納米技術在生物醫學的應用精選(九篇)

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第1篇：納米技術在生物醫學的應用范文

關鍵詞：納米金；生物醫學技術；應用現狀；

1前言

如今納米技術隨著時代的發展已經得到了很大的發展，成為了科學研究的熱點，納米金是指直徑0.8~250mm的締合金溶膠，它屬于納米金屬材料中研究最早的種類，納米金具有良好的納米表面效應、量子效應以及宏觀量子隧道效應，它具有很多良好的化學特性，比如抗氧性和生物相容性。

2納米金在病原體檢測技術中的應用現狀

近些年來生物醫學界對于流行病學的研究和對病原微生物的診斷已有了不小的進展，傳統的分離、培養及生化反應逐漸被時代所淘汰，運用納米金的免疫標記技術作為新的高通量的、操作簡單的檢測技術被廣泛應用于臨床病原體的檢測，這種檢測技術快速且準確，十分適合在臨床上使用。1939年，兩位科學家Kausche和Ruska做了一個小小的納米金實驗，他們將煙草花病毒吸附在金顆粒上，并在電子顯微鏡下觀察，發現金離子呈高電子密度，就此打下了納米金在免疫電鏡中的應用基礎。從1939年后生物醫學技術不斷發展，納米金標記技術也廣受世人關注，成為了現代社會四大免疫標記技術之一。作為一種特殊標記技術，納米金在免疫檢測領域受到了廣泛的應用，使用納米金粒子做探針，觀察抗原抗體的特異性反應，放大檢測信號，由此檢測抗原的靈敏性。納米金技術具有良好的檢測靈敏性，在早期還支持診斷并監控了急性傳染性病毒，根據這一特性，秦紅設計了快速檢測黃熱病病毒的技術，在納米金顆粒上標記上金SPA-復合物的標志，通過免疫反應實驗我們發現病毒抗體與納米金顆粒結合，并形成了人眼可見的紅線。這種檢測方法的優點有：不需要器材、簡單、迅速、廉價、高效，極大地推動了黃熱病病毒檢測技術的更新，在黃熱病的防控事業上有著深遠意義。利用納米金作為免疫標記物來檢測的除了黃熱病病毒，還有致病寄生蟲。我國的民族種類多樣，一些少數民族人民由于自身的文化特點，喜食生食或半生食物，這就形成了寄生蟲病的傳播，我國經濟大發展后，人民的生活水平得到了提高，但還是喜食半生動物肉或者內臟，造成了食源性寄生蟲病發病率的上升，嚴重影響人民身體健康。目前我國的臨床診斷寄生蟲病技術包括三方面：病原學檢查、免疫學檢查以及影像學檢查。運用納米金檢測技術，不僅縮短了取材時間、縮小了取材范圍，而且檢出率高、創傷性小，受到了患者的廣泛歡迎。

3納米金在核酸、蛋白質檢測中的應用現狀

納米金粒子具有特殊的表面等離子體共振現象，被應用在核酸構建和分析檢測蛋白質領域中，可以把生物識別反映轉換為光學或電學信號，因此人們將其與DNA、RNA和氨基酸相結合，在檢測核酸和蛋白質方面收效頗豐，并且這種檢測方法制備簡單，同時還具有很多優點，比如良好的抗氧化性和生物相容性，下面具體講一下納米金檢測技術在核酸和蛋白質檢測中的應用。首先是在核酸檢測中的應用。美國首先利用納米金連接寡核苷酸制成探針檢測核酸，將納米金做標記與靶核酸結合形成超分子結構，由此來檢測核酸。利用納米金技術檢測特定病原體和遺傳疾病首先要做的就是檢測核酸的特定序列，在芯片點陣上整齊排列納米金顆粒，利用TaqDNA連接酶識別單堿基突變，等待連接后，就可以經過一系列步驟得出單堿基突變結果，得到所需信息。在臨床應用中使用納米金技術的表現有高靈敏檢測谷胱甘肽和半胱氨酸的新型電化學生物傳感器，這種機器對于谷胱甘肽和半胱氨酸的檢出限值更低，在檢測及預防糖尿病、艾滋病等疾病方面具有很大的臨床優勢。其次是在蛋白質檢測中的應用。納米金與蛋白質的作用方式非常多樣，有物理吸附方式、化學共價結合方式以及非共價特異性吸附等等方式，在此背景下，我們可以利用納米金檢測并治療疾病和檢測環境污染。

