生物醫用材料案例分享——掃描電鏡在人工心臟瓣膜材料中的應用

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

利用掃描電鏡研究生物醫用材料微觀(guān)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(guān)結構和性能，促進(jìn)材料的研發(fā)和應用，提高生物醫用材料的質(zhì)量和安全性。

本篇文章主要介紹生物醫用材料案例分享——掃描電鏡在人工心臟瓣膜材料中的應用

在常見(jiàn)的心腦血管疾病中，由于心臟瓣膜導致的心血管問(wèn)題有著(zhù)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(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(lèi)：主動(dòng)脈瓣狹窄、主動(dòng)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(cháng)（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(cháng)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(lái)隨著(zhù)生物技術(shù)的發(fā)展，生物瓣膜耐久性低這一缺點(diǎn)也逐漸被克服，研究數據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(cháng)的彈性纖維和多種結締組織為基本骨架。牛心包現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)蛋白中引入穩定的交聯(lián)，極大地提高了生物材料的機械性能和組織穩定性。

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(lái)觀(guān)測材料的微觀(guān)結構是否受到了損壞。

一般植入類(lèi)生物材料需要進(jìn)行脫細胞處理，這是因為異體組織材料中的細胞成分會(huì )引起宿主機體的排異反應，不che底的脫細胞效果會(huì )導致治療的失敗。作為植入機體的異體組織材料在制備時(shí)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(guān)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(jiàn)有明顯改變，未發(fā)現明顯的細胞殘留，說(shuō)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(zhù)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(méi)有破壞膠原纖維的穩定結構。

目前，牛心包相關(guān)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(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(zhù)很大的應用前景。