骨移植的结构
皮质骨的矿物质含量高于小梁骨或松质骨[9]. 此外，鉴于松质骨结构中存在空隙，后者比皮质骨更具成骨性[2]. 皮质骨的抗压刚度和强度远高于松质骨。在选择移植物或移植物组合时，外科医生必须了解骨结构的这些基本差异[2,7]. 骨移植物可以是皮质的、松质的或皮质灰质的（不同骨移植物的扫描超微照片如图所示1) [2].
皮质骨移植物主要用于结构支撑和强度，松质骨移植物用于成骨。结构支持和成骨可以结合起来，这是使用皮质骨移植物的最重要优点之一[9]. 松质骨移植常用于骨折不愈合、牙齿缺损、颌面缺损、脊柱融合和其他小骨缺损[19,20]. 这些移植物缺乏机械强度，但易于使用。松质骨移植物的多孔结构可以促进骨长入并促进愈合，从而加快血运重建[19].
皮质骨移植物的使用频率较低，可以用作移植骨[21]. Onlay骨移植用于增加骨骼解剖边界外的萎缩骨。嵌体移植物的一个例子是增加未来植入部位萎缩牙槽骨宽度所需的移植物。移植物的三维定位对愈合过程，从而对移植物的成功和合并结果起着重要作用[7]. 当移植物被用来填充解剖骨骼范围内的骨缺损时，术语嵌体移植物更合适[16]. Onlay移植物的愈合过程比嵌体移植物复杂[7].
嵌体移植骨的再吸收率高于嵌体移植，原因有二：（1）嵌体植骨与受者骨血管接触较少，导致骨重建减少；（2） 嵌体骨移植物受到周围软组织的力，导致暴露于这些力的区域出现更多的破骨吸收[7,16].
骨移植的特性
要确定哪种移植体更适合特定条件，需要了解每个移植体的生物学特性。理想的骨移植材料应具有成骨性、骨诱导性、骨传导性和骨整合特性[2,8,22].
成骨作用是指成骨细胞通过分化受体骨中的或来自移植材料的骨祖细胞而产生新骨的能力。与同种异体移植物相比，这种特性主要存在于自体移植物中，因为同种异体和异种移植物的细胞结构在植入后活性较低[23,24].
骨诱导是指移植物材料通过周围宿主组织的多潜能间充质干细胞（MSCs）的分化来诱导成骨细胞的形成，从而产生骨祖细胞，随后形成成骨细胞。在生长因子中发现了这种能力，包括骨形态发生蛋白（BMP），如BMP-2和BMP-7、转化生长因子-β（TGF-β）、成纤维细胞生长因子（FGF）、胰岛素样生长因子（IGF）和血小板衍生生长因子（PDGF）[2,8,22,24,25].
骨传导是移植物作为一种永久性和可吸收支架的特性，机械地支持血管和新骨从缺损边缘向其表面生长。这种特性会引发或诱导新的骨骼形成[8,22,24,25]. 最后，骨整合是指在没有纤维组织介入层的情况下与周围骨骼结合的能力，允许移植物在宿主部位融合[8]. 所有骨移植和骨移植替代材料都可以用这些过程来描述[23].
在所有类型的骨移植中，只有自体骨移植具有上述所有特征。异体移植物和异种移植物仅表现出理想骨移植材料四个特征中的两个或三个特征（骨整合、骨传导，也许还有骨诱导），并且缺乏成骨特性[6,8].
骨移植的合并
移植骨在受体骨床内的融合取决于移植骨血运重建等因素。如果有足够的独立血管供应到缺损部位，移植骨可以以最佳的血管重建质量和速度快速融合和适当愈合[7,13]. 在无血管的移植物中，血管从受体骨缓慢渗透到移植物中，从而延长了愈合时间[16,26]. 每个移植物的结合取决于这些属性，这些属性可能因来源（自体、异体或异种移植物）和移植物结构（松质骨或皮质骨）而异[13,16].
无论来源或结构如何，所有移植的骨移植物都经历五个阶段：炎症、血运重建（毛细血管芽侵入移植物）、骨诱导（多能细胞分化为成骨细胞）、骨传导（通过宿主向内生长到移植物中），最后重塑[13,21]. 每个阶段的持续时间可以根据移植物的特性而变化。对血管形成的干扰，包括感染和重建区域的过度微动，将延迟融合[7,16]. 对于皮质移植物，血管化较慢且沿着哈弗管发生，而松质移植物则通过爬行替代来实现[13,16]. 在后一个过程中，新形成的成骨细胞排列在小梁上，在破骨细胞吸收骨的同时形成新骨；而在皮质骨移植中，破骨细胞的吸收是成骨细胞产生新骨的先决条件。换句话说，从融合的角度来看，自体松质骨和皮质骨移植的主要区别在于后者的骨吸收先于骨形成[13,16].
在第二和第三阶段，受体的免疫系统对供体抗原性变得敏感[21]. 自体松质骨移植最快、最完整，其次是皮质骨移植、同种异体松质骨和皮质骨移植以及异种移植。由于同种异体移植物和异种移植物在基因上不匹配，它们可以在受体中引发免疫反应。因此，当使用同种异体移植物和异种移植物时，移植物更有可能失败，供体组织被排斥[13,16,21]. 新鲜同种异体移植物和异种移植物比新鲜冷冻或冻干同种异体移植和异种移植产生更强的免疫反应[27].
骨移植和替代物的免疫反应
Th1淋巴细胞产生促炎细胞因子，如白细胞介素-2（IL-2）、干扰素-γ（IFN-γ）和肿瘤坏死因子-β（TNF-β），导致巨噬细胞活化，并可能与同种和异种移植的不良组织重塑和排斥反应有关[28,29]. 另一方面，Th2淋巴细胞产生IL-4、IL-5、IL-6和IL-10细胞因子，这些细胞因子不激活巨噬细胞，可能与移植物掺入有关[28,29].
根据受体的表达、功能和细胞因子的产生，巨噬细胞的特征为M1或M2[30]. M1巨噬细胞产生大量促炎细胞因子，如IL-12和TNF-α，这些细胞因子在大鼠中促进炎症并表达CD68和CD80表面标志物。另一方面，M2巨噬细胞在大鼠体内产生大量IL-10和TGF-β，抑制促炎细胞因子的释放，促进构建性组织重塑，并表达CD163表面标记物[30,31]. M2巨噬细胞诱导Th2淋巴细胞反应，有利于组织重塑[30]. 支架细胞外基质（ECM）中细胞物质的存在调节了参与植入后受体免疫反应的巨噬细胞和淋巴细胞的表型；这可能与接受或拒绝方面的组织重塑结果有关[30,31]. 事实上，细胞移植物引发M1巨噬细胞和Th1淋巴细胞反应，并可能导致结缔组织沉积和移植物排斥。无细胞移植物引发M2巨噬细胞和Th2淋巴细胞反应，导致更具建设性的组织重塑结果和移植物的接受[30].
骨移植物的类型
自体、异体和异种移植物以及骨移植替代物都用于改善和增强骨缺损的愈合（图2)。自体骨移植在病理性骨折和大块骨缺损中有局限性；因此，已经引入了其他类型的移植物来克服在这种情况下自体移植物的局限性[2,10,13]. 所有可用选项和替代选项都有局限性和优点（表1)选择合适的移植物或两者的组合取决于外科医生的偏好和经验。
自体移植
从一个部位采集并植入同一个体内另一部位的骨移植称为自体骨移植、自体骨移植或自体骨移植[32]. 它们可能是松质骨或皮质骨（非血管化或血管化），在某些情况下是两者的组合，即“皮质-血管移植物”[2,33]. 新鲜自体移植包含存活细胞和骨诱导蛋白，如BMP-2、BMP-7、FGF、IGF和PDGF[9,22]. 从生物学角度来看，它们是可用的最佳材料，因为它们完全缺乏免疫原性。它们在移植后立即保持生存能力，并且缺乏免疫原性增加了移植物并入宿主部位的机会[34]. 此外，考虑到骨髓间充质干细胞、骨祖细胞、成骨细胞和生长因子的存在，新鲜自体移植物的成骨、骨诱导和骨传导性能最佳[24,35]. 自体移植物没有相关的病毒传播风险；此外，它们为植入的装置提供结构支撑，并最终成为机械高效的结构，因为它们通过爬行替代物结合到周围的骨骼中[23]. 主要缺点是自体移植必须从另一个身体部位进行，这意味着需要进行额外的手术，捐赠者部位疼痛、发病率和并发症的几率更高[34]. 如果需要大量移植，可能无法获得足够数量的自体骨移植，必须考虑其他植骨材料[18,21].