4納米金在生物傳感器制備中的應用現狀

目前納米金在生物傳感器檢測中的應用受到了人們的普遍關注，如上文所說，納米金具有特殊的表面等離子體共振現象，這是制備生物傳感器的基礎。利用這種特性，科學家們做了許多實驗，比如拉曼光譜試驗，使用Uv-Vis光譜和拉曼光譜儀測試金納米顆粒的表征，得出結論是可以根據納米金顆粒的不同形貌制作不同濃度分子的探針，受外周環境介電特性和顆粒尺寸大小的影響，納米金顆粒會表現出不同的形貌特征，比如吸收光譜、發生藍移。納米金是屬于一種非常微小的貴金屬，作為貴金屬，它具有很好的導電性能，利用納米金進行免疫檢測時會大量聚集納米金，從而增強反應體系的電導，順利通過電導檢測免疫反應。利用納米金的高檢測靈敏性可以進行電化學免疫傳感器的制備。

5其他領域的應用現狀

目前納米技術的研究中，納米金在生物醫學技術中的應用研究是重要研究課題，除了上文中說到的病原體檢測、核酸以及蛋白質檢測還有生物傳感器制備中的應用，納米金技術同時也被廣泛應用于腫瘤的診斷與治療、藥物載體以及CT成像。納米金具有特殊的組成結構，它可以輕易被修飾并負載化合物，可以用于檢測并治療腫瘤，還可以被用于肺癌的檢測及治療，目前的大量數據都表明納米金技術在診斷并治療肺癌上有極大的優勢。

6結語

第2篇：納米技術在生物醫學的應用范文

【關鍵詞】磁性納米藥物載體；系統構建；藥物遞送；療效

納米技術是上個世紀80年代被研發的一種高新技術，其由多門學科交叉而形成的，在各個領域均有所應用。磁性納米藥物也是由納米技術研制出來的，其具有磁學性能，在腫瘤的臨床治療上取得了可喜成果。該系統的構建旨在使改性材料實現智能化與特異性的目標，這在降低排斥反應出現的概率，藥物順利遞送提供了正能量，基于此本文展開論述。

一、藥物釋放載體系統的構建與生物評價學分析

智能納米材料主要包括傳感、處理、執行這三大基本性能。智能化磁性納米藥物載體系統構建過程中需要對很多因素進行綜合分析，而對智能納米材料的三大基本性質進行分析是基礎，例如執行功能能夠定時、定點和定量地實現體內生物功能。

藥物釋放載體系統作為智能化磁性納米藥物載體系統的一種類型，其在構建之時將疾病診斷、藥物裝載、靶向遞送和執行治療整合在一起，從而使該系統借助接枝診斷因子達到探測患者初始病癥的目標。在抗體/配體或其他靶向因子的協助下，實現對目標生物位置靶向運輸和精準定位的目標；借用生物體內包含的熒光物質達到對體內實時監測的目標；在聚乳酸、聚乙烯醇等聚合物的協助下，整個遞送系統與生物個體之間的相容性能被強化，在此過程中藥物的有效封裝不再是幻想；此外，該系統還可以將接枝所用的化學傳送給靶向因子或抗w。

該類型的智能化磁性納米藥物載體系統還能夠把藥物或治療基因強制性的封存在載體中，不僅僅能夠大幅度降低藥物對生物機體的毒性和副作用，也可以將特殊藥物或基因傳輸至機體靶細胞上，借助接枝其他功能型分子的途徑，使自體具備對光、電、磁、熱等刺激及時響應的功能，繼而在將外界刺激作用于病區上，此時智能化磁性納米藥物載體系統遞送的智能化藥物控釋載體能夠精確的感知外界刺激信號，最后將預先設置的功能選項執行出來，這樣藥物就可以依照預定方案實現控制性釋放的目標，最終對病患細胞實現治療的目的。

