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序论：在您撰写生物学和生物医学时，参考他人的优秀作品可以开阔视野，小编为您整理的7篇范文，希望这些建议能够激发您的创作热情，引导您走向新的创作高度。
Biomaterials and
Regenerative Medicine
2015
ISBN9781107012097
生物医用材料是指以医疗为目的，用于诊断、治疗、修复或替换人体组织器官或增进其功能的材料。再生医学是从20世纪80年代后期兴起并逐步发展起来的，但一直缺乏一个明确的定义。到90年代后期由于干细胞技术方面的突破，才把干细胞、组织工程、组织器官代用品等纳入到再生医学里面来。就再生医学本身而言，国际上还未被明确界定，且存在一些不同的看法，从广义上来讲，再生医学是利用人类的自然治愈能力，使受到巨大创伤的机体组织或器官获得自己再生能力为目的的医学。目前，再生医学所包含的内容主要为以下4大模块：干细胞与克隆技术、组织工程、组织器官代用品、异种器官移植。目前该领域已经成为一个多学科交叉并迅速发展的领域。
本书是由Peter X.Ma领衔的专家团队关于生物材料及再生医学领域的研究论文汇编，主要集中讨论了生物材料在干细胞研究和再生医学中的作用，着重分析了基础理论和方法，内容覆盖干细胞领域、合成技术、材料设计原则、材料物理特性、生物工程技术等领域。
全书共分5章：1.干细胞和再生医学的研究成果，包括胚胎干细胞、IPS细胞等;2. 用于再生医学的多孔支架材料研究，包括生物聚合物、生物陶瓷、微米和纳米纤维等;3. 用于再生医学的氢支架材料相关研究;4.生物因子传递研究，包括尖端的药物转移系统及基因治疗技术等内容;5. 动物模型和临床应用方面的研究成果，在心血管系统方面的应用、有机再生方面的内容。
书中详细介绍了生物高分子材料的结构和功能分类，从分子水平、纳米尺度分析了生物仿生材料的结构及生物分子设计，以及生物功能材料的应用。
Peter X. Ma是密执安大学教授，曾获得2013克莱门森奖、杰出科学家奖等多项殊荣。他是再生医学领域的世界级的材料专家，在生物材料的设计与合成研究领域处于非常领先的地位。
本书适合生物材料、干细胞生物学、干细胞工程、组织工程学、再生医学等专业的学生阅读，对于从事干细胞工程、生物医学材料、再生医学领域理论以及应用领域的研究生、学者来说，这本书非常有参考价值。
彭金平，博士生
（国家纳米科学中心）
Peng Jinping， Ph.D
核酸适体是一种通过结合蛋白质、离子、核酸、细胞等目标分子,并借助配位系统进化技术(SELEX)经体外筛选的人工合成肤分子。适配体不仅具有分子量小、化学稳定性好等优点,故被称为“化学抗体”,常常被化学工作者用于分子识别和靶标物检测研究的重要工具,从而为生物分析方法和设计传感器提供了新的思路。核酸适体还可以形成发夹、凸环、假结等稳定的空间结构。在分子识别时,通过目标分析物的诱导,单链核酸适体常常会形成或是折叠成特殊的二级结构。单位点结合和双位点结合两种是最常见的适体与靶体之间的相互作用。根据研究,一旦适配体的结构稍有差异,则可能会导致靶分子与其结合的阻碍。而这些特点有助于高灵敏、高选择性和快速高通量的靶标分子的分析检测,逐渐成为了分析化学领域的研究和应用热点。目前研究人员仅仅只是核酸适体的新分析方法(电化学法、荧光、比色法、压电和SPR)。
2压电生物传感器
压电生物传感器是通过使压电晶体表面产生微小的压力变化,引起振动频率的改变而制成的传感器。这种方法不仅充分利用压电石英晶体对表面电极区附着质量的敏感性,同时还结合了生物功能分子抗原和抗体之间的选择特异性。其组成部分为:压电晶体、振荡电路、差频电路、频率计数器及计算机等部分。压电晶体通常具有9MHz的谐振频率。而这种晶体大多是使用石英晶体按照AT方式进行切割形成的。振荡电路通常会有两个设置,一个是晶体检测振荡电路,而一个是晶体参比振荡电路。所谓参比电路就是指为了减少或消除一些温度、气压、粘度等的误差影响。通常可以用频率计数器来改变压电晶体的谐振频率和频率的改变,随后在有计算机对其实时数据进行处理。压电生物传感器因其不仅具有装置简单,而且其高灵敏度、快响应速度以及实时动态检测等优点而得到人们的广泛关注。而人们研究的热点正是压电免疫传感器和压电基因传感器。其中压电免疫传感器常常是用于检测微生物、免疫球蛋白等蛋白物质、生物小分子等。压电免疫分析技术和流动注射分析技术两者的结合可以实现对复杂品的分析,进行连续检测。压电免疫传感器常常被用于反应动力学的研究,从而直接检测生物的反应过程。随着液相压电传感技术的逐渐成熟,尽管压电基因传感器的研究还刚刚起步,但目前已经可以用于表面杂交过程的动力学研究,为基因学的优化提供了重要的依据。
2生物材料的类型与应用生物材料种类繁多,到目前为止,被详细研究过的生物材料已经超过一千种,在医学临床上广泛应用的也有几十种,涉及材料学科各个领域。依据不同的分类标准,可以分为不同的类型。
2.1以材料的生物性能为分类标准根据材料的生物性能,生物材料可分为生物惰性材料、生物活性材料、生物降解材料和生物复合材料四类。
