纳米技术在生物医学的应用精选(九篇)
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第1篇：纳米技术在生物医学的应用范文
关键词：纳米金；生物医学技术；应用现状；
1前言
如今纳米技术随着时代的发展已经得到了很大的发展，成为了科学研究的热点，纳米金是指直径0.8~250mm的缔合金溶胶，它属于纳米金属材料中研究最早的种类，纳米金具有良好的纳米表面效应、量子效应以及宏观量子隧道效应，它具有很多良好的化学特性，比如抗氧性和生物相容性。
2纳米金在病原体检测技术中的应用现状
近些年来生物医学界对于流行病学的研究和对病原微生物的诊断已有了不小的进展，传统的分离、培养及生化反应逐渐被时代所淘汰，运用纳米金的免疫标记技术作为新的高通量的、操作简单的检测技术被广泛应用于临床病原体的检测，这种检测技术快速且准确，十分适合在临床上使用。1939年，两位科学家Kausche和Ruska做了一个小小的纳米金实验，他们将烟草花病毒吸附在金颗粒上，并在电子显微镜下观察，发现金离子呈高电子密度，就此打下了纳米金在免疫电镜中的应用基础。从1939年后生物医学技术不断发展，纳米金标记技术也广受世人关注，成为了现代社会四大免疫标记技术之一。作为一种特殊标记技术，纳米金在免疫检测领域受到了广泛的应用，使用纳米金粒子做探针，观察抗原抗体的特异性反应，放大检测信号，由此检测抗原的灵敏性。纳米金技术具有良好的检测灵敏性，在早期还支持诊断并监控了急性传染性病毒，根据这一特性，秦红设计了快速检测黄热病病毒的技术，在纳米金颗粒上标记上金SPA-复合物的标志，通过免疫反应实验我们发现病毒抗体与纳米金颗粒结合，并形成了人眼可见的红线。这种检测方法的优点有：不需要器材、简单、迅速、廉价、高效，极大地推动了黄热病病毒检测技术的更新，在黄热病的防控事业上有着深远意义。利用纳米金作为免疫标记物来检测的除了黄热病病毒，还有致病寄生虫。我国的民族种类多样，一些少数民族人民由于自身的文化特点，喜食生食或半生食物，这就形成了寄生虫病的传播，我国经济大发展后，人民的生活水平得到了提高，但还是喜食半生动物肉或者内脏，造成了食源性寄生虫病发病率的上升，严重影响人民身体健康。目前我国的临床诊断寄生虫病技术包括三方面：病原学检查、免疫学检查以及影像学检查。运用纳米金检测技术，不仅缩短了取材时间、缩小了取材范围，而且检出率高、创伤性小，受到了患者的广泛欢迎。
3纳米金在核酸、蛋白质检测中的应用现状
纳米金粒子具有特殊的表面等离子体共振现象，被应用在核酸构建和分析检测蛋白质领域中，可以把生物识别反映转换为光学或电学信号，因此人们将其与DNA、RNA和氨基酸相结合，在检测核酸和蛋白质方面收效颇丰，并且这种检测方法制备简单，同时还具有很多优点，比如良好的抗氧化性和生物相容性，下面具体讲一下纳米金检测技术在核酸和蛋白质检测中的应用。首先是在核酸检测中的应用。美国首先利用纳米金连接寡核苷酸制成探针检测核酸，将纳米金做标记与靶核酸结合形成超分子结构，由此来检测核酸。利用纳米金技术检测特定病原体和遗传疾病首先要做的就是检测核酸的特定序列，在芯片点阵上整齐排列纳米金颗粒，利用TaqDNA连接酶识别单碱基突变，等待连接后，就可以经过一系列步骤得出单碱基突变结果，得到所需信息。在临床应用中使用纳米金技术的表现有高灵敏检测谷胱甘肽和半胱氨酸的新型电化学生物传感器，这种机器对于谷胱甘肽和半胱氨酸的检出限值更低，在检测及预防糖尿病、艾滋病等疾病方面具有很大的临床优势。其次是在蛋白质检测中的应用。纳米金与蛋白质的作用方式非常多样，有物理吸附方式、化学共价结合方式以及非共价特异性吸附等等方式，在此背景下，我们可以利用纳米金检测并治疗疾病和检测环境污染。
4纳米金在生物传感器制备中的应用现状
目前纳米金在生物传感器检测中的应用受到了人们的普遍关注，如上文所说，纳米金具有特殊的表面等离子体共振现象，这是制备生物传感器的基础。利用这种特性，科学家们做了许多实验，比如拉曼光谱试验，使用Uv-Vis光谱和拉曼光谱仪测试金纳米颗粒的表征，得出结论是可以根据纳米金颗粒的不同形貌制作不同浓度分子的探针，受外周环境介电特性和颗粒尺寸大小的影响，纳米金颗粒会表现出不同的形貌特征，比如吸收光谱、发生蓝移。纳米金是属于一种非常微小的贵金属，作为贵金属，它具有很好的导电性能，利用纳米金进行免疫检测时会大量聚集纳米金，从而增强反应体系的电导，顺利通过电导检测免疫反应。利用纳米金的高检测灵敏性可以进行电化学免疫传感器的制备。
5其他领域的应用现状
目前纳米技术的研究中，纳米金在生物医学技术中的应用研究是重要研究课题，除了上文中说到的病原体检测、核酸以及蛋白质检测还有生物传感器制备中的应用，纳米金技术同时也被广泛应用于肿瘤的诊断与治疗、药物载体以及CT成像。纳米金具有特殊的组成结构，它可以轻易被修饰并负载化合物，可以用于检测并治疗肿瘤，还可以被用于肺癌的检测及治疗，目前的大量数据都表明纳米金技术在诊断并治疗肺癌上有极大的优势。
6结语
第2篇：纳米技术在生物医学的应用范文
【关键词】磁性纳米药物载体；系统构建；药物递送；疗效
纳米技术是上个世纪80年代被研发的一种高新技术，其由多门学科交叉而形成的，在各个领域均有所应用。磁性纳米药物也是由纳米技术研制出来的，其具有磁学性能，在肿瘤的临床治疗上取得了可喜成果。该系统的构建旨在使改性材料实现智能化与特异性的目标，这在降低排斥反应出现的概率，药物顺利递送提供了正能量，基于此本文展开论述。
一、药物释放载体系统的构建与生物评价学分析
智能纳米材料主要包括传感、处理、执行这三大基本性能。智能化磁性纳米药物载体系统构建过程中需要对很多因素进行综合分析，而对智能纳米材料的三大基本性质进行分析是基础，例如执行功能能够定时、定点和定量地实现体内生物功能。
药物释放载体系统作为智能化磁性纳米药物载体系统的一种类型，其在构建之时将疾病诊断、药物装载、靶向递送和执行治疗整合在一起，从而使该系统借助接枝诊断因子达到探测患者初始病症的目标。在抗体/配体或其他靶向因子的协助下，实现对目标生物位置靶向运输和精准定位的目标；借用生物体内包含的荧光物质达到对体内实时监测的目标；在聚乳酸、聚乙烯醇等聚合物的协助下，整个递送系统与生物个体之间的相容性能被强化，在此过程中药物的有效封装不再是幻想；此外，该系统还可以将接枝所用的化学传送给靶向因子或抗w。
该类型的智能化磁性纳米药物载体系统还能够把药物或治疗基因强制性的封存在载体中，不仅仅能够大幅度降低药物对生物机体的毒性和副作用，也可以将特殊药物或基因传输至机体靶细胞上，借助接枝其他功能型分子的途径，使自体具备对光、电、磁、热等刺激及时响应的功能，继而在将外界刺激作用于病区上，此时智能化磁性纳米药物载体系统递送的智能化药物控释载体能够精确的感知外界刺激信号，最后将预先设置的功能选项执行出来，这样药物就可以依照预定方案实现控制性释放的目标，最终对病患细胞实现治疗的目的。
二、基于热响应性金纳米粒子智能药物递送系统的研究
