生物化学在医学中的应用例1

摘 要： 循问教学模式 （Problem-Based Learning，PBL） ，在医学上的应用首先起源于20世纪70年代的加拿大，20世纪80年代引入我国，成为医学教育改革的方向之一。PBL让学生在课堂上更加主动，带着问题学习，本人通过所教医学检验专业班级的实践教学案例，总结PBL在生物化学课程教学中的应用，取得了比较好的效果。

关键词： PBL；医学检验专业；生物化学教学

一、PBL教学模式简介

循问教学模式 （Problem-Based Learning，PBL） 在20世纪70年代首先出现在加拿大McMaster大学医学院，随后，英国、荷兰、澳大利亚、美国等西方发达国家的大学也陆续引入这种教学模式。20世纪80年代中期我国一些医学院校开始试行PBL，这已成为我国医学教育改革的方向之一。

循问教学模式是一种带着问题出发，采用一定手段引导学生解决问题的教学方法，其教学目标就是着重培养学生的自学能力、合作意识、创新性思维等。生物化学教学中通常将4～6人分为一个活动小组，教师为他们事先设定一个或多个带有比较典型和重要问题及知识点的临床医学案例，学生通过围绕这些医学案例以及一系列与临床紧密相关的实际问题进行循序渐进的研究，通过不断地组织在一起反复地讨论来解决此问题。为了较好地完成此项任务，学生首先要对自己分配到的任务有清晰的认识，分析要解决的问题，有针对性地通过书籍、杂志、网络资源等查找相关知识。从而使学生的作用更加突出，素质更加全面，思维更加活跃。

二、PBL在医学检验专业 生物化学教学中实施的重要性

PBL在医学检验专业中生物化学教学中的最大意义在于为生物化学理论与医学检验专业实践之间的脱节找到一种有效而合理的解决方案，它使医学实践和理论研究问题解决的过程融为一体，并为其他一系列学习目标提供了一种融合的办法。

PBL模式克服了传统生物化学教学模式中学生只能被动接受理论灌输，而实际理论应用到实践又比较困难的现状。PBL创造性地提供了合作性的学习，坚持学生自主为第一位的教学策略。

另外，学生普遍认为生物化学这门课不好学，教师反映不好教授，历年的教学评估和学生考试成绩都不理想。教师通过PBL模式教学，能够大大改观医学检验专业中生物化学这门课的教学效果。

三、PBL在医学检验生物化学教学中应用的基本过程

1 实施方案准备

为了能够很好地在云南省文山壮族苗族自治州卫生学校医学检验专业中对生物化学科目组织实施PBL模式教学，笔者计划用一堂课给学生讲解什么是PBL，以及今后的生物化学这门课我们将怎么结合PBL学习，作为教师今后扮演的角色，提供哪些帮助，对学生会有什么要求，并通过一个应用比较成熟的课堂案例加深学生的理解。

随后，将本人负责教授的一个班级总共48人按照实际情况分成8个小组，每组6个人，分组过程先考虑学生自主选择，采用自我组队的方式，并且每个组内部推荐一名组长。这样使学生之间更加信任，自我管理本身也符合PBL的教学理念。

本人根据生物化学这门课的教学任务，一共准备了12个临床医学案例，按照进度，能够实施8个左右，另外4个作为备选，以便及时根据情况进行调整。

2 教学过程

下面以其中一个教学案例讲解本人在应用PBL模式的教学过程。所选的案例为：动脉粥样硬化的病因。本案例的教学目的有以下三点：

①理解引起血脂增高的外因和内因。

②理解动脉粥样硬化与脂蛋白代谢紊乱的相关性。

③掌握糖尿病、高脂血症与动脉硬化的关系。

按照教学目标，从易向难进行分解，给学生提出的第一个问题就是了解引起血脂增高的外因和内因，要求各小组首先调查身边的亲友有没有血脂高的人，然后针对血脂高的人做调查，主要调查其生活习惯（外因），家族遗传史、自身身体状况（内因）。

各小组进行汇总报告，最后得出结论：

血脂增高的外因：①不良饮食习惯引起的高血脂，如：暴饮暴食、嗜酒、偏食、饮食不规律；②长期服用某种药物，如：避孕药、激素类药物等。

血脂增高的内因：①遗传因素；②糖尿病、甲状腺功能减退、肾病综合征、肾移植、胆道阻塞等因素；③精神因素导致，由于长期精神紧张，导致内分泌代谢紊乱。

了解了高血脂的内外因后，进一步了解动脉粥样硬化与脂蛋白代谢紊乱的相关性，这就涉及医学的原理了。考虑到学生接触PBL模式教学时间不长，本人作了一些引导，对原理进行了简单讲解，并且给出了四个方面的探究方向：①低密度脂蛋白与动脉粥样硬化；②脂蛋白脂肪酶与动脉粥样硬化；③过氧化脂质与动脉粥样硬化；④脂蛋白（a）与动脉粥样硬化。各组学生在课后通过网络、图书馆书籍等从第一个方面：细胞自身因素，常见的有血管内皮细胞平滑肌细胞以及血液中的单核细胞等；第二方面：代谢物因素，比如作用在平滑肌的增殖因子、游走因子、脂蛋白受体、凝血纤溶因子等；第三方面：物理学因素，如剪切应力（shear stress）等，与AS有关的脂蛋白因素有HDL（高密度脂蛋白） 、VLDL（极低密度脂蛋白）、CM（乳糜微粒）、LDL（低密度脂蛋白）、OX-LDL（氧化的低密度脂蛋白 ）、LDLR（低密度脂蛋白受体）、LPL（脂蛋白脂酶）、LP（a）（血清脂蛋白）等三个方面进行了医学原理分析。虽然是理论性的东西，但是也看得出来，学生深入查阅了资料，每组基本都达到了效果。

对于最后一个问题，本人在引导方面就减少了一些，充分发挥学生的主动探索性。对于动脉粥样硬化的病因，学生总结出以下几个方面的可能性：

①高脂血症（hyperlipidemia）。高胆固醇和高甘油三酯血症是AS的最主要危险因素。②吸烟。大量吸烟导致内皮细胞损伤和血内一氧化碳（CO）浓度升高，碳氧血红蛋白增多。血中CO的升高刺激内皮细胞释放生长因子（growth factor，GF），促使中膜SMC向内膜迁入、增生，参与AS的发生。③糖尿病和高胰岛素血症是与继发性高脂血症有关的疾病。糖尿病患者血中TG、VLDL水平明显升高，而HDL水平降低，与AS和CHD关系极为密切。④遗传因素。家族性高胆固醇血症、家族性脂蛋白脂酶缺乏症等患者AS的发病率显著高于对照组，提示遗传因素是AS的危险因素。⑤年龄、性别、体重超重或肥胖、感染等几个方面的原因。本人在听取学生的讨论后，对学生在课堂上讨论时的表现进行记录，并且要适当地点评，表扬其态度和认可其劳动，从而引导学生进一步研究与探索。学生的平时成绩也因此而提高。

四、总结

通过在学生中的调查研究发现，PBL提高了他们探究未知的兴趣，增强 了对生物化学这门课的喜爱。实践表明，通过一个学期的尝试性教学，在期 末的检验考试中统计得知： 学生成绩平均分提高1065%，不及格率下降1334%。 同时期末的课堂调查反馈明显好于往年学生对此门课的评价。因此，可以认为PBL在医学检验专业生物化学教学中的应用取得了成功，应该继续总结推广。

参考文献：

生物化学在医学中的应用例2

生物化学与分子生物学知识繁多、内容抽象、概念枯燥，理解和记忆的难度很大，使得不少学生越学越记不住，越学越难理解，产生厌烦和畏难情绪。随着时间的积累，各个学生对生物化学与分子生物学知识的掌握参差不齐，从而影响在实验课上的表现和发挥;生物化学与分子生物学教材更新迅速，但实验内容陈旧落后，主要为一些简单的验证性实验，与临床实践、实际应用明显脱节，严重滞后于学科发展;①实验课教学采用教师预先优化实验环节，讲授实验原理、介绍实验试剂、演示重要操作步骤、强调注意事项，然后学生按照操作步骤依次做实验、写实验报告的教学方法，学生仅仅被动学习，缺乏主动思考，很多学生甚至出现了抄袭实验报告的现象，根本不知其所以然，更不懂得实验中观察实验现象，发现问题、分析并解决问题的重要性;生物化学与分子生物学实验课是一门强调学生动手操作，在动手的过程中独立思考，发现问题、分析问题、解决问题的重视实践的学科，但由于实验操作中以组为单位，有些学生不亲自做实验，抄袭实验报告，养成了眼高手低的习惯，对于临床本科生而言，不利于今后的发展;可见，传统实验教学理论与实践脱节，对其改革是学科发展、培养创新型人才的教育需求。

