首頁 > 優(yōu)秀范文 > 納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用
時(shí)間：2024-01-01 15:37:00
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一、引言
納米材料主要是指結(jié)構(gòu)單元在納米尺寸范圍(1~100nm)內(nèi)的一類材料，由于表面原子具有很大的比表面積，其表面能極高，從而獲得較多的表面活性中心，化學(xué)性質(zhì)十分活潑，因此納米材料通常具有特異的性能。納米材料的發(fā)現(xiàn)始于20世紀(jì)80年代初期，隨后人們逐步發(fā)現(xiàn)其在光學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)和力學(xué)方面具有比普通材料更加優(yōu)越的特性，進(jìn)而得到了多個(gè)領(lǐng)域的關(guān)注并逐漸發(fā)展起來，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境、航空航天和石油鉆探等領(lǐng)域的研究。尤其是在生物醫(yī)學(xué)方面，基于納米技術(shù)的藥物和傳感器已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際的醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，而且能夠得到是理想的治療和診斷結(jié)果。通過從納米尺度進(jìn)行精確地制備納米材料，人們打開了更小的微觀世界，特別是生物體細(xì)胞層面上的化學(xué)反應(yīng)都發(fā)生在納米的度，納米材料的使用能有效地檢測或調(diào)控微觀的生理和病理過程。納米材料發(fā)展對醫(yī)學(xué)診斷和醫(yī)學(xué)治療具有重大意義，已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)和前沿，具有廣泛的應(yīng)用前景和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展空間[1]。
二、納米材料在醫(yī)學(xué)診斷中的應(yīng)用
2.1納米生物傳感器
納米生物傳感器是一種由納米材料制成的檢測裝置，主要根據(jù)將檢測到的信息按一定規(guī)律變換為電信號或以其他的形式輸出，使人們能定量定性地分析檢測物質(zhì)。生物傳感器的研發(fā)中人們使用納米材料，能夠提高生物傳感器的靈敏度以及檢測范圍。同時(shí)以納米材料制備的新型傳感器具有穩(wěn)定性好，成本低，生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)的臨床診斷方面得到了高度重視，特別是作為一項(xiàng)新興的前沿技術(shù)，納米生物傳感器的研發(fā)能夠進(jìn)行早期癌癥的診斷。納米傳感器可以利用高靈敏度的特點(diǎn)，在血液中可通過微小的電流變化反映出癌細(xì)胞的種類和濃度。這種對癌細(xì)胞進(jìn)行的精確分析，有望實(shí)現(xiàn)特殊疾病的無創(chuàng)、快速診斷，今后人們只需將納米材料注入人體內(nèi)，便能在短時(shí)間內(nèi)完成確診。
2.2納米生物成像技術(shù)
在臨床診斷中，通過對生物體內(nèi)的細(xì)胞或特定組織進(jìn)行直觀的圖像分析，能夠迅速高效且準(zhǔn)確地獲得生理和病理信息。隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，新型的納米材料被不斷制備出來，并且廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域。碳納米管具有良好的發(fā)光性能，而且毒性極低，具有良好的生物相容性，能夠制備成生物熒光探針用于癌細(xì)胞的成像[2]。氧化鐵磁性材料具有良好的超順磁性，能夠應(yīng)用于核磁共振成像的研究中，由于其能在生物體內(nèi)特異性的分布，該部位的腫瘤與正常組織的對比度能夠顯著提高。目前氧化鐵磁性材料可作為造影劑廣泛應(yīng)用于臨床的腫瘤及其他疾病的診斷[1]。另外，稀土離子摻雜的納米材料具有良好的光學(xué)性質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種顏色的可調(diào)發(fā)光，同時(shí)能夠避免生物體自身產(chǎn)生的熒光干擾，極大地提升光學(xué)成像效果。總之，在未來的生物成像領(lǐng)域，新型功能的納米材料將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。
三、納米材料在醫(yī)學(xué)治療中的應(yīng)用
3.1納米載藥技術(shù)
納米載藥是指首先制備納米級的載體，荷載藥物后輸入人體，最終在人體內(nèi)控制釋放的技術(shù)。作為一種新型的給藥技術(shù)，納米載藥是多學(xué)科包括藥理學(xué)、化學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)交叉研究發(fā)展的產(chǎn)物，其最大的優(yōu)點(diǎn)是具有靶向性和緩釋性。靶向性可以使給藥更加精確，不僅可以在增加生物體局部藥物濃度的，而且同時(shí)可以控制其他部位的藥物濃度，減少對其他組織部位的副作用。緩釋可在保證藥效的前提下減少藥量，同時(shí)減少用藥頻率，進(jìn)而減輕藥物引起的不良反應(yīng)。對于某些難溶性藥物，納米藥物載體可有效減小藥物粒徑，從而增加其溶解度和溶出度，提高藥物的溶解性提高治療效果。另外，納米載體提供了封閉包覆環(huán)境，藥物能在到達(dá)作用部位之前盡量保持自身結(jié)構(gòu)的完整性，維持較高的生物活性。目前，能夠作為藥物載體的納米材料有介孔二氧化硅、納米多孔硅和碳納米管等，盡管短時(shí)間內(nèi)對生物體無毒性，但其在生物體內(nèi)的降解情況不理想。為了提高藥物載體的降解特性，人們開始關(guān)注更易體內(nèi)分解的高分子納米材料，如聚合乳酸、乳酸-乙醇酸共聚物、聚丙烯酸酯類等，這些材料能在人體內(nèi)可水解，降解成無毒產(chǎn)物，是十分有發(fā)展前景的藥物載體。
3.2納米生物醫(yī)用材料和納米生物相容性器官
納米材料和生物組織在尺寸上存在著密切的聯(lián)系，如核酸指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成過程種形成的核糖核酸蛋白的尺寸就在15-20nm之間，影響人體健康的病毒尺寸也在納米的范圍之內(nèi)。納米材料和生物醫(yī)學(xué)的緊密結(jié)合，制備納米醫(yī)用復(fù)合材料及相容性器官，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)治療的研究中，如制備人造皮膚、血管以及組織工程支架等[3]。在人造骨中，納米鈦合金具有促進(jìn)骨細(xì)胞發(fā)育的功能，使骨細(xì)胞緊密貼壁生長，同時(shí)加速材料和組織的融合。同時(shí)，納米級的羥基磷灰石或聚酰胺復(fù)合骨充填材料可以有效填補(bǔ)骨缺損，具有良好的生物相容性，并且能夠促進(jìn)骨細(xì)胞生長。根據(jù)血液中的紅細(xì)胞具有運(yùn)載氧氣的功能，人們開發(fā)出納米級的人造紅細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)了比普通紅細(xì)胞更高的氧氣運(yùn)載能力。如果人體心臟因意外而停止跳動，可以立刻注入人工的納米紅細(xì)胞，提供更加充足的氧氣[4]。此外該技術(shù)在貧血癥和呼吸功能受損的治療中發(fā)揮著重要的作用。
四、納米材料的生物安全性問題
1前言
如今納米技術(shù)隨著時(shí)代的發(fā)展已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，成為了科學(xué)研究的熱點(diǎn)，納米金是指直徑0．8～250mm的締合金溶膠，它屬于納米金屬材料中研究最早的種類，納米金具有良好的納米表面效應(yīng)、量子效應(yīng)以及宏觀量子隧道效應(yīng)，它具有很多良好的化學(xué)特性，比如抗氧性和生物相容性。
2納米金在病原體檢測技術(shù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀
近些年來生物醫(yī)學(xué)界對于流行病學(xué)的研究和對病原微生物的診斷已有了不小的進(jìn)展，傳統(tǒng)的分離、培養(yǎng)及生化反應(yīng)逐漸被時(shí)代所淘汰，運(yùn)用納米金的免疫標(biāo)記技術(shù)作為新的高通量的、操作簡單的檢測技術(shù)被廣泛應(yīng)用于臨床病原體的檢測，這種檢測技術(shù)快速且準(zhǔn)確，十分適合在臨床上使用。1939年，兩位科學(xué)家Kausche和Ruska做了一個(gè)小小的納米金實(shí)驗(yàn)，他們將煙草花病毒吸附在金顆粒上，并在電子顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)金離子呈高電子密度，就此打下了納米金在免疫電鏡中的應(yīng)用基礎(chǔ)。從1939年后生物醫(yī)學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，納米金標(biāo)記技術(shù)也廣受世人關(guān)注，成為了現(xiàn)代社會四大免疫標(biāo)記技術(shù)之一。作為一種特殊標(biāo)記技術(shù)，納米金在免疫檢測領(lǐng)域受到了廣泛的應(yīng)用，使用納米金粒子做探針，觀察抗原抗體的特異性反應(yīng)，放大檢測信號，由此檢測抗原的靈敏性。納米金技術(shù)具有良好的檢測靈敏性，在早期還支持診斷并監(jiān)控了急性傳染性病毒，根據(jù)這一特性，秦紅設(shè)計(jì)了快速檢測黃熱病病毒的技術(shù)，在納米金顆粒上標(biāo)記上金SPA－復(fù)合物的標(biāo)志，通過免疫反應(yīng)實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)病毒抗體與納米金顆粒結(jié)合，并形成了人眼可見的紅線。這種檢測方法的優(yōu)點(diǎn)有:不需要器材、簡單、迅速、廉價(jià)、高效，極大地推動了黃熱病病毒檢測技術(shù)的更新，在黃熱病的防控事業(yè)上有著深遠(yuǎn)意義。利用納米金作為免疫標(biāo)記物來檢測的除了黃熱病病毒，還有致病寄生蟲。我國的民族種類多樣，一些少數(shù)民族人民由于自身的文化特點(diǎn)，喜食生食或半生食物，這就形成了寄生蟲病的傳播，我國經(jīng)濟(jì)大發(fā)展后，人民的生活水平得到了提高，但還是喜食半生動物肉或者內(nèi)臟，造成了食源性寄生蟲病發(fā)病率的上升，嚴(yán)重影響人民身體健康。目前我國的臨床診斷寄生蟲病技術(shù)包括三方面:病原學(xué)檢查、免疫學(xué)檢查以及影像學(xué)檢查。運(yùn)用納米金檢測技術(shù)，不僅縮短了取材時(shí)間、縮小了取材范圍，而且檢出率高、創(chuàng)傷性小，受到了患者的廣泛歡迎。
3納米金在核酸、蛋白質(zhì)檢測中的應(yīng)用現(xiàn)狀
納米金粒子具有特殊的表面等離子體共振現(xiàn)象，被應(yīng)用在核酸構(gòu)建和分析檢測蛋白質(zhì)領(lǐng)域中，可以把生物識別反映轉(zhuǎn)換為光學(xué)或電學(xué)信號，因此人們將其與DNA、RNA和氨基酸相結(jié)合，在檢測核酸和蛋白質(zhì)方面收效頗豐，并且這種檢測方法制備簡單，同時(shí)還具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如良好的抗氧化性和生物相容性，下面具體講一下納米金檢測技術(shù)在核酸和蛋白質(zhì)檢測中的應(yīng)用。首先是在核酸檢測中的應(yīng)用。美國首先利用納米金連接寡核苷酸制成探針檢測核酸，將納米金做標(biāo)記與靶核酸結(jié)合形成超分子結(jié)構(gòu)，由此來檢測核酸。利用納米金技術(shù)檢測特定病原體和遺傳疾病首先要做的就是檢測核酸的特定序列，在芯片點(diǎn)陣上整齊排列納米金顆粒，利用TaqDNA連接酶識別單堿基突變，等待連接后，就可以經(jīng)過一系列步驟得出單堿基突變結(jié)果，得到所需信息。在臨床應(yīng)用中使用納米金技術(shù)的表現(xiàn)有高靈敏檢測谷胱甘肽和半胱氨酸的新型電化學(xué)生物傳感器，這種機(jī)器對于谷胱甘肽和半胱氨酸的檢出限值更低，在檢測及預(yù)防糖尿病、艾滋病等疾病方面具有很大的臨床優(yōu)勢。其次是在蛋白質(zhì)檢測中的應(yīng)用。納米金與蛋白質(zhì)的作用方式非常多樣，有物理吸附方式、化學(xué)共價(jià)結(jié)合方式以及非共價(jià)特異性吸附等等方式，在此背景下，我們可以利用納米金檢測并治療疾病和檢測環(huán)境污染。
4納米金在生物傳感器制備中的應(yīng)用現(xiàn)狀
目前納米金在生物傳感器檢測中的應(yīng)用受到了人們的普遍關(guān)注，如上文所說，納米金具有特殊的表面等離子體共振現(xiàn)象，這是制備生物傳感器的基礎(chǔ)。利用這種特性，科學(xué)家們做了許多實(shí)驗(yàn)，比如拉曼光譜試驗(yàn)，使用Uv－Vis光譜和拉曼光譜儀測試金納米顆粒的表征，得出結(jié)論是可以根據(jù)納米金顆粒的不同形貌制作不同濃度分子的探針，受外周環(huán)境介電特性和顆粒尺寸大小的影響，納米金顆粒會表現(xiàn)出不同的形貌特征，比如吸收光譜、發(fā)生藍(lán)移。納米金是屬于一種非常微小的貴金屬，作為貴金屬，它具有很好的導(dǎo)電性能，利用納米金進(jìn)行免疫檢測時(shí)會大量聚集納米金，從而增強(qiáng)反應(yīng)體系的電導(dǎo)，順利通過電導(dǎo)檢測免疫反應(yīng)。利用納米金的高檢測靈敏性可以進(jìn)行電化學(xué)免疫傳感器的制備。
5其他領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀
目前納米技術(shù)的研究中，納米金在生物醫(yī)學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用研究是重要研究課題，除了上文中說到的病原體檢測、核酸以及蛋白質(zhì)檢測還有生物傳感器制備中的應(yīng)用，納米金技術(shù)同時(shí)也被廣泛應(yīng)用于腫瘤的診斷與治療、藥物載體以及CT成像。納米金具有特殊的組成結(jié)構(gòu)，它可以輕易被修飾并負(fù)載化合物，可以用于檢測并治療腫瘤，還可以被用于肺癌的檢測及治療，目前的大量數(shù)據(jù)都表明納米金技術(shù)在診斷并治療肺癌上有極大的優(yōu)勢。
6結(jié)語
21世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域最關(guān)鍵的技術(shù)之一就是納米金標(biāo)記技術(shù)，作為一種十分精細(xì)的技術(shù)，它幾乎不影響生物分子的活性，就這一點(diǎn)而言，它是非常好的標(biāo)記物。我們可以想見，納米金技術(shù)因其自身的諸多優(yōu)點(diǎn)，必會獲得更大的生物醫(yī)學(xué)發(fā)展空間。
參考文獻(xiàn):
［1］艾桃桃．納米金在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用［J］．陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，04:63～68，95．
［2］王英澤，黃奔，呂娟，梁興杰．納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀［J］．生物物理學(xué)報(bào)，2009(03):168～174．
納米生物醫(yī)學(xué)技術(shù)是一門非常典型的多領(lǐng)域交叉學(xué)科，生物醫(yī)學(xué)、材料、化學(xué)和物理等學(xué)科的內(nèi)容都包含在內(nèi)，因此對人才培養(yǎng)的要求自然也非常高[5]。個(gè)人認(rèn)為，應(yīng)該將教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)為培養(yǎng)學(xué)生具備相關(guān)領(lǐng)域多元化的知識結(jié)構(gòu)，富有創(chuàng)新精神與思維模式，在納米醫(yī)學(xué)生物技術(shù)的某一或某幾方面具有相當(dāng)?shù)膶I(yè)實(shí)踐技能與經(jīng)驗(yàn)，能夠?qū)⒓{米生物醫(yī)學(xué)的知識和技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際的科學(xué)研究與實(shí)際技術(shù)產(chǎn)業(yè)化之中,對納米生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展方向和某一領(lǐng)域的當(dāng)前產(chǎn)業(yè)情況主要發(fā)展趨勢有所體悟，具有技術(shù)研究與項(xiàng)目管理實(shí)施的基本專業(yè)素養(yǎng)和技能。
