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    掃描電鏡在生物醫療的應用

    發布時間: 2022-08-02  點擊次數: 151次

    1. 生物植入體的清潔度檢測

    人工種植牙是利用生物材料制成的仿生牙,是一種典型的生物植入體。這種植入體一般要求具有生物相容性、無毒、無刺激性等。除此之外,用于人體口腔植入物的材料一般采用無菌包裝,要求表面清潔無異物,因為任何微小的異物都可能傷害到病人的身體。但是在實際的口腔種植體表面可能存在不同的有機或無機的雜質,這些雜質可能來源于生產、處理或者包裝過程。目前關于這些植入體表面雜質的臨床風險仍然有相關報道。但是,這些污染在技術層面是可以避免的。

    如案例中所示為使用 Phonem SEM 進行口腔植入物的清潔度檢測,在無塵室里制樣后,利用飛納臺式掃描電鏡的 Automated Image Mapping 功能可以自動采集成百上千張高分辨 SEM 圖片,并自動拼接出產品的全景形貌。[1] 據此結合 EDS 的成分分析功能,可以全面地評估植入體產品表面的清潔度。

    截屏2022-08-02 09.26.31.png

    下述案例所示為市面上購買的另一款口腔植入體,利用 BSE 信號的成分襯度,通過 BSE-Image Mapping 獲取的全景圖片可以觀察在植入體的頂端和肩部均存在一些雜質,并且通過高分辨的放大圖片和 EDS 成分分析,可以進一步的確認這些雜質為尺寸 10~50 μm 的 C、O 有機顆粒。[1]

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    市面購買的牙齒植入物表面清潔度檢測

    2. 醫療器械相容性研究

    體外血流模擬血液相容性測試是冠狀動脈支架性能表征的一環,血流模型能夠產生類似于真實生理狀況的動脈血液流動和壁剪應力,以評估血液與接觸醫療器械的相容性。利用 SEM 通過可視化分析,可以直觀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 分別為不同材料制得的心臟支架進行體外血流模擬實驗后的 SEM 圖片,可以直觀發現,實驗后 A、B 材料表面仍然光滑清潔,而 B、C 材料表面有明顯的血栓形成。

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    不同材質心臟支架體外血液模擬實驗后 SEM 圖

    3. 3D 打印骨骼的結構觀察

    3D 打印定制骨科植入物的優勢近年來逐漸得到了大家的認可,但是 3D 打印仍面臨技術工藝完善和產品安全性的挑戰。金屬粉末的質量對 3D 打印產品的最終質量有著至關重要的作用,其中粉末粒徑分布和形貌是兩個重要特征。如下述案例所示,可以通過 Phenom 掃描電鏡對粉末形貌、粘黏、有無衛星球等進行評估,結合配套的粒徑分析軟件 Phenom Particle Metric,能夠從粒度分布、圓度、長徑比等多個維度對金屬粉末進行快速表征。
     

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    3D 打印顆粒自動粒徑統計

    在利用金屬粉末打印多孔結構的骨科植入物的過程中,金屬粉末的質量、打印過程參數設定影響著產品的使用性能,由于金屬粉末熔融不*,打印完成后的產品會存在金屬粉末附著的情況,若金屬粉末去除不*,可能對產品性能和安全性有不利影響。如下述案例所示,在 3D 打印的髖關節表面觀察到多個金屬顆粒附著,這些附著的小顆粒粒徑較小,植入人體后,存在著脫落的可能,增大了人造骨骼引發并發癥的風險,對產品的安全有效性有嚴重影響。
     

    髖關節-1.png

    髖關節-2.png

    4. 血液疾病研究

    在血液疾病研究方面,為更好的觀察到細胞、蛋白的行為,科研人員也越來越多的用到 SEM 來進行分析。血栓引發的各類疾病已經在現代社會中產生大量的致死案例,如下述案例所示為血栓的 SEM 觀察。斑馬魚的止血系統與人類極為相似,被廣泛用于人類止血模型、血栓形成模型的研究,案例中圖 (A) 為斑馬魚血栓凝塊,圖 (B)、(C) 分別為不添加任何組織因子 (TF) 的人類血栓凝塊和添加高濃度組織因子的人類血栓凝塊。通過 SEM 圖可以發現,添加高濃度 TF 的人血纖維蛋白網絡與從斑馬魚血中獲得的網絡結構極其相似,在魚血中觀察到更薄的蛋白纖維結構。紅細胞和較小的細胞(可能為血小板)被困在斑馬魚血凝塊纖維蛋白網絡中,表明它們可能參與了凝固過程。[2]

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    (A) 斑馬魚血凝塊;添加 (B) 和未添加 (C) TF 的人血凝塊

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    (A~D) 不同 α-FXIIa 和 tPA 添加量下血凝塊的 SEM 圖

    上述案例為活化凝血因子 XII(α-FXIIa) 和組織纖溶酶原激活物 (tPA) 對血栓形成和纖維蛋白溶解影響實驗的驗證,圖 (A) ~ 圖 (D) 為不同 α-FXIIa 和 tPA 添加量下血凝塊的 SEM 圖,可以發現在缺少 tPA 的條件下,即使有血纖維蛋白溶酶存在,α-FXIIa 的加入也會增加蛋白纖維的密度;而在血栓形成過程中加入 tPA 引發纖維蛋白溶解的條件下,加入 α-FXIIa 會使蛋白纖維變得更加多孔。

    參考資料

    [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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