時間：2023-03-29 09:25:10
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1.1定量生理學課程簡介
定量生理學是生物醫學工程專業的核心專業課程。該課程以物理學原理和數學方法學為基礎，從工程技術討論人體的生理過程，學習并掌握生物膜與生物膜電位原理和方法，進一步學習并掌握基于電生理測量技術的原理以及相關技術，使學生建立起從基礎理論學習到實際生物醫學工程中有關生物電信號測量以及應用之間的橋梁;并且能夠運用物理學和數學的觀點和方法論進行多個層次和水平上探索生命現象及其規律性，培養學生對生理系統進行定量分析的基本方法，培養跨越生命科學、計算科學、數理科學等不同領域的“大科學”素質和意識，為今后選擇新興交叉學科領域進行深造和工作奠定基礎。因此，該課程的實驗教學任務不僅重要而且要求極高。
1.2實驗教學方式改革
長期以來，許多高等院校對實驗教學重視不夠，重理論輕實驗的傳統觀念依然存在。由于不重視實驗教學的重要性，資金投入相對不足，有些陳舊或損壞的儀器設備沒有及時更新，這無形中就影響了學生的實驗興趣;而且傳統的實驗教學過分強調教師的中心地位，學生的主動性、探索性受到一定限制。許多實驗項目與當今飛速發展的前沿科學新理論、新技術嚴重脫節，使得實驗教學存在很多問題。而且傳統實驗教學的最大弊病就是開設的實驗往往只是一個“裝配”實驗，培養的也只是一個裝配工，不能鍛煉和培養學生解決問題的能力，創新更無從談起。實際上實驗技術人員的工作是實驗教學順利完成的重要保障。實驗技術人員的日常工作繁雜、瑣事多、重復性強，每天除了要為即將進行的實驗教學完成大量的準備工作外，還要做好實驗所用儀器設備的維護保養、修理、保管等工作。這些工作看似簡單，但對實驗技術人員的要求也比較高，然而目前實驗技術人員在職稱評定、進修以及工作量待遇等方面明顯處于弱勢，不利于發揮實驗技術人員的主觀能動性。這兩方面因素嚴重影響了目前高等實驗教學的質量及效果，因此現有實驗教學急需改革。為了解決上述傳統實驗存在的兩個主要問題，我們提出將科研創新引入到實驗教學中，結合科研進展不斷更新完善實驗教學內容，使實驗教學與科研創新相結合，使其更具有前瞻性和可持續發展性。一方面，我校的科研創新生物醫學實驗室注重開放和創新實驗的建設，徹底改變“照方取藥”的被動實驗方式，采取“引、點、撥”的實驗教學方式，讓學生自己提出需要解決的問題、達到的目標，自己設計實驗方案，引導學生獨立思考、大膽動手，充分發揮學生的主動性和創造性，給學生充分施展個性的余地，從而達到彌補現有實驗教學的不足。另一方面，以教學科研型教師為實驗教學主要人員，構建教學科研互動基地，使其成為培養學生實踐能力、研究能力和創新能力的新型教學實驗平臺，讓學生在本科基礎學習階段能較早地開展帶有課題研究性質的實驗活動，更多地接觸科研實踐，提高工作能力和科學素養，培養學生的科研創新能力。
1.3將科研創新引入實驗教學
隨著知識經濟和技術經濟的飛速發展，創新已成為時展的要求和社會進步的動力，而科研創新是創新的一個極為重要的方面。高校尤其是大量地方本科院校作為高等教育的主陣地，在本科生教學中將科研創新引入實驗教學，有利于培養本科生的創新意識和科學精神;有利于培養本科生將理論與實踐相結合的意識和能力;有利于促進師生的共同發展;有利于促進地方本科院校加快學科和專業的建設;有利于為地方培養大量的創新型人才，因而具有重要的現實意義。借助于生物醫學高水平實驗室，我們通過開展綜合性實驗、科研訓練計劃、學科競賽、課外科技活動等方式，激發了學生學習知識的熱情，引導學生參與科研創新過程，為學生科研創新能力的培養提供了一個重要平臺。
1.4開放實驗教學
在增加理論課綜合性實驗的同時，由于課程實驗學時的限制，學生能夠親自動手的實驗遠遠不能滿足人才培養的要求，因此，我們開設了“開放性實驗”，這樣就起到了很好的補充作用。例如，“數字腦電圖儀的使用與EEG采集”“蛋白質－核酸復合物氫鍵與范德華力作用位點分析”“腦電信號的Hurst指數研究”等多項開放實驗。此外，我們一般從大二學生中選取有科研潛力的學生，開展“本科生科學研究訓練計劃”教學，如國家級“基于GIS的移動生理信號監測管理平臺的設計與實現”“基于JSD的注意力腦電研究”“基于超臨界新技術的石墨烯功能化及生物傳感器應用研究”。本科生在確定課題，進入實驗室后，將由指導教師對其直接負責。在指導教師指導下，會學習很多課堂上不教的東西，提高學生學習、科研的興趣、具備一定的科學思維和分析能力、激發對所學專業的興趣、堅定從事相關工作的信心和決心，一些本科生發表或錄用了第一作者或并列第一作者SCI/EI刊源雜志論文多篇。在此基礎上，鼓勵學生參加各種學科競賽、科技創新等活動。因為有了開放實驗及本科生科學研究訓練計劃教學的推動，我們學院的科研氛圍濃厚了許多。因此很多本科生有了要進實驗室的要求，這樣本科生的日常學習變得充實，許多學生一有時間就去實驗室看文獻做實驗，并在實驗中體會了科學研究的樂趣和魅力，培養學生動手、創新、協作能力，對學習能力的提高、團隊精神的培養、心理素質的鍛煉有著不可替代的作用。這些都說明依托科研創新生物醫學實驗室的開放實驗教學對學生創新能力有較大的貢獻，對新時期的大學生培養意義重大。
2結束語
1.1生長與繁殖特性
寧鄉豬的繁殖期長，且繁育能力較強。公豬3月齡性成熟，5～6月齡可配種。母豬4月齡第一次，7～8月齡可配種，利用年限約8～10年。成年母豬的有效可達12只以上，每胎產活仔數8～12頭。
1.1.1種質特性朱吉等［1］發現寧鄉豬經營養物質條件的改善及飼養科學的適應性變化，肢蹄臥系率降低92.2%，體尺體重性狀和繁殖性狀提高率分別達6.97%～27.67%、11.62%～17.44%，窩重提高率達26.91%～78.97%，特別是閹豬的生長速度和胴體性能明顯提高。寧鄉豬母豬日增重表現為前期低、中期高、后期下降的生長曲線，閹豬表現為前期高、中期低、后期回升的生長曲線，閹豬和母豬都具有生長肥育期日增重曲線的相似性。后備公豬的體重及體尺指標不及同齡母豬，主要是性成熟過早所致。
1.1.2肥育性能Rorz指出，改變日糧組成分與結構可以減少3.2%～62%的氮排出。寧鄉豬與瘦肉型豬氮的消化利用能力存在差異，寧鄉豬12.91%蛋白質日糧組具有較好的能氮平衡性。研究表明在寧鄉豬生長肥育后期添加一定量的半胱胺可促進生長、提高胴體瘦肉率和改善豬肉品質。寧鄉豬雜交組合具有較高的生長速度和胴體品質。寧鄉豬生長肥育性能的可塑性較強，閹公豬的生長肥育性能優于母豬，優化飼糧是提高其肥育性能的基礎。寧鄉豬肥育期日增重與膘厚、肥育率呈正相關;胴體長與胴體寬、后腿重與腿臀圍呈強正相關，與肥肉率呈弱正相關，與瘦肉率呈弱負相關;眼肌面積與瘦肉率呈弱負相關，而與肥肉率呈弱正相關。最近研究表明由于寧鄉豬肥膘產量高，相對產值較低，所以55～85kg階段是寧鄉豬的最佳屠宰期。
1.1.3母豬營養需要研究表明寧鄉豬母豬妊娠前期、妊娠后期和哺乳期能源分別為37%～39%、22%～24%和39%～41%，相應的日攝食標準消化能分別為18.9MJ、27.0MJ和45.5MJ，粗蛋白質分別為156g、242g、538g;提高母豬哺乳期采食量是節省能量、提高仔豬增重的重要途徑，補飼青料可提高母豬的飼料利用率。近期研究表明14%以上的日糧蛋白水平有利于促進寧鄉豬母豬的生長發育［7］。
