CN116306034B - 一种通用性生物膜厚度分布模型的构建方法及其应用 - Google Patents

一种通用性生物膜厚度分布模型的构建方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种通用性生物膜厚度分布模型的构建方法及其应用，涉及生物膜技术领域。所述方法包括生物膜预处理、样本厚度数据采集、构建生物膜地图模型和地图模型实物化。采用本发明方法构建的通用性生物膜厚度分布模型可应用于测定生物膜厚度。本发明通过对相同方式取材的生物膜进行厚度测定，将数据点进行整合绘制生物膜地图，获得具有普适性的生物膜厚度分布规律，将该地图制作成为胶片投影到以相同方式裁剪的待测生物膜上，地图图像与待测生物膜完全匹配，可快速准确地观察到待测生物膜的厚度分布情况，读取各点位生物膜厚度数据，根据预期需求截取目标区域。本发明方法测量速度快、操作简单、准确度高，不会对目标生物膜造成污染和损伤。

Description

一种通用性生物膜厚度分布模型的构建方法及其应用
技术领域
本发明涉及生物膜技术领域，具体涉及一种通用性生物膜厚度分布模型的构建方法及其应用。
背景技术
生物膜是一类用于替换受损组织或患病的心脏瓣膜的功能性膜，通常来源于动物组织膜，经过物理化学及生物处理后保留细胞外基质构架制成。例如牛心包或猪心包等，这些心包组织经过处理后，连接在可折叠的框架结构上构成人工心脏瓣膜，人工心脏瓣膜可压缩在输送系统上，被输送至人体内。重型颅脑损伤手术患者由于继发脑肿胀，常引起脑膜缺损，动物心包膜也是目前常用的脑膜组织替代品。牛心包作为人工心脏生物瓣关键原材料，目前基本依靠进口澳洲黄牛心包，而我国青藏高原特有动物牦牛的心包在外观、厚度、胶原纤维结构等方面具有显著优势，热皱缩性能、生物力学性能及抗钙化性能基本持平，具备国产替代可行性。
外科植入的生物膜对厚度及均匀性有严苛的要求，若生物膜过厚，整体柔韧性欠佳，增加压缩难度，导致整体尺寸较大，难以植入目标部位，若生物膜过薄，其抗拉性能较差，容易出现早期撕裂，因此，需要取合适厚度的生物膜。如牦牛心包膜一般可应用于人工心脏瓣膜、人工硬脑膜以及各类外科组织工程补片，但是依赖于心包组织原料的各种工程化组织膜片对心包膜原料的厚度及均匀性要求不同，青藏高原牦牛心包大部分天然膜厚度在0.1-1.5 mm之间，而每一张心包膜厚度分布不均匀，通过肉眼观察或尺寸测量难以获取厚度较为理想的部位，因此，需要对生物膜的厚度进行测量。
目前，对于生物膜的测量常用的方法是采用人工测厚仪单点逐区域测定，通过选取一定数量的测量点，取平均值作为心包膜厚度值。该方法测定效率低，而且在测定时很难在生物膜上标记实测厚度，在分割取材时需要不断对照测定数据与原料，会出现分割误差，且原材料经过人工测定会出现污染的情况，因此，急需一种测定简单、对生物膜无污染、取材准确的测定生物膜厚度的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有手工测量技术的缺点，提供一种通用性生物膜厚度分布模型的构建方法及其应用。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种通用性生物膜厚度分布模型的构建方法，它包括以下步骤：
S1. 生物膜预处理：取生物膜为样本，清洗干净后浸泡在固定液中进行厚度固定至少24h，所述固定液为磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、氯化钠、戊二醛的混合溶液，pH值为7～8；
S2. 样本厚度数据采集：将预处理后的生物膜在生理盐水中浸泡后取出，保持湿润的条件下在样本生物膜上绘制1×1 cm2的方格，或取浸泡后湿润的样本生物膜，利用其透明性，平铺在画有大小为1×1 cm2方格的塑料纸上，测定每个方格对应的样本生物膜的厚度，一个方格为一个模块，通过模块化信息采集方式将生物膜厚度数据细化，测量每个模块的厚度数据；
S3. 构建生物膜地图模型：设x为生物膜的长度，y为生物膜的宽度，z为生物膜的厚度，确定每个模块的x、y和z值，整合各个数据点，构建生物膜地图数据模型，通过地图上不同区域的颜色和等高线可识别厚度分布；