在该智能化磁性纳米药物载体系统内，磁性纳米颗粒主要作用被设定为定位与靶向，金纳米粒子最大的功能就是成像。系统在构建之时利用高分子聚合物材料有效的将上述两类纳米粒子囊括在一个体系中，在此过程中使其具有载运药物的功能，借此途径去使该智能化系统有效应用磁信号把复合纳米药物载体输送至病患细胞处。在金纳米粒子成像功能的辅助下，从而达到对药物颗粒运载情况实时监测的目标，具体是指粒子的转运机制、作用部位和药物浓度。最后在pH等外界特性刺激信号的支配下，促使高分子聚合物对药物定点、定量释放进行合理的降解，实现对病患根治的最终。该智能化磁性纳米药物载体体系作用于癌症细胞，使其表现出弱酸性，从而促使聚合物解体快速将内部包含的药物递送出来。该智能化系统的构建能够达到对癌变细胞智能化诊断和治疗的目的，与此同时大幅度的提升药剂递送的精准性，此时药物的利用效率显著的提升也是必然的事实，并且能够有效的减轻药物毒副作用，可见基于热响应性金纳米粒子智能药物递送系统在临床诊断与治疗方面具有宽阔的应用空间。
Conner等人利用一种以近似红外光为刺激信号的智能药物载体，构建了热响应性金纳米粒子智能药物递送系统，该治疗系统最大的特色在于利用金纳米颗粒有效的处理了近红外光的产热效应。在对荷瘤小鼠实现进行光热疗法时，抗癌药物有效的被释放出来，同时在Ce6所产生的活性氧辅助下达到杀灭癌细胞的目标，取得的应用效果是极为可观的。
三、关于介孔硅纳米智能药物递送系统的研究
介孔硅纳药物递送材料（MSN）凭借自体较高比表面积、孔径结构的有序性、表面富含活性基团羟基（-OH）的性能，在研发降解新药物载体上具有较高频率的应用。介孔硅纳米智能药物递送系统在生物医学领域的应用，是基于介孔材料表面大批量被功能化修整基础上的，这样该智能化磁性纳米药物载体系统就能够高效率的对各类外加刺激信号，以及对特质生理环境形成的效应进行精确而刺激性的回应。正因如此，MCM-41、MCM-48，、MCM-50等介孔硅结构在化学催化、分离吸附、药物递送控释等众多领域具有较高的应用潜力。
磁性-介孔硅复合结构的纳米颗粒的构建，可以将抗癌药物精确的传送至肿瘤并发部位。该体系在构建之时，制备实心硅球是前提，继而在碱腐蚀法的作用下雕刻出中空介孔硅，MnFe沉积的磁性表面层的构建，为磁性热响应性控制释放体系的完善奠定基础，最后在外加磁场的辅助下，药物载体向病灶位置递送的目的得以实现。
四、结束语
在生物医学领域，智能化磁性纳米药物载体系统具有广阔的发展前景，其借助材料自体物理、化学、生物性质，实现智能靶向与精确定位的目标。当然，其特质性生物学用途为临床疾患诊断与治疗效果的提升注入了巨大的动力。也就是说，纳米材料、生物医学和信息技术有机整合，使生物材料在响应、药物递送和疾病诊疗等方面体现智能化特色，从而使患者少受病痛的折磨，为人类健康做出贡献。
【参考文献】
第3篇：纳米技术在生物医学的应用范文
【关键词】 光电子技术 光医学 光保健 学科现状 发展趋势
一 引言
生物医学光学与光子学是光学或者说光子学现展的一个分支学科。由于光学与光子学是具有极强应用背景的学科，所以“生物医学光子技术”这一多学科交叉的新兴研究领域在20世纪末叶也随之应运而生。
激光技术作为一项重大的科技成就，为研究生命科技和疾病的发生、发展开辟了新的途径，为保健和临床诊疗提供了崭新的手段,推动人类科学技术进入新的发展阶段。
可以把与光的产生、传播、操纵、探测和利用有关的物理现象和技术包括在内的科学及工程笼统地简称为光学。用光学最广的含义来概括各研究领域及其相关交叉分支时必然包括了激光和光电子技术。运用光学及其技术研究光与人体组织的相互作用问题可归之于“组织光学”范畴。它是研究光辐射能量在生物组织体内的传播规律以及有关组织光学特性的测量方法的一门新兴交叉学科，是光医学（光诊断和光治疗）的理论基础。经过40多年的发展，激光与光电子技术在人类的保健、医疗以及生命科学中产生了很大影响。
在医学领域，光电子技术使各种新疗法，包括从激光心脏手术到用光学图像系统的关节内窥镜进行微损膝关节修复等，成为可能或得以实现。目前，科学家们正致力于研究光学技术在非侵入式诊断和检测上的应用，如乳腺癌的早期探查、糖尿病患者葡萄糖的“无针”监控等。激光在医学上的最早应用虽然集中在治疗方面，然而在80年代初期起便开始了光诊断技术的探索。指望无损害地获得诊断信息是这些研究的驱动力之一，其中在物理学中高度发展的光谱技术有望在诊断医学中得到应用。利用光纤把光传输到身体内部的能力，可以完成膀胱、结肠和肺等器官的检查。随着医学诊断方法向无损化方向发展，利用光电子学技术对组织体进行鉴别和诊断，有可能更早期、更精确地诊断各种疾病。近年来，人们开始把这种诊断方法称之为“光活检”。
随着现代医学模式的转变、健康概念的更新以及人民生活水平的提高，从20世纪80年代后期起，“激光美容术”在世界各地包括在我国各大城市逐渐地开展。保健美容是光电子技术应用越来越活跃的领域。激光技术应用于美容外科的起步较早，使得一些在美容整形外科很棘手的疾病，如太田痣、血管瘤等治疗变得简易有效。到20世纪末，人们又开发了一种称为光子嫩肤术的新美容技术。它基于选择性的光热解作用，有效地改善肌肤的质地和弹性，达到美容的效果。之所以用激光或强脉冲光进行非消融性的嫩肤或治疗越来越流行，是因为这类手术具有无损、不必住院、几乎无副作用和无疼痛，从而使受术者容易接受的优点。
国家自然科学基金委员会先后二次在“光子学与光子技术”以及“生物医学光学”优先资助领域战略研究报告中分别指出：近年来生物医学光学与光子学的迅猛兴起，令人瞩目，并因而引发出一门新兴的学科－生物医学光子学（Biomedophotonics）。研究报告选定了近期优先研究领域包括生物光子学、医学光子学基础研究、医学临床的光学诊断和激光医学中的重要课题等诸方面。
福建师范大学在1974年成立了“医用激光及其应用技术”研究组，以激光与光电子技术为基础，围绕激光医学应用的核心技术开展研究与开发。至二十世纪九十年代，跟随该领域的国际走向，转入激光医学技术的基础理论研究工作，在国内率先开展了生物组织光学与光剂量学的研究。伴随研究工作的深入开展，逐步形成了我们有特色的若干前沿研究方向，并于2005年获准立项建设医学光电科学与技术教育部重点实验室。
二 国内外现状
