生物技术与生物医学工程
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生物技术与生物医学工程范文第1篇
On Graduates' Gardening Plant Genetic Engineering
Principles and Techniques Teaching and Reform
CHEN Changming
（College of Horticulture， South China Agricultural University， Guangzhou， Guangdong 510642）
Abstract Plant Genetic Engineering Principles and Techniques is a plant related graduate of an important basic course， the article reviewed the current postgraduate course in practice teaching reform， analyzes the existing problems. According to the characteristics and horticulture graduate personnel training requirements of plant genetic engineering， it is proposed to improve the quality of teaching practice teaching methods and measures to improve the practical teaching system to improve the ability of students to acquire knowledge and innovation.
Key words graduates; Plant Genetic Engineering; teaching reform
0 引言
基因工程是二十世纪八十年代在分子生物学和分子遗传学的基础上发展起来的一门新兴学科。它的主要研究内容是体外将核酸分子插入质粒或其他载体分子，构成新的遗传物质组合，并将其转化到原先没有这类遗传因子的寄主细胞内，且能持续稳定地表达和遗传。因此，应用基因工程技术，人们可以按照自己的主观愿望，创造出自然界原本不存在的新生物类型。科研人员正是利用这一特征，已在提高农作物产量，改善品质，增强抗逆性和抗病虫害的能力等方面取得令人瞩目的成就。园艺作物主要包含果树、蔬菜、观赏植物三大类经济作物，基因工程在园艺作物品种改良，关键基因的发掘，种质鉴定等方面有着重要的作用，如今很多农业院校园艺系相继开设了研究生的园艺植物基因工程原理与技术课程。
1 研究生基因工程原理与技术课程教学与实践改革现状
为了适应现代生物技术的飞速发展和达到培养高素质科研人才的要求，基因工程原理与技术课程已被设置为包括生物技术、生命科学、生物工程在内的生物相关专业、医学专业及农林专业本科生和研究生的必修课。由于基因工程技术在生物科学研究中的地位举足轻重，在众多综合院校和农业院校都开设了基因工程类课程，对基因工程类课程改革做了许多研究工作。阮小蕾等探讨了本课程在传统的理论和实验教学中存在的不足，结合笔者的教学经验，在教材建设、教学内容的改革与建设、实验配套的硬件与软件建设、实验教学安排等方面进行了探索，总结出了一套行之有效的理论和实验教学方法。姜大刚等对研究生基因工程实验教学改革进行了探讨。提出了以教学大纲为指导开展教学，做好课程规划;构建“和谐课堂”，重视教学效果;教学内容的与时俱进和不断充实完善;重视师资队伍建设，发挥骨干教师的模范作用;科研内容的渗入和应用等观点。马婧等针对园艺专业研究生的特点和人才培养要求，提出了根据课程性质，合理安排课程时间，针对专业特点，选择理论教学内容。并探讨了实验教学实践的方法，提出了采用小班教学，“高带低”的辅助教学模式。
2 园艺研究生植物基因工程原理与技术课程教学与实践存在的问题