S4. 地图模型实物化：将步骤S3构建的生物膜地图模型打印到胶片上，得实物化的生物膜厚度分布模型。
进一步地，步骤S1中所述混合溶液中磷酸氢二钠的质量百分比浓度为0.05～0.3%、磷酸二氢钾的质量百分比浓度为0.01～0.05%、氯化钠的质量百分比浓度为0.5～1.2%，戊二醛的质量百分比浓度为0.3～1%。
进一步地，所述生物膜为牦牛、黄牛或奶牛的心包膜。
进一步地，步骤S2中所述生物膜在生理盐水中浸泡的时间至少3h，中间更换两次生理盐水。
进一步地，步骤S3中所述构建生物膜地图数据模型采用origin软件进行数据整合与绘制。
进一步地，步骤S4中所述生物膜地图模型通过激光胶片打印机打印到PET材质的胶片上。
上述的方法构建的通用性生物膜厚度分布模型在测定生物膜厚度中的应用，其中，待测的生物膜与样本生物膜取自年龄基本相同、生长环境基本相同的同一种生物体。
进一步地，所述测定生物膜厚度的方法为：取待测的生物膜作为投影面，通过清晰、稳定的投影线将胶片投影在目标投影面上，调整至地图模型的投影与待测的生物膜尺寸完全相同，根据投影的颜色和等高线标识可获知待测生物膜任意点的厚度及厚度分布规律。
本发明具有以下优点：本发明通过对相同方式取材的生物膜进行厚度测定，将数据点进行整合绘制生物膜地图，获得具有普适性的生物膜厚度分布规律，将该地图制作成为胶片投影到以相同方式裁剪的待测生物膜上，将胶片上的地图图像与待测生物膜完全匹配，可快速准确地观察到待测生物膜的厚度分布情况，读取各点位生物膜厚度数据，根据预期需求，能够准确快速地截取目标区域。本发明方法测量生物膜速度快、操作简单、准确度高，不会对目标生物膜造成污染和损伤。
附图说明
图1为牦牛心包膜裁剪位置示意图，图中标记位置为心包膜脏层与壁层连接处。
图2为牦牛心包膜区域识别图。
图3为牦牛心包膜厚度地图。
图4为牦牛心包膜地图模型在厚度测量应用中的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
实施例1：一种通用性生物膜厚度分布模型的构建方法，它包括以下步骤：
S1. 生物膜预处理：取黄牛心包膜为样本，清洗干净后浸泡在固定液中进行厚度固定24h，所述固定液的为磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、氯化钠、戊二醛的混合溶液，所述混合溶液中磷酸氢二钠的质量百分比浓度为0.05%、磷酸二氢钾的质量百分比浓度为0.01%、氯化钠的质量百分比浓度为0.5%，戊二醛的质量百分比浓度为0.3%，pH值为7；
S2. 样本厚度数据采集：将预处理后的生物膜在生理盐水中浸泡3h，中间更换两次生理盐水，浸泡后迅速拿出，将生物膜平铺在画有大小为1×1 cm2方格的塑料纸上，一个方格为一个模块，通过模块化信息采集方式将生物膜厚度数据细化，测量每个模块的厚度数据；
S3. 构建生物膜地图模型：设x为生物膜的长度，y为生物膜的宽度，z为生物膜的厚度，确定每个方格的x、y和z值，采用origin软件数据整合与模型构建，并在绘制的地图上标出等高线，所述等高线上z值相同；
S4. 地图模型实物化：将步骤S3绘制的生物膜地图通过激光胶片打印机打印到PET材质的胶片上，得实物化的黄牛心包膜厚度分布模型。
将建立的生物膜厚度分布模型用于测定生物膜厚度的方法为：取待测的黄牛心包膜，所述待测的黄牛心包膜与样品黄牛心包膜取自年龄基本相同、生长环境基本相同的黄牛，清洗干净后将待测的黄牛心包膜作为投影面，通过清晰、稳定的投影线将胶片投影在目标投影面上，调整至地图模型的投影与待测的生物膜尺寸完全相同，根据投影的颜色和等高线标识可获知待测黄牛心包膜任意点的厚度及厚度分布规律。
实施例2：一种通用性生物膜厚度分布模型的构建方法，它包括以下步骤：
S1. 生物膜预处理：取牦牛心包膜为样本，清洗干净后浸泡在固定液中进行厚度固定28h，所述固定液的为磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、氯化钠、戊二醛的混合溶液，所述混合溶液中磷酸氢二钠的质量百分比浓度为0.3%、磷酸二氢钾的质量百分比浓度为0.05%、氯化钠的质量百分比浓度为1.2%，戊二醛的质量百分比浓度为1%，pH值为8；
