扫描电镜在无源外科植入物检测中的应用综述

电子显微学报
Journal of Chinese Electron Microscopy Society
第 40 卷 第 1 期2021 年 2 月
Vol. 40,No. 12021-02
文章编号：1000-6281(2021)01-0094-07
扫描电镜在无源外科植入物检测中的应用综述
王常斌，聂佳祺,艾冲冲，李元彧，刘斌，刘卩日，姚秀军，施燕平，万敏*
*收稿日期:2020-04-20；修订日期:2020-06-13基金项目：国家重点研发计划(No.2016YFC1102503).
作者简介：王常斌( 1982-),男(汉族)，山东沂水人，高级工程师.
*通讯作者：万敏(1972-)，女(汉族)，山东禹城人，正高级工程师.
(山东省医疗器械产品质量检验中心，国家药品监督管理局生物材料器械安全性评价重点实验室，
山东省医疗器械生物学评价重点实验室，山东济南250101)
摘要 超微结构技术与无源外科植入等生物医学的交叉融合，使得相关研究的尺度向更直观和更微观的方向
延伸。

无源外科植入物的安全性能及与人体接触部分的生物相容性和生物稳定性受其原料和结构组成特点的影 响。

扫描电子显微技术将植入物的超微界面体系可视化，是当今无源外科植入等生命科学研究的前沿方向之一。

本文介绍了扫描电子显微技术结合能谱分析等手段的基本原理，综述了应用扫描电子显微技术对乳房植入物、人 工血管、血管支架、生物膜材料、钛及钛合金植入物的结构和形貌观测及化学成分分析，揭示了植入物与人体的作
用机制。

此外，总结了扫描电子显微技术在微区信息提取方面不可代替的优势，展望了扫描电子显微技术未来的
可能研究方向，期望能进一步促进无源外科植入等生命科学领域的深入发展与广泛应用。

关键词 扫描电镜；无源外科植入物；组成结构
中图分类号：TN16；R318.08 文献标识码：A doi ： 10. 3969/j.issn .1000-6281. 2021. 01. 017
外科植入物是指通过外科侵入方法,全部导入人
体,或取代上皮表面或眼表面并保留在操作位置的医
疗器械。

外科植入物的临床使用广泛、技术发展迅
速,在短短几年的时间内从材料、工艺、设计到应用各 方面都呈现出巨大变化［1-3］。

然而，外科植入物的功
能性及安全有效性受到越来越多的社会关注。

众所 周知，材料的微观结构决定着材料的宏观性质［4］，掌
握这些微观信息对医学工作者而言十分必要。

因此,
准确评价植入物的结构特点显得尤为重要。

在现代测试技术中,扫描电镜具有景深大、分辨 率高，成像直观、立体感强、放大倍数范围宽以及待测 样品可在三维空间内进行旋转和倾斜的优点［5-8］,在
研究形貌分析的同时可以对微区进行元素定性定量
分析，正作为探索微观物质世界的有力工具,发挥着
巨大的作用且广泛应用于生物医学、物理学、化学、司
法、地球科学、材料学以及工业生产等领域的微观研 究［9-14］。

扫描电子显微技术的应用能从微纳米尺度
分析外科植入物的结构和化学组成,提供不同植入物 的形貌结构和化学组成,加深我们对外科植入物与人 体接触的微域及微界面的认识［15］。

扫描电镜结合能
谱仪不仅能得到样品的结构与形貌图,还能在微纳米
尺度下进行三维重构，并能给出相应的化学信息以及 样品表面的元素分析［16-18］o
众人周知,无源外科植入物的发展一直是社会
关注的话题之一。

本文从植入物样品制备及材料
形貌角度出发，重点介绍了外科植入物作为未来先 进医学的功能材料。

1样品制备方法
通常样品前处理主要包括样品预处理、样品制
备和导电处理三部分，是电子显微镜分析中的关键 环节。

1. 1样品预处理
用于扫描电镜分析的各种外科植入物需要根 据自身的特性及测试需求进行预处理。

预处理需
要综合考虑以下因素:
(1) 样品需要具有无磁性、稳定性、导电性，且
导电性越好样品测试效果越好。

(2) 加工过程中尽量保持样品原始形态结构，避
免样品挤压发生变形，影响形貌的观察和尺寸的
测量。

(3) 支架类产品耐久性测试后进行形貌观察
时，由于长时间浸入测试溶液中，样品表面可能会
有微生物生长，在进行样品观察前，需要进行清洗 处理，可采用无水乙醇、去离子水等溶液进行超声
处理，将样品表面的微生物清洗干净。

iil : 398133991@ iil ：annvickey@
第1期王常斌等:扫描电镜在无源外科植入物检测中的应用综述95
(4)测试过程要注意清洁、避免待测样品表面受到污染。