2實(shí)施納米生物醫(yī)學(xué)技術(shù)教學(xué)的主要理念
納米生物醫(yī)學(xué)技術(shù)作為一門多領(lǐng)域交叉的新興學(xué)科。作為一門非常強(qiáng)調(diào)實(shí)踐與實(shí)用性的應(yīng)用型技術(shù)學(xué)科，在納米生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的教育教學(xué)過程中，我們必須堅(jiān)持將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)很好地結(jié)合在一起，通過把理論知識教學(xué)與課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)、專業(yè)科研活動和產(chǎn)業(yè)企業(yè)課外實(shí)踐活動整合成一個(gè)綜合教學(xué)體系才能夠真正培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)素質(zhì)、自主發(fā)現(xiàn)、思考和解決實(shí)際問題的能力。因此，納米生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容、方法、教學(xué)主體和教學(xué)對象等基本要素必需共同有機(jī)的地結(jié)合在一起，協(xié)同服務(wù)于學(xué)科教學(xué)目標(biāo),以合理的安排與布局，相互相同綜合成一個(gè)有效的教育教學(xué)整體過程。我們應(yīng)該充分注重激發(fā)與引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)與創(chuàng)新的主動性與積極性，立足于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，不能像過去只是進(jìn)行知識的單向傳授，因此忽略了培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)與思考、解決問題的能力,建立一種雙向溝通、激勵(lì)引導(dǎo)、教學(xué)相長的良性循環(huán)機(jī)制。在這種機(jī)制下，學(xué)生成為教學(xué)活動的主體，被動的接受知識變?yōu)橹鲃拥膶W(xué)習(xí)探索，教學(xué)過程也不再是枯燥、單調(diào)的知識傳遞,而是師生雙方之間在智慧、思想與感情上的溝通分享。而且，教學(xué)模式應(yīng)注意技巧設(shè)計(jì)，創(chuàng)造設(shè)計(jì)一個(gè)問題情境，通過好的提問與啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生提出和發(fā)現(xiàn)問題，然后就該問題從不同的多個(gè)角度來解析與研究，并且進(jìn)行持續(xù)的提問與思考，逐步分析挖掘該問題發(fā)生的根本性緣由，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生多角度多層次的尋找答案，通過答案的適度不固定性引導(dǎo)學(xué)生的思維發(fā)散開來,從而讓學(xué)生主動學(xué)習(xí)和分析處理問題的習(xí)慣與素質(zhì)得到良好的培養(yǎng)[6]。
3納米生物醫(yī)學(xué)技術(shù)教學(xué)課程體系的設(shè)計(jì)
納米生物醫(yī)學(xué)技術(shù)課程設(shè)置上要考慮多元化。作為一門多領(lǐng)域交叉融合的新興學(xué)科，不是幾個(gè)學(xué)科領(lǐng)域知識的單純組合,而是將相關(guān)的學(xué)科都以一種非常緊密、多元化、多層次的聯(lián)系在一起形成一個(gè)整體的。因此在課程設(shè)計(jì)的時(shí)候，教育者必須要充分認(rèn)識到并理解透徹這些交叉學(xué)科之間的內(nèi)部聯(lián)系和知識理論結(jié)構(gòu)，并依據(jù)這種聯(lián)系與結(jié)構(gòu)在多個(gè)學(xué)科的藕合點(diǎn)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出具有納米醫(yī)學(xué)生物專業(yè)特色的理論課程體系。這時(shí)候，對學(xué)科知識的劃分上也不宜再過于詳細(xì)，而應(yīng)更注重該專業(yè)的理論特點(diǎn)，讓學(xué)生的知識背景建立在寬厚扎實(shí)的大專業(yè)平臺上。納米生物醫(yī)學(xué)技術(shù)課程設(shè)置上要考慮前沿性。納米生物醫(yī)學(xué)技術(shù)作為一門新興技術(shù)其發(fā)展是日新月異的。所以，在教學(xué)內(nèi)容上，我們要注意將該學(xué)科的最新前沿研究成果整理出來，及時(shí)、適當(dāng)?shù)厝谌氲秸n程教學(xué)當(dāng)中，并結(jié)合納米生物醫(yī)學(xué)技術(shù)在醫(yī)學(xué)診療領(lǐng)域應(yīng)用的經(jīng)典實(shí)例，以讓學(xué)生可以更好的理解本專業(yè)的發(fā)展方向、應(yīng)用方式和創(chuàng)新思維方法，也讓教學(xué)內(nèi)容更加的豐富化和實(shí)用化，進(jìn)而讓學(xué)生知道如何學(xué)以致用，很好地激發(fā)強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)興趣[7]。納米生物醫(yī)學(xué)技術(shù)課程設(shè)置上要考慮應(yīng)用性。納米生物醫(yī)學(xué)技術(shù)作為一門應(yīng)用型技術(shù)，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)對于培養(yǎng)學(xué)生將理論知識用于實(shí)踐當(dāng)中，主動發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力起到不可忽視的作用。因此，學(xué)生在獨(dú)立設(shè)計(jì)、完成實(shí)驗(yàn)的過程中，其專業(yè)思維、創(chuàng)新意識、科研素質(zhì)和動手能力都能得到很好的鍛煉。這就要求我們注意控制死板的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)所占的比例，多設(shè)置一些具有較好綜合性、可設(shè)計(jì)性和開放性的實(shí)驗(yàn)，課程進(jìn)行過程中也更注重學(xué)生實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論的過程而非實(shí)驗(yàn)結(jié)果[5]。
4CDIO實(shí)踐教學(xué)模式在納米生物醫(yī)學(xué)技術(shù)教學(xué)過程中的應(yīng)用
CDIO實(shí)踐教學(xué)模式是近年出現(xiàn)的一種全新的實(shí)踐教育模式。CDIO的主要內(nèi)涵是將構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(jì)(Design)、實(shí)現(xiàn)(Implement)與運(yùn)用(Operate)共同組成一個(gè)系統(tǒng)的實(shí)踐教育方法體系[8]。該方法體系模擬了應(yīng)用技術(shù)從研發(fā)到運(yùn)行的完整流程，能充分培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用主動性和綜合性的實(shí)踐方式來學(xué)習(xí)與運(yùn)用學(xué)到的專業(yè)知識，進(jìn)而提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力，非常適用于納米生物醫(yī)學(xué)技術(shù)教育教學(xué)體系。因此，我們應(yīng)當(dāng)將這套綜合性和操作性都強(qiáng)的CDIO教學(xué)模式融入到整個(gè)教學(xué)活動中，把每個(gè)實(shí)踐能力點(diǎn)的培養(yǎng)都具體落實(shí)到實(shí)踐教學(xué)活動中，并且能夠很好的與科研活動參與、行業(yè)企業(yè)實(shí)習(xí)等課程外實(shí)踐活動結(jié)合在一起，為學(xué)生提供一種深度的“學(xué)以致用”的寶貴經(jīng)歷和體驗(yàn)，這不僅可以更好地實(shí)現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)，還對其人際交往能力和專業(yè)思維能力都能提供有益的幫助。
5結(jié)語
納米生物醫(yī)學(xué)技術(shù)近年來的發(fā)展十分迅猛，同時(shí)具有鮮明的交叉與復(fù)合特性，能助力整體醫(yī)學(xué)診療水平的提高，對人民健康水平的提升起到巨大推進(jìn)作用。因此如何培養(yǎng)適應(yīng)專業(yè)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)需求的納米生物醫(yī)學(xué)技術(shù)專業(yè)人才，是醫(yī)學(xué)院校相關(guān)專業(yè)高等教育目前所面臨的核心問題。通過以上積極教育教學(xué)方面的研究探索，以及在后續(xù)的教學(xué)實(shí)踐中不斷完善與優(yōu)化，我們?nèi)裟軗?jù)此更好地培養(yǎng)出納米生物醫(yī)學(xué)技術(shù)專業(yè)的研究與應(yīng)用兼顧的綜合性專業(yè)人才，將能發(fā)揮更大的教學(xué)效果和教育意義，促進(jìn)人才培養(yǎng)質(zhì)量和提高和納米生物技術(shù)的更大發(fā)展。
作者:劉斯佳 孫健 凌敏 單位:廣西醫(yī)科大學(xué) 廣西醫(yī)科大學(xué)
參考文獻(xiàn)：
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關(guān)鍵詞：納米材料生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用
1應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)中的納米材料的主要類型及其特性
1.1納米碳材料
納米碳材料主要包括碳納米管、氣相生長碳纖維也稱為納米碳纖維、類金剛石碳等。
碳納米管有獨(dú)特的孔狀結(jié)構(gòu)［1］，利用這一結(jié)構(gòu)特性，將藥物儲存在碳納米管中并通過一定的機(jī)制激發(fā)藥物的釋放，使可控藥物變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。此外，碳納米管還可用于復(fù)合材料的增強(qiáng)劑、電子探針（如觀察蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的AFM探針等）或顯示針尖和場發(fā)射。納米碳纖維通常是以過渡金屬Fe、Co、Ni及其合金為催化劑，以低碳烴類化合物為碳源，氫氣為載體，在873K～1473K的溫度下生成，具有超常特性和良好的生物相溶性，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景。類金剛石碳（簡稱DLC）是一種具有大量金剛石結(jié)構(gòu)C—C鍵的碳?xì)渚酆衔?，可以通過等離子體或離子束技術(shù)沉積在物體的表面形成納米結(jié)構(gòu)的薄膜，具有優(yōu)秀的生物相溶性，尤其是血液相溶性。資料報(bào)道，與其他材料相比，類金剛石碳表面對纖維蛋白原的吸附程度降低，對白蛋白的吸附增強(qiáng)，血管內(nèi)膜增生減少，因而類金剛石碳薄膜在心血管臨床醫(yī)學(xué)方面有重要的應(yīng)用價(jià)值。
1.2納米高分子材料
納米高分子材料，也稱高分子納米微粒或高分子超微粒，粒徑尺度在1nm～1000nm范圍。這種粒子具有膠體性、穩(wěn)定性和優(yōu)異的吸附性能，可用于藥物、基因傳遞和藥物控釋載體，以及免疫分析、介入性診療等方面。
1.3納米復(fù)合材料
目前，研究和開發(fā)無機(jī)—無機(jī)、有機(jī)—無機(jī)、有機(jī)—有機(jī)及生物活性—非生物活性的納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是獲得性能優(yōu)異的新一代功能復(fù)合材料的新途徑，并逐步向智能化方向發(fā)展，在光、熱、磁、力、聲［2］等方面具有奇異的特性，因而在組織修復(fù)和移植等許多方面具有廣闊的應(yīng)用前景。國外已制備出納米ZrO2增韌的氧化鋁復(fù)合材料，用這種材料制成的人工髖骨和膝蓋植入物的壽命可達(dá)30年之久［3］。研究表明，納米羥基磷灰石膠原材料也是一種構(gòu)建組織工程骨較好的支架材料［4］。此外，納米羥基磷灰石粒子制成納米抗癌藥，還可殺死癌細(xì)胞，有效抑制腫瘤生長，而對正常細(xì)胞組織絲毫無損，這一研究成果引起國際的關(guān)注。北京醫(yī)科大學(xué)等權(quán)威機(jī)構(gòu)通過生物學(xué)試驗(yàn)證明，這種粒子可殺死人的肺癌、肝癌、食道癌等多種腫瘤細(xì)胞。
此外，在臨床醫(yī)學(xué)中，具有較高應(yīng)用價(jià)值的還有納米陶瓷材料，微乳液等等。
2納米材料在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的前景
2.1用納米材料進(jìn)行細(xì)胞分離
利用納米復(fù)合體性能穩(wěn)定，一般不與膠體溶液和生物溶液反應(yīng)的特性進(jìn)行細(xì)胞分離在醫(yī)療臨床診斷上有廣闊的應(yīng)用前景。20世紀(jì)80年代后，人們便將納米SiO2包覆粒子均勻分散到含有多種細(xì)胞的聚乙烯吡咯烷酮膠體溶液中，使所需要的細(xì)胞很快分離出來。目前，生物芯片材料已成功運(yùn)用于單細(xì)胞分離、基因突變分析、基因擴(kuò)增與免疫分析（如在癌癥等臨床診斷中作為細(xì)胞內(nèi)部信號的傳感器［5］）。倫敦的兒科醫(yī)院、挪威工科大學(xué)和美國噴氣推進(jìn)研究所利用納米磁性粒子成功地進(jìn)行了人體骨骼液中癌細(xì)胞的分離來治療病患者［6］。美國科學(xué)家正在研究用這種技術(shù)在腫瘤早期的血液中檢查癌細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)癌癥的早期診斷和治療。
2.2用納米材料進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)部染色
比利時(shí)的DeMey博士等人利用乙醚的黃磷飽和溶液、抗壞血酸或檸檬酸鈉把金從氯化金酸（HAuCl4）水溶液中還原出來形成金納米粒子，（粒徑的尺寸范圍是3nm～40nm），將金納米粒子與預(yù)先精制的抗體或單克隆抗體混合，利用不同抗體對細(xì)胞和骨骼內(nèi)組織的敏感程度和親和力的差異，選擇抗體種類，制成多種金納米粒子—抗體復(fù)合物。借助復(fù)合粒子分別與細(xì)胞內(nèi)各種器官和骨骼系統(tǒng)結(jié)合而形成的復(fù)合物，在白光或單色光照射下呈現(xiàn)某種特征顏色（如10nm的金粒子在光學(xué)顯微鏡下呈紅色），從而給各種組織“貼上”了不同顏色的標(biāo)簽，為提高細(xì)胞內(nèi)組織分辨率提供了各種急需的染色技術(shù)。
2.3納米材料在醫(yī)藥方面的應(yīng)用
2.3.1納米粒子用作藥物載體
一般來說，血液中紅血球的大小為6000nm～9000nm，一般細(xì)菌的長度為2000nm～3000nm［7］，引起人體發(fā)病的病毒尺寸為80nm～100nm，而納米包覆體尺寸約30nm［8］，細(xì)胞尺寸更大，因而可利用納米微粒制成特殊藥物載體或新型抗體進(jìn)行局部的定向治療等。專利和文獻(xiàn)資料的統(tǒng)計(jì)分析表明，作為藥物載體的材料主要有金屬納米顆粒、無機(jī)非金屬納米顆粒、生物降解性高分子納米顆粒和生物活性納米顆粒。
磁性納米顆粒作為藥物載體，在外磁場的引導(dǎo)下集中于病患部位，進(jìn)行定位病變治療，利于提高藥效，減少副作用。如采用金納米顆粒制成金溶液，接上抗原或抗體，就能進(jìn)行免疫學(xué)的間接凝聚實(shí)驗(yàn)，用于快速診斷［9］。生物降解性高分子納米材料作為藥物載體還可以植入到人體的某些特定組織部位，如子宮、陰道、口（頰、舌、齒）、上下呼吸道（鼻、肺）、以及眼、耳等［10］。這種給藥方式避免了藥物直接被消化系統(tǒng)和肝臟分解而代謝掉，并防止藥物對全身的作用。如美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家已研制成以用生物降解性聚乳酸（PLA）制的微芯片為基礎(chǔ)，能長時(shí)間配選精確劑量藥物的藥物投送系統(tǒng)，并已被批準(zhǔn)用于人體。近年來生物可降解性高分子納米粒子（NPs）在基因治療中的DNA載體以及半衰期較短的大分子藥物如蛋白質(zhì)、多肽、基因等活性物質(zhì)的口服釋放載體方面具有廣闊的應(yīng)用前景。藥物納米載體技術(shù)將給惡性腫瘤、糖尿病和老年癡呆癥的治療帶來變革。