二、基于熱響應性金納米粒子智能藥物遞送系統的研究

在該智能化磁性納米藥物載體系統內，磁性納米顆粒主要作用被設定為定位與靶向，金納米粒子最大的功能就是成像。系統在構建之時利用高分子聚合物材料有效的將上述兩類納米粒子囊括在一個體系中，在此過程中使其具有載運藥物的功能，借此途徑去使該智能化系統有效應用磁信號把復合納米藥物載體輸送至病患細胞處。在金納米粒子成像功能的輔助下，從而達到對藥物顆粒運載情況實時監測的目標，具體是指粒子的轉運機制、作用部位和藥物濃度。最后在pH等外界特性刺激信號的支配下，促使高分子聚合物對藥物定點、定量釋放進行合理的降解，實現對病患根治的最終。該智能化磁性納米藥物載體體系作用于癌癥細胞，使其表現出弱酸性，從而促使聚合物解體快速將內部包含的藥物遞送出來。該智能化系統的構建能夠達到對癌變細胞智能化診斷和治療的目的，與此同時大幅度的提升藥劑遞送的精準性，此時藥物的利用效率顯著的提升也是必然的事實，并且能夠有效的減輕藥物毒副作用，可見基于熱響應性金納米粒子智能藥物遞送系統在臨床診斷與治療方面具有寬闊的應用空間。

Conner等人利用一種以近似紅外光為刺激信號的智能藥物載體，構建了熱響應性金納米粒子智能藥物遞送系統，該治療系統最大的特色在于利用金納米顆粒有效的處理了近紅外光的產熱效應。在對荷瘤小鼠實現進行光熱療法時，抗癌藥物有效的被釋放出來，同時在Ce6所產生的活性氧輔助下達到殺滅癌細胞的目標，取得的應用效果是極為可觀的。

三、關于介孔硅納米智能藥物遞送系統的研究

介孔硅納藥物遞送材料（MSN）憑借自體較高比表面積、孔徑結構的有序性、表面富含活性基團羥基（-OH）的性能，在研發降解新藥物載體上具有較高頻率的應用。介孔硅納米智能藥物遞送系統在生物醫學領域的應用，是基于介孔材料表面大批量被功能化修整基礎上的，這樣該智能化磁性納米藥物載體系統就能夠高效率的對各類外加刺激信號，以及對特質生理環境形成的效應進行精確而刺激性的回應。正因如此，MCM-41、MCM-48，、MCM-50等介孔硅結構在化學催化、分離吸附、藥物遞送控釋等眾多領域具有較高的應用潛力。

磁性-介孔硅復合結構的納米顆粒的構建，可以將抗癌藥物精確的傳送至腫瘤并發部位。該體系在構建之時，制備實心硅球是前提，繼而在堿腐蝕法的作用下雕刻出中空介孔硅，MnFe沉積的磁性表面層的構建，為磁性熱響應性控制釋放體系的完善奠定基礎，最后在外加磁場的輔助下，藥物載體向病灶位置遞送的目的得以實現。

四、結束語

在生物醫學領域，智能化磁性納米藥物載體系統具有廣闊的發展前景，其借助材料自體物理、化學、生物性質，實現智能靶向與精確定位的目標。當然，其特質性生物學用途為臨床疾患診斷與治療效果的提升注入了巨大的動力。也就是說，納米材料、生物醫學和信息技術有機整合，使生物材料在響應、藥物遞送和疾病診療等方面體現智能化特色，從而使患者少受病痛的折磨，為人類健康做出貢獻。

【參考文獻】

第3篇：納米技術在生物醫學的應用范文

【關鍵詞】 光電子技術 光醫學 光保健 學科現狀 發展趨勢

一 引言

生物醫學光學與光子學是光學或者說光子學現展的一個分支學科。由于光學與光子學是具有極強應用背景的學科，所以“生物醫學光子技術”這一多學科交叉的新興研究領域在20世紀末葉也隨之應運而生。