1.2生理、生化指標研究表明寧鄉豬白細胞總數、紅細胞體積、淋巴細胞計數及血小板均低于三元豬;甘油三酯、總膽固醇、高密度脂蛋白、低密度脂蛋白與血清甲狀腺素T3含量高于三元豬，血清甲狀腺素T4和胰高血糖素含量下限值低于、上限值高于三元豬，血清葡萄糖含量低于三元豬可能與胰島素含量高于、胰高血糖素低于三元豬有關。與近交系五指山小型豬、廣西巴馬豬和貴州小型豬等國內小型豬相比，寧鄉豬的堿性磷酸酶、乳酸脫氫酶、低密度脂蛋白-膽固醇和總膽固醇較高，而γ-谷氨酰轉移酶、三酰甘油、肌酐和高密度脂蛋白-膽固醇較低;與杜洛克豬、長白豬、大約克夏豬等國外引進品種豬相比，寧鄉豬的丙氨酸氨基轉移酶、堿性磷酸酶、乳酸脫氫酶明顯較高，總膽固醇明顯較低，γ-谷氨酰轉移酶、總蛋白、白蛋白、尿素氮、葡萄糖相差不大［9］。郭潔平等［10］研究發現與長白豬相比，寧鄉豬血清精氨酸、一氧化氮濃度較低，空腸前段和肝臟一氧化氮合成酶活性較高，腎臟中的一氧化氮合成酶活性最低，腸道和肝臟中N-乙酰谷氨酸合成酶mRNA表達水平最高。
1.3病理特性研究發現豬流感(H3)誘發寧鄉豬高熱病病理變化主要在呼吸器官，表現為氣管、支氣管充血，肺腫大，小葉間質增寬，肺尖葉有實質病變，腸胃出現卡他炎癥、彌漫性出血。外來良種豬及其三元雜交、二元雜交生豬發病嚴重，死亡率高，寧鄉豬及其與外來良種豬的雜交后病癥狀較輕，治療也容易一些，有的生豬甚至不治而康復，死亡率也相對較低［12］。
1.4肉質性狀寧鄉豬肌纖維纖細，紋理間脂肪分布豐富均勻，肉質細嫩，肉味鮮美，是北京奧運會唯一指定豬肉產品。根據營養需要推薦飼養標準配制日糧，測定肌肉常規成分、氨基酸、脂肪酸和礦物元素，發現寧鄉豬肌肉內脂肪為5.37%，風味氨基酸高達220.5%，必需氨基酸高達122.4%，油酸(18:1)51.0%，亞油酸(18:2)7.74%，不飽和脂肪酸59.6%，是與深海魚油媲美的保健食品。寧鄉豬和三元豬鮮味氨基酸、必需氨基酸和氨基酸總量差異不顯著［1，13］。目前開展了寧鄉豬與商品瘦肉型豬生長激素基因功能比較研究，王文策等選用了融合表達載體構建寧鄉豬生長激素的原核表達質粒，成功構建重組原核表達質粒pET-GH。
1.5遺傳學特性研究發現寧鄉豬二、四、六月齡時體重變異系數均在16.28%以上，體長、胸圍、腿臀圍變異系數為5.66%～8.55%。寧鄉豬的體長與胸圍的遺傳相關系數為0.43，表型相關系數為0.74，這與寧鄉豬屬于脂防型豬種、具有邊長邊肥的特點有關。寧鄉豬頭長、額寬、腿臀圍、體高具有高遺傳力，頭長、額寬表型變量受環境偏差的影響較小。寧鄉豬的變異系數較小，產仔數、產活仔數、初生重、泌乳力、斷奶重等性狀的變異系數較大。寧鄉豬毛色是品種特征和遺傳穩定性的標志;與瘦肉量相關系數最高的是后腿重。研究發現TLR6基因片段MspI酶切位點的兩種等位基因T/C的頻率分別為0.186/0.814，TT基因型個體顯著影響4月齡體質量性狀，TT基因型4月齡體質量比CC型高25.92%;TT基因型個體顯著影響45日齡體質量、6月齡體質量、體長和胸圍性狀，TT基因型45日齡體質量比CC型高12.46%，結果提示寧鄉豬TLR6基因不同基因型對生長性狀有著重要的影響，是寧鄉豬育種應用中的一個潛在遺傳標記。
2實驗寧鄉豬在生物醫學研究領域中的應用
2.1實驗寧鄉豬應用于醫學研究的優點研究顯示靈長類、犬、貓等在動物實驗研究中受到倫理限制，而豬被認為是研究人類疾病最合適的實驗動物。既經濟實用，又克服了同種器官的短缺。豬心血管系統的解剖、生理特征和對致動脈粥樣硬化食物的反應與人類高度一致，成為心血管疾病研究的標準模型動物;豬腎臟的解剖和生理功能幾乎是人類的復制品;豬也是皮膚和整形外科手術、皮膚燒傷等較理想的模型動物;小型豬還是皮膚黑色素瘤研究的首選實驗動物。剛出生的或剖腹產得到的仔豬，是進行抗原抗體反應很好的模型動物，小型豬也是人類異種移植理想的組織、器官來源，可作為異種移植排斥反應的模型。
2.2實驗寧鄉豬在生物醫學研究中的應用最近研究發現原代寧鄉豬與其第一代仔豬13項血液生理指標如白細胞、紅細胞、血紅蛋白、紅細胞積壓及部分血液生化指標如總膽紅素、尿素氮、總蛋白等有顯著性差異，為寧鄉豬實驗動物化研究提供了參考數據。研究發現寧鄉豬與人N-乙酰谷氨酸合成酶氨基酸序列同源性高達93.2%，與小鼠同源性達90.76%，為內源性精氨酸的營養調節提供一個新的途徑。趙拴平等發現寧鄉豬的總蛋白、三酰甘油、尿素氮、葡萄糖等血液生化指標都處于人參考值范圍內，堿性磷酸酶、總膽固醇均高于人參考值范圍。耿梅梅等還發現，門靜脈灌注葡萄糖可使寧鄉豬血糖短期升高，白蛋白、低密度脂蛋白及α-淀粉酶活性下降，經機體代謝，上述指標逐漸恢復，但尿素氮、高密度脂蛋白、堿性磷酸酶和乳酸脫氫酶的活性基本無變化。研究還發現寧鄉豬與瘦肉型豬相比有不同的代謝，包括脂肪生成、脂質過氧化、能源利用和分區、蛋白質和氨基酸代謝、胃腸道微生物的發酵，肥胖寧鄉豬可能是兒童肥胖研究的有用模型，也可能是研究動脈粥樣硬化、糖尿病有利模型。寧鄉豬完整線粒體基因組序列為有關遺傳機制的進一步研究提供重要數據，但研究還表明寧鄉豬可能不宜作為異種移植的適當供體。
3展望
太赫茲波所處的“承前啟后”的獨特頻段使其具有很多獨特的性質，包括高透性、低能性、指紋譜性以及相干性。高透性是指太赫茲對許多介電材料和非極性物質具有良好的穿透性，可對不透明物體進行透視成像，是X射線成像和超聲波成像技術的有效互補;低能性，顧名思義是指太赫茲光子能量很低，只有4．1meV(毫電子伏特)，對人體級生物體十分安全;指紋譜性則是源于不同的分子對太赫茲的吸收及色散特性不同，形成特有的“指紋譜”，每一種物體都有其獨特的區別于其他物體的“指紋譜”;太赫茲是由相干電流驅動的偶極子振蕩或由相干的激光脈沖通過非線性光學差頻效應產生的，因此具有相干性，用于太赫茲成像技術，可獲得更高的空間分辨率及更深的景深等，目前太赫茲顯微成像的分辨率已達到幾十微米。
2太赫茲在生物醫學工程領域的應用
太赫茲的上述特性使其在生物醫學工程的各個方面有著誘人的應用前景。其應用主要有以下幾個方面:太赫茲生化檢測、太赫茲醫學成像診斷、太赫茲組織檢測、太赫茲治療以及太赫茲醫學通信。
2．1太赫茲生化檢測
利用太赫茲波對生物分子的靈敏度和特異性，將太赫茲技術用于研究生物分子的結構和功能信息，可在分子層面上為疾病的診斷和治療提供理論依據。太赫茲生化檢測主要是對化學及生物大分子的檢測，太赫茲波能夠用來研究如范德華力或者分子間氫鍵作用力等生物分子間相鄰分子的弱作用力。太赫茲波對脫氧核糖核酸(DeoxyribonucleicAcid，DNA)構形和構象的變化非常敏感，也可以通過太赫茲光譜進行基因分析或無標記探測。許多學者都開展了這方面的研究。Grant等于1978年研究了太赫茲與氨基酸溶液的相互作用，通過分析證實了這種作用是介于分子振動和轉動模式之間的一種作用。Kutteruf等用太赫茲光譜技術對固態短鏈肽序列進行了研究，研究表明在1～15THz光譜范圍內包含了體系的很多光譜和結構信息，如分子固相結構和與序列相關的分子信息等。Arora等采用太赫茲時域光譜技術，在水相中對通過聚合酶鏈式反應得到的DNA樣品進行了無標記定量檢測。Brucherseifer等通過時間分辨太赫茲技術證明了復數折射率取決于DNA的結合狀態。太赫茲生化檢測方面的研究尚處于起步階段，還有待加強，尤其是對不同生物大分子的太赫茲光譜特性建立相應的特征譜庫是一項龐大而艱辛的工作，需要生化領域的學者加強相關的研究工作。
