生物医用材料案例分享——扫描电镜在人工心脏瓣膜材料中的应用

生物医用材料是用来对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的材料。它是研究人工器官和医疗器械的基础，已成为当代材料学科的重要分支，尤其是随着生物技术的蓬勃发展和重大突破，生物医用材料已成为各国科学家竞相进行研究和开发的热点。人类利用生物医用材料的历史与人类历史一样漫长。自从有了人类，人们就不断地与各种疾病作斗争，生物医用材料是人类同疾病作斗争的有效工具之一。

利用扫描电镜研究生物医用材料微观结构表征，表面形貌分析、材料的功能化研究以及研究组织间相互作用等，可以深入理解材料的微观结构和性能，促进材料的研发和应用，提高生物医用材料的质量和安全性。

本篇文章主要介绍生物医用材料案例分享——扫描电镜在人工心脏瓣膜材料中的应用

在常见的心脑血管疾病中，由于心脏瓣膜导致的心血管问题有着很大占比，心脏瓣膜是心脏的基础结构，可能因为先天或者后天的炎症等原因发生关闭不全（反流）、瓣膜狭窄等病变导致死亡。瓣膜病主要分为四大类：主动脉瓣狭窄、主动脉瓣返流、二尖瓣返流、三尖瓣返流。对于严重的瓣膜性心脏病患者，更换人工心脏瓣膜是最为有效的治疗手段。

心脏示意图和瓣膜病示意图

人工心脏瓣膜

从瓣膜的制作材料区分：人工心脏瓣膜可以分为机械瓣和生物瓣。

part.01机型瓣

机械瓣由热解碳制作的，使用寿命更长（50年以上），但是更易发生相关并发症，并需要终生服用抗凝药并检测凝血功能。

part.02生物瓣

生物瓣由猪、牛的心包组织交联制作，使用寿命比机械瓣短（10 - 20 年），优势则是不用长期服抗凝药。

在欧美国家生物瓣应用较多，达到 75% 以上，在我国早些年则是机械瓣占主导。近年来随着生物技术的发展，生物瓣膜耐久性低这一缺点也逐渐被克服，研究数据证明牛心包生物瓣膜的 20 年生存率已达到 90% 以上，远远高于机械瓣膜的 45% 左右。

牛心包为覆盖在牛心脏表面的一层膜状结构，其质地极薄，光滑湿润，主要成分有胶原蛋白、氨基聚糖、蛋白聚糖、糖蛋白等，以波浪状的胶原纤维、细而长的弹性纤维和多种结缔组织为基本骨架。牛心包现被广泛用作组织工程中的生物支架材料，其在植入前用戊二醛处理，经戊二醛处理可以在基质蛋白中引入稳定的交联，极大地提高了生物材料的机械性能和组织稳定性。

牛心包材料

为了评估牛心包材料取材及改性处理后的材料状态，我们需要使用扫描电子显微镜来观测材料的微观结构是否受到了损坏。

一般植入类生物材料需要进行脱细胞处理，这是因为异体组织材料中的细胞成分会引起宿主机体的排异反应，不che底的脱细胞效果会导致治疗的失败。作为植入机体的异体组织材料在制备时应尽可能有效地去除细胞成分，并且最大限度地保留细胞外基质与完整的结构。

下图为使用飞纳台式扫描电镜观测的牛心包材料的显微图像（脱细胞处理后）：

图1 正面 SEM 图：包裹牛心包心脏的心内膜侧的光滑面（左：放大：2,000X，右：放大：5,000X）

从扫描电镜图可以看到脱细胞处理后的材料正面较光滑，未见有明显改变，未发现明显的细胞残留，说明脱细胞处理有效去除了材料中的细胞成分。

图2 反面 SEM 图：连接外结缔组织的心外膜的粗糙面，连接着脂肪组织（左：放大：2,000X，右：放大：20,000X）

反面的扫描电镜图可以看到纤维结构，组织的缝隙增大，排列较疏松；正面的表面露出紧密的束状纤维结构，反面可以看到大量的纤维组织，纤维排列紧密规整且方向较为一致，改性效果比较明显。脱细胞和改性处理后的胶原纤维结构保存完好有序，没有破坏胶原纤维的稳定结构。

目前，牛心包相关生物材料已经被广泛应用于各种先天性和后天性心脏、大血管疾病的手术治疗，效果良好，是一种优良的心血管修补、重建材料；其在眼科手术，肺部手术，疝气修补手术等诸多外科手术方面，也有着很大的应用前景。