光学在生命科学中的应用，在经历了一个缓慢的发展阶段后，由于激光与新颖的光子技术的介入，进入了一个迅速发展的新阶段。与光学有关的技术冲击着人类健康领域，正在改变着药物疗法和常规手术的实施手段，并为医疗诊断提供了革命性的新方法。特别在近十多年来，与蓬勃的学术研究活动相对应，国际上出现了专门的研究性学术杂志，如：Laurin 出版公司于1991年发行了“Bio-Photonics”新杂志。美国光学学会重要的会刊之一“Applied Optics”也于1996年将其“Optical Technology”栏目扩充为“ Optical Technology and Biomedical Optics”，并定期出版有关生物医学光学的论文专集。SPIE亦于1996年创办了期刊Journal of Biomedical Optics，且声誉日隆。到2004年，该刊的SCI影响因子已达3.541。当前，发达国家普遍对生物医学光子学学科给予了高度重视。例如，在美国国家卫生研究院（NIH）新成立的国家生物医学影像与生物工程研究所（NIBIB）中，生物医学光子学也成为其主要资助的领域。近三年中，美国NIH已经召开过4次研讨会，认为新的在体生物光子学方法可用于癌症和其它疾病的早期检测、诊断和治疗。新一代的在体光学成像技术正处在从实验室转向癌症临床应用的重要时刻。在NIH的支持下，美国国家癌症研究所（NCI）正在计划5年投资1800万美元，招标建立“在体光学成像和/或光谱技术转化研究网络（NTROI）”，其研究内容主要包括：光学成像对比度的产生机理、在体光学成像技术与方法、临床监测、新光学成像方法的验证、系统研制与集成等五个方面。2000年底，在美国NIBIB的首批支持项目中，光学成像方法约占30%。2000年7月，美国NIH投资2000万美元，开展小动物成像方法项目（SAIRPs）研究，受到生命科学界的高度关注，其中光学成像方法是研究重点之一。美国国家科学基金会（NSF）在2000-2002年了4次关于生物医学光子学研究（Biophotonics Partnership Initiative）的招标指南。“9.11”事件后，美国国防部启动了“应激状态下的认知活动”(Cognition under stress)项目，采用的研究方法就是光学成像技术。美国加州大学Davis分校于2002年10月宣布：未来10年内，将投资5200万美元建立生物医学光子学科学技术中心（The Center for Biophotonics Science and Technology），其中4000万美元由NSF支持。在学术交流活动方面，国际光学界规模最大西部光子学会议（Photonics West）上，每年的四个大分会之一即是生物医学光学会议（BiOS），论文均超过大会总数的三分之一，如，2003年关于BiOS的专题为19个，占整个会议的19/52=36.5%；2004年，IBOS会议专题为20个，占整个会议的20/55=36.4%。另外，每年还召开欧洲生物医学光子学会议。除疾病早期诊断、生理参数监测外，在基因表达、蛋白质―蛋白质相互作用、新药研发和药效评价等研究中，特别是近年来的Science, Nature, PNAS等国际权威刊物发表的论文表明，光子学技术也正在发挥至关重要的作用。在某些领域，如眼科，光学和激光技术已成熟地应用于临床实践。激光还使治疗肾结石和皮肤病的新疗法得以实现，并以最小的无损或微损疗法代替外科手术，如膝关节的修复。现在，用激光技术和光激励的药物相结合可治好某些癌症。以光学诊断技术为基础的流动血细胞测量仪可用于监测爱滋病患者体内的病毒携带量。还有一些光学技术正处于无损医学应用的试验阶段，包括控制糖尿病所进行的无损血糖监测和乳腺癌的早期诊断等。光学技术还为生物学研究提供了新的手段，如人体内部造影、测量、分析和处理等。共焦激光扫描显微镜能将详细的生物结构的三维图象展现出来，在亚细胞层次监测化学组成和蛋白质相互作用空间和时间特征。以双光子激发荧光技术为代表的非线性成像方法，不仅可以改善荧光成像方法的探测深度、降低对生物体的损伤，而且还开辟了在细胞内进行高度定位的光化学疗法。近场技术将分辨率提高到衍射极限以上，可以探测细胞膜上生物分子的相互作用、离子通道等等。激光器已成为确定DNA化学结构排序系统的关键组成部分。光学在生物技术方面的其它应用还包括采用“DNA芯片”的高级复杂系统，和采用传输探针的简单系统。激光钳提供了一种在显微镜下方能看见的一种新奇的、前所未有的操作方法，能够在生物环境中实现细胞或微观粒子的操纵与控制，或在10-12m范围内实现力学参数的测量。结合光子学和纳米技术已经可以探测细胞机械活动，揭示细胞水平上隐秘的生命过程，利用纳米器件甚至可以检测和操纵原子和分子，这可以应用在细胞水平的医学领域。高技术的进步，如：微芯片极大地加速了生物光子学的发展进程。集成电路、传感器元件和相连电路的小型化、集成化促使在体和体外测量分子、组织和器官图像成为可能。许多生物医学光子学技术已经在临床上应用于早期疾病监测或生理参量的测量，如血压，血液化学，pH，温度，或测量病理生物体或临床上有重要意义的生化物种的存在与否。描述不同光谱特性（如荧光，散射，反射和光学相干成像）的各种光学概念出现在功能成像的重要领域。从大脑到窦体再到腹部，精确导位和追踪，对于精确定位医疗仪器在三维手术空间的位置具有重要的作用。基于分子探针的光子技术可以识别发生疾病时产生的分子报警，将真正实现令人激动的、个人的、分子水平的医学。
我国的研究基础与条件虽然相对落后，研究投入不足，但生物医学光子学是一门正在兴起和不断发展的学科，在这一新兴交叉学科上国内外处于一个起跑线上。近年来，在国家自然科学基金委、省部委以及其它基金项目的资助下，我国在生物医学光子学的研究中取得了很大的进展，尤其是2000年第152次主题为 “生物医学光子学与医学成像若干前沿问题”、第217次主题为“生物分子光子学”的香山会议后，有许多学校和科研单位开展了生物医学光子学的研究工作，并初步建成了几个具有代表性的、具有自己研究特色和明确科研方向的研究机构或实验室，并在生物医学光学成像（如OCT、光声光谱成像、双光子激发荧光成像、二次谐波成像、光学层析成像等）、组织光学理论及光子医学诊断、分子光子学（包括成像与分析）、生物医学光谱、X射线相衬成像、光学功能成像、认知光学成像、PDT光剂量学、高时空谱探测技术及仪器研究等方面取得了显著的研究成果。发表了许多研究论文，申请了许多发明专利，有些已经获得产业化。国家自然科学基金委员会生命科学部与信息科学部联合发起并承办的全国光子生物学与光子医学学术研讨会已经举办了六届。这对我国生物医学光子学学科的发展起到了积极的推动作用。在我国近年所召开的亚太地区光子学会议中，有关生物医学光子学的内容已大幅增加，成为主要的研讨专题。我国的生物医学光子学研究和学术活动也方兴未艾，呈现与国际同步的态势。在基础研究、应用基础研究以及对新技术的掌握方面跟踪国际先进水平，但国内科研经费的投入相对较小，科研队伍规模不大，原创性的科研成果与国外有较大差距。和国外的发展水平相比，我国的生物医学光子学发展还存在以下问题：
（1）尽管从事生物医学光子学的科研单位很多，但取得突破性、创新性的研究成果很少，主要是由于我们的科研队伍在组织、组成上还不合理，过于分散、开展的内容繁杂，难以将有限的资金投入到一些有利于国计民生的及上水平的研究方向上；另外许多单位的研究重复，缺乏合作，导致水平低下；
（2）和国外相比，研究经费无论在绝对值还是相对值上均投入十分不够；
（3）缺乏研究成果产业化的引导机制。
三 医学光电科学与技术（福建师范大学）教育部重点实验室概况