2．2太赫茲醫學成像診斷
太赫茲成像技術是太赫茲科學與技術中最具發展前景的方向之一。太赫茲成像作為一種新穎的成像方式在醫學上的應用近年來備受青睞。太赫茲波在醫學研究中具有獨特的優越性:對細胞間質水有很高的敏感性;對人體無害;空間分辨率高，可達幾十微米，能夠很清晰的看到一些病變組織的病灶，結合一些微結構器件可以得到高品質的圖像。太赫茲成像的原理是將太赫茲波透過成像樣本后，其包含了樣品的復介電常數的空間分布信息強度和相位信息，將這些信息保存下來并進行分析處理就可以得到樣品的圖像。從1995年Hu和Nuss首次提出逐點掃描式太赫茲時域光譜成像技術以來，一系列新的太赫茲成像技術相繼被提出，如太赫茲實時成像、太赫茲層析成像和太赫茲分子成像等。2002年Woodward等首先使用了太赫茲脈沖成像技術對基底細胞癌開展了體內與體外的研究，利用不同組織對太赫茲波的吸收特性不同來區分健康組織和癌變組織。2007年Enatsu等利用THz－TDS系統對石蠟封裝的肝癌樣品開展了研究，在1．5THz頻率處選擇折射率和吸收系數進行成像，得出癌變組織的密度小于健康組織，對太赫茲的折射率和吸收系數較小的結論。2008年Taylor等在直接檢測的基礎上使用反射脈沖太赫茲波成像系統對豬皮膚燒傷樣本成像，得到了高分辨率的圖像。2011年MiuraY等利用透射式成像技術，證明了在3．6THz頻率處對肝癌組織成像對比度較為顯著。目前太赫茲射線圖像分析的關鍵在于提高分析速度，提高太赫茲射線系統的性能(如低成本和便攜性)，加強相關圖像及信號處理技術如小波變換技術的研究。此外，隨著THz3－D(三維)立體成像技術的發展，在不久的將來在醫療中利用TCT(THz層析成像)替代現在的XCT(X射線層析成像)將成為可能。
2．3太赫茲組織檢測
太赫茲波的光子能量較低，是X射線光子能量的1%，此能量值低于各種化學鍵的鍵能。在太赫茲輻射下，被檢物質不會因電離而破壞，因此非常適用于針對人體或其他生物樣品的活體檢查。另外，水對太赫茲輻射有極強的吸收，所以該輻射不會穿透人體的皮膚，對人體是非常安全的。Bennett等將反射式太赫茲成像和光譜技術應用到眼科研究中，研究發現太赫茲反射率與角膜含水量近似成正比，反射率隨頻率的增大而單調遞減。Png等使用太赫茲光譜鑒別正常和患病的腦組織樣本。Sim等采用太赫茲時域光譜技術對人牙齒的琺瑯質和牙本質的特性進行了研究，發現濕潤樣本對太赫茲的吸收率高于干燥樣本，研究為硬組織臨床應用提供了重要信息。Wallace等對基底細胞癌18例體外樣本和5例活體樣本進行了太赫茲脈沖成像，研究表明，癌變組織與正常組織的太赫茲譜圖性質間存在差異。對于太赫茲組織檢測，首先要加強對于病理組織和正常生理組織的太赫茲光譜和太赫茲圖像的特征識別的研究;其次要深入研究不同組織不同水分含量對太赫茲波的吸收作用;此外，還要探索太赫茲活體組織檢測技術。
2．4太赫茲治療
太赫茲雖然光子能量很低，但作為一種電磁輻射，仍具有輻射效應，可以為疾病治療提供理論依據。2002年Hadjiloucas等研究了酵母細胞在太赫茲輻射下的生長率問題，輻射參數為0．2～0．35THz和5．8mW/cm2，輻射時間30～150min不等，實驗表明太赫茲輻射能夠促進細胞生長，并且呈現出了一定的統計規律。2005年，Ostrovskiy等預測太赫茲輻射可能會加快燒傷修復，為證實假設，他們分別對表面燒傷和深度燒傷的病人進行太赫茲輻射，輻射參數為0．15THz和0．03mW/cm2，每天進行7～10次治療，每次15min，結果表明太赫茲輻射能夠加速外皮形成，縮短了皮膚的修復時間。2008年Kirichuck等首次對活體大鼠展開太赫茲生物效應的研究，他們認為太赫茲輻射能夠引起血小板的功能活動，并且與性別有關。Androvov和Kirichuk等采集了健康人和患有心絞痛的病人的全血，一組進行太赫茲輻射，另一組作為參照組，輻射參數為0．24THz和1mW/cm2，輻射持續時間為15min，實驗結果為太赫茲輻射組血黏度下降，紅細胞變形能力增加。2010年，Gerald等對人類皮膚的成纖維細胞展開了研究，他們將樣品置于溫度可控的箱體中，用2．52THz的氣體激光器進行時間不等的照射，并用傳統的MTT法檢測照射后細胞活性，研究表明2．52THz的輻射對哺乳動物的細胞熱效應顯著，因此可以用太赫茲熱效應預測傳統的熱損傷模型。目前，用于涉及太赫茲治療的研究實驗多為動物實驗，相關的臨床試驗還很有限，距離現實可用的臨床治療設備還有很長的路要走。
2．5太赫茲醫學通信
隨著醫院信息系統的不斷完善，醫學診斷數據的豐富，病歷信息數據庫的不斷增大，醫生在診斷病人病情的時候不但要根據現有的檢測診斷數據，還要參考病人的以往病歷，而現有的信息交互方式已經逐漸無法滿足這龐大的醫學信息數據的傳輸。太赫茲技術的出現，恰好可以解決這方面的困境。太赫茲通訊技術與微波通信相比太赫茲通訊的優勢在于具有傳輸的容量大，頻段比微波通信高出l至4個數量級，可提供高達10GB/s的無線傳輸速率;波束更窄，方向性更好;具有更好的保密性及抗干擾能力;由于太赫茲波波長相對更短，在完成同樣功能的情況下，天線的尺寸可以做得更小，其他的系統結構也可以做得更加簡單、經濟。太赫茲通訊技術與光通信相比其優勢在于光子能量低，大概是光子能量的1/40，能量效率更高;具有很好的穿透沙塵、煙霧的能力，可以在更加惡略的環境下保證通信的可靠性。這對于極端環境下的醫療通信如戰地醫院、邊遠山區醫療救助等條件下的通信具有無可比擬的優勢。因此，發展太赫茲通訊技術對于醫院信息化建設乃至遠程醫療的發展都將是一個極大的助力。目前，太赫茲通信在醫學中的應用尚無相關報道，主要是因為太赫茲通信技術本身尚處于初級階段，但是相關的試驗系統已經有所發展。2004年，KleineOT等首次采用室溫半導體太赫茲調制器通過太赫茲通信信道發送聲音信號，用經改進的常規太赫茲時域光譜裝置，在75MHz寬帶的太赫茲脈沖序列上傳送25kHz的信號。同年，LiuTA等利用光導開關，實現了模擬音頻信號通信實驗。2004年，日本NTT公司的T．Nagatsuma等搭建了120GHz的亞太赫茲無線通信系統，實現了10Gb/s的數據率。2005年，Mueller等描述了采用太赫茲波源和Schottky肖特基二極管調制器和探測器的寬帶寬通信數據鏈路。2008年，Braun-schweig太赫茲通信實驗室在0．3THz頻率上成功實現6MHz帶寬模擬彩基帶信號的傳輸，實驗距離超過22m。太赫茲通信技術發展的研究趨勢在于以下幾個方面:一是繼續研究高功率的太赫茲源;二是加強太赫茲波傳輸性能的研究;三是要研究合適太赫茲信道傳輸的調制技術和調制器件;最后還要進一步優化高靈敏的太赫茲探測技術。此外，還要開展太赫茲通信技術在醫院信息化建設中的應用的前瞻性研究，為將來能夠成熟應用打下基礎。