2 应用分层教学法，全面改革医学生物化学与分子生物学实验教学 

分层教学又称分组教学、能力分组，是教师根据学生的知识、能力水平和潜力倾向把学生科学地分成几组水平相近的群体并区别对待，使得各群体在教师恰当的分层策略和相互作用中得到最好的发展和提高。根据分层教学的理念，教师可以根据各个学生对生物化学与分子生物学知识的掌握、能力水平及个人的发展方向，将实验课分为基础实验、综合实验、设计性实验等。医学的学习过程是一个重视实践的过程，所以基础实验、综合实验作可为必修课程要求每个学生都参加并进行实验考核;而设计性实验可作为选修课程，根据学生自己的科研兴趣及未来发展志向，自愿选择。大体规划如下： 

2.1 精选基础实验，掌握基本实验技能 

基础实验的教学目标是掌握基本实验技能，如医学生物化学与分子生物学实验中常见玻璃仪器的使用、清洗和干燥、电泳技术、层析技术、光谱光度技术、离心技术、物质的分离提纯及含量测定。按照教学目标，可安排如下基础实验：血清蛋白含量的测定、血清蛋白醋酸纤维薄膜电泳、氨基酸薄层层析、肝脏DNA的提取等。通过基础实验，学生加深了对基本理论知识的理解，掌握了分光光度计、离心机、电泳仪、水浴锅等常见生化仪器的使用，熟悉了基础实验的操作过程，为开设综合实验、研究型实验奠定了基础。 

2.2 开设综合性实验，提高动手能力和科研素质 

综合性实验的教学目标是提高学生的动手能力，培养分析问题、解决问题等科研素质。综合实验侧重以生物大分子的分离、提纯及测定为主，涉及各种实验技术的综合。②为了达到上述教学目标，可筛选以下实验：细胞核分离纯化及DNA、RNA含量的定量测定、聚丙烯酰胺凝胶电泳分离血清蛋白、碱性磷酸酶的提取和测定等。通过基础实验课的学习，学生已掌握了基本实验技术。在综合性实验的开展过程中，要突出学生的主体地位，以学为主，以教为辅。学生通过预习课本，动手实验、发现问题、分析问题，最后解决不了的问题，教师可以组织学生讨论，最后再答疑，指导实验的完成。通过实验，学生对实验原理有了更深入认识、提高了发现问题、分析问题及解决问题的能力，发挥了学生的主观能动性。如“细胞核分离纯化及DNA、RNA含量的定量测定”实验中，由于细胞质、细胞核的水解液中容易吸入少量沉淀，导致比色时吸光度偏大，实验数据有偏差，出现该问题怎样解决呢？首先让学生观察实验现象，试管中的反应液是不是有悬浮物，不清澈呢？然后分析问题。根据分光光度计的测定原理Lamer-Beer定律A=KCL可知，在实验条件一定的情况下，A与C成正比，那么吸光度（A）偏大是由反应液的浓度（C）增大而引起的。是什么原因引起反应液的浓度增大呢？引导学生思考，是由于吸取水解液时混入少量沉淀而造成的。那如何解决该问题呢？是不是可以采用离心技术，将悬浮物沉淀，再用上清液比色呢？通过离心前后实验结果的比较，学生懂得了实验中发现问题的重要性，体会了运用所学知识去分析并解决问题的成就感。当然，也有同学实验数据还没认真分析，就已经把反应液倒掉了，若实验数据有问题，已来不及查找原因，在这种情况下，可以让学生再重复进行测定部分的实验。通过重复实验，学生了解到保存实验材料的必要性及其对实验结果分析的重要性。综合实验的开设，提高了学生分析问题、解决问题的能力，更重要的是学生通过自己的主动学习，参与实验的热情提高，对实验过程的理解更加透彻，科研素质得到了提升。 

2.3 组织“研究性实验”，突出学生创新能力的培养 

研究性实验可作为选修课，实验题目待定或由各学业导师出相关题目，让学生参考。学生根据自己的专业特点、兴趣爱好、发展倾向选择研究项目，由学业导师负责指导。学业导师负责做好以下相关工作：（1）帮助学生选题，引导学生查阅资料，设计实验并跟踪指导实验;（2）做好实验室开放工作，保障实验药品、器械的正常供应;（3）帮助学生分析实验结果。③当然，研究性实验也可以在学业导师自己的实验室进行。在完成实验的过程中，学生围绕自己感兴趣的课题经历了查阅资料、选择材料、确定方案、准备试剂、分析结果、撰写研究报告等一系列过程，教师则全程跟踪指导。研究性实验的开设让学生体会到科研的过程，体会到自己查找资料、学习知识的过程，体会到发现问题、解决问题的过程，体会到独立思考在科研中的重要性，培养了严谨的科学态度，同时提高了学生的动手能力，激发了学生对科研的热情，提高了学生的创新能力，更重要的是提高了学生的独立性和自信心，这对学生日后从医或搞科研是非常重要的。在教师的指导下，一些学生通过查阅资料后提出有价值的问题，写出课题申请，获得了大学生创新项目的资助，还有一些学生将自己的研究成果在学术刊物发表。④可以说研究性实验为那些喜欢做实验、搞科研的学生提供了一个平台。 

总之，应用分层教学法，开设基础实验、综合实验、研究性实验，是全面改革医学生物化学与分子生物学实验教学的有效途径。各学校根据情况设定实验内容，本文只提供了一种改革思路，仅供参考。 

*通信作者：李翠萍 

基金项目：新乡医学院高学历人才资助计划（505026） 

生物化学在医学中的应用例3

中图分类号：O641 文章编号：1009-2374（2016）10-0042-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.10.020

点击化学法主要由诺贝尔化学奖获得者Sharpless于2001年提出，其以组合化学为基础，经过一系列革命性变化的合成方法，为一种新型的快速合成大量化合物方法。由于其具备反应条件温和、产物收率高、高度选择性、产物速率快、产物易分离等优点，使得其在各种用途的生物医用领域中得到广泛应用，并为其提供较多便利，逐渐受到国内、国外科学家的关注。为更加深入地了解点击化学法在生物医学领域中的应用效果，现综述如下。

1 点击化学概述

点击化学被称作链接化学、动态组合化学，属于一个模块合成概念，为一种选用易得原料，经过可靠性、模块化、高选择性、高效率的化学转变，进而实现碳杂原子连接（C-S-C），通过应用低成本快速合成各类新化合物组合化学方法，突破传统有机合成，为目前化学领域发展较显著的一个趋势。

点击化学具备的优异特征可使应用“分子裁剪”手段模块组合成复杂化合物，主要包括树枝状分子、星形聚合物、梳形聚合物、糖类衍生物及蛋白质及生物杂化物等生物医学材料。

2 点击化学法及其在生物医学领域中的应用

2.1 应用至合成基因载体领域

研究指出，临床已将点击化学法应用到合成基因载体领域中，且在高转染效率与低细胞毒性的基因载体中已经获得一定进展。应用电极化学反应合成法，主要将聚天冬酰胺作为基础，成分主要以含有双硫键聚乙烯亚胺衍生物P为主，并以其为载体，作为非病毒基因载体的研究。研究时，使用已合成的叠氮管能化聚合含有双硫键作为载体，单炔终止予聚乙烯亚胺；点击化学反应合成后，主链为聚天冬酰胺，侧链为聚亚胺作，有研究显示，PXSS-PEIs可和质粒DNA与浓缩DNA互相结合，之后形成纳米粒子。还有体外试验研究表明，高分子刷被降解后，不仅具备低细胞毒性，而且具备转染活性，表明在基因载体领域中，这种还原可降解分子刷发挥着潜在作用。

2.2 应用至药物释放载体领域

药物载体不仅在药物释放体系中发挥着重要作用，而且还对药效产生决定性作用。点击化学法以其独特性被制备药物释放载体领域的科学家所重视。临床研究指出，通过合成一种叠氮修饰嵌段共聚物，阿霉素-葡萄糖酸酸前体药物与人类β-葡萄糖醛酸酶结合后可互相产生作用，加快恶性肿瘤细胞增长。

与预先经叠氮修饰的嵌段共聚物结合后，两者之间耦合率约为95%。结合后的药物嵌段共聚物会自发性形成胶束，具备单分散、形态小的特点。将其放置到37℃环境及存在β-葡萄糖醛酸镁的环境下，经过5d后，约会释放出40%的药物。置于无酶环境下，则胶束内药物释放率不足5%。通过进一步探讨，结果显示胶束载体不会给细胞产生毒性，在酶相应性癌症治疗领域内该一基因运输载体具有潜在性应用。

2.3 应用至荧光标记领域中

在医疗检测、药物探测及生物技术领域内，生化分析物荧光标记技术为一种主导分析法，主要具备主导作用。报道指出，进行点击化学反应主要对3-叠氮香豆素的聚乙二醇和炔基修饰的牛血清白蛋白应用端基。经过分析后，首先可将其合成一系列端基，主要为3-叠氮香豆素聚乙二醇，蛋白质模型主要应用炔基修饰的牛血清白蛋白，应用点击化学法发生反应之后，即可标记蛋白质原位荧光。将荧光基团接入，使用体积排阻色谱，可准确监测乙二醇和牛血清白蛋白反应程度。