“医学光电科学与技术”教育部重点实验室设立于福建师范大学物理与光电信息科技学院（激光与光电子技术研究所）内，作为本学科开展科研研究和实施建设与发展的一个基础平台。实验室已有30年发展历史，1973年成立福建师范学院物理系激光实验室，1984年成为福建师范大学激光研究所实验室，1995年为福建省首期211重点学科《应用光子学》学科实验室，2003年5月26日经福建省科技厅批准成立“光子技术福建省重点实验室”，2005年7月28日经教育部批准立项建设教育部重点实验室。实验室座落于福建师范大学长安山校园内。
30年多来，实验室在生物组织光学、医学光谱与光学成像技术、光诊断及光诊疗技术、信息技术光学及其生物医学应用等四个主要方向上努力开拓，承担并完成了数十项国家与省部重点、重大项目课题，取得一批代表我国本领域研究水平的科研成果，其中十五以来获省部级科技进步一等奖1项，二等奖2项，三等奖2项，其它省级以上奖励12项。在国内外重要刊物发表的论文以及被SCI、EI收录的论文均超过100篇。
实验室目前承担着国家与省级重要课题50余项，科研经费超过2000万元。其中国家自然科学基金项目11项，国家教育部、科技部、卫生部项目9项，福建省科技重大专项1项，其它省级重要项目近30项。
中科院半导体研究所原所长王启明院士任重点实验室学术委员会主任，副主任由黄尚廉院士和谢树森教授担任。另有九位国内外著名的激光、光电子与医学学科交叉的院士、专家或资深教授担任委员，其中海外委员两人。他们规划、指导并检查本学科实验室的建设与发展。
重点实验室主要学术带头人、实验室学术委员会常务副主任谢树森教授是中国光学学会副理事长、福建省光学学会理事长、国家有突出贡献的中青年专家、光学工程专业博导、全国劳动模范，是我国医学光电科学与技术领域的学术带头人与开拓者。实验室主任陈荣教授、副主任李晖教授均为国务院特殊津贴专家，实验室常务副主任陈建新教授来自于北京大学的优秀博士后研究员。重点实验室拥有稳定的可持续开展高水平科研的学术梯队，其中的中青年学术带头人或学术骨干包括1位闽江学者特聘教授、1位福建师范大学特聘教授、3位国务院特殊津贴专家、2位全国优秀教师、2位福建省优秀教师和15位博士。
重点实验室与国内外学术界建立了并保持着广泛的联系。重点实验室已设立面向国内外的开放课题基金。已批准并实施来自浙江大学、厦门大学、上海光机所、西安交通大学、华南师范大学、天津医科大学、上海市激光医学研究中心等单位知名学者的开放课题。
重点实验室已具备良好的科研软硬件环境。现有面积近5000平方米，仪器设备原值2500多万元。重点实验室各项管理制度健全。
“医学光电科学与技术”重点实验室，在我国现代科学技术领域特色鲜明，在我国相关学科处于领头地位，有较大影响。重点实验室建设将有力促进福建省科技创新能力建设，促使福建师范大学迅速向高水平、有特色、开放型的综合性大学迈进。同时，重点实验室的建设与发展将有力促进我国医学光电科学与相关学科的发展，为广大民众的身心健康，为海峡西岸的科技、社会与经济发展做出重大贡献。
四 发展趋势和展望
光子学及其技术已广泛应用或渗透到生物科学和医学的诸多方面，被科学界所认同和重视。生物医学光学已经成为国际光学学科重要发展方向之一。生物医学光子学的发展，将为现代医学和生命科学带进崭新的时代。本学科的发展将继续体现了多学科交叉的特点，研究领域涉及到了生物学、医学、和光学，还有化学等不同大学科的方方面面。技术开发与临床应用研究的结合将越来越密切。一般认为，光学领域未来发展的重点是将各种复杂的光学系统和技术更加广泛地应用于保健和医疗。当今世界中,与光子学有关的技术冲击着人类对生命体的认知及人类健康领域。基于现代激光与光电子技术的生物医学光子学技术将为生命科学研究带来具有原始性创新的重要科研成果，并可望形成有重大社会影响和经济效益的产业。
在医学领域，光子学技术正在改变着药物疗法和常规手术的实施手段,并为医疗诊断提供了新方法。在某些领域,如眼科,光学和激光技术已成熟地应用于临床实践。激光还使治疗肾结石和皮肤病的新疗法得以实现,并以无损或微损疗法代替外科手术,如膝关节的修复。现在,用激光技术和光激励的药物相结合可治好某些癌症。以光学诊断技术为基础的流动血细胞测量仪可用于监测爱滋病患者体内的病毒携带量。还有一些光学技术正处于无损医学应用的试验阶段,包括控制糖尿病所进行的无损血糖监测和乳腺癌的早期诊断等。
在基础研究方面，研究重点在于从细胞，甚至是亚细胞尺度层次揭示病变组织与正常组织之间的差异，为新技术开发以及应用提供理论依据。另一方面，研究光与人体组织之间的相互作用以及所产生的光化学、光热和光机械效应。在技术的应用方面，研究重点转向比较各种技术中光源（相干光源/非相干光源、波长、功率密度、偏振性、连续/脉冲光源、脉冲持续时间等）和个体差异（年龄、性别、临床症状、发病史、发病时间等）对诊断或治疗结果的影响，在确定各种技术临床适应症的同时，进一步实用化各种技术。此外，还在不断开发新的实用于不同疾病的诊断、治疗和监测技术。
值得关注的是，国外从事“生物医学光学”领域研究的高校或研究机构中，来自大陆的中国学者的数量越来越多。这有助于使国内外的学术交流更加有效，并可以预期国内与国外在该领域的研究水平差距将不断缩小。
今后若干年内医学光电科技学科需关注的重大科学问题和优先研究领域如下：
（一）医学光子学基础
在组织光学方面，其中最主要的有光在组织体内传播的特殊方式、组织光学性质的描述以及有关实验技术的开发和完善等。组织光学是医学光子技术的理论基础。光在生物组织中的运动学（如光的传播）问题和动力学（如光的探测）问题是研究的主要内容，目的是要研究生物组织的光学性质和确定某靶位单位面积上的光能流率。应优先解决测量技术和实验精度的问题，利用近场光学显微技术、光镊技术测量活体组织的光学参量。在理论建模方面，建立生物组织中光的传输理论和数值模拟方法。具体开展的研究工作应包括：1）光在生物组织中传输理论：要用更复杂的理论来描述生物组织的光学性质以及光在其中的传播行为。建立准确的组织光学模型，使之能反映生物组织空间结构及其尺寸分布情况、组织各个部分的散射与吸收特性以及折射率在一定条件下的变化情况；改造传输方程，使之适应新的条件，并能在某些情况下求出光在生物组织中传输的基本性质。2）光传输的蒙特卡罗模拟：继续开发新的更为有效的算法以适应生物组织的多样性和复杂性的要求。除了了解光在组织中的分布，还在探索从大量数字模拟中得到生物组织中光的宏观分布与其光学性质基本参量之间的经验关系。另外，发展非稳态的光传输的蒙特卡罗模拟方法也是一个重要的研究方向，从中可以获得比稳态条件下更多的信息。
组织光学参数的测量方法和技术方面，尚未获得人体各种组织的可靠实验数据。发展和完善活体的无损检测尤为重要。在这方面，时间分辨率与频率分辨率的测量方法引人注目。
（二）医学光子学光谱诊断技术
医学光子学光谱（非成像）诊断技术实质上是利用从组织体反射、散射、发射出来的光，经过适当的放大、探测以及信号处理，来获取组织内部的病变信息，从而达到诊断疾病的目的。
