患有肌肉骨骼系统疾病和骨组织损伤的病人数量在逐年增加。在美国，占外伤病人总数的三分之二，每年约有630万人骨折，超过50万人需要进行骨移植。创伤性损伤造成的骨组织大量丢失为骨组织重建带来了巨大的临床挑战。在这些损伤中，严重的骨缺损特别难以修复，通常需要二次手术，最终导致骨组织不愈合。
　　目前对于复杂骨折治疗常用的方法为利用自体髂嵴骨骺游离移植进行重建。但是该技术受限于可用于自体髂嵴骨骺数量有限，且会给患者本身带来巨大的疼痛进而造成愈合的难度。异体移植也常用于骨组织损伤治疗，但移植的条件相对于自体移植来说失败的风险随着患病时间也显著升高，并伴随着疾病传播的风险。另外，异种移植物在移植前必须经过灭菌过程，会导致多种骨诱导因子在移植材料内的失活，进而丧失功能。同时为了提高骨愈合，髓样棒和用于内部固定的金属设备有时也是必须的。然而，这些永久性的植入物由于是金属故不会被患者吸收融合，并且在长期使用期间容易发生疲劳性骨折，将这种金属器件与相邻的骨头结合是极具挑战性的。目前研究结果显示，利用生物陶瓷以及在植入物表面进行矿化涂层可以显著的提高与组织的相容性，但这些表面调节技术会导致植入装置的耐久性的下降。
　　金属植入物造成的局部应力屏蔽也可导致骨密度降低，并可能需要二次手术。由金属植入物支持的区域的血管化也是有限的。由此产生的这一系列问题增加了骨组织工程和再生医学方法发展的难度，很难寻找出替代这种"黄金标准的"方法来治疗在早期阶段几乎不可能诊断骨组织疾病骨临界尺寸缺损。因此，骨组织的破坏和再生过程一直受到研究人员的持续关注。然而，日益复杂的可用技术和生物材料的联合使用目前尚无太多研究;另外联合使用后对于骨再生评估所配套的应用程序也很少有人研究。
　　骨是一种组织，经历不断的重塑，以保持其健康的状态，保持无疤痕和自我修复的能力。细胞外基质能够通过支持活细胞发挥其功能，另外还能够提供生物和机械刺激，有助于骨重建。结合目前的最新研究进展，对于骨再生过程的监测仍是一个巨大的挑战，目前常用的方法均依赖于在某一特定的时间收集样本并利用显微镜拍照观察，但在骨再生过程中，其细胞外基质以及细胞的生长随着时间空间均处在动态变化中。另外，体外建立监测体系时，还涉及到细胞培养基的添加，也会带来许多非特异性结合蛋白以及干扰化合物的影响。因此对于在三维（3D）培养中实时监测细胞外基质形成和细胞生长/功能的骨再生的生物传感系统有很大的市场需求。
　　虽然先前的研究已经提出了一系列的方法来评估骨愈合，如弯曲刚度测试、骨矿物质密度、超声波技术、计算机断层扫描和微计算机断层扫描、声发射方法和声波阻抗等，但均存在一定的局限性。对于评估生物材料在骨愈合中的影响，需要简单和快速的评价受伤部位、骨健康和羟基磷灰石和胶原在骨折区域中的实时定量变化。然而，大多数监测方法都仅仅能检测一个时间点，不能提供实时改变的信息，同时还具有高水平的辐射暴露。另外，利用常规的方法也无法检测到骨折部位胶原蛋白成分的改变。对于骨样3D细胞培养系统的建立以及培养骨细胞分泌物以及细胞行为的研究目前鲜有报道。在本研究中，试图建立一种骨样的3D细胞培养系统用于骨再生的体外研究。
　　近几十年来，生物组织的电性能一直备受关注。该现象的发现为建立快速简便的测量方法进行非侵入性研究的可能性。该方法具有很多优点，如可以避免常规方法对身体带来的辐射，另外，该方法以非破坏性的模式能够获得数值、数据形式的表示信息。骨组织研究的早期阶段仅限于对骨的电和介电性质的研究，并明确了用于治疗复杂骨折的电刺激的最佳模式。在研究骨的电性能发展的下一阶段是为了创建图像的骨折区域的阻抗层析成像的研究，一些关于骨密度和骨矿物质含量与电学和介电特性之间关系的论文，均揭示了骨组织的组成和结构与其电阻抗特性之间的关系。