激光技術作為一項重大的科技成就，為研究生命科技和疾病的發生、發展開辟了新的途徑，為保健和臨床診療提供了嶄新的手段,推動人類科學技術進入新的發展階段。

可以把與光的產生、傳播、操縱、探測和利用有關的物理現象和技術包括在內的科學及工程籠統地簡稱為光學。用光學最廣的含義來概括各研究領域及其相關交叉分支時必然包括了激光和光電子技術。運用光學及其技術研究光與人體組織的相互作用問題可歸之于“組織光學”范疇。它是研究光輻射能量在生物組織體內的傳播規律以及有關組織光學特性的測量方法的一門新興交叉學科，是光醫學（光診斷和光治療）的理論基礎。經過40多年的發展，激光與光電子技術在人類的保健、醫療以及生命科學中產生了很大影響。

在醫學領域，光電子技術使各種新療法，包括從激光心臟手術到用光學圖像系統的關節內窺鏡進行微損膝關節修復等，成為可能或得以實現。目前，科學家們正致力于研究光學技術在非侵入式診斷和檢測上的應用，如乳腺癌的早期探查、糖尿病患者葡萄糖的“無針”監控等。激光在醫學上的最早應用雖然集中在治療方面，然而在80年代初期起便開始了光診斷技術的探索。指望無損害地獲得診斷信息是這些研究的驅動力之一，其中在物理學中高度發展的光譜技術有望在診斷醫學中得到應用。利用光纖把光傳輸到身體內部的能力，可以完成膀胱、結腸和肺等器官的檢查。隨著醫學診斷方法向無損化方向發展，利用光電子學技術對組織體進行鑒別和診斷，有可能更早期、更精確地診斷各種疾病。近年來，人們開始把這種診斷方法稱之為“光活檢”。

隨著現代醫學模式的轉變、健康概念的更新以及人民生活水平的提高，從20世紀80年代后期起，“激光美容術”在世界各地包括在我國各大城市逐漸地開展。保健美容是光電子技術應用越來越活躍的領域。激光技術應用于美容外科的起步較早，使得一些在美容整形外科很棘手的疾病，如太田痣、血管瘤等治療變得簡易有效。到20世紀末，人們又開發了一種稱為光子嫩膚術的新美容技術。它基于選擇性的光熱解作用，有效地改善肌膚的質地和彈性，達到美容的效果。之所以用激光或強脈沖光進行非消融性的嫩膚或治療越來越流行，是因為這類手術具有無損、不必住院、幾乎無副作用和無疼痛，從而使受術者容易接受的優點。

國家自然科學基金委員會先后二次在“光子學與光子技術”以及“生物醫學光學”優先資助領域戰略研究報告中分別指出：近年來生物醫學光學與光子學的迅猛興起，令人矚目，并因而引發出一門新興的學科－生物醫學光子學（Biomedophotonics）。研究報告選定了近期優先研究領域包括生物光子學、醫學光子學基礎研究、醫學臨床的光學診斷和激光醫學中的重要課題等諸方面。

福建師范大學在1974年成立了“醫用激光及其應用技術”研究組，以激光與光電子技術為基礎，圍繞激光醫學應用的核心技術開展研究與開發。至二十世紀九十年代，跟隨該領域的國際走向，轉入激光醫學技術的基礎理論研究工作，在國內率先開展了生物組織光學與光劑量學的研究。伴隨研究工作的深入開展，逐步形成了我們有特色的若干前沿研究方向，并于2005年獲準立項建設醫學光電科學與技術教育部重點實驗室。

