掃描電鏡在生物醫療的應用

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(wú)毒、無(wú)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(wú)菌包裝，要求表面清潔無(wú)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(shí)際的口腔種植體表面可能存在不同的有機或無(wú)機的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)可能來(lái)源于生產(chǎn)、處理或者包裝過(guò)程。目前關(guān)于這些植入體表面雜質(zhì)的臨床風(fēng)險仍然有相關(guān)報道。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，在無(wú)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(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] 據此結合 EDS 的成分分析功能，可以全面地評估植入體產(chǎn)品表面的清潔度。

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

市面購買(mǎi)的牙齒植入物表面清潔度檢測

不同材質(zhì)心臟支架體外血液模擬實(shí)驗后 SEM 圖

3. 3D 打印骨骼的結構觀(guān)察

3D 打印定制骨科植入物的優(yōu)勢近年來(lái)逐漸得到了大家的認可，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。金屬粉末的質(zhì)量對 3D 打印產(chǎn)品的最終質(zhì)量有著(zhù)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(guò) Phenom 掃描電鏡對粉末形貌、粘黏、有無(wú)衛星球等進(jìn)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(cháng)徑比等多個(gè)維度對金屬粉末進(jìn)行快速表征。
 

3D 打印顆粒自動(dòng)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(guò)程中，金屬粉末的質(zhì)量、打印過(guò)程參數設定影響著(zhù)產(chǎn)品的使用性能，由于金屬粉末熔融不*，打印完成后的產(chǎn)品會(huì )存在金屬粉末附著(zhù)的情況，若金屬粉末去除不*，可能對產(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)節表面觀(guān)察到多個(gè)金屬顆粒附著(zhù)，這些附著(zhù)的小顆粒粒徑較小，植入人體后，存在著(zhù)脫落的可能，增大了人造骨骼引發(fā)并發(fā)癥的風(fēng)險，對產(chǎn)品的安全有效性有嚴重影響。
 

4. 血液疾病研究

在血液疾病研究方面，為更好的觀(guān)察到細胞、蛋白的行為，科研人員也越來(lái)越多的用到 SEM 來(lái)進(jìn)行分析。血栓引發(fā)的各類(lèi)疾病已經(jīng)在現代社會(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(guān)察。斑馬魚(yú)的止血系統與人類(lèi)極為相似，被廣泛用于人類(lèi)止血模型、血栓形成模型的研究，案例中圖 (A) 為斑馬魚(yú)血栓凝塊，圖 (B)、(C) 分別為不添加任何組織因子 (TF) 的人類(lèi)血栓凝塊和添加高濃度組織因子的人類(lèi)血栓凝塊。通過(guò) SEM 圖可以發(fā)現，添加高濃度 TF 的人血纖維蛋白網(wǎng)絡(luò )與從斑馬魚(yú)血中獲得的網(wǎng)絡(luò )結構極其相似，在魚(yú)血中觀(guān)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(yú)血凝塊纖維蛋白網(wǎng)絡(luò )中，表明它們可能參與了凝固過(guò)程。^[2]

(A) 斑馬魚(yú)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) 對血栓形成和纖維蛋白溶解影響實(shí)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(fā)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(huì )增加蛋白纖維的密度;而在血栓形成過(guò)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.