微米与纳米羟基磷灰石联合β-TCP双相陶瓷在大鼠临界颅骨缺损中的骨传导效能评价

《Journal of Functional Biomaterials》：Evaluation of the Osteoconductive Capacity of Micro-Hydroxyapatite and Nano-Hydroxyapatite Associated with Beta-Tricalcium Phosphate: Experimental Study in Critical Calvarial Defects in Rats

　　

在用于骨修复和后续牙种植体植入的植骨技术所使用生物材料中，双相陶瓷（biphasic ceramics）已成为有前景的替代方案，促使研究人员对其结构和生物学特性开展研究。本研究目的是在大鼠临界尺寸颅骨缺损（critical-size calvarial defects）中，评价两种由不同比例微米或纳米羟基磷灰石（micro-HA或nano-HA）与β-磷酸三钙（β-TCP）组成的颗粒状双相陶瓷对骨修复的作用。使用72只Wistar大鼠，分为四组：血凝块（BC）；含micro-HA的GenPhos? 70/30（GP）；含nano-HA的Blue Bone? 80/20（BB）；以及Bio-Oss?（BO）。每只大鼠在颅骨建立临界缺损，按组填充并以胶原膜覆盖。动物于7、14和28天处死。进行组织形态计量学（histomorphometry）分析，定量新形成骨、生物材料和结缔组织，并进行微计算机断层扫描（Micro-CT）分析（采用p < 0.05）和定性组织学分析。在Micro-CT分析中，各组间骨体积未见显著差异，尽管BB组表现出更明显的骨小梁微结构。组织形态计量学上，所有生物材料组均优于BC（p < 0.001）。28天时，BB组平均新骨形成（45.03%）与BO组（46.62%）相似，差异无统计学意义，并表现出颗粒内骨传导模式。GP组表现出更强的吸收动态（17.22%），而BO最稳定（44.22%）。BC组结缔组织存留最高（68.07%）。研究结论认为，双相陶瓷和异种生物材料促进缺损闭合，纳米羟基磷灰石（BB）在骨小梁组织和初始血管化方面表现出良好定性性能，表明纳米尺度和β-TCP的生物活性有利于临界缺损中的动态组织替代。

在种植牙相关骨缺损修复中，引导骨再生（guided bone regeneration, GBR）和骨替代材料的选择是重要问题。自体骨移植是活组织，而骨替代材料多为无活细胞矿化基质；牛异种移植虽具有较好骨传导性和长期体积维持，但文献提示朊病毒病/Creutzfeldt–Jakob病（CJD）传播风险不能完全排除。因此，研究焦点转向无供区、无免疫原性和无病原体风险的合成材料。钙磷（CaP）基陶瓷与骨无机相相似，羟基磷灰石（hydroxyapatite, HA）与β-磷酸三钙（β-tricalcium phosphate, β-TCP）可组成双相陶瓷（biphasic ceramic, BCP），并通过烧结控制HA粒径及HA/β-TCP比例，从而影响生物相容性、孔隙率、溶解性和骨传导性；高HA偏慢吸收，高β-TCP偏快吸收，纳米HA（nano-HA）则可增大表面积并促进血液接触、蛋白吸附和血管生成。基于此，研究人员在大鼠临界颅骨缺损中比较不同商业骨替代材料的骨传导活性与CaP/HA粒径关系，以期为临床选择更接近理想骨新生结果的合成材料提供体内统计和定性依据。

研究人员建立Wistar大鼠临界颅骨缺损模型，评价两种颗粒状双相陶瓷与Bio-Oss?的骨修复差异。结论认为，双相陶瓷和异种材料均促进缺损闭合；纳米HA/β-TCP的BB在骨小梁组织和初始血管化方面定性表现较好，提示纳米尺度和β-TCP生物活性有利于动态组织替代。其意义在于为合成骨替代材料的临床选择提供组织学、组织形态计量学和Micro-CT证据。

关键技术方法（不超过250字）：采用72只雄性Wistar大鼠（3月龄，450–500 g），来源于Ara?atuba牙学院（UNESP）中央动物房，按ARRIVE指南并经CEUA FOA-UNESP批准（No. 251-2024）。建立5 mm临界颅骨缺损，随机分为血凝块（摘要BC；主体CS）、Bio-Oss?（BO）、GenPhos? XP 70/30（GP）和Blue Bone? 80/20（BB），各组覆盖Green Membrane?。于7、14、28 d处死，行炎症细胞和血管计数、H&E定性组织学、ImageJ网格点组织形态计量，以及Micro-CT骨体积、骨体积分数（BV/TV）、骨小梁厚度（Tb.Th）、骨小梁数量（Tb.N）、骨小梁分离度（Tb.Sp）和总孔隙率（Po.Tot）分析；统计采用双因素ANOVA和Tukey检验，p < 0.05。

