高分子材料在医学中的应用精选(九篇)

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第1篇：高分子材料在医学中的应用范文

关键词：交叉学科；本科教学；互动；创新思维；实践认知

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）07-0143-03

现代社会科技进步日新月异，创新性的研究和产品不断涌现，其中非常多的成果都来自于交叉学科的贡献。一个已经被普遍接受的共识是：学科交叉点往往就是科学新的生长点、新的科学前沿，这里最有可能产生重大的科学突破，使科学发生革命性的变化；同时，交叉科学是综合性、跨学科的产物，因而有利于解决人类面临的重大复杂科学问题、社会问题和全球性问题[1]。所以，对于本科教学中的交叉学科课程的教学就提出了更高的要求，如要求教师纵览多个学科的发展，从而能站在交叉学科的前沿来引领学生去认知和创新性思考；同时，也要求学生积极主动地去检索相关资料，能互动地参与到整个课程教学的过程中来。只有这样，交叉学科的本科教学才能获得理想的教学效果，提高学生的科学敏锐力和培养学生的创新性思维。尽管教育界对交叉学科研究生阶段创新型人才培养已有较多思考[2]，但是迄今为止对交叉学科的本科教学的交流还很少。

本文以四川大学高分子科学与工程学院开设的“生物高分子及制品”课程教学为例，从课堂教学的多个方面提出了对交叉学科的本科教学的思考和体会。

一、课程背景

“生物高分子及制品”是四川大学高分子科学与工程学院为大三学生开设的一门课程，任课教师均来自我院医用高分子材料及人工器官系。医用高分子材料专业建立于1978年，并分别于1986年和1992年获得硕士、博士学位授予权，是我国最早的培养生物医用高分子材料专业人才的基地之一。系内的教师在生物医用高分子材料及人工器官的科研、教学方面有30多年的丰富经验。本课程所使用教材主要为我系老师合力编写的普通高等教育“十一五”国家级规划教材《生物医用高分子材料》[3]，并结合科研前沿做了丰富多样的专题讲解。目前一个年级有三个班平行授课，每个班的人数在70～90人。本门课程是典型的交叉学科产物，其内容涉及生物医学、材料学（高分子材料）、工程设计、医疗器械等多个领域。教材的主要章节包括绪论、高分子材料和生物体的相互作用、生物医用高分子材料的生物相容性和安全性评价、人工器官用高分子材料、医疗诊断用高分子材料、药物缓控释高分子材料、软硬组织替代和组织工程用高分子材料、医用高分子材料的设计。根据我院学生学术研究发展方向和工程应用发展方向并重的特点，在课堂讲授的时候授课教师会尽量同时扩展到前沿的科研领域（如医用高分子非病毒基因载体）和相关产业的应用环节（如生物医用高分子材料制品的生产、消毒）等。考查方式以课堂讨论、平时成绩和期末笔试成绩综合打分。

二、互动式授课的几点思考与体会

1.综合多学科领域的讲解方式。生物医用高分子材料是功能高分子材料中重要的组成部分，是指在生物及医学领域所使用的高分子材料。总体而言，本课程是两个一级学科：材料学（其中的高分子材料）和生物医学工程学（其中的生物材料）的交叉点。两个学科的跨度很大，如何能生动形象地讲解和引领学生思考至为关键。例如，在进行人工器官用高分子材料的讲解时，我们通常会采取由浅入深的启发式教学方法。首先，我们将人体器官做一个对应的抽象化的模型，其中包括脑—计算机、耳—声音探测器、肺—气体交换器、心—泵/液体输送器、肝—化学工厂、肾—分离/净化系统和血管—输送管路等，以方便同学们从功能上理解人体器官并能针对性地对人工器官进行设计、思考。通过讲解，同学们了解到研究人工器官并不能简单考虑其与人体组织器官的类似，更重要的是能使其再现或部分再现人体器官的功能。举例来说，在讲到人工肾时，我们会先从医学的角度讲述肾脏的结构和功能，重点描述肾小球的滤过作用和肾小管的重吸收作用。其中，肾小球每天以125ml/min的滤过率处理约180L的血液，肾小管将滤过液中大部分的水、电解质、葡萄糖和其他小分子有用物质重新吸收入血液，而每天最终排尿量仅为2.0L。通过上述讲解，同学们可以清楚地了解肾脏在人体中的主要功能，那么进一步的关于人工肾功能设计的讲解也就顺理成章了。人工肾是血液净化技术中所使用的最重要的人工器官，再通过进一步关联讲解病理学的内容，我们可以使同学们了解到使用人工肾的血液净化技术的目的和意义在于治疗与血液相关的疾病，既包括肾脏方面的疾病如肾衰竭，也包括各种由于血浆成分发生病理改变而产生的血液性或免疫性疾病，如巨球蛋白血症、系统性红斑狼疮、血友病和多发性骨髓瘤等。紧接着，针对不同的疾病和需要去除致病物质，我们很自然就将知识点转到不同的血液净化技术上来，分别讲述血液透析、血液滤过和血液透析滤过三种人工肾技术。最终，三种不同的人工肾技术就引出了不同的生物医用高分子材料和制品的需求和设计：通过对用于人工肾的各种生物医用高分子材料的化学成分、物理性能的分析，以及对完成其制品的各种工程技术的描述和表征，使同学们融会贯通，掌握这个跨多学科交叉领域的知识点。再举一个例子，在讲组织工程用高分子材料章节时，由于这是一个非常前沿的跨生物学、医学和材料学的交叉领域，如何有机结合多学科知识使同学们带着兴趣学习就非常关键。首先，我们会用“人耳鼠”等组织工程经典的图片展开绪论，使同学们的目光一下子就被吸引住了，让他们去思考：人类科技的进展真的有一天能实现更换人体的各个组织器官吗？由于多个现实的案例摆了出来，他们就会意识到这是有可能并已经部分实现了的前沿科技。进而，我们就会用搭房子来做一个形象的比喻讲解组织工程的三要素：细胞是砖块，生长因子是建筑工人，而生物材料就是整个房屋的支架。而组织工程支架材料对生物相容性、生物降解性能的要求就使得生物医用高分子成了其中的首选。在这样的引领下，同学们的关注点自然就转到了我们高分子学科与组织工程的关系，并能带着兴趣学习接下来的组织工程的原理和方法、软骨组织工程支架材料、神经组织工程支架材料、血管组织工程支架材料、肌腱组织工程支架材料、皮肤组织工程支架材料、角膜组织工程材料、组织工程支架制品的制备方法等多个知识点。在讲解的过程中，我们还会播放组织工程培养细胞、体外构建人工血管等录像资料，让同学们更直观地认识生物医用高分子材料在组织工程中的应用。

2.学生积极参与的教学互动形式。除了教师的有效引领作用外，学生能否积极参与教学过程的互动也是交叉学科本科教学能否成功的关键。对于本课程，我们主要采取了课外检索学术资料做PPT报告和分组讨论的形式。如前所述，我们将人体组织、器官分开并做了一个对应的抽象化的模型。对应于此，我们将学生分成了若干个小组，安排每个小组负责准备和主持一个主题的PPT报告和讨论。我们会提前一周通知负责组的同学（通常为4～8人），事先与他们讨论讲述的主线和子方向，要求同学们分工合作，其中一些同学负责每人5分钟的PPT讲解，其他一些同学负责资料收集和整理工作。例如对肺的一个主题，通过一周的准备，同学们查阅了一定数量的文献资料，准备了精美的PPT资料和讲解内容：第一个同学做了呼吸系统和常见呼吸系统疾病的综述；第二个同学的报告集中于描述现有的呼吸系统手术（尤其是肺部手术）中使用的大量生物医用高分子材料和制品，例如包括呼吸道麻醉科导管、单肺通气封堵导管等医疗器械；第三个同学从人工肺的研究角度出发，用较多的学术资料描述了该领域的研究前沿，进一步通过阅读资料提出了现有研究的不足，并提出他们小组讨论后对该领域的展望；最后一个同学结合工程实际，从生产设备、生产工艺等方面描述该领域医用高分子制品的制备方法，并简单提及国内外的主要生产企业。通过这样的一个“准备—讲述”的过程，该组同学系统地掌握了交叉学科从基本概念到学术研究，再到工业领域的诸多方面，并能逻辑清晰地讲述给全班同学。在同学们的PPT讲述过程中，任课教师会组织听报告的同学们进行有益的讨论。例如，在讲解到有关生物医用高分子材料和制品的生物相容性的时候，有做报告的同学会以隐形眼镜为例讲解，其制备原料主要是聚羟乙基甲基丙烯酸酯类材料。这时，我们会请有戴过隐形眼镜的同学举手，并组织讨论：为什么隐形眼镜有日抛、月抛和年抛的区别，它们对材料的要求有何不同？为什么夜晚要取下眼镜进行清洗保养？作为使用者，自己戴隐形眼镜会有什么样的要求？通过这些问题的讨论，同学们可以进一步了解作为交叉学科的产品，生物医用高分子材料和制品不仅要在功能上满足使用的医学目的，还要求我们从材料学和工程学的角度去设计，才能获得较为理想的使用性能。而且这样的讨论也容易引起同学们的兴趣，避免过多过深的理论讲解会导致的注意力分散。在整个PPT报告和讨论的过程中，任课教师会针对同学们的资料准备情况、PPT讲解情况和讨论情况进行评价和打分，作为成绩考核的重要标准之一。

3.创造条件结合实践教学。交叉学科除了能在学术前沿激发出更多的创新性火花之外，往往还可以通过学科的交叉设计、生产出大量的实用的制品。本门课程针对的生物医用高分子材料和制品就是典型例子，其所涉及的产业主要为医疗行业和医疗材料（器械）企业。因此，创造条件结合实践进行教学就成了本门课程重要的组成部分。本门课程的授课教师大多与上述行业的企业有长年的产学研合作关系，已经完成或正在研发多项生物医用高分子材料和制品的工作，因而具备较好的实际条件进行实践教学。例如，任课教师与成都市的多家医疗器械生产企业建立了长期的科研关系，从而能将课程的认识实践带到其中的一些单位，包括人工肾的生产企业和医疗耗材（导管、输液制品）企业等。通过实习参观企业，以及在课堂上观摩老师带的各种生物医用高分子材料和医疗器械，同学们对这门交叉学科涉及的产业有了更好的认识。另外，经常有高端的相关行业展会在成都举行，例如2012年的第68届中国国际医疗器械秋季博览会在成都云集了国内外的多家企业。这种时候，任课教师就会及时公布展会时间，并鼓励同学们去参观，通过学习和对比国内外企业的产品，了解其设计理念和所使用的生物医用高分子材料。展会结束之后，我们会和同学们在课堂上针对展会上的所见所想进行很多有益的讨论，很好地帮助同学们更进一步地认识这门交叉学科的知识和产业。

4.结合教学内容邀请专业医生讲座的教学。结合课堂讲授内容，我们会定期或不定期邀请一些医生到课堂进行讲座，如讲授到血液透析时，我们会专门邀请四川大学华西医院肾内科进行血液透析的医生到课堂进行讲座，从医生的角度讲述医用高分子材料在血液透析制品方面的临床应用。通过这些讲座，使同学们更深刻了解医用高分子材料及制品的实际应用，增加了学习的积极性和兴趣。最后，由于交叉学科课程覆盖的知识面非常广，简单地进行死记硬背的考试是不适宜的。经过商讨，本课程的多位任课老师达成了一致的共识：平时的讨论和报告占学生成绩的很大一部分，期末考试以开卷方式进行，出题尽量是基于交叉学科的特点来综合性地考查学生的逻辑思维、判断和创新能力。通过八年多的教学实践，我们发觉本课程的教学互动效果很好，也起到了很好的引领作用，有很多学生对这门交叉学科产生了浓厚的兴趣，并相继进入了生物医用高分子材料和制品的科研或产业领域。

总而言之，交叉学科的独特性决定了对其本科教学方法的灵活性、多样性的要求。只有不断解放思想、更新教学理念和完善教学手段，才能保证交叉学科教学的质量，才能更加有效地提高同学们的兴趣和综合能力，为更高阶段的交叉学科创新性研究以及相关交叉学科的产业输送人才。

参考文献：

[1]路甬祥.学科交叉与交叉学科的意义[J].中国科学院院刊，2005，20（1）：58-60.