2.3.2納米抗菌藥及創(chuàng)傷敷料
Ag+可使細(xì)胞膜上蛋白失去活性從而殺死細(xì)菌，添加納米銀粒子制成的醫(yī)用敷料對諸如黃色葡萄球菌、大腸桿菌、綠濃桿菌等臨床常見的40余種外科感染細(xì)菌有較好抑制作用。
2.3.3智能—靶向藥物
在超臨界高壓下細(xì)胞會“變軟”，而納米生化材料微小易滲透，使醫(yī)藥家能改變細(xì)胞基因，因而納米生化材料最有前景的應(yīng)用是基因藥物的開發(fā)。德國柏林醫(yī)療中心將鐵氧體納米粒子用葡萄糖分子包裹，在水中溶解后注入腫瘤部位，使癌細(xì)胞部位完全被磁場封閉，通電加熱時(shí)溫度達(dá)到47℃，慢慢殺死癌細(xì)胞。這種方法已在老鼠身上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中獲得了初步成功［11］。美國密歇根大學(xué)正在研制一種僅20nm的微型智能炸彈，能夠通過識別癌細(xì)胞化學(xué)特征攻擊癌細(xì)胞，甚至可鉆入單個(gè)細(xì)胞內(nèi)將它炸毀。
2.4納米材料用于介入性診療
日本科學(xué)家利用納米材料，開發(fā)出一種可測人或動物體內(nèi)物質(zhì)的新技術(shù)。科研人員使用的是一種納米級微粒子，它可以同人或動物體內(nèi)的物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生光，研究人員用深入血管的光導(dǎo)纖維來檢測反應(yīng)所產(chǎn)生的光，經(jīng)光譜分析就可以了解是何種物質(zhì)及其特性和狀態(tài)，初步實(shí)驗(yàn)已成功地檢測出放進(jìn)溶液中的神經(jīng)傳達(dá)物質(zhì)乙酰膽堿。利用這一技術(shù)可以辨別身體內(nèi)物質(zhì)的特性，可以用來檢測神經(jīng)傳遞信號物質(zhì)和測量人體內(nèi)的血糖值及表示身體疲勞程度的乳酸值，并有助于糖尿病的診斷和治療。
2.5納米材料在人體組織方面的應(yīng)用
納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，除上面所述內(nèi)容外還有如基因治療、細(xì)胞移植、人造皮膚和血管以及實(shí)現(xiàn)人工移植動物器官的可能。
目前，首次提出納米醫(yī)學(xué)的科學(xué)家之一詹姆斯貝克和他的同事已研制出一種樹形分子的多聚物作為DNA導(dǎo)入細(xì)胞的有效載體，在大鼠實(shí)驗(yàn)中已取得初步成效，為基因治療提供了一種更微觀的新思路。
納米生物學(xué)的設(shè)想，是在納米尺度上應(yīng)用生物學(xué)原理，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，研制可編程的分子機(jī)器人，也稱納米機(jī)器人。納米機(jī)器人是納米生物學(xué)中最具有誘惑力的內(nèi)容，第一代納米機(jī)器人是生物系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合體，這種納米機(jī)器人可注入人體血管內(nèi)，進(jìn)行健康檢查和疾病治療（疏通腦血管中的血栓，清除心臟脂肪沉積物，吞噬病菌，殺死癌細(xì)胞，監(jiān)視體內(nèi)的病變等）［12］；還可以用來進(jìn)行人體器官的修復(fù)工作，比如作整容手術(shù)、從基因中除去有害的DNA，或把正常的DNA安裝在基因中，使機(jī)體正常運(yùn)行或使引起癌癥的DNA突變發(fā)生逆轉(zhuǎn)從而延長人的壽命。將由硅晶片制成的存儲器（ROM）微型設(shè)備植入大腦中，與神經(jīng)通路相連，可用以治療帕金森氏癥或其他神經(jīng)性疾病。第二代納米機(jī)器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置，可以用其吞噬病毒，殺死癌細(xì)胞。第三代納米機(jī)器人將包含有納米計(jì)算機(jī)，是一種可以進(jìn)行人機(jī)對話的裝置。這種納米機(jī)器人一旦問世將徹底改變?nèi)祟惖膭趧雍蜕罘绞健?/p>
瑞典正在用多層聚合物和黃金制成醫(yī)用微型機(jī)器人，目前實(shí)驗(yàn)已進(jìn)入能讓機(jī)器人撿起和移動肉眼看不見的玻璃珠的階段［13］。
納米材料所展示出的優(yōu)異性能預(yù)示著它在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，尤其在組織工程支架、人工器官材料、介入性診療器械、控制釋放藥物載體、血液凈化、生物大分子分離等眾多方面具有廣泛的和誘人的應(yīng)用前景。隨著納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，臨床醫(yī)療將變得節(jié)奏更快，效率更高，診斷檢查更準(zhǔn)確，治療更有效。
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隨著納米技術(shù)的廣泛運(yùn)用，已經(jīng)延伸到社會中的各個(gè)領(lǐng)域。目前已經(jīng)研究出的納米電子技術(shù)產(chǎn)品多種多樣，這些納米技術(shù)的產(chǎn)品不但性能優(yōu)良，最主要的是功能奇特。但是值得注意的是科學(xué)家對于納米電子技術(shù)的研究還不夠深入，那么以后的還需要從新型電子元器件以及碳納米管等方向入手進(jìn)一步研發(fā)。
1 納米電子技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
1.1 納米電子材料的應(yīng)用
現(xiàn)階段納米材料主要有納米半導(dǎo)體材料、納米硅薄膜以及納米硅材料等類型。在這些納米電子材料中，可以說納米硅材料最有發(fā)展前景，同時(shí)還符合當(dāng)前社會對于電子技術(shù)的實(shí)際需求。通過對納米硅材料與其他納米電子材料進(jìn)行比較后，可以看出納米硅材料具有以下特點(diǎn)：首先，納米硅材料在不斷研發(fā)的背景下其成本處于逐漸降低的趨勢，其次，該材料還具有能耗低、準(zhǔn)確性高以及不易受外界影響的特點(diǎn)。最后，由于納米硅材料中分子與分子所存在的距離較小，因此可以一定程度的提升納米電子材料的反映速度，最終達(dá)到提升工作效率的目標(biāo)。
1.2 納米電子元件的應(yīng)用
可以說納米電子元件是以集成元件以及超大規(guī)模集成元件為基礎(chǔ)的。其具體研發(fā)歷程是在上個(gè)世紀(jì)50年代美國研究者對集成電路進(jìn)行研發(fā)之后而開始的，然后經(jīng)過多年的發(fā)展后逐漸從中型、大型轉(zhuǎn)變?yōu)槌笮偷募呻娐泛吞卮箢愋偷募呻娐?。在此背景下，其納米電子元件的尺寸越來越小，現(xiàn)階段的電子元件尺寸在0.1到100nm范圍之內(nèi)。
1.3 應(yīng)用于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域
特別是在納米技術(shù)的不斷發(fā)展過程中，其納米電子技術(shù)逐漸應(yīng)用到醫(yī)學(xué)的領(lǐng)域?？梢哉f在醫(yī)學(xué)治療的過程中，可以利用納米電子技術(shù)的特點(diǎn)在細(xì)微部分的檢測與觀察方面。在普通顯微鏡無法觀測的物品可以通過納米電子技術(shù)進(jìn)一步剖析。與此同時(shí)，還可以將電化學(xué)的信息檢測流程中融入納米傳感器的方式對生化反應(yīng)進(jìn)行診斷。同時(shí)，在納米電子技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，產(chǎn)生了很多方面的高科技醫(yī)學(xué)產(chǎn)品，例如伽馬刀、螺旋CT以及MRI等?？梢哉f生物醫(yī)學(xué)以及電子學(xué)的融合對于納米電子技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義，納米電子技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)的電子設(shè)備集成化具有很大的發(fā)展空間，在未來的發(fā)展中，可以將納米電子元件的尺寸控制在分子與原子的大小之間，進(jìn)而就會將微小生物體的研究帶到一個(gè)新的領(lǐng)域。
2 納米電子技術(shù)的發(fā)展趨勢
通過對納米電子技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析后可以看出納米電子技術(shù)在未來發(fā)展具有很大的空間，對此主要可以從新型電子元器件、石墨烯以及碳納米管等方向入手。
2.1 新型電子元器件
對納米電子技術(shù)的當(dāng)前模式分析后，可以斷定在未來十年內(nèi)必然會經(jīng)過飛速發(fā)展的歷程。特別是當(dāng)前市場對于新型電子元器件的需求逐漸增多的背景下，還需要根據(jù)實(shí)際需求來對新型電子元器件進(jìn)行擴(kuò)展與完善。對此，可以從單電子器件、共振隧穿電子器件、納米場效應(yīng)晶體管、納米尺度MOS器件、分子電子器件、自旋量子器件、單原子開關(guān)等新型信息器件的方向入手，在保證了納米電子技術(shù)朝著良好的方向發(fā)展的同時(shí)，還可以延續(xù)摩爾定律以及CMOS的研究成果。
2.2 碳納米管
可以說碳納米管是納米電子技術(shù)的發(fā)展重要方式，碳納米管的本質(zhì)是一種一維的納米材料，其最大的特點(diǎn)是具有重量輕以及完美六邊形的結(jié)構(gòu)。因此在實(shí)際的運(yùn)用中，碳納米管具有良好的傳熱性能、光學(xué)性能、導(dǎo)電性能、力學(xué)性能以及儲氫性能等。與此同時(shí)，碳納米管在納米電子方面具有重要的作用，并作為現(xiàn)階段晶體管中主要的材料，對此有效的碳納米管可以對集成電路的效率進(jìn)行提升。
2.3 憶阻器
所謂憶阻器就是就是經(jīng)過了繼電阻器、電容器以及電感元件發(fā)展之后而發(fā)展的一種模式。并且憶阻器是模擬信號的方式來對非線性動態(tài)納米元件而組成的具有交叉開關(guān)模式的納米電子技術(shù)。憶阻器的屬性不但與CMOS類似，更主要的是其具有功率低、體積小以及不受外界因素影響的特點(diǎn)，進(jìn)而在未來的發(fā)展中可以有效的代替硅芯片等材料。
2.4 石墨烯
同時(shí)，石墨烯作為新型的納米材料來說，不但具有超薄的特征，最主要的是其質(zhì)地還是非常堅(jiān)硬的。并且在正常狀態(tài)下石墨烯電子的傳輸速度要比其他類型的納米電子材料快，正是由于多方面的因素使得對于石墨烯的研究具有重要的意義。石墨烯和其他導(dǎo)體具有很大的區(qū)別，進(jìn)而在碰撞的過程中其能量不會有損失。在對石墨烯的未來進(jìn)行研究與設(shè)想后，根據(jù)專家預(yù)計(jì)在10年后可成功研制性能優(yōu)異的石墨烯類型的導(dǎo)體材料與晶體管。
2.5 納米生物電子
最后，納米電子技術(shù)還可以與生物技術(shù)進(jìn)行有效的融合，也可以認(rèn)為納米生物電子是以多個(gè)領(lǐng)域?yàn)楹诵墓餐ㄔO(shè)的。在對納米電子技術(shù)帶入生物領(lǐng)域的過程中，利用納米電子技術(shù)的自身特點(diǎn)可以制造出關(guān)于納米機(jī)器以及附屬的納米生物醫(yī)用的材料產(chǎn)品等，進(jìn)而可以在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中取得一定的成果，最終達(dá)到為人類健康做出巨大貢獻(xiàn)的目標(biāo)。
3 結(jié)束語
總之，在電子科學(xué)不斷發(fā)展的背景下，其納米電子技術(shù)的發(fā)展越來越受到國際的重視。通過對納米電子技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析后，可以發(fā)現(xiàn)其應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛，也就是說納米電子技術(shù)完全融入到我們?nèi)粘Ｉ町?dāng)中指日可待。通過采用納米電子技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)一種高效、科學(xué)而環(huán)保的生物材料、電子晶體管以及醫(yī)學(xué)設(shè)備等，最終達(dá)到改善人們的生活現(xiàn)狀的目標(biāo)，讓人們切切實(shí)實(shí)地體驗(yàn)納米時(shí)代。
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關(guān)鍵詞：納米材料生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用
1應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)中的納米材料的主要類型及其特性
1.1納米碳材料
納米碳材料主要包括碳納米管、氣相生長碳纖維也稱為納米碳纖維、類金剛石碳等。
碳納米管有獨(dú)特的孔狀結(jié)構(gòu)［1］，利用這一結(jié)構(gòu)特性，將藥物儲存在碳納米管中并通過一定的機(jī)制激發(fā)藥物的釋放，使可控藥物變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。此外，碳納米管還可用于復(fù)合材料的增強(qiáng)劑、電子探針（如觀察蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的AFM探針等）或顯示針尖和場發(fā)射。納米碳纖維通常是以過渡金屬Fe、Co、Ni及其合金為催化劑，以低碳烴類化合物為碳源，氫氣為載體，在873K～1473K的溫度下生成，具有超常特性和良好的生物相溶性，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景。類金剛石碳（簡稱DLC）是一種具有大量金剛石結(jié)構(gòu)C—C鍵的碳?xì)渚酆衔?，可以通過等離子體或離子束技術(shù)沉積在物體的表面形成納米結(jié)構(gòu)的薄膜，具有優(yōu)秀的生物相溶性，尤其是血液相溶性。資料報(bào)道，與其他材料相比，類金剛石碳表面對纖維蛋白原的吸附程度降低，對白蛋白的吸附增強(qiáng)，血管內(nèi)膜增生減少，因而類金剛石碳薄膜在心血管臨床醫(yī)學(xué)方面有重要的應(yīng)用價(jià)值。
1.2納米高分子材料
納米高分子材料，也稱高分子納米微?；蚋叻肿映⒘?，粒徑尺度在1nm～1000nm范圍。這種粒子具有膠體性、穩(wěn)定性和優(yōu)異的吸附性能，可用于藥物、基因傳遞和藥物控釋載體，以及免疫分析、介入性診療等方面。
1.3納米復(fù)合材料
目前，研究和開發(fā)無機(jī)—無機(jī)、有機(jī)—無機(jī)、有機(jī)—有機(jī)及生物活性—非生物活性的納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是獲得性能優(yōu)異的新一代功能復(fù)合材料的新途徑，并逐步向智能化方向發(fā)展，在光、熱、磁、力、聲［2］等方面具有奇異的特性，因而在組織修復(fù)和移植等許多方面具有廣闊的應(yīng)用前景。國外已制備出納米ZrO2增韌的氧化鋁復(fù)合材料，用這種材料制成的人工髖骨和膝蓋植入物的壽命可達(dá)30年之久［3］。研究表明，納米羥基磷灰石膠原材料也是一種構(gòu)建組織工程骨較好的支架材料［4］。此外，納米羥基磷灰石粒子制成納米抗癌藥，還可殺死癌細(xì)胞，有效抑制腫瘤生長，而對正常細(xì)胞組織絲毫無損，這一研究成果引起國際的關(guān)注。北京醫(yī)科大學(xué)等權(quán)威機(jī)構(gòu)通過生物學(xué)試驗(yàn)證明，這種粒子可殺死人的肺癌、肝癌、食道癌等多種腫瘤細(xì)胞。
此外，在臨床醫(yī)學(xué)中，具有較高應(yīng)用價(jià)值的還有納米陶瓷材料，微乳液等等。
2納米材料在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的前景
2.1用納米材料進(jìn)行細(xì)胞分離
