掃描電鏡在生物醫(yī)療方面的應(yīng)用
1. 生物植入體的清潔度檢測(cè)
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、無毒無副作用、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?yàn)槿魏挝⑿〉漠愇锒伎赡軅Φ讲∪说纳眢w。但是在實(shí)際的口腔種植體表面可能存在不同的有機(jī)或無機(jī)的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)可能來源于生產(chǎn)、處理或者包裝過程。目前關(guān)于這些植入體表面雜質(zhì)的臨床風(fēng)險(xiǎn)仍然有相關(guān)報(bào)道。但是，這些污染在技術(shù)層面是可以避免的。
如案例中所示為使用 Phonem SEM 進(jìn)行口腔植入物的清潔度檢測(cè)，在無塵室里制樣后，利用飛納臺(tái)式掃描電鏡的 Automated Image Mapping 功能可以自動(dòng)采集成百上千張高分辨 SEM 圖片，并自動(dòng)拼接出產(chǎn)品的全景形貌。[1] 據(jù)此結(jié)合 EDS 的成分分析功能，可以全面地評(píng)估植入體產(chǎn)品表面的清潔度。
下述案例所示為市面上購(gòu)買的另一款口腔植入體，利用 BSE 信號(hào)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(zhì)，并且通過高分辨的放大圖片和 EDS 成分分析，可以進(jìn)一步的確認(rèn)這些雜質(zhì)為尺寸 10~50 μm 的 C、O 有機(jī)顆粒。[1]
市面購(gòu)買的牙齒植入物表面清潔度檢測(cè)
2. 醫(yī)療器械相容性研究
體外血流模擬血液相容性測(cè)試是冠狀動(dòng)脈支架性能表征的一環(huán)，血流模型能夠產(chǎn)生類似于真實(shí)生理狀況的動(dòng)脈血液流動(dòng)和壁剪應(yīng)力，以評(píng)估血液與接觸醫(yī)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(jìn)行體外血流模擬實(shí)驗(yàn)后的 SEM 圖片，可以直觀發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)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。
不同材質(zhì)心臟支架體外血液模擬實(shí)驗(yàn)后 SEM 圖
3. 3D 打印骨骼的結(jié)構(gòu)觀察
3D 打印定制骨科植入物的優(yōu)勢(shì)近年來逐漸得到了大家的認(rèn)可，但是 3D 打印仍面臨技術(shù)工藝完善和產(chǎn)品安全性的挑戰(zhàn)。金屬粉末的質(zhì)量對(duì) 3D 打印產(chǎn)品的最終質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用，其中粉末粒徑分布和形貌是兩個(gè)重要特征。如下述案例所示，可以通過 Phenom 掃描電鏡對(duì)粉末形貌、粘黏、有無衛(wèi)星球等進(jìn)行評(píng)估，結(jié)合配套的粒徑分析軟件 Phenom Particle Metric，能夠從粒度分布、圓度、長(zhǎng)徑比等多個(gè)維度對(duì)金屬粉末進(jìn)行快速表征。
3D 打印顆粒自動(dòng)粒徑統(tǒng)計(jì)
在利用金屬粉末打印多孔結(jié)構(gòu)的骨科植入物的過程中，金屬粉末的質(zhì)量、打印過程參數(shù)設(shè)定影響著產(chǎn)品的使用性能，由于金屬粉末熔融不徹底，打印完成后的產(chǎn)品會(huì)存在金屬粉末附著的情況，若金屬粉末去除不徹底，可能對(duì)產(chǎn)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(guān)節(jié)表面觀察到多個(gè)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(fā)并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)產(chǎn)品的安全有效性有嚴(yán)重影響。
4. 血液疾病研究
在血液疾病研究方面，為更好的觀察到細(xì)胞、蛋白的行為，科研人員也越來越多的用到 SEM 來進(jìn)行分析。血栓引發(fā)的各類疾病已經(jīng)在現(xiàn)代社會(huì)中產(chǎn)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(tǒng)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(fā)現(xiàn)，添加高濃度 TF 的人血纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)與從斑馬魚血中獲得的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)極其相似，在魚血中觀察到更薄的蛋白纖維結(jié)構(gòu)。紅細(xì)胞和較小的細(xì)胞（可能為血小板）被困在斑馬魚血凝塊纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)中，表明它們可能參與了凝固過程。[2]
(A) 斑馬魚血凝塊；添加 (B) 和未添加 (C) TF 的人血凝塊
(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(duì)血栓形成和纖維蛋白溶解影響實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)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(fā)現(xiàn)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(huì)增加蛋白纖維的密度;而在血栓形成過程中加入 tPA 引發(fā)纖維蛋白溶解的條件下，加入 α-FXIIa 會(huì)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.