还有研究指出，对细胞荧光进行检测时应用新型免疫荧光标记法，最终可合成两种化合物，其中一种化合物为6-叠氮-乙酸琥珀酰亚胺活性酯；另一种化合物为4-乙炔基-N-乙基-1，8-萘酰亚胺。经过点击化学荧光显色反应后，可形成一种新型免疫分析法，在细胞水平方面，表明同时使用该种方法、传统抗体标记技术及生物素-链霉亲和素免疫荧光检测系统，信号不会互相干扰且检测灵敏度相同，在未来免疫研究中，其具备广阔的发展潜力和广泛的应用前景。

2.4 应用至药物设计领域内

在生物科学领域内，点击化学在其中应用领域较广泛。有研究指出，通过应用原位点击化学反应，使用高效液相色谱-质谱联用技术，能够找到一种合成乙酰胆碱酯酶抑制剂方法。经过分析后，能够将叠氮和炔构建块乙酰胆碱酯酶孵育液，快速找到4个乙酰胆碱酯酶诱导叠氮和炔构建块形成环加成反应产物，经过进一步研究证实，以上4种产物具备较强的乙酰胆碱酯酶抑制活性。

3 展望

点击化学模块自被提出以来，对药物发现、生物技术领域均产生较大影响。目前，点击化学应用比较广泛的为Cu（Ⅰ）催化端基炔与叠氮化物Huisgen偶极环加成反应（CUAAC），虽然CUAAC在区域具有较高的选择性和较快的反应速度，但在终产物内依然会存在微量铜盐。因此，研究者开发出一种带有亲和标记的Cu（Ⅰ）催化剂，其能够从反应混合物中快速分离，且能够再生，另外，对体内应用而言，存在的过渡金属（如铜盐）会给人体细胞与细菌产生毒性。为不增加铜盐含量，研究者开发出一种新型基于炔基叠氮连接法，制备出一种环辛炔衍生物，和叠氮基团联合后形成变形促进环加成反应。

综上所述，在生物医学领域中，点击化学法为其中比较强大的合成工具，且在该领域内发挥着十分重要的作用。但其还处于发展阶段，一些问题尚未解决，需要加大研究力度，最大限度将其潜在性价值充分挖掘出来。

参考文献

[1] Charlotte，Vranken Jochem，Deen Lieve，Dirix Tim. Super-resolution optical DNA Mapping via DNA methyltransferase-directed click chemistry[J].Nucleic acids research，2014，42（7）.

[2] 高振飞，田骅飞.点击化学及其在生物医学领域的应用研究进展[J].化工科技，2012，20（6）.

生物化学在医学中的应用例4

生物化学是一门理论抽象、概念繁多的学科。笔者在5年的本科教学过程中发现，大多数学生反映该门课程学习的难度大，对教师讲授的知识点难以理解和记忆，以至于在学习过程中缺乏学习兴趣，学习难以达到预期效果。更不要说将其与后续的基础课程和临床专业课的内容进行横向联系，由此导致基础理论课与临床专业知识脱节，所学知识不成体系。

进入新世纪，人们开始致力于教学方法、教学手段的改革，多种创新型教学方法随之产生并运用到了教学活动当中，获得了一定的成效。目前，国内外的医学院校中尤其受到关注的是以问题为基础的教学方法（problem-based learning，PBL）和以团队为基础的教学方法（team-based learning，TBL），其在以往的教学中已取得较好的效果。但对于生物化学这样一门基础学科，在教学实践中我们发现，单独开展PBL、TBL都有一定的局限性，尤其是对于我院这样一所新兴的本科医学院校，学生人数多、资源少、学生素质差异大。由此，我们提出一个设想，即将PBL与TBL结合起来，综合两者在教育教学中的优点，力争实现两者“弊端最小化”。

一、PBL教学方法总结

PBL教学法于1969年由美国的神经病学教授Barrows首创，是一种以学生为中心的教学方法，强调学生自主提出问题、分析问题和解决问题。为了提高教学质量，笔者在本科临床专业大二学生的生物化学教学中，首先选取了“维生素与微量元素”这一章节开展PBL教学法，结合实际病例进行教学，取得了一定教学效果，但也发现了弊端。

首先，教师围绕教学内容精心设计有关的问题，学生带着问题自行查找资料看书思考，极大地改善了以往教师“满堂灌”的教学模式，每个学生都需要参与到学习中，一起思考讨论，有效调动了学生学习的积极性。通过本次的PBL教学，笔者发现，学生基本都能积极主动地参与到课堂中来，或提问或讨论，甚至有的还需对一个问题进行辩论，课堂气氛活跃，大大改观了以往死水一潭的课堂。但由于是首次采用PBL教学，讨论的又是一些与临床病例有关的问题，而且针对的是还没有开始系统学习专业知识的大二学生，要求学生查找资料解决问题的难度大。通过课后调查反馈的信息来看，在开展PBL教学时，学生需要花费更多的时间和精力查找资料和自学总结。同时，学生必须面对其他学科的学习压力，难免顾此失彼，不能面面俱到，这也是开展PBL教学后学习效果未能达到预期的一个最主要的原因。

二、TBL与PBL相结合的教学设计

为了能改变这一现象，笔者在本科临床专业平行班中尝试PBL与TBL相结合的教学方法。TBL教学法是20世纪70年代末由美国Oklahoma大学Michaelsen等正式提出的一种以团队为基础的教学方法，它强调促进学习者团队协作精神，注重人的创造性、灵活性的培养。

在此教学活动中，学生可自由组合，每组5～6人，选出组长，负责设计学习方案，统筹协调组员任务。小组成员利用课余的时间查阅和整理资料，并制作讲解课件。课堂上由每组的代表发言，阐明本组观点，在此过程中其他学生可对此组成员提出问题，由该组成员共同回答。在学生讨论过程中，教师则起到引导作用，并根据学生讨论情况了解其学习情况，制订进一步的教学计划，这对于教师也是一个更高的要求。

这次的教学活动中，学生能够较之前更好地完成课程任务。一方面，通过各种渠道搜集整理了较为完善的学习资料，学习方法和学习能力得到了培养，学习效果也优于以往，成绩有了明显的提高;另一方面，通过相互合作，学生之间协作的能力和自我表达能力也得到了提高。

三、总结和体会

实行教学改革是时展的必然，在众多教学方法突现的医学院校中，PBL与TBL相结合的教学法不仅顺应时代的发展，还可调动学生的主动性和积极性，同时提高教师对相关学科之间的理解。通过自主学习，学生能更好地将基础知识与临床知识结合起来，将理论与实际联系起来，为今后临床专业知识的学习打下了良好的基础。

总之，随着学科分化更细且学科间交叉增多，TBL与PBL教学法相结合以后在教学中的优势更加明显，必将成为一种更高效的教学模式。

生物化学在医学中的应用例5

中图分类号:TQ 127.1 文献标志码:A 文章编号:1672-8513(2011)05-0327-06

Functional Grarhene: A Novel Plateform for Biomedical Applications

YANG Wenrong1，2

（1. Australian Centre for Microscopy & Microanalysis, The University of Sydney, NSW 2006, Australia；2. School of Life and Environmental Sciences, Deakin University,Geelong, Victoria 3217, Australia）

Abstract: Atomically two dimensional thin sheets of carbon known as “graphene” have captured the imagination of much of the scientific world since it was discovered in 2004. The graphene and its related materials have come to the forefront of research in biomedical research due to their unique electronic structures and properties, bolstered by other intriguing properties. This paper summarizes some applications of graphene in the field of biosensors and the targeted drug delivery systems.

Key words: graphene；biosensor；targeted drug delivery

石墨烯为碳单质材料，其结构由一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子以sp2杂化连接而成的单原子层组成，具有超大的比表面积，两面都可以通过共价、非共价作用与生物分子、高分子［1-2］及有机药物分子结合［3］，从而对外嫁接其它分子，并因此拥有超高的电荷负荷量.由于这些独特的性质，石墨烯在生物传感［4］及药物递送方面具有极高的研究开发价值［5］.本文重点介绍了近5年来石墨烯在这2个方面的应用情况.

1 石墨烯简介

1.1 石墨烯简史

作为碳材料，金刚石和石墨这2种三维结构为人们所熟知.1985年，美国和英国的3位科学家Kroto、Smalley和Curl率先发现 了C60［6］.C60是由60 个碳原子组成20 个六边形和12个五边形构成的足球状碳单质，又称为富勒烯，属于零维结构碳材料 （图1）.1991年，日本科学家Sumio Iijima使用石墨电弧放电法来制备富勒烯，当他用高分辨透射电子显微镜观察产物时意外地发现了一种管状的碳单质――碳纳米管［7］.碳纳米管的出现再一次将碳材料的维度扩展到一维空间.当零维、一维和三维的碳材料被成功发现及合成后，人们开始关注二维晶体碳材料.关于准二维晶体――1个原子层厚度的晶体的存在性，科学界一直存在争论.早在1934年Peierls等认为准二维晶体材料由于其本身的热力学不稳定性，在室温环境下，会迅速分解或拆解.但是人们对二维晶体材料的探索与研究一直没有放弃.2004年，英国曼彻斯特大学的物理学教授Geim及Novoselov博士领导下的研究小组用一种极为简单的胶带纸剥离方法观测到了单层石墨晶体即石墨烯，并研究了其独特的电学性质［8］,引起了科学界新一轮的先进“碳”材料的研究热潮，他们也因此荣获2010诺贝尔物理学奖.