利用納米復(fù)合體性能穩(wěn)定，一般不與膠體溶液和生物溶液反應(yīng)的特性進(jìn)行細(xì)胞分離在醫(yī)療臨床診斷上有廣闊的應(yīng)用前景。20世紀(jì)80年代后，人們便將納米SiO2包覆粒子均勻分散到含有多種細(xì)胞的聚乙烯吡咯烷酮膠體溶液中，使所需要的細(xì)胞很快分離出來。目前，生物芯片材料已成功運(yùn)用于單細(xì)胞分離、基因突變分析、基因擴(kuò)增與免疫分析（如在癌癥等臨床診斷中作為細(xì)胞內(nèi)部信號的傳感器［5］）。倫敦的兒科醫(yī)院、挪威工科大學(xué)和美國噴氣推進(jìn)研究所利用納米磁性粒子成功地進(jìn)行了人體骨骼液中癌細(xì)胞的分離來治療病患者［6］。美國科學(xué)家正在研究用這種技術(shù)在腫瘤早期的血液中檢查癌細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)癌癥的早期診斷和治療。
2.2用納米材料進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)部染色
比利時(shí)的DeMey博士等人利用乙醚的黃磷飽和溶液、抗壞血酸或檸檬酸鈉把金從氯化金酸（HAuCl4）水溶液中還原出來形成金納米粒子，（粒徑的尺寸范圍是3nm～40nm），將金納米粒子與預(yù)先精制的抗體或單克隆抗體混合，利用不同抗體對細(xì)胞和骨骼內(nèi)組織的敏感程度和親和力的差異，選擇抗體種類，制成多種金納米粒子—抗體復(fù)合物。借助復(fù)合粒子分別與細(xì)胞內(nèi)各種器官和骨骼系統(tǒng)結(jié)合而形成的復(fù)合物，在白光或單色光照射下呈現(xiàn)某種特征顏色（如10nm的金粒子在光學(xué)顯微鏡下呈紅色），從而給各種組織“貼上”了不同顏色的標(biāo)簽，為提高細(xì)胞內(nèi)組織分辨率提供了各種急需的染色技術(shù)。
2.3納米材料在醫(yī)藥方面的應(yīng)用
2.3.1納米粒子用作藥物載體
一般來說，血液中紅血球的大小為6000nm～9000nm，一般細(xì)菌的長度為2000nm～3000nm［7］，引起人體發(fā)病的病毒尺寸為80nm～100nm，而納米包覆體尺寸約30nm［8］，細(xì)胞尺寸更大，因而可利用納米微粒制成特殊藥物載體或新型抗體進(jìn)行局部的定向治療等。專利和文獻(xiàn)資料的統(tǒng)計(jì)分析表明，作為藥物載體的材料主要有金屬納米顆粒、無機(jī)非金屬納米顆粒、生物降解性高分子納米顆粒和生物活性納米顆粒。
磁性納米顆粒作為藥物載體，在外磁場的引導(dǎo)下集中于病患部位，進(jìn)行定位病變治療，利于提高藥效，減少副作用。如采用金納米顆粒制成金溶液，接上抗原或抗體，就能進(jìn)行免疫學(xué)的間接凝聚實(shí)驗(yàn)，用于快速診斷［9］。生物降解性高分子納米材料作為藥物載體還可以植入到人體的某些特定組織部位，如子宮、陰道、口（頰、舌、齒）、上下呼吸道（鼻、肺）、以及眼、耳等［10］。這種給藥方式避免了藥物直接被消化系統(tǒng)和肝臟分解而代謝掉，并防止藥物對全身的作用。如美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家已研制成以用生物降解性聚乳酸（PLA）制的微芯片為基礎(chǔ)，能長時(shí)間配選精確劑量藥物的藥物投送系統(tǒng)，并已被批準(zhǔn)用于人體。近年來生物可降解性高分子納米粒子（NPs）在基因治療中的DNA載體以及半衰期較短的大分子藥物如蛋白質(zhì)、多肽、基因等活性物質(zhì)的口服釋放載體方面具有廣闊的應(yīng)用前景。藥物納米載體技術(shù)將給惡性腫瘤、糖尿病和老年癡呆癥的治療帶來變革。
2.3.2納米抗菌藥及創(chuàng)傷敷料
Ag+可使細(xì)胞膜上蛋白失去活性從而殺死細(xì)菌，添加納米銀粒子制成的醫(yī)用敷料對諸如黃色葡萄球菌、大腸桿菌、綠濃桿菌等臨床常見的40余種外科感染細(xì)菌有較好抑制作用。
2.3.3智能—靶向藥物
在超臨界高壓下細(xì)胞會“變軟”，而納米生化材料微小易滲透，使醫(yī)藥家能改變細(xì)胞基因，因而納米生化材料最有前景的應(yīng)用是基因藥物的開發(fā)。德國柏林醫(yī)療中心將鐵氧體納米粒子用葡萄糖分子包裹，在水中溶解后注入腫瘤部位，使癌細(xì)胞部位完全被磁場封閉，通電加熱時(shí)溫度達(dá)到47℃，慢慢殺死癌細(xì)胞。這種方法已在老鼠身上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中獲得了初步成功［11］。美國密歇根大學(xué)正在研制一種僅20nm的微型智能炸彈，能夠通過識別癌細(xì)胞化學(xué)特征攻擊癌細(xì)胞，甚至可鉆入單個(gè)細(xì)胞內(nèi)將它炸毀。
2.4納米材料用于介入性診療
日本科學(xué)家利用納米材料，開發(fā)出一種可測人或動物體內(nèi)物質(zhì)的新技術(shù)?？蒲腥藛T使用的是一種納米級微粒子，它可以同人或動物體內(nèi)的物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生光，研究人員用深入血管的光導(dǎo)纖維來檢測反應(yīng)所產(chǎn)生的光，經(jīng)光譜分析就可以了解是何種物質(zhì)及其特性和狀態(tài)，初步實(shí)驗(yàn)已成功地檢測出放進(jìn)溶液中的神經(jīng)傳達(dá)物質(zhì)乙酰膽堿。利用這一技術(shù)可以辨別身體內(nèi)物質(zhì)的特性，可以用來檢測神經(jīng)傳遞信號物質(zhì)和測量人體內(nèi)的血糖值及表示身體疲勞程度的乳酸值，并有助于糖尿病的診斷和治療。
2.5納米材料在人體組織方面的應(yīng)用
納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，除上面所述內(nèi)容外還有如基因治療、細(xì)胞移植、人造皮膚和血管以及實(shí)現(xiàn)人工移植動物器官的可能。
目前，首次提出納米醫(yī)學(xué)的科學(xué)家之一詹姆斯貝克和他的同事已研制出一種樹形分子的多聚物作為DNA導(dǎo)入細(xì)胞的有效載體，在大鼠實(shí)驗(yàn)中已取得初步成效，為基因治療提供了一種更微觀的新思路。
1稀土上轉(zhuǎn)換納米材料結(jié)構(gòu)組成
UCNP通常由基質(zhì)、敏化劑與激活劑構(gòu)成。目前研究發(fā)現(xiàn)，以NaYF4作為基質(zhì)，Er3+、Tm3+、Ho3+離子對共摻雜的材料是UCL性能最好且最具潛力的UCNP[3]。其合成方法主要包括水熱/溶劑熱法、溶膠凝膠法、熱分解法等。其中，水熱/溶劑熱法和熱分解法因具有靈活控制晶粒生長并且一次合成過程可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)納米材料的制備及表面修飾等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的合成方法[4]。通過以上方法合成的UCNP通常由疏水性配體（油胺、油酸）封端，導(dǎo)致合成的材料水溶性和生物相容性差。為了將UCNP更好地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，對其進(jìn)行表面功能化修飾尤為重要。主要方法包括配體除去、配體氧化、配體交換、表面硅烷化，以及兩親性聚合物包覆等方法。
2生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用
2.1生物傳感
UCNP具有多個(gè)發(fā)射峰且發(fā)射譜帶窄，以及近紅外激發(fā)下顯示出低背景自發(fā)熒光的特性，使其特別適用于生物傳感的應(yīng)用。UCNP已被廣泛用于檢測各種生物變量（如溫度、pH值）。支持溫度傳感應(yīng)用的是波爾茲曼分布理論。Er3+是常見用于溫度傳感的鑭系離子，Er3+在520nm和550nm處的UCL，分別對應(yīng)2H11/24I15/2和4S3/24I15/2能級躍遷，因此可以用來檢測溫度。MaestroLM等[5]設(shè)計(jì)了第一臺NaYF4∶Yb/Er納米材料用于細(xì)胞測溫，使用它可以精確檢測單個(gè)癌細(xì)胞，如HeLa癌細(xì)胞的溫度（25℃~45℃，區(qū)間區(qū)分低至為0.5℃）。Rodríguez-SevillaP等[6]將具有光熱轉(zhuǎn)化作用的金納米棒與細(xì)胞共孵育后，向培養(yǎng)液中加入U(xiǎn)CNP，最后采用800nm激光對金納米棒進(jìn)行輻照，使其產(chǎn)生熱量，進(jìn)而引起細(xì)胞周圍溫度的升高，通過UCNP的熒光值計(jì)算出相應(yīng)位置的溫度值。
2.2生物成像
2.2.1CT成像
CT是臨床診斷和治療中應(yīng)用最廣泛的成像技術(shù)之一，該技術(shù)基于X射線衰減系數(shù)。UCNP中一些鑭系元素離子具有較強(qiáng)的X射線衰減能力，所以其可作為CT造影劑。在鑭系元素中，镥具有最高的原子序數(shù)。ShenJW等[7]將NaLuF4作為基質(zhì)材料的UCNP應(yīng)用于CT成像。其他研究者也對基于Yb3+的NaYbF4∶Gd/Yb/Er，NaYbF4∶Tm和基于Gd3+的NaGdF4∶Yb/Er的UCNP作為CT成像進(jìn)行了充分研究[8，9]。UCNP為CT造影劑的構(gòu)建提供新的原料來源。
2.2.2MRI成像
MRI是一種較新的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，其掃描通常需要造影劑以提高靈敏度和準(zhǔn)確度。在元素周期表中具有最高數(shù)目未配對電子的Gd3+常用作MRI造影劑。Gd3+與二亞乙基三胺五乙酸（diethylenetriamine-pentaaceticacid，DTPA）的螯合物是臨床上最常用的造影劑之一[10]。研究發(fā)現(xiàn)其造影劑在體內(nèi)釋放游離Gd3+具有高毒性，將Gd3+離子摻入U(xiǎn)CNP中可以顯著降低釋放從而減少毒性[11]。ZhangH等[12]研制出用于標(biāo)記T細(xì)胞的超小型NaGdF4-TAT納米探針，靜脈注射24h后通過T1加權(quán)MRI可以靈敏地跟蹤標(biāo)記過的T細(xì)胞簇。BijuS等[13]研究出一種新型UCNPMRI造影劑（NP-PAA-FA），其可作為低于1.5TT1加權(quán)造影劑、3TT1/T2雙重加權(quán)造影劑和超高磁場高效T2加權(quán)造影劑。該造影劑主要特征是通過改變磁場強(qiáng)度而改變造影劑的類型，此項(xiàng)研究將極大地推動MRI造影劑在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展。
2.2.3光學(xué)成像
UCNP已經(jīng)引起了許多研究者對將其應(yīng)用于光學(xué)造影劑的興趣。典型的NaYF4∶Yb，Er可以在980nm激發(fā)下發(fā)出明亮的熒光，由于其聲子能量低、上轉(zhuǎn)換熒光效率高和發(fā)光顏色豐富等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于小動物成像[14]。ZhangK等[15]通過酰胺化反應(yīng)將納米金剛石（nanodiamonds，ND）和NaYF4∶Yb，Er納米顆粒結(jié)合，制備出UCNP-ND用于光學(xué)成像和細(xì)胞中藥物遞送的新型納米平臺，由于強(qiáng)烈的上轉(zhuǎn)換熒光和pH響應(yīng)性藥物釋放，UCNP-ND可以為可視化和腫瘤治療中藥物遞送提供新的思路。
2.2.4多模態(tài)成像
常規(guī)的單個(gè)成像技術(shù)有其固有的限制和缺點(diǎn)。多模態(tài)成像可以彌補(bǔ)其缺點(diǎn)，使疾病在早期診斷階段得到更加準(zhǔn)確的信息，從而提高疾病的治愈率。MRI/CT雙模態(tài)成像是最普遍的成像組合。JinX等[16]通過熱解法首次合成具有優(yōu)異的MRI/CT成像性能和相對低毒性的聚乙二醇（polyethyleneglycol，PEG）修飾NaGdF4∶Dy的納米粒子。CT和MRI成像無法進(jìn)行細(xì)胞水平成像，光學(xué)成像在細(xì)胞水平具有較高分辨率和靈敏度，但不具有較高空間分辨率和難以提供三維組織的缺點(diǎn)。因此，將熒光成像與CT和MRI成像相結(jié)合，可以獲得組織和細(xì)胞級的高分辨成像。SunQ等[17]合成了具有優(yōu)異MRI/UCL/CT三模態(tài)成像性能、較低毒性且無熒光淬滅的NaGdF4∶Yb/Er，Tm@NaGdF4∶Yb@NaNdF4∶Yb納米材料。將多種成像相結(jié)合制備一種多功能成像探針在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
2.3腫瘤治療
2.3.1光動力治療
光動力治療（photodynamictherapy，PDT）[18]是在激發(fā)光的照射下，光敏劑（photochemicalsensitizer，PS）被激發(fā)將氧氣轉(zhuǎn)化為活性氧，殺死癌細(xì)胞的治療方法。其因具有微創(chuàng)性和時(shí)空選擇性被廣泛應(yīng)用于腫瘤治療領(lǐng)域。典型PDT由PS、激發(fā)光和氧氣構(gòu)成。常規(guī)PDT受到激發(fā)光穿透深度的限制，UCNP具有UCL性質(zhì)用于PS的激活，從而提高穿透深度[19]。UCNP介導(dǎo)的PDT在深部腫瘤治療方面已取得巨大成果。然而，缺乏腫瘤選擇性而對正常組織不可避免的光毒性仍然是一個(gè)棘手的問題。LiF等[20]研究出腫瘤pH敏感光動力納米材料（pHsensitivephotody-namicnanomaterials，PPN），由自組裝PS接枝的pH響應(yīng)性聚合物配體（pHresponsivepolymerligand，PPL）和UCNP組成。在正常血液pH=7.4時(shí)，PPN帶負(fù)電，沒有光活性，在腫瘤細(xì)胞外pH=6.5時(shí)快速將其表面電荷從陰性轉(zhuǎn)變?yōu)殛栃?，并在腫瘤細(xì)胞內(nèi)/溶酶體pH=5.5時(shí)進(jìn)一步分解成單個(gè)UCNP，此過程促進(jìn)聚集的PS解離成自由分子，而顯著增強(qiáng)PS的光活性。在NIR照射下，PPN的UCL可以誘導(dǎo)酸性腫瘤微環(huán)境中游離PS的光激發(fā)，從而殺傷腫瘤細(xì)胞。體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)均表明，PPN可以克服傳統(tǒng)PS不足作為潛在新型PDT用于未來癌癥診療。
2.3.2光熱治療
光熱療法（photothermaltherapy，PTT）[21]是利用具有較高光熱轉(zhuǎn)換效率的材料作為光熱劑，在NIR照射下吸收光能并轉(zhuǎn)化為熱能來殺死癌細(xì)胞的治療腫瘤的新方法。由于稀土離子的消光系數(shù)較低，在直接光照下轉(zhuǎn)化為熱能的能力有限。而當(dāng)其與較強(qiáng)消光系數(shù)等電位納米粒子（如Au、CuS）耦合時(shí)，可提高PTT的有效性。QianLP等[22]制備出NaYF4∶Yb，Er@NaYF4@SiO2@Au納米顆粒（粒徑70～80nm）用于PTT可有效破壞人神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞，顯示出較好的抗腫瘤療效。FanW等[23]將超小型CuS加入到UC-NPs@SO2納米粒子表面制造出一種核心衛(wèi)星納米治療(core-satellitenanotheranostic，CSNT)物質(zhì)，基于CuS顯著的PTT效應(yīng)，CSNT可以在NIR照射下產(chǎn)生細(xì)胞毒性熱，還通過摻雜的高-Z元素（Yb/Gd）作為放射增敏劑產(chǎn)生高度局部化的增強(qiáng)輻射效果。
2.3.3成像指導(dǎo)腫瘤治療
近年來，隨著納米醫(yī)學(xué)的迅速發(fā)展，集多功能為一體的可視化成像指導(dǎo)的腫瘤診療成為一個(gè)熱點(diǎn)話題。研究發(fā)現(xiàn)UCNP可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)腫瘤的診斷與治療。YuZ等[24]研究出一種超小型具有良好靶向性并可在光學(xué)成像，MRI、CT成像下進(jìn)行PDT的新型UC-NP[MNPs（MC540）/DSPE-PEG-NPY]。該UCNP對過表達(dá)Y1受體的腫瘤（如乳腺癌細(xì)胞）具有高靶向性，核殼MNP（MC540）可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的上轉(zhuǎn)換熒光成像，其中摻雜Gd3+和Lu3+稀土離子可分別增強(qiáng)MRI和CT成像。其在體外和體內(nèi)顯示出良好PDT治療效果。該納米材料的研發(fā)將為臨床中過表達(dá)Y1受體的腫瘤診療提供一個(gè)新思路。為了提高腫瘤治療效果，研究者將兩種或以上治療模式集合于一體，實(shí)現(xiàn)療效互補(bǔ)、協(xié)同作用以增強(qiáng)抗腫瘤療效。LuM等[25]制備多功能納米材料AuNRs@SiO2-IR795，實(shí)現(xiàn)集成的PTT/PDT和熒光成像，協(xié)同PDT/PTT對體外癌細(xì)胞抑制效率顯著增高。