2.1.1生物惰性材料生物惰性材料是指一类在生物环境中能保持稳定,不发生或仅发生微弱化学反应的生物医学材料,主要是生物陶瓷类和医用合金类材料。由于在实际中不存在完全惰性的材料,因此生物惰性材料在机体内也只是基本上不发生化学反应,它与组织间的结合主要是组织长入其粗糙不平的表面形成一种机械嵌联,即形态结合。生物惰性材料主要包括以下几类:(1)氧化物陶瓷主要包括氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷.氧化铝陶瓷中以纯刚玉及其复合材料的人工关节和人工骨为主,具体包括纯刚玉双杯式人工髋关节;纯刚玉—金属复合型人工股骨头;纯刚玉—聚甲基丙烯酸酯—钴铬钼合金铰链式膝关节,其他人工骨、人工牙根等。(2)玻璃陶瓷该材料主要用来制作部分人工关节。(3)Si3N4陶瓷该类材料主要用来制作一些作为替代用的较小的人工骨,目前还不能用作承重材料。(4)医用碳素材料它主要被作为制作人工心脏瓣膜等人工脏器以及人工关节等方面的材料。(5)医用金属材料该类材料是目前人体承重材料中应用最广泛的材料,在其表面涂上活性生物材料后可增加它与人体环境的相容性.同时它还能制作各类其他人体骨的替代物。
2.1.2生物活性材料生物活性材料是一类能诱出或调节生物活性的生物医学材料。但是,也有人认为生物活性是增进细胞活性或新组织再生的性质。现在,生物活性材料的概念已建立了牢固的基础,其应用范围也大大扩充.一些生物医用高分子材料,特别是某些天然高分子材料及合成高分子材料都被视为生物活性材料.羟基磷灰石是一种典型的生物活性材料。由于人体骨的主要无机质成分为该材料,故当材料植入体内时不仅能传导成骨,而且能与新骨形成骨键合。在肌肉、韧带或皮下种植时,能与组织密合,无炎症或刺激反应.生物活性材料主要有以下几类:
(1)羟基磷灰石,它是目前研究最多的生物活性材料之一,作为最有代表性的生物活性陶瓷—羟基磷灰石(简称HAP)材料的研究,在近代生物医学工程学科领域一直受到人们的密切关注.羟基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2]是脊椎动物骨和齿的主要无机成分,结构也非常相近,与动物体组织的相容性好、无毒副作用、界面活性优于各类医用钛合金、硅橡胶及植骨用碳素材料。因此可广泛应用于生物硬组织的修复和替换材料,如口腔种植、牙槽脊增高、耳小骨替换、脊椎骨替换等多个方面.另外,在HA生物陶瓷中耳通气引流管、颌面骨、鼻梁、假眼球以及填充用HA颗粒和抑制癌细胞用HA微晶粉方面也有广泛的应用.又因为该材料受到本身脆性高、抗折强度低的限制,因此在承重材料应用方面受到了限制.现在该材料已引起世界各国学者的广泛关注。目前制备多孔陶瓷和复合材料是该材料的重要发展方向,涂层材料也是重要分支之一。该类材料以医用为目的,主要包括制粉、烧结、性能实验和临床应用几部分。
(2)磷酸钙生物活性材料这种材料主要包括磷酸钙骨水泥和磷酸钙陶瓷纤维两类.前者是一种广泛用于骨修补和固定关节的新型材料,有望部分取代传统的PMMA有机骨水泥.国内研究抗压强度已达60MPa以上。后者具有一定的机械强度和生物活性,可用于无机骨水泥的补强及制备有机与无机复合型植入材料。
(3)磁性材料生物磁性陶瓷材料主要为治疗癌症用磁性材料,它属于功能性活性生物材料的一种。把它植入肿瘤病灶内,在外部交变磁场作用下,产生磁滞热效应,导致磁性材料区域内局部温度升高,借以杀死肿瘤细胞,抑制肿瘤的发展。动物实验效果良好。
(4)生物玻璃生物玻璃主要指微晶玻璃,包括生物活性微晶玻璃和可加工生物活性微晶玻璃两类。目前关于该方向的研究已成为生物材料的主要研究方向之一。
2.1.3生物降解材料所谓可降解生物材料是指那些在被植入人体以后,能够不断的发生分解,分解产物能够被生物体所吸收或排出体外的一类材料,主要包括β-TCP生物降解陶瓷和生物陶瓷药物载体两类,前者主要用于修复良性骨肿瘤或瘤样病变手术刮除后所致缺损,而后者主要用作微药库型载体,可根据要求制成一定形状和大小的中空结构,用于各种骨科疾病。
2.1.4生物复合材料生物复合材料又称为生物医用复合材料,它是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料,并且与其所有单体的性能相比,复合材料的性能都有较大程度的提高的材料。制备该类材料的目的就是进一步提高或改善某一种生物材料的性能。该类材料主要用于修复或替换人体组织、器官或增进其功能以及人工器官的制造,它除应具有预期的物理化学性质之外,还必须满足生物相容性的要求,这里不仅要求组分材料自身必须满足生物相容性要求,而且复合之后不允许出现有损材料生物学性能的性质。按基材分生物复合材料可分为高分子基、金属基和陶瓷基三类,它们既可以作为生物复合材料的基材,又可作为增强体或填料,它们之间的相互搭配或组合形成了大量性质各异的生物医学复合材料,利用生物技术,一些活体组织、细胞和诱导组织再生的生长因子被引入了生物医学材料,大大改善了其生物学性能,并可使其具有药物治疗功能,已成为生物医学材料的一个十分重要的发展方向,根据材料植入体内后引起的组织反应类型和水平,它又可分为近于生物惰性的、生物活性的、可生物降解和吸收等几种类型。人和动物中绝大多数组织均可视为复合材料,生物医学复合材料的发展为获得真正仿生的生物材料开辟了广阔的途径。