不同的地点被用来采集移植物的组织。可以从髂骨翼或嵴、胫骨和桡骨近端或远端、肱骨近端、尺骨远端、肋骨、跟骨和鹰嘴近端获取移植物[36–41]. 这些来源各有优缺点（表2)。其中，髂骨嵴具有显著的优势，例如易于接近，并可获得足够数量的皮质骨和松质骨[37,38,42]. 然而，从该部位采集移植物可能会导致神经、动脉和尿道损伤；骨盆骨折；捐赠者的痛苦[37,41]. 因此，使用了其他部位，如桡骨远端[43,44]. Kitzinger等人[44]比较18例髂骨嵴和桡骨远端作为植骨来源的差异；桡骨远端可以是一个更合适的选择，因为在其设置中，它避免了全身麻醉的需要，缩短了手术时间，并且涉及较小的手术暴露。活骨移植成功的最大机会是自体松质骨移植或带血管蒂自体皮质骨移植[16,26]. 一般来说，自体骨移植的成功取决于成骨细胞的存活和增殖、受体床的条件、选择的移植物类型、移植物的处理以及手术过程中移植物的形状，以使其适应宿主的骨[39]. 虽然新鲜自体移植物能够通过所有四种方式（诱导、生成、传导和整合）支持新骨生长，但为了临床有效，骨移植替代物可能不需要具备所有四种特性。当诱导分子在支架上局部传递时，间充质干细胞最终被吸引到该部位，并且能够再生地诱导新骨形成，前提是满足最小浓度和剂量阈值[23].
同种移植
异体移植物是从一个人身上采集并植入同一物种的另一个人体内[13]. 鉴于自体移植的局限性，同种异体移植作为自体移植的一种常见替代物已在临床和实验中得到应用[45]. 异体骨移植通过区域组织库和大多数主要的骨科和脊柱公司进行分发[23].
异体移植物有颗粒化和结构化两种形式[24]并以皮质、松质或皮质囊移植物的形式提供[22]以及各种形状，如粉末、皮质碎屑和松质立方体。它们也可以加工成矿化或脱盐、新鲜、新鲜冷冻或冻干形式[27,32]. 异体移植物可以从尸体或活体供体中获得。尸体模型作为商业产品提供[32]. 从新鲜尸体上获得的同种异体移植物在保留细胞和有机物的情况下进行了最低限度的处理[27]. 同种异体移植物的主要优点是可以随时获得各种形状和大小的移植物，避免了牺牲宿主组织的需要，并且不存在供体部位发病的挑战[21,23]. 同种异体移植物具有不同的骨诱导和骨传导特性，但缺乏活细胞，因此其成骨潜力低于自体移植物[32].
同种异体骨移植有传播细菌污染和病毒性疾病的风险，如艾滋病毒、乙型和丙型肝炎，也可能诱发免疫反应，干扰骨愈合过程，导致移植排斥反应[17,18,21,22]. 此外，同种异体移植的愈合率通常低于自体移植。
鉴于免疫反应启动的可能性较高，且有传播疾病的风险，新鲜同种异体骨很少使用。冷冻和冻干同种异体移植可以部分消除这些顾虑[24]由于与同种异体移植物相关的免疫反应的可能性被最小化，生物和生物力学特性只受到部分影响[21,46]. 然而，移植物并不是没有争议的，尤其是关于它们与传染源传播的关系。一些组织处理机采用了可以显著降低这种风险的方法。了解您的组织库提供商至关重要，以确保其处理和保存方法灭活病毒，但不会对用于特定临床用途的组织的生物力学和生物化学特性产生负面影响[23].
与新鲜同种异体骨相比，新鲜冷冻和冻干同种异体骨都能更快地诱导移植物血管化、融合和骨再生[46]. 冷冻干燥在降低供体免疫反应和病毒性疾病传播的风险方面产生了更安全的移植物。然而，尽管有现代的消毒和储存方法，但使用冷冻干燥技术处理同种异体移植物，并通过低渗溶液、丙酮、环氧乙烷或γ射线照射处理移植物，可以消除细胞和病毒颗粒，从而降低感染和传播疾病的风险[45]，同种异体骨的使用并不完全安全[32,46]. 这些过程可能破坏移植物中的骨细胞和变性蛋白，改变骨传导和骨诱导特性，基本上消除成骨特性[24]. 因此，与自体移植相比，冻干同种异体移植需要更长的时间才能实现血运重建和融合[21]. 冷冻干燥过程也会降低移植物的机械强度，而且加工和现成同种异体移植物的成本很高[46,47]. 同种异体骨的矿物成分可以通过脱钙来去除，以获得具有骨诱导和部分骨传导性的脱钙骨基质（DBM）[32]. DBM能迅速血管化，其生物活性归因于细胞外基质中的蛋白质和各种生长因子[22]. 鉴于这些主要缺点，同种异体移植并不是自体移植的完美替代品。
异种移植物
自体骨移植的另一种替代方法是异种移植，也称为异种或异种移植[48]. 异种移植物是从一个个体中采集并移植到另一个不同物种的个体中。常见的异种移植物来源于珊瑚（生物珊瑚®天然珊瑚；生物珊瑚公司，威明顿，纽卡斯尔，DE，美国），猪和牛来源[48,49]. 异种骨移植物理论上是一种无限供应的可用材料，如果它们可以被加工成安全的用于人类移植[48]. 牛衍生产品的一个主要问题是人畜共患疾病和朊病毒感染（如牛海绵状脑炎（BSE））的潜在传播[17,49]. 异种移植物与同种异体移植物相似，在处理过程中会失去其成骨和部分骨诱导特性，以抵消其抗原特性并防止感染传播。异种移植物临床效果不佳[17]; 然而，人们提出了新的见解。
已经进行了几项研究，通过应用不同类型的骨移植来治疗骨缺损、骨不连和病理性骨折（表三) [50–53]. 在大多数情况下，自体骨移植被建议作为金标准，并与其他方法进行比较[4,54]与自体骨移植相比，其疗效不同。
Keskin等人[11]评价自体骨髓对牛源异种骨移植修复兔尺骨骨缺损的疗效。尺骨骨缺损是通过从右桡尺骨远端近端3厘米处切除1厘米长的骨段而形成的。骨缺损同时用牛源性异种骨移植、异种骨和骨髓的组合治疗，或在节段填充后的第五天，用异种骨移植物和自体骨移植物治疗。他们得出结论，当异种移植与自体红骨髓结合时，异种移植的缺点得到了补偿；因此，它们与受体床的结合显著增强。此外，他们得出结论，海绵状异种移植物可能为骨髓细胞成骨提供合适的培养基。此外，其他一些研究表明，与骨移植相比，骨髓注射在骨愈合方面具有更大的疗效，且无明显并发症[50,55].