园艺植物基因工程原理与技术是针对园艺专业低年级硕士、博士研究生的一门专业选修课程，包括基因工程原理讲授和实验技术操作两个部分。以笔者所在的华南农业大学园艺学院为例，该课程是针对园艺相关专业（包括果树学、蔬菜学、花卉学、园艺产品采后科学、茶学）低年级硕士和博士研究生开设的一门专业选修课程，该专业生源大部分为园艺专业本科毕业生，同时存在一些跨专业考研的与生物不相关专业的学生，他们在本科阶段没有学习过基因工程、分子生物学、植物生物技术等相关知识，相对来说，存在学生基础知识薄弱、专业背景复杂、研究方向多样等因素，这为园艺植物基因工程原理与技术课程在园艺专业研究生中的教学带来了一定的困难。除此之外，开设时间短，课时少，一些学校的实验条件有限等现实情况也成为了该课程开展的制约条件，另外由于很多同学以前没有做过分子生物学方面的实验，对基因工程实验的操作非常生疏，因此也必要对他们进行特别的指导与教学。针对以上问题，该课程应结合专业特色和教师个人科研工作，让研究生掌握一定的基因工程技术，为今后的研究和生产工作奠定基础，本文从课程的理论体系教学和实验设置等方面提出了课程改革的措施。
3 研究生园艺植物基因工程原理与技术课程教学改革措施
3.1 设计合理的园艺专业研究生植物基因工程原理与技术理论教学内容
园艺植物基因工程原理与技术虽然以实验操作为主，但离不开基本原理知识的讲述，传统的基因工程理论知识体系庞大而复杂，在有限的课时里（设计为30个学时），讲授者很难将所有相关知识一并传授给学生。因此挑选合适的讲授内容就显得尤为重要了。园艺专业研究生的研究对象主要为果树、蔬菜和花卉，运用植物基因工程技术的主要目的是对植物某一性状进行改良。所以在课程内容选择上应该以植物基因工程所要解决的主要问题为导向，带着问题和目标选择授课内容。讲授侧重于植物基因工程的相关内容，重点讲解核酸提取，目的基因的克隆，植物表达载体的构建，重组子筛选，农杆菌介导的转基因方法等内容。通过这些内容的教授，学生就可以掌握在植物基因工程研究中所需要的基本理论知识，为将来从事相关的科学研究打下基础。随着现代基因工程技术的快速发展，基因工程的技术更新很快，除了基本的基因工程原理知识，也需要及时获得最新的用于植物基因工程，尤其是适用于园艺类植物基因工程的新方法和新技术，并整合到教学内容中，如最近出现的可用于园艺植物基因沉默的新技术TALEN和CRISPR/Cas系统等，与时俱进地更新教学内容，将新知识、新理论、新方法传授给学生。
3.2 合理安排实验内容
研究生教育应以科研为目标，园艺植物基因工程原理与技术课程的学习就是为研究生将来进行植物基因工程相关的科研活动打基础的，我们的课程教学与设计也要以园艺植物研究为导向，巧妙进行实验设计，合理安排实验内容。植物基因工程相关的实验方法和技术非常多，应选择适合园艺专业研究生的实验内容。选择内容的标准主要有三个方面：第一，实用性原则，现在我们园艺学院科研项目所需的基因工程操作主要有基因克隆、载体构建、表达分析、基因遗传转化等，所以我们着重从这些方面入手，设计实验，让学生对将要从事的基因工程方面的实验有一个整体的认识;第二，创新性原则，基因工程技术发展了这么多年，出现了很多新的技术，然而在我们的实验教学过程中，一直沿用最基本的实验操作模式，因此在现有实验的基础上加上一些近年来新发展的技术可培养研究生科研上与时俱进的思维，如我们可在实验的内容加上生物信息学的内容，或者学生采用电子克隆技术得到的基因序列，设计扩增引物，用PCR的方法扩增，并送往公司测序，然后分析序列，以培养学生独立思考与探索的意识，而且现在用的实验指导书，实验技巧与知识已经陈旧，有必要增加新的基因工程操作技术到本课程的实验指导书中;第三，合理性和可操作性原则，园艺研究生有别于其他生物专业的研究生，他们的生物技术，生物化学以及分子生物学方面相关知识比较薄弱，所以在实验过程中的实验内容及时间安排应循序渐进，合理有序，首先从学生们易于接受的DNA提取、PCR以及凝胶电泳入手，再进一步到载体构建及基因表达，实验操作过程中分组进行，每组4～5人，每一组由一个实验经验丰富的高年级研究生任指导组长。
3.3 理论联系实际，开展科研训练，探索原理讲授与实验技术操作最佳结合方式