3總結
我鎮清泉村委會西爾村陳某養羊64只，其中羔羊18只，2008年5月2日中午放牧后，傍晚放牧回欄后，次日發現3只小羔羊右眼半閉合，紅腫，沒能引起注意。自5月5開始，5只小羔羊又發病，一個星期后，周圍10只羔羊全部發病。
2臨床癥狀
病羊一般會出現食量減少，精神不振，開始為一側眼睛羞明流淚，若治療不及時或控制不力，就會雙側眼睛羞明流淚，再發展就會出現眼瞼紅腫，閉合不良，并可出現膿性分泌物，使病眼粘連，呈閉合狀。病眼結膜檢查發現眼瞼結膜充血水腫，眼內可見清稀或粘稠狀分泌物，隨著病程的延長，病眼角膜逐漸失去光澤，表面凸凹不平，呈白霧狀，后期白霧會覆蓋整個眼球。
3診斷及治療
根據流行病學和臨床癥狀，診斷為羔羊傳染性角膜結膜炎，采用下列方法進行防治
3.1對羔羊圈舍進行清潔處
圈舍四周開窗使空氣對流，勤清理糞便，用石灰消毒圈舍，加高墊床。
3.2藥物治療
先用0.9%NaCl把眼內分泌物沖洗干凈，然后用青霉素和漣霉素滴眼，其中滴眼液中含青霉素和漣霉素分別為5000U/ML和5000/μg，每日滴3—6次。
3.3羊順氣孔插枝治療有特效
3.4自血療法
對一些病情比較重的羔羊，在運用青霉素和漣霉素滴眼的同時，可在病羊頸靜脈采血后，迅速注入到病眼眼瞼皮下組織2ML（動作要快，防止血液凝固），隔3日1次，連用3次即可。一般24小時后癥狀減輕，分秘物減少，痊愈羊患眼無痕跡，視覺正常，全部治療好。
4小結
1.1模型準備
首先要了解實際背景，尋找內在規律，形成一個比較清晰的輪廓，提出問題。
1.2模型假設
在明確目的、掌握資料的基礎上，抓住問題的本質，舍棄次要因素，對實際問題做出合理的簡化假設。
1.3模型建立
在所作的假設條件下，用適當的數學方法去刻畫變量之間的關系，得出一個數學結構，即數學模型。原則上，在能夠達到預期效果的基礎上，選擇的數學方法應越簡單越好。
1.4模型求解
建模后要對模型進行分析、求解，求解會涉及圖解、定理證明及解方程等不同數學方法，有時還需用計算機求數值解。
1.5模型分析、檢驗、應用模型的結果
應當能解釋已存的現象，處理方法應該是最優的決策和控制方案，所以，對模型的解需要進行分析檢驗。把求得的數學結果返回到實際問題中去，檢驗其合理性。如果理論結果符合實際情況，那么就可以用它來指導實踐，否則需再重新提出假設、建模、求解，直到模型結果與實際相符，才能進行實際應用。總之，數學建模是一項富有創造性的工作，不可能用一些條條框框的規則規定的十分死板，只要是能夠做到全面兼顧、能抓住問題的本質、最終檢驗結果合理，都是一個好的數學模型。
2數學建模在生物醫學中的應用
2.1DNA序列分類模型
DNA分子是遺傳信息存儲的基本單位，許多生命科學中的重大問題都依賴于對這種特殊分子的深入了解。因此，關于DNA分子結構與功能的問題，成為二十一世紀最重大的課題之一。DNA序列分類問題是研究DNA分子結構的基礎，它常用的方法是聚類分析法。聚類分析是使用數據建模簡化數據的一種方法，它將數據分成不同的類或者簇，同一個簇中的數據有很大的同質性，而不同的簇中的數據有很大的相異性。在對DNA序列進行分類時，需首先引入樣品變量，比如說單個堿基的豐度、兩堿基豐度之比等；然后計算出每條DNA序列的樣品變量值，存入到向量中；最后根據相似度度量原理，計算出所有序列兩兩之間的Lance與Williams距離，依據距離的遠近進行分類。對于模型的好壞，可選取已知分類的DNA序列進行檢驗，若按照該模型做出的分類與已知分類相符，則模型可取，反之則需調試樣本變量，直到取得滿意的結果為止。
2.2傳染病模型
為了能定量的研究傳染病的傳播規律，人們建立了各種類型的模型來預測、控制疾病的發生發展，比如說，SI模型（適用于患病后難以治愈）、SIS模型（適用于患病者治愈后不具有免疫力）、SIR模型（適用于患病者治愈后具有終身免疫力）、SIRS模型（適用于患病者治愈后具有暫時免疫力）等。這里以SIR模型為例來做具體地說明。假設不考慮人口的出生、死亡、流動等因素，設總人口始終保持一個常數N，記t時刻的易感染者、已感染者和已恢復者的人數分別為S(t)、i(t)和r(t)，則可建立下面的三房室模型：
2.3療效評價模型
對于同一種疾病，醫生根據其經驗的不同往往會制定出不同的治療方案，而每種方案的經濟成本不同并且會產生不同程度的副作用，因此合理評價其療效就有著重要的意義。目前常用的療效評價模型有多元非線性回歸模型、模糊評價模型、灰色關聯度模型以及BP神經網絡模型等。不論哪種模型都需要先確定評價參數，所謂評價參數指的是以什么來衡量療效，如在艾滋病療效評價中，可采用CD4的濃度、HIV的濃度或是CD4與HIV濃度的比值來衡量療效的好壞。而選取模型時，只要它能把樣品的綜合療效客觀真實的體現出來，都是有效的。
3結束語
根據生物醫學工程專業的特點，通過開設生物醫學工程專業電子類綜合實驗，實現電子類課程實驗內容優化和實踐創新。圍繞生物醫學工程專業，以實踐創新作為綜合實驗教學的目的，將具體的綜合實驗的實驗項目拆分后分布于各門電子類課程實驗教學中，使學生在各門課程的實驗中通過不斷積累，最后完成給定的綜合實驗項目。主要內容包括：改革教學計劃、教學內容，提出相適應的實踐內容,建立有利于提高學生實踐能力的教學模式。該改革對促進生物醫學工程專業的教學工作、提高教學質量具有重要意義。
（1）只有精心確立具有生物醫學工程特色的電子實踐內容和設備
才能使學生了解所學知識的用武之地，更好地激發學生的自主學習興趣，將所學理論與專業實際有機結合，提高專業知識的應用力，使學生能真正掌握生物醫學電子系統設計。
（2）只有建立科學合理的教學模式
才能培養具有合理知識結構、基本工程意識、較高專業技能和較強創新能力的高素質人才。具體的生物醫學工程專業電子類綜合實驗，包括前期各個模塊的制作和后期系統調試兩個階段。其中，前期模塊制作融于各門電子類課程的實驗內容，要求各門任課老師結合課程教學內容和綜合實驗題目，確定各自課程的實驗內容，要求實驗內容為綜合實驗的一部分，讓學生實現各個模塊的制作；后期的系統調試則由綜合實驗這門課完成，要求學生組合前期的各個模塊，完成綜合實驗內容的要求，任課老師根據學生完成情況給成績。
2基于心電信號采集的電子類綜合實驗教學
