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掃描電鏡在生物醫療的應用

 釋出時間↟▩✘:2022-08-02 點選量↟▩✘:274

1. 生物植入體的清潔度檢測
 

人工種植牙是利用生物材料製成的仿生牙☁₪◕✘,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✘☁│、無刺激性等◕₪•│。除此之外☁₪◕✘,用於人體口腔植入物的材料一般採用無菌包裝☁₪◕✘,要求表面清潔無異物☁₪◕✘,因為任何微小的異物都可能傷害到病人的身體◕₪•│。但是在實際的口腔種植體表面可能存在不同的有機或無機的雜質☁₪◕✘,這些雜質可能來源於生產✘☁│、處理或者包裝過程◕₪•│。目前關於這些植入體表面雜質的臨床風險仍然有相關報道◕₪•│。但是☁₪◕✘,這些汙染在技術層面是可以避免的◕₪•│。

如案例中所示為使用 Phonem SEM 進行口腔植入物的清潔度檢測☁₪◕✘,在無塵室裡制樣後☁₪◕✘,利用飛納臺式掃描電鏡的 Automated Image Mapping 功能可以自動採集成百上千張高分辨 SEM 圖片☁₪◕✘,並自動拼接出產品的全景形貌◕₪•│。[1] 據此結合 EDS 的成分分析功能☁₪◕✘,可以全面地評估植入體產品表面的清潔度◕₪•│。
 

截圖2022-08-02 09.26.31.png

下述案例所示為市面上購買的另一款口腔植入體☁₪◕✘,利用 BSE 訊號的成分襯度☁₪◕✘,透過 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☁₪◕✘,並且透過高分辨的放大圖片和 EDS 成分分析☁₪◕✘,可以進一步的確認這些雜質為尺寸 10~50 μm 的 C✘☁│、O 有機顆粒◕₪•│。[1]
 

清潔度-1.png

清潔度-2.png

市面購買的牙齒植入物表面清潔度檢測

2. 醫療器械相容性研究

體外血流模擬血液相容性測試是冠狀動脈支架效能表徵的一環☁₪◕✘,血流模型能夠產生類似於真實生理狀況的動脈血液流動和壁剪應力☁₪◕✘,以評估血液與接觸醫療器械的相容性◕₪•│。利用 SEM 透過視覺化分析☁₪◕✘,可以直觀地表徵支架的相容性和生理特性◕₪•│。如下述案例所示☁₪◕✘,A✘☁│、B✘☁│、C✘☁│、D 分別為不同材料製得的心臟支架進行體外血流模擬實驗後的 SEM 圖片☁₪◕✘,可以直觀發現☁₪◕✘,實驗後 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◕₪•│。


清潔度-4.png

不同材質心臟支架體外血液模擬實驗後 SEM 圖

3. 3D 列印骨骼的結構觀察

3D 列印定製骨科植入物的優勢近年來逐漸得到了大家的認可☁₪◕✘,但是 3D 列印仍面臨技術工藝完善和產品安全性的挑戰◕₪•│。金屬粉末的質量對 3D 列印產品的最終質量有著至關重要的作用☁₪◕✘,其中粉末粒徑分佈和形貌是兩個重要特徵◕₪•│。如下述案例所示☁₪◕✘,可以透過 Phenom 掃描電鏡對粉末形貌✘☁│、粘黏✘☁│、有無衛星球等進行評估☁₪◕✘,結合配套的粒徑分析軟體 Phenom Particle Metric☁₪◕✘,能夠從粒度分佈✘☁│、圓度✘☁│、長徑比等多個維度對金屬粉末進行快速表徵◕₪•│。


顆粒統計.png

3D 列印顆粒自動粒徑統計

在利用金屬粉末列印多孔結構的骨科植入物的過程中☁₪◕✘,金屬粉末的質量✘☁│、列印過程引數設定影響著產品的使用效能☁₪◕✘,由於金屬粉末熔融不徹底☁₪◕✘,列印完成後的產品會存在金屬粉末附著的情況☁₪◕✘,若金屬粉末去除不徹底☁₪◕✘,可能對產品效能和安全性有不利影響◕₪•│。如下述案例所示☁₪◕✘,在 3D 列印的髖關節表面觀察到多個金屬顆粒附著☁₪◕✘,這些附著的小顆粒粒徑較小☁₪◕✘,植入人體後☁₪◕✘,存在著脫落的可能☁₪◕✘,增大了人造骨骼引發併發症的風險☁₪◕✘,對產品的安全有效性有嚴重影響◕₪•│。


髖關節-1.png

髖關節-2.png


4. 血液疾病研究

在血液疾病研究方面☁₪◕✘,為更好的觀察到細胞✘☁│、蛋白的行為☁₪◕✘,科研人員也越來越多的用到 SEM 來進行分析◕₪•│。血栓引發的各類疾病已經在現代社會中產生大量的致死案例☁₪◕✘,如下述案例所示為血栓的 SEM 觀察◕₪•│。斑馬魚的止血系統與人類極為相似☁₪◕✘,被廣泛用於人類止血模型✘☁│、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) 分別為不新增任何組織因子 (TF) 的人類血栓凝塊和新增高濃度組織因子的人類血栓凝塊◕₪•│。透過 SEM 圖可以發現☁₪◕✘,新增高濃度 TF 的人血纖維蛋白網路與從斑馬魚血中獲得的網路結構極其相似☁₪◕✘,在魚血中觀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)被困在斑馬魚血凝塊纖維蛋白網路中☁₪◕✘,表明它們可能參與了凝固過程◕₪•│。[2]


血液.png

(A) 斑馬魚血凝塊;新增 (B) 和未新增 (C) TF 的人血凝塊


血液2.png

(A~D) 不同 α-FXIIa 和 tPA 新增量下血凝塊的 SEM 圖

上述案例為活化凝血因子 XII(α-FXIIa) 和組織纖溶酶原啟用物 (tPA) 對血栓形成和纖維蛋白溶解影響實驗的驗證☁₪◕✘,圖 (A) ~ 圖 (D) 為不同 α-FXIIa 和 tPA 新增量下血凝塊的 SEM 圖☁₪◕✘,可以發現在缺少 tPA 的條件下☁₪◕✘,即使有血纖維蛋白溶酶存在☁₪◕✘,α-FXIIa 的加入也會增加蛋白纖維的密度;而在血栓形成過程中加入 tPA 引發纖維蛋白溶解的條件下☁₪◕✘,加入 α-FXIIa 會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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