1.2 石墨烯的制备方法

目前，研究人员发现可以有多种方法制备石墨烯（图2），其主要方法有机械方法和化学方法2大类.机械方法包括微机械分离法、取向附生法和加热SiC方法等 ；化学方法包括化学还原法与化学解离法等.

微机械分离法是最普通分离法，直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来.2004年Novoselov等用的胶带纸剥离就属于这种制备方法.该法制备的单层石墨烯可以在外界环境下稳定存在.取向附生法又称晶膜生长法或化学气相沉积(CVD)，是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯［9］.该法首先让碳原子在1000℃高温下渗入钌，然后逐步冷却，冷却到850℃后,之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，镜片形状的单层碳原子布满了整个基质表面，最终长成完整的一层石墨烯.除了钌外，也可以用其它金属作为基底生长石墨烯［10-11］.加热 SiC法是通过加热单晶6H-SiC脱除Si，在单晶(0001) 面上分解出石墨烯片层［12］.具体过程是：将经氧气或氢气刻蚀处理得到的样品在高真空下通过电子轰击加热除去氧化物.用俄歇电子能谱确定表面的氧化物完全被移除后，将样品加热使之温度升高至1400℃左右后恒温一段时间，从而形成极薄的石墨层.采用该方法可以获得大面积的单层石墨烯, 并且质量较高.然而由于 单晶SiC的价格昂贵,生长条件苛刻,并且生长出来的石墨烯难于转移,因此该方法制备的石墨烯主要用于以SiC 为衬底的石墨烯器件的研究.

化学还原法是将氧化石墨与水以一定比例混合， 用超声波振荡至溶液清晰无颗粒状物质，加入适量水合肼在100℃回流一段时间，产生黑色颗粒状沉淀，过滤、烘干即得石墨烯.Ruoff 研究组利用化学分散法制得厚度为1 nm左右的石墨烯［13］.化学解离法是将氧化石墨通过热还原的方法制备石墨烯的方法，氧化石墨层间的含氧官能团在一定温度下发生反应，迅速放出气体，使得氧化石墨层被还原的同时解离开，得到石墨烯.这是一种非常有用的制备石墨烯的方法［14］.

1.3 石墨烯的表征

石墨烯的形貌可以通过光学显微镜、原子力显微镜、高清晰扫描电镜、透射电镜及拉曼光谱进行表征［15］ （图3）.在使用光学显微镜时， 石墨烯只有当沉积在具有特定厚度氧化层的单晶硅片上时，才能被光学显微镜捕获.研究发现，由于石墨烯和衬底对光线产生干涉，不同层数的石墨烯会显示出特有的颜色和对比度.原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）通过检测样品表面和一个微型力敏感元件 (探针)之间的作用力来研究物质的表面结构及性质，是观测石墨烯最有效工具之一，在观察石墨烯表面形貌、鉴定石墨烯层数和厚度的过程中发挥了重大作用.单层石墨烯原子层厚度约为0.34nm，考虑表面吸附杂质，实际厚度约为0.5~1nm.在原子力显微镜下可测量石墨烯的厚度，由此可推算出石墨烯的层数.透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy，TEM）采用透过样品的电子束成像.扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）采用电子束在样品表面扫描激发二次电子成像.通过TEM 和SEM 可直接观测石墨烯的表面和层片结构.例如，从SEM 图像可知石墨烯的二维平面是否光滑平整，是否存在褶皱.通过TEM图像，可以直观判断出石墨烯的层数.另外，通过电子衍射图像可以准确判断石墨烯的六边形排列平面结构以及单层特性.拉曼光谱（Raman Spectroscopy）在研究和表征石墨材料的历史上曾发挥了重要的作用.石墨晶体一旦被剥离为单碳层石墨烯，其电子结构发生明显的变化，通过拉曼光谱可以清楚观测到其在1580cm-1的G峰和2700cm-1附近D峰的差别.5层以下的石墨层可以用拉曼光谱进行判定,尤其是可以利用D峰区分单层石墨烯片和多层石墨烯片.在过去40 年内被广泛用于检测热解石墨、碳纤维、玻璃碳、沥青基石墨泡沫、纳米石墨带、富勒烯、碳纳米管和石墨烯.目前，拉曼光谱主要作为一种无损检测手段，对石墨层数和缺陷进行鉴别.

1.3 石墨烯的特性

石墨烯之所以能引起科学家们巨大的研究热情，首先是因为它具有超常的电学性质，如通常材料的电学性质，由具有有限的有效质量且遵从薛定锷（Schrodinger）方程的非相对论电子描述，而对单层石墨烯的实验研究发现其中的电子输运由狄拉克方程来确定.还有，通常导体在没有巡游电子的时候，就会失去其导电性.然而研究发现即使在单层石墨薄片中，没有巡游电子，依旧存在一个最低导电率.同时，石墨烯具有的场效应特性、超高比表面特性、高强度特性（被认为强度超过金刚石）、储氢特性、催化特性、生物传感特性以及

越来越多正在被揭示的特性和被预测的潜在应用吸引着全世界的科学家们［16］.在未来几年内，石墨烯将在特殊传感器、高性能复合材料、催化剂、高性能电池、显示器材料领域得到突破性的应用进展.石墨烯分解可以变成零维的富勒烯，卷曲可以形成一维的碳纳米管，叠加可以形成三维的石墨，这些功能都为石墨烯的深入应用提供了广阔领域.

2 石墨烯在生物传感器上的应用

由于石墨烯每个原子都在表面上，对外界分子的光响应与电响应极其灵敏，同时，嵌入生物传感器界面的石墨烯可增大电极的有效表面积，为石墨烯生物传感器的研发提供了非常有利的基础.

2.1 单分子检测器

纳米尺寸的功能颗粒能够在单位面积上固定大量的生物分子，形成高效的生物传感器或生物质催化剂.这些材料具有最佳的传感器性能，而且成本低廉.与目前电子器件中使用的硅及金属材料不同，石墨烯减小到纳米尺度甚至单个苯环时同样保持很好的稳定性和电学性能，使其应用于探索单电子器件成为可能.Schedin等人首先将石墨烯制作成为单分子检测器来检测NO2［17］.

2.2 基于荧光淬灭作用的生物传感器

氧化石墨烯具诱导淬灭荧光的性质，这种性质是由于其不均一的化学结构及电子性质.发挥荧光淬灭作用的是氧化石墨烯中sp2杂化的晶域，因此还原后的氧化石墨烯的淬灭效果可以大幅度提高.研究表明，这种荧光淬灭效应源于氧化石墨烯与荧光物质间的荧光共振能量转移，与氧化石墨烯结合后的荧光物质将丧失荧光效应，利用此性质可以研发出一系列分子生物传感器.陈国南研究组通过标记荧光染料的单链DNA 吸附于氧化石墨烯上制备出一种复合物用于目标单链DNA 的检测［18］（图5）.氧化石墨烯对荧光标记的ss-DNA 具有荧光淬灭作用.目标ss-DNA通过碱基互补配对原则与荧光标记的单链DNA特异结合形成双螺旋，改变分子在氧化石墨烯片上的构象，从而使得荧光恢复，实现了对单链DNA的高灵敏的选择性检测.该方法利用碱基互补配对原则检测目标ssDNA，具有高度的选择性，拥有潜在的实用价值.

Cyclin A2是细胞周期蛋白(Cyclin)家族的一员，它对于细胞复制及翻译的启动和细胞周期调节起着关键的作用，另外，Cyclin A2在很多类型的癌症中都能表达，它已成为早期癌症的预警指标和抗癌靶点.因此，发展一种可以简便、灵敏及高选择性检测Cyclin A2的方法对于早期癌症的诊断预测及治疗具有重要意义.但是，由于大多数的肽与蛋白结合而不能产生一个容易测量的输出信号，这严重阻碍了肽作为检测探针对蛋白的均相检测.现在，大多数均相检测蛋白的方法都是基于蛋白-抗体之间的相互作用，严重限制了这种方法的推广使用.曲晓刚课题组使用荧光标记的p21 (WAF-1)衍生的Cyclin A2结合序列，并借助于氧化石墨烯或者单壁碳纳米管超强的荧光淬灭能力，发展了一种简便的、高灵敏和选择性的信号增强的荧光方法来检测早期癌症的预警指标Cyclin A2［20］.他们通过实验发现，对于Cyclin A2的检测，氧化石墨烯（GO）比单壁碳纳米管（SWNTs）更具优越性.用GO得到的直接检测限为0.5 nm，比用SWNTs优异10倍；由于其是基于荧光增强实现检测的，所以可以用多孔板进行高通量的筛选.这种方法也可通过改变相应的肽探针扩展到其它的非酶蛋白的检测.通过使用不同染料标记的多个寡聚肽识别探针，可实现蛋白的多元检测.