园艺植物基因工程原理与技术不但注重理论知识的讲授和掌握，相关实验技术更是本门课程的精髓所在，本门课程的最终产出还是看学生是否能够完成基因工程相应的实验操作，并将实验手段和方法用于生产实践。然而基因工程的基本原理是理解实验技术的基础，是解释实验技术和开发新的实验技术的必要支撑。如何将实验原理的讲授与实验操作的实施有序有效结合是开好该门课程的关键，可从以下四个方面考虑：第一，理论课与实验课时间顺序的安排，例如是先讲理论还是先做实验，是穿行，还是依次完成;第二，理论课与实验操作课的衔接性探索;第三，理论课与实验课讲授内容的分配，如在实验课中，相关实验注意事项及实验技巧需要强调，除此之外还会涉及一些实验原理，因此要探索实验课中应该重点讲授哪方面的实验原理;第四，在实验过程中让学生对实验结果逐步运用相关理论进行分析并制定下一步实验计划，让学生主动地参与到实验的设计与实施中，在实验中将各章节知识相融合，理论与实践相贯通。
生物技术与生物医学工程范文第2篇
关键词：生物医学工程；计算方法；教学改革
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）22-0119-02
一、引言
《计算方法》综合了计算数学和计算机科学相关知识，具体研究利用计算机解决数学问题的相关理论和相关方法。该课程作为我校生物医学工程专业本科学生的课程，目前仅有理论教学环节，教学效果有待提高。本文结合生物医学工程专业特点，基于我院在医学影像成像方法的研究成果，借助我校信息学科与计算机学科的优势，对《计算方法》课程教学改革进行探讨。将《计算方法》课程的理论知识应用于医学成像中，包括CT成像、近红外光学成像和光致超声成像等，以期摸索出适合生物医学工程专业学生的《计算方法》实验教学体系，培养知识与能力并重、理论与实践兼顾的创新型生物医学人才。
二、计算方法课程特点及教学存在的问题
随着科学技术特别时计算机科学与技术的高速发展，科学计算已成为继理论分析、实验研究之后的第三种科学研究手段。计算方法研究利用计算机解决科学问题的相关理论和方法，是科学计算的核心。作为数学理论与工程应用之间的一个纽带，计算方法在很多学科领域发挥着重要作用，很多高校已将该课程作为学生的必修或选修基础课程。
计算方法紧密结合数学理论和计算机科学，是数学的一个重要分支，也是理工科学生一门重要的基础课程。计算方法研究利用计算机解决数学问题的相关理论和方法，强调计算机技术的实际应用和数学算法的工程实现，对学生的动手能力有较高的要求。由于与工程实践密切结合，该课程的教学必须理论与应用并重。
《计算方法》课程具有以下特点：（1）计算方法课程不仅涉及高等数学中学过的相关理论内容，而且注重运用这些理论去解决问题，而不是理论本身。它有助于加深学生对数学理论的理解和认识。（2）计算方法课程公式较多而且难记。（3）强调对计算机的使用，尤其是在计算机上借助一定的软件平台实现相关算法。
生物医学工程是一门兴起于20世纪60年代的交叉学科，涉及化学、数学、物理、药学、生物t学、电子技术、工程技术、材料、计算机技术和信息技术等众多学科及领域。该学科综合了工程学、生物学和医学的理论和方法，具有综合性强、知识结构交叉跨度大、发展速度快等特点。从事该专业的本科生不仅需要电子技术、生命科学、电子与信息科学相关的基础理论知识；而且还需具备生物医学与工程技术相结合的科学研究能力。由于生物医学工程学科知识结构的交叉性和综合性，对高校培养的该专业人才需要更高、更全面的能力素质要求。
我校生命科学技术学院将《计算方法》课程作为大三生物医学工程与生物技术专业学生的选修课，经过几年的教学，存在的主要问题如下：
1.《计算方法》课程教学内容照本宣科，与生物医学工程专业基本无联系。目前，课程教学内容与生物医学工程专业以及生命科学技术学院研究方向基本上没有联系，结合不够紧密，没有将生物医学工程专业领域涉及的科学计算学生所学专业领域科学计算问题融入教学计划和教学内容。
2.《计算方法》重点在于理论教学，对数值实验能力的强调不够。以往的教学环节中，选用的教材在内容安排上没有对数值计算过程中实验过程的描述。老师在授课过程中，忽略了学生数值实验能力的培养。实际上，这门课程不仅具有完整的理论体系，更是一门实践性很强的课程，数值实验在该课程中必不可少。