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、無毒無副作用、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?yàn)槿魏挝⑿〉漠愇锒伎赡軅Φ讲∪说纳眢w。但是在實(shí)際的口腔種植體表面可能存在不同的有機(jī)或無機(jī)的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)可能來源于生產(chǎn)、處理或者包裝過程。目前關(guān)于這些植入體表面雜質(zhì)的臨床風(fēng)險(xiǎn)仍然有相關(guān)報(bào)道。但是，這些污染在技術(shù)層面是可以避免的。
如案例中所示為使用 Phonem SEM 進(jìn)行口腔植入物的清潔度檢測(cè)，在無塵室里制樣后，利用飛納臺(tái)式掃描電鏡的 Automated Image Mapping 功能可以自動(dòng)采集成百上千張高分辨 SEM 圖片，并自動(dòng)拼接出產(chǎn)品的全景形貌。[1] 據(jù)此結(jié)合 EDS 的成分分析功能，可以全面地評(píng)估植入體產(chǎn)品表面的清潔度。
下述案例所示為市面上購(gòu)買的另一款口腔植入體，利用 BSE 信號(hào)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(zhì)，并且通過高分辨的放大圖片和 EDS 成分分析，可以進(jìn)一步的確認(rèn)這些雜質(zhì)為尺寸 10~50 μm 的 C、O 有機(jī)顆粒。[1]
市面購(gòu)買的牙齒植入物表面清潔度檢測(cè)
2. 醫(yī)療器械相容性研究
體外血流模擬血液相容性測(cè)試是冠狀動(dòng)脈支架性能表征的一環(huán)，血流模型能夠產(chǎn)生類似于真實(shí)生理狀況的動(dòng)脈血液流動(dòng)和壁剪應(yīng)力，以評(píng)估血液與接觸醫(yī)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(jìn)行體外血流模擬實(shí)驗(yàn)后的 SEM 圖片，可以直觀發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)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。
不同材質(zhì)心臟支架體外血液模擬實(shí)驗(yàn)后 SEM 圖
3. 3D 打印骨骼的結(jié)構(gòu)觀察
3D 打印定制骨科植入物的優(yōu)勢(shì)近年來逐漸得到了大家的認(rèn)可，但是 3D 打印仍面臨技術(shù)工藝完善和產(chǎn)品安全性的挑戰(zhàn)。金屬粉末的質(zhì)量對(duì) 3D 打印產(chǎn)品的最終質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用，其中粉末粒徑分布和形貌是兩個(gè)重要特征。如下述案例所示，可以通過 Phenom 掃描電鏡對(duì)粉末形貌、粘黏、有無衛(wèi)星球等進(jìn)行評(píng)估，結(jié)合配套的粒徑分析軟件 Phenom Particle Metric，能夠從粒度分布、圓度、長(zhǎng)徑比等多個(gè)維度對(duì)金屬粉末進(jìn)行快速表征。
3D 打印顆粒自動(dòng)粒徑統(tǒng)計(jì)
在利用金屬粉末打印多孔結(jié)構(gòu)的骨科植入物的過程中，金屬粉末的質(zhì)量、打印過程參數(shù)設(shè)定影響著產(chǎn)品的使用性能，由于金屬粉末熔融不徹底，打印完成后的產(chǎn)品會(huì)存在金屬粉末附著的情況，若金屬粉末去除不徹底，可能對(duì)產(chǎn)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(guān)節(jié)表面觀察到多個(gè)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(fā)并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)產(chǎn)品的安全有效性有嚴(yán)重影響。
4. 血液疾病研究
在血液疾病研究方面，為更好的觀察到細(xì)胞、蛋白的行為，科研人員也越來越多的用到 SEM 來進(jìn)行分析。血栓引發(fā)的各類疾病已經(jīng)在現(xiàn)代社會(huì)中產(chǎn)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(tǒng)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(fā)現(xiàn)，添加高濃度 TF 的人血纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)與從斑馬魚血中獲得的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)極其相似，在魚血中觀察到更薄的蛋白纖維結(jié)構(gòu)。紅細(xì)胞和較小的細(xì)胞（可能為血小板）被困在斑馬魚血凝塊纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)中，表明它們可能參與了凝固過程。[2]
(A) 斑馬魚血凝塊；添加 (B) 和未添加 (C) TF 的人血凝塊
(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(duì)血栓形成和纖維蛋白溶解影響實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)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(fā)現(xiàn)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(huì)增加蛋白纖維的密度;而在血栓形成過程中加入 tPA 引發(fā)纖維蛋白溶解的條件下，加入 α-FXIIa 會(huì)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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