人體心電采集涉及多門課程，如生物醫學傳感器、模擬電子技術、數字信號處理、單片機以及C語言等。在以上各門課程的實驗教學中，讓學生完成心電采集各部分的制作，各門課程老師根據學生各個模塊的制作情況給這一門課程的實驗成績。根據本校生物醫學工程本科專業培養計劃，從二年級開始，在模擬電子技術實驗課中告訴學生本次電路設計的目的：心電信號采集系統中的放大模塊制作。給出心電采集放大電路的性能指標：頻帶范圍0.05～200Hz，放大倍數60dB，共模抑制比80dB，輸入阻抗>100M歐姆，輸出電壓0-5V。學生根據以上指標，參考模擬電子技術課程內容采用運算放大器搭建、調試電路。以上實驗內容可以作為模擬電子技術試驗課的2-3次試驗課內容。類似的，在三年級的微機原理課程實驗中，首先告訴學生實驗目的：心電信號采集系統中的單片機控制模塊制作。要求學生在單片機MSP430上通過C語言編程，控制A/D轉換電路，實現0-5V電壓的實時采集，主要任務包括制作MSP430單片機模塊，編程msp430片內8位A／D模塊實現實時采集0-5V正弦信號（轉換時間為100μs），以上內容作為3-4次微機原理實驗課程內容。對數值化后的心電信號進行頻域和時域分析，可以安排在三年級課程的數字信號處理課程實驗中，要求學生通過matlab編程實現根據采集的心電信號計算出心率值；同樣是三年級課程的生物醫學傳感器實驗則要求學生，整合前面自己設計的電路及程序，采集真實的人體心電信號，顯示心電波性和心率值。一個完整的心電采集裝置制造過程歷時2個學期，整個心電采集系統制作、調試完成后，老師給一個成績作為綜合實驗這門課程的成績。為本校生物醫學工程專業學生最后制作的心電采集系統。總之，通過將心電采集系統設計分散到多門課程中，學生循序漸進的完成心電采集相關電路的搭建，編寫、調試心電信號處理程序，實現人體心電采集實驗的要求，學生在此次心電采集綜合實驗表現出很高的積極性。
3結語
1資料和方法
1.1一般資料
本研究選取本校2014級中醫八年制專業的138名學生作為PBL教學研究對象，授課教材使用中醫藥出版社《生物化學》第7版唐炳華主編教材，
1.2教學方法
目前我校針對中醫專業特點，將中醫專業生物化學授課內容整體優化后劃分為三大版塊，即物質化學、物質代謝和肝膽生化與疾病。物質代謝版塊包括生物氧化、糖代謝、脂類代謝、氨基酸代謝四個部分。肝膽生化與疾病是第三版塊。在有限的學時內，全程展開PBL教學有一定的困難。因此，我們結合中醫專業特點，精選適合PBL教學的物質代謝版塊和肝膽生化與疾病版塊內容，選擇合適的臨床病例，在課堂中以微視頻形式播放并講解相關的具體臨床病例情況并提供患者資料，要求學生針對此患者基本情況，利用網絡查閱相關資料，分組討論疾病的可能發病機制、目前中、西醫臨床治療方案，并比較不同臨床治療方案之間的優劣，以促進學生從分析解決臨床問題的角度理解生物化學物質代謝和肝膽生化版塊授課內容，激發學生學習積極性，提高教學效果。例如：采用微課小視頻在課堂展示以物質代謝紊亂引起的疾病如脂肪肝、多并發癥糖尿病、動脈粥樣硬化、膽結石和黃疸等疾病相關的臨床病例，要求學生針對上述疾病從生物化學知識角度討論疾病發生的機制及目前中、西醫臨床治療方案，促進中醫八年制學生從物質代謝角度理解并討論疾病發生的具體機制以及中西醫治療差異，培養他們分析、解決臨床問題的能力。
2評價和分析
PBL教學效果學生以小組為單位在固定的時間內對課堂中提到的問題，每組出一名學生代表回答問題。學生通過多種途徑如電子版教材、網絡精品課程視頻、網絡微課、慕課教學平臺、手機移動百度搜索等搜集資料，進行分組討論并在課堂中搶答積極討論。鑒于課時的關系，有些復雜問題留給學生放在課后討論。授課老師針對學生在討論過程中出現的帶有共性的問題進行講解，并結合授課內容強調重點、難點。在整個過程中，教師應把控課堂討論氣氛，引導學生積極思考。在學生回答問題方面，結合目前我校實施的形成性評價考核進行評價。學生的形成性評價考核成分由期末考試成績(70%)、平時成績(20%)和實驗成績(10%)三部分構成。平時成績占20分(由課堂討論回答問題情況構成)。在PBL教學模式中，每組學生在回答問題方面的表現是平時成績的組成部分。對于回答問題較好的每組同學給予更高的平時成績。同時，教師對學生回答問題情況(問題回答的正確性，問題回答的深度和廣度)進行點評，引導學生反思在解決和分析問題的過程中存在的不足。通過反思做出總結，鞏固自己學到的知識。同時，也可讓學生在課后整理自己以及本組在討論過程中出現的問題、錯誤。教師根據學生在討論中的表現做出客觀的評定。當然，在PBL教學過程中，教師也可根據學生的反饋發現自己的不足，從而進一步拓寬自己的知識面，作出及時而有效的調整，使教和學雙方面同時得到提高。采用PBL教學方法實施教學后，筆者對參加PBL教學的中醫班學生發放問卷調查進行效果評價。調查內容包括臨床問題分析能力、自主學習能力，對生物化學授課內容的理解能力，對本課程的學習興趣、師生互動、課堂氣氛、學習的積極性和主動性、學習思路開拓、知識的記憶能力等方面。此問卷主要評測中醫八年制學生對生物化學課程物質代謝相關知識的掌握及對PBL教學方法在中醫八年制生物化學課堂教學中實施的合適度等，共發放調查問卷138份，回收138份，應答率100%。調查的具體結果見表1。從以上問卷調查結果看出，在中醫八年制生物化學教學中實施PBL教學法，82.60%學生認為提高了他們對生物化學課程的學習興趣，85.50%學生認為PBL教學增強了他們對生物化學授課內容的理解，80.43%學生認為PBL教學提高了他們對生物化學授課內容的記憶能力。此外，調查結果還顯示PBL教學活躍了中醫班生物化學課堂氣氛，在結合臨床疾病發病機制和治療方案基礎上提高了中醫八年制學生分析和解決臨床問題能力。PBL教學開拓了學生思維，使學生在分析主觀題時思路更廣闊，能夠引用其他學科知識，體現出較強的綜合能力，尤其是在培養中醫學生臨床思維能力、綜合分析能力和探索創新精神方面。
3討論
PBL教學法的特色是以問題為基礎，以學生為中心，以具體病例為切入點提出問題，以討論這些問題為手段來激發和啟迪學生的思維，培養學生臨床思維能力[3-4]。在中醫八年制生物化學PBL教學模式中，教師在課堂中采用微視頻展示相關病例情況，介紹患者的具體情況并提出問題，學生圍繞教師提出的問題，利用當今發達的網絡資源進行深入思考并展開討論。針對學生回答問題的積極程度和準確度，以給予平時成績的形式對學生回答問題的表現情況進行形成性評價。通過結合PBL教學方式，在中醫八年制班級中以討論形式講授物質代謝與疾病相關內容，充分調動學生積極性，在中醫班形成了輕松愉悅的生物化學學習氛圍。調查報告結果還顯示，PBL教學促進中醫專業學生對物質代謝中復雜代謝途徑知識的理解和掌握，提高了學生臨床思維和綜合分析能力，有利于培養適應新時代的創新性的卓越中醫人才。例如：教師通過以臨床真實病例為出發點引導中醫八年制學生對“不同類型糖尿病發病機制和中醫臨床治療策略”和“肝性腦病的發病機制和中醫臨床治療策略”等問題進行思考和分析，從分析臨床問題角度充分挖掘中醫八年制學生臨床思維潛能。盡管PBL教學提高了中醫八年制學生臨床思維和生物化學教學效果，但是在順利開展需要解決以下問題。首先，教師應結合理論知識精選臨床病例，學生應對物質代謝授課內容十分熟練，并配合老師積極查閱相關資料熟悉臨床疾病發病機制和臨床治療方案，才具備解決和分析臨床問題能力。其次，在中醫八年制班級生物化學中實施PBL教學，要求教師掌握豐富的中醫中藥理論知識和臨床經驗，具備一定的中醫中藥知識背景，憑臨床和教學經驗來分析教學內容，密切聯系臨床病例。再次，教師還應掌握醫學最新發展動態，密切關注臨床疾病發病動態和各種臨床治療方案，將生物化學代謝知識領域的最新研究成果與中醫臨床疾病防治緊密結合，才能對學生給予正確引導，保證教學活動順利進行。
作者:陶懷 張波 周賽男 宋嵐 胡梅 單位:湖南中醫藥大學醫學院生物化學與分子生物學教研室
參考文獻
[1]宋嵐，胡梅，張波，等.在中醫學臨床拔尖班生物化學教學中培養學生科研素質的探討[J].科教文匯，2016（19）:73-74.