2.2以材料的属性为分类标准
2.2.1生物医用金属材料生物医用金属材料是用作生物医学材料的金属或合金,又称外科用金属材料或医用金属材料,是一类惰性材料,这类材料具有高的机械强度和抗疲劳性能,是临床应用最广泛的承力植入材料。该类材料的应用非常广泛,及硬组织、软组织、人工器官和外科辅助器材等各个方面,除了要求它具有良好的力学性能及相关的物理性质外,优良的抗生理腐蚀性和生物相容性也是其必须具备的条件。医用金属材料应用中的主要问题是由于生理环境的腐蚀而造成的金属离子向周围组织扩散及植入材料自身性质的退变,前者可能导致毒副作用,后者常常导致植入的失败。已经用于临床的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合金等三大类。此外,还有形状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌、锆等。
2.2.2生物医用高分子材料医用高分子材料是生物医学材料中发展最早、应用最广泛、用量最大的材料,也是一个正在迅速发展的领域。它有天然产物和人工合成两个来源,该材料除应满足一般的物理、化学性能要求外,还必须具有足够好的生物相容性。按性质医用高分子材料可分为非降解型和可生物降解型两类。对于前者,要求其在生物环境中能长期保持稳定,不发生降解、交联或物理磨损等,并具有良好的物理机械性能。并不要求它绝对稳定,但是要求其本身和少量的降解产物不对机体产生明显的毒副作用,同时材料不致发生灾难性破坏。该类材料主要用于人体软、硬组织修复体、人工器官、人造血管、接触镜、膜材、粘接剂和管腔制品等方面。这类材料主要包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、芳香聚酯、聚硅氧烷、聚甲醛等.而可降解型高分子主要包括胶原、线性脂肪族聚酯、甲壳素、纤维素、聚氨基酸、聚乙烯醇、聚己丙酯等。它们可在生物环境作用下发生结构破坏和性能蜕变,其降解产物能通过正常的新陈代谢或被机体吸收利用或被排出体外,主要用于药物释放和送达载体及非永久性植入装置.按使用的目的或用途,医用高分子材料还可分为心血管系统、软组织及硬组织等修复材料。用于心血管系统的医用高分子材料应当着重要求其抗凝血性好,不破坏红细胞、血小板,不改变血液中的蛋白并不干扰电解质等。
2.2.3生物医用无机非金属材料或称为生物陶瓷。生物医用非金属材料,又称生物陶瓷。包括陶瓷、玻璃、碳素等无机非金属材料。此类材料化学性能稳定,具有良好的生物相容性。一般来说,生物陶瓷主要包括惰性生物陶瓷、活性生物陶瓷和功能活性生物陶瓷三类。其中惰性生物陶瓷和活性生物陶瓷在前面已经简要作了介绍,而功能活性生物陶瓷是近年来提出的一个新概念.随着生物陶瓷材料研究的深入和越来越多医学问题的出现,对生物陶瓷材料的要求也越来越高。原先的生物陶瓷材料无论是生物惰性的还是生物活性的,强调的是材料在生物体内的组织力学环境和生化环境的适应性,而现在组织电学适应性和能参与生物体物质、能量交换的功能已成为生物材料应具备的条件。因此,又提出了功能活性生物材料的概念。它主要包括以下两类:(1)模拟性生物陶瓷材料该类材料是将天然有机物(如骨胶原、纤维蛋白以及骨形成因子等)和无机生物材料复合,来模拟人体硬组织成分和结构,以改善材料的力学性能和手术的可操作性,并能发挥天然有机物的促进人体硬组织生长的特性。(2)带有治疗功能的生物陶瓷复合材料该类材料是利用骨的压电效应能刺激骨折愈合的特点,使压电陶瓷与生物活性陶瓷复合,在进行骨置换的同时,利用生物体自身运动对置换体产生的压电效应来刺激骨损伤部位的早期硬组织生长。具体来说是由于肿瘤中血管供氧不足,当局部被加热到43~45℃时,癌细胞很容易被杀死。现在最常用的是将铁氧体与生物活性陶瓷复合,填充在因骨肿瘤而产生的骨缺损部位,利用外加交变磁场,充填物因磁滞损耗而产生局部发热,杀死癌细胞,又不影响周围正常组织。现在,功能活性生物陶瓷的研究还处于探索阶段,临床应用鲜有报道,但其发展应用前景是很光明的。各种不同种类的生物陶瓷的物理、化学和生物性能差别很大,在医学领域用途也不同.尤其是功能活性陶瓷更有不可估量的发展前途.临床应用中,生物陶瓷存在的主要问题是强度和韧性较差.氧化铝、氧化锆陶瓷耐压、耐磨和化学稳定性比金属、有机材料都好,但其脆性的问题也没有得到解决。生物活性陶瓷的强度则很难满足人体承力较大部位的需要。
2.2.4生物医用复合材料此类材料在2.1.4中已有介绍,此处不再详述
2.2.5生物衍生材料生物衍生材料是由经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医用材
料,也称为生物再生材料.生物组织可取自同种或异种动物体的组织.特殊处理包括维持组织原有构型而进行的固定、灭菌和消除抗原性的轻微处理,以及拆散原有构型、重建新的物理形态的强烈处理.由于经过处理的生物组织已失去生命力,生物衍生材料是无生命力的材料.但是,由于生物衍生材料或是具有类似于自然组织的构型和功能,或是其组成类似于自然组织,在维持人体动态过程的修复和替换中具有重要作用.主要用于人工心瓣膜、血管修复体、皮肤掩膜、纤维蛋白制品、骨修复体、巩膜修复体、鼻种植体、血液唧筒、血浆增强剂和血液透析膜等.
