具有消波结构的自组织生物陶瓷颗粒，用于填充骨缺损

《Biomaterials》：Self-Organizing Bioceramic Granules with Wave-Dissipating Architectures for Bone Void Filling

　　

邢正义|董志豪|刘普新|曹志伟|刘展鸿|谭文|尚思远|陈思宇|玛丽亚·格拉齐亚·劳奇|曾毅|朱向东|路易吉·安布罗西奥|张兴东|杨晓

中国四川大学国家生物材料工程研究中心，成都610064

摘要

颗粒状骨替代物能够很好地适应不规则缺陷，但初始稳定性较差，容易导致颗粒移位并引发临床并发症。受到用于保护防波堤免受海浪冲击的消波混凝土块结构稳定性的启发，我们利用数字光处理技术制备了具有消波功能的生物陶瓷颗粒，并评估了其用于骨修复的潜力。在六种不同的消波设计中，四足形、多棱形和六边形颗粒能够在动态条件下自组织成最适合骨细胞生长且颗粒丢失最少的结构。然而，在修复未愈合的股骨缺损时，尽管某种六边形颗粒因其固有的大孔结构而在体外表现出成骨分化潜力，但其植入后仍会出现缺损填充不牢以及骨重塑受阻的问题。相比之下，四足形和多棱形颗粒则能实现完全且稳定的缺损填充，有助于维持缺损周围的血液循环，促进高质量的新骨形成并保持宿主骨组织的健康。这些结果表明，颗粒自组织的结构在骨再生过程中起着主导作用，其重要性超过了单个颗粒特性的影响。总体而言，本研究提出的四足形和多棱形颗粒是一种新型且具有前景的骨缺损填充材料，它们既利用了消波结构的稳定性，又为骨细胞生长提供了结构上的引导。

引言

由创伤性损伤、感染清创、肿瘤切除以及退行性疾病引起的未愈合骨缺损，给全球健康带来了沉重负担，每年都有数以百万计的新病例出现[1]。若要实现功能恢复和完全愈合，临床干预至关重要[2]。自体移植和同种异体移植虽被视为骨移植的金标准，但存在诸多局限性，包括供体数量有限、供体部位可能出现并发症、免疫排斥反应以及疾病传播风险[3]、[4]。而基于合成钙磷盐的生物陶瓷则是一种很有前景的替代材料，因为它们能够克服上述缺点，且与人体骨骼中的主要无机成分十分相似[5]。

合成钙磷盐以多孔块体和颗粒的形式在市场上出售。多孔块体非常适合用于填充形状和大小固定的开放性缺损，但在处理形状不规则的缺损时，几乎无法实现完全填充以及良好的植入物与骨组织之间的接触[5]、[6]。相比之下，颗粒则能够很好地适应因骨折[7]、[8]、脊柱融合术[9]、[10]、骨囊肿刮除术[7]、[11]以及良性骨病变[12]、[13]而产生的各种不规则缺损。不过，颗粒植入也存在一些挑战。例如，由于缺乏初始稳定性，颗粒在生理盐水冲洗及手术过程中常常会从缺损区域漏出[14]、[15]。此外，即使在植入多年后也观察到了颗粒移位现象，而这又会引发诸如植入物失效、慢性炎症以及软组织穿孔等长期临床并发症[16]、[17]。这些局限性凸显出有必要开发出具有初始稳定性的新型颗粒，这类颗粒不仅能提供有利于骨细胞生长的结构引导，还能自身保持稳定。

增材制造技术使得能够批量生产出尺寸定制且几何结构复杂的颗粒[1]。最近，人们通过基于数字光处理的3D打印技术制备出了具有螺旋孔结构的生物陶瓷颗粒[18]。研究表明，这种螺旋孔结构能够促进生物材料的降解、细胞的迁移以及骨细胞的生长，但颗粒的初始稳定性问题依然存在[18]、[19]。值得注意的是，消波块体是一类特殊的混凝土结构，由于其自身的重量、相互咬合的结构或摩擦力作用，具备出色的结构稳定性[20]。这类块体被放置在防波堤的外层和斜坡上，形成防护层，这样的结构能够增加对入射海浪的吸收，减少海浪的反射和溢出，从而有效保护防波堤免受海浪带来的破坏或失效[21]、[22]。这一概念为将具有消波功能的生物陶瓷颗粒作为能够承受水流冲击的骨缺损填充材料提供了新的思路；不过，这类消波结构是否具有促进骨生成的潜力，目前还不清楚。