[2]吴宜灿.学科交叉与创新型人才培养的实践与思考[J].中国科学院院刊，2009，24（5）：511-517.

[3]赵长生.生物医用高分子材料[M].化学工业出版社，2009.

第2篇：高分子材料在医学中的应用范文

1 高中化学新教材在价值定位上做的几项重要改革

1.1 化学与能源。能源也是现代社会三大支柱产业之一。随着人类经济活动的日益增大，人们对能源的需求急剧增加。化学反应所释放的能量是现代能量的主要来源之一，研究化学反应中能量的变化具有非常现实的意义。高中化学新教材首次在化学教学中渗透了能量观点，如，在高一化学第一章里提出如何提高燃料的利用率，开发新能源等与社会相关的问题。在卤素中新增了“海水资源及其综合利用”，在几种重要金属中增加了“金属的回收和资源保护”，在原电池一节介绍了“化学电源和新型电池”等。化学与能量、能源观点的建立，不仅仅是为了教育学生节约能源，树立环境保护意识，更侧重培养学生创新意识和创新能力，增强社会进步责任感。尤其是在第二轮新教材改革中增加了一些开放性问题的研究，有利于培养学生的创新能力、实践能力、团结协作能力等。

1.2 化学与环境。保护环境已成为当前和未来的一项全球性的重大课题。新教材中介绍了臭氧层的破坏、酸雨、温室效应、光化学烟雾、白色垃圾、土壤以及水污染等环境污染问题及其防治。并将“居室中化学污染及防治”、“生活中常见污染物和防治污染”放在选学教材中。在治理这些环境污染问题中，化学已经并将继续发挥重大作用，大幅度地增强了学生的社会环保责任感，增强了学习化学的兴趣。与化学和能源一样，化学与环境从可持续发展的角度来看，在化学教育中增强了化学与社会的联系部分，因为环境科学是一门综合性的学科，而环境化学是解决环境问题的“钥匙”，环境教育与能源问题的提出对提高学生的创新意识和实践能力，培养公民综合素养有着重要的作用。这正是现代化学教育的蓝图规划，现代化学教育价值观的一种重要体现。

1.3 化学与生产、生活。人的衣食住行、医疗保健、生命科学等无一不和化学密切相关。高一化学新教材卤素一章介绍了“碘与人体健康”，高二化学结合有机化学知识介绍了“食品添加剂与人体健康”，并以大量的彩图形象地介绍了各类无机物和有机物的用途。高三化学在电解池教学中，常识性介绍了“以氯碱工业为基础的化工生产”，结合生产实际以及其它相关学科知识探讨“硫酸工业的综合经济效益”，树立学生的主人翁意识，这是素质教育、创新教育的一种方式。但新教材中也有一些不足之处，如：与化学问题相关的其他学科的相互渗透介绍得较少，知识体系综合化不够，这不利于提高学生解决实际问题的能力和综合素养。要充分地体现化学素养教育，还可以在有关教学内容后以常识介绍的形式将相关的其他学科知识做适当的讲解，譬如，“胶体”内容后可结合空气溶胶介绍物理学中有关空气中可见光的波长，使学生明白“晴朗的天空为什么是蓝色的”。但瑕不掩瑜，新教材较以往教材，价值定位有了很大进步。这是价值的相对真理性，它随时空环境的改变而不断更新。

2 化学教育价值实现的基本策略

2.1 主题型教学策略。“化学――人类进步的关键”是高中化学新课程的总主题，在整个高中化学教学过程中应该尽可能体现这一主题。如“糖类、蛋白质、油脂”可以“人类重要的营养物质”为主题；氮族元素结合生物圈中氮的循环以固氮为主题；硅和硅酸盐工业、金属和合成材料以材料为主题；化学反应与能量、原电池原理以开发新能源为主题；烃以石油化工为主题。主题型教学策略可以使学生认识到自己所学内容的社会价值及其实用性，有利于学生学习兴趣的激发和保持。

2.2 用途联系型策略。在元素化合物教学中应该将现代最新的有价值的有关元素化合物用途纳入教学之中。如在学习NO的性质时，可联系医学新成就，介绍NO对人体某些疾病的治疗作用，然后提出问题：为什么大量NO吸入人体有害，而少量的NO吸入却能治疗某些疾病？在学习有机高分子材料时，可联系智能高分子材料、导点高分子材料、医用高分子材料、可降解高分子材料、高吸水性高分子材料等；在卤素学习时，可联系海水化学资源的开发、利用和饮水与消毒化学；在硅和硅酸盐学习时，可联系新型无机高分子材料等。

2.3 情境渗透型策略。对某些与中学基础知识有密切关系的新的应用型成果可采取情境渗透型策略。例如，进行晶体类型与性质学习时，可以将“晶体缺陷对晶体生长、晶体的力学性能、电学性能、磁学性能和光学性能等有重要影响，如许多过渡金属氧化物中的价态可以变化并形成非整比化合物，从而使晶体具有特意色彩等光学性质，甚至具有半导性或超导性”作为情境，讨论具有NaCl型结构的NiO晶体发生晶体缺陷形成的非整比化合物NiXO的结构特征等。

第3篇：高分子材料在医学中的应用范文

1.1纳米碳材料

纳米碳材料主要包括碳纳米管、气相生长碳纤维也称为纳米碳纤维、类金刚石碳等。

碳纳米管有独特的孔状结构［1］，利用这一结构特性，将药物储存在碳纳米管中并通过一定的机制激发药物的释放，使可控药物变为现实。此外，碳纳米管还可用于复合材料的增强剂、电子探针（如观察蛋白质结构的AFM探针等）或显示针尖和场发射。纳米碳纤维通常是以过渡金属Fe、Co、Ni及其合金为催化剂，以低碳烃类化合物为碳源，氢气为载体，在873K～1473K的温度下生成，具有超常特性和良好的生物相溶性，在医学领域中有广泛的应用前景。类金刚石碳（简称DLC）是一种具有大量金刚石结构C—C键的碳氢聚合物，可以通过等离子体或离子束技术沉积在物体的表面形成纳米结构的薄膜，具有优秀的生物相溶性，尤其是血液相溶性。资料报道，与其他材料相比，类金刚石碳表面对纤维蛋白原的吸附程度降低，对白蛋白的吸附增强，血管内膜增生减少，因而类金刚石碳薄膜在心血管临床医学方面有重要的应用价值。

1.2纳米高分子材料

纳米高分子材料，也称高分子纳米微粒或高分子超微粒，粒径尺度在1nm～1000nm范围。这种粒子具有胶体性、稳定性和优异的吸附性能，可用于药物、基因传递和药物控释载体，以及免疫分析、介入性诊疗等方面。

1.3纳米复合材料

目前，研究和开发无机—无机、有机—无机、有机—有机及生物活性—非生物活性的纳米结构复合材料是获得性能优异的新一代功能复合材料的新途径，并逐步向智能化方向发展，在光、热、磁、力、声［2］等方面具有奇异的特性，因而在组织修复和移植等许多方面具有广阔的应用前景。国外已制备出纳米ZrO2增韧的氧化铝复合材料，用这种材料制成的人工髋骨和膝盖植入物的寿命可达30年之久［3］。研究表明，纳米羟基磷灰石胶原材料也是一种构建组织工程骨较好的支架材料［4］。此外，纳米羟基磷灰石粒子制成纳米抗癌药，还可杀死癌细胞，有效抑制肿瘤生长，而对正常细胞组织丝毫无损，这一研究成果引起国际的关注。北京医科大学等权威机构通过生物学试验证明，这种粒子可杀死人的肺癌、肝癌、食道癌等多种肿瘤细胞。

此外，在临床医学中，具有较高应用价值的还有纳米陶瓷材料，微乳液等等。

2纳米材料在生物医学应用中的前景

2.1用纳米材料进行细胞分离

利用纳米复合体性能稳定，一般不与胶体溶液和生物溶液反应的特性进行细胞分离在医疗临床诊断上有广阔的应用前景。20世纪80年代后，人们便将纳米SiO2包覆粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液中，使所需要的细胞很快分离出来。目前，生物芯片材料已成功运用于单细胞分离、基因突变分析、基因扩增与免疫分析（如在癌症等临床诊断中作为细胞内部信号的传感器［5］）。伦敦的儿科医院、挪威工科大学和美国喷气推进研究所利用纳米磁性粒子成功地进行了人体骨骼液中癌细胞的分离来治疗病患者［6］。美国科学家正在研究用这种技术在肿瘤早期的血液中检查癌细胞，实现癌症的早期诊断和治疗。

2.2用纳米材料进行细胞内部染色

比利时的DeMey博士等人利用乙醚的黄磷饱和溶液、抗坏血酸或柠檬酸钠把金从氯化金酸（HAuCl4）水溶液中还原出来形成金纳米粒子，（粒径的尺寸范围是3nm～40nm），将金纳米粒子与预先精制的抗体或单克隆抗体混合，利用不同抗体对细胞和骨骼内组织的敏感程度和亲和力的差异，选择抗体种类，制成多种金纳米粒子—抗体复合物。借助复合粒子分别与细胞内各种器官和骨骼系统结合而形成的复合物，在白光或单色光照射下呈现某种特征颜色（如10nm的金粒子在光学显微镜下呈红色），从而给各种组织“贴上”了不同颜色的标签，为提高细胞内组织分辨率提供了各种急需的染色技术。

2.3纳米材料在医药方面的应用

2.3.1纳米粒子用作药物载体

一般来说，血液中红血球的大小为6000nm～9000nm，一般细菌的长度为2000nm～3000nm［7］，引起人体发病的病毒尺寸为80nm～100nm，而纳米包覆体尺寸约30nm［8］，细胞尺寸更大，因而可利用纳米微粒制成特殊药物载体或新型抗体进行局部的定向治疗等。专利和文献资料的统计分析表明，作为药物载体的材料主要有金属纳米颗粒、无机非金属纳米颗粒、生物降解性高分子纳米颗粒和生物活性纳米颗粒。

磁性纳米颗粒作为药物载体，在外磁场的引导下集中于病患部位，进行定位病变治疗，利于提高药效，减少副作用。如采用金纳米颗粒制成金溶液，接上抗原或抗体，就能进行免疫学的间接凝聚实验，用于快速诊断［9］。生物降解性高分子纳米材料作为药物载体还可以植入到人体的某些特定组织部位，如子宫、阴道、口（颊、舌、齿）、上下呼吸道（鼻、肺）、以及眼、耳等［10］。这种给药方式避免了药物直接被消化系统和肝脏分解而代谢掉，并防止药物对全身的作用。如美国麻省理工学院的科学家已研制成以用生物降解性聚乳酸（PLA）制的微芯片为基础，能长时间配选精确剂量药物的药物投送系统，并已被批准用于人体。近年来生物可降解性高分子纳米粒子（NPs）在基因治疗中的DNA载体以及半衰期较短的大分子药物如蛋白质、多肽、基因等活性物质的口服释放载体方面具有广阔的应用前景。药物纳米载体技术将给恶性肿瘤、糖尿病和老年痴呆症的治疗带来变革。