[2]張麗娜，金國琴，張學禮，等.提高中醫藥院校生物化學教學質量有效途徑的探索[J].上海中醫藥大學學報，2015，29(2):8-10.
采用調查問卷和理論考核成績來評價教學效果。理論考核分兩次，一次是針對CMT教學內容在對照組和實驗組展開測驗，題型包括選擇題、填空題、問答題和綜合題。前三種題型主要考察學生對基礎知識的掌握情況，共80分，綜合題一道，分值為20分，目的是考察學生分析問題及綜合運用知識解決問題的能力。第二次是面向全校2011級學生的期末理論考核，均是傳統考試題型，總分100分，主要考察學生對書本內容的掌握情況。1.4統計學處理應用SPSS13.0統計學軟件分析處理兩次的理論成績，數據采用均數±標準差表示，組間比較采用u檢驗，以P＜0.05為差異有統計學意義。
2結果
2.1調查問卷分析
調查全部在實驗組學生中展開，共匿名發放問卷100份，回收100份，回收率100%。結果表明，CMT的引入讓學生明白了基礎知識在臨床中的運用，激發了學習興趣，更重要的是提高了他們對知識的融會貫通能力，這正是應試教育下的學生最缺乏的學習能力之一，見表1。
2.2理論成績分析
由表2得知，在CMT教學內容測試中實驗組對基礎知識的掌握程度明顯優于對照組（u=2.48，p＜0.05），說明CMT教學法提高了實驗組學生的學習興趣，激發了他們的求知欲，培養了其學習能力和方法，從而對基礎知識掌握地更加牢固，表3的期末理論考試成績亦證實了這一點（u=3.72，p＜0.01）。在綜合能力測試方面，實驗組同樣表現優秀，其綜合運用知識分析和解決問題的能力明顯優于對照組，差異有統計學意義（u=10.2，p＜0.01）。
3討論
生物化學是一門重要的醫學基礎課，起著承前啟后的作用，學好它可以幫助醫學生更好地掌握和理解臨床上各種疾病發生、發展的機制及其治療原理，但因其知識點繁雜、枯燥，導致學生學習興趣缺乏和效率低下，歷來被醫學生認為是較難學習的課程之一[4]。對醫學生來說，沒有比臨床病例更能引起其學習興趣，因此我們將CMT引入生物化學教學，通過不斷摸索與實踐，取得了一定的效果，積累了一些經驗，總結如下：
3.1教學案例的難度應符合學生的綜合能力
典型性CMT要求的教學案例是從臨床搜集的真實的復雜病例[5]，對于醫學知識掌握甚少的大一學生來說，即使在教師引導下也很難就復雜的臨床病例做出準確的分析，最終必然會因為超出學生的學習能力而使教改流于形式。鑒于此，我們所采用的病例都是授課教師根據學校的實際情況和教學內容自己編寫的，擯棄了過多的干擾因素，適當降低案例的難度，同時保證其真實度和有效性。此外，為了提高教學質量，對需要教科書以外知識較多的病例，我們同時指定相應的參考書，減輕了學生的課下負擔。實踐表明，以上措施使得大部分學生均能參與課堂教學，課堂氣氛活躍。
3.2CMT盡量不要在新授課中引入
目前的文獻資料顯示，CMT在臨床課程中均是在新授課中應用，先由學生課下預習、自學或者查閱資料來分析問題，課上在教師的指導下通過問題的一步步解決來學習新知識。我們開始也借鑒上述方法，但遺憾地發現，有能力參與課堂教學的學生甚少，教學氣氛慘淡。我們轉而在學完相關章節后引入臨床病例，將其中的知識點甚至是已學的跨課程知識融入到教學病例中，培養學生綜合運用知識能力和臨床思維能力，提高學生學習醫學基礎課程的興趣和靶向性。這才是醫學基礎課程引入CMT教學的主要目的。表1的調查問卷結果同樣證明了這一點。
3.3教師的綜合素質決定了CMT教學質量
由于篇幅限制，本文下面著重介紹聚合物納米藥物。迄今為止，用于納米藥物輸送的載體主要是聚合物［12］。因為聚合物主要有以下優點：分子量大，由于EPR效應，作為載體能使藥物在病灶部位停留較長時間，延長療效。可通過調節聚合物物理化學性能和自身降解而達到緩釋或控釋藥物的目的。易功能化，可把一些具有靶向作用或控釋功能的組分鍵合在聚合物粒子表面。可調控的生物降解性，避免藥物釋放后聚合物載體材料在人體器官聚積，產生毒副作用。（1）聚合物鍵合藥物。聚合物鍵合藥物又稱為聚合物前藥，它們的生物活性取決于鍵合的小分子藥物是否能夠在病變區被及時釋放出來。傳統的小分子化療藥物在給藥過程中遇到許多問題，如在水中溶解性和穩定性較差、體內迅速清除、毒副作用大等。聚合物鍵合藥物采用化學橋聯穩定藥物分子，將小分子藥物以可降解的化學鍵鍵合到聚合物骨架上，可以有效避免納米顆粒在體內循環過程中不必要的藥物泄露，而通過不同的化學鍵的選擇，特別是那些對病變局部環境敏感的化學鍵，比如pH和酶敏感化學鍵，可以實現在腫瘤組織或腫瘤細胞內的可控釋放，這使得其相對于通過物理相互作用包載型的納米藥物更加具有優勢。常見的聚合物骨架包括聚乙二醇（PEG）、聚谷氨酸（PGA）、聚N-（2-羥丙基）甲基丙烯酰胺（HPMA）。Duncan等研發了一系列HPMA抗腫瘤鍵合藥物，目前正在進行臨床I、II期研究。化療藥物是以Gly-Phe-Leu-Gly鍵合到聚合物骨架上。通過細胞內溶酶體的酶解作用，鍵合的抗腫瘤藥物可以被有效地釋放出來，達到了細胞內給藥的要求［13］。再比如將galactose鍵合到聚合物骨架上可以有效地增加這些納米藥物的肝靶向性［14］。（2）聚合物-蛋白質結合體：聚乙二醇和多糖經常用于制備蛋白質高分子共價結合體。獲FDA批準可在臨床上使用的聚合物-蛋白質結合體大多數是由聚乙二醇制備的（PEGylation）。PEGylation可增加蛋白質的水溶性和穩定性，又可降低其相應的免疫原和抗原性，從而延長藥物在體內的循環半衰期［15，16］。如羅氏公司生產的PEGasys（PeginterferonAlfa-2a）可以使干擾素在血清中的半衰期提高50-70倍［17］。高分子蛋白質結合體的制備方法有：帶有功能基團的高分子鏈與蛋白質活性部位直接連接；將與蛋白質具有特異結合作用的分子首先與高分子以共價鍵結合，而后實現高分子與蛋白質的特異性結合。目前關注的熱點之一是對于具有治療作用的蛋白質和催化功能的酶等生物特異性蛋白質，與高分子結合后如何保持其生物功能的問題。（3）RNA納米顆粒：在藥物開發史上，化學藥物和蛋白質藥物已出現，RNA藥物或以RNA為目標的藥物將是藥物開發的第三個里程碑。RNA是由腺嘌呤（A）、尿嘧啶（U）、鳥嘌呤（G）和胞嘧啶（C）構成的一種核糖核酸高分子.與Watson-Crick的DNA堿基配對（A-T，G-C）的雙螺旋鏈的結構不同，RNA的二級結構里經常出現一些非傳統的堿基配對如環環相互作用。