生物组织的自体荧光与药物荧光光谱技术，内容涉及光敏剂的吸收谱、激发与发射荧光谱以及各种波长激光激发下正常组织与病变组织内源性荧光基团特征光谱等。现在人们所谓的特征荧光峰实际上只是卟啉分子的荧光峰。客观和科学地判断激光荧光光谱对肿瘤的诊断标准是十分必要的。目前，某些癌瘤的药物荧光诊断已进入临床试用，自体荧光的应用尚处于摸索之中。需要开展激光激发生物组织和细胞内物质的机理研究，探讨激光诱发组织自体荧光与癌组织病理类型的相关性以及新型光敏剂的荧光谱、荧光产额和最佳激发波长等方面的研究，以期获得极其稳定、可靠的特征数据，为诊断技术的发展提供科学依据。
近年来，拉曼光谱技术应用于医学中已显示出它在灵敏度、分辨率、无损伤等方面的优势。应开发并完善重要医学物质拉曼光谱数据库，并使基于拉曼光谱分析的小型、高效、适用于体表与体内的医用拉曼光谱仪和诊断仪将在医学临床获得更广泛的应用。
超快时间分辨光谱比稳态光谱在技术上更灵敏、更客观和更具有选择性。因此，将脉宽为ps、fs量级的超短激光脉冲光源用于医学受到广泛重视，其一，应发展超快时间分辨荧光光谱技术，用于测量生物组织及生物分子的荧光衰变时间，分析癌组织分子驰豫动力学性质等，为进一步研究自体荧光法诊断恶性肿瘤提供基础数据；其二，应发展超快时间分辨漫反射（透射）光谱技术。以时域的角度测量组织的漫反射，从而间接确定组织的光学特征。这是一种全新的、适用于活体的、无损和实时的测量方法，为确知光与生物组织的相互作用，解决医学光子学中基础测量问题开辟一条新径。
（三）医学光子学成像诊断技术
发展出具有无辐射损伤、高分辨率、非侵入、实时、安全的光子学成像诊断技术，并具有经济、小型、且能监测活体组织内部处于自然状态化学成分等特点的医疗诊断设备。主要的医学光子学成像诊断技术包括：
超快时间分辨成像技术：以超短脉冲激光作为光源，根据光脉冲在组织内传播时的时间分辨特性，使用门控技术分离出漫反射脉冲中未被散射的所谓早期光，进行成像。正在研究的典型时间门有条纹照相机、克尔门、电子全息等。
散射成像技术：包括光子密度波散射层析成像、组织深度光谱测量以及复合成像等，利用红外光源，光子密度波在生物组织中的穿透深度可达几个毫米，在低散射的人脑组织中甚至可达30mm。
红外热成像：红外热成像是利用红外探测器测量人体和动物的正常与病变组织的温度差异来诊断病变及其位置，现已在医学诊断中得到广泛的应用，如乳腺肿瘤的诊断。
光学相干层析成像技术：一种非侵入式无损成像技术，并且可以与显微镜、手持探针、内窥镜、医用导管、腹腔镜等相结合使用，从而具有广阔的应用领域。而且，OCT能进行众多功能成像，如分光镜OCT、多普勒OCT、偏振OCT：也可以与众多成像技术结合使用，如荧光、双光子、二次谐波成像等技术。
荧光寿命成像：受超短光脉冲激发后，荧光团，包括自体荧光团如NADH、FAD等和外源荧光团，如有机荧光染料、荧光蛋白等，所发出荧光的寿命取决于荧光团的分子种类及其所处的微环境，如pH、离子浓度（如Ca2+、Na+等）、氧压等，因此荧光寿命的测量和成像，有助于提供生物组织的功能信息。和内窥镜结合，可用于胃癌、食道癌等疾病的早期诊断，是一种很有前途的具有高灵敏度、高特异性以及高诊断准确性的早期癌症诊断方法。
光声作用成像：利用超声场在生物组织中的优良传输特性和激光在生物组织中的选择性吸收特性,将超声定位技术和光学高灵敏度检测技术结合,以实现无损伤临床医学的结构和功能层析诊断。预期成像深度远好于目前的光学成像方法,对于较厚生物组织成像及临床应用特别具有吸引力,可为及早发现一些特殊病变提供一种无损、有效、高准确度的方法。
非线性光学成像：双光子激发荧光显微成像、二次谐波等成像技术由于具有三维高空间分辨率，对比度高、对生物组织的损伤小等优点，研究工作重点是扩展成像技术在生物医学领域的应用范围，重点解决研制小型化内窥型诊断设备所面临的相关技术问题。
人体经络的光学表征及其调控功能：已经用不少事实证明了经脉循行路线的现象，也初步显示了人体体表沿十四经脉路线存在的红外辐射轨迹。然而，至今未能用西医的形态学或生理学方法证明它的存在，也不能明晰地阐明“经络”的实质。可以利用已发展的生物医学光子学诸多成像技术为工具，研究这个具有中国特色的中医学中的重大问题。
4.医用激光治疗技术（激光医学）
强激光治疗：是当前激光医学中最成熟和最重要的领域。随着新型医用激光器的不时出现，如：钛激光、铒激光、准分子激光等，强激光治疗技术的临床用途也逐渐增多，提出一些新的问题。关于这些新型激光器及新的工作方式对人体组织的作用特点的认识还相对不足，基本没有适合国人组织特性的治疗参数。为此需加强研究激光与生物组织间的作用关系，特别是在诸多有效疗法中已获得重要应用的激光与生物组织间的作用关系；研究不同激光参数（包括波长、功率密度、能量密度与运转方式等）对不同生物组织、人体器官组织及病变组织的作用关系，取得系统的数据，同时也有必要加强新型激光器及新的工作方式的临床适应证的研究。
低强度激光治疗：非热或低强度激光辐射可作为一种辅助治疗手段，其作用机理尚不清楚。对弱激光治疗机理的认识有待于整个基础医学的提高，如充分认识细胞基因表达与调控、细胞代谢的调控、免疫反应的调控等，同时还需研究不同弱激光剂量对这些调控的影响，这才能提高弱激光治疗的针对性和疗效。针对目前临床上盲目夸大疗效、照射剂量严重混乱的局面，建议重点扶持2-3个弱激光研究中心，集中财力与人力进行弱激光的细胞生物学效应研究；弱激光生物调节作用和细胞生物学现象（基因调控和细胞凋亡）的量效关系、弱激光镇痛的分子生物学机制以及弱激光与细胞免疫（抗菌、抗毒素、抗病毒等）的关系及其机制。寻求弱激光生物刺激效应的可能机制与量效关系；规范临床治疗参数与操作等。
光动力学治疗（PDT）是当前激光医学中最具活力且发展迅速的领域。光动力疗法具备了诊断和治疗肿瘤、心脑血管病等人类重大疾病的潜力。光动力疗法在鲜红斑痣、老年性眼底黄斑病变、某些顽固性皮肤病、类风湿性关节炎等常规手段难以奏效的良性疾病的治疗研究中取得一系列进展，并结合内镜技术的发展等，其应用领域得到很大的延伸和扩展。这些都说明发展光动力疗法具有重要的社会和经济效益。应当重点资助PDT相关产品的国产化，扶持新一代国产光敏剂的开发及相应激光器的产业化，资助新一代光敏剂光动力学治疗的机理研究。作用机理、光动力疗法各要素对光动力学效应的影响、建立数学模型、新型光敏剂光动力学效应的研究，为开拓光动力疗法新的应用领域取得系统的数据。
激光美容与光子嫩肤术：利用激光或强脉冲光照射皮肤后的选择性光热解效应，即靶组织（病灶）和正常组织对光的吸收率的差别，使激光在损伤靶组织的同时避免正常组织的损伤这一原则，达到去皱、去文身、脱毛和治疗各种皮肤病或达到美容的效果。
五 结论
医学光子学及其技术的学科发展，对生命科学有重要且积极的意义。在医学领域，将为解决长期困扰人类的疑难顽疾如心血管疾病和癌症的早期诊治提供可能性，从而提高人类的生存价值和意义，其中的重大突破将起到类似X射线和CT技术在人类文明进步史上的重要推动作用，在知识经济崛起的时代还可能产生和带动一批高新技术产业。
参考文献
〔1〕Michael I. Kulick. Lasers in Aesthetic Surgery. New York: Spring-Verlag,1998.（中译本：激光美容外科，叶青等译，福建科技出版社 2003.）.