二 國內外現狀

光學在生命科學中的應用，在經歷了一個緩慢的發展階段后，由于激光與新穎的光子技術的介入，進入了一個迅速發展的新階段。與光學有關的技術沖擊著人類健康領域，正在改變著藥物療法和常規手術的實施手段，并為醫療診斷提供了革命性的新方法。特別在近十多年來，與蓬勃的學術研究活動相對應，國際上出現了專門的研究性學術雜志，如：Laurin 出版公司于1991年發行了“Bio-Photonics”新雜志。美國光學學會重要的會刊之一“Applied Optics”也于1996年將其“Optical Technology”欄目擴充為“ Optical Technology and Biomedical Optics”，并定期出版有關生物醫學光學的論文專集。SPIE亦于1996年創辦了期刊Journal of Biomedical Optics，且聲譽日隆。到2004年，該刊的SCI影響因子已達3.541。當前，發達國家普遍對生物醫學光子學學科給予了高度重視。例如，在美國國家衛生研究院（NIH）新成立的國家生物醫學影像與生物工程研究所（NIBIB）中，生物醫學光子學也成為其主要資助的領域。近三年中，美國NIH已經召開過4次研討會，認為新的在體生物光子學方法可用于癌癥和其它疾病的早期檢測、診斷和治療。新一代的在體光學成像技術正處在從實驗室轉向癌癥臨床應用的重要時刻。在NIH的支持下，美國國家癌癥研究所（NCI）正在計劃5年投資1800萬美元，招標建立“在體光學成像和/或光譜技術轉化研究網絡（NTROI）”，其研究內容主要包括：光學成像對比度的產生機理、在體光學成像技術與方法、臨床監測、新光學成像方法的驗證、系統研制與集成等五個方面。2000年底，在美國NIBIB的首批支持項目中，光學成像方法約占30%。2000年7月，美國NIH投資2000萬美元，開展小動物成像方法項目（SAIRPs）研究，受到生命科學界的高度關注，其中光學成像方法是研究重點之一。美國國家科學基金會（NSF）在2000-2002年了4次關于生物醫學光子學研究（Biophotonics Partnership Initiative）的招標指南。“9.11”事件后，美國國防部啟動了“應激狀態下的認知活動”(Cognition under stress)項目，采用的研究方法就是光學成像技術。美國加州大學Davis分校于2002年10月宣布：未來10年內，將投資5200萬美元建立生物醫學光子學科學技術中心（The Center for Biophotonics Science and Technology），其中4000萬美元由NSF支持。在學術交流活動方面，國際光學界規模最大西部光子學會議（Photonics West）上，每年的四個大分會之一即是生物醫學光學會議（BiOS），論文均超過大會總數的三分之一，如，2003年關于BiOS的專題為19個，占整個會議的19/52=36.5%；2004年，IBOS會議專題為20個，占整個會議的20/55=36.4%。另外，每年還召開歐洲生物醫學光子學會議。除疾病早期診斷、生理參數監測外，在基因表達、蛋白質―蛋白質相互作用、新藥研發和藥效評價等研究中，特別是近年來的Science, Nature, PNAS等國際權威刊物發表的論文表明，光子學技術也正在發揮至關重要的作用。在某些領域，如眼科，光學和激光技術已成熟地應用于臨床實踐。激光還使治療腎結石和皮膚病的新療法得以實現，并以最小的無損或微損療法代替外科手術，如膝關節的修復。現在，用激光技術和光激勵的藥物相結合可治好某些癌癥。以光學診斷技術為基礎的流動血細胞測量儀可用于監測愛滋病患者體內的病毒攜帶量。還有一些光學技術正處于無損醫學應用的試驗階段，包括控制糖尿病所進行的無損血糖監測和乳腺癌的早期診斷等。光學技術還為生物學研究提供了新的手段，如人體內部造影、測量、分析和處理等。共焦激光掃描顯微鏡能將詳細的生物結構的三維圖象展現出來，在亞細胞層次監測化學組成和蛋白質相互作用空間和時間特征。以雙光子激發熒光技術為代表的非線性成像方法，不僅可以改善熒光成像方法的探測深度、降低對生物體的損傷，而且還開辟了在細胞內進行高度定位的光化學療法。近場技術將分辨率提高到衍射極限以上，可以探測細胞膜上生物分子的相互作用、離子通道等等。激光器已成為確定DNA化學結構排序系統的關鍵組成部分。光學在生物技術方面的其它應用還包括采用“DNA芯片”的高級復雜系統，和采用傳輸探針的簡單系統。激光鉗提供了一種在顯微鏡下方能看見的一種新奇的、前所未有的操作方法，能夠在生物環境中實現細胞或微觀粒子的操縱與控制，或在10-12m范圍內實現力學參數的測量。結合光子學和納米技術已經可以探測細胞機械活動，揭示細胞水平上隱秘的生命過程，利用納米器件甚至可以檢測和操縱原子和分子，這可以應用在細胞水平的醫學領域。高技術的進步，如：微芯片極大地加速了生物光子學的發展進程。集成電路、傳感器元件和相連電路的小型化、集成化促使在體和體外測量分子、組織和器官圖像成為可能。許多生物醫學光子學技術已經在臨床上應用于早期疾病監測或生理參量的測量，如血壓，血液化學，pH，溫度，或測量病理生物體或臨床上有重要意義的生化物種的存在與否。描述不同光譜特性（如熒光，散射，反射和光學相干成像）的各種光學概念出現在功能成像的重要領域。從大腦到竇體再到腹部，精確導位和追蹤，對于精確定位醫療儀器在三維手術空間的位置具有重要的作用。基于分子探針的光子技術可以識別發生疾病時產生的分子報警，將真正實現令人激動的、個人的、分子水平的醫學。