2.3.2纳米抗菌药及创伤敷料

Ag+可使细胞膜上蛋白失去活性从而杀死细菌，添加纳米银粒子制成的医用敷料对诸如黄色葡萄球菌、大肠杆菌、绿浓杆菌等临床常见的40余种外科感染细菌有较好抑制作用。

2.3.3智能—靶向药物

在超临界高压下细胞会“变软”，而纳米生化材料微小易渗透，使医药家能改变细胞基因，因而纳米生化材料最有前景的应用是基因药物的开发。德国柏林医疗中心将铁氧体纳米粒子用葡萄糖分子包裹，在水中溶解后注入肿瘤部位，使癌细胞部位完全被磁场封闭，通电加热时温度达到47℃，慢慢杀死癌细胞。这种方法已在老鼠身上进行的实验中获得了初步成功［11］。美国密歇根大学正在研制一种仅20nm的微型智能炸弹，能够通过识别癌细胞化学特征攻击癌细胞，甚至可钻入单个细胞内将它炸毁。

第4篇：高分子材料在医学中的应用范文

【关键词】丝胶蛋白；应用；组织工程；结构进展

蚕丝通过脱胶可以形成一种球状的蛋白质结构，这种蛋白质结构对其进行分析，其主要成分便是我们常说的丝胶蛋白。一般蚕丝可以分为外层丝胶和内层丝素两种不同的成分，丝胶一般都是包覆在丝素的，对丝素有着良好的保护和胶结作用，可以有效的防止因受到其他因素影响而造成丝纤维的损伤。因此对于丝织物而言，其在丝胶选择与提取的时候，首先要对丝织物的染色、整序进行全面处理和分析从而提取无污染、纯度高的丝胶蛋白。就目前社会发展中，丝胶的提取与制取已经从传统的方向朝着非催化、膜过滤、高温水解法和酶水解法等方向转变。丝胶蛋白作为目前的一种新型微生物而受到人们的高度重视。丝胶蛋白还具备着生物相容性好的特性，是一种性能优良的生物材料和凝胶型材料，同时其还具备着药物稀释以及酶固化载体的性能，因此在社会各行业得到高度重视，尤其是在化妆品制造业、纤维制品和医学领域，更是得到了前所未有的开发与发展。时至今日，丝胶材料的开发已经整合了多种学科领域，以期在日后的工作中能够为其发展提供广阔的应用前景。

一、组织工程概述

组织工程学是由多种学科相互交叉形成的边缘性学科，组织工程的兴起与建设为临床医疗提供了发展基础，也被人们称之为再生医学。目前我们常说的组织工程是以生物活性物质为基础，通过各种技术方法和管理手段构建形成的一种综合性物质模式，并对各种动植物器官和组织有着再造与修复技术。当前，组织工程已经涉及到多种学科，诸如生物学、工程学、材料学等，并且成为临床治疗工作中再造骨、软骨等器官修复与再造的关键手段。

就目前社会发展而言，人体组织损伤、缺损都容易引起其功能，传统的修复方法都是通过对自身组织进行移植、修复，这种方法虽然在一定程度上得到满意的治疗效果，但是它都是一种以牺牲自身健康为代价的方法，极容易引起人体其他器官出现损伤与破坏，甚至是造成并发症的出现。就目前常见的人体器官功能衰竭现象分析，通常都是采用药物治疗以及短暂的替代疗法，虽然在一定程度上可以挽救部分患者的生命和降低其疼痛感，但是其工体器官的源极有限，因此极容易引起免疫出现问题，由此带来的并发症可以说是一种致命的。

二、丝胶蛋白概述

丝胶蛋白就其字面意思分析，其就是一种丝胶状态的蛋白质，也被人们称之为球类蛋白质，在蚕丝中，其约占蛋白质总量的三分之一左右，但蚕丝营茧的时候，其能够发生粘合作用，从而构成氨基酸等物质，易溶于水中。就目前的蚕丝成分分析而言，其主要的组成成分为丝素与丝胶，其中丝胶主要存在于茧丝的，对于丝素发挥着重要的保护和胶结作用。一般情况下，丝胶都是由氨基酸和天门冬氨酸等多种天然材料构成，其有着良好的水溶性要求。由于制丝以及纺织工艺的高速发展，丝胶的研究也变得越来越深入。现阶段的社会发展中，人们对于丝胶的研究逐步广泛，也不再局限于传统的天然蛋白质结构之中，是利用各种可再生和能利用资源进行全面分析，从而对其中的活性成分控制与分析[1]。

三、丝胶蛋白的提取与应用

1、提取

就目前社会发展而言，常见的丝胶提取主要可以分为两种方法，其一是利用茧、废丝等作为原材料，对其进行清洗和杂物处理之后在采用高温水浴的方式来进行脱胶，然后再利用丝胶溶液来进行浓缩和干燥处理，从而制取固体粉末丝胶模式，在采用温热进行纯碱浸渍和处理，在利用高温脱胶，然后提取出需要的丝胶粉末和丝胶溶液[2]。

另一种途径是通过对茧以及废弃的丝进行水煮从而利用在废液中提取丝胶溶液的方式来进行提取。茧或者相关的丝织物经过脱胶和高温煮沸之后容易形成脱胶盐类化合物，在利用放水沉淀的方式来提取。这种方法不但有效的提高了废水中存在的胶质物，也有效的降低了废水污染。

2、丝胶蛋白在组织工程学中的应用

2.1固定化酶载体

丝胶可用作固定化酶载体。相关工作人员在在研究固定化酶载体时发现，用丝胶膜作固定化酶载体，可使酶的抗热性、抗电渗性、酶活性的稳定性明显提高，但固定化酶的活性得率相对较低。岩元淳m1等将丝胶与问规聚乙烯醇混合制成膜（丝胶30%），再覆以聚乙烯醇，制得的混合膜机械性能优良，丝胶和酶的溶出量低，膜中的固定化酶能维持较长时间的活性.放置8个月时活性降低率不低于20%；也有工作人员经过研究发现为增加固定化酶载体的表面积，将丝胶及其与丝素的混合液分别经酶固定化后涂在无纺布表面，与相同处理的丝素比较，以丝胶和丝素混合的方法使固定化酶的活性能进一步提高。

2.2人工合成高分子材料的添加剂

丝胶可用作人工合成高分子材料的添加剂。丝胶由氨基酸组成，故能被微生物分解。将丝胶导入聚氨酯后发现，所得高分子不仅能被生物降解，而且能成为优异的地球环境保护材料，还能使聚氨酯的物理性能得到改良[3]。利用丝胶的吸湿性，以过硫酸钾作引发剂，将丝胶（占20%一50%）与丙烯酸混合制得的高分子聚合体具有较强的吸水性能.吸水率（丝胶吸水后不溶凝胶的质量与吸水前丝胶粉末的比例）可高达104；如果将丝胶、丙烯酸和丙烯酰氨三者混合。不断增强，这类新产品的销量正在逐渐增长。

第5篇：高分子材料在医学中的应用范文

关键词：化学；教学情境；北京奥运

文章编号：1005－6629(2008)04－0036－03中图分类号：G633.8 文献标识码：B

教学情境是指知识在其中得以存在和应用的环境背景或活动背景[1]。真实的、适合学生实际和发展的教学情境能够提供丰富的学习素材，同时在整个学习过程激发、推动、强化、维持、调整学生的情感活动、认知活动和实践活动，有效促进学习。

随着2008年的临近，北京奥运的气息已经传遍了神州大地的每一个角落，中国人民正在通过自己的勤劳与智慧，努力承办一届以“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”为理念的“有特色、高水平”的奥运盛会。北京奥会中蕴含着大量与化学学科知识密切相关的内容，是教师创设教学情境的新视点，化学教学中教师应该敏锐地关注和提取相关信息，创设具有基础性、现实性、思想性、现代性和基于学生经验的教学情境，引导学生有效学习。

1 绿色奥运中的化学

所谓“绿色奥运”就是指用保护环境、保护资源、保护生态平衡的可持续发展思想筹办奥运会，广泛开展环境保护的宣传教育活动，促进北京和中国环保基础设施的建设和生态环境的改善，倡导绿色健康的生活方式和消费方式。在这个理念中蕴含着丰富的“绿色化学”知识及情感态度价值观教育的素材，基于“绿色奥运”背景创设教学情境，能有效地引导学生树立环境意识，树立绿色化学理念，形成正确的化学价值观。

1.1北京奥运火炬体现“绿色奥运”理念

我国奥运火炬“祥云”设计师章骏曾介绍说，“祥云”长72厘米，重985克，除了适合各个火炬手使用、媒体拍摄及饱含科技含量外，“祥云”的设计还体现了“绿色奥运”的理念。“祥云”使用燃料为丙烷，这种燃料价格低廉，燃烧后只产生二氧化碳和水，不会对环境造成污染。除此之外，火炬外形的制作材料也都是可回收的环保材料。

2007年北京市中考化学的一道试题即以上述资料为素材设计，突出对化学核心知识与化学基本概念的考查：

为体现绿色奥运的理念，北京奥运会采用丙烷作为火炬燃料，丙烷燃烧时发出亮黄色火焰，反应生成水和二氧化碳，该反应的化学方程式为_____。

在教学中，以上述资料作为情景素材，创设教学情境，可以引导学生探讨奥运火炬选择丙烷作为燃料的意义，讨论是否有更好的燃料可以选择，继而学习烷烃的相关性质，如燃烧后的产物和释放的能量等，同时引导学生深入认识绿色化学的意义与价值。

1.2通过大气污染防治创设情境

2006年12月25日北京市环保局网站上了题为“北京市民迎来第238个达标天 空气质量目标实现”的一则消息：

“24日中午，市环保监测中心的数据显示，当天北京市区空气污染指数85，空气质量为良。至此,今年我市市区空气质量二级和好于二级的天数已达238天，今年市政府确定的在直接关系群众生活方面拟办的重要实事之一，即‘全年市区空气质量二级和好于二级的天数达到65%’的目标实现了。同时，也标志着自1999年以来我市空气质量连续8年得到改善。今年到目前为止的空气质量达标天比1998年的100天增加了138天。”

这一令人振奋的消息，展示了北京市区空气质量的大转变，张显着北京向“绿色奥运”迈进的信心与成效。

同样，2007年北京市中考化学一道试题，也体现了奥运与环保的密切关系。

北京奥运会将有数以万计的观众。针对观看比赛时产生的垃圾，下列说法正确的是____。

①这些垃圾应随身带出赛场

②这些垃圾应送到垃圾焚烧发电厂，焚烧发电

③这些垃圾中的塑料制品不要丢弃，避免“白色污染”。

上述情景素材可引发什么是大气污染、引起大气污染的人为因素有哪些、什么是环境污染指数（API）、从化学的角度如何防治大气污染、良好的大气环境给运动员们带来了哪些益处等学习任务，引导学生深入地学习。

1.3 通过污水处理创设情境

在北京申奥时，曾经对世界做出了这样的承诺：2008年，北京中心城区污水处理率要达到90%，再生水回用率要达到50%。

北京奥运官方网站讯，为实现奥运承诺，北京市区建成9座污水处理厂和配套管网设施，城区日污水处理能力已达到291万吨/日。2006年市区年处理污水近8亿立方米，污水处理率达到90％以上，提前1年实现奥运承诺目标。北京市把再生水利用作为新水源加以开发利用。让再生水成为农业灌溉、河湖景观用水、工业冷却等的主要水源。2006年全市利用再生水3.6亿立方米，再生水用量达到全市年用水量的10％。今年利用中水可以达到4.8亿立方米，占全市用水量的14%。实现再生水回用达到50%的承诺目标。2008年将利用再生水6亿立方米。

高中化学选修课程《化学与生活》中的“化学与环境保护”主题，课程内容标准要求学习污水处理中主要的化学方法及其原理, 调查污水排放和处理情况，撰写调查报告， 提出改进建议[2]， 教学中可利用上述素材创设情境，使学生真切地了解污水处理和再利用的重要意义，进一步引导学生从媒体与网络中收集当地的污水排放与处理情况，形成调查报告，并提出切实可行的意见和建议。

