大面积骨缺损成骨难？钙硅生物陶瓷让血管和骨"同步生长"

大面积骨缺损成骨难？钙硅生物陶瓷让血管和骨"同步生长"

口腔种植、颌面外科和骨科医生都熟悉一个现实：小面积骨缺损靠自体骨或常规骨替代材料往往问题不大，但一旦缺损范围大、血供重建跟不上，成骨效果就会大打折扣。

传统思路把注意力放在"如何让骨头长出来"，却容易忽略一个前提——骨头长出来之前，血管必须先长进去。没有血运，氧气和营养物质送不到缺损中心，成骨细胞、干细胞和生长因子都难以发挥作用。临床上常看到的困境是：植骨材料填进去了，早期影像学似乎有填充，但几个月后中心区出现吸收、纤维化，甚至需要二次手术。

那么，有没有一种材料能同时解决"结构支撑"和"快速血管化"两个问题？一篇发表于《生物材料》（Biomaterials）的研究，给出了一个颇具启发性的临床前答案。



一种兼具"空心管结构+钙镁硅活性离子"的3D打印硅酸盐生物陶瓷支架，能在兔桡骨节段性缺损模型中实现早期快速血管化和后期皮质骨愈合，为复杂骨缺损修复提供了新的材料思路。

这项研究由上海交通大学医学院附属第九人民医院口腔修复科/口腔生物工程与再生医学实验室联合中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷与超微结构国家重点实验室共同完成，属于临床前基础研究（体外细胞实验+体内动物实验）。研究采用的核心材料，是一种通过同轴3D打印技术制备的中空管硅酸盐生物陶瓷支架（简称BRT-H），其化学成分为Ca₇MgSi₄O₁₆（白硅钙石），可持续释放具有生物活性的钙、镁、硅离子（图1）。研究主要回答这一问题："空心管微结构"与"活性离子释放"这两种策略，能否在血管化骨再生中产生协同作用？



图1  三维打印中空支柱硅酸盐生物陶瓷支架的制备。a为喷嘴核心/壳结构的改造；b为粘弹性生物陶瓷浆料的调制；c为示意图展示了通过管道结构和生物活性离子的协同效应，用于血管化骨再生的中空支柱填充支架（BRT-H）的打印过程

核心结论：这根"空心管"凭什么让骨头更快长好？

研究团队从两个维度切入：一是支架结构（空心管），二是材料成分（活性离子释放）。二者单独都有效，合在一起产生协同。

 结构优势：中空管道成为血管长入的"快速通道" 

传统3D打印支架的"支柱"通常是实心的。研究团队改用同轴打印技术，在支柱中心制造出直径约500 μm的空心管道。可别小看这个改动：第一，它让支架内部变成了一张互通的"微血管网"。实验把BRT-H支架皮下植入裸鼠，4周后就能观察到大量宿主血管顺着空心管道长入，血管面积显著高于无空心管的对照组。第二，它提升了离子释放效率。空心管结构增大了材料与体液的接触面积，降解更快，钙、硅、镁离子释放更迅速，从而更早启动成骨和血管化信号。第三，它为细胞和生长因子提供了"运输管道"。研究中把骨髓间充质干细胞和重组人骨形态发生蛋白（rhBMP-2）载入空心管后，体外细胞存活和体内成骨效果都优于无空心管支架。

 离子优势：钙镁硅联手，既促骨又促血管 

BRT材料的离子产物在体外展现了两重作用：① 促成骨：兔骨髓间充质干细胞（BMSCs）在BRT离子浸提液中培养7天后，碱性磷酸酶（ALP）活性增强，成骨相关基因Runx2、ALP、骨钙素（OCN）表达上调，效果优于β-TCP对照组。②促血管：人脐静脉内皮细胞（HUVECs）在BRT离子浸提液中迁移能力增强，尤其是高浓度组（BRT-100、BRT-200）差异显著。机制上与Arp2/3复合物表达上调、Arpin抑制蛋白表达下调有关——简单说，就是激活了内皮细胞的"爬行"能力（图2）。

这意味着BRT-H不是一块"死的填充物"，而是能通过持续释放离子，主动与宿主细胞“对话”，推动血管和骨组织同步再生。


图2  BRT离子产物增强内皮细胞迁移能力的机制示意图

 动物实验结果：4周先血管化，12周再骨愈合 

研究采用兔桡骨1.0 cm节段性缺损模型，这是公认的"临界尺寸缺损"模型，需要材料本身具备较强的再生诱导能力。实验分为三组：β-TCP支架组、实心BRT支架组、中空管BRT-H支架组。