美國斯坦福大學(xué)“Bio-X”研究中心創(chuàng)立于1998年的一個(gè)跨學(xué)科研究和教育項(xiàng)目，主要涉及生物工程、生物醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)三大領(lǐng)域，跨越文理學(xué)院、工程學(xué)院和醫(yī)學(xué)院三大學(xué)院。其實(shí)質(zhì)就是一個(gè)由生命科學(xué)與數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、工程學(xué)、醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科的多學(xué)科交叉研究機(jī)構(gòu)［5］。Bio-X研究中心將基礎(chǔ)、應(yīng)用和臨床科學(xué)中的邊緣研究結(jié)合在一起，進(jìn)行從分子到機(jī)體各個(gè)層次的生物物理學(xué)研究，以實(shí)現(xiàn)生物工程、生物醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域新的發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新。發(fā)展至今，研究中心已取得包括成功破譯人類遺傳基因密碼，發(fā)展觀測人體細(xì)胞在人體中如何活動的技術(shù)等眾多的開創(chuàng)性成果，使硅谷的這所名牌大學(xué)在科學(xué)發(fā)現(xiàn)和教學(xué)方面處于領(lǐng)先地位。在歐洲，英國1990年已設(shè)立了包括牛津的分子科學(xué)與分子醫(yī)學(xué)等17個(gè)研究中心［6］。2001年，牛津大學(xué)和劍橋大學(xué)牽頭成立了由英國政府的工程和物理科學(xué)研究委員會、生物科學(xué)技術(shù)研究委員會、醫(yī)學(xué)研究委員會和國防部共同組成的納米技術(shù)跨學(xué)科研究伙伴機(jī)構(gòu)(IRC)，開展了前沿生物納米技術(shù)方面的研究。德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)(TUM)以工程、自然科學(xué)、生命與食品科學(xué)、醫(yī)學(xué)與運(yùn)動科學(xué)等優(yōu)勢領(lǐng)域，建立了與生命科學(xué)、營養(yǎng)和食品科學(xué)、生命技術(shù)學(xué)、生物信息學(xué)和醫(yī)學(xué)等學(xué)科的強(qiáng)有力的跨學(xué)科合作。
縱觀世界一流大學(xué)跨學(xué)科組織建設(shè)與管理，具有以下共性特點(diǎn):①政府、學(xué)校宏觀政策的支持是跨學(xué)科組織發(fā)展的保障基石。如美國國家科學(xué)院協(xié)會2004年發(fā)表了《促進(jìn)交叉學(xué)科研究》報(bào)告;哈佛大學(xué)就曾明文對該?？鐚W(xué)科動議項(xiàng)目的政策扶持作了規(guī)定。②組織結(jié)構(gòu)與管理合理，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科組織的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合、優(yōu)勢互補(bǔ)的組織合作，如MIT與哈佛大學(xué)共同合作的“哈佛－MIT健康科學(xué)技術(shù)學(xué)部”。③注重跨學(xué)科研究和教育的協(xié)同發(fā)展，如美國的HST就是主要通過研究影響疾病與保健的基礎(chǔ)原理，開發(fā)新的藥物與儀器，致力于培養(yǎng)醫(yī)師-科學(xué)家，通過跨領(lǐng)域合作改善人類健康。④提供跨學(xué)科研究經(jīng)費(fèi)，如美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)作為美國聯(lián)邦政府最大的生物醫(yī)學(xué)研究機(jī)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)對多學(xué)科、跨學(xué)科和多機(jī)構(gòu)聯(lián)合的醫(yī)學(xué)研究項(xiàng)目的資助，如2007年就給9個(gè)科學(xué)研究聯(lián)合體提供了2．1億美元的研究經(jīng)費(fèi)［7］。⑤多樣化的激勵(lì)措施，重視獎(jiǎng)金發(fā)放和提供實(shí)踐機(jī)會等。
2我國大學(xué)生物醫(yī)學(xué)跨學(xué)科組織建設(shè)與發(fā)展
我國學(xué)科交叉研究萌生于20世紀(jì)50年代，而80年代初召開“首屆交叉科學(xué)學(xué)術(shù)討論會”，基本就被認(rèn)定為我國跨學(xué)科研究的全面展開。到20世紀(jì)90年代，我國大學(xué)關(guān)于跨學(xué)科研究的建制開始引人關(guān)注。特別是我國“985”二期工程，為突出重大科學(xué)問題和現(xiàn)實(shí)問題引導(dǎo)，凝聚了不同學(xué)科背景的研究者開展跨學(xué)科研究，著力建設(shè)了一批創(chuàng)新平臺。目前“985工程”科技創(chuàng)新平臺與基地是我國大學(xué)跨學(xué)科研究的重要組織形式，其中就包括大批生物學(xué)與醫(yī)學(xué)創(chuàng)新平臺的實(shí)體機(jī)構(gòu)。2000年，北京大學(xué)成立了生物醫(yī)學(xué)跨學(xué)科研究中心。多年來，該中心將基礎(chǔ)科學(xué)、技術(shù)應(yīng)用和臨床科學(xué)的前沿研究結(jié)合在一起，形成了以單細(xì)胞原位實(shí)時(shí)微納米檢測與表征研究，數(shù)字化診療儀器技術(shù)研究，醫(yī)學(xué)信號與圖像分析研究，大氣壓低溫等離子體生物學(xué)效應(yīng)及醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究等四大主要研究方向，建立了跨學(xué)科的實(shí)驗(yàn)室和研究平臺，組織了30余個(gè)跨學(xué)科研究項(xiàng)目，取得了系列跨學(xué)科研究成果［8］。
同時(shí)，該中心注重各有關(guān)學(xué)科優(yōu)勢互補(bǔ)、相互合作，對來自生命科學(xué)、物理化學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科，以及來自電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程、臨床醫(yī)學(xué)等眾多應(yīng)用和工程學(xué)科的研究生，開展生物醫(yī)學(xué)工程跨學(xué)科前沿領(lǐng)域的研究和人才培養(yǎng)，形成了新的學(xué)科生長點(diǎn)，培養(yǎng)出了具有交叉學(xué)科背景的新型人才。2006年，北京大學(xué)成立了前沿交叉學(xué)科研究院。生物醫(yī)學(xué)跨學(xué)科研究中心至此成為前沿交叉學(xué)科研究院的研究中心之一。2010年，基于系統(tǒng)生物學(xué)的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及其廣闊的應(yīng)用前景和重大的現(xiàn)實(shí)意義，北京大學(xué)建立了系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)研究所。該研究所注重復(fù)雜系統(tǒng)的研究和學(xué)科交叉，并且與環(huán)境因素相結(jié)合，主要針對重大疾病，如腫瘤、心腦血管疾病、代謝性疾病等研究領(lǐng)域作為重點(diǎn)和突破點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)生物學(xué)研究［9］。2004年，清華大學(xué)順應(yīng)跨學(xué)科研究趨勢，改革科研體制，通過將分散于全校各院系的有關(guān)生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)及相關(guān)的工程學(xué)科統(tǒng)一組織和協(xié)調(diào)起來，重點(diǎn)支持和建立了包括“清華大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)研究院”在內(nèi)的若干研究所(或研究平臺)，加強(qiáng)和促進(jìn)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)的發(fā)展及其與其它工程學(xué)科間的交叉合作［10］。
同年，復(fù)旦大學(xué)組建生物醫(yī)學(xué)研究院。作為國家“985工程”二期建設(shè)的科技創(chuàng)新平臺，目前研究院以“轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)”為目標(biāo)，形成了包括疾病系統(tǒng)生物學(xué)、出生缺陷與發(fā)育生物學(xué)、疾病發(fā)生的分子機(jī)制、創(chuàng)新藥物和結(jié)構(gòu)生物學(xué)等主要研究方向和研究團(tuán)隊(duì)，建設(shè)了功能蛋白質(zhì)組學(xué)、基因組學(xué)、癌癥研究、心血管研究、分子與細(xì)胞生物學(xué)、藥物與結(jié)構(gòu)以及公共技術(shù)平臺等10個(gè)技術(shù)平臺，建立了基礎(chǔ)科學(xué)與臨床需求的緊密聯(lián)系，為重大科研項(xiàng)目的實(shí)施和跨學(xué)科合作研究工作的開展提供了有力支撐［11］。此外，研究院重點(diǎn)把學(xué)校所屬上海醫(yī)學(xué)院、生命科學(xué)學(xué)院、化學(xué)系、藥學(xué)院、公共衛(wèi)生學(xué)院及相關(guān)附屬醫(yī)院等院系等有機(jī)地穿插在一起，在疾病蛋白質(zhì)組學(xué)、化學(xué)生物學(xué)、生物化學(xué)與分子生物學(xué)、腫瘤學(xué)、干細(xì)胞生物學(xué)、分子藥理學(xué)等專業(yè)培養(yǎng)研究生，開展跨學(xué)科研究生教育。2000年，上海交通大學(xué)成立“Bio-X生命科學(xué)研究基地”。2005年，與神經(jīng)生物與人類造化學(xué)研究室重組成立“Bio-X生命科學(xué)研究中心”(現(xiàn)改為研究院)，是繼美國斯坦福大學(xué)后的世界第二個(gè)、中國第一個(gè)Bio-X研究中心［12］。2007年，學(xué)校又成立了系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)研究中心。
該中心是集生物、醫(yī)學(xué)、物理、工程、數(shù)學(xué)、信息、計(jì)算等不同學(xué)科，集研究、教育、開發(fā)及服務(wù)于一體的生物醫(yī)學(xué)研究與開發(fā)的公共技術(shù)平臺。中心立足于以系統(tǒng)生物學(xué)的方法為基礎(chǔ)，致力于在生物整體水平、細(xì)胞和發(fā)育生物學(xué)以及單細(xì)胞分析領(lǐng)域開展多學(xué)科交叉融合的系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)研究。同年，隨著原上海第二醫(yī)科大學(xué)的并入，上海交通大學(xué)成立了Med-X研究院。Med-X研究院主要依托學(xué)校臨床醫(yī)學(xué)學(xué)科和理工科優(yōu)勢，涉及生物醫(yī)學(xué)工程、生物學(xué)、影像醫(yī)學(xué)與核醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)與工程四個(gè)研究領(lǐng)域，以解決臨床醫(yī)學(xué)問題為目標(biāo)導(dǎo)向，進(jìn)行前沿性醫(yī)學(xué)科學(xué)研究，開發(fā)高尖端領(lǐng)先性醫(yī)療技術(shù)產(chǎn)品，構(gòu)建國際化、多學(xué)科交融、多資源共享、多方位服務(wù)的開放式醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究平臺，建立醫(yī)療技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)－技術(shù)轉(zhuǎn)化－臨床應(yīng)用體系［13］。
3我國大學(xué)生物醫(yī)學(xué)跨學(xué)科組織建設(shè)困境與借鑒
1生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)
生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)是作為生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究的輔助手段而發(fā)展起來的,它以生物或醫(yī)學(xué)樣品為研究對象,以醫(yī)學(xué)、生物學(xué)和光學(xué)工程等學(xué)科的基礎(chǔ)知識的充分融合為基礎(chǔ),通過工程技術(shù)手段為生物醫(yī)學(xué)研究或臨床應(yīng)用提供檢測或監(jiān)控儀器和方法,所以生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的發(fā)展和成功應(yīng)用除了對生物或醫(yī)學(xué)學(xué)科本身的發(fā)展具有促進(jìn)作用外,對工程學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科也提出了新的要求,并客觀上推動和促進(jìn)了這些學(xué)科的交叉和技術(shù)的融合[4]。生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)可分為生物光子學(xué)和醫(yī)學(xué)光子學(xué)兩個(gè)部分,分屬于生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,但二者的研究內(nèi)容并無嚴(yán)格界限。也可以根據(jù)應(yīng)用目的的不同,將生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)劃分為光子診斷醫(yī)學(xué)技術(shù)和光子治療醫(yī)學(xué)技術(shù)兩個(gè)領(lǐng)域[5]。由于生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的學(xué)科跨度大,不能明確界定在某一單一學(xué)科領(lǐng)域內(nèi),所以并無生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)專業(yè),而是根據(jù)導(dǎo)師隸屬單位情況和科研項(xiàng)目需要,在光學(xué)工程、電子工程、生物醫(yī)學(xué)工程、生物技術(shù)、臨床醫(yī)學(xué)等一級學(xué)科下設(shè)置該研究方向,招收并培養(yǎng)研究生。
2當(dāng)前生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)研究生培養(yǎng)面臨的困難和問題
生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的研究需要生物醫(yī)學(xué)和工程技術(shù)兩方面多學(xué)科知識的交融,需要生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥理學(xué)、病理學(xué)、腦科學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)、圖形圖像學(xué)、信號處理等多學(xué)科專家學(xué)者的參與,因而具有復(fù)雜性和綜合性的特色。這種特點(diǎn)促使我們在生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)專業(yè)研究生培養(yǎng)時(shí)需要特殊的學(xué)術(shù)環(huán)境,需要觀念上的轉(zhuǎn)變和政策上的支持,更需要高水平的導(dǎo)師隊(duì)伍和先進(jìn)的培養(yǎng)模式來保證。目前,生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)方向的研究生培養(yǎng)還面臨以下問題。
2.1缺乏新技術(shù)和新知識的傳授,知識培養(yǎng)體系亟需完善
生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的理論知識和技術(shù)更新都很快,不斷有新的應(yīng)用領(lǐng)域和市場需求出現(xiàn),國家和社會要求我們培養(yǎng)具有更強(qiáng)創(chuàng)新意識和應(yīng)用實(shí)踐能力的研究生,可以在某一行業(yè)領(lǐng)域擔(dān)當(dāng)領(lǐng)頭人。但當(dāng)前的研究生培養(yǎng),對新技術(shù)和新知識的傳授不足,教材內(nèi)容嚴(yán)重滯后,缺乏讓學(xué)生開拓視野、跟隨學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展前沿的綜合交叉性課程。