3.生物材料的性能评价目前关于生物材料性能评价的研究主要集中在生物相容性方面.因为生物相容性是生物材料研究中始终贯穿的主题.它是指生命体组织对生物材料产生反应的一种性能,该材料既能是非活性的又能是活性的.一般是指材料与宿主之间的相容性,包括组织相容性和血液相容性.现在普遍认为,生物相容性包括两大原则,一是生物安全性原则,二是生物功能性原则.生物安全性是植入体内的生物材料要满足的首要性能,是材料与宿主之间能否结合完好的关键.关于生物材料生物学评价标准的研究始于20世纪70年代,目前形成了从细胞水平到整体动物的较完整的评价框架.国际标准化组织(ISO)以10993编号了17个相关标准,同时对生物学评价方法也进行了标准化.迫于现代社会动物保护和减少动物试验的压力,国际上各国专家对体外评价方法进行了大量的研究,同时利用现代分子生物学手段来评价生物材料的安全性、使评价方法从整体动物和细胞水平深入到分子水平.主要在体外细胞毒性试验、遗传性和致癌性试验以及血液相容性评价方法等方面进行了一些研究.但具体评价方法和指标都未统一,更没有标准化.随着对生物材料生物相容性的深入研究,人们发现评价生物材料对生物功能的影响也很重要.关于这一方面的研究主要是体外法。具体来说侧重于对细胞功能的影响和分子生物学评价方面的一些研究。总之,关于生物功能性的原则是提出不久的一个新的生物材料的评价方面,它必将随着研究的不断深入而向前发展.而涉及材料的化学稳定性、疲劳性能、摩擦、磨损性能的生物材料在人体内长期埋植的稳定性是需要开展评价研究的一个重要方面。
4生物材料的发展趋势展望生物材料科学是20世纪新兴学科中最耀眼的新星之一。现在,生物材料科学已成为一门与人类现代医疗保健系统密切相关的边缘学科。其重要性不仅因为它与人类自身密切相关,还因为它跨越了材料、医学、物理、生物化学和现代高科技等诸多学科领域。现在对于该材料的研究已从被动地适应生物环境发展到有目的地设计材料,以达到与生物组织的有机连接。并随着生命科学和材料科学的发展,生物材料必将走向功能性半生命方向。生物材料的临床应用已从短期的替换和填充发展成永久性牢固种植,并与其它高科技(如电子技术、信息处理技术)相结合,制备富有应用潜力的医疗器械。生物材料的研究在世界各国也日益受到重视.四年一次的世界生物材料大会代表着国际上生物材料研究的发展动态和目前的水平。分析认为,以下几个方面是生物材料今后研究发展的几个主要方向:
(1)发展具有主动诱导、激发人体组织和器官再生修复功能的,能参与人体能量和物质交换产生相互结合的功能性活性生物材料,将成为生物材料研究的主要方向之一。
(2)把生物陶瓷与高分子聚合物或生物玻璃进行二元或多元复合,来制备接近人体骨真实情况的骨修复或替代材料将成为研究的重要方向之一。
(3)制备接近天然人骨形态的、纳微米相结合的、用于承重的、多孔型生物复合材料将成为方向之一。
(4)用于延长药效时间、提高药物效率和稳定性、减少用量及对机体的毒副作用的药物传递材料将成为研究热点之一。
(5)血液相容性人工脏器材料的研究也是突破方向之一。
(6)如何能够制备出纳米尺寸的生物材料的工艺以及纳米生物材料本身将成为研究热点之一。
药物的可控释放可克服传统通过口服或注射药物引起的血药浓度波动大等缺点,因此,控制药物释放的最优化方法一直处于不断的探索中。目前,常见的药物载体通常选用生物相容性和安全性都较好的聚乳酸(PLA)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、导电聚合物等。其中,导电聚合物包裹药物并通过电化学刺激进行可控释放,这种方法由于具备一些优异的特性而引起关注,如制备相对简单、药物释放可控,药物可随聚合物在不同的pH、温度、电荷等条件下结构发生变化而释放,等等。迄今为止,经导电聚合物包裹并通过电化学刺激实现有控释放的药物包括治疗性蛋白质,主要有神经营养因子[4-6]、地塞米松[7]、肝磷脂[8]等。导电聚合物包裹药物的方式及包裹药物的种类现都处于不断探索及试验阶段,早期的研究多是利用导电聚合物固有的氧化还原作用来包裹药物并实现药物的可控释放[9],近年来的研究是采用导电聚合物纳米管来控制药物释放,先采用生物可降解的高分子材料聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)纳米纤维包裹药物(如地塞米松等),然后在包裹有药物的PLGA纳米纤维的外层聚合生成PEDOT纳米管,随PLGA纳米纤维的生物降解,PLGA包裹的药物仍在PEDOT纳米管内,最终PEDOT的电化学特性决定了包裹的药物可有控释放出来[10],如图2所示[11]。导电聚合物应用于药物释放系统的前景应该是广阔的,有望在肿瘤及心脑血管疾病治疗中起到重要的作用。但目前仍存在一些不利因素,如大多数导电聚合物的水溶性较差,限制了其在药物释放系统中的应用。
2应用于生物效应器
导电聚合物从绝缘态转变成导电态,需要从其分子链中迁移出或导入电子,这种电子迁移的过程称为“掺杂”。导电聚合物的掺杂、去掺杂与聚合物中的电子和离子的转移有关。伴随着离子的掺杂和去掺杂,对应的是导电聚合物的体积改变(膨胀或收缩),离子掺杂过程会引起导电聚合物的体积增大,离子释放过程引起导电聚合物的体积缩小。生物效应器是指可产生机械动力的一些生物设备或装置。导电聚合物在电化学刺激下发生离子的掺杂、去掺杂及引起导电聚合物体积改变的特性,可以应用于生物效应器上,如用于构建人工肌肉[12-14]。人工肌肉的构建原理是:3层复合材料,其中内外两层为导电聚合物材料,中间层为非导电材料,内外两层处于相反的离子转移状态,如内层处于离子的掺杂状态,外层则处于去掺杂状态。这样,内层的掺杂致使内层的导电聚合物体积增大,同时外层的去掺杂使外层的体积缩小,内外两层产生的机械力量方向一致,其共同作用使整个3层复合材料向外层弯曲,模拟了生物系统中的肌肉收缩,如图3所示。导电聚合物构建的人工肌有的特点是:可通过电子转移控制、驱动电压低、伸缩率大、伸缩率可控、对温度没有特别要求,可以在室温或人体生理温度下进行、易于合成、重量轻、可在溶液或体液中进行,等等,这些优异特性都决定了导电聚合物是构建人工肌肉较理想的材料。目前,聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANI)、PPy-PANI复合材料以及这些导电聚合物与碳纳米管组成的复合材料,如PPy-碳纳米管复合材料、PANI-碳纳米管复合材料及PPy-PANI-碳纳米管复合材料等都应用到了人工肌肉的构建中[15-16]。在这些材料构建的人工肌肉中,PPy-PANI复合材料构建的人工肌肉每次循环产生的机械动能最大[17-18]。