我國的研究基礎與條件雖然相對落后，研究投入不足，但生物醫學光子學是一門正在興起和不斷發展的學科，在這一新興交叉學科上國內外處于一個起跑線上。近年來，在國家自然科學基金委、省部委以及其它基金項目的資助下，我國在生物醫學光子學的研究中取得了很大的進展，尤其是2000年第152次主題為 “生物醫學光子學與醫學成像若干前沿問題”、第217次主題為“生物分子光子學”的香山會議后，有許多學校和科研單位開展了生物醫學光子學的研究工作，并初步建成了幾個具有代表性的、具有自己研究特色和明確科研方向的研究機構或實驗室，并在生物醫學光學成像（如OCT、光聲光譜成像、雙光子激發熒光成像、二次諧波成像、光學層析成像等）、組織光學理論及光子醫學診斷、分子光子學（包括成像與分析）、生物醫學光譜、X射線相襯成像、光學功能成像、認知光學成像、PDT光劑量學、高時空譜探測技術及儀器研究等方面取得了顯著的研究成果。發表了許多研究論文，申請了許多發明專利，有些已經獲得產業化。國家自然科學基金委員會生命科學部與信息科學部聯合發起并承辦的全國光子生物學與光子醫學學術研討會已經舉辦了六屆。這對我國生物醫學光子學學科的發展起到了積極的推動作用。在我國近年所召開的亞太地區光子學會議中，有關生物醫學光子學的內容已大幅增加，成為主要的研討專題。我國的生物醫學光子學研究和學術活動也方興未艾，呈現與國際同步的態勢。在基礎研究、應用基礎研究以及對新技術的掌握方面跟蹤國際先進水平，但國內科研經費的投入相對較小，科研隊伍規模不大，原創性的科研成果與國外有較大差距。和國外的發展水平相比，我國的生物醫學光子學發展還存在以下問題：

（1）盡管從事生物醫學光子學的科研單位很多，但取得突破性、創新性的研究成果很少，主要是由于我們的科研隊伍在組織、組成上還不合理，過于分散、開展的內容繁雜，難以將有限的資金投入到一些有利于國計民生的及上水平的研究方向上；另外許多單位的研究重復，缺乏合作，導致水平低下；

（2）和國外相比，研究經費無論在絕對值還是相對值上均投入十分不夠；

（3）缺乏研究成果產業化的引導機制。

三 醫學光電科學與技術（福建師范大學）教育部重點實驗室概況

“醫學光電科學與技術”教育部重點實驗室設立于福建師范大學物理與光電信息科技學院（激光與光電子技術研究所）內，作為本學科開展科研研究和實施建設與發展的一個基礎平臺。實驗室已有30年發展歷史，1973年成立福建師范學院物理系激光實驗室，1984年成為福建師范大學激光研究所實驗室，1995年為福建省首期211重點學科《應用光子學》學科實驗室，2003年5月26日經福建省科技廳批準成立“光子技術福建省重點實驗室”，2005年7月28日經教育部批準立項建設教育部重點實驗室。實驗室座落于福建師范大學長安山校園內。

30年多來，實驗室在生物組織光學、醫學光譜與光學成像技術、光診斷及光診療技術、信息技術光學及其生物醫學應用等四個主要方向上努力開拓，承擔并完成了數十項國家與省部重點、重大項目課題，取得一批代表我國本領域研究水平的科研成果，其中十五以來獲省部級科技進步一等獎1項，二等獎2項，三等獎2項，其它省級以上獎勵12項。在國內外重要刊物發表的論文以及被SCI、EI收錄的論文均超過100篇。