S2. 样本厚度数据采集：将预处理后的生物膜在生理盐水中浸泡3.5h，中间更换两次生理盐水，浸泡后迅速拿出，将生物膜平铺在画有大小为1×1 cm2方格的塑料纸上，一个方格为一个模块，通过模块化信息采集方式将生物膜厚度数据细化，测量每个模块的厚度数据；
S3. 构建生物膜地图模型：设x为生物膜的长度，y为生物膜的宽度，z为生物膜的厚度，确定每个方格的x、y和z值，采用origin软件数据整合与模型构建，并在绘制的地图上标出等高线，所述等高线上z值相同；
S4. 地图模型实物化：将步骤S3绘制的生物膜地图通过激光胶片打印机打印到PET材质的胶片上，得实物化的牦牛心包膜厚度分布模型。
将建立的牦牛心包膜厚度分布模型用于测定生物膜厚度的方法为：取待测的牦牛心包膜，所述待测的牦牛心包膜与样品生物膜取自年龄基本相同、生长环境基本相同的牦牛，清洗干净后将待测的牦牛心包膜作为投影面，通过清晰、稳定的投影线将胶片投影在目标投影面上，调整至地图模型的投影与待测的生物膜尺寸完全相同，根据投影的颜色和等高线标识可获知待测牦牛心包膜任意点的厚度及厚度分布规律。
实施例3：一种通用性生物膜厚度分布模型的构建方法，它包括以下步骤：
S1. 生物膜预处理：取奶牛心包膜为样本，清洗干净后浸泡在固定液中进行厚度固定32h，所述固定液的为磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、氯化钠、戊二醛的混合溶液，所述混合溶液中磷酸氢二钠的质量百分比浓度为0.15%、磷酸二氢钾的质量百分比浓度为0.03%、氯化钠的质量百分比浓度为0.8%，戊二醛的质量百分比浓度为0.5%，pH值为7.5；
S2. 样本厚度数据采集：将预处理后的生物膜在生理盐水中浸泡4h，中间更换两次生理盐水，浸泡后迅速拿出，将生物膜平铺在画有大小为1×1 cm2方格的塑料纸上，一个方格为一个模块，通过模块化信息采集方式将生物膜厚度数据细化，测量每个模块的厚度数据；
S3. 构建生物膜地图模型：设x为生物膜的长度，y为生物膜的宽度，z为生物膜的厚度，确定每个方格的x、y和z值，采用origin软件绘制生物膜地图，并在绘制的地图上标出等高线，所述等高线上z值相同；
S4. 地图模型实物化：将步骤S3绘制的生物膜地图通过激光胶片打印机打印到PET材质的胶片上，得实物化的奶牛心包膜厚度分布模型。
将建立的奶牛心包膜厚度分布模型用于测定生物膜厚度的方法为：取待测的奶牛心包膜，所述待测的奶牛心包膜与样品生物膜取自年龄基本相同、生长环境基本相同的奶牛，清洗干净后将待测的奶牛心包膜作为投影面，通过清晰、稳定的投影线将胶片投影在目标投影面上，调整至地图模型的投影与待测的生物膜尺寸完全相同，根据投影的颜色和等高线标识可获知待测牦奶牛心包膜任意点的厚度及厚度分布规律。
实验例：
1. 取包裹了心包膜的牦牛心脏20个，所述牦牛的年龄为4年，心脏包膜包裹在最外面，用手术剪刀将脂肪小心剔除，随后将心包膜贴合在心脏上，由于心包膜透明性良好，可透过心包膜识别出左心房、左心室、右心房、右心室的位置，并通过记号笔在心包膜上将各区域边界线标示出。之后将心包膜沿心脏2个大血管根部剪下。沿图1中标示位置即心包膜脏层与壁层连接处将心包膜剪开铺平。将剪下的心包膜迅速放入无菌生理盐水中反复漂洗至洗净血污并在PBS缓冲液中浸泡12h，通过手术剪刀和眼科镊子将心包膜上附着的脂肪小心剔除。随后将清洗干净的心包膜置于下述溶液中浸泡30h以凝固蛋白、固定心包且保持组织弹性，使之厚度固定，所述溶液的配置方法为：分别称取适量磷酸氢二钠、磷酸二氢钾及氯化钠，在注射用水中充分溶解，随后向其中加入适量戊二醛并继续加入注射用水定容至1L，使磷酸氢二钠的质量百分比浓度为0.1%、磷酸二氢钾的浓度为0.02%、氯化钠的质量百分比浓度为0.8%、戊二醛的质量百分比浓度为0.5%，最后通过盐酸将溶液pH值调至7.4。