2.3 其他功能性传感器

哈佛大学和美国麻省理工学院的研究人员研究发现石墨烯――仅1个原子厚度的非晶体碳复合薄膜有可能制成人工膜用于DNA测序［19-20］.研究人员在石墨烯上钻出纳米孔，通过检测孔隙的离子交换证实长DNA分子能像线穿过针眼一样地通过石墨烯纳米孔.石墨烯上的纳米孔是一个小到足以分辨2个近邻核苷碱基对的纳米孔，当DNA链通过纳米孔时，就可对核苷碱基对进行鉴定.目前利用纳米孔进行测序仍存在一些困难，包括控制DNA穿过纳米孔的速度，如果这些技术难题被攻克，纳米孔测序将成为非常廉价和快速的DNA测序方法，并有可能推动个体化的卫生保健于预防.

董绍俊课题组利用化学法，通过血红素与石墨烯之间π-π相互作用合成了血红素功能化的石墨烯纳米杂化材料(H-GNs)［21］.这种新的纳米材料在水溶液中具有很好的稳定性，并且具有血红素和石墨烯的优良特质.石墨烯表面上附着的血红素使得H-GNs具有过氧化氢酶的性质，能够催化过氧化氢氧化过氧化氢酶底物的反应；H-GNs在水溶液中的分散符合2D的Schulze-Hardy规则，当电解质的浓度超过临界聚沉浓度后，H-GNs溶液就会由于电荷屏蔽效应发生聚集；单链DNA（ss-DNA）和双链DNA（ds-DNA）与H-GNs之间的亲和力不同，可以在最佳盐浓度下利用H-GNs的不同聚集状态区分ss-DNA和ds-DNA.

3 药物的靶向递送

石墨烯为单原子层结构，具有超大的比表面积，其两面都可以于对外嫁接其它分子，例如它可以通过共价、非共价作用与高分子及药物结合，因此拥有超高的药物负荷量.它可通过较强的物理吸附作用与芳香环类药物非共价结合，递送一些难溶性药物［3］（图6），尤其是一些抗癌药，这对于大部分非水溶性药物的体内递送具有重要的意义.另外，氧化石墨烯为亲水性物质，具有较好的生物相容性.有关研究发现，在细胞水平氧化石墨烯是一种相当安全的材料，没有明显的细胞毒作用，因此氧化石墨烯作为药物靶向输送的载体最近受到科研人员的高度重视.

戴宏杰课题组首先研发了星状聚乙二醇(Polyethylene glycol, PEG)功能化的纳米级氧化石墨烯（NGO-PEG）［5］，增强了氧化石墨烯在盐溶液和胞浆中的溶解性和稳定性.研究表明，只有当细胞在极高浓度的NGO-PEG溶液中时，其生存能力才会出现轻度下降.在此复合物的基础上，他们引入了B 细胞单克隆抗体(Rituxan)生成NGO-PEG-Rituxan，增强了靶向性，使其能特定作用于CD20+的癌细胞.NGO-PEG-Rituxan 溶液中通过π-π堆积作用将阿霉素负载到NGO上， 生成NGO-PEG-Rituxan/DOX复合物 .肿瘤细胞外的组织为酸性，NGO-PEG-Rituxan/DOX 在此酸性微环境中可缓慢释放出阿霉素，从而发挥抗癌作用.该方法利用了抗原抗体特异结合的原理，加强了阿霉素递送的靶向作用，提高了药物作用部位的选择性，具有非常重要的临床应用价值.

张智军研究组首先报道了将氧化石墨烯用于多种抗癌药的混合转运［22］，从而增加了其抗癌活性，降低了癌细胞耐药性的产生.他们将功能化氧化石墨烯通过π-π 堆积和疏水作用， 依次与喜树碱(Camptothecin, CPT, DNA 拓扑异构酶Ι 抑制剂)、阿霉素(DOX, DNA 拓扑异构酶ΙΙ 抑制剂) 相互结合， 生成复合物.在肿瘤组织细胞外酸性微环境中，DOX 和CPT 转变为亲水性，溶于组织液中.复合物可通过受体介导的细胞内吞作用，将抗癌药转运至细胞内，从而发挥毒性作用.抗癌药的联合运用降低了癌细胞耐药性的产生，增强了药物的抗癌活性，提高了临床疗效，与单个药物的靶向转运相比，具有明显的优势.最近同一课题组研究了氧化石墨烯用于siRNA与化学药物贯序输运及其协同抗癌作用［24］.他们将阳离子聚合物聚乙烯亚胺（PEI）与氧化石墨烯（GO）共价交联，制备出带正电的PEI-GO复合物，其可以通过静电作用将siRNA装载到PEI-GO上.研究表明，PEI-GO纳米载体输运对Bcl-2靶标的siRNA进入HeLa细胞后，产生的基因沉默效果明显高于PEI 25K，但细胞毒性却低于后者.在此基础上，他们进一步研究了该体系用于siRNA 和抗肿瘤药物阿霉素的贯序输运.结果发现，贯序输运对Bcl-2靶标的siRNA与阿霉素对肿瘤细胞的杀伤作用是对照组（scrambled-siRNA和阿霉素）的2.6倍，表现出明显的协同抗癌效应.

4 结语与展望

石墨烯及其衍生物由于其独特二维结构、优良的物理化学性能、制备方法多样化，成本低廉，适于规模化制备等特点，自2004年它被发现以来，在短短几年的时间内相关研究就取得了很大的进展.目前，石墨烯优缺点并存，如何大规模制备结构完整、尺寸和层数可控的高质量石墨烯依然是值得继续研究和探讨的课题.新的化学修饰方法、共价键合与非共价键合到石墨烯表面上的有机高分子及生物分子可控［24］石墨烯及其衍生物的作为独特的软物质的研究及开发还需要进一步深入研究.掺杂的石墨烯的制备和分子水平功能修饰，基于功能化的石墨烯在生物传感，新型核酸/药物输运体系以及在肿瘤等重大疾病诊断与治疗中更具有潜在的应用前景［25］.总之，石墨烯其功能材料在生物医学的探索方兴未艾，是非常有实用价值的先进碳材料.

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生物化学在医学中的应用例6

生物化学即生命的化学，是指在分子水平上研究生物体的化学本质及生命活动过程中化学变化规律的科学。由于大部分内容较抽象，和临床疾病联系较少。学生学起来觉得很难，不能将其真正融会贯通，从而使学生的学习只是为了应付考试而死记硬背，而不是真正的去学习知识，也就失去了学习生物化学的意义和目的。目前大学的教育模式基本沿袭的是“教师—教材—学生—考试”的教学模式，潜移默化地引导着学生的学习方向，影响着学生的学习态度，可现在这种模式也越来越受到人们的质疑。为了进一步提高医学人才培养质量，充分调动教师在教学中的主动性和创造性，和学生学习的主动性、积极性，培养学生的创新精神和创新思维。而教学评价方式的选择有着重要的导向作用。师生利用评价活动所提供的反馈信息来调整自己的教学或学习活动，因此高效的教学依赖于高质量的评价。

形成性评价也称称过程性评价，是指在教学过程中进行的过程性和发展性评估，采用多种评估手段和形式，跟踪教学过程，反馈教学信息，促进学生全面发展。特别有利于对学生自主学习的过程进行有效监控。鉴于形成性评价在教学过程中的作用，因此，我们将其引入了七年制临床医学生的生物化学的教学过程中，获得有关教学的反馈信息，为学生提供及时的信息反馈，增强学生的自主学习意识，促进其全面发展；同时有助于教师及时发现教学中的问题，提出改进措施，修正教学计划，提高教学质量。

1 生物化学理论课程考核项目构成

课程考核由平时考核与期末考核组成。平时考核由出勤情况、互动问答、随堂测验、课堂提问、阶段性测验、专题讨论、小论文和小组学习等组成。期末考核采用闭卷笔试的考核方式。平时考核成绩占课程总成绩的60%。根据专业班级情况不同，从以上常用考核项目中任选几项或自选其它考核方式，形成性评价的成绩不是由教师单方面决定，而是师生合作共同完成。期末进行的笔试属于终结性评价，成绩占课程总成绩的40%。

2 形成性评价常用考核项目的实施

2.1 课堂提问

课堂提问是一种实用的评价手段。在理论课教学过程中，坚持每次课将前一节课的内容进行课堂提问。保证每个同学本学期都有2-3次的课堂回答问题的机会。这样既能激发学生的学习兴趣和独立思考能力，同时，还有助于教师及时获取教学信息，有效调控教学过程，从而提高课堂教学质量。课堂提问要注意设计合适的问题，把握适当的时机。如讲解“物质代谢的调节和联系”时，向学生提出问题“为什么高糖饮食会引起肥胖？”引导他们深入思考，启发学生运用所学知识解决现实生活的问题。

2.2 阶段性小测验

测验的范围可以是一个章节或者一个教学模块，我们现在采用的是一个教学模块教学结束后，将需要掌握及熟悉的知识点，并突出重点和难点。以选择题（单选为主，加入少量的多项选择）和填空题的形式，以笔试的方式完成。并批改和记录结果，对测验成绩进行分析，下次课抽出一定时间把测试结果及时反馈给学生，并进行点评和指导。通过一定数量的测验及时了解学生对掌握所学知识的动态，对学生及时巩固课堂知识及教师了解教学效果具有积极的意义，及时查漏补缺。