2科技奥运中的化学

所谓“科技奥运”就是指紧密结合国内外科技最新进展，集成全国科技创新成果，举办一届高科技含量的体育盛会；提高北京科技创新能力，推进高新技术成果的产业化和在人民生活中的广泛应用，使北京奥运会成为展示新技术成果和创新实力的窗口。这一理念结合材料科学、生物化学、分析化学的相关知识，可以为学生创设具有时效性并且触及化学科技前沿的教学情境，使学生切身感受化学在现代科技、现代体育中的应用，感受化学在社会发展和提高人们物质生活以及精神生活中的重要作用。

2.1水立方映射出科技之光

国家游泳中心又被称为“水立方”（Water Cube）,位于北京奥林匹克公园内，是北京为2008年夏季奥运会修建的主游泳馆，也是2008年北京奥运会标志性建筑物之一。2008年奥运会期间，国家游泳中心承担游泳、跳水、花样游泳、水球等比赛，赛后将建成为具有国际先进水平的、集游泳、运动、健身、休闲于一体的中心。

“水立方”的外形看上去就像一个蓝色的水盒子，而墙面就像一团无规则的泡泡。这个泡泡所用的材料是“ETFE”。这种材料耐腐蚀性、保温性俱佳，自清洁能力强。国外的抗老化试验证明，它可以使用15至20年。犹如一个个“水泡泡”的ETFE膜具有较好抗压性，厚度仅如同一张纸的ETFE膜构成的气枕，甚至可以承受一辆汽车的重量。

ETFE的中文名为乙烯-四氟乙烯共聚物。ETFE既具有类似聚四氟乙烯的优良性能，又具有类似聚乙烯易加工的性能，还有耐溶剂和耐辐射的性能[3]。ETFE膜材的厚度通常小于0.20mm，是一种透明膜材。ETFE膜材常做成气垫应用于膜结构中。最早的ETFE工程已有20余年的历史，其中最著名的是英国的伊甸园。

在高中化学选修模块《化学与技术》“高分子化合物与材料”、《有机化学基础》“合成高分子材料”等课题的教学中，教师可应用上述情景素材，配合展示水立方的效果图和实景图，提供关于水立方的新闻采访录像等，创设教学情境，更好地学习高分子材料的特性及其价值，两种聚合反应（加成聚合反应和缩合聚合反应），鼓励并组织学生进行小组讨论，举例说明已知的高分子材料的成功应用实例，并共同展望高分子材料的应用前景。

2.2拒绝运动场上的化学幽灵――兴奋剂

体育运动中的兴奋剂是指国际体育组织规定的禁用物质和禁用方法的统称。以前由国际奥委会医学委员会，现在由世界反兴奋剂机构每年公布一份禁用物质和禁用方法的清单，简称《禁用清单》[4]。体育运动中的“兴奋剂”，不单指药物，也包括禁用方法和其它生理物质，例如血液、尿液和含有违禁药物成分的食品添加剂、营养补品、饮料等，只要这些生理物质以“非正常量或通过不正常途径”摄入人体，也是兴奋剂。再如用血液回输以增强体内红细胞值的方法、尿液输入膀胱以逃避检测的方法，都属于使用兴奋剂。在一些食品、饮品、补品中含有某种禁止使用的化学成分且超出限制量，也是兴奋剂。目前国际奥林匹克运动委员会规定：“竞技运动员使用任何形式的药物和以非正常量或通过不正常途径摄入生理物质,企图以人为的或不正常的方式提高竞技能力即被认为使用了兴奋剂”[5]。

北京奥运官方网站讯，2007年11月12日，中国反兴奋剂中心正式揭牌。中心面积约5500平方米，拥有目前世界上最大的兴奋剂检测实验室。中心下设兴奋剂检查、教育信息等6个部门。该中心的工作人员中，除国内相关专业的专家和志愿者外，另有20名从国外兴奋剂检测机构聘请的专家。同世界其他三十几个得到世界反兴奋剂机构（WADA）认证的实验室相比，中国反兴奋剂中心的仪器是世界上最先进的。在奥运会期间，中心预计将进行4500例兴奋剂检查。同时，中国反兴奋剂中心还承担着反兴奋剂的宣传教育工作，发扬公平竞争的体育精神，并培养运动员和教练员的主动抵制兴奋剂的意识。

这一情境的创设，有利于帮助学生树立体育道德和公平竞争的意识，了解常用化学检测方法及其应用。结合高中化学选修课程《实验化学》中的《化学实验基础》，引导学生利用查阅的文献资料，认识现代的化学分析手段和仪器，例如：红外、色谱、原子吸收光谱、核磁共振等现代化学分析测试技术。

2.3“鸟巢”中的化学

“鸟巢”是2008年北京奥运会主体育场。由2001年普利茨克奖获得者赫尔佐格（Herzog）、 德梅隆（De Meuron）与中国建筑师李兴刚等合作完成的巨型体育场设计，形态如同孕育生命的“巢”，它更像一个摇篮，寄托着人类对未来的希望。“鸟巢”外形结构主要由巨大的门式钢架组成，共有24根桁架柱，现已完成24根桁架柱整柱及2根下柱吊装。国家体育场建筑顶面呈鞍形，长轴为332.3米，短轴为296.4米，最高点高度为68.5米，最低点高度为42.8米。

托起“鸟巢”最关键的“肩部”结构的，就是为“鸟巢”量身打造的“Q460”钢材。Q460是一种低合金高强度钢。Q代表钢材的强度，460代表460兆帕。Q460就是钢材受力强度达到460兆帕时才会发生塑性变形，这个强度要比一般钢材大。“Q460”建筑可用钢是中国科研人员经过三次技术“攻关”才研制出来的，它不仅在钢材厚度和使用范围都是前所未有的， 而且它具有良好的抗震性、抗低温性、可焊性等特点[6]。“Q460”钢材这一自主创新成果用于“鸟巢”的主体结构，是这种钢材在国内建筑上的首次使用，而这次使用的钢板厚度达110毫米，也是史无前例的，在国家标准中，“Q460”的最大厚度只是100毫米。

高中化学课程《化学 必修1》中的“常见无机物及其应用”主题的教学中，可运用上述情景素材引导学生认识金属的通性以及合金的特性，初步了解各种钢材的原料配比与相应的应用价值，帮助学生学会材料的基本分类方法。在选修模块《化学与技术》“化学材料的制造和应用”主题中还可以引导学生推测“Q460”的基本成分，引发深层次的研究性学习。同时，上述素材也是引导学生认识我国现代材料研究和材料工业发展，认识新材料的发展方向，认识和欣赏化学对现代科技与社会发展重大贡献的重要资料。

3 讨论

运用上述情景素材创设教学情境，除了要体现情境作用的真实性与时效性，还应特别注意发挥好情境作用的全程性与发展性，激发学生学习的兴趣，特别是继续学习的愿望和潜能。在教学中教师除了要引导学生学习相关化学知识的外，还要根据情境的特点，发展学生的文献检索与分析、信息分类、数据分析、文字表达、讨论与交流、总结与分析、解决问题等能力，引导学生树立健康意识、公平意识、正确价值观念等。

参考文献：

[1]刘知新．化学教学论．[M] 北京：高等教育出版社，2004： 124．

[2]中华人民共和国教育部．普通高中化学课程标准（试验）．[M] 北京：高等教育出版社，2006：16．

[3]李君，向阳．ETFE膜材在建筑中的应用．[J] 建筑创作，2004，（1）：128．

[4]郭启华，钱春燕等．化学与申奥．[J] 化学教育，2001，（6）：5．

第6篇：高分子材料在医学中的应用范文

一、高中化学问题的来源

1.教科书栏目设计中的化学问题

高中化学教科书的编写是依据新课程教学改革纲要和高中化学新课程标准，着眼于提高学生的化学素养，培养学生利用所学的基本知识、基本原理解决生产、生活中的实际问题的能力。苏教版化学教科书中设置了活动与探究、交流与讨论、观察与思考、问题解决、信息提示、拓展视野、练习与实践等栏目，提供了丰富的问题化教学的素材。因此，教科书是化学问题的重要资源。

2.由练习转化来的问题

练习不仅帮助学生巩固知识，还要应用知识解决某些实际问题，在学生思考的过程中，往往会产生新的化学问题。

3.由教学目标转化来的问题

在教学过程中，尤其是在复习阶段，教师会根据教学目标来设计问题，不断挖掘教材，将琐碎的知识整合为符合学生实际的问题。

4.源于生活中的探究问题

化学与生产生活有着密切的联系，学生会接触到很多生活和生命健康有关的问题，教师在教学过程中注意联系生活实际，帮助学生开拓视野，激活学生的探究欲望和思维，让课堂灵动起来。

5.实验中形成的化学问题

实验教学在激发学生学习化学的兴趣，培养学生动手能力、思维能力、探究能力等方面有着不可替代的作用。教师要加强对实验方法和途径的研究，改变那种“讲实验”、“背实验”的现状，让学生在实践中体会化学的奥秘。

6.激发兴趣的问题

在传统的教学中，化学知识与生活实际被认为分开，学生不能真正体会到学习的乐趣。“兴趣是最好的老师”，学生对化学有兴趣，自然会投入百分之百的热情，这样的课堂也才会有活力。

二、有效问题设计的原则

一个好的问题，能够点燃一个学生的欲望；一个好的问题，能够窜起一堂课；一个好的问题，能够让一节课升华。那么，什么样的问题才是好问题？那就是问题的设计要有效，能够引起学生的思考，能够让学生的思维动起来。

1.适度性原则

适度是指合适的难度、合理的梯度。问题的设计要考虑学生现有的认知水平和思维能力，使问题符合学生的“最近发展区”。如果提出的问题过于浅显，学生信口拈来，就引起不了学生的兴趣；而超前、过于深奥的问题，学生无法解决，难以体现思维的力度。也就是说，在“新旧知识结合点上”产生的问题，最能激发学生的认知冲突，最具有启发性和思考性。因此，要尽量设计能够让学生“挑一挑”就能解决的问题，既能给学生以成功的喜悦，又能调动学生的思维。

2.精准性原则

精准是指教师设计的问题要有一定的精度和准度。有的教师设计的问题流于形式，问一些像“懂了吗？还有什么问题”之类的无效问题，还有的教师只顾自己滔滔不绝的讲授，而不注重学生的参与，学生势必会产生厌倦，效果也不好。这就需要我们在课堂上要注意问题的精度，设计出适量且抓住重点、难点、关键点的问题，对于那些学生都懂的问题不要问，学生不懂得才问；一看就明白的不要问，有疑难的才问；“是不是”、“对不对”的尽量不问。问题不在于多，而在于是否有效，是否能真正调动学生的思维。同时，教师对设计的问题要准确，不能让学生听后云里雾里，不知道再问什么，问题本身不能犯科学性错误，要严密，学生才知道从什么角度来回答。

3.多维性原则

多维是指要注意问题设计的角度和广度。问题的角度不同，激发学生思考的效果也不同。例如讲解《乙醇》时，老师如果提出“乙醇为什么有香味呢”，学生会觉得问题太专业化，离自己太远，不感兴趣，如果转换一下角度，提出“厨师在烧鱼时都喜欢加酒去腥提香，你有什么看法？”这样的问题把学生置身于真实的生活情境中，感受到化学与生活是如此的接近，能够体会到学习化学的乐趣，自然愿意参与到学习讨论中。

设计问题时还要思路广、跨度大，不是以一个答案去束缚学生的思维，而是创造一个自主学习的时空与机会，发散学生的思维，设计具有一定角度、广度，具有巨大的求异性和包容性问题，这种可以从多方面、多角度回答的问题，给学生留有更大的思考空间，有利于学生里或思维的培养。另外要注意所提的问题中，要多问些“你是怎么想的”、“你有什么新的看法”、“谈谈你的体会”等，这样开放性强的问题，有利于学生发散思维，培养创新精神。

三、有效问题设计的策略

教师要选好问题设计的切入口，精心设计与学生学情相符合的问题，找准问题的作用点，这样就能达成教学目标，激发学生兴趣，提高课堂的实效。

1.着眼于情境创设，找准问题设计的“激发点”