润滑油（润滑油®; Osteocell SA，希腊雅典）是一种基于异种的纯化小梁骨基质，主要含有I型胶原和羟基磷灰石[12]. Athanasiou等人[12]比较了几种广泛使用的骨移植替代物的组织学特性。为此，他们在分配给六个实验组的90只兔子的双膝股骨外侧髁上制作了一个直径为4.5 mm的孔。骨缺损用各种移植物填充，包括自体移植物、脱钙骨基质挤压同种异体移植物（Grafton®; Osteotech，Inc.，Eatontown，NJ，USA），牛松质骨异种移植（Lubboc®)，磷酸钙羟基磷灰石替代品（Ceraform®; Teknimed，Vic-en-Bigorre，法国），硫酸钙替代品（Osteoset®; Synthes，West Chester，PA，USA），无填充（对照）。植入后1个月、3个月和6个月对动物实施安乐死，并对植入部位的组织样本进行组织学评估。采用自体松质骨移植获得最高的组织学分级。牛异种移植在组织学分级中排名第二。其他替代物与同种异体移植物和异种移植物相似，但都不如。
最近，研究了异种牛胎DBM、商品DBM、网膜、网膜-胎儿DBM、自体皮质移植和异种软骨粉对狗模型胫骨缺损愈合的影响[56]. 总的来说，大网膜和大网膜-DBM组优于对照组，但低于自体移植组、商业DBM组、小牛胎儿DBM组和小牛胎儿软骨组。
软结缔组织和硬结缔组织（如肌腱、韧带和骨骼）的脱细胞化减少甚至消除了同种异体移植物和异种移植物的免疫原性，因此可能有效地促进这些移植物的融合[57–60]. 多种物理、化学和酶法被用于去除细胞质和核抗原，同时保留细胞外基质结构并保持机械和功能特性[58,60]. 离子洗涤剂，如十二烷基硫酸钠（SDS）可溶解细胞膜，并且由于其有使蛋白质变性的倾向，也会损害组织结构。使用非离子清洁剂（如Triton X）可以部分保存脱细胞组织的结构[57,60]. Zhang等人[59]比较了不同的方法，如NaCl+SDS、胰蛋白酶/EDTA、胰蛋白酶/EDTA+Triton X-100、Triton X-100、Triton X-100+SDS，以及在-70°C下冷冻，然后使用胰蛋白酶/EDTA+Triton X-100对家兔滑膜内屈肌肌腱进行脱细胞处理。在这些药物中，在-70°C下冷冻，然后用胰蛋白酶/EDTA+Triton X-100.可获得最佳脱细胞效果。此外，Elder等人[57]在培养4周后，采用两阶段方法评估各种脱细胞处理对组织工程关节软骨构建物的影响，包括细胞数量、生化和生物力学特性以及胶原蛋白含量。在第一阶段，评估了五种治疗方案，包括1%十二烷基硫酸钠、2%十二烷基磺酸钠、2%Triton X-100、2%磷酸三丁酯（TnBP）和低渗，然后使用高渗溶液进行1或8小时，然后在PBS中进行2小时冲洗。在第二阶段，第一阶段的最佳治疗方案（2%十二烷基硫酸钾）应用1、2、4、6或8小时。用2%十二烷基硫酸钠处理1或2小时，可显著降低组织的DNA含量，同时保持生化和生物力学特性。另一方面，2%十二烷基硫酸钠持续6或8小时可导致组织学完全脱细胞，细胞核完全消失，但压缩性能显著降低。在本研究之后，用2%十二烷基硫酸钠处理1或2小时是软骨脱细胞最有效和最有希望的方法。事实上，它导致了完全脱细胞，同时保持了生理功能特性。最后，Vavken等人[58]比较了Triton X、胰蛋白酶和SDS对猪前交叉韧带（ACL）脱细胞的效果，表明Triton X是猪ACL脱细胞最有效的试剂。
骨组织工程
组织工程是管理骨质流失的“最终”选择。组织工程可以包括使用支架、促进愈合的因子（例如生长因子）和干细胞[17]. 组织工程被定义为“一种影响任何活组织和非活组织的结构和结构的过程，目的是提高构建物在生物环境中的有效性”[61]. 因此，所有进行脱细胞处理的非新鲜移植物都属于组织工程范畴。事实上，脱细胞化是描述同种异体移植物和异种移植物的基本组织工程技术[58]. 这种组织工程方法多年来一直被用来降低活移植物的抗原性[58,59]. 新的方法已经开发出来，新的组织工程产品最近也被引入。
组织支架
支架是组织工程中最重要的问题，可分为两大类，包括生物（天然或有机）材料和合成（人工）材料[5,22]. 前者是天然聚合物，如I型胶原蛋白或DBM[24,62,63]. 多孔金属、生物活性玻璃、合成聚合物（如聚乳酸（PLA）和聚乙醇酸（PGA））以及磷酸钙陶瓷（如羟基磷灰石（HA）和磷酸三钙（TCP））是合成材料的示例[2,24,27,32,64].
传统的生物移植物脱细胞技术旨在模拟缺损区自体移植物的特性，为骨组织工程奠定了基础[58,59]. 通过这种方法，移植物的结构没有改变，并且这种不可行的脱细胞移植物的愈合特性也不能增加[47]. 较新的技术使用不同的材料制作移植物，其结构可以根据临床需要设计。合成材料通常被选为生产支架的组织工程材料，因为它们的聚合物分子可以在市场上买到，并且在使用前无需特殊处理[65,66]. 利用各种组织工程技术，已经为骨组织工程应用生产了不同的支架，每种支架各有优缺点（表4)。此外，图中提供了几种聚合物的扫描电子显微镜（SEM）图像三.
为了制造支架，生物组织应该降解成其成分，然后根据组织工程目标重新设计[67,68]. 这种结构对一种或两种材料（例如胶原蛋白+羟基磷灰石、胶原蛋白+壳聚糖）具有特异性，因此与尸体移植物相比抗原性较低[66,67]. 组织工程结构的几个特征已被提出，包括孔隙率、合适的孔径和形状、纤维排列和取向、纤维密度、内外结构、亲水性和疏水性，包括吸水、结合和输送[65,69]. 无论支架的组成如何，上述特征对其骨传导性至关重要[34]. 由于这些材料应该被新骨替代，另一个重要的标准是它们的可吸收性。聚合物的降解基于酶或水解途径[34,70]. 聚合物支架具有独特的性能，如生物降解性。天然聚合物被认为是第一种可生物降解的生物材料，而合成的可生物降解聚合物可以在受控条件下生产[34,71]. 生物活性陶瓷，如HA、TCP（TCP比HAP更容易生物降解）和生物活性玻璃，与生理流体发生反应[71]. 然而，它们的生物降解能力往往不足，限制了其潜在的临床应用。通过混合合成聚合物和天然聚合物或使用复合材料来改善支架的性能，例如生物降解性，可以解决这个问题。这些产品通常被命名为“混合型”[17,71–73].
一般来说，组织工程结构具有低分子密度和高孔径，其纤维排列和大小可能因损伤性质和受体组织而异[74]. 支架必须具有高度的多孔性，以允许细胞长入并促进构建物的新生血管[71]. 在设计支架时，平均孔径、孔径分布、孔体积、孔连通性和孔形状是需要考虑的重要参数[74]. 孔的大小非常重要：如果孔太小，它们将被细胞堵塞，这将阻止细胞渗透、细胞外基质生成和支架内部结构中的新生血管形成。200–350μm的孔径最适合骨长入，有利于骨传导[71].
用于组织支架的天然材料
天然或生物基材料取自生物基组织，异种移植可能是这些后期产品的最佳来源。天然支架的优点是，与合成材料相比，它们具有显著优越的生物相容性、生物降解性、再生特性（例如，骨诱导、骨传导、成骨和骨整合），但它们的免疫行为在不同物种中是可变的，也与应用类型有关[75–79].