2.2研究生培養(yǎng)環(huán)節(jié)缺乏規(guī)范性
從事生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)交叉學(xué)科的研究生,其本身的專業(yè)背景多屬于傳統(tǒng)的單一學(xué)科范圍,攻讀的研究生學(xué)位也多屬于此范圍等。由于生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)這門交叉學(xué)科涉及的知識內(nèi)容非常廣博,而導(dǎo)師的科研課題又非常具體,使這種以導(dǎo)師科研課題作為研究生培養(yǎng)載體的方式,具有較大的不確定性和隨意性,無法兼顧研究生的專業(yè)背景、科研興趣和科研課題幾方面的因素,常常是為了完成課題而進(jìn)行相應(yīng)的學(xué)習(xí),未能在研究生對知識的綜合—消化—應(yīng)用方面下足功夫,在研究生的科研培訓(xùn)和能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)缺乏系統(tǒng)性和規(guī)范性。
2.3研究生的培養(yǎng)質(zhì)量受限于導(dǎo)師的研究課題
當(dāng)前生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的研究生培養(yǎng)大多依托于導(dǎo)師現(xiàn)有科研項(xiàng)目,因此在培養(yǎng)過程中存在一系列問題,如:以完成特定生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)研究課題為目標(biāo)的研究生培養(yǎng),對培養(yǎng)目標(biāo)以及培養(yǎng)過程等沒有清晰明確的認(rèn)識,無法讓學(xué)生既具備合理的知識結(jié)構(gòu),又具備綜合多學(xué)科知識的素質(zhì)和能力;有的導(dǎo)師的研究課題僅是借用了其它學(xué)科的名詞和概念,而未真正開展跨學(xué)科領(lǐng)域的研究內(nèi)容,結(jié)果是研究生的理解、認(rèn)識混亂,甚至出現(xiàn)概念錯(cuò)誤等現(xiàn)象;還有研究課題僅僅是生物醫(yī)學(xué)和光學(xué)內(nèi)容的簡單疊加,缺乏真正的融合和借鑒,研究生在課題研究中無法深入下去。以上種種,不但不能產(chǎn)生創(chuàng)新成果,反而影響了研究生培養(yǎng)質(zhì)量,阻礙了研究生的學(xué)術(shù)水平提高。
2.4現(xiàn)行的教學(xué)管理體制難以滿足學(xué)科交叉研究和研究生培養(yǎng)的需要
世界各國對交叉學(xué)科研究極為重視。英、美等發(fā)達(dá)國家都相繼成立了生物醫(yī)學(xué)相關(guān)的交叉研究中心,便于來自不同學(xué)科背景的科研人員相互交流和溝通,為前沿學(xué)科建設(shè)開辟道路。反觀國內(nèi),只有少數(shù)幾所重點(diǎn)大學(xué)或中科院的研究所設(shè)立了專門從事生物醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的交叉學(xué)科研究院或研究中心,如,北京大學(xué)的前沿交叉學(xué)科研究院建立的生物醫(yī)學(xué)跨學(xué)科研究中心,而大部分學(xué)校院、系劃分都是長時(shí)間不變的。從事生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)研究方向的教師要有確定的學(xué)科“歸屬”才具有所在學(xué)科的資源(包括經(jīng)費(fèi)和科研設(shè)施等)使用權(quán),而研究生也是通過某一特定學(xué)科的入學(xué)考試內(nèi)容,遵循其培養(yǎng)方案和培養(yǎng)目標(biāo)進(jìn)行學(xué)習(xí)和科研培訓(xùn)[6]。嚴(yán)格的學(xué)科界限使生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)研究方向的導(dǎo)師無法合理整合校內(nèi)資源為交叉學(xué)科研究服務(wù),是開展交叉學(xué)科研究生培養(yǎng)的直接障礙。
3生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)研究生培養(yǎng)模式的探索和建議
完善培養(yǎng)和管理工作是生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)方向研究生培養(yǎng)順利進(jìn)行的保證,我們需要在人才輸入(招生)—人才培養(yǎng)—人才輸出(學(xué)位授予)這三個(gè)方面都留有足夠的空間,給予適當(dāng)?shù)恼邇A斜,并完善配套的管理運(yùn)行機(jī)制。
3.1采取靈活的招生政策,鼓勵(lì)跨學(xué)科招生
招生機(jī)制是人才培養(yǎng)機(jī)制三步曲中的第一步,高質(zhì)量的生源是高水平人才培養(yǎng)的第一關(guān)。我們的目標(biāo)是選擇合適的人,創(chuàng)造適合的環(huán)境,讓通過適當(dāng)?shù)臋C(jī)制選拔進(jìn)來的人能在這樣的環(huán)境中成為優(yōu)秀的交叉學(xué)科人才[7]。因此,為發(fā)展生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)交叉學(xué)科研究,調(diào)動導(dǎo)師在交叉學(xué)科培養(yǎng)研究生的積極性,調(diào)動學(xué)生從事交叉學(xué)科研究的熱情和興趣,學(xué)校對交叉學(xué)科研究生的招生工作應(yīng)采取特殊的政策:首先,對交叉學(xué)科的招生名額分配有傾斜政策,以支持交叉學(xué)科的學(xué)科發(fā)展和人才培養(yǎng);第二,鼓勵(lì)跨學(xué)科招生和報(bào)考,例如,光學(xué)工程專業(yè)生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)方向招生,即可以招生簡章中列出歡迎生物、醫(yī)學(xué)相關(guān)學(xué)科研究生報(bào)考,并增加相應(yīng)的入學(xué)考試可選科目;第三,學(xué)校保留部分名額優(yōu)先錄取優(yōu)秀的跨學(xué)科學(xué)生或接收跨學(xué)科推免生等。#p#分頁標(biāo)題#e#
3.2規(guī)范研究生培養(yǎng)和管理環(huán)節(jié)
(1)設(shè)立跨學(xué)科聯(lián)合指導(dǎo)教師小組。目前的研究生培養(yǎng)主要采取導(dǎo)師責(zé)任制,是一對一的責(zé)任關(guān)系。但對生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)研究生而言,應(yīng)結(jié)合科研需要、本單位研究特色以及研究生的專業(yè)背景,合理配置跨學(xué)科聯(lián)合指導(dǎo)老師小組,整合本校內(nèi)的優(yōu)勢力量,實(shí)行多對一或多對多的師生關(guān)系,如,以生物顯微成像為特色的單位,應(yīng)配備細(xì)胞生物學(xué)、光學(xué)工程和圖像處理技術(shù)方面的導(dǎo)師隊(duì)伍,以光學(xué)醫(yī)療儀器為特色的單位,應(yīng)配備光學(xué)、測控技術(shù)和臨床醫(yī)學(xué)方面的導(dǎo)師組。來自相關(guān)學(xué)科的高水平教師共同培養(yǎng)交叉學(xué)科的人才,對研究生相關(guān)學(xué)科知識結(jié)構(gòu)的建構(gòu)和高水平研究課題的選定都具有重要作用,同時(shí),研究生也可以在導(dǎo)師組的指導(dǎo)下以補(bǔ)修和自學(xué)等方式學(xué)習(xí)欠缺的跨學(xué)科知識。
(2)嚴(yán)把培養(yǎng)環(huán)節(jié)質(zhì)量關(guān)。導(dǎo)師指導(dǎo)小組要對研究生從入學(xué)、選課、選題、科研實(shí)踐、、畢業(yè)答辯各個(gè)培養(yǎng)環(huán)節(jié)全面負(fù)責(zé),將知識傳授和能力培養(yǎng)相結(jié)合。首先,入學(xué)之初,指導(dǎo)小組即對每個(gè)研究生的學(xué)科背景和能力進(jìn)行評估,針對學(xué)生的背景和興趣初步確定科研方向,并制訂課程學(xué)習(xí)計(jì)劃,為學(xué)生完成生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)交叉學(xué)科研究課題儲備必要的專業(yè)知識,同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生選修具有“新興、前沿和交叉”特點(diǎn)的課程;其次,安排跨學(xué)科的學(xué)生補(bǔ)修部分相關(guān)學(xué)科的本科生課程,以補(bǔ)充知識上的欠缺;第三,指導(dǎo)小組要為學(xué)生提供參與科研實(shí)踐的平臺,在未正式進(jìn)入課題之前,指導(dǎo)學(xué)生參與短期(2～3個(gè)月)科研輪訓(xùn),使學(xué)生對本學(xué)科方向正在進(jìn)行的科研內(nèi)容有所了解,進(jìn)而因勢利導(dǎo)明確研究課題;第四,導(dǎo)師指導(dǎo)組應(yīng)隨時(shí)跟進(jìn)研究生的科研進(jìn)度,在研究生論文選題和中期檢查時(shí)對所開展科研工作進(jìn)行正確的引導(dǎo)和調(diào)整,保證培養(yǎng)過程的順利進(jìn)行。
(3)構(gòu)建科研大平臺,引導(dǎo)研究生學(xué)術(shù)成長。良好的科研環(huán)境是個(gè)人學(xué)術(shù)成長的關(guān)鍵因素。構(gòu)建生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)科研大平臺,吸引更多相關(guān)學(xué)科優(yōu)秀的科研人員加入到導(dǎo)師隊(duì)伍中來,是提高研究生培養(yǎng)質(zhì)量的重要舉措,不同學(xué)科學(xué)術(shù)思想的熏陶,不同思維方式的影響以及多學(xué)科導(dǎo)師在科學(xué)研究方面的通力合作和團(tuán)隊(duì)精神也會對研究生產(chǎn)生潛移默化的影響,有利于其學(xué)術(shù)成長;此外,導(dǎo)師要充分調(diào)動研究生的積極性,保護(hù)研究生跨學(xué)科研究的科研熱情,重視研究生個(gè)人的主觀能動性和興趣,只要使用正確、合理的引導(dǎo)方式,不同專業(yè)背景的研究生與導(dǎo)師之間可以碰撞出很多新的思想火花,獲得意想不到的收獲。
(4)多途徑培養(yǎng)創(chuàng)新人才,完善知識體系。在當(dāng)今這個(gè)多元化的時(shí)代,人才培養(yǎng)的途徑也是多種多樣的。為了適應(yīng)生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)領(lǐng)域?qū)?chuàng)新型人才的需求,學(xué)校應(yīng)設(shè)立專項(xiàng)基金,支持和鼓勵(lì)研究生從事學(xué)術(shù)交流,如吸引學(xué)生參加國際會議、科技競賽、制作大賽等活動,激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣,引導(dǎo)學(xué)生掌握正確、科學(xué)的學(xué)習(xí)方法,尤其是適應(yīng)自身特點(diǎn)的學(xué)習(xí)方法及獲取知識的能力,引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會用所學(xué)的知識創(chuàng)造性地解決實(shí)際問題,提升學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng)新精神。此外,針對課程設(shè)置方面存在的問題,建議在專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)指導(dǎo)下,從師資隊(duì)伍、課程內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源全方位的整合。鼓勵(lì)老師多開設(shè)前沿性課程,邀請本領(lǐng)域國外專家為研究生開設(shè)講座類課程;通過汲取國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),結(jié)合科研和實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,建設(shè)生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)交叉學(xué)科系統(tǒng)、完善的知識體系,重視課程內(nèi)容的系統(tǒng)性、前沿性及與本單位研究特色的相關(guān)性,重視學(xué)生集成—融合—應(yīng)用能力的培養(yǎng)。
3.3正確把握學(xué)位內(nèi)涵,嚴(yán)格學(xué)位授予工作
中圖分類號：TN711 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：
正文： 近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的使用，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智能農(nóng)業(yè)、智能感知芯片、移動嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用等技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)逐步發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以改變粗放的農(nóng)業(yè)管理方式，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以有效地降低人力消耗，獲得準(zhǔn)確的農(nóng)作物生態(tài)環(huán)境和農(nóng)作物信息，實(shí)現(xiàn)科學(xué)種植，科學(xué)監(jiān)測，對促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變具有十分重要的意義。
1、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的概述
農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是建立農(nóng)產(chǎn)品的動態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、事后溯源的體系，主要由智能灌溉系統(tǒng)、綜合控制中心、視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成。它確定了對象的屬性,屬性包括靜態(tài)和動態(tài)的屬性, 動態(tài)屬性需要先由傳感器實(shí)時(shí)探測, 靜態(tài)屬性可以直接存儲在標(biāo)簽中。
農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)需要識別設(shè)備完成閱讀對象的屬性，并將信息轉(zhuǎn)換為適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式；該對象通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行牡男畔?，由處理中心完成物體通信的相關(guān)計(jì)算。
2、物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)
2.1射頻識別(RFID)
RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù),它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù),識別工作無須人工干預(yù),可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識別高速運(yùn)動物體并可同時(shí)識別多個(gè)標(biāo)簽,操作快捷方便。最基本的RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、讀寫器和天線3部分組成。
