生物醫(yī)用材料案例分享——掃描電鏡在人工心臟瓣膜材料中的應(yīng)用

生物醫(yī)用材料是用來對生物體進行診斷、治療、修復或替換其病損組織、器官或增進其功能的材料。它是研究人工器官和醫(yī)療器械的基礎(chǔ)，已成為當代材料學科的重要分支，尤其是隨著生物技術(shù)的蓬勃發(fā)展和重大突破，生物醫(yī)用材料已成為各國科學家競相進行研究和開發(fā)的熱點。人類利用生物醫(yī)用材料的歷史與人類歷史一樣漫長。自從有了人類，人們就不斷地與各種疾病作斗爭，生物醫(yī)用材料是人類同疾病作斗爭的有效工具之一。

利用掃描電鏡研究生物醫(yī)用材料微觀結(jié)構(gòu)表征，表面形貌分析、材料的功能化研究以及研究組織間相互作用等，可以深入理解材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能，促進材料的研發(fā)和應(yīng)用，提高生物醫(yī)用材料的質(zhì)量和安全性。

本篇文章主要介紹生物醫(yī)用材料案例分享——掃描電鏡在人工心臟瓣膜材料中的應(yīng)用

在常見的心腦血管疾病中，由于心臟瓣膜導致的心血管問題有著很大占比，心臟瓣膜是心臟的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，可能因為先天或者后天的炎癥等原因發(fā)生關(guān)閉不全（反流）、瓣膜狹窄等病變導致死亡。瓣膜病主要分為四大類：主動脈瓣狹窄、主動脈瓣返流、二尖瓣返流、三尖瓣返流。對于嚴重的瓣膜性心臟病患者，更換人工心臟瓣膜是尤為有效的治療手段。

心臟示意圖和瓣膜病示意圖

人工心臟瓣膜

從瓣膜的制作材料區(qū)分：人工心臟瓣膜可以分為機械瓣和生物瓣。

part.01機型瓣

機械瓣由熱解碳制作的，使用壽命更長（50年以上），但是更易發(fā)生相關(guān)并發(fā)癥，并需要終生服用抗凝藥并檢測凝血功能。

part.02生物瓣

生物瓣由豬、牛的心包組織交聯(lián)制作，使用壽命比機械瓣短（10 - 20 年），優(yōu)勢則是不用長期服抗凝藥。

在歐美國家生物瓣應(yīng)用較多，達到 75% 以上，在我國早些年則是機械瓣占主導。近年來隨著生物技術(shù)的發(fā)展，生物瓣膜耐久性低這一缺點也逐漸被克服，研究數(shù)據(jù)證明牛心包生物瓣膜的 20 年生存率已達到 90% 以上，遠遠高于機械瓣膜的 45% 左右。

牛心包為覆蓋在牛心臟表面的一層膜狀結(jié)構(gòu)，其質(zhì)地極薄，光滑濕潤，主要成分有膠原蛋白、氨基聚糖、蛋白聚糖、糖蛋白等，以波浪狀的膠原纖維、細而長的彈性纖維和多種結(jié)締組織為基本骨架。牛心包現(xiàn)被廣泛用作組織工程中的生物支架材料，其在植入前用戊二醛處理，經(jīng)戊二醛處理可以在基質(zhì)蛋白中引入穩(wěn)定的交聯(lián)，極大地提高了生物材料的機械性能和組織穩(wěn)定性。

牛心包材料

為了評估牛心包材料取材及改性處理后的材料狀態(tài)，我們需要使用掃描電子顯微鏡來觀測材料的微觀結(jié)構(gòu)是否受到了損壞。

一般植入類生物材料需要進行脫細胞處理，這是因為異體組織材料中的細胞成分會引起宿主機體的排異反應(yīng)，不che底的脫細胞效果會導致治療的失敗。作為植入機體的異體組織材料在制備時應(yīng)盡可能有效地去除細胞成分，并且最大限度地保留細胞外基質(zhì)與完整的結(jié)構(gòu)。

下圖為使用飛納臺式掃描電鏡觀測的牛心包材料的顯微圖像（脫細胞處理后）：

圖1 正面 SEM 圖：包裹牛心包心臟的心內(nèi)膜側(cè)的光滑面（左：放大：2,000X，右：放大：5,000X）

從掃描電鏡圖可以看到脫細胞處理后的材料正面較光滑，未見有明顯改變，未發(fā)現(xiàn)明顯的細胞殘留，說明脫細胞處理有效去除了材料中的細胞成分。

圖2 反面 SEM 圖：連接外結(jié)締組織的心外膜的粗糙面，連接著脂肪組織（左：放大：2,000X，右：放大：20,000X）

反面的掃描電鏡圖可以看到纖維結(jié)構(gòu)，組織的縫隙增大，排列較疏松；正面的表面露出緊密的束狀纖維結(jié)構(gòu)，反面可以看到大量的纖維組織，纖維排列緊密規(guī)整且方向較為一致，改性效果比較明顯。脫細胞和改性處理后的膠原纖維結(jié)構(gòu)保存完好有序，沒有破壞膠原纖維的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

目前，牛心包相關(guān)生物材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種先天性和后天性心臟、大血管疾病的手術(shù)治療，效果良好，是一種優(yōu)良的心血管修補、重建材料；其在眼科手術(shù)，肺部手術(shù)，疝氣修補手術(shù)等諸多外科手術(shù)方面，也有著很大的應(yīng)用前景。