胶原蛋白
胶原蛋白是人体中最广泛存在的胶原蛋白之一，为从皮肤到骨骼的各种组织提供强度和结构稳定性[78]. 胶原蛋白（I型胶原蛋白）是骨骼ECM的主要有机成分，是用于生产生物组织工程移植物的最常用生物材料（表4) [75,78,80]. 最近的研究试图通过在不同复合材料的结构中加入胶原蛋白来提高组织工程支架的生物相容性、生物降解性和再生能力。用胶原蛋白对不同骨支架进行表面修饰是许多最近研究的重点。在支架中使用排列整齐的胶原纤维可以促进细胞增殖，并向成骨细胞分化[78]. 胶原支架也被用作骨形态发生蛋白的生物材料载体。利用大鼠异位骨形成模型，将rhBMP-2注射到胶原基质中，结果表明，利用胶原，可以通过功能性传递骨生长因子来生成新的骨形成体内[81]. 尽管胶原蛋白基支架具有良好的生物活性，但其力学性能较低，在细胞培养过程中容易发生大量收缩，这限制了其在骨组织工程中的潜在应用。最近利用成骨细胞MC3T3-E1细胞培养系统研究了鱼胶原蛋白肽（FCP）对胶原蛋白合成、质量和矿化的影响：FCP对成骨细胞的胶原蛋白合成，质量和矿化有积极影响，从而表明FCP在骨组织工程中的潜在用途[82]. 此外，还产生了胶原蛋白-壳聚糖-磷酸钙微粒的组合，然后与乙醇酸融合。在这种骨移植替代物中加入胶原蛋白可提高复合物的生物相容性和降解特性[83].
壳聚糖
壳聚糖是一种线性多糖，具有许多商业和生物医学用途，因为它具有快速凝血的特性，最近在美国和欧洲获得批准，可用于绷带和其他止血剂，快速止血和减少失血，猪动脉损伤致死率为100%[84].壳聚糖盐可以与其他材料（如藻酸盐）混合，以使其更具吸收性或改变壳聚糖盐的溶解速率和生物吸附性。壳聚糖盐具有生物相容性和生物可降解性，可作为可吸收止血剂使用[85]. 壳聚糖盐可以放置在可吸收的背衬上。可吸收背衬可以是合成的（例如，由现有可吸收缝合材料制成，例如Tephaflex聚合物；Tepha Medical Devices，Lexington，MA，USA）或天然的（例如纤维素或凝胶/固化蜂蜜）[84]. 壳聚糖的性质也允许其用于经皮给药；它具有粘性、反应性，可以以多种不同的形式产生，并且在酸性条件下带正电荷。该分子将在中性环境中保持其结构，但在酸性环境中会溶解和降解。因此，壳聚糖可用于将药物输送到酸性环境中，然后壳聚糖包装会在酸性环境中降解，将药物释放到所需的环境中[85]. 由于其独特的性质，壳聚糖已被用于骨组织工程的各种材料的组合。开发并表征了由壳聚糖和磷酸钙组成的三维复合支架。该支架的风干增强了其生物活性。鉴于壳聚糖的最佳强度、抗降解性和细胞支持特性，它可以用于骨组织工程[86].
海藻酸盐
褐藻酸，也称为褐藻胶或褐藻酸盐，是一种阴离子多糖，广泛分布于褐藻细胞壁中，与水结合形成粘性胶。以提取的形式，它能快速吸水，吸水能力是自身重量的200-300倍。它以丝状、颗粒状或粉末状出售。开发了一种以胶原蛋白和海藻酸钠为核心和外壳的新型干细胞输送系统。这种纤维载体已被证明有望将组织细胞封装并输送到受损的靶组织中，包括用于骨组织工程的具有缺陷可调性的骨[87].
弹性蛋白
与胶原蛋白类似，弹性蛋白是大多数组织ECM中发现的关键结构蛋白；然而，对于骨细胞对弹性蛋白或其衍生物的反应知之甚少。最近，一种新型的基于ECM的胶原复合支架和一种基因工程聚合物——类弹性蛋白多肽（ELP）被设计并生产出来。通过将弹性蛋白嵌入胶原蛋白支架，与单独的胶原蛋白支架相比，有望获得更好的机械性能和药物释放特性。弹性蛋白还增强干细胞的成骨分化并调节细胞行为在体外[88].
纤维素
纤维素是一种有机化合物，是绿色植物、多种藻类和卵菌的初生细胞壁的重要结构成分，由一些细菌分泌形成生物膜。纤维素是地球上最丰富的有机聚合物[89]. 纤维素用于制造亲水性和高吸水性海绵，与其他材料结合使用有利于骨组织工程应用[90]. 最近生产了一种基于纤维素和胶原蛋白的微/纳米结构支架。在支架上培养人成骨细胞后，支架支持培养细胞的最佳粘附和表型维持，与具有相同孔隙特性的对照聚酯微/纳米结构支架相比，成骨酶碱性磷酸酶和矿物质沉积水平较高[90].
合成聚合物材料
几个在体外和体内研究人员试图优化基于合成的组织工程支架，以便在骨再生医学中发挥作用。单壁碳纳米管（SWCNT）和聚乳酸-合作-乙醇酸（PLGA）复合材料是近年来发展起来的一种复合材料。在植入人MSCs和成骨细胞后，该复合物赋予了有益的细胞生长能力和基因表达，矿化能力得到了很好的证实，表明其在骨再生中具有潜在的应用前景[91]. 作为另一种策略，不同聚合物的组合已被尝试增加合成支架的细胞相容性。聚乙烯(我-丙交酯）和聚己内酯三醇就是一些例子。使用这种组合，新膜促进了大鼠成骨细胞的行为在体外（例如，迁移、附着、增殖和基质生产）[92]. 表面改性和涂层是提高合成支架生物活性的另一种策略。将二氧化硅纳米粒子应用于三维聚己内酯（PCL）纤维组织支架的纤维表面。纳米颗粒层可以改善纤维的润湿性和表面粗糙度。因此，它增强了成骨细胞的附着、增殖和碱性磷酸酶活性[93]. 尽管合成材料在骨愈合和再生方面具有许多有益的特性，但与天然支架相比，其生物相容性、生物降解性和再生性能仍不太理想。因此，人们曾多次尝试将合成材料与天然材料结合起来。最近，poly(天,我-丙交酯-合作-乙交酯）与一种天然生物陶瓷混合材料纳米珍珠粉结合，作为一种骨诱导材料：该支架能够影响成骨细胞的行为在体外[94]. 聚羟基脂肪酸（PHA）在组织工程中的优点包括高免疫耐受性、低毒性和生物降解性。聚3-羟基丁酸酯-合作-3-羟基己酸酯）（PHBHHx）是一种生物聚合物PHA家族的分子，具有这些特征。胶原蛋白已与PHA一起使用，以增加支架的生物相容性，并支持细胞增殖和成骨分化在体外[95].
对于可注射细胞耦合三维（3D）支架作为骨折增强材料的需求越来越大。为了满足这一需求，利用细胞、天然聚合物（I型胶原）和合成聚合物（PCL）开发了一种新型的可注射成骨支架PN-COL。可注射纳米纤维PN-COL是通过在植入I型胶原的前成骨细胞内散布PCL纳米纤维而产生的。这种简单但新颖且强大的方法与其他非活性骨折稳定聚合物相比，作为可注射骨支架具有很大的优势，如聚甲基丙烯酸甲酯和含钙树脂基材料。胶原蛋白的可注射性和仿生性优势与PCL纳米纤维的结构支撑相结合，形成具有复杂多孔内部结构和高骨传导性的细胞包裹可注射三维骨支架。已经评估了PCL纳米纤维包裹在细胞包裹的胶原基质中对支架尺寸保持和骨相容性以及MC3T3-E1细胞成骨活性的影响。在结构分析中，这种新型生物活性材料在水溶液中的化学稳定性足以在不使用交联试剂的情况下保持较长时间，但其粘度也足以通过注射器针头注入。长期数据在体外增殖和分化表明PN-COL支架促进成骨细胞增殖、表型表达和矿化基质的形成[96]. 一种新型磷酸二钙/聚乳酸（DCPA/PLA）复合纳米纤维，通过仿生模拟矿化胶原纤维就地用于硬组织再生医学的合成和静电纺丝。加入聚乙二醇作为共聚物来源，产生了更稳定、更有效的电纺射流，并有助于结合纳米晶体的PLA纳米纤维的电纺能力[97].