2.3 专题讨论

教师根据本学期的教学重点布置一两个专题供学生研究讨论，从学生的研讨情况可以考察学生学习过程的学习态度、创新精神、分析和解决问题的综合学习能力。如给学生提出以下讨论题目：根据你所学的知识”谈谈你对转基因食品的看法”。这个论题以整个基因表达过程为解释主线，需要学生综合分析与总结。在这个过程中，教师要不断关注学生的研讨情况，鼓励学生发挥主动性、表现自我，同时组织学生进行自我讲解与评价。

2.4 撰写小论文

由于课堂的时间有限，我们在教学过程中有选择性的给学生出一些较为感兴趣的论文题目，或学生自拟题目，内容不限，范围可涉及生物化学所学理论知识的各个方面，可以让学生充分发挥自主学习的能动性。学生在撰写论文过程中，可以上网或去图书馆查阅文献、整理资料和归纳总结，同时可以结合自己已学的生物化学理论知识提出自己的观点，写出小论文。通过撰写小论文，学生不仅加深了对已学知识的认识和理解，而且也增长了学生独立获取知识的能力，提高了学生创新思维能力。论文完成后教师负责仔细阅读每篇论文并给出“等级+评语”的评价。

2.5 互动问答

在每次课结束前5～10分钟，让同学对本节课内容和已学内容不懂的知识点进行提问，并让其他同学给出答案，对于主动回答问题和提出问题的同学老师都予以评价，作为形成性成绩评定的依据之一。采用这种方式可以考察学生提出和解决问题的能力，学生的主动性、创造性也因此得以充分发挥。

2.6 出勤情况

学生的出勤问题是影响高校教育教学质量的一个重要因素，学生出勤率不高，会直接影响到课堂的教学效果，除了班主任、学生干部的考勤以外，任课老师随机的随堂考勤，也是形成性评价中的一个方面，在评价考核体系占有一定的比例，以调动学生学习的主动性和积极性。

2.7 期末考核

最后的生物化学理论期末成绩认定=平时理论评价成绩（60%）+期末理论闭卷考试成绩（40%），其中理论评价成绩由课堂提问成绩和专题讨论成绩，互动问答成绩，小论文成绩，阶段小测验成绩以及出勤情况构成。

2.8 学生反馈情况

最后，我们对学生做了一次问卷调查，同学们都认为有很多优点：①由一学期一次的期中期末考试改为多次的形成性评价改革很好，避免了一次考核定“终身”的弊端，减轻了学生期末复习的负担。有利于老师及时检查教学质量和学生们的学习掌握情况，促进同学们课后及时复习，发展学生的自主学习能力，对知识形成长期记忆，一定程度上避免了以往考前的临时“抱佛脚”。有助于及时反映老师的教学质量，便于老师调整教学策略。②形成性评价是对学生一段时间内学习状况的一个评价和总结，能够让学生认识自己在学习中的遗漏，帮助学生查遗补缺，改正学生的错误认识，同时可以敦促学生的平时学习，有一个更好的学习氛围。③小论文有利于学生开放思维。同时同学们也提出了一些小建议：①多种题型考核，多开放性题目，多方向综合考查；加强专业英文考查。②最好每一章节一次测评，更好的敦促学生的学习。③老师教学过程中突出重点，并在形成性评价中体现出来。④增加课堂提问、小组讨论及小演讲。⑤考试形式多样化，比如采用PPT展示、论文、小组讨论等。

在教学过程中我们也发现将形成性评价纳入最终成绩评定中，发现该班学生学习生物化学的主动性明显提高，对知识的理解和掌握程度也有所改善。虽然形成性评价体系的具体方法仍有待进一步探索，但现在的医学教育模式正在向能力培养方面转变，要求老师采用形成性评价对学生的学习状况进行评估。期望在今后的教学中，逐步完善教学评价方式，并将其应用于更多的班级，促进学生学习的自主性，提高教学效果。

生物化学在医学中的应用例7

生物医学工程是一门新兴的边缘学科，它综合了工程学、生物学和医学的理论和方法，在各层次上研究人体系统的状态变化，并运用工程技术手段去控制这类变化。其学习内容包括以下几个方面。

1.1医学影像技术

即通过X射线、超声、放射性核素、磁共振、红外线等手段及相应设备进行成像的技术，现还有正在兴起的阻抗成像技术等。

1.2医用电子仪器装备

分为诊断仪器和治疗仪器两大类。诊断仪器主要是用以采集、分析和处理人体生理信号，现在使用较多的是心脑电、肌电图仪和多参数的监护仪等，而通过体液来了解人体内生物化学反应过程的生物化学检验仪器也已逐步完善并走向微量化和自动化。治疗仪器设备则是采用X射线、γ射线、放射性核素、超声、微波和红外线等仪器设备，如X射线深部治疗机、体外碎石机、人工呼吸机等。手术设备如γ刀、激光刀、呼吸麻醉机、监护仪、X射线电视等。现代化医疗技术中还将设备功能更加多样化、复杂化。

1.3生物力学

主要是研究生物组织和器官的力学特性，人体力学特性和其功能的关系。其中包括生物流变学（血液流变学）、软组织和骨骼力学、循环系统动力学和呼吸系统动力学等。

1.4生物材料

即人工器官、组织工程所需要的物质与材料，其大多数是需要植入人体，需要具备耐腐蚀、化学稳定性，需要具有与机体组织的相容性、血液相容性、无毒性。作为材料，根据所需还应满足各种器官对材料的各项要求，包括强度、硬度、韧性、耐磨性、挠度及表面特性等各种物理、机械等性能。需要掌握的知识包括金属、非金属及复合材料、高分子材料的合成工艺条件和表征、成型制备、性能等。

1.5生物效应与生物控制

生物效应是指在医疗诊断和治疗中，光、声、电磁辐射和核辐射等能量在机体内的分布、变化等作用。而生物控制则是机体自身的调节控制现象。采用生物、化学的方法对这些情况加以认识。其他还有介入式诊断、治疗等。生物医学工程最为竞争激烈的领域在医学成像技术上，其中以图像处理、阻抗成像、磁共振成像、三维成像技术以及图像存档和通信系统为主。而对医学信号的处理分析，包括心脑电、五官、语言、心音呼吸等信号和图形的处理与分析，以及神经网络的研究处理也是目前世界各国研究与学习的热点。作为生物医学工程专业的本科学生，将从业于该领域的研究、设备研发及制造、使用、维修养护等。所具备的知识体系是从物理化学基础、工程学到医学，十分广泛，仅四年内进行如此庞大的知识学习，学生将会呈现基础知识欠缺而专业知识也不深入的问题。为此，我们就医科大学、理工科大学、综合性大学各自特点进行了调研与分析，在此基础上，提出了生物医学工程本科学习建立特色课程体系的见解。

2生物医学工程专业人才的培养特色的研讨

我国生物医学工程本科专业分别在医科类大学、综合大学与理工科类大学中均有设置。由于生物医学工程具有典型交叉特性，该专业的毕业生的就业方向有运用医学影像学技术、医学信息学技术等在医院进行疾病诊断及治疗，有运用基础数学、物理、化学知识进行理论创新与实践，更多的是运用工程技术进行医疗器械、设备装备的研发、制造与维护管理等。由于生物医学工程庞大的知识体系，无法由某一个从业人员掌握，需要各方向的协作与合作，由此认为，设置于医科类大学、综合大学与理工科类大学的生物医学工程专业应有各自的特色。

2.1医科类大学生物医学工程专业人才的培养特色

2.1.1人才培养目标

作为医科大学，其专业人才培养具有鲜明的医学特色与优势。医科类大学生物医学工程相关专业的人才，其就业方向更多应以进入医院从事常规放射学、CT、核磁共振、DSA等的操作及计算机操作，运用各种影像、信息等诊断技术进行疾病诊断或治疗，所以其培养的人才首先应学习并具备医学的专业知识，然后才是具备基于医学专业领域需要的现代医疗仪器的研发与使用、管理能力的知识体系的学习，成为拥有工学知识及应用能力的医学应用型、复合型高级人才，毕业后所从事的仍是医药卫生领域工作，在医院设备使用、维护、管理方面起重要作用。因此其课程的设置应该与工科类生物医学工程侧重点不同。如在一般医科大学中都设有生物医学工程专业，以及与此相关的医学影像学专业、医学信息学专业等，其培养目标就应以“培养具有基础医学、临床医学和现代医学生物医学工程（如影像学、信息学等）的基本理论知识及能力，能在医疗卫生单位从事医学诊断、治疗（或信息管理等）和医学成像（或医学信息等）技术等方面工作的医学高级专门人才”为主。相应的培养要求应在于“学习基础医学、临床医学、医学影像（或信息学、医学超声学等）的基本理论知识，受到常规放射学、CT、核磁共振、DSA、核医学影像学、信息学、医学超声等操作技能的基本训练，具有常见病的影像诊断、超声治疗和介入放射学操作基本能力，基本的仪器（装备）维修保养能力”上。