3应用于组织工程
导电聚合物应用于组织工程领域,是和导电聚合物具备良好的导电性、氧化还原性、三维立体结构及表面形貌等特性密不可分的,但更为关键的是其具备良好的生物相容性。将PC-12细胞培养在聚吡咯(PPy)薄膜上,长时间(达96h)电流(1mA)刺激PPy,没有观察到明显的细胞毒性[19]。最近的研究进一步表明,PPy和PEDOT不论是薄膜还是纳米管形貌,和培养的神经细胞之间的生物相容性好[7]。目前,导电聚合物应用于组织工程领域主要体现在神经工程领域。神经工程中的电极通常是由金、铂等金属材料或镀金、镀铂的硅基材料做成的,这些电极植入神经组织后,其传导神经电信号的功能将逐渐消退,甚至完全丧失。究其原因,是因为坚硬的金属材料和柔软的神经组织之间的机械模量的巨大差异,神经组织对植入金属材料的免疫反应产生大量的胶质疤痕,最终使植入电极周围有功能的神经细胞数量明显减少。采用导电聚合物包裹或修饰神经电极,对改善神经电极电信号的传导功能起到了重要作用。其作用的机理是:生物相容性较好的导电聚合物在坚硬的金属电极表面和柔软的神经组织之间建立了一个机械强度的缓冲区域,降低了神经组织的免疫反应,增加了电极的表面面积,降低了电荷传导的电阻,使神经电信号传导的信噪比大大增强。另外,稳定的氧化还原特性可以使导电聚合物在修饰神经电极的同时,还能包裹药物或大分子物质,如地塞米松、细胞黏附分子、神经生长因子等。这些药物或大分子物质的释放,无疑能使导电聚合物包裹的电极不仅具有增强神经电信号的检测和传导功能,而且还具有抗免疫、促进神经生长和康复的功能[2-3,20-21]。已有的研究表明,应用于神经工程中的导电聚合物主要是PPy和PEDOT。
4应用于生物传感器
生物传感器是由固定化的生物物质(如酶、蛋白质、抗原、抗体、生物膜等)作为敏感元件与适当的化学信号换能器组成的生物电化学分析系统。导电聚合物具有良好的导电性能,可作为分子导线,使电子在生物活性分子和电极间直接传递,是构成生物传感器一种较好的材料[22-23]。生物传感器领域中最常用的导电聚合物是聚吡咯、聚苯胺和聚噻吩。目前,采用导电聚合物构建的生物传感器已广泛应用于很多领域,如医疗卫生中的医学诊断、环境监控及食品分析等方面[24]。在医学诊断方面,基于导电聚合物制备的生物传感器可以检测血糖、尿素、乳酸及胆固醇等;固定有DNA分子的导电聚合物制备的DNA传感器,可检测一些遗传性疾病、病原菌感染,以及分子生物学实验中的cDNA克隆筛选等;导电聚合物制备的免疫传感器可以用来监测有机氯杀虫剂及除草剂,甚至包括一些细菌。已有相关的综述阐述了导电聚合物在生物传感器中的应用[25-26],在此不再赘述。值得特别一提的是,导电聚合物因具备良好的生物相容性,因此特别适合在活体条件下进行生物传感,如将导电聚合物制备的生物传感器应用于活体生物体液内药物及机体代谢产物的连续检测[27]。导电聚合物属于智能材料体系,不但可以作为智能器件材料应用于生物传感器,而且可广泛地应用于传感、驱动、显示及信息储存等方面。综上所述,导电聚合物在生物医学工程领域应用广泛,但不同导电聚合物性质上的差异又决定了它们的应用各有所侧重。其中,几种主要导电聚合物的性质和应用。
关键词：微生物学 教学 质量提高
How enhances “Medical microbiology” class quality of teaching
Zheng Lihua
Abstract:Studies the new teaching theory unceasingly,absorbs the newest teaching thought,the change tradition teaching idea,utilizes the teaching method and the method nimbly,arouses enthusiasm and initiative which the student studies,achieved enhances the microbiology the quality of teaching.
Keywords:The microbiology Teaching Quality enhances
【中图分类号】R-0 【文献标识码】A 【文章编号】1008-1879(2010)12-0102-02
微生物学是一门联系基础医学和临床医学的桥梁学科，交叉学科。如何使深奥难懂、错综复杂的发生机制，变成浅显易懂的知识，提高学生的学习积极性和主动性，是每位专业教师不断探索的问题。为贯彻理论联系实际的原则，充分发挥学生的积极主动性，要采用电教、多媒体和现场教学等灵活多样的教学方式，灵活运用这些教学方法如讨论教学法、案例教学法、以问题为中心的启发式教学法等。
1 解析教材、梳理重点、突出难点
现行微生物学教材的特点是理论抽象，发生机制。错综复杂而又相互联系，知识更新非常快，新的理论、复杂的反应原理不计其数，教师必须深刻理解教学大纲，吃透教材，在了解学生的基础上，从繁杂的问题中梳理出学生易理解、易记忆的问题来，将难化易，将繁化简，使学生一目了然，轻松自如的将内容牢固掌握。
2 改变传统教学观念，构建以人为本的教学模式
在微生物学教学中我们采用了启发―思考型的教学模式。根据教学内容，结合学生的认识水平，采取启发、诱导、设疑、解疑的方式讲解，环环相扣。这种方法是以问题为思维导向，以探求欲望为思维的活力，使学生思维一直处于活跃状态，不但能提高学生学习的兴趣，解除厌学心理，增强综合学习能力，有效提高学习效果，而且还培养了学生的创新思维，取得了良好的教学效果。
3 轻松、活泼、愉快的课堂教学形式的建立
教师积极向上的精神面貌，流畅的清楚的语言、生动形象的比喻和学生在读书、学习时表现出的愉快、活泼、有兴趣，信心十足的情感，对他们的思维能力的发展，知识的掌握好像是一种崔化剂。在教学内容相对枯燥、单调的微生物课教学中，建立一种轻松、愉快、活泼的教学氛围，使学生在幽默、诙谐的语言中，在会心一笑中获得知识，增长才智，无疑对提高微生物教学质量有极大的帮助。通过开导白、插入语、结束语，将学生的注意力紧紧的吸引到课堂的学习内容中。
4 有效地激发学生的学习兴趣