2. 将裁剪的牛心包膜铺平后通过记号笔在其光滑面画出1×1 cm2的小方格，并将做过标记的心包膜区域贴上标签，如图2所示，通过测厚规测出每个格子的厚度，此过程均在生理盐水浸没条件下进行。将心包膜平整摆放，将最左侧的一列视为X=1（即图3中长度=1 cm），往右依次类推，最上方的一行视为Y=1（即图3中宽度=1 cm），往下依次类推，从而可确定每个厚度数据点所对应的X、Y轴坐标，厚度视为Z轴数据，并计算20张膜相应方格对应厚度的平均值z。随后将X、Y、Z轴数据即每个方格的x、y和z值传输到绘图软件origin上（x为生物膜的长度，y为生物膜的宽度，z为生物膜的厚度），绘制出一张形状与所测心包膜一致的心包膜地图，可在地图上标示出等高线，即将厚度相同的数值连线而成，如图3所示，图中，实线为等高线，虚线为区域界线。
3. 另取以同样方法剪取的心包膜作为待测的心包膜，本实验剪取三个牦牛心包膜进行测定，取材要求为：年龄基本相同、生长环境基本相同的牦牛。
将绘制的心包膜地图通过激光胶片打印机将彩色地图打印到胶片上，所选用胶片为PET材质，该材料透明度高、耐刮擦，打印出的胶片清晰度高。在暗处，将胶片放置在激光投影机光源正下方一定位置，将步骤3画有方格的心包膜作为幕布，通过投影的方式将胶片上的地图图像呈现在心包上，通过调整光源与胶片的距离可改变投影图像的大小，从而使地图与待测心包膜大小完全匹配，根据投影到待测心包膜的厚度分布随机选取相应方格进行验证本发明方法的准确度（任意选取地图上的坐标（xn,yn），对比zn与三张待测心包膜在对应坐标的用测厚仪测出的z’n、z’’n、z’’’n数值），实验取值结果如图4所示。
由图4可知：通过地图模型投影所得到的厚度与通过实际测量所得到的厚度差异最大为0.05 mm，在测量误差范围内，表明通过投影牦牛心包膜地图模型的方式能准确快速地获取各点位厚度数据。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种通用性生物膜厚度分布模型的构建方法，其特征在于，它包括以下步骤：
S1. 生物膜预处理：取生物膜为样本，清洗干净后浸泡在固定液中进行厚度固定至少24h，所述固定液为磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、氯化钠、戊二醛的混合溶液，pH值为7～8；
S2. 样本厚度数据采集：将预处理后的生物膜在生理盐水中浸泡后取出，保持湿润的条件下在样本生物膜上绘制1×1cm2的方格，或取浸泡后湿润的样本生物膜，利用其透明性平铺在画有大小为1×1cm2方格的塑料纸上，测定每个方格对应的样本生物膜的厚度，一个方格为一个模块，通过模块化信息采集方式将生物膜厚度数据细化，测量每个模块的厚度数据；
S3. 构建生物膜地图模型：设x为生物膜的长度，y为生物膜的宽度，z为生物膜的厚度，确定每个模块的x、y和z值，整合各个数据点，构建生物膜地图数据模型，通过地图上不同区域的颜色和等高线可识别厚度分布；
S4. 地图模型实物化：将步骤S3构建的生物膜地图模型打印到胶片上，得实物化的生物膜厚度分布模型；
构建的通用性生物膜厚度分布模型应用在测定生物膜厚度中，其中，待测的生物膜与样本生物膜取自年龄相同、生长环境相同的同一种生物体；
测定生物膜厚度的方法为：取待测的生物膜作为投影面，通过清晰、稳定的投影线将胶片投影在目标投影面上，调整至地图模型的投影与待测的生物膜尺寸完全相同，根据投影的颜色和等高线标识可获知待测生物膜任意点的厚度及厚度分布规律。
2.根据权利要求1所述的一种通用性生物膜厚度分布模型的构建方法，其特征在于，步骤S1中所述混合溶液中磷酸氢二钠的质量百分比浓度为0.05～0.3%、磷酸二氢钾的质量百分比浓度为0.01～0.05%、氯化钠的质量百分比浓度为0.5～1.2%，戊二醛的质量百分比浓度为0.3～1%。
3.根据权利要求1所述的一种通用性生物膜厚度分布模型的构建方法，其特征在于，所述生物膜为牦牛、黄牛或奶牛的心包膜。
4.根据权利要求1所述的一种通用性生物膜厚度分布模型的构建方法，其特征在于，步骤S2中所述生物膜在生理盐水中浸泡的时间至少3h，中间更换两次生理盐水。
5.根据权利要求1所述的一种通用性生物膜厚度分布模型的构建方法，其特征在于，步骤S3中所述构建生物膜地图数据模型采用origin软件进行数据整合与绘制。
6.根据权利要求1所述的一种通用性生物膜厚度分布模型的构建方法，其特征在于，步骤S4中所述生物膜地图模型通过激光胶片打印机打印到PET材质的胶片上。
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