通過底端向上的“自組裝”技術，包括模板法和非模板法，RNA分子可以構建種類繁多的和具有生物功能的納米結構。RNA納米治療劑的獨特之處在于，其支架、配體和治療劑都是由RNA組成，由于其均勻的納米級尺寸、良好的生物相容性、低毒性和目標特異性，使其有利于在活的機體內應用而不會在正常器官內積累［18］，為癌癥的治療提供了參考意見。郭培宣等人于1986年構建phi29DNA組裝馬達，是至今所能構建最強大的生物馬達。1987年郭等人［19，20］報道了phi29噬菌體中由pRNA（packagingribonucleicacid，簡稱pRNA）驅動的納米馬達。該納米馬達的功能是包裹DNA并將DNA運送到病毒衣殼中，ATP為這種RNA馬達提供能量。隨后，郭的研究團隊證明pRNA分子可以經過改造構建成二聚體、三聚體和六聚體的納米顆粒，從而開創了RNA納米技術［21，22］。利用此技術，該團隊研發了一系列多功能RNA納米治療劑，可用于靶向治療腫瘤，且不會損傷正常組織。例如［23-26］，利用重新改變結構的RN段攜帶多達4個治療和診斷模塊構建出了超穩定的X形RNA納米顆粒。這些RNA納米顆粒可納入沉默基因的小干擾RNA，調控基因表達的micro-RNA，靶向癌細胞的核酸適體，或是能夠催化化學反應的核酶［27］。（4）固體聚合物納米粒子。其制備方法包括單體聚合成聚合物納米粒子和聚合物后分散自組裝形成固體納米粒子。常見聚合物載體有聚氰基丙烯酸烷酯、聚乳酸、聚（乳酸-乙醇酸），以及天然大分子如殼聚糖和白蛋白等。藥物通過物理吸附或化學鍵合方法引入載體。Abraxane是第一個獲FDA批準的聚合納米粒子藥物，用于乳腺癌、肺癌和胰腺癌的治療，由白蛋白納米粒子和鍵合的paclitaxel組成，尺寸約130nm［28］。聚合納米粒子作為藥物載體除需具備生物相容性和生物降解性之外，單分散性要好。將納米粒子表面接枝PEG可有效增強分散性和在體內的循環穩定性。此外，研發多功能納米粒子以便提高靶向性也是當今研究的一個熱點。（5）聚合物納米膠束。常見小分子表面活性劑形成的膠束穩定性較差，不適于藥物運輸。而聚合物納米膠束，具有載藥量高、載藥范圍廣、穩定性好，體內滯留時間長等優點［29，30］。常用于難溶性藥物、大分子藥物及基因治療藥物的載體，還可實現靶向給藥，具有廣泛的應用前景。聚合物納米膠束通常是由具有親水部分和疏水部分的兩親嵌段共聚物在水中自組裝形成的納米級大小的核-殼型膠束，尺寸大約20-100nm。其中親水部分多由PEG組成，疏水部分多由聚乳酸、聚環氧丙烷、聚氨基酸組成。目前至少有6種聚合物納米膠束抗腫瘤藥物進行臨床研究。納米藥物是具有巨大發展前景的新型藥物，其在醫藥領域的發展必將引起疾病診斷和治療的革命。目前，納米醫藥技術的基礎理論及納米藥物的制備工藝等還很不完善。基礎理論方面，人們對納米藥物在體內的行為，包括組織分布、藥代動力學和藥效，以及它們與載體的化學結構和物理性能之間的相互關系，都缺乏深入和系統的研究；從制備工藝來講，制備工藝要求操作方便、成本低、易于工業化放大生產，產品性能要穩定。因此，納米技術在醫藥領域中的研究還需做大量的工作。其未來發展方向是增強載藥量、提高靶向作用及控釋能力、降低超敏反應［31］。
2納米生物醫用材料
納米生物醫用材料是納米材料與生物醫用材料的交叉，在人類康復工程中發揮重要作用。納米生物醫用材料將解決臨床對傷口敷料、人造皮膚、人造血管和組織工程支架、高性能組織修復、器官替換的迫切需求［32-34］，而且已顯示出巨大的潛在應用價值。材料支架在組織工程中起著重要作用［35］。模仿天然的細胞外基質結構而制成的納米纖維生物可降解材料已開始應用于組織工程的修復和再生。由于軟骨再生能力有限，軟骨組織工程領域的發展具有重要意義，特別是在治療老齡化社會日益流行的大關節骨關節炎方面［36］。嵇偉平等采用塑性變形和化學處理方法在Ti6A14V合金上制得一種新型多孔納米晶體，通過體外實驗研究了成骨細胞在納米Ti6A14V合金表面的黏附情況。結果表明，與普通鈦合金相比，納米表面鈦合金早期就能使成骨細胞偽足伸展良好，促進成骨細胞緊密貼壁和早期融合，與細胞黏附相關的Integrinβ1的表達也高于普通鈦合金，為將納米技術應用到人工關節等植入器械領域提供了新的方向［37］。還可以將納米骨材料［38］植入體內填充各類型的骨缺損，其網狀結構可生長出很多新生的骨細胞，所有填的納米骨材料，最后會降解消失，骨缺損部能完全被新生骨取代。目前醫用納米羥基磷灰石/聚酰胺66復合骨充填材料已投入市場，對骨缺損的恢復具有較好的作用。納米技術與生物醫學的結合，為醫學界提供了全新的思路，在醫學領域的應用已取得一定成果。但目前大多數研究還處于動物實驗階段，仍需大量臨床試驗予以證實，納米材料應用的生物安全性也有待進一步提高。這就要求生物醫學研究者與納米材料的研究人員合作需進一步加強，制造出更先進的生物醫用納米材料。
3納米診斷學
納米診斷學是納米生物技術在分子診斷中的應用，對于發展個性化治療具有重要意義。目前納米生物技術在臨床診斷方面的研究主要集中在納米生物傳感器［39，40］和成像技術［41，42］、使用制造納米機器人在細胞水平上進行維修，生物標志物的提取及測定等［43，44］領域，以疾病的早期診斷和提高療效為目標。
3.1體外生物分子檢測
超靈敏的生物分子檢測方法可以服務于臨床診斷［45，46］。由于待測分子含量很少，因此，對方法的檢測靈敏度有很高要求。納米材料特有的性質可以極大地提高分子檢測的靈敏度和簡便性［47，48］，人們研究了各種各樣的超微量生物分子檢測的信號放大方法［49，50］。丁良等［51］利用納米晶體中陽離子交換反應釋放的陽離子來誘導熒光染料，用于痕量生物分子的檢測，取得良好效果。實驗表明基于ZnS納米簇的陽離子交換放大器的檢測性能優于酶聯免疫吸附測定法（ELISA），檢測限低1000倍。標志著利用便攜式床旁檢測設備檢測生物標記物成為可能。
3.2體內診斷
