在手動塑形、定位和固定時難以精準適配骨缺損部位，其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)也不利于骨組織再生。  

來自北京航空航天大學生物與醫(yī)學工程學院樊瑜波教授團隊利用數(shù)字光處理（DLP）增材制造技術(shù)，創(chuàng)新性地設(shè)計并制備出具有哈弗斯管和小梁多孔結(jié)構(gòu)的3D打印玻璃陶瓷支架（3DP）。團隊對3DP的形貌、微觀結(jié)構(gòu)、元素組成和機械特性進行研究，并與牛異種骨塊（XBB）、人同種異體骨塊（ABH）和兔自體骨塊（ABR）對比，還通過兔顱骨模型評估它們的垂直成骨能力。相關(guān)工作以“Enhanced efficacy of 3D architectural glass–ceramic scaffolds in vertical bone augmentation compared with conventional bone-block grafts of different origins”為題發(fā)表在《Materials & Design》上。研究發(fā)現(xiàn)3DP在垂直骨增量方面表現(xiàn)出色，為未來臨床垂直骨增量應(yīng)用提供了新的解決方案。該論文通訊作者為樊瑜波教授與王超副教授，第一作者為博士研究生王文潔和鄭玲玲，北京航空航天大學為第一完成單位。

1. 3DP的設(shè)計與制備及微觀結(jié)構(gòu)表征，利用3-Matic軟件設(shè)計包含哈弗斯管和小梁多孔結(jié)構(gòu)的3DP模型，通過DLP設(shè)備打印并燒結(jié)成型，采用掃描電子顯微鏡（SEM）、壓汞儀（MIP）和X射線衍射儀（XRD）等方法對其微觀結(jié)構(gòu)和晶體相進行研究。結(jié)果顯示，3DP精準呈現(xiàn)設(shè)計結(jié)構(gòu)，表面粗糙多孔，總孔隙率51.5%，有雙峰孔徑分布，大孔利于骨長入，納米孔增強細胞黏附，燒結(jié)后含有氟磷灰石、β-白磷鈣石和β-硅灰石晶體。

圖1. 3DP的三維設(shè)計圖、照片及SEM圖像。

圖4. 四種骨塊移植物的理化和機械特性。  

2. 四種骨塊移植物的體外生物活性評估，通過模擬體液（SBF）浸泡實驗，結(jié)合SEM、EDS和XRD分析，研究3DP、XBB、ABH和ABR在SBF中浸泡不同時間后的表面形貌、元素組成變化及羥基磷灰石形成情況。結(jié)果表明，浸泡后各骨塊表面均有羥基磷灰石形成，3DP表面形成的羥基磷灰石層更均勻致密，其Ca/P比更接近天然骨，顯示出良好的體外生物活性。

圖2. 四種骨塊移植物在SBF中浸泡后的SEM圖像及EDS分析。  

3. 四種骨塊移植物的細胞相容性研究，將小鼠前成骨細胞MC3T3-E1接種于四種骨塊移植物表面，通過CCK-8法檢測細胞增殖情況，采用熒光染色觀察細胞黏附形態(tài)，利用RT-qPCR檢測成骨相關(guān)基因表達。結(jié)果顯示，與XBB、ABH和ABR相比，3DP上的細胞增殖率更高，細胞黏附形態(tài)更良好，成骨相關(guān)基因（如ALP、OCN、RUNX2）表達水平顯著上調(diào)，表明3DP具有更優(yōu)異的細胞相容性和成骨誘導能力。

圖3. 四種骨塊移植物的細胞相容性評價。  

4. 四種骨塊移植物的綜合特性分析，運用SEM、能譜儀（EDS）、Micro-CT和萬能材料試驗機，對3DP、牛異種骨塊（XBB）、人同種異體骨塊（ABH）和兔自體骨塊（ABR）的表面形貌、元素組成、內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)、壓縮強度和彈性模量進行觀察與測試。結(jié)果表明，各骨塊表面形貌和元素組成差異明顯，3DP的小梁厚度較大，ABR的孔徑最大；3DP的壓縮強度和彈性模量相對較高，各骨塊在微觀結(jié)構(gòu)和力學性能方面差異顯著。

圖5. 四種骨塊移植物的形態(tài)表征及元素組成。

圖6. 四種骨移植物的Micro-CT圖像分析。  

5. 體內(nèi)實驗評估骨塊移植物的成骨效果，構(gòu)建兔顱骨模型，將四種骨塊移植物分別植入兔顱骨，術(shù)后4周和12周，借助Micro-CT和組織學分析來評估新骨形成情況。Micro-CT分析發(fā)現(xiàn)，3DP和XBB的新骨高度、體積及總體積比在多數(shù)時間點優(yōu)于ABH和ABR ，3DP早期垂直成骨更快；組織學分析顯示，所有骨塊均與宿主骨整合，但3DP新骨呈定向生長，且在4周時新骨面積顯著高于XBB和ABH。

圖7. 骨塊移植物內(nèi)新骨形成的代表性放射學圖像。

圖8. 四種移植物新骨高度、體積、總體積比和新骨面積的統(tǒng)計分析。

圖9. 體內(nèi)研究的組織學分析。

研究結(jié)論
本研究存在一定局限性，但仍可得出以下結(jié)論：首先，當前以兔子為對象的初步研究顯示，具有哈弗斯管和小梁多孔結(jié)構(gòu)的增材制造玻璃陶瓷支架，在垂直骨增量方面，相較于其他三種具有不同天然小梁多孔結(jié)構(gòu)的骨移植物，展現(xiàn)出更優(yōu)異的成骨性能。其次，多孔結(jié)構(gòu)的各項參數(shù)對其機械性能和成骨性能均有影響。支架中通道與多孔網(wǎng)絡(luò)的組合結(jié)構(gòu)，在早期能促進骨組織沿設(shè)計通道快速垂直生長。不過，本研究的觀察期有限、樣本量較小，手術(shù)技術(shù)和移植物材料的差異可能影響測量結(jié)果，且3DP支架的生物力學和降解性能還需進一步深入體外實驗探究。因此，在將這種增材制造的玻璃陶瓷支架應(yīng)用于臨床試驗前，還需要開展更深入的研究。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.113989