三、教学改革具体措施
针对上述问题，本文从教学内容、教学模式和考核方法等方面进行研究，结合生物医学工程专业特点，基于生命科学技术学院科研平台，加强数值实验，摸索适合生物医学工程专业学生的《计算方法》实验教学体系，培养知识与能力并重、理论与实践兼顾的创新型生物医学人才。
1.扩展《计算方法》教学内容。我校《计算方法》课程选用西北工业大学出版社出版的教材《计算方法》，教材内容包括计算误差、基于二分法和迭代法的方程近似求解、直接法和多种迭代法求解线性方程组、特征值和特征向量的计算、最小二乘法求解方程组、曲线拟合、曲线插值、以及数值积分与数值微分等，课程内容大部分涉及的都是数学理论，以及各种方法的详细推导，教材上的例子主要是简单的数学问题，与实际应用联系较小，与生物医学工程专业更是没有联系。我们在教学过程中，结合我院科研以及生物医学工程专业特点，在理论讲解与公式推导的同时，融合医学成像具体实例，让学生了解如何在本专业领域运用该课程相关知识。
2.开设《计算方法》实验教学。为提高学生动手能力，我们在经典计算方法课程内容基础上，结合生命学院科研项目，加入与生物医学工程专业相关的应用实例，例如CT图像重建，计算方法课程中的迭代法和最小二乘法均可用于CT图像重建，基于学院CT硬件系统采集的数据，结合合适的成像模型，学生上机编程完成CT图像重建。通过该实例学生不仅了解了CT成像原理，更掌握计算方法在CT成像中的应用。再例如辐射传输方程的求解问题，该问题在生物医学成像中普遍存在。辐射传输方程属于复杂的偏微分方程，在光学成像前向建模中，需要求解该方程，而计算方法课程中有一章的内容讲解偏微分方程的数值求解方法，学生可以开展基于数值方法的辐射传输方程求解。同时，我们加大编程仿真，特别要指导学生应用所学知识进行生物医学工程应用实践。
3.完善《计算方法》教学模式。《计算方法》课程的目的是让学生利用计算机，结合一定的软件工具，解决实际问题。考虑到课程特点，以及学生前期已经学习Matlab语言，我们使用Matlab软件作为计算方法的编程工具。我们在当前计算方法课程的课堂教学安排中，除了理论教学，还增加仿真实验。教师在课堂讲解时，进行详细演示，同时要求学生课后进行编程与上机。课后作业采用计算机编程完成，学生提交报告，给出程序代码以及运行结果。使学生通过仿真实验掌握计算方法中的理论知识，同时学会编程运用计算方法相关内容解决实际问题，提高动手能力。
4.改进《计算方法》考核方式。传统《计算方法》课程考核采用笔试形式，主要考查的是学生对基本知识点的掌握情况。本文改革中，我们兼顾知识与能力的评价标准考核学生学习效果。评价标准主要包括：计算方法基本理论知识、基于Matlab工具的编程仿真实现计算方法相关算法、生物医学工程实际问题解决能力。对于计算方法基本理论知识的考核，采用笔试闭卷形式；对基于Matlab工具的编程仿真实现计算方法相关算法，考核学生在计算机上利用Matlab语言编程实现误差分析、二分法和迭代法求解方程组、数据插值、数据拟合、数值积分与微分等；对于生物医学工程实际问题解决能力的考察，给出两到三个生物医学应用问题，要求学生根据现有数学模型，基于测量数据问题求解，并给出误差分析结果。总之，采用形式多样的考核方式，对学生的综合能力进行测评。
四、结语
本论文对计算方法课程改革进行了探讨，构建教学研用有机结合的计算方法教学体系。通过基础知识传授、计算机仿真实验、医学断层成像具体问题实践，建立包括基础理论――验证实验――应用实践三个层次的相互衔接的计算方法学教学体系；同时，生物医学工程专业背景下的算方法教学，融合了包括分子数学、生物、计算机与信息等多学科知识，对学生的理论、实践与应用能力协同训练与提升，为多学科交叉复合型创新人才的培养奠定基础。
参考文献：
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[2]聂德明，李文军.关于计算方法课程教学改革的思考[J].黑龙江教育，2013，（10）：59-60.