實驗室目前承擔著國家與省級重要課題50余項，科研經費超過2000萬元。其中國家自然科學基金項目11項，國家教育部、科技部、衛生部項目9項，福建省科技重大專項1項，其它省級重要項目近30項。

中科院半導體研究所原所長王啟明院士任重點實驗室學術委員會主任，副主任由黃尚廉院士和謝樹森教授擔任。另有九位國內外著名的激光、光電子與醫學學科交叉的院士、專家或資深教授擔任委員，其中海外委員兩人。他們規劃、指導并檢查本學科實驗室的建設與發展。

重點實驗室主要學術帶頭人、實驗室學術委員會常務副主任謝樹森教授是中國光學學會副理事長、福建省光學學會理事長、國家有突出貢獻的中青年專家、光學工程專業博導、全國勞動模范，是我國醫學光電科學與技術領域的學術帶頭人與開拓者。實驗室主任陳榮教授、副主任李暉教授均為國務院特殊津貼專家，實驗室常務副主任陳建新教授來自于北京大學的優秀博士后研究員。重點實驗室擁有穩定的可持續開展高水平科研的學術梯隊，其中的中青年學術帶頭人或學術骨干包括1位閩江學者特聘教授、1位福建師范大學特聘教授、3位國務院特殊津貼專家、2位全國優秀教師、2位福建省優秀教師和15位博士。

重點實驗室與國內外學術界建立了并保持著廣泛的聯系。重點實驗室已設立面向國內外的開放課題基金。已批準并實施來自浙江大學、廈門大學、上海光機所、西安交通大學、華南師范大學、天津醫科大學、上海市激光醫學研究中心等單位知名學者的開放課題。

重點實驗室已具備良好的科研軟硬件環境。現有面積近5000平方米，儀器設備原值2500多萬元。重點實驗室各項管理制度健全。

“醫學光電科學與技術”重點實驗室，在我國現代科學技術領域特色鮮明，在我國相關學科處于領頭地位，有較大影響。重點實驗室建設將有力促進福建省科技創新能力建設，促使福建師范大學迅速向高水平、有特色、開放型的綜合性大學邁進。同時，重點實驗室的建設與發展將有力促進我國醫學光電科學與相關學科的發展，為廣大民眾的身心健康，為海峽西岸的科技、社會與經濟發展做出重大貢獻。

四 發展趨勢和展望

光子學及其技術已廣泛應用或滲透到生物科學和醫學的諸多方面，被科學界所認同和重視。生物醫學光學已經成為國際光學學科重要發展方向之一。生物醫學光子學的發展，將為現代醫學和生命科學帶進嶄新的時代。本學科的發展將繼續體現了多學科交叉的特點，研究領域涉及到了生物學、醫學、和光學，還有化學等不同大學科的方方面面。技術開發與臨床應用研究的結合將越來越密切。一般認為，光學領域未來發展的重點是將各種復雜的光學系統和技術更加廣泛地應用于保健和醫療。當今世界中,與光子學有關的技術沖擊著人類對生命體的認知及人類健康領域。基于現代激光與光電子技術的生物醫學光子學技術將為生命科學研究帶來具有原始性創新的重要科研成果，并可望形成有重大社會影響和經濟效益的產業。

在醫學領域，光子學技術正在改變著藥物療法和常規手術的實施手段,并為醫療診斷提供了新方法。在某些領域,如眼科,光學和激光技術已成熟地應用于臨床實踐。激光還使治療腎結石和皮膚病的新療法得以實現,并以無損或微損療法代替外科手術,如膝關節的修復。現在,用激光技術和光激勵的藥物相結合可治好某些癌癥。以光學診斷技術為基礎的流動血細胞測量儀可用于監測愛滋病患者體內的病毒攜帶量。還有一些光學技術正處于無損醫學應用的試驗階段,包括控制糖尿病所進行的無損血糖監測和乳腺癌的早期診斷等。