(5)观察样品的表面应选择光滑平面,高度差异不可太大。

1.2样品制备
对于高分子材料的外科植入物可使用锋利的刀片或剪刀进行取材，对于金属材料的外科植入物可采用机械切割的方式进行取材。

由于无源外科植入物样品形状、性质以及测试内容的差异，制备样品也需要具有针对性，这样才能获得高质量的扫描电子显微图像。

在具体样品制备过程时注意的问题如下:
(1)对于乳房植入物产品，在样品的底部、半径区域和顶部三个植入点进行采样，测试时,将测试面垂直放于样品台上。

(2)对于人工血管产品，在孔隙测量时,血管内外两个表面均需要测试，并分别报告内外表面的测试结果。

(3)对于生物胶原蛋白膜产品的测量，由于产品工艺问题和表面的孔径不规则且分布不均的问题，无法直接观察测量，可采用观察样品截面的方式进行观察和分析。

1.3样品导电处理
对于无源外科植入物，材料多为高分子材料和金属材料，而高分子材料样品导电性较差,一般采用导电胶桥接样品，粘在样品台的方式处理样品。

此外，对于导电性较差的样品可考虑采用离子溅射镀膜，增加其导电性。

2扫描电镜在乳房植入物表面特性应用
乳房植入物是一种带有壳体的用于增加乳房体积或置换乳房的植入物,在整形美容领域应用较广。

扫描电镜为分析植入物的表面特性提供良好的技术手段，在检验过程中要注意,尽量采用低电压(5kV以下),在较低的放大倍数下(200倍之内)，并在尽可能短的时间内完成拍摄，防止高能电子束将样品表面损坏。

YY0647-2008[19]《无源外科植入物乳房植入物的专用要求》中附录A表面特性测试，确定了乳房植入物表面测试的操作程序，在采样区域内测量微孔尺寸(直径、微孔径)等表面特性。

图1是本文作者在检测过程中，利用扫描电子显微镜(SEM)，通过测量表面孔径大小和孔径深度来确认乳房植入物的表面特性,获得乳房植入物孔径和孔深SEM图像。

利用SEM,可以直接观察到乳房植入物的表面特性，并可在拍摄的SEM图片上直接表征植入物的孔径及孔深，进一步增进对其结构与性能的相关认识。

海姆•迪文等[20]利用扫描电子显微镜研究了一种轻质乳房植入物材料，提供了一种低密度,生物相容性的外科材料以及以微球、微米级颗粒形成的微内腔，为进一步研究治疗性、审美性的乳房植入物打下坚实基础。

图1 a.典型乳房植入物表面孔径SEM图像;b.典型乳房植入物表面孔深SEM图像。

Bar二500pm
Fig.1 a.The SEM image of surface aperture of typical mammary implant； b.The SEM image of holedepth of typical mammary implants.
3扫描电镜在心血管植入物方面的应用
3.1在人工血管产品孔隙方面的应用
人工血管是用来置换血管、在血管间旁路移植或形成分流的假体。

人工血管作为一种长期植入物而使用，要求在植入活体组织一段时间后其物理和化学性能应保持生物稳定性以及生物相容性。

因此,YY0500-2004[21]«心血管植入物人工血管》中5.2.1对孔隙做出了要求,要求其平均值应在制
96电子显微学报 J. Chin. Electr. Microsc. Soc.第40卷
造商规定的范围内。

人工血管在制造过程中，通过 制造工艺参数控制其孔隙的大小。

图2是本文作 者,利用扫描电子显微镜(SEM),检测的聚四氟乙 烯材料人工血管，得到SEM 图像及孔隙测量图，检 测得到大小不同的孔隙是通过不同的拉伸工艺得 到的。

扫描电镜可以为其提供孔隙在血管节点间 距离(测量相邻的两个节点内边缘两根纤维丝之间
的直线距离，在每张图片中至少进行6次测量，其中
不大于5 pm 的孔隙不认为是节间距,仅大于6 pm
的孔隙才被记录为节间距和平均孔径方面的指标,
从而更方便、快速、有效地检测人工血管的性能特
征。

Jeffrey 等［22］用合成胶原增强弹性蛋白基质的
超纤维复合材料设计合成了血管移植物，并通过扫
描电镜确定合成血管的取向和血管节点间距离以
及它的表面结构特点。

J Q
图2 a.典型人工血管SEM 图像;b.典型人工血管孔隙测量图。

Bar 二50 pm
Fig.2 a. The SEM image of typical tubular vascular prostheses ；
b. The SEM image of pore measurement of typical tubular vascular prostheses.
3・2在血管支架检验中的应用血管支架是经腔放置的球囊扩张或自扩型植 入物，在植入物释放后通过提供机械性支撑，以维
持或恢复血管的完整性，用于治疗血管病变的医疗 器械。

