口腔頜面骨缺損修復中，垂直骨增量手術面臨諸多挑戰。傳統的骨塊移植技術雖應用廣泛，但不同來源的骨塊存在明顯缺陷。自體骨塊存在供應有限、取骨部位易出現并發癥且吸收快的問題；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，其內部微觀結構也不利于骨組織再生。  
       來自北京航空航天大學生物與醫學工程學院樊瑜波教授團隊利用數字光處理（DLP）增材制造技術，創新性地設計并制備出具有哈弗斯管和小梁多孔結構的3D打印玻璃陶瓷支架（3DP）。團隊對3DP的形貌、微觀結構、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”為題發表在《Materials & Design》上。研究發現3DP在垂直骨增量方面表現出色，為未來臨床垂直骨增量應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的設計與制備及微觀結構表征，利用3-Matic軟件設計包含哈弗斯管和小梁多孔結構的3DP模型，通過DLP設備打印并燒結成型，采用掃描電子顯微鏡（SEM）、壓汞儀（MIP）和X射線衍射儀（XRD）等方法對其微觀結構和晶體相進行研究。結果顯示，3DP精準呈現設計結構，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，燒結后含有氟磷灰石、β-白磷鈣石和β-硅灰石晶體。
 

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。
 

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，利用RT-qPCR檢測成骨相關基因表達。結果顯示，與XBB、ABH和ABR相比，3DP上的細胞增殖率更高，細胞黏附形態更良好，成骨相關基因（如ALP、OCN、RUNX2）表達水平顯著上調，表明3DP具有更優異的細胞相容性和成骨誘導能力。
 

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、內部微觀結構、壓縮強度和彈性模量進行觀察與測試。結果表明，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，各骨塊在微觀結構和力學性能方面差異顯著。
 

5. 體內實驗評估骨塊移植物的成骨效果，構建兔顱骨模型，將四種骨塊移植物分別植入兔顱骨，術后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分析發現，3DP和XBB的新骨高度、體積及總體積比在多數時間點優于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。
 

研究結論
本研究存在一定局限性，但仍可得出以下結論：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構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構的骨移植物，展現出更優異的成骨性能。其次，多孔結構的各項參數對其機械性能和成骨性能均有影響。支架中通道與多孔網絡的組合結構，在早期能促進骨組織沿設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，手術技術和移植物材料的差異可能影響測量結果，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

(責任編輯：admin)

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