　　最近的研究指出可以利用电阻抗光谱作为潜在的工具来监测骨组织孔隙率的恢复，如基于微计算机断层扫描图像，已经在医学上得到证明。最近大多数关于应用电阻抗测量方法的研究工作都是在评估骨联合术中使用外固定装置治疗骨折，并监测电阻抗的变化以指示外固定装置的移除。尽管如此，直到今天，还没有关于在监测和评价骨愈合过程中应用电阻抗光谱的理论数据或实验研究与使用骨组织工程和再生医学方法，特别是在治疗方面。此外，对于主要骨愈合阶段的电阻抗特性的方式变化以及骨折区域生物成分的变化鲜有研究。电阻抗光谱具有广泛的应用，包括在细胞生物学中，以监测由增殖、凋亡或细胞，细胞相互作用引起的实时细胞变化。
　　测量阻抗的生物传感器可用于检测3D培养中的细胞数量的变化，与细胞培养过程结束时捕获的光学图像基本吻合。但该方法无法获得实时的动态细胞培养过程中细胞的改变，另外目前还未见在3D细胞培养中使用电阻抗光谱来检测细胞外基质的形成的报道。细胞外基质随着活细胞的生长和分化不断发生变化，与使用单独的生物传感技术和在不同时间点应用的方法相比，视觉光学方法和实时电阻抗光谱法具有许多优势（如上所述）。此外，利用实时电阻抗光谱法能够获得动态的细胞阻抗数据，如果同时能够获得细胞光学图像数据，可能会对于解释这一负责的骨再生过程提供更多的可用的数据。基于这一背景下，目前迫切需要开发新的方法，用于评价骨破坏和再生过程的不同进程以及骨组织的增强能力。
　　本研究首先根据骨折部位和骨组织含量的生化变化，体外再现骨再生过程。使用不同浓度的骨成分主要元素(胶原蛋白、羟基磷灰石[HAp])和由骨细胞分泌的一般细胞外基质成分(透明质酸[HA])，简要研究了整个模型中 EI的变化。结果表明，构件的骨再生模型中胶原、透明质酸和透明质酸的含量与样品结构有关。换句话说，系统中这些成分的改变可以通过测量EI来监测。
　　在下一步中，本研究建立了不同的骨样3D细胞培养系统。简而言之，成骨细胞(OBs)被封装在三维支架中，阻抗谱结果根据电容的变化获得。同时检查细胞行为；将能够增强型绿色荧光蛋白(EGFP)引入细胞中，同时能够利用荧光显微镜监测。此外，还研究了电刺激后的三维系统状态和细胞行为。结果表明，自行开发的双重检测生物传感器作为一种非侵入性的实时研究工具，在监控发展中的3D培养系统的动态变化过程方面具有相当大的潜力。同时还发现了通过进行电化学阻抗谱来检测3D细胞培养系统中细胞分泌和细胞相互作用影响的可能性。此外，电化学阻抗谱被进一步验证能够作为在三维培养中控制支架形成中一种有效的监测方法。
　　在最后一部分，本研究使用了实时、详细的兔骨临界尺寸体内模型，并在手术后1、4、8和12周对三组(对照组和两组以生物材料刺激骨修复为特征)进行了无创性EI测量。为了验证“环境影响报告书”方法，进行了放射学研究，并进行了大体解剖和组织学分析。结果表明，电化学阻抗谱可用于实时监测骨折愈合情况；并且还可以提供使用生物医学材料治疗骨临界尺寸缺陷的有效性的数值估计。
　　综上所述，本研究探讨了电化学阻抗谱作为骨组织工程和再生医学研究新工具的可能性。结果表明，骨愈合过程的体外/体内和骨样三维细胞培养系统可以通过测量EI来监测和评价。此外，支架形成过程和形成因素的影响也可以通过环境影响报告书进行监测。该系统的建立对于阐明骨愈合过程具有重要的生物学意义。