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Teaching Reform of "Computational Methods" for Biomedical Engineering Students
CHEN Duo-fang
（School of Life Science and Technology，Xidian University，Xi'an，Shaanxi 710071，China）
生物技术与生物医学工程范文第3篇
生物医学工程学科是运用现代自然科学和工程技术原理与方法,从工程学的角度研究生物体(特别是人体)的结构、功能及其相互关系,揭示生命现象、探索生命本质,研究和开发用于防病治病、人体功能辅助及卫生保健的人工材料、制品、装置、系统和工程技术的一门综合性学科[1],是理工类学科与生物医学学科深度交叉、高度融合的边缘性学科,所涵盖的领域十分广泛,具有“覆盖广、交叉深、发展快、变化多”等其他学科不具有的特点。根据研究侧重点,生物医学工程学科可分为信息技术型、材料技术型、生物技术型、生物医学研究型、医疗器械产业型、临床生物医学工程、军事生物医学工程等7类[2]。当前讨论和研究的热点领域主要有:生物医学材料、生物力学、医疗信息技术、生物芯片与传感技术、组织工程及再生医学、介入医学工程、医疗器械等7个方面[3]。
二、医科院校生物医学工程学科专业教育现状分析
高等医科院校生物医学工程学科和临床医学结合紧密,医学大背景很深厚,具备丰富的医学类学科教学资源和优越的临床设备实践条件等优势,但同时因学科体系不完善、教学师资力量比较薄弱、专业实验室建设投资大等影响因素,一定程度上制约了生物医学工程学科专业的高效快速发展。
1.理工学科体系不完善。生物医学工程专业学科涵盖面非常广,广到什么程度呢?可以用四个字形容———“包罗万象”,如果用“学科频谱”来描述学科涵盖面宽度,生物医学工程无疑是88个一级学科中“频谱宽度”最宽的学科。目前大多数开设生物工程学的高等医科院校,物理、数学、化学等基础学科相比理工科院校比较薄弱,而且缺乏材料、自动化等重要工程学科的有力支撑,这些支撑学科的缺少会导致相应课程设置不完善以及综合性实践训练平台缺乏,学生无法系统地学习工程类课程,得不到系统扎实的工程技术训练,影响人才培养目标的整体实现。
2.复合型师资比较缺乏。要实现培养医工结合与交叉的复合型高级工程技术人才目标,首先需建设一支医工结合与交叉的复合型师资队伍方阵。在高等医科院校,生物医学工程专业师资队伍中具有理工科教育背景和医学教育背景的教师比较多,而既懂医学又懂工程技术,能将工程技术与医学需求紧密结合起来的复合型、交叉型、融合型师资比较缺乏,教师队伍知识结构普遍不够合理,与各相关学科交叉融合能力弱,这些现状一定程度上影响了课程体系构建以及教学质量和人才培养质量。
3.创新能力培养不扎实。生物医学工程专业85%以上的基础课和专业(基础)课程都要开展实践教学,必须建设相应的实践教学平台,这些实验室建设要求高、仪器设备多、投入大,部分院校在生物医学工程专业课程实验条件建设经费投入不足,单独开设的实验课程比较少,实践教学体系不够完善;课程标准中演示性、验证性等基础性实验设置比较多,而综合性、设计性实验设置比较少[4];缺乏“大学生电子设计创新基地”等综合性实训实验硬件软件平台和组织管理经验;学生规模小,缺少其他理工科学科支撑,组队参加全国大学生电子设计竞赛、全国大学生挑战杯设计竞赛等活动较为困难。