RFID系統(tǒng)基本工作原理是讀寫器發(fā)出含有信息的一定頻率的調(diào)制信號，這個(gè)過程是通過天線來完成的;當(dāng)讀寫器接收到電子標(biāo)簽發(fā)送過來的信號,經(jīng)過解調(diào)和解碼之后,將標(biāo)簽內(nèi)部的數(shù)據(jù)識別出來,送至電腦主機(jī)進(jìn)行有關(guān)處理。
當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入到讀寫器的工作區(qū)時(shí),其天線通過耦合產(chǎn)生感應(yīng)電流,從而為電子標(biāo)簽提供相應(yīng)的能量,此時(shí)標(biāo)簽根據(jù)讀寫器發(fā)來的信息決定是否響應(yīng),是否發(fā)送數(shù)據(jù)。
目前,在農(nóng)畜產(chǎn)品安全生產(chǎn)監(jiān)控、動物識別與跟蹤、畜產(chǎn)品精細(xì)養(yǎng)殖數(shù)字化系統(tǒng)、農(nóng)畜精細(xì)生產(chǎn)系統(tǒng)、農(nóng)產(chǎn)品物流與包裝等方面已正式應(yīng)用RFID技術(shù)。
2.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò), 包括大量的靜止或移動的傳感器。其目的是協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息,并報(bào)告給用戶。大量的傳感器節(jié)點(diǎn)將探測數(shù)據(jù),通過匯聚節(jié)點(diǎn)經(jīng)其他網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給了用戶。傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸?shù)?種功能,而這正對應(yīng)著現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)技術(shù),即傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)。
在傳感器網(wǎng)絡(luò)中,傳感器節(jié)點(diǎn)具有端節(jié)點(diǎn)和路由的功能:一方面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和采集，對本身采集的數(shù)據(jù)和收到的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合,另一方面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的路由和融合, 轉(zhuǎn)發(fā)路由到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。
傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目非常龐大,通常采用不能補(bǔ)充的電池提供能量，傳感器節(jié)點(diǎn)的能量一旦耗盡,那么該節(jié)點(diǎn)就不能進(jìn)行。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)往往個(gè)數(shù)有限,能量能夠得到補(bǔ)充。
路由功能和數(shù)據(jù)收集功能，對傳感器網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)生命周期的直接影響。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。具體的應(yīng)用不一樣，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是不一樣的，但是基本結(jié)構(gòu)是一致的。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)一般是由處理器單元、傳感器模塊、無線傳輸模塊和單元模塊四部分組成，近年來，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域特別是在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中越來越多地應(yīng)用。
3、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的初期應(yīng)用
3.1中國的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)
精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)(Precision Agriculture)是按照田間各個(gè)操作區(qū)域的具體情況, 準(zhǔn)確精細(xì)地調(diào)整各項(xiàng)土壤和作物管理結(jié)構(gòu),最大程度地優(yōu)化和運(yùn)用各項(xiàng)農(nóng)業(yè)投資,以獲取最高的效益和最多的產(chǎn)量,同時(shí)保護(hù)土地、保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境等自然資源。
隨著GPS系統(tǒng)(全球定位)、RS (遙感)、GIS系統(tǒng)(地理信息)、DSS (決策支持系統(tǒng))、VRT (變量處理設(shè)備)等技術(shù)的發(fā)展, 作為基于信息高科技的集約化農(nóng)業(yè)，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)運(yùn)而生,并成為可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的熱門產(chǎn)業(yè),其應(yīng)用實(shí)踐和理論的研究將極大地促進(jìn)我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展。
精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的目標(biāo)在于資源的高效利用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的改善及科學(xué)管理，實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)不僅具有重要的經(jīng)濟(jì)效益,而且具有顯著的社會效益、生態(tài)效益和環(huán)境保護(hù)效益。
3.1.1智能化溫室大棚
數(shù)字化溫室大棚配有硬件設(shè)施和軟件系統(tǒng)組成。硬件設(shè)備自動實(shí)時(shí)獲取溫室各種信息后，通過無線傳輸?shù)娇刂浦行?，由控制系統(tǒng)做控制決策，從而自動控制風(fēng)機(jī)、濕簾、卷模機(jī)和電磁閥，且控制器還控制整個(gè)溫室水管管路的水壓。安裝的物聯(lián)網(wǎng)信息采集與智能溫室大棚系統(tǒng)共包括6個(gè)無線信息采集節(jié)點(diǎn)，分別安裝在溫室大棚的典型位置，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以自動采集土壤溫度、濕度、空氣溫度、濕度、光照強(qiáng)度、植物養(yǎng)分等信息。各節(jié)點(diǎn)采集的信息通過智能自組網(wǎng)方式向監(jiān)控中心傳遞采集數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心對各個(gè)節(jié)點(diǎn)所采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并結(jié)合專家系統(tǒng)知識產(chǎn)生相應(yīng)控制量，通過無線發(fā)送控制命令到智能溫室控制柜。實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)的自動灌溉、自動卷膜、自動通風(fēng)、自動開關(guān)濕簾等全智能化自動控制。同時(shí)，該系統(tǒng)采樣智能變頻技術(shù)控制抽水泵自動工作，并保持管道內(nèi)水壓恒定。確?；ɑ芎头N苗生產(chǎn)便利和生產(chǎn)安全，節(jié)省電能。
信息采集
農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所需的相關(guān)感器設(shè)備，主要包括：溫度、水分、光照、土壤水分傳感器、植物養(yǎng)分傳感器、植物冠層信息傳感器等，經(jīng)過多年的實(shí)際應(yīng)用，傳感器設(shè)備性能穩(wěn)定、對農(nóng)業(yè)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、使用壽命長、維修維護(hù)工作量小。
信息傳輸
農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無線傳感節(jié)點(diǎn)
可監(jiān)測土壤水分、土壤溫度、空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、植物養(yǎng)分含量等參數(shù)，其它參數(shù)也可以選配，如土壤中的PH值、電導(dǎo)率等等。匯聚并存儲傳感設(shè)備采集的數(shù)據(jù)信息，通過無線方式傳送給無線傳輸路由器或者智能控制中心。 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸路由器接收和匯集無線傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，做臨時(shí)存儲，然后再轉(zhuǎn)發(fā)給智能控制中心。
智能控制
農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能控制柜，包括開關(guān)量控制、模擬量輸出控制、變頻控制等，負(fù)責(zé)接收無線傳感節(jié)點(diǎn)和無線傳輸路由器發(fā)來的數(shù)據(jù)，然后存儲并顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，最后對所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、動態(tài)顯示和分析處理，以直觀的圖表和曲線的方式顯示給用戶，并根據(jù)現(xiàn)場的需求提供各種聲光報(bào)警信息和短信報(bào)警信息等。
數(shù)字化溫室大棚安裝后，智能溫室信息采集與控制系統(tǒng)一直正常運(yùn)行。在行自動控制模式下，自動信息的感知、無線傳輸和智能控制。如傳感器感知土壤水分不夠時(shí)，將自動開啟電磁閥進(jìn)行灌溉；當(dāng)感知水分滿足要求時(shí)自動停止灌溉，實(shí)現(xiàn)高智能化程度的自動灌溉。同樣，當(dāng)溫室大棚內(nèi)溫度高于36度時(shí)風(fēng)機(jī)將自動開啟，直至溫度低于35度風(fēng)機(jī)自動停止。當(dāng)大棚溫度達(dá)到40度以上時(shí)，控制系統(tǒng)將自動開啟濕簾和風(fēng)機(jī)，進(jìn)行對流降溫。軟件界面如圖所示。同樣，該系統(tǒng)也可以根據(jù)光照強(qiáng)度實(shí)行卷膜自動控制。真正實(shí)現(xiàn)了智能溫室控制。
動態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度、濕度、CO2含量、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等變化，通過智能控制系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、遮陽系統(tǒng)及加熱系統(tǒng)，自動實(shí)現(xiàn)保濕、通風(fēng)、光照的調(diào)節(jié)，以達(dá)到調(diào)節(jié)產(chǎn)期，促進(jìn)生長發(fā)育，提高質(zhì)量和產(chǎn)量的目的。
3.1.2遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)
遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)
遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)融合傳統(tǒng)監(jiān)控和傳統(tǒng)會議功能，無線接入和有線接入，寬帶技術(shù)與窄帶技術(shù)，視頻業(yè)務(wù)、語音業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和指揮調(diào)度業(yè)務(wù)于一體的綜合監(jiān)控系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，可以監(jiān)控現(xiàn)場情況，可以與監(jiān)控點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)語音雙向?qū)χv，可以通過車載設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對突發(fā)事件現(xiàn)場的監(jiān)控和處理；可以通過手機(jī)查看監(jiān) 控現(xiàn)場的情況，也可以點(diǎn)播歷史監(jiān)控錄像。
3.1.2生物傳感器
生物傳感器具有接受器與轉(zhuǎn)換器的功能，是一種對生物物質(zhì)非常敏感并將其濃度轉(zhuǎn)化為電子信號進(jìn)行檢測的儀器，是用固定化的生物敏感材料作識別元件(包括抗原、抗體、微生物、細(xì)胞、酶、組織、核酸等生物活性物質(zhì))與適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器(如氧電極、場效應(yīng)管、光敏管、壓電晶體等)及放大信號裝置構(gòu)成的分析系統(tǒng)或工具。
生物傳感器是一門由化學(xué)、物理、生物、醫(yī)學(xué)、電子技術(shù)等多個(gè)學(xué)科相互滲透而成長起來的高新技術(shù)。因其具有靈敏度高、分析速度快、選擇性好、成本低、在復(fù)雜的體系中進(jìn)行在線連續(xù)監(jiān)測,特別是它的高度微型化、自動化與集成化的特點(diǎn),使其在近幾年獲得非常迅速的發(fā)展。在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門如制藥、化工、食品、臨床檢驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)等方面有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。特別是光電子學(xué)、分子生物學(xué)與微電子學(xué)、納米技術(shù)及微細(xì)加工技術(shù)等新學(xué)科、新技術(shù)結(jié)合,正改變著環(huán)境科學(xué)動植物學(xué)、傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的面貌。
生物傳感器的開發(fā)與研究,已成為世界科技發(fā)展的熱門產(chǎn)業(yè),成為新世紀(jì)新興的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分,具有十分重要的意義。
3.2農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)督檢測
目前,我國食品安全事故頻發(fā),其中很重要的一個(gè)原因就是缺乏對食品的監(jiān)管,物聯(lián)網(wǎng)給食品監(jiān)管提供了一個(gè)有效的工具。國內(nèi)已出現(xiàn)“食品安全追溯系統(tǒng)”,將RFID技術(shù)應(yīng)用于畜牧業(yè)食品生產(chǎn)的全過程,包括飼養(yǎng)、防疫滅菌、產(chǎn)品加工、食品流通等各個(gè)環(huán)節(jié)。
如給生豬帶上RFID的芯片,監(jiān)控生豬的整個(gè)生命過程,從出生、生長到屠宰、銷售。尤其是在生豬的生長過程中,可以檢測其生長環(huán)境和體溫等數(shù)據(jù),而在生豬屠宰后,在農(nóng)貿(mào)市場的豬肉經(jīng)營店配備電子溯源秤,消費(fèi)者在購買豬肉時(shí)可索取含有食品安全追溯碼的收銀條,憑借收銀條上的追溯碼查詢生豬來源、屠宰場、質(zhì)量檢疫等多方面信息。
4、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展展望