“情境创设”是在化学教学中，教师通过精心的设计，把学生带入到一个新奇的环境中，以全新的视角来审视周围的事物，激发了学生的求知欲望和探究兴趣，通过解“疑”排“障”，达到提升自身学科素养的目的。问题情境创设的途径有：

①通过实验创设问题情境

②通过学生的错误创设问题情境

③通过日常观念和科学概念的矛盾创设问题情境

④通过“开放性”问题创设问题情境

⑤通过学生的自学阅读创设问题情境

例如在学习《化学反应的限度》时就可以通过让学生自主阅读“科学史话――炼铁高炉尾气之谜”引入情境，然后提问“为什么高炉尾气中CO的比例始终不改变？”引入此反应为可逆反应，便于学生理解可逆反应有限度。

在《化学能转化为电能》一节引入时，我用到下面的漫画素材：医学史上有这样一个案例，有一位女病人格林太太经常头疼、失眠且心情烦躁，病因不详。后来一位化学家帮她解决了问题。原来她有蛀牙史，曾换过一颗金牙，后来在一次车祸中又失去了与之相邻的牙齿，换了一颗不锈钢的假牙，病根原来就是这两颗假牙。为什么这两颗假牙会令格林太太经常头疼、失眠且心情烦躁？这与化学又有什么关系呢？而格林太太的怪病又与我们今天所学的内容又有什么关系呢？要想解开这个迷团，我们有必要一起来学习这方面的知识。因此，创设适宜的问题情境可以丰富学习的内容，有利于激发学生的好奇心和兴趣，有利于学生创新思维的发展。

2.着眼于学生的发展，找准问题设计的“延伸点”

教育的最终目的是为了学生的发展，而学生科学素养的发展是一个持续的过程，教师要有意识地提供拓展性的问题，将课堂延伸到课外，使课堂不仅是常规意义上的45分钟，还可以前延和后延。

在微型课《吸水高分子材料》的教学中，在介绍完吸水性高分子材料的结构和特点，设计了一个问题“请学生利用课外时间对你所感兴趣的某功能高分子材料作信息的收集、实物的研究等，写出你的小报告”。这样不仅把化学与生活联系起来，鼓励学生用化学的眼光看世界，同时将课堂延伸到了课外，进一步提升了学生的探究热情。

3.着眼于“学案导学―小组合作”教学模式，找准问题设计的“生成点”

为了让学生成为学习的主人，教师要更新观念，改进教法，学生也要改变学法，在教学中做到师生合作、生生合作，同思考、共探究，大胆提问，这样才能形成新型的师生关系，构建新的教学模式。“学案导学―小组合作”教学模式的一个重要特点就是课前的自学，导学问题显得尤为重要，要求教师指导学生围绕导学案进行自主学习，基本解决学案中的相关问题，完成导学练习，提出自主学习中的疑难问题。

第7篇：高分子材料在医学中的应用范文

采用箔材(如纸等材料)的分层实体制造LOM(LanminatedObjectmanufacturing)方法,以事先涂有热熔胶纸为基本构形材料,厚度0.125mm,在计算机控制下,自动将三维数字化模型分割成与纸张同样厚的薄片(平面模型),用二氧化碳激光器逐层精确割出每层的轮廓形状,再逐层热压粘接成型。在不需要切削加工和模具的情况下,数小时内即可快速形成任意复杂形状的三维物体,成型件精度可达0.2mm,具有与硬木制品相当的硬度,稍作表面处理后可在200℃以下的环境中使用,如果用这种设备制作模具,完全可以用于医学高分子材料(如医用硅橡胶)件的模压制作[2]。

1.1数字化信息的提取

从医院的CT、核磁共振及光学扫描等设备中获取患者的DICOM格式文件,并保存于硬盘中。传统的边界提取是通过扫描仪将得到的CT图像扫入电脑,然后通过灰度信息识别其边界,并用一系列的简单曲线替代[1]。这样做存在图像配准误差,在替代过程中又损失了部分边界信息,降低了三维重建精度。所以,利用DICOMEDGE软件将DICOM文件直接打开,根据CT域值和曲率域值选择相应区域进行边界提取,而后并根据边界情况予以取舍,满意后以文本格式将截面轮廓输出。由于采用直接读取DICOM文件的数字化信息,减少了中间转化环节,从建构方式上提高了制件精度。

1.2数据筛选与匹配

由DICOM文件转化后的IBL文件可以在Pro/E中打开,通过观察分析可知存在如下问题:(1)由DICOM文件转化后得到的数据点数量太多,而且匹配状况差。(2)不同截面包含的封闭曲线数目不等。(3)在应该存在平滑过渡的地方,由于扫描间距的存在而由平面替代。这些问题直接导致三维重建模型的表面扭曲,甚至无法重构,为确保三维模型的建立,应对得到的图形进行分析,按照平滑重构的原则分块重构,通过找出各截面的型心,用扇扫与分段对应的方式保证重构过程中的表面平滑,根据不同数目封闭曲线构成情况将相邻截面求交,得到新的截面后与相应截面重构,而对于因平面替代造成失真的地方,可在合适之处用1个较小的圆等分为与相邻截面相同的等份,然后用起点对齐的方式处理,可得到建立三维CAD模型数据点,并以IBL格式保存该数据文件。

1.3曲线生成与三维重建

在Pro/E环境下,输入处理后的IBL格式数据文件,即可得到若干条基准曲线,为了使生成的实体表面光顺,用3次有理B-样条对曲线进一步拟合和逼近,这样就可获得比较真实的用于构造三维实体的基准曲线。用Pro/E中的三维处理命令进行三维重建,得到较真实的三维实体模型块,通过各个实体模型块的组合,即可得到所需要的三维实体模型,通过旋转与缩放,详细观察各模型块之间的结合情况,也可采用一些平滑的方式使结合处更加光顺。

1.4由CAD模型生成STL文件

由于人体的骨骼及外形各不相同,而且由复杂曲面构成,因此,Pro/E软件在将其二维集合信息传输给快速成型系统制造前,必须对模型曲面进行近似处理,用一系列的小三角形平面片逼近自由曲面,经过近似处理的三维模型由Pro/Interface产生STL格式文件。之后,对三角化后的模型进行修补,因为原有Pro/E模型中可能有缺陷,或者CAD模型三角化形成STL文件过程中产生了数据误差,导致曲线不封闭,故修改后将STL文件输人到快速成型系统[1]。

1.5快速原型制造

在STL文件的三维模型上沿成型的高度方向,每隔一定的间隔自动提取截面轮廓线信息,逐层进行平面切片处理,根据切片处理得到平面截面轮廓,快速成型系统中的成型头(激光头或喷头)在z-y平面内,自动按截面轮廓运动,切割纸得到一层截面轮廓,每层截面轮廓成形之后,快速成型系统将下一层材料送至已成型的轮廓面上,然后进行新一层截面轮廓材料的成型,从而将一层层截面轮廓重合在一起,最终形成三维产品[1]。利用Pro/E生成的三维实体模型,可对实体进行简单的有限元分析(Pro/FEM),还可直接进行模具设计(Pro/Moldesign),通过模型生产模具[1]。

2结束语

快速成型制造技术的使用,为临床医学中长期困扰人们的“度身定作”问题的解决提供了较为有效的解决方法和制作手段,而以Pro/E和AutoCAD等为代表的三维造型软件系统,为快速原型制造技术提供了强有力的模型设计工具。

(1)采用DICOM文件作为三维建模的输入文件,为远程治疗提供了可能,同时在计算机上提供可视化的三维模型,为临床诊疗和教学提供了可操作的工具,为不同层次的医疗人员提供了共同对话的参照物[1],有利于医疗人才的培养。

第8篇：高分子材料在医学中的应用范文

光电化学是在电化学的基础上发展起来的一个新学科,是研究光直接对电极或界面材料的影响以及伴随的光能与电能和化学能转化的学科。1839年，Becquerel首次在由两个相同金属电极和稀酸溶液构成的体系中观察到电极在光照下产生电流的现象（即Becquerel效应）10。20世纪50年代中期，Brattain和Garrett12将半导体的光电化学性质与其电子结构特性结合起来，推动了光电化学相关学科的繁荣发展,并为现代光电化学奠定了基础。进入60年代,DewaldH提出了半导体光电极产生光电势的机理,进一步从理论层面对光电化学进行了阐述。1966年，Gerischer[4提出了半导体电极光分解理论,并首次系统研究了半导体/电解质溶液界面的电化学和光电化学行为；随后Kolb等0对半导体/电解质溶液理论不断丰富和发展，这些理论的阐明进一步为现代光电化学的发展奠定了理论基础。自1972年Fujishima和Honda0发现可以利用TiO2作为光阳极在紫外光照射下催化水的分解以来，光电化学特别是半导体光电化学领域的研究开始得到广泛关注。近年来，随着对半导体新型电极和电解质溶液体系在光照下的电化学行为和光电转换规律研究的深入，固体物理中一些概念、理论的引入与交叉，以及当前能源、环境、分析等学科领域的不断需求，光电化学方面的研究已广泛深入和应用到了光电催化CO:还原、光电化学太阳能电池、光电化学分解水、光电化学分析等领域,并呈现出蓬勃发展的趋势。

光电化学包括光电转化和电化学两个过程。其中光电转换过程,是具有光电化学活性的物质吸收光子而处于激发态，所产生的载流子通过与一些分子发生电子交换而产生电荷分离和电荷传递，形成光电压或光电流，实现光能向电能转化的过程，这是光电化学的核心过程?。另一方面，电化学过程又包括电子传递和界面反应两个过程。实现分离的电子和可分别向基底电极表面和电极材料与电解质溶液的界面转移,并在溶液界面处发生氧化还原反应，实现能量转换,形成光电流或光电压。

具有光电化学活性的材料通过光电化学过程产生光电响应的机理主要有以下两种：（1)当在周围电解质溶液中存在还原性物种时,处于激发态的光电活性物质可以被还原至基态，从而使光电化学过程持续循环进行,进而产生持续光电流；(2)当电子供体或受体作为猝灭分子存在时,在激发态分子与猝灭分子之间会发生电子转移（ET),进而发生氧化还原反应或电极表面电子转出，形成光电流,并使光电材料恢复至基态参与下一次光电响应M。以半导体材料为例,在外界光照、温度、电场、磁场等的作用下,半导体材料价带和导带上的电子态会发生一定的变化而表现出较为敏感的响应，并具体表现为光电、热电、光致发光、电致发光等现象和效应。在半导体材料受到光辐射激发时,光子能量大于禁带宽度时,价带电子就会吸收光子能量而被激发至导带上,而在价带上留有,产生载流子(即电子）。载流子中的电子和可以发生复合并将能量以其他形式释放,如果在一定的条件下发生分离,继而会产生光电压或光电流，实现光能与电能的转化M。如图1所示，当半导体的能带位置与电极的能级匹配时，导带位置上的电子可以转移至电极表面，同时产生的被电子供体捕获完成电极反应,形成阳极光电流;如果导带电子转移至电解质溶液界面处,并与溶液中的电子受体反应,电极表面的电子就会转移至半导体的价带并捕获,形成阴极光电流。因此，光电化学过程不仅伴随着能量转换，同时还伴随着电荷分离、电子传递、能量转移、界面反应等过程。光电化学过程的进行直接关系到光电转换效率、光电化学反应动力学及其应用。另外,光电化学过程的实现不仅与激发光的波长和强度有关,而且与光电材料的类型、性能有着直接且紧密的关系,光电材料本身的光电化学性质、制备方法、复合效果、形貌控制、电荷传导速率等对于光电化学过程的顺利实现有重要影响。