结构是决定骨移植替代材料是否具有促骨生成作用的关键因素之一[23]、[24]。简而言之，连通的孔隙有助于细胞的迁移、营养物质的输送以及废物的排出。较高的孔隙率能为细胞附着和组织生长提供空间。特定的孔径和形状则能够促进细胞的增殖和分化[25]、[26]。与多孔支架不同，颗粒的结构不仅取决于颗粒本身，还与颗粒间的间隙结构有关。村上等人研究发现，较大颗粒能够形成比小颗粒多一倍的新生骨面积，这是因为较大颗粒的颗粒间间隙更大[27]。这项研究首次提出，由紧密堆积的颗粒形成的颗粒间间隙可能发挥着与多孔块体中的孔隙类似的功能。此外，使用不同多通道结构的颗粒进行植入实验时，也观察到了骨形成程度的差异，这很可能是由于颗粒本身的孔隙、颗粒间间隙以及表面积等因素的综合作用所致[28]。尽管有这些令人振奋的发现，但仍有少数研究探讨颗粒间间隙对骨细胞生长的影响。而且，由于骨缺损中颗粒的堆积高度要高于防波堤上颗粒层的堆积高度，因此这类消波颗粒在体内的结构稳定性还有待进一步研究。

基于以上考虑，本研究的目的是探讨具有消波功能的骨移植颗粒是否既能具备初始稳定性，又能为骨细胞的生长提供必要的引导。我们选择了六种传统的消波设计——四足形、多棱形、六边形、四英尺空心方块形、脚状形以及立方体形。随后，利用基于DLP技术的3D打印技术制备了这些具有消波功能的生物陶瓷颗粒。首先，我们分析了这些紧密堆积颗粒的表面积、颗粒间孔隙以及颗粒壁与骨组织的接触情况，以了解它们的结构特征。之后，我们通过水流冲击试验以及计算流体动力学模拟，评估了这六种结构的动态稳定性。根据这些结果，我们选出四足形、多棱形和六边形颗粒作为用于修复股骨缺损的潜在骨缺损填充材料。实验表明，四足形和多棱形颗粒能够实现对临界大小骨缺损的充分且稳定的填充。此外，我们还发现，由四足形和多棱形颗粒形成的结构不仅有助于新骨的形成，还能维持宿主骨组织的健康。总体而言，具有消波功能的生物陶瓷颗粒为骨缺损的修复提供了一种新颖且极具前景的解决方案。

章节节选

具有消波功能的生物陶瓷颗粒的结构特征

我们成功利用基于DLP技术的3D打印技术制备出了具有消波功能的生物陶瓷颗粒。经过烧结处理后，每个颗粒的高度约为2毫米（见图1A和B）。为了在材料降解和骨替代之间实现生理平衡，我们选择了双相钙磷盐作为制备生物陶瓷颗粒的材料[29]。通过对X射线衍射图谱进行里特维尔德精修分析，我们发现这些烧结后的颗粒由58%的β-三钙磷酸盐组成

讨论

由于颗粒状骨移植替代材料具有更强的适应性，目前仍有超过60%的此类产品以颗粒形式出售[5]。然而，迄今为止的大多数研究都集中在单个颗粒的成分[18]、[66]、尺寸[27]、[28]以及表面形态[37]、[67]对骨再生的影响上，而对于理想的颗粒状骨替代材料而言，颗粒间间隙的重要性却鲜有研究。此外，尽管已经通过注塑等方法制备出了多种具有特定几何结构的颗粒

结论

在本研究中，我们从六种消波设计中筛选出了三种具有很大应用潜力的骨缺损填充材料——四足形、多棱形和六边形颗粒。这是基于它们在表面积、孔隙率、孔径、填充效果、操作便捷性以及结构稳定性等方面的综合优势。在修复临界大小的股骨缺损时，四足形和多棱形颗粒能够实现充分且稳定的填充，而六边形颗粒则无法做到这一点，这一结果也与它们在颗粒壁与骨组织接触程度测试中的表现一致。我们进一步发现

光固化浆料的制备

原始BCP粉末由中国四川大学国家生物材料工程研究中心提供。通过对X射线衍射图谱进行里特维尔德精修分析，我们发现该粉末由86%的β-三钙磷酸盐和14%的羟基磷灰石组成（见图S7）。为了制备改性BCP粉末，我们将单醇乙氧基化磷酸酯（来自中国成都凯隆化工有限公司）按5%的重量比例添加到原始BCP粉末中。苯基双（2,4,6-三甲基苯甲酰）膦氧化物（IGM

CRediT作者贡献说明

刘普新：可视化、方法学、定量分析。杨晓：写作——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金获取、概念构思。董志豪：可视化、方法学、定量分析。张兴东：资源协调。邢正义：写作——初稿撰写、可视化、项目管理、方法学研究、实验分析、定量分析。曾毅：资源协调、监督、写作——审稿与编辑。尚思远：实验分析。谭文：

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号：32571546）、四川省自然科学基金（编号：2025ZNSFSC1658）、四川省青城项目以及中国博士后科学基金会（编号为BX20240235和2025M771967）的支持。作者们还要感谢四川大学分析检测中心的李晨博士，她在微CT扫描及数据分析方面给予了大力协助。