磷酸钙及其衍生物
不同类型的磷酸一钙、磷酸二钙和磷酸三钙生物陶瓷和分子已广泛用于骨组织工程的研究和开发[68]. 羟基磷灰石是钙磷灰石的一种天然矿物形式。骨骼重量的50%是羟基磷灰石（称为骨矿物）的改性形式。碳酸钙缺乏型羟基磷灰石是牙釉质和牙本质的主要组成矿物[98]. 羟基磷灰石晶体也存在于称为砂体或“脑砂”的小钙化物（松果体和其他结构内）中。磷酸钙和磷灰石在骨组织工程中都有广泛的应用[99]. 几位作者单独或与胶原蛋白、藻酸盐和壳聚糖等其他材料结合使用，以开发新的支架和组织工程策略[98–107].
最近，一种通过冷空气等离子体（CAP）处理的仿生生物活性组织工程骨构建物（多孔纳米晶羟基磷灰石（nHA）/壳聚糖支架）被引入人类骨髓间充质干细胞定向成骨分化[98]. 研制了一种新型的羧甲基纤维素（CMC）水凝胶中含有HA的杂化材料（CMC-HA）。在水凝胶基质中插入HA纳米晶的策略包括使冻干水凝胶在含有HA微晶的溶液中膨胀。当对复合CMC-HA水凝胶进行表征并接种成骨细胞MG63系时，与未接种HA的支架相比，含HA的支架能够增强细胞增殖和代谢活性，并促进矿化细胞外基质的生成[102]. Sagar等人[108]使用纳米羟基磷灰石/明胶和化学羧甲基甲壳素（nHA/gel/CMC）支架构建物，评估兔胫骨近端关键尺寸缺损的完全愈合。通过微计算断层扫描分析的结构指数显示，与对照组相比，骨体积分数的百分比显著增加，在用nHA/gel/CMC结构处理的部位，皮质小梁骨形成得到协调。在组织学和荧光标记中，支架结构均匀互连的多孔表面增强了成骨细胞活性和矿化。
胶原蛋白已被广泛用于HA和/或TCP生产骨支架。最近，通过在α-磷酸三钙水泥的液相中加入胶原蛋白，以溶解或纤维化的形式，获得了一种受骨骼启发的材料。这种材料能够凝固就地产生缺钙羟基磷灰石（CDHA）/胶原复合物。该复合物控制细胞行为以加速和触发成骨分化在体外[99]. 胶原-羟基磷灰石（Col-HA）复合材料就地设计并制备了具有纳米磷灰石晶体的I型胶原纤维矿化。将支架与MSCs培养后，多孔Col-HA复合材料具有良好的生物相容性和仿生性能，支持骨再生和形成[101].
胶原蛋白和透明质酸的组合已经被使用体内最近，开发了一种由胶原纤维和结晶不良的类骨碳酸磷灰石纳米颗粒组成的仿生胶原蛋白-磷灰石支架，以改善骨修复和再生。体内，支架促进小鼠新骨形成[106]. 此外，研究了可吸收胶原蛋白膜对双相磷酸钙填充的兔胫骨临界尺寸缺陷的影响：双相磷酸钠作为支架发挥了良好的作用，并允许矿化组织的形成。此外，与非膜处理部位相比，添加可吸收胶原蛋白膜可提高骨增益[109].
多孔HA胶原作为骨支架的应用代表了模拟特定骨细胞外基质的新趋势。HA在重建手术中的应用表明，它缓慢受到宿主细胞的侵袭。因此，植入前接种细胞可以增强植入物的相容性。将人原代成骨细胞接种到新型胶原蛋白-明胶-京尼平（GP）-HAp支架上。体外人原代成骨细胞在含有不同比例HA（10%、20%和30%）的胶原蛋白-G-HAp支架上的附着、增殖和定植在培养过程中均随时间增加，但比较不同比例的HA，它们似乎随着HA成分的减少而增加[105]. 由胶原蛋白（Coll）、HA和聚乳酸制成的三组分成骨复合支架(我-丙交酯-合作-¦Β-己内酯（PLCL）是最近开发出来的。该Coll/HA/PLCL复合支架与人成骨样细胞结合。该复合材料具有高度多孔性，能够促进成骨样细胞的粘附和生长[100]. Jung等人[110]阐明了胶原蛋白膜（CMs）与牛羟基磷灰石颗粒结合胶原基质（BHC）用于狗侧位嵌体移植物时的作用。与单纯植骨相比，这种方法可以获得更好的新骨形成和骨质量。
磷酸钙陶瓷，特别是β-磷酸三钙（β-TCP）和合成HA，最近被用于复合材料和使用静电纺丝技术形成的纤维复合材料中，以用于骨组织工程应用。磷酸钙陶瓷之所以受到追捧，是因为它们具有骨生物活性，从而在其表面形成磷灰石，促进与骨组织的结合，并具有骨传导性[103]. 在最近的一项研究中，研究了含有磷酸钙的电纺复合材料的生物活性及其相应的成骨活性。由（20/80）HA/TCP纳米陶瓷和聚(¦Β-结果表明，接种人骨髓间充质干细胞的混合支架后，细胞不仅表现出更大的成骨分化，而且增殖并产生更多的骨基质在体外[103].
TCP和HA的结合是另一种策略。研究了三种不同HA/β-TCP重量比的Ca-P陶瓷颗粒（纯β-TCP、HA/β-TCP重量比为60/40（BCP 60/40）的双相Ca-P（BCP）和HA/β-TCP重量比为20/80（BCP 20/80）的BCP）的骨愈合和生物降解模式[106]. 在10只兔子身上产生了4个直径为8 mm的缺损。每只兔子的三个缺损处分别随机填充三个实验性钙磷陶瓷颗粒中的一个，第四个缺损处填充血块（对照组）。2周和8周后，BCP 60/40和BCP 20/80在单个颗粒和总增强面积方面表现出相似的骨愈合和生物降解模式体内.