术后4周血管化结果：micro-CT显示，BRT-H组空心管道内有大量新生血管长入；BRT-H组血管面积显著高于BRT组（P＜0.01），也高于β-TCP组；说明空心管结构+活性离子在早期血管化阶段发挥了协同优势。

术后12周骨再生结果：micro-CT三维重建显示，BRT-H组皮质骨形态基本恢复，骨髓腔再通；组织学染色显示，BRT-H组皮质骨区域新生骨面积显著高于BRT组；虽然整个缺损区的新生骨总量BRT-H与BRT差异不大，但皮质骨重建和骨髓腔连通这一指标，BRT-H明显更优。

这一动物实验的结果证明，BRT-H不仅促进了骨形成，更促进了骨重塑（remodeling），也就是让骨的重建从"填充"走向"真正恢复原有骨结构"。

对临床的启示

回到临床医生最关心的问题：这项研究能带来什么？虽然它还处于临床前阶段，但传递出的设计逻辑，对种植骨增量乃至复杂骨缺损修复都很有参考价值。

 修复失败，先在"血管化"上找原因

复杂骨缺损修复的核心瓶颈在早期血管化——骨头长好之前，血管必须先到位。临床上上颌窦底提升、前牙美学区GBR、大面积囊肿术后骨缺损修复失败，往往与中心区血供不足有关；这也为"植骨材料填进去了、几个月后中心区却吸收纤维化"的失败病例提供了机制层面的解释。材料设计若能促进早期血管化，就有望降低后期吸收率、缩短愈合周期。

 "结构+离子"双协同，缺一不可 

这项研究证明，中空管结构为血管长入提供快速通道，钙镁硅离子同时促进成骨与血管生成，二者单独都有效、合在一起产生协同。证据节奏也很清晰：兔桡骨临界尺寸缺损模型中，BRT-H组术后4周血管面积即显著优于对照组，12周实现皮质骨形态恢复和骨髓腔再通——材料不仅能促进骨形成，更能推动骨重塑，让缺损从"填充"走向"恢复原有骨结构"。

 3D打印的价值被重新定义：不只是塑形，更是精准控制微结构 

同轴3D打印让支架在宏观外形之外，还能精准控制内部微通道、孔隙率和表面形貌，使支架从"填充骨架"升级为"再生平台"。这种"结构仿生"思路，可能比单纯改变成分更接近生理愈合环境。

 别把材料当"填充物"，要让它成为"诱导平台" 

传统骨粉主要起空间维持和骨传导作用。未来的方向是：材料本身能释放生物活性离子、提供适合细胞黏附和血管长入的通道，从而主动调动宿主修复潜能。当然，材料再先进也只是工具。

从实验室到临床：这一设计思路已落地为新产品

值得临床医生关注的是，上述"钙硅生物陶瓷+3D打印仿生结构+活性离子释放"的设计思路，并没有停留在论文里。本文研究的BRT支架材料，正是硅基生物陶瓷体系中的白硅钙石（bredigite）；论文合作方之一的中科院上海硅酸盐研究所在这一领域深耕多年，其"三维打印白硅钙石生物活性陶瓷人工骨"项目成果已于2017年完成技术转让，由烟台正海生物科技股份有限公司承接产业化开发，历经8年产学研医协作，最终转化为海奥3D®钙硅生物陶瓷口腔骨修复材料——2026年1月获国家药品监督管理局批准的第三类医疗器械（注册证编号：国械注准20263170015），也是国内首款3D打印、仿生多孔结构的钙硅基生物陶瓷口腔骨修复材料。

海奥3D®钙硅生物陶瓷口腔骨修复材料采用光固化3D打印工艺成型，具备与自体骨相近的高孔隙率仿生多孔结构，富含钙、磷、硅、镁等关键元素，通过活性离子的持续释放主动调控骨再生微环境，实现空间维持与主动成骨的协同，适用于牙槽骨缺损修复（需与屏障膜联合使用），尤其适用于上颌窦植骨、大面积骨缺损修复、前牙美学区植骨等复杂场景。由武汉大学口腔医院牵头、联合国内多家口腔医疗机构开展的多中心随机对照临床试验显示：术后6个月，该产品骨体积维持能力优于对照组，种植体颈部区域骨厚度保留率更高；术后14天，患者无炎症反应率和总体并发症率均优于主流异种骨材料组。

当然，任何新材料最终都要回到具体病例：缺损类型、血供条件、术式设计仍是决策的基本盘。材料的革新是工具，适应证把握与规范操作才是疗效的保障。

文献来源：Zhang W, Feng C, Yang G, et al. 3D-printed scaffolds with synergistic effect of hollow-pipe structure and bioactive ions for vascularized bone regeneration. Biomaterials. 2017;135:85-95