2光电化学传感器概述

随着分析科学的不断发展,新的分析方法不断涌现。自20世纪60年代光电化学过程阐明到21世纪初，光电化学分析方法作为一种新的分析方法开始出现并不断快速发展。光电化学分析是在光照射下基于被分析物、光电材料和电极三者之间电荷转移发展起来的一种分析检测技术14。光电化学分析的基本原理是基于光电化学过程。在电化学(电子传递和界面反应）和光电转换（能量转换）两个过程的基础上，利用被分析物对传感识别过程(界面识别或反应）的影响所产生的光电流或光电压的变化,建立起光电响应变化与被分析物之间的定量关系,从而构建出用于生物、环境等方面分析的光电化学传感器。

光电化学传感器主要分为电位型和电流型两种。其中电位型光电化学传感器主要是指光寻址电位传感器（LAPS)。目前研究较多的是电流型光电化学传感器，它是利用被测物质与激发态的光电材料之间发生电子传递而引起光电材料的光电流变化进行测定或根据待测物质本身的光电流对其进行定量分析。

光电化学传感器将传统的电化学传感器和光电化学结合起来，同时具有电化学和光化学传感器的优点。一方面，该检测方法与目前已经建立起来的电化学发光（ECL)方法在过程上正好相反,ECL采用电作为激发信号,检测的是光信号;而光电化学分析使用光作为激发信号,检测的是电信号,通过采用不同形式的能量作为激发信号和检测信号,使激发和检测信号互不干扰，因而背景信号较低，可获得较高的灵敏度;另一方面，由于采用电化学检测，因而具有设备简单、价廉，易于微型化的优点。

光电化学传感器以其独特的优点，在分析中有着广泛的潜在应用价值。光电化学分析通过与纳米材料的制备、免疫分析体系的构建、生物功能分子的应用等方面的结合，进一步拓宽了其应用范围。目前,光电化学传感器在生物活性分子分析（如半胱氨酸M、NADH21,22、谷胱甘肽E3,24、活性蛋白25,26等)、DNA分析、酶传感分析、免疫分析B6^、细胞相关分析、环境分析（如溶解氧、化学需氧量、有机污染物、重金属离子、有机磷农药、植物调节剂等)领域有着较为广阔的研究。

3光电化学传感器的材料选择与设计

从光电化学传感器的发展过程及其基本原理来看,光电化学传感器在功能结构上分为光电转换单元和传感识别单元两部分，其中前者主要在于选择具有较好光电化学活性和稳定性的光电活性物种来构建光电转换层，后者主要在于通过不同的分析传感策略来实现对目标物的检测。因此，光电化学传感器的构建主要从光电材料的选择修饰和传感信号产生模式两个方面来考虑和设计。

近十年来，随着光电化学传感器研究的不断增多，可用于光电化学分析的光电活性物种也得到了广泛关注。最近,有多篇综述对应用在光电传感器中的不同光电活性物种进行了总结6,5455。可用于光电转换层的材料主要包括有机光电分子、导电高分子、无机半导体及其复合材料等。

3.1有机光电分子

有机光电分子是相对于有机高分子聚合物来说的，主要是指在光照激发下能够发生电子从最高占据轨道（HOMO)到最低空轨道（LUMO)跃迁产生相应激发态和电荷转移的有机分子。该类分子的典型代表主要包括卟啉类、酞菁类、偶氮染料、蒽醌类以及有机金属配合物类等。其中有机金属配合物是有机光电分子中重要的一类，主要是利用具有较大离域电子体系的配体与某些金属离子构成的具有光电化学活性的一类物质。目前研究和应用比较多的是金属钌的一些配合物。Weber等53提出了使用钌-联吡啶作为光电化学信号标记物并给出了其光电化学转化过程。Ru(n)配合物受到光激发后形成活化的Ru(n)*,Ru(n)*失去电子变为Ru(m),然后Ru(m)被电子供体还原为Ru(n)。Dong等制备了钌联吡啶衍生物,并将其作为光电化学信号发生分子修饰到SnO2纳米半导体电极上,第一次通过光电化学法定量测定了生物素亲和素的识别作用。Gao等在ITO表面修饰具有较好稳定性和光响应的核酸加合物（PIND-Ru^PIND),通过ITO表面的核苷酸与目标核酸杂交，第一次用光电化学方法实现核苷酸检测。

有机光电分子一般具有较大的离域电子体系，对可见光有较强的吸收能力，并具有较强的电子注入和电子转移能力等B9’6a。另外,对于有机光电分子，可以根据需要直接合成或进行基团修饰，具有很好的可修饰性。Ikela等合成了一种有机光电材料--5,10,15,20四（4吡啶基)卟啉,并将其沉积在ITO电极上做成传感器，通过光电流的降低可重复检测核苷酸,其检测浓度达到^M级。Yamada等62以蒽醌（AQ)作为光敏剂制备出了蒽醌寡聚核苷酸复合物,并结合转移产生光电流的方法，实现了对DNA胞嘧啶甲基化的光电检测。Pandey等63报道了流动注射分析体系（FIA),选用具有光电化学活性的9,10肩醌衍生物作为信号发生分子,利用激发态蒽醌分子与电子供体（葡萄糖）反应产生的光电流,首次对嵌入DNA中的复合物进行了检测。

但该类材料单独作为光电转化层所产生的光电流较弱，需要与其他传导材料进行复合,以提高光电流信号和检测的灵敏度。如Hu等通过在石墨烯表面负载金纳米粒子，并进一步修饰巯基化卟啉制备出卟啉/AuNPs/石墨烯纳米复合物，以此作为电极修饰材料用于氢醌的光电化学检测，取得了较好的效果。

3.2导电高分子及其复合物

导电高分子是由具有共轭T键的高分子经化学或电化学“掺杂”使其由绝缘体转变为导体、半导体的一类高分子材料。由于材料的T电子共轭体系的成键和反键能带之间的能隙比较小，一般约为1.5-3.5eV,接近于无机半导体的导带和价带之间的能隙，因此，共轭高分子材料大多具有半导体性质。目前研究比较多的主要有聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等。导电高分子主要应用于与无机半导体复合和构建可以特异性识别目标分子并具有一定光电化学活性的分子印迹膜。其应用将在后文中进行阐述。导电高分子制备相对简单，并可以实现可控聚合或有目的性的识别基团修饰，具有较强的可设计性，因而有较大的研究潜力。

3.3无机纳米半导体及其复合物

无机半导体材料是目前研究和应用最为广泛的一类光电材料。该类材料可以通过多种方法制得,并可以通过形貌和尺寸控制表现出优异的光电化学性质。由于量子限域效应的存在，无机纳米半导体材料具有比块体材料更优异的光电化学活性。这类材料主要包括以TiOi、ZnO、WO;等为代表的金属氧化物半导体，以CdS、CdSe、ZnS、ZnSe等量子点(QDs)为代表的金属硫族化物半导体。

其中TiOi以其较好的稳定性、较快的电荷传导速率和较好的生物相容性等优点受到了广泛关注，基于TiO:的研究也最多和较为全面。但由于TiO2的禁带宽度较大，只能被紫外光激发；而在紫外光区域,很多检测体系会受到干扰或破坏,从而限制了其进一步的应用。因此很多研究通过使用有机分子、导电高分子、量子点或其他窄能带半导体等对TiO2进行敏化,来拓宽其应用光谱范围。鞠煜先课题组M报道了使用磺酸基铁卟啉功能化TiOi纳米粒子,构建了一种在较低电位下检测生物分子的光电化学传感器。徐静娟课题组M使用CdS与TiOi构成杂合物来构建光电转换层，通过免标记免疫法实现了对目标蛋白的检测。蔡青云课题组69通过CdTe/CdS共敏化TiO2纳米管阵列构建了一种用于八氯苯乙烯检测的免标记光电化学免疫传感器。通过使用P3HT与TiOi复合修饰电极,建立了一种在可见光下零电位检测有机磷农药的光电化学传感器。另外,也有用导电高分子与贵金属粒子共同修饰TiOi的报道。利用导电高分子与TiOi形成的多级电荷分离体系,并结合Au、Ag等贵金属的掺入对电极表面过电位的降低及对转移的促进，可以提高半导体材料的光电化学性能,这也为光电化学分析提供了新的材料复合。

无机半导体中，另一种常用的材料是CdS(Se、Te)纳米材料或QDs,目前已有综述对这类材料的优缺点及应用进行了总结B4,73。针对该类材料具有较高的电荷复合速率和光稳定性差的缺点，通过分子/电子传递体系或有效电子传导阵列，减少半导体中电子的复合,对提高其光稳定性和光电转换效率是十分重要的。近年来，随着对碳材料研究的不断深入,碳纳米管（CNTs)、石墨烯（GR)等材料以其优异的电子学性质，在促进光电极材料的光电化学性质方面有着较多应用。Wang等M合成了CdS修饰GR的复合材料,并构建了用于灵敏检测有机磷的光电化学传感器。使用一步快速溶液反应制备了GR~CdS纳米复合材料,并用这种新合成的GR~CdS纳米复合材料构建了用于检测谷胱甘肽（GSH)的光电化学生物传感器。Li等M通过苯并b]芘磺酸盐与还原的氧化石墨烯(RGO)之间的mi堆积(stacking)作用对RGO进行非共价功能化,并结合CdS纳米粒子的原位生长制备了RGO^CdS纳米复合物；以此材料为光电转换层免疫检测了前列腺特异性抗原（PSA)。制备了具有较好光电化学活性的Cd0.5Zn0.5S/RGO纳米复合材料，并基于此复合材料构建光电化学传感器，用于Cu2+的选择性检测。碳材料作为电子传导基质的引入，不仅提高了量子点的光电转换效率，也为提高其他半导体材料的光电化学活性提供了重要思路和方法。

此外,氧化钨作为一种本征型半导体氧化物,具有耐酸性和耐高温的能力，并有较高的抗光腐蚀性；其能带宽度约为2.6eV,对可见光中的蓝光有较强的吸收；由于其能带宽度较TiOi小，可直接利用太阳光，因而具有巨大的潜在应用价值62’83。我们课题组M以WO;为基础材料并与石墨烯和原卟啉复合,构建了一种多级电荷分离体系用于半胱氨酸的光电检测。Zhang等M制备了WO;修饰TiC/C核壳纳米纤维复合电极,用于H2O2的无酶光电化学检测。纳米硫化铋是一种重要的窄能带直接半导体，其禁带宽度可以调节（Eg=1.30~1.70eV),表现出具有较宽的吸收光谱和较高的吸收系数（一般在扣4?^5^-1)B5-86。我们课题组在进一步研究B^h的光电化学性质的基础上，分别构建了用于检测DNA甲基化67]、DNA甲基转移酶活性和miRNA89的光电化学生物传感器。

3.4其他

除了以上讨论的这些光电活性物质外,全碳材料M和QN4复合材料M也逐渐引起了人们的关注。另外,某些生物材料如细胞、DNA、荧光蛋白等也具有光电化学活性，利用它们自身的光激发电荷转移过程引起的光电流变化，可以研究生物分子与其他物质间的相互作用92,该领域仍需深入研究。

4光电化学传感器信号产生与传感模式

4.1直接电荷转移与氧化还原

在光电化学传感器的设计上，一般采用较多是阳极光电流。在该传感模式中，光电极的电极反应只涉及电荷转移和电子或参与的直接氧化还原反应,一般不包括分子识别、酶催化等其他过程;信号产生的重要环节是实现电荷的有效分离。在光激发下，光电活性物质发生电子跃迁产生电子，电子转移至电极表面,而留在光电层中的与电解质溶液中的待检测物分子发生氧化还原反应。被检测物一般是具有还原性的物质，通常将其作为电子供体以一定浓度直接加入到电解质溶液中。被检测物分子的加入使得光电层中产生的电子可以有效分离,减少其复合,使光电流增加。光电流的增加会随待测物浓度的增大而增强，因而可以通过光电流与被检测物分子的数量关系实现对待测物的定量分析。Cooper等63制备了亚甲基蓝和亚甲基绿固定的磷酸锆修饰的铂通道光电极,在波长620~670nm的可见光照射下，光氧化的染料与抗坏血酸发生反应产生光电流；基于该电极构建的传感器对抗坏血酸的定量检测浓度可达到1mM。鞠煜先课题组64使用磺酸原卟啉功能化的ZnO纳米粒子修饰ITO电极构建了一种光电化学传感器。所制备的电极在360nm的光照下表现出有效的光电流响应;加入的半胱氨酸作为电子供体,可有效地捕获光生而使光电流增强。基于这种光电流信号增强检测半胱氨酸的线性范围为0.6~157^M,检测限为0.2+M。另外，鞠煜先课题组M还应用基于抑制电荷复合的光电化学策略来检测多巴胺。该光电化学传感器是通过将表面未钝化的CdTeQDs直接涂覆在含氟导电玻璃（FTO)基底上制得。量子点在405nm的光激发下，产生电荷分离，电子转移至溶液中的02使其还原为O2_.,促进电荷分离。能级处于量子点价带和导带之间的电子供体可以捕获,从而抑制载流子的复合,使光电响应增强。

