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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，已成為當代材料學科的重要分支，尤其是隨著生物技術的蓬勃發(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)用材料微觀結構表征，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構和性能，促進材料的研發(fā)和應用，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結構，可能因為先天或者后天的炎癥等原因發(fā)生關閉不全（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最為有效的治療手段。

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構，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構是否受到了損壞。

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，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)與完整的結構。

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構，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構，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構保存完好有序，沒有破壞膠原纖維的穩(wěn)定結構。

目前，牛心包相關生物材料已經(jīng)被廣泛應用于各種先天性和后天性心臟、大血管疾病的手術治療，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，肺部手術，疝氣修補手術等諸多外科手術方面，也有著很大的應用前景。