Piccinini等人[111]将一种新的矿物学配方HA/磷酸四钙（TTCP）作为生物材料植入大鼠上颌窦，用于骨再生。植入17周后，HA/TTCP合成骨移植物作为骨传导材料表现良好：骨移植物接触非常高，骨体积和活性骨显示出理想的骨密度，可用于植入。Farahpour等人[112]用放射学方法评价了孔隙率分别为5%、10%和20%的双相磷酸钙支架对兔皮质骨修复的影响。他们表明TCP+HA支架是一种骨传导和骨诱导生物材料。TCP+HA支架可以增加新骨形成量，使骨缺损再生更快。Velasquez等人[104]报告了在体外和体内α-磷酸三钙（α-TCP）以及重量百分比为1.5或3.0的α-TCP的行为硅酸二钙（C2 S）。这个体内陶瓷的性能与在体外结果，与α-TCP中C2 S含量无关。与植入物直接接触的完全矿化的新骨生长在体内条件。植入物的生物活性和生物相容性随着α-TCP中C2S含量的增加而增加。C2 S掺杂陶瓷也有利于α-TCP向CHA的相变，这对于自然骨愈合过程中的完整种植体集成非常重要。
PLGA/β-TCP骨架与胶原I/磷灰石海绵复合涂层的混合快速成型（RP）支架是骨组织工程的一个很有前景的候选材料[113]. 在每只动物的下颌骨左右区域分别产生两个骨缺损（长8mm×宽3mm×深3mm）。一侧缺陷用β-TCP/HS（A组）或DBM腻子（B组）填充，另一侧缺陷留作对照。1～6周后，β-TCP/HS和人DBM腻子显示成骨活性，支持新骨形成。
生物活性玻璃
目前正在开发几种称为Bioglass的玻璃珠变体（美国生物材料公司，佛罗里达州阿拉丘亚市，美国），其中一种配方（PerioGlas）已在美国批准用于牙周用途。这些珠子由二氧化硅（45%）、氧化钙（24.5%）、氧化二钠（245%）和焦磷酸盐（6%）组成。植入后，它们与胶原蛋白、生长因子和纤维蛋白结合，形成多孔基质，使成骨细胞浸润[114]. 最近，由胶原蛋白和表面胺化的介孔生物活性玻璃纳米粒子制成的新型纳米复合水凝胶被开发出来[115]. 在胶原水凝胶中添加生物玻璃可显著提高支架的生物活性并改善其力学性能；因此，这种新的策略将适用于骨组织工程应用[115]. 此外，溶胶-凝胶产生的生物活性玻璃泡沫是一种骨诱导材料，具有细胞定植所需的相互连接的大孔网络。研究表明，生物活性玻璃可以将人脂肪来源的干细胞分化为成骨细胞，在体外[116]. 此外，Gu等人[117]使用由两种不同生物活性玻璃（硅酸盐13-93和硼酸盐13-93B3）混合物组成的支架来评估其对成骨MLO-A5细胞的反应在体外大鼠颅骨缺损的骨再生能力体内支架可以引导骨再生，降解率可控。玻璃和HA的组合也被用于骨再生。Fredericks等人[118]在兔后外侧脊柱融合模型中，测定了一种新型硅酸盐替代HA骨移植替代物（BGS）SiCa-P-EP（Baxter Healthcare/ApaTech，Elstree，UK）在独立模式、带骨髓抽吸（BMA）的独立模式和带髂骨嵴自体移植（ICBG）的延长模式下的性能特征。SiCa-P EP作为一种独立的药物，作为一种与BMA结合的药物，以及作为一种自体移植（ICBG）延长剂，其临床和影像学结果与ICBG相似。
促进愈合的因素
生长因子等促进愈合的因子已被广泛用于治疗骨缺损和诱导成骨。一些生长因子，如血管内皮生长因子（VEGF）、TGF-β、PDGF和BMP，如BMP-2、BMP-7和IGF，存在于健康骨基质中，并在骨愈合过程中表达[32,34,119]. 这些因子可以调节血管化，并诱导成骨细胞及其前体细胞的增殖和分化，因此它们有助于改善愈合过程[32].
骨形态发生蛋白-2（BMP-2）是一种有效的骨诱导细胞因子，在骨再生和修复过程中起着关键作用。在细胞外环境中，与糖蛋白（如syndecan）共价结合的硫酸化多糖以及与纤维连接蛋白纤维的非共价结合已被证明通过肝素结合域与BMP-2结合并调节其生物活性[37]. 超分子肽两亲性纳米纤维整合了syndecan和fibronectin的生物作用，已被控制并设计为在可吸收胶原支架的孔隙内形成网络。在使用BMP-2的大鼠临界大小股骨缺损模型中，该混合生物材料显著促进了骨再生，其数量比该动物模型中愈合所需的数量低一个数量级。当使用仿生超分子系统输送低剂量BMP-2时，发现新的骨化组织中存在更成熟的骨[80]. Cha等人[120]在犬鼻窦模型中测定了BHC载体中BMP-2增强骨形成的功效。在准备双侧窦进入窗后，仅BHC（对照）或加载大肠杆菌-将0.1 mg/mL的衍生BMP-2植入四只动物体内，并在BHC中加载大肠杆菌-将0.5和1.5 mg/mL的衍生BMP-2植入四只动物体内。这些动物在20周时被实施了安乐死。组织学分析显示，与对照组相比，BMP-2组的骨形成显著增强。骨形态发生蛋白-2在BHC载体中，即使在低0.1-mg/mL浓度下，也能诱导成骨活性，从而增强犬窦模型的局部骨形成。Jang等人[121]测定用rhBMP-2浸渍的20/80的HA/β-TCP比率是否促进大鼠颅骨缺损模型中新骨的形成。rhBMP-2显著诱导新骨形成。此外，Stancoven等人[122]与临床参考DBM相比，评估浸泡在可吸收胶原海绵（ACS）上的rhBMP-2诱导局部骨形成的潜力，并研究外源性甲状旁腺激素（PTH）的潜在加性/协同效应。160只成年雄性大鼠的颅骨截骨临界尺寸（8mm）缺损被随机分为八种干预措施之一：rhBMP-2/ACS、DBM、ACS，或作为对照组（空白缺损）与全身PTH联合或不联合。术后4-8周，rhBMP-2/ACS显著刺激局部骨形成，而DBM组的骨形成明显受限。全身应用甲状旁腺素对局部骨形成没有明显的添加剂/协同作用。Liu等人[123]制备了一种新型仿生骨支架，由半水硫酸钙（CSH）、胶原和纳米羟基磷灰石（nHAC）组成。将rhBMP-2引入CSH/nHAC。将含或不含rhBMP-2的支架植入兔股骨髁部一个临界大小的缺损模型中。平片、显微CT和组织学观察结果表明，rhBMP-2组有更多的新骨形成。
尽管许多报告证实了BMP对骨再生和质量的有益作用，但也有一些报告显示其对非负重骨愈合的再生无效。在一项研究中，评估了利用商用rhBMP-2基系统衍生物再生颅骨的生物力学特性。23只成年雄性犬出现标准化颅骨缺损。在几个载体中的一个载体上用rhBMP-2处理这些缺陷。24周后，通过改良的punch-out试验将rhBMP-2生成的骨的生物力学特性与对照组进行比较。他们得出结论，rhBMP-2生成的颅骨在6个月时对创伤的保护作用明显低于天然骨。
Hsu等人[124]评估联合治疗（TrioMatrix®; 由DBM、羟基磷灰石和纳米纤维胶原支架组成的啮齿动物脊柱融合模型。36只接受后外侧横突间脊柱融合的运动大鼠被随机分为五个治疗组之一：ACS单独治疗组（阴性对照），ACS上10μg rhBMP-2治疗组（阳性对照），TrioMatrix治疗组®（Osteotech，Inc.，Eatontown，NJ，USA），格拉夫顿®、和DBX®（Synthes公司）。两个TrioMatrix®-经rhBMP-2治疗的动物在植入后8周通过手动触诊评分显示100%融合率。这一比率明显高于ACS，Grafton®、和DBX®组。值得注意的是，TrioMatrix的使用®与包括rhBMP-2组在内的所有其他组相比，通过micro-CT量化的融合质量体积更大。融合床的T2加权轴位MRI图像显示，与使用rhBMP-2进行大量液体采集相关的显著宿主反应；使用TrioMatrix后，这种反应显著降低®在另一项研究中，将BMP-7或DBM植入兔胫骨牵张模型中，并将愈合情况与未经治疗的对照组进行比较。两种治疗方法都没有改变愈合模式。CT扫描测量的密度没有增加，唯一显著的发现是DBM治疗组的骨形成面积增加（增加65%）。这些实验结果并没有显示这些物质在骨延长模型中的作用[125].