虽然基于直接电荷转移与氧化还原的策略具有直接、简便、易行的特点,并且灵敏度较高,但存在的问题是可用于直接检测的目标物较少，且体系抗干扰能力较弱,在选择性上往往不能给出比较满意的结果。为了提高选择性，可以通过一定的前处理过程,将目标分子有选择的转化为可用于光电流信号产生的物质，以间接的方式来达到检测目的。如Li等M首先将待检测的甲基对硫磷通过简单水解反应得到对硝基苯酣,然后以对硝基苯酣作为电子供体,在由PTCA/TiOl作为光阳极构成的光电化学池中检测光电流信号,从而间接地实现了对有机磷的检测。

4.2基于分子结合导致的位阻效应引起的光电流抑制策略

基于分子识别和结合引起的光电层表面空间位阻效应建立起的光电化学传感器,在很多方面得到了研究和应用。通过前面的介绍可知，一般对于阳极光电流的产生,需要在电解质溶液中有电子供体来捕获来完成光电极反应。在用于光电检测的光电化学池中，无毒且氧化电位较低的抗坏血酸通常会被作为电子供体加入到电解质溶液中B7]。如果在光电层与电解质溶液层之间嵌入具有空间阻隔效果的分子复合物，就会阻碍电子供体向光电层的迁移和捕获,从而使光电流降低。基于这种光电流的降低与位阻效应的定量关系可以用于目标物的分析。目前文献报道的基于分子识别和结合产生位阻效应最常用的方式是形成生物分子间强作用亲和物（如生物素亲和素、抗原~抗体、分子受体等作用方式）。Cosnier课题组M使用生物素标记的吡咯基-Ru配合物为前驱体,利用电化学方法合成了含生物素的聚（吡咯-Ru(n))复合膜，通过生物素和亲和素之间的亲合作用，将亲和素标记的霍乱毒素（choleratoxin)固定到电极表面，并利用抗原抗体结合,以光电流降低法检测了霍乱毒素抗体。徐静娟课题组99利用层层组装法将正电性的聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDDA)和巯基乙酸（TGA)修饰的带有负电性的水溶性CdS量子点（TGA^CdSQDs)交替组装在IT0电极表面，再通过TGA表面的一C00H与IgG的一N%结合将IgG修饰到电极表面从而制备出免标记的光电化学免疫传感器。在含有0.1M抗坏血酸（AA)为电子供体的磷酸缓冲溶液中，不加抗原时该光电极有较强的光电流响应，在加入抗原后,抗原与抗体形成免疫复合物,增加了光电极表面的空间位阻，阻碍了电子供体的传质过程从而使光电流减小，该传感器在最优条件下对抗原的检测,表现出较好的选择性、灵敏度和稳定性。

还有一些文献报道了基于aptamer与生物材料之间的作用产生位阻效应来检测目标物的方法。Zhang等_分别在层层组装的CdSe纳米粒子光电层上固定了可特异性识别目标细胞和溶菌酶的aptamer,利用aptamer与目标物形成的复合物增加电子供体传输的位阻，以抑制法实现了对Ramos细胞和溶菌酶的检测。另外,也有利用修饰在电极表面某些可以与靶细胞表面残基特异性识别的分子，将被测细胞键合在电极表面形成位阻效应。如Zhao等刚将叶酸固定在GR/CdS修饰的IT0电极表面,利用叶酸与癌细胞表面叶酸受体之间的结合作用将细胞固定在电极上，以抑制法实现对目标癌细胞的检测。徐静娟课题组M以苯硼酸功能化的卟啉敏化TiOi作为光电层，利用硼酸基团与目标细胞表面的睡液酸残基结合形成的复合物来产生位阻效应,以抑制法检测目标细胞。

4.3酶抑制及酶催化法

光电化学分析中基于酶催化活性来实现信号产生和变化也是一类重要的策略。在光电化学分析中常用到的酶主要有乙酰胆碱酯酶（AChE)、辣根过氧化物酶（HRP)、葡萄糖氧化酶（GOx)、碱性磷酸酶（ALP)等。

在光电化学分析中，电极光电层表面固定的AChE可以催化硫代乙酰胆碱生成胆碱，胆碱具有一定的电活性,在被氧化后，两分子的胆碱可以通过S-S结合形成没有电活性的二聚体，同时产生光电流。该过程需要利用固定在电极上的AChE的酶催化反应来完成。当有AChE酶抑制剂存在时,AChE的活性就会降低，进而会导致生成的胆碱量减少和光电流降低_。通过这种策略既可以分析AChE酶的活性，也可以对抑制剂进行定量&04,105。如Wang等和Gong等刚分别用AChE修饰CdS/GR和BiOI光电层，利用有机磷农药对AChE酶活性的抑制作用，以光电流抑制法实现了对有机磷农药的检测。

HRP的应用主要有两个方面，一是与％02一起用于生物催化沉积（BCP)。利用固定有HRP的CdS/TiOi修饰电极，通过HRP在H2O2存在下催化氧化4氯4萘酣（4-CN),在电极表面的沉积物，阻碍电子供体传质过程,使光电流降低,并以此建立起对H2O2的光电化学检测。该课题组M还基于生物催化沉积（BCP)构建了连有HRP的三明治结构的光电化学免疫分析阵列，并考察了对鼠IgG(抗原Ag)的协同超灵敏检测。HRP在该体系中主要有三个作用：（1)HRP标记的二抗(Ab2)通过生物结合后可以增强空间位阻，（2)HRP与％O2共同催化促进BCP过程，进一步增强位阻效应，(3)HRP可以吸收部分光子，使信号降低。综合BCP^PEC免疫分析阵列的多信号协同结果,该电极表现出对抗原较好的分析性能。HRP应用的第二个方面是催化％O2分解，该方面在信号传感中又可以以两种形式实现。第一种是HRP直接催化&O2分解,促进电极与电解质溶液之间的电子传递和光电流的产生M。第二种是通过HRP标记的待测分子与未标记的待测分子之间的竞争和HRP催化共同实现的。如Kang等aw]使用抗体(Anti-PAH)修饰的TiO2纳米管(TiO2NTs)与多环芳香化合物（PAH)和HRP双功能化的纳米金(BGNPs)复合，用于PAH超灵敏光电化学免疫分析。在不加入PAH时，Anti~PAH的表面被BGNPs所饱和，BGNPs上的HRP可以催化H2O2的还原，促进电极和电解质之间的电荷传递,从而产生光电流；而在加入PAH后,PAH会与BGNPs竞争与Anti-PAH的结合位点，使BGNPs的结合减少，并导致光电流降低。除了不参与BCP外,GOx与HRP的应用基本类似。

ALP是生物体内广泛存在的一种酶，可以催化水解生物体内的许多磷酸酯。最近，徐静娟课题组112提出了以ALP标记二抗并通过纳米金扩增，催化底物中的抗坏血酸磷酸酯（AAP)原位产生抗坏血酸作为电子供体，以光电流信号增加的方式免疫检测了前列腺癌抗原（PSA)。随后他们M又报道了将ALP固定到TiOi层，催化AAP产生抗坏血酸盐,利用抗坏血酸盐与TiOi表面的缺陷形成配体金属电荷转移复合物，使得TiO2在可见光区域有了较强的吸收带,进而产生光电流响应,并在此基础上考察了2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)对ALP酶活性的抑制作用。

此外在光电化学分析中应用到的酶还有肌氨酸氧化酶以及类酶M等,如利用FePt的类过氧化物酶活性检测％O2ai6,117]；某些DNA酶也具有类过氧化物酶活性，可以通过BCP或基于％O2分解引起的信号产生用于光电化学分析49。除了直接对酶活性进行分析以外，也可以通过间接法进行分析,如Willner课题组_曾报道过间接法测定酪氨酸酶(Tyrosinase)活性的方法。

4.4贵金属纳米粒子的局域表面等离子体效应(LSPR)与激子等离子体激元反应（EPI)

贵金属（Au、Ag、Pt等）在分析化学中有着广泛的应用。LSPR是入射光的电磁场频率与金属自由电子的集体振荡频率发生共振时产生的一种物理光学现象,该现象与纳米粒子的形状、大小、间距、介电性能以及周围环境等有关M。利用LSPR的性质，目前已经发展了基于散射、消光等技术的LSPR光学传感器_。基于TiO2或ITO电极负载的Au、Ag等贵金属纳米粒子的LSPR光电化学性质，可以开发新的光电化学分析方法。在可见光的照射下，负载在电极表面的金属纳米粒子由于表面LSPR的存在而引起电荷分离，当电极基底材料的导带态密度比金属纳米粒子的更高时,就会有金属纳米粒子的光激发电子向电极转移12fl,氧化态的金属纳米粒子从溶液中捕获电子，从而产生光电流。Zhao等122以液相沉积TiOi为基底，以AuNPs为LSPR产生源,考察了％O2对AuNPs在TiOi表面的生长调控,并结合GOx催化氧化葡萄糖促进电荷转移，以信号增强的方式检测了葡萄糖。

陈洪渊课题组在研究了CdSQDs与贵金属纳米粒子（AuNPs、AgNPs)光电化学过程的基础上还提出了激子等离子体激元（EPI)相互作用的信号产生模式,并以此策略实现了对DNA的检测。以CdSQDs与AuNPs之间的作用为例，其作用原理如图2所示。在一定能量光子激发下（过程1),量子点价带上的电子发生跃迁至导带上（过程2),产生电子。如果电极处在合适的溶液中并且材料与电极能级合适，溶液中的电子供体就会捕获（过程3),导带上的电子也会向电极方向转移（过程4),就会有光电流的产生，这种情况和前面讨论的情况一致。但是激发产生的载流子难免会发生复合（过程5和6)。在复合过程中，经过弛豫之后的辐射跃迁会发射出荧光；如果所发射的荧光与AuNPs的吸收谱发生重叠，就可以引起AuNPs的LSPR,将这部分能量吸收（过程7)。同时,LSPR所产生的局域电场会反过来加强过程6的进行（过程8),从而建立起CdSQDs(激子）与AuNPs(等离子体）之间的能量传递（总和为过程9),使得光电材料的效率降低。将AuNPs换成AgNPs也有类似的过程。目前,基于这种策略的研究还比较少。

3.5其他传感模式

除了以上传感模式外,基于电极表面原位沉积导致的光电流变化策略、基于分子印迹识别的光电分析策略（MIP-PEC)、光电活性物质tlsDNA嵌合策略、化学发光激发的光电化学检测体系及某些signal-on策略也得到很多关注。