4.学生专业思想不牢固。生物医学工程学作为一门新兴的边缘学科,覆盖面广,涉及领域跨度大,专业知识体系复杂,专业课程内容在各学科之间交叉频繁,本科学生对本专业缺乏深入的了解、足够的信心和学习热情;相对材料、自动化、机械、通信以及临床、医学影像等专业,生物医学工程专业学生所学知识普遍存在“宽而不精”,“广而不细”等问题,就业时相对处于劣势;部分学生由于学习任务重、压力大,导致学习积极性、主动性不高,专业思想不够牢固,甚至影响到专业整体的学习风气。
三、对策初探
高等医科院校要盯准医工结合的复合型高级工程技术人才培养目标,突出学科交叉综合培养、工程技术意识培养、创新能力素质培养,深化教学改革,加大教学投入,改善教学环境,加强队伍建设,充分发挥医学院校资源优势,积极探索具有医科院校特色的生物医学工程专业教育培养模式,构建科学合理的课程体系和实践教学体系,不断提升生物医学工程人才培养质量。
1.坚持走“先研究生后本科生”的教育培养模式。“覆盖广、交叉深、发展快、变化多”等特点决定了生物医学工程学科专业的开设和建设,对教学基本建设、课程体系构建、师资队伍力量、实践教学平台等方面要求比较高,必须具备一定水平的软硬件条件。医科院校在开设建设之初,往往存在培养方向不明确、课程体系不科学、平台条件不完善、师资力量不足等困难和问题,因此,对于计划开设生物医学工程专业的高等医科院校来说,要坚持走“先研究生培养后本科生培养”的教育培养模式,通过5-10年时间的研究生培养和学科建设,加强教学基本建设,积累教学经验,规范教学管理,建设一支高素质师资队伍和一批高水平的实验教学平台,构建完善的课程培养体系和实践教学体系,为本科生培养创造良好的学习条件和学习环境。
生物技术与生物医学工程范文第4篇
E120 南京信息工程大学学报
G058 南京医科大学学报自然科学版
R008 南京邮电大学学报自然科学版
G059 南京中医药大学学报自然科学版
A008 南开大学学报自然科学版
W590 南水北调与水利科技
G288 脑与神经疾病杂志
G662 内科急危重症杂志
G523 内科理论与实践
E104 内陆地震
A026 内蒙古大学学报自然科学版
A111 内蒙古师范大学学报自然科学汉文版
G513 内蒙古医科大学学报
P004 内燃机学报
W002 泥沙研究
U504 酿酒科技
A110 宁夏大学学报自然科学版
G665 宁夏医科大学学报
H071 农产品质量与安全
* H105 农学学报
T034 农药
T924 农药科学与管理
H404 农药学学报
H279 农业工程学报
Z008 农业环境科学学报
H773 农业环境与发展
H278 农业机械学报
H286 农业生物技术学报
H222 农业现代化研究
V032 暖通空调
H219 排灌机械工程学报
U602 皮革科学与工程
U604 皮革与化工
G759 齐鲁医学杂志
N041 起重运输机械
E021 气候变化研究进展
E361 气候与环境研究
E352 气象
E566 气象科技
E359 气象科学
E001 气象学报
* E521 气象与环境科学
E633 气象与环境学报
X532 汽车安全与节能学报
X018 汽车工程
X013 汽车技术
P001 汽轮机技术
G595 器官移植
Y009 强度与环境
C007 强激光与粒子束
X021 桥梁建设
U018 青岛大学学报工程技术版
G061 青岛大学医学院学报
T012 青岛科技大学学报自然科学版
H267 青岛农业大学学报自然科学版
U535 轻工机械
J001 清华大学学报自然科学版
W020 情报学报
S106 全球科技经济瞭望
CODE 期刊名称
D002 燃料化学学报