唑来膦酸盐和BMP-7的组合也进行了测试体内优化骨骼愈合。唑来膦酸（INN）或唑来膦酸盐（由诺华（瑞士巴塞尔）以商品名Zometa、Zomera、Aclasta和Reclast销售）是一种静脉注射的二膦酸盐。Zometa用于预防多发性骨髓瘤和前列腺癌等癌症患者的骨骼骨折，以及治疗骨质疏松症。它还可用于治疗恶性肿瘤的高钙血症，并有助于治疗骨转移和骨折引起的疼痛[126]. Yaman等人[127]在兔胫骨模型中，研究了全身唑来膦酸给药对HA涂层和可吸收成骨材料表面（RBM）植入物骨整合的影响。组织形态计量学分析显示，与羟基磷灰石涂层唑来膦酸组相比，RBM-surface-zoledronic acid组种植体的骨整合显著改善。结果表明，全身注射唑来膦酸可以改善钛种植体在骨中的骨结合。Mathavan等人[128]研究同种异体骨+骨形态发生蛋白-7+系统性唑来膦酸盐（ZA）联合应用对骨愈合和再生的作用。对82只雄性Sprague-Dawley大鼠进行股骨截骨，并用克氏针髓内固定。大鼠被随机分为七组：（i）生理盐水，（ii）自体移植物，（iii）同种异体移植物，（iv）同种异体移植物+BMP-7，（v）自体移植物+ZA，（vi）同种异体移植物+ZA，和（vii）同种异体移植物+BMP-7+ZA。大鼠在6周时被安乐死。BMP-7组的所有大鼠均出现完全放射愈合。同种异体骨+BMP-7+ZA组的愈伤组织体积较大，且愈伤组织较其他各组致密。力学测试显示，同种异体骨+BMP-7+ZA组合的峰值力明显高于所有其他组，在同种异体骨肉切除的股骨+BMP-7+中观察到的峰值力增加了59%与对照股骨相比，ZA组显著下降了22%-27%，而在盐水或单独骨移植组中观察到显著下降。同种异体骨移植结合BMP-7的合成代谢作用和唑来膦酸盐的抗分解代谢作用比单独自体骨移植更有效。
TGF-β1在骨的发育、诱导和修复中至关重要。研究了在狗实验性开放性截骨术模型中局部应用DBM和TGF-β1的效果[129]. 对年轻雄性犬进行胫骨开放性截骨术。第五周，与对照组和移植物组相比，用含有TGF-β1（5 ng/mL）的移植物治疗的动物的骨结构得到改善和恢复，早期形成宽骨痂和骨再生证明了这一点。此外，局部应用TGF-β1可增加胶原蛋白和蛋白水解活性。与对照组相比，TGF-β1治疗组动物的骨组织中发现了更多免疫阳性破骨细胞和间充质细胞。Ozturk等人[130]研究了一种新型含羟基磷灰石明胶支架（含和不含局部血管内皮生长因子）作为人工骨移植材料在治疗兔胫骨关键性骨缺损中的作用。6周后，在移植骨上注射VEGF在骨折愈合的早期阶段起到积极作用，但12周后没有效果。
阿伦膦酸或阿仑膦酸钠（Alendronic acid或alendronate nadium）是一种治疗骨质疏松症和其他几种骨疾病的双膦酸盐药物，由默克公司（Merck）（新泽西州怀特豪斯站，美国）以Fosamax出售。2008年2月6日，美国食品和药物管理局批准了阿仑膦酸钠的第一个非专利版本，由Barr Pharmaceuticals（美国新泽西州蒙维尔市）和Teva Pharmaceonicals（宾夕法尼亚州北威尔士霍瑟姆路）销售[131]. Mathijssen等人[132]研究了几种材料和药物在骨愈合中的作用。25只山羊接受了胫骨近端内侧皮质骨中的8个骨传导室。测试了5种浓度的阿仑膦酸钠（0、0.5、1、2和10 mg/mL）与异体骨结合并补充头孢唑林（200μg/mL）。未补充阿仑膦酸钠和头孢唑林的同种异体移植物作为对照。此外，还测试了与DBM混合的同种异体骨，包括阿仑膦酸钠和不包括阿仑磷酸钠。12周后，检测到局部应用阿仑膦酸钠的剂量-反应关系。局部应用头孢唑林对骨重建无影响。
辛伐他汀被认为是骨形成的促进剂。然而，辛伐他汀的半衰期通常为2小时，因此不太可能具有生物活性体内为了克服这一局限性，Jiang等人[133]建立了缓慢释放辛伐他汀的系统在体外和体内.他们构建了一种聚乳酸-合作-羟基乙酸/羟基磷灰石纳米纤维支架携带辛伐他汀并植入颅骨缺损模型。植入后4至8周，他们表示聚乳酸-合作-乙醇酸/羟基磷灰石/辛伐他汀支架诱导骨形成的效率高于对照组。
富血小板血浆（PRP）是输送生长因子的简单方法[134,135]. 人类PRP和HA的结合可能是动物模型中重建和再生临界尺寸缺陷的一种有希望的替代方法[134,136]. 最近，PRP与硅稳定HA/TCP支架的组合已对兔颅骨缺损有效（Skelite™；Millenium Biologix Corporation，加拿大安大略省金斯顿市）。使用这种策略，与单纯支架相比，在显微CT和组织学分析中可以看到显著的类骨基质和新骨沉积，以及更高的细胞数、更丰富的类骨沉积和更规则的胶原纤维。此外，在体外迁移实验证实了PRP对内皮细胞和骨祖细胞的趋化作用。添加PRP通过提供关键的再生隐匿因子来影响局部组织微环境，从而增强祖细胞募集和胶原及骨基质沉积，并在支架和骨之间建立桥接界面[137]. PRP的有效性存在一些争议。自体PRP对同种异体DBM在兔肌内位置诱导骨早期的作用表明，在DBM中添加PRP对3周诱导骨早期有负面影响[138]. Faratzis等人[139]研究了自体PRP对HA/β-TCP双相合成材料在兔临界大小颅骨缺损中成骨潜能的影响。植入2周、4周和6周后，自体PRP和双相HA/β-TCP合成移植物材料对骨愈合没有影响。
在另一项研究中，研究了用伊朗组织库研究和准备中心（伊朗德黑兰）的DBM、Hans Biomed公司（韩国首尔Seongdong）的DBM和/或空腔处理的三组大鼠颅骨的骨再生[140]以白蛋白为载体。对植入后1周、4周和8周的骨再生进行评估。两种DBM在骨再生方面存在显著差异。这种差异归因于载体的类型。与对照载体相比，白蛋白可以提高矿化度和生物活性。
干细胞
干细胞与支架结合作为一种多疗法是一种新的选择。胶原蛋白和脱钙骨粉已被用于制备新型骨组织工程支架。人骨膜衍生细胞（PD细胞）在该支架上培养：复合支架表现出比胶原支架更大的骨诱导潜能。与胶原支架相比，具有混合支架的PD细胞具有更高的ALP活性、钙沉积和更好的行为（例如附着、分化和增殖）[141].
最近，研究了将煅烧牛骨（CBB）包裹异体骨髓间充质干细胞（BMSC）作为三维支架材料用于骨愈合的可行性。将这种新型支架材料植入骨质疏松大鼠颅骨缺损和临界大小的骨缺损（直径8 mm）中。CBB-BMSC薄片组合在成骨分化和矿化形成方面具有更强的潜力在体外和体内CBB-BMSC组合。显微CT、H&E染色和骨强度的三维重建结果显示，4～12周后，CBB-BMSC片组新生骨的面积和体积显著高于CBB-BMSCs组[142].