2.1.2课程设置

基于医科大学的特色，其主干课程应注重基础医学、临床医学，同时开设基于医学特色的工学、工程学课程。具体如基础类的基础数学类、物理类、化学类、计算机类，如高等数学、普通物理学、有机化学、生物化学、微机原理及应用等课程，基础和临床医学类课程，如人体解剖学、生理学、诊断学、内科学、外科学、儿科学、妇产科学、药学、中医学、中药学、卫生管理等课程，然后按照各高校侧重设置传统生物医学工程的工学类、工程类课程，如模拟电子、数字电子技术、传感器、数字信号处理、医学图像处理、医用仪器原理、医学影像仪器、检验分析仪器、临床工程学、人体形态学等，部分专业可设置如力学类、机械工程类、有机材料或金属材料类课程。虽然是同一生物医学工程专业，但需要按照本校特色来设置课程，切忌大而全无特色，或各高校均设置同样课程。这是违背了生物医学工程高度交叉学科的学科特色的。

2.2综合性大学工科以及理工科大学生物医学工程专业人才的培养特色

2.2.1人才培养目标

现今综合性大学工科以及理工科大学基本上都设有生物医学工程专业，如北京大学工学院、浙江大学生物医学工程与仪器科学学院、东南大学生物科学与医学工程学院，四川大学高分子科学与工程学院等，各具特色。以东南大学生物科学与医学工程学院为例，其前身是生物科学与医学工程系，创建于1984年。学院的科学研究及学生培养方向就是强调生命科学与电子信息科学学科的交叉与渗透，应用电子信息科学理论与方法解决生物医学领域中的科学问题，发展现代生命科学技术。其人才培养目标在于“培养掌握生物医学工程专业知识，掌握分析与健康相关的生物医学工程问题的方法，并具备综合应用所学知识和方法解决实际工程问题的能力，具备健全人格和远大理想的工医结合复合型优秀人才”。即更加注重于培养工程与医学相结合的复合型人才，这些专业人才的从事的工作更多是在用于医学诊断、治疗的仪器设备的设计、研发及制造、维护等上面。而四川大学的生物医学工程专业的培养目标，按照其特色制定为“以工程为主，以从事生物医学工程教学科研的相关学科为依据，培养从事生物力学、生物材料、人工器官等相关方面的研究、开发、生产的高级专门人才。”，偏向于材料工程学。由此可知，在综合性大学工科以及理工科大学中，生物医学工程专业应更注重工学、工程学内容，其培养目标就应以“培养具有现代医学生物医学工程（如机械、电子、材料、计算机在医学中应用等）的基本理论知识及能力，能在医疗设备相关企事业单位从事设备（或装备）设计研发、制造、维修维护、管理等方面工作的高级复合型专门人才”为主。相应的培养要求应更多的学习工学的基本理论知识，受到常规医疗装备、设备等设计、研发、操作、维护维修、管理技能的基本训练并具有相应能力”上。

2.1.2课程设置

生物化学在医学中的应用例8

二、医学化学课程应包含的主要内容

近年来，随着各新兴交叉学科发展的需要，新的分支学科正不断涌现，化学各分支学科的研究内容也在不断扩充。如何在医学化学教学中，做到从化学学科内在知识结构的要求出发，将化学学科系统而又不失重点地传授给理工类专业的学生，确实是一个值得重视的首要问题。在几代化学教育家和广大教师多年的教学实践中，在各综合性大学目前的化学教学中，教师普遍认为，将化学学科以理论化学（结构化学与物理化学）、化合物的合成制备与性质（无机与有机化学）及化合物的测量与表征（分析化学）为主要线索来介绍化学知识是符合目前科技发展和经济发展的趋势和要求的。因此，大学医学化学的教学也应遵循这样的原则，也就是以化学原理、制备与性质、测量与表征为医学化学教学的主要内容。

三、医学化学的教学如何适应理工类等相关专业

医学化学在我校授课的专业主要有应用物理学、医学影像学、生物工程等专业。这些专业的医学化学教学与一般大学理工科的化学教学，无论内容和难度及要求都是不同的。如何做到既能系统地将化学学科的基础知识介绍给学生，又能考虑到各专业学生的培养目标和特殊要求，这应是大学医学化学教学的基本思路。不同专业人才培养要求不同，教学内容应因专业不同而在难度和重点方面有所不同。如结构化学、化学热力学和化学动力学是物理化学的主要内容，也是化学学科的理论基础和知识框架。过去在原先医学化学的教学中，一直都属于略讲或不讲的部分。也正是由于这种状态，使上述专业的学生对化学不感兴趣，实际上起了削弱化学学科重要性的作用。

1.应用物理学（医学物理学方向）学为主的应用型人才，对于该专业的医学化学理论教学内容，应遵循理论够用，应用为主的原则。在参照教学大纲的前提下，在《氧化还原反应与电极电势》一章增加了化学传感器的内容，这在医学诊断和环境检测中都有重要的应用；在《滴定分析法》一章中，增加部分仪器分析的内容，这部分内容涉及仪器的正常使用维护，是物理学的主要应用，对保证仪器灵敏度、准确度、选择性等指标非常重要，例如电化学分析与光谱分析中如何降低信噪比等等。《有机化学的对映异构》一章涉及物理学光学的应用，要重点讲解，其它内容一般了解即可。以下是本专业修订后的医学化学理论授课内容

2.医学影像学专业医学影像学专业是以培养面向医学理论与应用并重的理、工、医多学科结合的专业人才为目标，除了按医学化学的教学要求教学外，还涉及较多的物理学的理论知识，实际应用中又要使用各种现代先进诊断仪器。因此在教学中，第一要突出物理化学中动力学的内容。因影像专业要接触放射性同位素，要熟悉其物理化学变化规律。第二，无机化学教学内容中要突出配合物的内容，因涉及肿瘤病人的化疗使用的配合物类药物，如顺铂和卡铂类化疗药物。第三，影像诊断经常使用的造影剂大多是有机化合物，所以有机化学的内容重点应讲基本有机物的性质，主要是药物性和毒性方面的知识。第四，要增加分析化学的仪器分析内容。因为医学影像专业是以诊断为主的专业，常用磁共振、CT等大型先进仪器，因此学生应对现代分析手段有所了解﹑熟悉，才能更好地掌握仪器的正常使用和维护。以下是本专业修订后的医学化学理论授课内容，

生物化学在医学中的应用例9

山西医科大学汾阳学院卫生信息管理专业教育的SWOT分析

我国高等医学教育中PBL教学模式应用的研究现状

医学微生物学实验教学体会

药剂学实验教学模式的探讨

医用有机化学实验教学改革的实践与思考

法医学专业学生实践能力培养体系的建设

中医院校机能实验学教学改革的实践与探索

高校创建节约型医学实验室的有效途径探讨

内分泌代谢科住院医师规范化培训的体会

提高八年制实习生外科临床实践能力的体会

提高军队医院创伤急救实习教学质量的探讨

医学院校留学生有机化学实验教学初探

全英文教学在解剖学教学中的应用

实验诊断学双语教学初探

医学英语用词分析及教学启示

网络资源辅助生物化学双语课堂教学的思考

妇产科学教学网络课程的建设和应用

药学专业实验课程体系的网络模拟化教学研究与实践

教学视频制作法在机能实验教学中的应用研究

培养高校青年教师教学能力的几点体会

通过早期科研训练培养医学生科学创新能力

指导医学本科生进行科研训练的探讨

组织学与胚胎学的教学艺术

临床医学本科细胞生物学教学改革研究与探索

框架介绍法在医学免疫学理论教学中的运用

几种不同教学法在病理学教学中应用的体会

基于TBL方法的局部解剖学教改方案

加强病理生理学教学与临床学科联系的探索

病理生理学课堂授课质量问卷调查分析

医学生物化学绪论教学的探讨

辩证思维法在生物化学糖代谢教学中的应用

临床生物化学与检验教学改革新模式的探讨

PBL教学法在卫生化学教学中的应用

卫生毒理学试题库建设的探索

综合性大学人体健康与疾病公选课教学初探

药学复合型人才培养教学改革与成果

运用兴趣性语言提高医学生记忆能力的体会

临床医学院八年制医学生导师制的实践与思考

研究生分子生物学实验教学的几点体会

生物化学实验教学现状的调查和浅析

药学专业无机化学实验教学改革初探

提高医学专业基础化学实验教学质量的探讨

改革化学实验教学,培养学生科学素养

PBL教学法在机能学实验课中的应用与评价

医学生探索性实验教学创新体系的建立与实践

医学高等职业教育实验教学的几点体会和思考

骨髓象检查课堂设计应注意的几个环节

输血方向专业课程的探索与思考

CBL与PBL教学模式在肿瘤外科学教学中的应用探索

儿科医学生医患沟通能力培养的探索

五步课堂三步课后教学在无菌技术操作中的应用

职业病误诊误治防范对策选修课的教学法研究

留学生组织学全英实验教学的体会

中医院校境外班人体解剖学教学的几点思考

医学留学生生物化学教学的几点思考

药学专业无机化学双语教学的误区、困境与对策

医学留学生普外科学教学初探

医学留学生培养模式的研究与探索

网络教学在神经生物学教学改革中的应用

显微互动系统对病理学实验教学效果影响分析

现代教育技术应用于病理生理学教学的思考

生物化学在医学中的应用例10

我国生物医学工程专业教育起步于20世纪80年代，主要发源于著名工科院校的信息技术类专业和力学专业，进而逐渐形成的生物医学工程专业教育，后来，一些医学院校在医学物理和医用计算机技术的基础上相继开展了生物医学工程专业教育，于是在我国基本上形成了这样两种类型的生物医学工程学科。上述两类院校的生物医学工程学科建设发展模式各具侧重，遵循了共同的学科基础，在培养生物医学工程专业人才的应用层面上有显著特点。相对来说，工科院校的生物医学工程培养模式注重工程技术的开发和功能拓展，医科院校则注重医学与工程结合、工程技术在医学中的综合应用。