農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展項(xiàng)目有很多,智能控制溫室、自動室外氣象監(jiān)測、液肥精準(zhǔn)投用、靜電精準(zhǔn)噴藥等精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù),實(shí)時(shí)定量監(jiān)控在不同生長周期農(nóng)作物所需的二氧化碳濃度、溫度、濕度、光照等，調(diào)節(jié)肥料、農(nóng)藥的投入,幫助農(nóng)民實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的耕作。
通過在農(nóng)業(yè)園區(qū)安裝生態(tài)信息無線傳感器和其他智能控制系統(tǒng),可對整個(gè)園區(qū)的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行檢測,從而及時(shí)掌握影響園區(qū)環(huán)境的一些參數(shù),并根據(jù)參數(shù)變化適時(shí)調(diào)控諸如灌溉系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施,確保農(nóng)作物有最好的生長環(huán)境,以提高產(chǎn)量保證質(zhì)量。
5、結(jié)語：從不同階段農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)來看,無論是從種植的培育階段，還是從收獲階段,都可以用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)來提高精細(xì)管理水平和工作的效率。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用推廣,也是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)十分重要標(biāo)志。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展,將為中國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展與世界同步提供一個(gè)國際領(lǐng)先的嶄新平臺,也必將為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)改造升級起到巨大的推動作用。
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3-D打印技術(shù)，是以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為藍(lán)本，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細(xì)胞組織等特殊材料進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出實(shí)體產(chǎn)品。最早起源于19世紀(jì)末的美國，隨著智能化的發(fā)展，3-D打印技術(shù)逐步成熟，并應(yīng)用于各行業(yè)，影響著人們的生活。近年來，3-D技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)行業(yè)有廣泛的報(bào)道，蘇格蘭科學(xué)家 Faulkner-Jones等利用細(xì)胞打印出人造肝臟組織[1]。本院將3-D打印技術(shù)運(yùn)用于全膝關(guān)節(jié)置換，取得良好的臨床效果，現(xiàn)報(bào)道如下。
1 資料與方法
1.1 一般資料 本組6例患者，男3例，女3例，68～81歲，平均74.6歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）符合骨關(guān)節(jié)炎診斷標(biāo)準(zhǔn)。（2）所有病例手術(shù)前均全面體檢及輔助檢查，并經(jīng)1位資深主任醫(yī)師手術(shù)治療，手術(shù)后住院2周以上。（3）所有骨關(guān)節(jié)炎病例均為Holden Ⅳ級病例（即嚴(yán)重硬化、關(guān)節(jié)間隙消失）。
1.2 方法
1.2.1 術(shù)前準(zhǔn)備 術(shù)前行關(guān)節(jié)X線片、膝關(guān)節(jié)CT掃描。術(shù)前有內(nèi)科疾病的請相關(guān)內(nèi)科科室會診、治療。待病情平穩(wěn)，無明顯手術(shù)禁忌證時(shí)進(jìn)行手術(shù)。
1.2.2 方法 CT掃描范圍：包括髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)。所需的解剖結(jié)構(gòu)包括：獲得軸向平面的所有切片髖關(guān)節(jié)影像（髂前上棘至恥骨聯(lián)合）；膝關(guān)節(jié)影像（膝關(guān)節(jié)上下100 mm，包括脛骨結(jié)節(jié)附著的髕韌帶）；踝影像（踝關(guān)節(jié)以下至跟骨中央）。切片厚度和間距：建議軸向平面切片1.25 mm×1.25 mm或1 mm×1 mm，當(dāng)需要增加層厚時(shí)，層厚不得低于2 mm。視野（FOV）使用同一的視野，在掃描過程中不要改變，需要仔細(xì)對準(zhǔn)腿以獲得股骨頭、膝關(guān)節(jié)和踝。切片時(shí)，不要隨意改變X和Y軸的坐標(biāo)原點(diǎn)，即所有CT切面具有同一個(gè)坐標(biāo)系，數(shù)據(jù)格式：DICOM，CT設(shè)備通用格式。圖像通過計(jì)算機(jī)建模軟件（CAD）建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，后通過成快速成型文件格式STL將三維數(shù)字化模型輸入3-D打印機(jī)。打印機(jī)將打印出膝關(guān)節(jié)模型，術(shù)前根據(jù)模型畸形的矯正程度，假體安放位置評估、模擬操作，并制定合適的假體。本文對患者左腿手術(shù)進(jìn)行股骨假體設(shè)計(jì)及脛骨假體設(shè)計(jì)。術(shù)中根據(jù)術(shù)前測量截骨量進(jìn)行截骨，并安放定制的假體，記錄手術(shù)時(shí)間及假體的匹配度。
1.3 術(shù)后處理 術(shù)后3 d使用抗生素預(yù)防切口感染，術(shù)后24～48 h拔除引流管，3 d后下床行膝關(guān)節(jié)功能鍛煉。
2 結(jié)果
患者平均手術(shù)時(shí)間為45 min，較過去減少；出血量減少；下床時(shí)間為術(shù)后3 d，術(shù)中假體使用與術(shù)前定制假體匹配，截骨及假體放置均一次成功。隨訪3個(gè)月～1年，未出現(xiàn)關(guān)節(jié)感染、假體松動現(xiàn)象?；颊呦リP(guān)節(jié)HSS評分均大于85分，屈伸活動功能好，改善明顯。
3 討論
3.1 3-D打印技術(shù)的原理 3-D打印技術(shù)是一種數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。其基本原理為：（1）設(shè)計(jì)過程：首先通過計(jì)算機(jī)建模軟件（CAD）建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，后通過成快速成型文件格式STL將三維數(shù)字化模型輸入3-D打印機(jī)。（2）打印過程：打印機(jī)通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料利用激光束或熱熔噴嘴等方式，在平面方向X-Y方向黏結(jié)成截面形狀，然后在Z坐標(biāo)方向?qū)⒏鲗咏孛孢M(jìn)行逐層疊加，粘合起來從而制造出一個(gè)實(shí)體。與傳統(tǒng)的“切削去除”材料方法（如3-D雕刻）不同，3-D打印采用“逐層增加”材料的方式來制作三維實(shí)體[2]。
3.2 3-D打印技術(shù)在外科中的應(yīng)用 3-D打印技術(shù)作為一種新發(fā)展的技術(shù)，發(fā)展迅速，目前已在工業(yè)制造、生物醫(yī)療等得到了長足發(fā)展，并取得了一定的成效，近年來已逐漸應(yīng)用于骨科領(lǐng)域，完善了骨科復(fù)雜手術(shù)的術(shù)前準(zhǔn)備，使手術(shù)由復(fù)雜變簡單化。它通過采集術(shù)前CT、X線等影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過CAD計(jì)算機(jī)軟件處理，輸入快速成型機(jī)器，制成實(shí)體硬組織一致的模型，有助于術(shù)前準(zhǔn)確了解硬組織的細(xì)微解剖結(jié)構(gòu)及病變與周圍結(jié)構(gòu)的關(guān)系，提示截骨線、骨塊移動的位置信息等，起到指導(dǎo)手術(shù)的作用[3]。在口腔頜面部應(yīng)用上，Levine等[4]將該技術(shù)應(yīng)用于下頜骨重建術(shù)、正頜手術(shù)、頜面部創(chuàng)傷修復(fù)和顳頜關(guān)節(jié)重建術(shù)等70余例手術(shù)，取得良好的重建及手術(shù)效果。Mazzoni等[5]通過打印導(dǎo)板，術(shù)前模擬引導(dǎo)手術(shù)，并在術(shù)前及術(shù)后和CT影像進(jìn)行手術(shù)的傳統(tǒng)術(shù)中下頜骨4個(gè)解剖位點(diǎn)（髁突外側(cè)點(diǎn)、下頜骨正中點(diǎn)、下頜骨牙弓曲度和髁突空間位置）進(jìn)行術(shù)中具置與術(shù)前規(guī)劃的偏差，認(rèn)為在導(dǎo)板引導(dǎo)下的個(gè)性化骨板植入術(shù)可大大縮短手術(shù)時(shí)間，提高手術(shù)精確性，尤為在髁突空間位置和下頜骨牙弓曲度作用明顯。將該技術(shù)應(yīng)用于脊柱及復(fù)雜骨盆手術(shù)應(yīng)用研究方面，有報(bào)道取得良好的手術(shù)效果。Guarino 等[6]將3-D打印技術(shù)應(yīng)用于10例小兒脊柱側(cè)凸及3例復(fù)雜骨盆骨折，結(jié)果表明該技術(shù)提高復(fù)雜骨盆骨折分類的準(zhǔn)確性及椎弓根釘植入的準(zhǔn)確性，減少醫(yī)源性脊髓損傷幾率，并縮短手術(shù)時(shí)間。Sun等[7]分別將3-D打印技術(shù)應(yīng)用于骨盆腫瘤患者，在打印的骨盆模型上切除半骨盆，然后設(shè)計(jì)個(gè)性化人工半骨盆假體，取得了滿意臨床效果。而在一些特異性高的手術(shù)上，3-D打印技術(shù)不僅可以模擬骨骼實(shí)體，還可以根據(jù)手術(shù)要求制備個(gè)體化手術(shù)器械。Lee等[8]應(yīng)用該技術(shù)制備了個(gè)體化股骨假體和股骨髓腔導(dǎo)向器，使手術(shù)更精準(zhǔn)，成功為2例石骨癥患者施行人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)。在關(guān)節(jié)外科應(yīng)用上，3-D打印技術(shù)因其可以為患者“量身定制”個(gè)體化模型，使關(guān)節(jié)置換中假體型號的選擇、假體安放位置的準(zhǔn)確性以及畸形的矯正程度等技術(shù)難題得到解決。這使得關(guān)節(jié)嚴(yán)重畸形、軟組織嚴(yán)重?cái)伩s的患者的術(shù)前手術(shù)方案的制定簡單化、準(zhǔn)確化，從而提高關(guān)節(jié)外科復(fù)雜高難度手術(shù)的成功率，使手術(shù)更精確、更安全。Won等[9]報(bào)道利用該技術(shù)成功為21例髖關(guān)節(jié)嚴(yán)重畸形患者制定手術(shù)方案術(shù)中明顯縮短了手術(shù)時(shí)間、出血量，術(shù)后影像學(xué)提示假體匹配良好。Sciberras等[10]首次將該技術(shù)應(yīng)用于1例復(fù)雜髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)，根據(jù)3-D打印技術(shù)制作的假體，進(jìn)行詳細(xì)的術(shù)前評估和模擬操作，手術(shù)獲得了成功。He等[11]利用3-D打印技術(shù)制備了半膝關(guān)節(jié)和人工骨模具，分別通過快速鑄造和粉末燒結(jié)成型技術(shù)制備出個(gè)體化鈦鋁合金半膝關(guān)節(jié)和多孔生物陶瓷人工骨，并將組裝后的復(fù)合半膝關(guān)節(jié)假體植入患者體內(nèi)，術(shù)后隨訪表明該復(fù)合半膝關(guān)節(jié)假體與周圍組織、骨骼匹配良好，并且具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。
本院應(yīng)用3-D打印技術(shù)應(yīng)用于全膝關(guān)節(jié)表面置換術(shù)，有利于制定最佳手術(shù)方案，指導(dǎo)開展個(gè)體化關(guān)節(jié)外科手術(shù)，術(shù)前有效確定植入物的類型、大小和位置，使手術(shù)操作更精準(zhǔn)，手術(shù)一次性完成，減少了操作、術(shù)中使用工具數(shù)量，從而減少了手術(shù)時(shí)間，取得了良好的臨床療效。這與報(bào)道的臨床實(shí)踐相符合[12]。
3.3 3-D打印技術(shù)目前存在的缺點(diǎn) 3-D打印技術(shù)可以將抽象的三維數(shù)字模型轉(zhuǎn)變成為直觀、立體的實(shí)物模型，降低了高難度手術(shù)的術(shù)前準(zhǔn)備、減少了手術(shù)時(shí)間、提高了手術(shù)的成功率，作為一項(xiàng)革命性的新技術(shù)，其顛覆了傳統(tǒng)醫(yī)療模式。但3-D打印目前仍然存在使用上的缺點(diǎn)。（1）因該項(xiàng)技術(shù)尚未得到廣泛推廣，3-D打印的使用費(fèi)用高，包括3-D打印設(shè)備的購置、運(yùn)行，打印材料及相關(guān)專業(yè)人員費(fèi)用，大多數(shù)患者不能承擔(dān)其費(fèi)用，在部分地區(qū)僅用于醫(yī)學(xué)研究。（2）打印材料不能滿足臨床醫(yī)學(xué)的需求。目前大多打印的假體因其材料使用有限，不具有生物相容性、可降解性，大多僅用于模型供術(shù)前準(zhǔn)備，而不是作為實(shí)體安放于體內(nèi)。（3）3-D技術(shù)因打印模型的個(gè)體化，使得在打印部分要求較高的模型時(shí)，耗時(shí)時(shí)間較長，且該項(xiàng)技術(shù)要求院內(nèi)學(xué)科合作，這使得急診手術(shù)在3-D打印技術(shù)中不占優(yōu)勢。
3.4 3-D打印技術(shù)在關(guān)節(jié)外科應(yīng)用中的展望 盡管3-D打印在目前存在部分缺點(diǎn)，但其在未來關(guān)節(jié)外科發(fā)展中必會起到?jīng)Q定性的作用。目前在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，3-D打印技術(shù)已被應(yīng)用于器官模型的制造與手術(shù)分析策劃、個(gè)性化組織工程支架材料和假體植入物的制造，以及細(xì)胞或組織打印等方面[13]。3-D打印技術(shù)被廣泛應(yīng)用于組織工程骨和軟骨研究領(lǐng)域，在關(guān)節(jié)外科修復(fù)重建領(lǐng)域展示了良好的應(yīng)用。采用3-D打印技術(shù)制備的組織工程支架材料不僅具有與缺損組織相匹配的解剖外形，同時(shí)也具有滿足細(xì)胞黏附、增殖的內(nèi)部三維多孔結(jié)構(gòu)[14]。Billiet等[15]應(yīng)用該技術(shù)輔以微米、納米技術(shù)，可根據(jù)需要設(shè)定特定的孔隙率、交聯(lián)，顯著提高支架的生物學(xué)及力學(xué)性能，使其有利于細(xì)胞黏附、增殖、分化，從而促進(jìn)骨組織生長及骨折愈合等。Lee等[16]和Woodfield等[17]將3-D打印的骨軟骨支架應(yīng)用于動物實(shí)體，取得良好的效果。Xu等[18]利用靜電紡絲和噴墨打印相結(jié)合的方法制作組織工程軟骨。將活細(xì)胞和支架材料一同打印是3-D打印技術(shù)在關(guān)節(jié)外科基礎(chǔ)研究領(lǐng)域應(yīng)用的進(jìn)步性標(biāo)志，但如何實(shí)現(xiàn)細(xì)胞在支架內(nèi)按照預(yù)制組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行精準(zhǔn)分布、如何構(gòu)建營養(yǎng)通道血管、如何提高打印組織的機(jī)械性能等，都是未來研究方向[18]。隨著3-D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，自體“生物型人工關(guān)節(jié)”將在未來成為可能。
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