〔2〕美国国家研究理事会编，上海应用物理研究中心译. 驾驭光：21世纪光科学与工程学, 上海：上海科学技术文献出版社，2001. 78-114.
〔3〕 谢树森，雷仕湛. 光子技术. 北京：科学出版社,2004. 266.
〔4〕国家自然科学基金委. 光子学与光子技术：国家自然科学基金优先资助领域战略研究报告. 北京: 高教出版社/海德堡，施普林格出版社, 1999. 96-114.
〔5〕Raloff, Janet, Optical biopsy hunts would-be cancers, Science news, 2001,159(14):214.
〔6〕 Kathy Kincade, Medicalwatch: Optical biopsy device nears commercial reality, Laser focus world, 2000.
〔7〕 Britton Chance, Mingzhen Chen and Gilwon Yoon, Editors, Optics in Health Care and Biomedical Optics: Diagnosis and Treatment, Proc.SPIE, 2002.
〔8〕R.R. Alfano, Advances in optical biopsy and optical mammography, Published by the New York Academy of Sciences, 1998.
〔9〕R.R. Anderson, J.A. Parrish, Science, 1983, 220:524-527.
〔10〕 谢树森，龚玮，李晖，光电子激光，2004，15（10）：1260-1262.
〔11〕 R. Christian, G. Barbel, etal, Lasers Srug Med,2003;, 32:78-87.
〔12〕范滇元 中国激光技术发展回顾与展望 《2000高技术发展报告》 2000.
〔13〕 世界激光医学发展简史 2004.
〔14〕 李兰 我国激光医学现状发展战略――问题与对策《科技日报》2002.07.
〔15〕 Wei Gong, Shusen Xie, Hui Li. Photorejuvenation:still not a fully established clinical tool for cosmetic treatment. ICO20: Biomedical Optics, Proc. of SPIE Vol. 6026, 602604, (2006).
〔16〕 Hongqin Yan, Shusen Xie, Hui Li et al. Optical imaging method.
课题组成员：
1.谢树森：教授、博士导师，中国光学学会副理事长，福建省光学学会理事长
2.李 晖：福建师范大学 医学光电科学与技术教育部重点实验室
3.陈 荣：福建师范大学 医学光电科学与技术教育部重点实验室
第4篇：纳米技术在生物医学的应用范文
复杂系统具有多极结构。西蒙（H.A.Simon）基于自然（和人工）进化的变异-选择观，解释复杂系统的层级架构，即组成部分以自然的交互作用结合在一起，进而创造出各种集合。在这些集合中，稳定的集合“存活”了下来，而其他集合需要继续进化。稳定的集合形成了“自然选择的整体”，它们不把功能作为建筑模块，而是结合到高阶的集合中，然后再重复同样的过程，从而形成了分级结构的复杂性。西蒙用这个模型想表明，突现的多级系统比复杂性的两极系统的概率更大，即在两极系统中，所有组成部分必须“井井有条”，否则在自然变异机制增加缺失的组件之前，集合将变得不稳定。在多极系统中，只需要少数成份“井井有条”就能形成稳定的模块，这些模块的一部分再次递归组合，形成更高级的模块。很显然，井井有条的成份越小，随机组合的概率越大。然而，也有一些例外的情况，不分等级的复杂系统仍然可能。例如，大部分高分子化合物由简单、线性的多分子两极集合形成。自组织模型能解释这种非模块的、两极系统的突现，这样的过程通常有非线性、自催化机制的特征，不怎么稳定的集合增加了让其他成份加入集合的可能性，从而使其变得更加稳定。正反馈的过程不需要模块的中间层。突现的稳定结构就像“吸引子（attractor）”，能够影响相邻的结构，使它逐渐走向稳定的结构。显然，西蒙的分级模型和自组织的“非线性”模型，只能描述突现的部分特征。真实的复杂系统，同样有经过分级的多极层面，也有非线性的二级层面。然而，这样的系统中不只包括整体的层级或非线性的组织，还有子组织和子系统。理解这样的复杂性架构，需要说明在什么规则的作用下，新的系统结构从复杂性的层级中突现。
一、复杂性科学解释突现的变异-选择原则
描述生物进化的自然选择理论，可以简单地视作系统的进化。它探讨的是系统的变异和环境给系统的“选择压力”，即系统的结构只有适应环境才得以维持。进化系统类似于问题解决者，通过尝试（或变异）寻找问题的答案，只要系统的适应性不是最佳的，就需要解决问题。不稳定性越大，问题也越大，在获得新的平衡之前，系统将发生变异。在自然选择过程中，只能通过中间阶段解决问题。与问题求解相比，进化不是最终的解决方案，当系统的进化过程改变了环境，它就无法以最佳的方式适应环境，需要进行重新适应。在进化过程中，每个过程的目标都是另外过程的子目标，以此类推，子目标就成为进化过程的重要特征，相当于稳定的突现系统。另外，进化一般是并行或分布式的，这样的结构限定了系统与环境之间没有绝对的区分。由此产生的后果是，自然选择不再是环境的选择。要规避这个问题，可以考虑把以并行方式进化的整个系统，看作整体化的系统。在这种情况下，自然选择就是整体系统的变异产生的整体上稳定的配置。这样一来，就用内在的选择替换了外在的选择，即内在结构只要稳定就能维持系统，不需要考虑它对外在环境的适应性。虽然，实践中不存在绝对整体化的系统，每个实际的系统仍然包含内在选择与外在选择，但是我们可以通过更大的、更加整体化的系统，把外在选择还原为内在选择。适应性可以还原为一个子系统（初始系统）和另一个子系统（初始环境）之间的稳定关系。例如，影响植物自然选择的外因是维持生存的二氧化碳的数量。这个因素可以看作“边界条件”——对植物自组织过程的环境限定。从整体的视角来看，二氧化碳不是已知外在条件，而是其他系统（动物和细菌）适应环境的产物。这样的系统取决于其他的选择因素——植物产生的氧气。由此，这样的适应过程，可以视为整体化的生态通过内在的自组织，导致的对稳定循环的选择，即二氧化碳转化为氧气又产生二氧化碳。我们还可以用内在选择与外在选择解释变异。内在的变异是系统的内在部分变化的过程，如基因染色体中的突变。外在的变异是系统与环境之间关系的变化，如有性生殖中染色体的重组。总之，从外在视角观察的事物，也可以用内在视角来看，反之亦然。这种解释策略需要整合突现和自组织，强调自组织作为设计规则的作用。