“兴趣是最好的教师”。如何在教学过程中激发学生的学习兴趣，是每位教师都应该积极研究和探讨的问题，教师在教学中应把理论知识讲得深入浅出，有声有色，接近学生的身心发展水平，使学生产生“心欲求而不得”、“口欲言而不能”的心理状态，具有较强的启发性和趣味性，才能诱发学生探索思维的积极性。例如：讲授微生物感染引起的免疫复合发病时，向学生介绍化脓性链球菌感染后2-3周后可以发肾小球肾炎。其机制主要与链球菌的M蛋白和相应抗体形成复合物有关。疟原虫感染后引起的肾炎、关节炎均与免疫复合物的形成的有直接关系。这时，学生很容易被这些奇妙的现象所吸引，产生强烈的好奇心。以此增强了学生的求知欲望，就会收到很好的效果。激发学生内在的学习动力，更在于学生积极、主动的参与到课堂教学活动中。如将某些课程内容分解难度为若干个小问题，编组在黑板上，请同学们自选其一，到黑板前讲解演示，教师加以补充、引申，经过师生平等的探讨、交流，不但极大地激发了学生潜在的创造力，而且对学生的判断力、学生的自信心、自学能力、语言的表达能力的培养具有积极作用。多种形式的启发教学，可以培养学生自觉地、积极地要求学习的心理状态，使他们通过积极思考、掌握知识技能，培养分析问题、解决问题的能力。
5 善用对比讲解法，强化记忆
微生物学中的许多内容，如果按照教材的编排顺序讲解，显得平淡，繁杂，不好记忆。但是任何复杂的事物都存在一定的规律性，也就是相似事物之间的不同点和不同事物之间的共同点，在教学过程中，抓住这一规律性，采用对比方法讲解，效果好多了。心理学表明：兴趣是最好的老师。根据学生的特点，把传统教学、多媒体技术，列表对比等教学方法有机的结合起来，不仅提高了微生物学的教学质量，而且激发了学生的学习兴趣，使学生的综合素质大幅度提高，适应了现代医学教育的需要。
6 优化实验教学，建立开放性实验室
微生物学不仅理论性强，而且也是一门实践性很强的科学。通过实验，不但可以验证完善理论，而且可以培养学生的临床实践能力。近年来，我校对微生物实验教学从实验内容和实验方法等方面进行了改革和创新。首先，我们在编写教学大纲和教学计划时，增加了实验课的学时数，注意理论课与实验课在内容上的一致性，使二者有机结合。其次，学校建立一批完全由学生“当家作主”的开放性实验室。开放性实验室并不是简单的扩大开放对象，开放时间，而是改革实验室教学模式转向实验教学以学生为中心的新型实验教学管理模式。传统的微生物实验多为演示性和验证性实验，形成单一枯燥，学生的积极性不高。开放性实验室，让学生亲自参与菌种的还择、试剂的配制，实验准备等环节，让学生多实验、多动手、多操作。既激发了学生的好奇心和求知欲，而且给学生自身的创造性和能动性提高了广阔的空间，提高了学生的综合能力。
[关键词]生物医学；计算平台；管理模式；运行与维护
近几年，随着生物医学应用的飞速发展，大规模生物医学应用计算平台正从传统的以计算集群为基础的网格环境向高性能计算环境快速发展，以承载和支撑大规模生物与医学为中心任务，充分利用其并行运算和大数据处理的能力，为大数据提供高效的处理和分析机制。
一、生物医学计算平台的有效管理
（一）生物计算平台发挥的作用以及工作宗旨
其作为相对独立的辅助部门存在，为教学科研提供保障，最大限度地发挥资源的利用率，提供一流的生物医学计算和存储等服务工作。因此，计算平台是否能够按需求服务，科研和教学用户对平台服务是否满意，如何通过创建和创新服务而为生物医学研究创造更多的价值等一系列问题，依然是需要关注的重点问题。
（二）生物计算平台所面临的建设、运营等主要问题
一方面，各实验室和院所的发展对生物计算平台的建设提出许多新的挑战，需要长远目光和快速响应，比如每年的项目申报。另一方面，因频繁变化的业务使计算平台日常管理遭遇很多突发状况，如临时停电、软硬件技术故障、突击检查等，要求提前做好充分的准备工作。
（三）生物计算平台服务管理的广度和深度
生物计算机平台对人、基础设施、信息资产、其他资产的管理，范围广，涉及到的面多，只有抓住信息这个要素以信息管理为重点，以流程为指标，建立标准服务级别，并进行模块化管理。
（四）定制的服务体系构架
1）服务级别管理：计算机平台的核心使命是为各类用户提供满意的存储及计算服务，因此立足于平台的实际，针对不同用户的特点，制定和实施相匹配的用户服务协议，是衡量平台工作的核心标准之一。
2）财务管理：计算机平台逐年累月积累下来的教学和科研经验，必须考虑投入和产出效益。因此，需要设计预算和计费管理、运维的管理、对外服务的管理等，费用约定应明确体现在服务协定上，这对改善计算平台的运维和服务质量，提升平台的使用平率都十分必要。
3）持续可用性管理：作为一个重点建设，任务繁重的计算平台，必须在人员、技术、资产等方面进行持续管理。并必须明确计算平台服务需求，这样平台的工作目标才是明确的，这样优化和基础构架才有实用性。
4）事故能力的管理：为避免用户违规、例外操作等造成的事故，计算机平台需要制定严格的服务质量标准，并在此基础上规范操作、记录操作事故现象、分析并给出报告，以达到与用户沟通、减少事故次数、提高服务质量的目的。计算平台需要通过合理的岗位设置，来实现各类服务，并通过对人员的培训，以及对资源的优化合理配置，来发挥计算平台投资的最大效能。
5）问题配置管理：为兑现服务协议，降低事故损失，有必要开展事前分析，找出潜在因素，减少服务成本和对用户的影响。而合理地配置是计算机平台软件协同、高效工作的基石，对系统的配置项需要定期确认，以确保变更管理和日志。
6）变更管理：科学试验的流程变更需要合理管理，因计算平台面向的用户众多，拥有的信息资源有限，而在实际过程中，用户的使用权限或端口会经常进行变更，所以用户出于自身需要对软硬件的变更也是变更管理工作的重点。为使IT技术信息透明化，应定期有关产品的配置项信息，而计算机平台通常使用可信第三方提供的软件产品。
二、生物医学计算平台的合理化运维
（一）生物医学计算平台下的用户维度
在传统模式下，业务系统与物理服务器明确对应，而采用计算平台后，是利用虚拟服务器进行服务的，其数量会动态增减。如要查看客户满意度、群集开机率、任务按时完成率以及平均等待时间，都可以在计算平台中操作实施。因计算平台面向的用户面广，所以用户维度是关键。在为各类用户提供满意的计算平台服务，并达到与客户之间的良好沟通，才能对计算平台的使用率以及良好的信誉有很大的提升。
（二）生物医学计算平台下科研项目与业绩的维度
随着生物医学计算平台的发展，国家极度重视生物医学，为该科学投入了大量的物力财力，鼓励科研人员的积极参与，将计算平台累积下来的宝贵科研资源进行研究、分析、整合。在预算成本的控制范围内，科研工作者研究开发科研项目的同时，又为国家科研项目开源节流、控制成本，这对改善对外服务管理、项目成本以及完善计算平台都起到了极大的促进作用，为国家在科研上的可持续发展打开了便利之门。