支架的耐久性，是评价支架在于其生理条件
下的长期耐久性,是其关键性能指标。

在评价支架
耐久性符合性时，扫描电镜景深大、立体感强，有光 学显微镜无法比拟的效果,在评价支架时发挥了明 显的优势。

通过扫描电镜可以观察到光镜下无法 观察到的裂纹、断裂等缺陷，图3是本文作者，通过
扫描电子显微镜(SEM),观察得到的聚乳酸(PLA)
材料生物可吸收血管支架，耐久性测试后的低倍和
高倍SEM 图像,图中这种裂纹在光学显微镜下观察
比较困难，但在扫描电镜下可以清楚地观察到这些 微裂纹,为分析断裂机理及研究支架耐久性提供直
接的证据。

另外在支架涂层完整性、涂层颗粒评价 等方面，扫描电镜同样发挥了重要的作用［23］。

Zhou 等［24］利用扫描电镜及能谱仪，通过成分
分析判断生物可吸收Zn-Cu 支架在猪冠状动脉中的 降解规律，为这种支架进一步应用于临床提供了理
图3典型的生物可吸收支架耐久性测试后SEM 图像(a .低倍;b.高倍)。

a, b ：Bar 二200 pm,Bar 二50 pm
Fig.3 SEM images of a typical bioabsorbable stent after durability test( a. Low magnification ； b. High magnification
).
第1期王常斌等:扫描电镜在无源外科植入物检测中的应用综述97
论依据。

纳米纤维血管支架的结构和形态对其力 学和生物学性能有重要影响。

Liu 等［25］开发了可作 为现成的血管移植物使用的纳米纤维血管支架，并
通过扫描电子显微镜表征了纳米纤维血管支架的
形态。

纳米纤维支架表面光滑，直径均匀，横截面
显示其壁厚为156 pm ±26. 5 pm ,外径为1. 1 mm± 0. 15 mm ，高倍SEM 图像中，纤维具有明显的共向
取向。

Zhu 等［26］研制了具有较高的亲水性、良好的
力学性能和良好的血液相容性的仿生纳米纤维管
状支架，文中大量运用扫描电子显微镜来观察其修
饰前后及使用前后微观形貌，说明作者研制的纳米
纤维管状支架具有耐久性，良好的力学性能和生物 相容性，不仅可以预防急性血栓形成，而且可以促
进血管组织的快速再生。

4扫描电镜在生物胶原蛋白膜方面的
测量
4.1 一维胶原纤维的微观结构分析
近年来，胶原纤维作为生物医用材料得到广泛
的应用，但是胶原纤维的微观结构、理化性能的报 道较少。

踞海燕等［27］利用扫描电子显微镜，观察牛
跟腱I 型胶原纤维的微观结构，电镜下，胶原纤维
直径约为200 nm,呈明暗交替的D 周期性横纹，横 纹周期约透性。

64 nm,胶原纤维的韧性大，抗拉力强。

同图4 a.典型的三维胶原基生物材料SEM 图像;b.典型的三维胶原基生物材料孔隙测量图。

Bar 二200 pm
Fig.4 a. The SEM image of a typical three-dimensional collagen-based biomaterial ； b. The SEM image of pore
measurement of a typical three-dimensional collagen-based biomaterial.
5扫描电镜在钛及钛合金植入物表面
元素定性分析的应用
纯钛及钛合金材料是医疗器械中使用最多的
金属材料。

钛作为生物医用材料应用于临床已有
近70年的历史。

未经氧化处理的钛植入物使用寿
时，进一步说明了独特的三股螺旋结构及其胶原分
子间聚集的内部网络空间也是天然胶原纤维，并具
有一定的吸水润湿性能和体液蒸发的透水汽性能,
且有效吸收创面渗出液，达到无积液且避免组织干
燥的效果，是有利于组织再生的重要原因之一。

因
此，扫描电镜为天然胶原纤维的应用开发提供了科
学有力的依据。

4. 2三维胶原基支架的形态结构和尺寸分析
具有结构、材料和生物学特性的胶原基支架材
料，可用于心肌组织再生。

近年来，一系列具有均 匀孔隙结构的胶原基支架材料被开发出来，这些材 料具有各种尺寸的等轴孔隙。

如图4的SEM 图像
所示，本文作者采用直接测试的方法，表征胶原基
生物材料形貌及孔径，通过拍摄的SEM 图片，可观
察到材料疏松多孔且孔隙分布较均匀，这种疏松的
三维结构对其生物活性如细胞增殖、分化和代谢等
有重要影响。