二、人工生命解释突现的变异-稳定原则
1.自组织繁衍是人工生命的基本属性在第二次世界大战期间，罗伯特•奥本海默、恩里科•费米、汉斯•贝特、理查德•费曼、尤金•维格纳、冯•诺伊曼等科学家，在进行“曼哈顿计划”的过程中，开始探讨复杂性问题，使用计算机模拟复杂系统。冯•诺伊曼亲自设计出计算机解决实际问题，研究细胞自动机和自我繁衍（self-reproduce）的机器。虽然在20世纪50年代早期，他就提出了形式化细胞自动机的设想，但数学家斯塔尼斯拉夫•乌拉姆，最早开展了设计存储程序的计算机的相关实验，探索遵循递归规则、具有二维和三维几何特性的生长模式。因而，我们通常把乌拉姆看作人工生命研究的真正奠基者。复杂性是人工生命的核心概念。在乌拉姆的启发下，冯•诺伊曼设计出第一个细胞自动机模型。他主要研究人工生命的繁衍过程，寻找非平凡的（non-trivial）自我繁衍所需的充分的逻辑条件。在他所描述的机器人的运动模型中，在水中的机器人通过组合全部构件来摹仿自身的浮动。冯•诺伊曼成功地说明了繁衍的方式，却无法解释机器人运动的原因。于是，他放弃基因层面的模拟，而是采用乌拉姆的方法，只从中提取自我繁衍的逻辑形式，即首先把自我繁衍描述为逻辑序列，再用通用图林机进行自我繁衍的操作。冯•诺伊曼构想的二维的细胞自动机，带有29种可能的状态。当前的细胞与毗邻的4个正交的细胞之间的规则转换，产生出每个细胞的状态。根据这种情况，他提出了4条非平凡解的自我繁衍的原则：第一，系统的自我描述不涉及自身。这条原则避免了执行自我描述时，无限的“回归”。按照这条原则，自我描述可以是未解释的系统模型，也可以是对系统的编码。第二，系统只要有管理单元（supervisoryunit），就能执行任何计算。这条原则用于解释繁衍过程中，自我描述的两个方面。第三，系统只要有通用构造器（universalconstructor），就可以在细胞空间中构造已描述的对象。第四，通用构造器按照管理单元的指令，构造系统的新副本，自我繁衍包含系统的自我描述。[1]冯•诺伊曼用逻辑原则解释生命的主要特征，而阿瑟•勃克斯则对电子离散变量自动计算机EDVAC进行逻辑设计。冯•诺伊曼从自然的自我繁衍中提取逻辑形式，自然成为了人工生命研究的先驱者。在20世纪70年代，约翰•康维基于细胞自动机改造乌拉姆和冯•诺伊曼的方法，设计出“生命游戏”，说明复杂世界如何从简单规则中突现。在他看来，当前的细胞和相邻的8个细胞使用两种规则，是产生细胞状态的原因。生命的规则很简单。只要“活”细胞的数目为3，当前的细胞在下代细胞中“存活”；而“活”细胞的数目为0、1、4、5、6、7、8中的任意一个，当的前细胞就无法在下代细胞中存活。1965年，勃克斯的学生埃德加•科德简化了冯•诺伊曼的细胞模型。1984年，勃克斯的另一个学生克里斯多夫•兰顿，在科德的“周期性发射器”（periodicemitter）基础上设计自我繁衍模式，证明了通用的构造能力不是自我繁衍的必要条件。他的自动机只有8种细胞状态，这些细胞是细胞空间中繁衍的复制数据，也是依据转换规则进行操作的指令。初始结构只需要151个时间步长就能成功地繁衍自身。另外，每个“回路”都以类似的方式繁衍自身，扩展“回路”的集群。这个实验表明，细胞的动态过程的成分依据基因特征编码，而动态过程是“计算”发展过程中遗传表达的原因。从复杂系统科学的视角看，使用计算机模拟复杂系统，研究细胞自动机和自我繁衍的机器，实际上是一种人工生命的自组织繁衍研究，从这个意义上看，自组织繁衍是人工生命的基本属性。
2.人工生命是突现的科学传统科学的基础是还原论的分析方法，按照这种方法，系统是由简单部分组成的结构，任何事物都可以分解为更小的部分。但是，这种方法无法解释复杂系统，由于复杂系统具有突现属性，一旦分解系统就会丧失突现属性。突现现象在科学中随处可见，在宽泛的意义上，任何系统都有突现属性。解释这些科学现象需要新的研究框架，综合方法恰好可以作为分解方法的补充。人工生命的综合方法包含两个方面：（1）提取生物体的逻辑规则；（2）用计算机实现这些规则。经过这两个阶段，就可以得到有类生命属性的人工系统模型。这种研究方法有两个基本的假设（：1）把生命看作物质的组织属性。或者说，生命是形式属性，而不是物质本身；（2）复杂的属性从简单过程的交互作用中突现。从形式上可以将人工生命划分为平凡的（trivial）与非平凡的（non-trivial）两种系统。[2]具体来说，第一种系统包含所有人工模拟的生物体；第二种系统包括数学模型、概念模型和物理模型。第二种系统还可以进一步分为三种类型：（1）用生物化学合成技术获取物质系统的类生命特征；（2）是一种研究机器人的新方法；（3）虚拟的生命，即有突现属性的计算机程序。这些形式的可能性取决于解决弱人工生命-强人工生命，或者说生命-身体的类比问题。[3]功能论者从人工生命的角度看自然生命。在解释心理时，通常不考虑思维系统的物理细节，把生命属性看作多重实现。然而，多重实现也有缺陷，只要减少实现的数量，功能论就会导向同一论；而生命的概念过于抽象，也会导致二元论或活力论。最好的方法是采用适度的功能主义。从方法论上来看，这些研究主要涉及这些方面[4]：（1）细胞自动机。主要研究复杂性的建模问题。细胞自动机实质上是一些具有离散状态的细胞。细胞状态根据转换规则，经过离散时间产生变化。转换规则把当前的细胞状态与最亲近的细胞状态结合起来。多数情况下，所有的细胞使用平行和同步的迭代算法（iterationalgorithm），或使用随机和非同步的迭代算法同时更新。自我繁衍是细胞自动机最重要的研究问题，涉及冯•诺依曼、兰顿和沃尔弗拉姆（S.Wolfram）的研究。（2）人工胚胎学。主要研究生命系统从单细胞发展为完整组织的能力。这项研究的基础是分形几何，通过这个工具说明复杂的类生命形式如何从简单的递归过程中突现，典型的研究有林登麦伊尔（A.Lindenmayer）与普鲁辛凯维奇（P.Prusinkiewicz）的L系统、道金斯（R.Dawkins）的生物形态。（3）进化计算。主要研究自然选择的进化规则的计算问题。这项研究中应用的主要是霍兰德（J.Holland）的遗传算法。遗传算法用于解释，如何从母体（parentpopulation）中生成适应环境的变体。通过使用遗传算子生成变体，能够解释遗传表型的基因特征的突变与互换。如果按照基因分类器（GeneticClassifiers）使用遗传算法，还可以解决机器学习的问题。另外，使用遗传编程，还可以解释自我完善的计算机程序如何突现，即依据自然选择编写计算机程序。（4）自催化网络。主要研究生命的可能起源与原始生命的进化模型。在这个网络中，节点被看作特定的RNA序列，把弧定位为催化的交互作用。相关的研究有超循环理论。（5）计算的生命。主要研究计算机程序的设计。这项研究只展现类生命的行为，不模拟已有的生物有机体。尽管计算机的处理方式与自然生命的不同，它也有繁衍、与环境交互作用及进化的能力。如，Tierra程序以及计算机病毒。（6）集体智能。