具有多系分化能力的脂肪衍生干细胞（ASC）已被证明是一种替代细胞在体外和体内骨再生。这表明它们可能是修复骨缺损的潜在候选材料。Yang等人[143]试图证明利用未分化兔ASC的新仿生结构，以及由I型胶原水凝胶包裹的全互连多孔β-TCP支架，再生兔桡骨临界大小的缺损。用rASCs/胶原I/β-TCP支架复合物或胶原I/α-TCP支架材料制备兔左桡骨临界大小的缺损并植入。植入12周后，缺损几乎完全修复，皮质骨和髓腔的存在证实了这一点。此外，支架中更多的ASC增强了临界大小缺损的成骨作用。Pourebrahim等人[144]在犬上颌牙槽嵴裂模型中比较了ASC组织工程骨和自体骨移植的骨再生。将未分化细胞与HA/β-TCP支架在特定成骨介质中孵育21天。四只杂种狗通过切除双侧三颗切牙中的两颗切牙，从牙冠到鼻底形成了一个15毫米的骨缺损。愈合后，修复后，一侧采用ADC组织工程骨移植，另一侧采用自体胫骨皮质软骨移植。植入后第15天和第60天通过组织形态计量学评估骨再生。15天和60天时，自体移植侧骨形成率高于干细胞侧，分别为45%和96%对5%和70%。
Pang等人[145]观察由PLGA、β-TCP、I型胶原和磷灰石（PLGA/β-TCP-I型胶原/磷灰石）组成的混合RP支架与骨髓间充质干细胞联合治疗节段性骨缺损的疗效。在研究期间，原始RP支架（PLGA/β-TCP）中的骨缺损保持不连通。混合RP支架组在12周时编织骨融合桡骨缺损，术后24周时连续重塑为板层骨，12周后逐渐成熟为骨髓腔正常的皮质骨。RP支架中没有骨形成，但同时检测到结缔组织。Xuan等人[146]制作了带有个性化凹槽的聚己内酯/羟基磷灰石组织支架，用于修复胸骨缺损。这些缺陷是由比格犬的胸骨肋关节通过手术产生的。这些动物被分配到三组中的一组(n个 = 6） ：无治疗组、PCL/HA组和PCL/HA/BMSCs组。应用具有特定凹槽的PCL/HA支架，胸骨缺损得到了满意的修复。此外，骨髓间充质干细胞种子支架增加了骨长入量，似乎更有希望。磷酸钙纳米粒子，如HA/氟磷灰石（FA），与壳聚糖凝胶填充无限制性体干细胞（USSC），已在大鼠模型中用于颅骨愈合[147]. 支架尤其是与USSC的结合可以被认为是一种有效的骨再生方法。
在另一项研究中，比较了自体和异体骨髓间充质干细胞修复兔骨缺损的效果。缺陷用HA单独填充，HA用自体BM-MSC填充，HA则用异体BM-MSCs填充。与对照组相比，在组织学上，治疗组的成骨能力增强，松质骨重组更早更好，骨髓形成更多。体外与对照组相比，培养扩增的同种异体和自体骨髓基质干细胞诱导了相似但更快更好的愈合[148].
组织工程的最新方法：三维打印
三维打印（3DP）是一种快速原型技术，通过将液体粘合剂喷墨打印到组织工程支架用粉末生物材料上，可以创建复杂的3D结构。然而，由3DP直接制造支架对制造过程中的材料选择施加了限制。新型添加剂制造工艺越来越被认为是生产具有最佳孔径和空间分布的3D生物降解结构的理想技术，为组织再生提供充分的机械支持，同时塑造向内生长的组织[149]. 对于三维支架的力学和生物学性能，孔径和几何形状起着至关重要的作用。Domingos等人[150]使用新型集成自动化系统进行生产和在体外3D构造文化，即生物细胞打印，用于制造聚乙烯(¦Β-组织工程用己内酯支架。结果清楚地证明了BioCell打印工艺的潜力，可以生产具有可复制的有序结构和定制的机械性能的3D支架。最近，Billiet等人[151]报道了材料化学、工程和生物学的共同努力，作为制造高活性三维着色大孔明胶-甲基丙烯酰胺结构体的系统方法。Lee等人[152]报道了一种间接3DP方法，其中使用明胶颗粒打印出所需形状的正副本，并直接从打印模具中生成最终支架。为了生产与患者外轮廓精确匹配的患者专用支架，作者将其间接3DP技术与成像技术相结合，并使用聚己内酯和壳聚糖成功生产了模拟人类下颌骨髁突的定制支架，用于潜在的骨软骨组织工程。为了测试该技术精确控制支架内部形态的能力，他们使用计算机辅助设计模型在支架内生成正交互连通道。由于很少有生物材料能真正诱导成骨，他们用生物活性磷灰石涂层修饰了惰性3D打印材料。使用骨髓基质细胞（BMSC）研究这些支架支持细胞生长的可行性。骨髓间充质干细胞在支架中表现出良好的生存能力，磷灰石涂层进一步促进了细胞的扩散和增殖。这种技术对于复杂脚手架的制造可能很有价值。
生物组织与功能电子学三维交织的能力可以创造出比人类器官功能更强的仿生器官。Mannoor等人[153]提出了一种通过添加制造具有结构和纳米颗粒衍生电子元件的生物细胞来克服这些困难的新策略。作为概念验证，他们通过3D打印人类耳朵解剖结构中的细胞水凝胶基质，以及由注入的银纳米粒子组成的相互缠绕的导电聚合物，生成了一个仿生耳朵。这是允许的在体外在耳朵中的感应线圈天线周围培养软骨组织，这随后使得能够从耳蜗形状的电极读出感应耦合的信号。印刷的耳朵表现出对射频接收的增强听觉感知，而互补的左耳和右耳可以听立体声音乐。总的来说，他们的方法提出了一种通过3D打印将生物和纳米电子功能复杂地结合在一起的方法。
基因治疗
基因治疗包括将基因信息转移到靶细胞，并可能引入一种安全有效的策略来诱导骨愈合。基因治疗可用于组织工程中的生长因子传递[1,2]. 基因传递载体可以是病毒（腺病毒、逆转录病毒和腺相关病毒）或非病毒（脂质体）[22,154]. 然而，这种方法有一系列局限性，包括用外源基因转染靶细胞[1,154]. 此外，基因治疗的一个尚未解决的问题是将正确的基因定位在正确的细胞中的正确位置，并在正确的时间将其表达足够长的时间，同时将不良反应降至最低[155]. 短时间的控制表达是可取的，并且通常足以加速骨愈合，而实现治疗基因的永久或长期表达则更加困难。因此，通过将基因治疗应用于组织工程来提供受控且充分的表达是该领域的关键和关键方面[61,156].
商业骨移植替代品
理想的骨移植替代品具有生物相容性、生物可降解性、骨传导性、骨诱导性、结构与骨相似、易于使用和成本效益高。在这些参数范围内，越来越多的骨移植替代品可用于矫形应用，包括空洞骨缺损的重建和节段性骨丢失和脊柱融合情况下的增强。它们的组成和声称的作用机制各不相同[70]. 根据FDA和美国矫形外科医生学会的报告和制造商的信息，许多骨移植替代品已被批准用于临床。这种巨大的变异性和选项使得在重建受损骨骼时很难选择移植骨。表中提供了商用骨移植替代品的摘要5,6,7和8.
根据表中提供的数据5,6,7和8大多数骨移植替代品已根据FDA 510（k）计划获得许可，但除510（k）计划外，其中一些还受到CFR 1270和1271计划的监管。AlloSource、Biomet Osteobiologics、DePuy Spine、Exactech、Integra Orthobiologics/（IsoTis Orthobiologics）、LifeNet Health、Medtronic Spinal&Biologics/MTF、NovaBone/MTF、Orthovita、Osteotech、Regeneration Technologies、Smith&Nephew、Stryker Biotech、Synthes、Wright Medical Technology、，和Zimmer是一些公司的例子，他们生产了几种可用于临床实践的商用骨移植替代品。
尽管在组织工程技术方面取得了许多进展，但大多数商业上可买到的骨移植替代物都是以自然材料为基础的材料，已用于尸体异体骨移植和异种骨移植。
关于可用的产品，DBM是最流行的选项，已经广泛生产并在市场上销售。DBM兼有骨传导和骨诱导功能，可生物降解，是理想的移植物替代品。它可用作注射膏和油灰、接枝物、凝胶、压碎物和弹性物，通常与I型胶原蛋白、海藻酸钠、明胶、透明质酸钠、甘油、淀粉和硫酸钙结合或嵌入。无论是哪种DBM携带者，手术前都可以将材料与骨髓抽吸液混合。第二个众所周知的选择是磷酸钙基团，包括磷酸一钙、磷酸二钙和磷酸三钙。它们通常与I型胶原蛋白和羧甲基纤维素结合，所有这些都是可注射膏、可塑腻子和各种大小的颗粒等骨传导性和生物可降解产品。可吸收胶原海绵上的rhBMP-2和rhBMP-7蛋白是其他生物降解选项，具有一些骨诱导特性。商用牛骨基质、同种异体骨基质、硫酸钙和生物活性硅酸盐是具有可变骨传导性和骨诱导性的其他可用选项。