1.中国生物医学工程学科发展思路

生物医学工程是一种交叉学科，交叉的学科基础及其融合的紧密程度决定了生物医学工程学科的发展水平，交叉的学科发展推动着生物医学工程学科的发展，并且使得生物医学工程学科研究领域变得十分广泛，而且处在不断发展之中。

1.1 学科发展轨迹

在中国，基于电子信息工程发展而来的生物医学工程学科，主要包括生物医学仪器、生物医学信号检测与处理、生物医学信息计算分析、生物医学成像及图像处理分析、生物医学系统建模与仿真、临床治疗与康复的工程优化方法、手术规划图像仿真以及图像导引手术及放疗优化等；有基于力学发展而来的生物医学工程学科，主要包括生物流体力学、生物固体力学、运动生物力学、计算生物力学和微观尺度的细胞生物力学等；基于化学材料工程发展而来的生物医学工程学科，主要包括生物材料学、组织工程与人工器官、物理因子的生物化学效应等。

1.2 学科发展特点

作为交叉学科的生物医学工程学科，其发展的关键在于交叉学科间的交叉融合。构建一种良好的交叉结构，对推动交叉学科的发展具有至关重要的作用。约翰霍普金斯大学对于生物医学工程这样的交叉学科的描述有一个形象的说法：交叉学科如同在不同学科之间建立起连接桥梁，如果在河两岸没有坚实的基础，桥是无法建立好的，对于生物医学工程这样一座建立在两个不同学科之间的桥来说，它的发展要求具有坚实的交叉学科基础和交叉学科紧密融合深度。那么在生物医学工程学科构建良好的交叉结构，需要选取具有理论支撑和技术支撑的主干学科进行交叉，凝练学科方向，不能大而全，过于宽泛。

目前，医学仪器和医学成像技术具有良好的应用和发展前景，应该成为生物医学工程学科的重点发展方向。医学仪器和医学成像设备能有力推动医疗产业的发展。医疗仪器和医学成像设备是现代医疗器械产业中的主流产品，在产业发展中起着主导和引领作用。其发展水平已成为一个国家综合经济技术实力与水平的重要标志之一。产业化驱动也是学科发展的一种动力，也为学生未来职业发展奠定良好的基础。基于医疗卫生健康事业的需求和生命科学发展的大趋势，生物医学工程学科应大力促进医学仪器和医学成像方法的学科建设，从而提升整个学科的发展水平。

生物医学工程学科的建设离不开一流的学术研究和学术成果的应用。一流的学术研究不但能提升学科的发展水平，而且能开拓学科纵深发展，产生良好的经济效益和社会效益，进而增强学科服务社会发展的能力。学术研究的前瞻性和创新性将确保学科建设的发展动力和趋势以及学科发展的活力。

交叉学科往往具有不同程度的可替代性。可替代性程度越高，交叉学科存在的必要性就越小。如何减小生物医学工程学科可替代性的程度是需要深入思考的，是需要提升学科的特异性的。生物医学工程学的学术研究主要包括应用理论研究和理论应用研究，应用理论研究主要涉及生物医学工程领域所需要解决的科学问题，开展新理论、新方法的研究。理论应用研究主要涉及生物医学工程领域所需要解决的科学和技术问题，借助理工科的相关理论和方法开展应用基础研究和应用研究。应用理论研究是理论驱动型的学术研究，理论应用研究是应用驱动型的学术研究。理论驱动型和应用驱动型是生物医学工程学科学术研究的两种主要模式。理工科大学具有良好的理论创新基础和强大的交叉的学科背景，开展理论驱动型研究具有自身优势。医学院校具有丰富的医学资源，面临着大量需要应用理工知识解决的医学问题，开展应用驱动型研究，将很好地实现与医学的应用融合，具有较好的临床应用价值，有力推进医学的进步与发展。各自的学术优势将有利于生物医学工程学科特色发展，从而增强其不可替代的程度，实现学科可持续创新发展。

1.3 学科体系

作为一级学科的生物医学工程，包含学科的理论体系和技术体系，且该体系离不开所交叉的学科的理论体系和技术体系的支撑，此外生物医学工程学科理论体系和技术体系既要有学科自身的特色，又要具有可持续发展和一定程度上的不可替代性，这样学科才会有旺盛的生命力。要面向医疗卫生、生物科学所涉及的重大、重要技术理论问题及基础应用开展学术研究。实现良好的学术研究定位，形成自己的理论体系和技术体系。

2.大数据时代的生物医学工程学科发展

守正创新是生物医学工程学科发展的必由之路，人类已进入大数据时代，所谓大数据（bigdata），或称海量数据，是指由于数据容量太庞大和数据来源过于复杂，无法在一定时间内用常规工具软件对其内容进行获取、管理、存储、检索、共享、传输、挖掘和分析处理的数据集。大数据具有“4V”特征：①数据容量（volume）大；②数据种类（variety）多，常常具有不同的数据类型和数据来源；③动态变化快，如各种动态数据，非平稳数据，时效性要求高；④科学价值（value）大，尽管目前利用率低，却常常蕴藏着新知识和重要特征价值或具有重要预测价值。大数据是需要新的分析处理模式才能挖掘分析出其蕴藏的重要特征信息[6。

人体生老病死的生命过程就是一个不断涌现的生物医学大数据发生源，这种源源不断的生物医学大数据的检测、处理与分析，将给生物医学工程学科的建设与发展带来新的机遇和挑战。模式识别、人工智能、数据挖掘和机器学习的发展将带动大数据处理技术的进步。生物医学大数据广泛涉及人类医疗卫生健康相关的各个领域：临床医疗、基础医学、公共卫生、医药研发、临床工程、心里、行为与情绪、人类遗传学与组学、基因和蛋白质组学、远程医疗、健康网络信息等，可谓包罗万象，纷繁复杂。生物医学大数据中蕴藏了种种有科学价值的信息，研究有效的大数据挖掘的新理论、新技术和新方法，对生物医学大数据进行关联和融合计算分析，充分挖掘生物医学大数据中的信息关联和特征关联和数据空间映射关联，既能为疾病的预防、发生发展、诊断和治疗康复提供系统化的全新的认识，有利于深入疾病机理研究分析，开展个性化诊疗。还可以通过整合系统生物学与临床数据，更准确地预测个体患病风险和预后，有针对性地实施预防和治疗。

生物医学工程学科所面临的生物医学大数据主要包括多模态医学影像数据、多种类医学信号数据以及基因和蛋白质组学的生物信息数据。生物医学大数据在生物医学工程学科领域内有着广泛深远的应用前景，从三个方面应用将推动生物医学工程学科的发展。

（1）开展多模态影像大数据计算分析。医学影像学科的发展从早期看得到，到看得清，目前的看得准，未来的趋势是看得早。只有看得准和看得早才有利于临床早期干预，提高治疗预期。医学影像大数据计算分析在影像诊断、手术计划、图像导引、远程医疗和病程跟踪将发挥越来越大的作用。

建立新的医学影像大数据计算分析模型和数值计算方法，挖掘多模态影像数据的特征数据和特征关联，将会提供强有力的影像诊断分析手段，极大地推动影像技术的发展，具有重要的临床应用价值和科学价值。

（2）开展多种类医学信号大数据计算分析。医学信号大多直接产生于生理和病理过程中的信号，能在不同层面上表达生理和病理相关机制特征。融合多种医学信号的大数据计算分析，能对生理病理过程进行更好更全面的阐释，不仅能深入了解生理病理的状态特征和过程特征，而且能实现个体健康监测和管理。可以很好地开展回顾性研究和前瞻性研究，推进系统化的医学应用研究。实现强大的多种医学信号数据的特征挖掘及特征关联计算分析。大数据挖掘能够增加准确度和发现弱关联的能力，能更好地认识生理病理现象和本质。

（3）开展基因和蛋白质组学的生物信息大数据计算分析。基因组学、蛋白质组学、系统生物学和比较基因组学的不断发展涌现了海量的需要计算分析的生物信息数据，已进入计算系统生物学的时代。开展生物信息大数据计算分析，可以拓展组学研究及不同组学间的关联研究。从环境交互、个体生活方式、心里行为等暴露组学，至细胞分子水平上的基因组学、表观组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、基因蛋白质调控网络，再到人类健康和疾病状态的表型组学等不同层面不同方向上实现大规模的关联计算分析，可以全面阐述生命过程机制，挖掘生命过程特征及关联特征。