主要研究分布式人工智能和多主体系统。这项研究并不遵循自下而上的方式。典型的研究涉及蜂群网络、蚁群算法以及进化神经网络的实现。（7）进化的机器人。主要研究自主机器人的设计。例如，用有反应能力的分层体系结构设计机器昆虫、小规模的机器人群体的集体行为、使用进化规则分析机器人的控制结构。（8）可发展的硬件设备。主要研究硬件进化的实现。这项研究涉及硬件的自我修复和自我繁衍、新传感器的设计等。由于硅元素缺少某些用于进化的基本特征，要获得自适应性，只有采用类似于FPGA（Field-ProgrammableGateArray）的技术，或是采用遗传编程的方法。（9）纳米技术。主要研究自然生命或新有机体相关的合成过程。费曼（R.Feynman）开创了这项研究，他在1959年主张在分子层面微缩和扩展工业制造能力，以此创造人工生命。（10）生物化学合成技术。主要研究RNA繁殖的体外实验、原始人工生命形式、RNA链的合成和进化、自催化的反应以及渗透性的生长等。[5]这些研究都强调“突现”这个核心概念，即整体性的行为和结构通过各个组成部分的交互作用产生，但不作为组成部分的行为和组织的原因。在这个意义上，人工生命就是突现的科学。
3.从“变异-选择原则”走向“变异-稳定原则”“我们可以用不同的尺度观察系统，这些尺度就像是抽象的层级，只要知道系统的某个层次，就可以把系统想象为某个结构网络，进而推导出下级层次。比较这两个层次，低级层次的结构众多，但类型很少，而高级层次的结构较复杂，类型也很多。所有的层次组合在一起构成了一个复杂性的层级。在这个抽象的模型中，可以把系统的结构理解为粒子、分子、生物体、信息、符号等。同一层次上的结构，通过与其它结构的连接获得自己的属性，它们之间的动态交互作用产生了新的动态结构。这些新结构，再以同样的方式获得新属性。由此，我们可以在一个虚构的附属层次上定义突现属性，这样一来，就可以把这些属性还原为系统结构的局部组合，进而用更形式化的方式定义它。我们还可以用这样的模型描述比较大的系统，如宇宙。”[6]把夸克、粒子、原子、分子、生物大分子、细胞、生物体看作不同层次中的元素，某个层次中的元素都可以通过组合构成上级层次中的新元素。这里面也有特殊的情况，如氦原子非常稳定，它没有与其它原子的“链接”，而碳原子却有四种“链接”。由于碳有较强的交互能力，它是每个大分子结构都不可或缺的元素，并成为生命的物质基础。既然如此，在什么规则的作用下，新的系统结构从复杂性的层级中突现？“这样的规则包含变异和稳定的系统过程。这些过程在所有层次上并行发生。在任何层次上，结构单元都有许多不同的配置。在产生热力学变动的时候，确定的描述开始远离平衡的过程。这些变动致使结构单元的配置发生随机变异，而变异形成了许多瞬态的结构，它们与更高的组织层次相关联。某些瞬态的结构之所以稳定，是因为它们适应了环境，并且它们的结构属性就包含在稳定的过程中。这些新结构形成了新的复杂性层次。”[6]稳定的过程演变为四类相变的行为：一是固定和同质的状态；二是简单的周期结构；三是无序的周期结构；四是复杂结构。[7]兰顿认为像生命系统这样的复杂结构，应该维持在有序与无序的相变“临界点”上，避免任何一种最终结果。
稳定过程的基础是生物细胞的自组织，如自创生（autopoiesis）。在自创生的基础之上，我们能以组织导向（organization-oriented）定义极小生命。在这种情况中，达尔文的“自然选择”的变异-选择原则，只是变异-稳定原则的特例。这两个原则之间有两个重要的差异（：1）稳定过程不是优化方案。自然选择优化了生物的适应功能，使其在竞争资源中占据优势，但结构稳定的过程，从整体上满足环境的约束条件。例如，瓦雷拉等人提出的自然漂变命题（naturaldriftproposition）就是一个满足过程，而不是优化过程。（2）所有层次在分级模型中交织在一起。环境由所有层次的所有结构组成。从局部到整体，再到局部的内在层次，这样的反馈回路对生命至关重要。
三、汇聚技术的启示：弱化自组织的作用
人工生命系统展示了生命开放式进化的发展方式，但Tierra世界中的数字进化却不是开放式的，因为Tierra生物的复杂性低，进化的变化不多。对此，汤姆•雷（T.S.Ray）试图扩大Tierra的环境来增加异质性。他发现Tierra生物通过互联网，从一台计算机迁移到另一台计算机上，寻找未使用的资源及局部的生态位，从而进化为新细胞。在执行复杂的环境计算时，改良Tierra将增加预期的遗传复杂性。然而，对于原始版本的Tierra来说，这样的进化是有限的。按照希利斯（W.D.Hillis）的观点，协同进化能推动进化性进步。协同进化的“演化军备竞赛”通过改变环境来推动进化。即使这样，原始的Tierra与改良的Tierra都需要协同进化。发展开放式进化，需要对人工和自然的进化系统作定量比较。从贝多（M.A.Bedau）和帕卡德（N.H.Packard）的数据来看，存在不同性质的进化动态，未知的人工系统生成了生物圈所展现的进化动态。
总之，生命的进化不断地创造出新的环境，而这些环境又赋予生命新的适应性。然而，目前用变异-稳定原则解释复杂系统进化机制仍有局限。汇聚技术的出现为我们提供了新的视角，即把自组织看作是一个建构的过程。按照迪皮伊（J.P.Dupuy）的观点，认知科学引导汇聚技术定位失控的程序。[8]自组织作为自发过程，也涉及控制问题。虽然自我复制的机器不会有真正的危险，但自组织是一个建构的过程。长期以来，自组织只是委托（delegation）人工任务的一个步骤，但在授权机器的逻辑运算之后，应该授权机器的自我建构。实现这个目标有三种自组织的策略：（1）混合化（Hybridization）的策略，即使用生命系统的建筑模块（buildingblocks）制造设备和机器。（2）仿生（Biomimetics）的策略，即赋予人造物模仿的性能。（3）整合（Integration）的策略，这个策略是对前面两种策略的综合。这三个策略假设人造物与自然系统有某些相同的特征，可以用机器隐喻描述生命系统。但是这样的隐喻操作有两种不同的方式：（1）使用技术词汇表，把生物体描述为机器；（2）把设备和机器描述为有机物。在20世纪70年代，法国哲学家康吉兰（G.Canguilhem）就发现，生物与机器的类比总是用技术术语描述生物体。[9]现在的问题是，机器能否像人类那样进入生活世界？第一种策略：机器的自组织以生物进化的选择方式使用结构和设备，反过来可以把生物细胞视为分子机器（Molecularmachine），如分子生物学家把DNA、RNA、酶、蛋白质描述为纳米机器，材料化学家建设分子发动机和分子转子。生命系统也被看作分子的制成品。我们期望通过模仿自然，设计出维持生命的高性能结构，但是成功的概率很低，更可行的方式是设计自然提供的建筑模块——蛋白质、细菌、微胶粒（micelles）或胶质。合成生物学通过应用工程学的方法，发展出混合的对称策略：把生物过程分解为它的元素，基因片段被当作操作单元，把这些元素装配为模块。
