Introdução: a estabilidade primária dos implantes está diretamente relacionada a um leito ósseo de qualidade, entretanto tal situação nem sempre corresponde à realidade clínica, sendo necessários os enxertos ósseos. Dadas as desvantagens dos enxertos autógenos (aquisição limitada e maior morbidade) há a necessidade da busca por alternativas para o desenvolvimento de biomateriais buscando melhorar as propriedades biológicas do tecido ósseo nos procedimentos reconstrutivos. Objetivo: avaliar as respostas biológicas de um material à base de matriz óssea desmineralizada acrescida de colágeno durante processo de reparo de defeitos ósseos críticos por meio de análises de imunoistoquímica e histológica. Material e método: o estudo obteve parecer favorável (N 00667-2019) pelo Comitê de Ética no Uso de Aniamsi da FOA-UNESP. 48 ratos machos foram divididos nos grupos controle (Bio Oss® Collagen, n=24) e experimental (matriz de tecido ósseo desmineraizado acrescida de colágeno, n=24). No dia 0 foi realizada a cirurgia experimental e confeccionado um defeito crítico de 5 mm de diâmetro na porção parietal direita da calvária dos animais. Nos dias 3, 7, 14 e 28 os animais foram eutanasiados, As calvárias foram removidas para a análise estatística com nível de significância de 5%, Resultados: na nálise imunoistoquímica observou-se discreta expressão de OPG aos 14 dias no grupo controle e moderada no grupo experimental e intensa expressão de OCN aos 14 e 28 dias no grupo experimental, intensa aos 14 dias e moderada aos 28 no grupo controle; já na análise histológica, aos 28 dias o grupo controle presentava maior mineralização e organização do tecido ósseo neoformado em relação ao grupo experimental. Conclusão: a matriz de tecido ósseo desmineralizado acrescida de colágeno teve comportamente favorável à formação óssea em defeitos críticos de calvária de ratos, porém o biomaterial empregado no grupo controle apresentou melhor desempenho.