（三）生物医学计算平台下建立面向客户服务的虚拟化共享系统
计算机平台下，协助客户运维管理部门实现从成本中心向价值中心的转化，突出体现在计算平台下科技价值体系的贡献与重要性。国家在计算平台下虚拟化的管理与技术还相对比较薄弱，所以这就要求在提高运维管理效率、降低运维资源投入的前提下，改善和提高计算平台的运行模式，让用户在虚拟化的系统下，有权共享系统资源。虚拟化共享系统根据用户可能需要的服务将进行分类，生成相应的虚拟机模板。系统自动会在用户提出申请需要时，从存储系统取出虚拟机模板，根据模板生成相应的虚拟机，并自动对其他所需资源进行配置，自动测定资源余量，然后提交到一个有资源余量的物理机上运行，最后给提出申请的用户进行分配。
（四）生物医学计算平台下资源的优化使用
在医院数据中心，提供的服务和很多业务系统的运行时间段不同，多数业务系统在白天的访问量较大，晚上则相对较小。服务器在采购数据时，峰值是日常值的几倍甚至几十倍，这就导致大部分日常时间中服务器多数空闲，资源浪费严重。在计算机平台下，虚拟服务与自动化服务相结合，可以使系统资源得到最优化的使用，可设定各系统的服务时间段，在系统使用量较小的时候，减少该服务使用数据量、释放其占用资源，将这些资源转交给其他服务和系统。也可关闭不提供服务的服务器，以节省电力。
三、结语
为了有效提高管理与运维效果，在生物医学计算平台的管理实践中，我们对其中的部分进行了因地制宜的修改、增减和实施，并在平台内部进行了相对严格的标准化和文档化记录。而生物医学计算平台的管理与运维对促进我国的生物医学技术，以及对现代化的可持续发展都有着积极的促进作用。
[参考文献]
[1]赵伯诚,朱元元,马锡坤."医云工程"实践与效果分析[J].中国数字医学,2013.
[2]金岳辉,吴祯.虚拟化环境下IT运维自动化管理探究[J].中国金融电脑,2013.
【关键词】 实验室生物安全 学生 防护策略
Biosafety and their protective strategies for students in medical laboratories
WANG Ke， PAN Jin，ZHAO Dong，et al.Laboratory of biological pathogens and immunology， Capital University of Medical Sciences， Beijing 100069，China
【Abstract】 Medical institutions' laboratory safety is different from other institutions in the laboratory. According to its professional characteristics should be based on security， the so-called laboratory biosafety (LBS) refers to pathogenic microorganisms that engaged in activities of the laboratory experiment in the pathogenic microbes to avoid staff and associated personnel hazards. With the national security of the importance of biological laboratories， it is necessary for medical students to learn laboratory biosafety knowledge and skills training against the existence of problems protection strategies.
【Key words】 Laboratory biosafety; student; protection strategy
实验室生物安全的概念起源于20世纪50～60年代，由于种种原因，我国对生物安全的研究和认识明显落后于西方国家，直到2002年，卫生部颁布了微生物和生物医学实验室生物安全通用准则，该准则对生物医学实验室内的生物安全作了详细的规定，可惜当时并未引起足够重视；2003年传染性非典型肺炎的流行，使得国家相关部门把对实验室生物安全的关注提到一个新的高度，有关法律法规相继面世［1，2］ 。随着国家经济和社会的飞速发展，医疗卫生与健康问题逐渐成为社会的关注焦点。为此国家加大了对医学教育的重视和投入，随之而来的就是大量先进仪器的进入和现代化实验室的建设，实验室利用率的加大，使大量的不同层次的学生走进了医学实验室，人员流动性增大，给医学实验室的生物安全管理带来了很大难度。在实验过程中发生的差错，轻的会造成实验材料的浪费，结果的错误，重的会导致感染，传播病原微生物，甚至造成人员的死亡。因此学生进入医学实验室应把生物安全放在第一位。首先要进行生物安全知识的教育，使学生在具有自我保护的意识下，克服不良习惯，养成良好习惯，结果受益终生。结合医学实验室的特点，将实验室及学生有序的管理好是非常必要的，通过多年的实验室工作和不断地思考总结归纳以下实验室容易出现的问题和针对问题解决的策略仅供参考。
1 医学实验室生物安全存在的问题
主要存在于与病原生物学相关的专业所使用的实验室。
1.1 学生上课做实验直接接触病原微生物，存在着因防护不严而病原微生物失控 不仅感染实验室人员，甚至还可能传播到社会，引起传染病的流行。
1.2 与实验无关的东西随意带进实验室 甚至有时将食物、饮料、衣物等摆放在实验台上与实验材料同放。
1.3 进实验室前的个人防护问题 许多学生很随意的穿着自己的衣服进入实验室，还有的学生穿者凉鞋、拖鞋，更有甚者为肩佩长发一边做实验一边用摸完实验用品的手不断的弄头发。
1.4 上实验课准备不足 有的同学上实验课慌慌张张的现找实验室，头脑空空，上什么内容也不知道，上课铃声响完还不断地有人进入，内容听不全，实验中就来回走找实验材料问实验方法等，实验室显得十分混乱。
1.5 使用酒精灯不注意安全 在病原微生物接种时酒精灯是最常用的，它的安全问题往往被忽略，有的同学因某种原因离开自己座位时依然点着酒精灯，酒精灯发生意外致人损伤的事件在学生实验室曾经是有过先例的。
