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扫描电镜在生物医疗的应用

 发布时间:2022-08-02 点击量:283

1. 生物植入体的清洁度检测
 

人工种植牙是利用生物材料制成的仿生牙,是一种典型的生物植入体。这种植入体一般要求具有生物相容性、无毒、无刺激性等。除此之外,用于人体口腔植入物的材料一般采用无菌包装,要求表面清洁无异物,因为任何微小的异物都可能伤害到病人的身体。但是在实际的口腔种植体表面可能存在不同的有机或无机的杂质,这些杂质可能来源于生产、处理或者包装过程。目前关于这些植入体表面杂质的临床风险仍然有相关报道。但是,这些污染在技术层面是可以避免的。

如案例中所示为使用 Phonem SEM 进行口腔植入物的清洁度检测,在无尘室里制样后,利用飞纳台式扫描电镜的 Automated Image Mapping 功能可以自动采集成百上千张高分辨 SEM 图片,并自动拼接出产品的全景形貌。[1] 据此结合 EDS 的成分分析功能,可以全面地评估植入体产品表面的清洁度。
 

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下述案例所示为市面上购买的另一款口腔植入体,利用 BSE 信号的成分衬度,通过 BSE-Image Mapping 获取的全景图片可以观察在植入体的顶端和肩部均存在一些杂质,并且通过高分辨的放大图片和 EDS 成分分析,可以进一步的确认这些杂质为尺寸 10~50 μm 的 C、O 有机颗粒。[1]
 

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市面购买的牙齿植入物表面清洁度检测

2. 医疗器械相容性研究

体外血流模拟血液相容性测试是冠状动脉支架性能表征的一环,血流模型能够产生类似于真实生理状况的动脉血液流动和壁剪应力,以评估血液与接触医疗器械的相容性。利用 SEM 通过可视化分析,可以直观地表征支架的相容性和生理特性。如下述案例所示,A、B、C、D 分别为不同材料制得的心脏支架进行体外血流模拟实验后的 SEM 图片,可以直观发现,实验后 A、B 材料表面仍然光滑清洁,而 B、C 材料表面有明显的血栓形成。


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不同材质心脏支架体外血液模拟实验后 SEM 图

3. 3D 打印骨骼的结构观察

3D 打印定制骨科植入物的优势近年来逐渐得到了大家的认可,但是 3D 打印仍面临技术工艺完善和产品安全性的挑战。金属粉末的质量对 3D 打印产品的最终质量有着至关重要的作用,其中粉末粒径分布和形貌是两个重要特征。如下述案例所示,可以通过 Phenom 扫描电镜对粉末形貌、粘黏、有无卫星球等进行评估,结合配套的粒径分析软件 Phenom Particle Metric,能够从粒度分布、圆度、长径比等多个维度对金属粉末进行快速表征。


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3D 打印颗粒自动粒径统计

在利用金属粉末打印多孔结构的骨科植入物的过程中,金属粉末的质量、打印过程参数设定影响着产品的使用性能,由于金属粉末熔融不彻底,打印完成后的产品会存在金属粉末附着的情况,若金属粉末去除不彻底,可能对产品性能和安全性有不利影响。如下述案例所示,在 3D 打印的髋关节表面观察到多个金属颗粒附着,这些附着的小颗粒粒径较小,植入人体后,存在着脱落的可能,增大了人造骨骼引发并发症的风险,对产品的安全有效性有严重影响。


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4. 血液疾病研究

在血液疾病研究方面,为更好的观察到细胞、蛋白的行为,科研人员也越来越多的用到 SEM 来进行分析。血栓引发的各类疾病已经在现代社会中产生大量的致死案例,如下述案例所示为血栓的 SEM 观察。斑马鱼的止血系统与人类极为相似,被广泛用于人类止血模型、血栓形成模型的研究,案例中图 (A) 为斑马鱼血栓凝块,图 (B)、(C) 分别为不添加任何组织因子 (TF) 的人类血栓凝块和添加高浓度组织因子的人类血栓凝块。通过 SEM 图可以发现,添加高浓度 TF 的人血纤维蛋白网络与从斑马鱼血中获得的网络结构极其相似,在鱼血中观察到更薄的蛋白纤维结构。红细胞和较小的细胞(可能为血小板)被困在斑马鱼血凝块纤维蛋白网络中,表明它们可能参与了凝固过程。[2]


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(A) 斑马鱼血凝块;添加 (B) 和未添加 (C) TF 的人血凝块


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(A~D) 不同 α-FXIIa 和 tPA 添加量下血凝块的 SEM 图

上述案例为活化凝血因子 XII(α-FXIIa) 和组织纤溶酶原激活物 (tPA) 对血栓形成和纤维蛋白溶解影响实验的验证,图 (A) ~ 图 (D) 为不同 α-FXIIa 和 tPA 添加量下血凝块的 SEM 图,可以发现在缺少 tPA 的条件下,即使有血纤维蛋白溶酶存在,α-FXIIa 的加入也会增加蛋白纤维的密度;而在血栓形成过程中加入 tPA 引发纤维蛋白溶解的条件下,加入 α-FXIIa 会使蛋白纤维变得更加多孔。

参考资料

[1] Duddeck D U , Albrektsson T , Wennerberg A , et al. On the Cleanliness of Different Oral Implant Systems: A Pilot Study[J]. Journal of Clinical Medicine, 2019, 8(9).

[2] Evelien S , Martijn M , Coenraad H , et al. Thrombin Generation in Zebrafish Blood[J]. PLoS ONE, 2016, 11(2):e0149135.

[3] Joke, Konings, Lisa, et al. The role of activated coagulation factor XII in overall clot stability and fibrinolysis[J]. Thrombosis Research, 2015.

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