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掃描電鏡在人工心臟瓣膜材料中的應(yīng)用

 更新時(shí)間:2024-04-18 點(diǎn)擊量:508

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(duì)生物體進(jìn)行診斷、治療、修復(fù)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(yī)療器械的基礎(chǔ),已成為當(dāng)代材料學(xué)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(xué)家競相進(jìn)行研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。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(jìn)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(dǎo)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?yàn)橄忍旎蛘吆筇斓难装Y等原因發(fā)生關(guān)閉不全(反流)、瓣膜狹窄等病變導(dǎo)致死亡。瓣膜病主要分為四大類: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(duì)于嚴(yán)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(jī)械瓣和生物瓣。

part.01機(jī)型瓣

機(jī)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(cè)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(jī)械瓣短(10 - 20 年),優(yōu)勢(shì)則是不用長期服抗凝藥。

在歐美國家生物瓣應(yīng)用較多,達(dá)到 75% 以上,在我國早些年則是機(jī)械瓣占主導(dǎo)。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(diǎn)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(dá)到 90% 以上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于機(jī)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(xì)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(jī)械性能和組織穩(wěn)定性。

牛心包材料

為了評(píng)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(cè)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(jìn)行脫細(xì)胞處理,這是因?yàn)楫愺w組織材料中的細(xì)胞成分會(huì)引起宿主機(jī)體的排異反應(yīng),不che底的脫細(xì)胞效果會(huì)導(dǎo)致治療的失敗。作為植入機(jī)體的異體組織材料在制備時(shí)應(yīng)盡可能有效地去除細(xì)胞成分,并且最大限度地保留細(xì)胞外基質(zhì)與完整的結(jié)構(gòu)。

下圖為使用飛納臺(tái)式掃描電鏡觀測(cè)的牛心包材料的顯微圖像(脫細(xì)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(xì)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(xì)胞殘留,說明脫細(xì)胞處理有效去除了材料中的細(xì)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(xì)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(bǔ)、重建材料;其在眼科手術(shù),肺部手術(shù),疝氣修補(bǔ)手術(shù)等諸多外科手術(shù)方面,也有著很大的應(yīng)用前景。





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