1.6 实验后不洗手、隔离衣乱放 做完实验离开实验室前有的同学忘记洗手，赶上午饭前直接去饭厅，是十分危险的。再有下课后有的同学不将白大衣反折单放，而是直接塞入书包与其他物品同放。
1.7 实验物品的分类使用和存放混乱 值日生同学不懂实验后的用品如何分类，经常将污染的与没污染的用品混放，造成污染的范围扩大，更有甚者为乱倒实验垃圾，不知道实验垃圾应该如何分类等。
2 医学实验室生物安全管理的重点应放在硬件建设、制度建设和安全的教育上
高等院校实验室的安全事故时有发生，因此现在大家对实验室的安全问题十分重视，基本实行“以人为本”、“预防为主”、谁主管，谁负责的原则，将安全责任落实到每个实验室和个人，逐级签定安全责任书，开展各级培训班。把各项规章制度挂在墙上。这些都是最基本、最起码的安全管理，但未必就能防止安全事故的发生，一旦发生事故，一切原则、责任都于事无补，因此还需要在以下3个方面对安全管理加以支撑和保证。
2．1 硬件建设，确保实验室的安全 所有实验室门口都应贴有明显的标识牌（例如某某实验室，生物安全几级以及逃生门等必要的内容），实验室内外要有足够量和有效的消防器材，以备火灾时使用。紧急喷淋和洗眼器，以备有害液体不慎飞溅到眼睛或皮肤上时冲淋以减轻伤害。实验室应设置紧急救助药箱，备好基本救助材料，以供紧急需要时使用。
对于利用病原微生物开展教学的医学实验室，必须根据所开展工作的性质、接触的病原微生物的危害和因之所需要的生物安全等级（目前分为4级），使实验室的建筑结构和设施、安全设备、安全操作规程达到相应的要求，否则该实验室不能使用。
2．2 严格安全制度，消除安全隐患 防患于未然才能从根本上保证实验室的安全，预防措施必须以制度的形式稳固下来。
2.2.1 定期检查制度 对于实验室的安全条件和设施要做到胸中有数，定期检查，及时发现和杜绝安全隐患问题 。一旦发现重大安全隐患问题的实验室，必须立即停止使用，疏散人员，限期整改，确保人身安全。
2.2.2 加强教育严格准入制度 对进微生物实验室做实验的学生，首先要进行系统的生物安全教育以及防护方法教育，使他们通过教育具有安全意识，做事有条理，遇事不慌，处理得当。与实验无关的人员不得随意进入实验室。
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2.2.3 定期演练制度 通过组织相关人员对突发事故的模拟演练，来检查人员的安全意识，正确处置和快速反应能力。可定期进行演练，在演练过程中不断发现问题，达到不断提高的目的。
2.2.4 危险品保管制度 对易燃、易爆、剧毒、致病性病原微生物等危险品，要设专室专柜储存，双人双锁妥善保管。实验人员领用时必须经负责人签署意见，并作好详细领用记录。
2.2.5 不断进行安全教育 开展定期的、经常的安全教育，不断创造重视安全的氛围，是提高实验人员安全意识、养成良好安全习惯，从而防止安全事故发生的有效途径。安全教育内容包括：学习涉及实验室生物安全通用的要求、病原微生物安全防护、医疗废物及危险品管理等国家和学校的有关法规、制度，学习掌握各种标准化、规范化的实验操作，熟悉实验室环境和安全措施，学习正确使用消防器材，掌握基本的急救知识和逃生技巧等。
3 学生重在树立安全意识，养成良好的安全习惯，加强自我保护和防护策略
对于初进医学实验室的学生，为确保实验室和自身安全，必须要高度重视和认真对待实验室安全问题，认真学习和掌握实验室安全教育的内容。树立安全意识，养成良好的安全习惯，加强自我保护和防护策略，对于新开的实验课一定要在课前找好实验室的准确位置，了解其实验特点，要做那些实验内容，千万不要脑子空空，现上课现找实验室，匆忙进入实验室，投入实验，完全依赖带教老师，这样做的结果不但浪费时间和资源，重要的是加大了不可控制因素带来的危害。
3.1 做好个人防护，不存侥幸心理 进医学实验室前一定要穿好白大衣，实验课前一定要认真预习实验内容，接触有毒有害物品前，必须做好个人防护，不要抱侥幸心理，以为不会出事。课上严格按照带教老师所提的要求去做，对不懂的问题或操作，一定要问带课教师，不可自作主张，莽撞惹祸。一旦出现问题不要私自处理，要立刻报告给老师，在老师的指导下进行处理。
3.2 做实验要严肃认真，集中注意力 不要闲聊和大声喧哗，以免影响实验进度和实验室整体氛围，使人麻痹大意，引发事故，造成不必要的伤害。
3.3 不要将与实验无关的物品随意带入实验室，更不要放在实验台上 实验台在实验的整个过程中都应保持清洁有序，对于病原微生物专业常用的酒精灯一定要更加注意它的安全性。
3.4 用电设备的使用，要谨慎仪器要在带课教师的指导下正确使用 不要用带水的手进行操作，用后需切断电源的一定要切断电源，不需切断电源的千万不要切断电源。例如微生物实验室所用的温箱、冰箱课后不要随意断电。以免造成结果无法观察的后果。
3.5 实验完毕后不要随意处理实验所用物品 要在带教老师的指导下，分门别类的将其放好送到应该送的地方，洗手或用消毒液浸泡手后，将白大衣反折单放后再离开实验室等。
4 结束语
医学实验室的特点，仪器设备多、空间狭窄、实验复杂，涉及的危险因素多。学生进入实验室，如果对安全重视不足，教育不够，养成坏习惯，不仅会成为事故的制造者，造成人身伤害，还可能恶习难改，影响自己长远的职业生涯和将来工作的实验室的安全［3～6］。
学生是医学实验室安全教育的重点，通过认真全面的安全教育，使他们树立安全意识，养成良好的实验室习惯，尽快实习实验室环境，尽快掌握各种规范化实验操作。作好他们的生物安全知识培训，不仅保证其学习期间的安全，还有以下深远意义：受过正规生物安全知识培训并且熟练掌握其知识。有些学生毕业后将继续从事科研工作，或有机会参与实验室设计和建设，可使他们从容应对工作中面对的问题。还有些学生毕业后可能从事教学工作，把所学到和掌握的生物安全知识传授给学生，这样我国的医学实验室生物安全工作将会进入一个良性循环的时代：随着改革开放国际交流的日益增多，有些毕业生走出国门学习深造、或参加各种合作的研究项目，受过正规生物安全知识培训并且熟练掌握其知识，可以在国际交流中体现我国医学生的基本素质；熟练掌握其知识，受益终生。
【参考文献】
1 卫生部.WS233-2002微生物和生物医学实验室生物安全通用准则.北京：中国标准出版社，2002.
2 祁国明.病原微生物实验室生物安全(第二版).北京：人民卫生出版社，2006，1-67.
3 蒋建利.对生物医学研究生开设生物医学实验安全课程的必要探讨.山西医科大学学报，2004，6(1):69-71.
4 周乙华.实验室感染与生物安全.中华预防医学杂志，2005，39(3)：215.