3.1 炎症特征评价：通过组织学图像计数炎症细胞和血管，7 d时CS组炎症细胞均值最高（18.88 ± 6.12），BO（14 ± 6.4）、GP（11 ± 5.3）、BB（9 ± 3.7）；14 d时BB细胞数降至6 ± 2.5、血管数升至17 ± 8.8。组间血管计数（p > 0.5998）和细胞浸润（p > 0.096）无显著差异，支持各组生物相容性。

3.2 组织学评价：通过定性组织学和组织形态计量发现，新骨主要从缺损边缘向中心推进。CS组以纤维性修复为主，28 d仍充填不足；BO组新骨主要位于颗粒周边，无颗粒内定植，残留材料高、体积稳定；GP和BB形成支架，出现颗粒间隙及HA颗粒陷窝内新骨，呈三维骨传导。新骨百分比随时间增加（p < 0.0001）；28 d时BB（52.00% ± 5）、BO（46.6% ± 5）、GP（43% ± 4）、CS（32% ± 4），多组比较未见显著差异。残留材料28 d时GP最低（17% ± 5），BB为33% ± 4，BO为44% ± 5，GP降解显著大于BO（p < 0.01）和BB（p < 0.05）。结缔组织28 d时CS最高（68% ± 5），BB（20% ± 4）、GP（18.6% ± 4）、BO（18% ± 4）较低，处理组低于CS（p < 0.001）。

3.3 微计算机断层扫描评价：通过Micro-CT形态计量发现，骨体积随时间增加但组间无显著差异（p > 0.99），BO均值最高（16.16 ± 4 mm³和17.91 ± 2 mm³）；BV/TV在14 d以BO和GP较高，28 d BB增至39.18 ± 6%；Tb.Th稳定在约0.10 mm；28 d BB的Tb.N增至3.64 ± 0.02；Tb.Sp随时间下降，GP最低；Po.Tot以CS最高（79.57 ± 9%和74.51 ± 2%）。结论为BB骨小梁微结构更明显，但骨体积无显著组间差异。

讨论部分总结：研究人员整合Micro-CT、定性组织学和组织形态计量数据，认为所有组在28 d内均呈渐进性骨再生，Micro-CT骨体积无显著差异提示仍处早期结构成熟阶段；组织学上双相陶瓷形成清晰支架并出现颗粒周围及颗粒内成骨，呈三维骨传导，BO则以颗粒周边成骨、慢吸收和体积稳定为主。BB与GP的差异可能与nano-HA有关：nano-HA更接近骨矿物相，较高表面能及亲水性有利于蛋白吸附、成骨细胞分化和局部血管化，颗粒内骨传导使颗粒成为生物桥；GP的微米HA比表面积较低，离子溶解和重塑相对较慢。β-TCP溶解可释放Ca²⁺和PO₄^3?，增加支架孔隙、促进血管生成和成骨细胞迁移，并通过溶解-再沉淀形成生物磷灰石层。Green Membrane?作为细胞排除屏障，非交联I型胶原膜有利于蛋白吸附和成纤维细胞相容。结缔组织与新骨形成呈负相关。局限性包括未独立表征材料、组成和粒径同时差异、28 d周期较短、未测力学强度、样本量和Micro-CT样本较小，需更大样本、更长周期和生物力学测试验证。

研究结论部分译文：总之，颗粒状双相陶瓷Blue Bone?和GenPhos?以及参考材料Bio-Oss?在临界尺寸骨缺损中表现出高生物相容性和促进组织修复的有效性。尽管28天时所有处理组和对照组的定量骨形成在统计学上相当，但所评价材料在维持缺损体积和防止软组织塌陷方面发挥关键结构作用。此外，材料在愈合过程中表现出不同的物理化学性质和替代动态。具体而言，GenPhos?组因β-TCP较高溶解度而呈现更快的吸收。另一方面，Blue Bone?组表现出更好的定性组织组织化，与Bio-Oss?和GenPhos?组相比，有利于更有序的骨小梁微结构和更大的接触表面。此外，Green Membrane?有效充当功能性物理屏障，保持空间并防止软组织侵入缺损区域。总体而言，这些发现强调，虽然骨体积恢复在各组达到可比终点，但生物材料的选择直接影响支架降解动力学、细胞反应和新形成组织的结构质量。