3.2.1注射PEG-Glu-GNPs后腫瘤的輪廓很容易與周圍組織區別開來，這種復雜的探針可以實現體內疾病的早期診斷，大大有助于癌癥或癌轉移的早期發現［52］。另外開發體內神經遞質參與腦化學的監測是一項具有挑戰性的工作，有助于進一步理解生物分子在病理和生理上的作用。Liu等［53］報道了一種新型的封裝有金納米顆粒的玻璃毛細管來感應大腦多巴胺，結果表明，全氟磺酸改進Au/GCNE可成功用于監測麻醉大鼠紋狀體的多巴胺。Kempen等用光學顯微鏡和掃描電鏡定位、觀察金納米粒子聚集的腦腫瘤模型，發現納米顆粒僅在含有腦腫瘤細胞的區域內聚集，在正常腦組織周圍沒有發現［54］。3.2.2量子點（半導體納米晶體）量子點是以CdSe為核、CdS或ZnS為殼的核-殼型納米體，具有優良的光譜性能。水溶性的量子點在生物化學等研究領域顯示了極其廣闊的應用前景。它的細胞毒性低，可用于活細胞及體內非同位素標記的生物分子的超靈敏檢測。李朝輝等［55］利用反相微乳液技術，以CdTe量子點為核，SiO2為殼，一步制備了表面帶有氨基和磷酸基團的核殼型量子點熒光納米顆粒.該顆粒水溶性好，大小均勻，有效改善了CdTe量子點的不穩定性，成功實現了對肝實質細胞的識別。由于量子點技術有其獨特的標記特點，它必將成為今后生物分子檢測的尖端技術，為DNA檢測（DNA芯片）、蛋白質檢測（蛋白質芯片）和探索蛋白質-蛋白質之間（抗原-抗體、配體-受體、酶-底物）反應原理提供更先進的方法。同時也將極大推動生物顯像技術和生物制藥技術的迅猛發展，給疾病的診斷和治療帶來巨大進步。3.2.3納米磁性顆粒較大尺度的磁性納米顆粒呈現鐵磁性，在交變磁場的作用下可通過磁滯現象產熱，用于癌癥的靶向熱療［56］。而粒徑小于20nm的磁性納米顆粒通常顯現出超順磁性，可被廣泛應用于臨床診斷領域。目前在臨床診斷方面較為成熟、發展較快的應用主要包括：磁共振成像、生物分離、細胞篩選等。（1）磁共振成像（MRI）作為一項新的醫學影像診斷技術，近年來發展十分迅速，所提供的特有信息對診斷疾病具有很大的潛在優越性。利用超順磁性氧化鐵磁性納米顆粒在生物體組織內的特異性分布，有助于提高該部位腫瘤與正常組織的MRI對比度，因而作為造影增強劑被應用于MRI，進行腫瘤及其他疾病的診斷［57］。（2）生物分離。因磁性納米顆粒具有易操控性、比表面積大等優點，使功能化的磁性納米顆粒的應用具有很大的吸引力［58］。當前磁分離的研究涉及生物領域的多個方面，如血液中金屬離子的去除，蛋白質、核酸等的富集、固定化酶的回收與重復等［59］。Yan課題組［60］利用磁性氧化鐵粒子作為載體固定蛋白酶A，并利用其能夠與乙肝病毒表面抗原抗體發生特異性結合的性質，達到測定乙肝病毒的目的。（3）細胞篩選。當組織或血液中僅有微量癌細胞的時候，通過特定的技術就可以精確地檢測到，從而實現對疾病的早期診斷和治療，必將為病人獲得寶貴的治療時間，提高治愈率。所以細胞篩選具有重要的意義。免疫磁珠細胞篩選法可在幾分鐘內從復雜的細胞混合物中分離出很高純度的細胞。Mousavi等［61］等開發了一種新型的與金納米條結合的微流控芯片，利用高效免疫磁珠法捕捉人血中極少量的細胞，可以達到簡單而有效的檢測高純度目標細胞的目的。可以預見，在未來，更加精確的細胞篩選技術將是一個非常熱門的研究方向［62］。雖然功能化的磁性納米材料已經有了廣泛的應用，但如何設計更簡單的制備過程和更新穎的功能化方式以使材料本身具有更好的分散性和使用壽命，仍是研究者們探索的方向.3.2.4納米生物傳感器在癌癥研究領域，利用納米技術制成的傳感器可望使各種癌癥的早期診斷成為現實［63］。納米傳感器靈敏度很高，在進行血液檢測時，當傳感器中預置的某種癌細胞抗體遇到相應的抗原時，傳感器中的電流會發生變化，通過這種電流變化可以判斷血液中癌細胞的種類和濃度。目前越來越多的風險投資正在涌入這一領域，但這一技術在實用中還有一些技術難題需要解決。今后可能會有多種納米傳感器集成在一起被置入人體，以用來早期檢測各種疾病。3.2.5生物芯片生物芯片是基因生物學與納米技術相結合的產物，它不同于半導體芯片，它是在很小的幾何尺度的表面積上，裝配一種或集成多種生物活性分子，僅用微量生理或生物采樣，即可同時檢測和研究不同的生物細胞、生物分子和DNA的特性，以及它們之間的相互作用，獲得生命微觀活動的規律。具有集成、并行和快速檢測的優點，生物芯片技術已經成為21世紀生物醫學工程的前沿科技。基于納米結構陣列的蛋白質芯片和微流控芯片技術在診斷學和生物傳感技術方面的應用具有巨大的潛力［64］。Ali等［65］制備的基于氧化鎳納米棒的微流控生物芯片，采用電化學檢測法來測定人體血液中的總膽固醇濃度，線性范圍為1.5-10.3mmol/L，靈敏度高達0.12mA•mmol-1•cm-2。DNA芯片技術可以快速分析大量的基因信息，從而使生物醫學工作者可以研究并收集基因表達和變異信息，還可用于監測不同的人體細胞和組織基因表達，以檢測癌癥或其它疾病所對應的基因的變化。3.2.6納米機器人納米技術與分子生物學的結合將開創分子仿生學新領域。“納米機器人”是根據分子水平的生物學原理為設計原型，設計制造可對納米空間進行操作的“功能分子器件”。以色列科學家研發出一種“膠囊相機”，將攝像頭內置入比普通感冒藥稍大的膠囊內，以大約每秒14張照片的頻率拍攝消化道內的情況，并同時傳回外置的圖像接收器，可進行人體消化道腫瘤監測。還可將納米機器人注入人體血管內，進行全身健康檢查，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪沉積物，用于動脈粥樣硬化的治療；可吞噬病毒，殺死癌細胞；可將納米機器人以插入導管的方式引入到尿道或膽道里內，直接到達結石所在的部位，并且直接把結石擊碎，進行腎結石、膽結石的治療；還可進行人體器官的修復工作、作整容手術、從基因中除去有害的DNA，把正常的DNA安裝在基因中，這樣可以從根本上治愈遺傳缺陷或病毒，使機體正常運行。未來發展趨勢是當機器人醫生發現可疑病變組織后，立即能伸出“手”來取樣進行活檢。納米機器人在體內的生物傳感與智能配送生物活化劑有很大潛力［66］。
4納米材料和納米生物技術的安全性問題
隨著納米技術的迅速發展，不可避免地導致含有納米顆粒的工業廢水的排放［67］，納米材料的潛在的免疫毒性機制所引起的不良反應還沒有得到足夠的重視［68］。納米顆粒可直接穿透人體皮膚引發多種炎癥；可穿透細胞膜，將異物帶入細胞內部，對人體腦組織、免疫與生殖系統等方面造成損害等。如二氧化鈦容易在飲用水中聚集，從而污染環境、影響健康。接觸二氧化鈦納米微粒后，人體肺部將可能出現炎癥。銀納米顆粒目前已被大量使用。研究表明，即使它在環境中的聚集量很低，也會對水中無脊椎動物造成傷害。碳納米管是工業和實驗所需的材料，注射了碳納米管的老鼠會產生動脈粥狀化、線粒體脫氧核糖核酸損傷等反應。當攝入量較大時，對肌肉細胞也有毒性，會對人體健康有不利影響。但盡管納米生物技術的應用有一定安全性的問題，它的應用也會越來越廣泛，同時這也為納米技術將來的發展指明了方向——如何提高其安全性問題是研究的目標之一。
5發展前景