P011 燃烧科学与技术
E563 热带地理
E642 热带海洋学报
H516 热带农业科学
E110 热带气象学报
H415 热带生物学报
G609 热带医学杂志
H223 热带作物学报
T105 热固性树脂
N071 热加工工艺
C134 热科学与技术
R501 热力发电
P006 热能动力工程
T013 人工晶体学报
N106 人类工效学
F041 人类学学报
G805 人民军医
T070 日用化学工业
H097 乳业科学与技术
S011 软件学报
N029 与密封
R086 三峡大学学报自然科学版
D012 色谱
H382 森林工程
E635 沙漠与绿洲气象
H070 山地农业生物学报
E101 山地学报
G742 山东大学耳鼻喉眼学报
J022 山东大学学报工学版
A020 山东大学学报理学版
G062 山东大学学报医学版
V012 山东建筑大学学报
A637 山东科学
H031 山东农业大学学报自然科学版
H804 山东农业科学
A057 山东师范大学学报自然科学版
G511 山东医药
G063 山东中医药大学学报
G574 山东中医杂志
A014 山西大学学报自然科学版
H393 山西农业大学学报自然科学版
H390 山西农业科学
G064 山西医科大学学报
* G923 山西医药杂志
R072 陕西电力
U025 陕西科技大学学报自然科学版
H217 陕西农业科学
A066 陕西师范大学学报自然科学版
G630 陕西医学杂志
G725 陕西中医
V088 上海城市规划
A056 上海大学学报自然科学版
U528 上海纺织科技
W023 上海管理科学
X038 上海海事大学学报
H292 上海海洋大学学报
G330 上海护理
X006 上海交通大学学报
H022 上海交通大学学报农业科学版
CODE 期刊名称
G066 上海交通大学学报医学版
M021 上海金属
G343 上海精神医学
G283 上海口腔医学
J031 上海理工大学学报
H282 上海农业学报
A043 上海师范大学学报自然科学版
G069 上海医学
G946 上海中医药大学学报
G389 上海中医药杂志
A515 深圳大学学报理工版
G329 神经疾病与精神卫生
G070 神经解剖学杂志
G319 神经损伤与功能重建
J052 沈阳工业大学学报
V011 沈阳建筑大学学报自然科学版
H024 沈阳农业大学学报
G071 沈阳药科大学学报
G202 肾脏病与透析肾移植杂志
F203 生理科学进展
F001 生理学报
F042 生命的化学
F215 生命科学
F046 生命科学研究
Z034 生态毒理学报
H784 生态环境学报
S784 生态经济
Z014 生态学报
Z028 生态学杂志
Z023 生态与农村环境学报
F049 生物多样性
F003 生物工程学报
G401 生物骨科材料与临床研究
F016 生物化学与生物物理进展
* F205 生物技术通报
F224 生物技术通讯
F204 生物加工过程
F012 生物物理学报
F213 生物学杂志
G006 生物医学工程学杂志
G332 生物医学工程研究
G603 生物医学工程与临床
G624 生殖医学杂志
G072 生殖与避孕
C033 声学技术
C054 声学学报
E302 湿地科学
E636 湿地科学与管理
A615 石河子大学学报自然科学版
T933 石化技术与应用
X042 石家庄铁道大学学报自然科学版
生物技术与生物医学工程范文第5篇
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。