基于电极表面原位沉积导致的光电流变化策略主要用于某些金属离子和阴离子的检测。电极表面的原位沉积一般是指通过一定方法在修饰电极表面形成新光电活性中心的过程。新光电化学活性中心的生成主要是利用电极表面已有的光电材料与溶液中的某种待测离子发生离子交换,或是借助一定的辅助物与被测金属离子作用形成沉积。Shchukin等125首先将新制的CdO修饰电极放入含S2-的溶液中，在CdO表面形成CdS沉积；然后将CdO/CdS修饰电极在另一不含捕获剂的电解质中检测其光电流响应，来检测S2-。该检测策略用于检测的金属离子比较多的是Cu2+和Cd2+。由于CuS的溶度积常数比CdS的小，当把以CdS或其复合物作为光电层的修饰电极浸入含有Cu2+的溶液中，通过离子交换会在CdS的表面生成CwS。所生成的C^S在CdS表面相当于是一个激子阱(excitontrapping),由于它的形成使得载流子易于在激子阱中复合,从而导致光电流的降低，以此可以实现对Cu2+的定量分析a26?12a。对于Cd2+的检测一般是采用在电极表面沉积CdS或CdSe的方式来进行。田阳课题组&29]将TiO2NTs电极浸入含有％SO4和SeO2的体系中，随着Cd2+加入量的增多，在TiO2NTs上原位电沉积出CdSe纳米簇，对TiOi起到敏化作用，使光电流增加，以此实现对Cd2+的定量分析。基于类似的方法，该课题组㈣还在TiOiNTs和CdSO^溶液体系中，利用&S与Cd2+反应生成的CdS在TiO2NTs上沉积敏化来检测H2S。

对于某些非电活性的被测物，可以选择分子印迹（MIP)与光电化学分析相结合的方法来实现高选择性检测的目的。Shi等131首次在TiOiNTs负载吡咯基聚合物作为增强光电层和MIP识别单元，以信号增加的方式实现了对2,4~D的灵敏检测。同一课题组的Chen等_和Lu等_分别利用类似的方法实现了对微囊藻毒素（Microcystin~LR)和双酣A的检测。于京华课题组134,135先后报道了利用聚邻苯二胺分子印迹膜修饰TiOiNTs构建光电化学传感器，并用于毒死啤(Chlorpyrifos)和林丹(Lindane)的特异性识别和检测。

在与DNA分析有关的检测中，比较常用的方法是基于Ru联吡啶配合物与双链DNA的嵌合作用。郭良宏课题组在这方面做了很多工作。如果先将Ru联吡啶配合物固定在电极表面作为光电活性中心,当溶液中加入未损伤的双链DNA时,双链DNA就会键合在电极表面,使光电流降低136;而当DNA受到损伤后,损伤的DNA会将Ru联吡啶配合物暴露出来，使光电流响应增强。另一方面，如果先将双链DNA固定在电极表面，当DNA以双链完整形式存在时，具有光电化学活性的Ru联吡啶配合物就可以嵌入到DNA双螺旋结构的凹槽中，会产生较大的光电流；当DNA受到损伤后，Ru联吡啶配合物就会从DNA中脱离出来，光电流降低。通过对比前后的光电流变化就可以对双链DNA损伤进行检测。随后，该课题组将Ru-联吡啶配合物与双链DNA的嵌合作用推广到了Hg2+6141、DNA8~oxodGuo损伤_和DNA甲基化损伤检测等方面。

除了外加物理光源为激发源的检测过程外，以化学发光（CL)作为激发源,并与光电化学检测结合起来的方法也有报道。张书圣课题组143报道了以异鲁米诺4^O2~Co2+化学发光体系为光源，通过间接法检测了癌细胞中的巯基化合物。Willner课题组144以Hemin/G四联体4^O2化学发光共振能量转移（CRET)体系为激发源，实现了对GOx酶活性和DNA的分析。

此外,为了提高光电化学检测的灵敏度,通过其他途径实现signals检测的策略也引起了人们的研究兴趣。张书圣课题组先后报道了基于aptamer与目标分子的识别反应间接signals检测癌细胞中的三磷酸腺苷（ATP)a45和基于溶菌酶与aptamer之间识别反应的反位阻效应signals检测溶菌酶146。类似地,Zhang等M先将可以与双酣A特异识别的aptamer固定在光电层上，当在体系中加入双酣A后，双酣A与aptamer的识别反应使aptamer脱离光电层，实现了signal~on检测双酣A。

5光电化学传感器的发展前景

目前光电化学传感器中光电活性材料选择主要集中在TiO2、ZnO、CdX(S、Se、Te)、Ru金属配合物、有机染料等。为了促进电荷分离和电子传递,构建多级电荷分离体系、光电材料电子传输介质复合等手段在光电化学体系的设计上得到了一些应用；在信号识别和传感模式上也有了多种实现方式。近年来，随着流动注射系统、微流控系统等的快速发展，将这些技术与光电化学分析结合起来，共同开发可用于多组分、多样品、高通量阵列检测系统逐渐引起了人们的关注。此外种廉价、可快速制备的纸基光电分析体系也引起了人们的研究兴趣。

第9篇：高分子材料在医学中的应用范文

关键词：化学；本科教学；生物化学；课程设计

随着科技发展的进步，科学观念的更新，知识的融合，学科之间的划分没以前那么明显，多学科之间的交叉和渗透的趋势越发的明显。生物化学是一门涉及知识范围广，理论性很强的学科，也是生命科学领域的重要基础学科，其理论和技术已渗透到非医学的很多重要领域。在生物学和化学联系日益紧密的今天，很多非医学院校的化学系专业没能开设生物化学课程，一定程度上限制了学生的认知和发展的空间，使很多学生毕业后的实际工作适应能力遇到严峻挑战，本文就非医学院校化学专业学生开设生物课程的必要性做一浅谈[1-2]。

1通过生物化学课程的学习，提高学生对化学专业的学习兴趣

生物化学的主要任务是研究生物的化学组成，探讨蛋白质、糖、脂肪三大生命元素的结构和其在生命过程中的各种化学变化，从分子水平解释生命科学的现象。从早期对生物大体组成的研究，进展到如今通过对分子结构的精细研究。目前，生物化学的研究方法学上主要依赖于分子生物学和化学。在化学方面，应用光谱技术分析生命物质的结构，同位素标记技术标记不同生物，同通过X射线衍射技术观察生命的组成，通过化学分离的技术对重要的生物分子进行分析来说明生物大分子特定的结构与功能的多样性的关系，通过对生物结构和功能的研究，揭示生物体物质代谢、能量转换、遗传信息传递、光合作用、神经传导、肌肉收缩、激素作用、免疫和细胞间通讯等生命的奥秘中的化学变化。使学生在化学专业基础上通过生物化学的课程，认识化学领域在生命科学中的重要性和应用，提高了学生学习化学专业知识的积极性和乐趣。

2通过生物化学课程的学习，拓展学生的知识系统

生命活动的本质就是生物分子在机体进行的一系列化学反应，从化学元素到分子物质的化学组成，再到生命活动进行的化学反应。生物化学课程中，学生能认识到的生物分子的不同化学组成会有特定的生理功能，C、N和O等元素的相同的组成成分但不同化学结构会有截然不同的生理效果。相同的化学基团与其他元素组成不同的生物分子，亦能显示出相同化学基团的功能，蛋白激酶通过磷酸化的化学反应才会有酶的活性，去磷酸化会功能沉默。由多羟基醛或多羟基酮及其衍生物组成的糖类物质，有些能直接提供能量，而有些通过糖原储存能量。同是脂类油性物质的脂肪，有的化学结构特点决定了其在特定环境下能够通过化学反应转变为糖类物质，有些化学结构使其具有存储、和保温的功能。学生通过生物化学课程的学习，不但认识到物质组成性质和结构的变化规律，亦能了解生命机体内物质的结构性质和变化对机体的意义，加深学生对结构与功能统一性和特殊性的认识，拓展学生的知识系统。通过生物化学课程的学习，启发化学专业学生对生命科学研究的思路。近年来逐渐兴起一门学科叫化学生物学，是通过化学的理论和方法研究生命的现象、生命过程的化学基础。以生物无机化学、生物分析化学、生物有机化学、生物化学、化学信息学、生物物理化学和仿生高分子材料为研究方向、发展方向，探索和调整生命机体过程的途径和机理，为新的化学药物的发现提供必要的理论证据，化学生物学使用小分子作为工具解决生物学的问题，正在由化学分子学、化学遗传学而且向化学基因组学的方向扩展，构成了现代生物学与遗传学的重要技术基础[1-3]。

3通过生物化学课程的学习，拓展化学生毕业后就业渠道

化学专业的学生毕业后很多都是从事农业、牧业、医疗、环保或食品营养等相关行业，这些行业不仅要求从业者有牢固的有机化学、无机化学等化学基础知识，还要求从业者掌握和懂得生物化学方面的知识。很多化学专业的科研工作者亦经常碰到与生物知识有关的化学问题，毕业后还得花费大量的精力和时间补充生物化学方面的知识。通过化学专业设置生物化学课程知识，培养厚基础、宽口径的化学专业毕业生，让学生在化学专业原有的基础上掌握基本的生物学知识，具有坚实的化学与生物学基础知识和较广泛的化学生物学交叉领域的知识，具有熟练的化学与相关生物学实验技能，创新意识强，综合素质高，能成为在化学生物学、化学、生命、医药、材料、化工、环保等相关领域从事教学、科研、技术开发及管理工作的复合型应用人才[2，4]。遗憾的是化学专业开设生物化学课程的难度和教材皆不尽如人意，生物化学是涉及知识范围广的学科，教材主要针对生物学或医学专业的学生，因此花费过多的篇幅介绍相关的基本化学知识，容易使化学专业学生失去学习的兴趣，而且教材生物学知识的起点较高，化学专业学生对体内代谢等缺乏系统的掌握和了解，导致化学专业学生出现知其然,不知其所以然的情况,这样的学习失去了生命科学的特色,学生的收获也会不大[1，6]。因此适合化学专业学生学习生物化学课程教学内容的构建显得很重要。

3.1教学形式和方法上要灵活

科学选择教学方法，巧妙灵活应用各种教学手段，开展讨论式、提问等互动式教学,启发学生的思维，激发学生课堂的主动性。利用生物信息学网站提供的一些类似于DNA复制、转录和翻译过程中的动画和蛋白及核酸等分子的三维结构的生物大分子物质图等方式,增强学生的感官认识和学习兴趣,提高学生学习的乐趣性。利用多媒体教学采用纲要信息图表法出示比原有知识更为简洁的纲要信号,以简化信息,提高学生认知的清晰度,唤起学生对旧知识的回忆,提高学生思维敏捷性。教学时通过一些具体的有代表性的例子让学生更容易接受，例如在讲糖代谢和三羧酸循环时联系我们日常的糖尿病患者，因其胰岛素不足或发生胰岛素抵抗，糖原转化功能受诉，导致血糖的升高，把复杂的知识生活化，不但能吸引学生的注意力，还能提高学生物的学习热情。

3.2教学内容上要适宜

生物化学教学内容上对化学专业已经学过的糖、蛋白质和脂类结构等内容上简单性回顾精讲适宜，不宜花很多篇幅和时间。增加生物学基础知识，如细胞结构，细胞器的功能等内容，让化学专业学生打好学生物化学的基础知识，提高学生的积极性。在机体生物转化和规律，分子结构与功能的关系等内容要循序渐进，让学生与原有化学专业的知识体系衔接，在突出生物性的前提下，将庞杂的知识点分成难、中、易三个等级，因人制宜，根据不同学生的学习和接受能力不同区别对待，使生物化学课程的教学内容能够适应药学专业学生的学习和接受能力。化学专业开设生物化学课程是知识交叉、学科渗透的科技时代要求，是培养具有创新意识、综合素质高的复合型化学人才的社会需求，是化学专业学生毕业后从事工作的迫切需求。但是，对化学专业学生开设生物化学课程的授课方法和讲授内容上还必须不断的研究，使这门课程的教学体系设计能够符合化学专业的实际还需要我们进一步探索。

参考文献

[1]聂俊琦.化学专业开设生物化学课程的教学初探[J].广东化工,2014(22):150,161.

[2]苏欣.浅谈高职院校生物化学精品课程建设[J].才智,2015(30):151.

[3]唐咏.谈基础生物化学教学的体会[J].高等农业教育,1992(4):44-45.