Davidenko 等［28］通过扫描电镜研究了
交联控制的胶原基支架，这些材料经过冻干处理,
得到了内部结构为均匀、多孔的支架，其结构各向
同性，孔径约为从130 pm 到260 pm 不等。

Brendan 等［29］也通过扫描电镜观察了胶原蛋白支架结构特
征，这些支架的管壁表现出径向排列的孔隙结构和
沿管径的孔隙梯度，这有利于细胞的附着性和渗
命较短。

表面阳极氧化是实现材料与硬组织间的
生物活性结合的一种高效途径。

纯钛、钛合金类产
品植入物表面形成的氧化膜具有良好的生物相容
性，通过对钛及钛合金表面阳极氧化工艺和成分控 制,可以有效降低产品生物安全风险。

YY/T 1615- 2018［30］《外科植入物钛及钛合金阳极氧化膜通用
98电子显微学报J.Chin.Electr.Microsc.Soc.第40卷
要求》中4.5阳极氧化膜表面元素定性分析明确:对于阳极氧化产品,应采用扫描电镜及能谱仪进行表面元素定性分析。

若存在与基体材料不一致的其他元素时,制造商应进行工艺验证并给出合理解释。

图5为本文作者,利用扫描电子显微镜(SEM)及能谱仪(EDS),表征的黑灰色阳极氧化TC4钛合金材料EDS图谱，分析可知，阳极氧化后的钛合金产品表面除了基体材料元素外,还引入了新的P元素。

张晨等［31］利用扫描电镜结合能谱仪对阳极氧化钛及钛合金产品进行表面元素定性分析,并对其数据进行探讨来确认其氧化层引入与基体材料不一致的新元素,为进一步认识阳极氧化表面打下基础。

不同颜色阳极氧化表面元素及含量异同;不同企业阳极氧化表面元素及含量异同；i型阳极氧化工艺和n型阳极氧化工艺阳极氧化表面元素及含量异同；国内企业及国外企业阳极氧化表面元素及含量异同；经阳极氧化表面和未经阳极氧化表面元素及含量异同。

对纯钛、钛合金类产品植入物的体外检测、临床研究和超过30年的人体临床应用,可以表明纯钛、钛合金类产品植入物表面形成的氧化膜具有良好的生物相容性。

Fig.5EDS pattern of a typical dark gray anodizing TC4material.
随着科研工作者对无源植入物的深入研究，SEM等微区信息已成为反映物质信息的重要组成部分。

在检测过程中，扫描电镜因其优异的形貌成像效果，结合能谱仪等附件，可对植入物进行形貌观察、尺寸测量和元素分析等。

进而可探索植入物的生物稳定性，为其生物相容性以及生物活性提供技术支持。

随着新材料、新技术在无源植入物等生物医学领域的应用，扫描电镜一定会展示出更强大的生命力和应用前景，有望在无源植入物等生物医学领域中取得更新的成果。

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100电子显微学报J.Chin.Electr.Microsc.Soc.第40卷
Application of scanning electron microscopy in detection of non-active surgical implants:a review
WANG Chang-bin,NIE Jia-qi,AI Chong-chong,LI Yuan-yu,LIU Bin,LIU Yang,
YAO Xiu-jun,SHI Yan-ping,WAN Min*
(Shandong Quality Inspection Center for Medical Devices，NMPA Key Laboratory of Safety Evaluation for Biomaterials and Medical Devices，Shandong Key Laboratory of Biological Evaluation for Medical Devices，
Jinan Shandong250101，China)
Abstract Interdisciplinary integration between ultrastructural technology and biomedicine,such as non-active surgical implants, endows related research with more intuitive fashion and microscopic scale.For these implants，their safety，bio-compatibility and-stability at contact area with human body are affected by raw materials and structural composition.Scanning electron microscopy(SEM) technology is able to make the ultramicro interface system of implants visualized，appearing as one of the frontiers in non-active surgical implants research in life science.This review introduces principles of SEM coupled with energy dispersive X-ray spectroscopy(EDX)，surveys the application of SEM in the structure and morphology observation and chemical composition analysis of mammary implants，tubular vascular prostheses，vascular stents，biofilm materials，titanium and titanium alloy implants，and reveals the action mechanism between implants and human body.In addition，this review summarizes the irreplaceable advantages of SEM in micro-domain information extraction，and makes an outlook on the potential research topics of SEM in the future，with the expectation to further promote in-depth development and wide application of non-active surgical implant in life science.
Keywords scanning electron microscopy(SEM)；non-active surgical implant；structural composition
Corresponding author。