在基礎研究方面，研究重點在于從細胞，甚至是亞細胞尺度層次揭示病變組織與正常組織之間的差異，為新技術開發以及應用提供理論依據。另一方面，研究光與人體組織之間的相互作用以及所產生的光化學、光熱和光機械效應。在技術的應用方面，研究重點轉向比較各種技術中光源（相干光源/非相干光源、波長、功率密度、偏振性、連續/脈沖光源、脈沖持續時間等）和個體差異（年齡、性別、臨床癥狀、發病史、發病時間等）對診斷或治療結果的影響，在確定各種技術臨床適應癥的同時，進一步實用化各種技術。此外，還在不斷開發新的實用于不同疾病的診斷、治療和監測技術。

值得關注的是，國外從事“生物醫學光學”領域研究的高校或研究機構中，來自大陸的中國學者的數量越來越多。這有助于使國內外的學術交流更加有效，并可以預期國內與國外在該領域的研究水平差距將不斷縮小。

今后若干年內醫學光電科技學科需關注的重大科學問題和優先研究領域如下：

（一）醫學光子學基礎

在組織光學方面，其中最主要的有光在組織體內傳播的特殊方式、組織光學性質的描述以及有關實驗技術的開發和完善等。組織光學是醫學光子技術的理論基礎。光在生物組織中的運動學（如光的傳播）問題和動力學（如光的探測）問題是研究的主要內容，目的是要研究生物組織的光學性質和確定某靶位單位面積上的光能流率。應優先解決測量技術和實驗精度的問題，利用近場光學顯微技術、光鑷技術測量活體組織的光學參量。在理論建模方面，建立生物組織中光的傳輸理論和數值模擬方法。具體開展的研究工作應包括：1）光在生物組織中傳輸理論：要用更復雜的理論來描述生物組織的光學性質以及光在其中的傳播行為。建立準確的組織光學模型，使之能反映生物組織空間結構及其尺寸分布情況、組織各個部分的散射與吸收特性以及折射率在一定條件下的變化情況；改造傳輸方程，使之適應新的條件，并能在某些情況下求出光在生物組織中傳輸的基本性質。2）光傳輸的蒙特卡羅模擬：繼續開發新的更為有效的算法以適應生物組織的多樣性和復雜性的要求。除了了解光在組織中的分布，還在探索從大量數字模擬中得到生物組織中光的宏觀分布與其光學性質基本參量之間的經驗關系。另外，發展非穩態的光傳輸的蒙特卡羅模擬方法也是一個重要的研究方向，從中可以獲得比穩態條件下更多的信息。

組織光學參數的測量方法和技術方面，尚未獲得人體各種組織的可靠實驗數據。發展和完善活體的無損檢測尤為重要。在這方面，時間分辨率與頻率分辨率的測量方法引人注目。

（二）醫學光子學光譜診斷技術

醫學光子學光譜（非成像）診斷技術實質上是利用從組織體反射、散射、發射出來的光，經過適當的放大、探測以及信號處理，來獲取組織內部的病變信息，從而達到診斷疾病的目的。

生物組織的自體熒光與藥物熒光光譜技術，內容涉及光敏劑的吸收譜、激發與發射熒光譜以及各種波長激光激發下正常組織與病變組織內源性熒光基團特征光譜等。現在人們所謂的特征熒光峰實際上只是卟啉分子的熒光峰。客觀和科學地判斷激光熒光光譜對腫瘤的診斷標準是十分必要的。目前，某些癌瘤的藥物熒光診斷已進入臨床試用，自體熒光的應用尚處于摸索之中。需要開展激光激發生物組織和細胞內物質的機理研究，探討激光誘發組織自體熒光與癌組織病理類型的相關性以及新型光敏劑的熒光譜、熒光產額和最佳激發波長等方面的研究，以期獲得極其穩定、可靠的特征數據，為診斷技術的發展提供科學依據。

近年來，拉曼光譜技術應用于醫學中已顯示出它在靈敏度、分辨率、無損傷等方面的優勢。應開發并完善重要醫學物質拉曼光譜數據庫，并使基于拉曼光譜分析的小型、高效、適用于體表與體內的醫用拉曼光譜儀和診斷儀將在醫學臨床獲得更廣泛的應用。

超快時間分辨光譜比穩態光譜在技術上更靈敏、更客觀和更具有選擇性。因此，將脈寬為ps、fs量級的超短激光脈沖光源用于醫學受到廣泛重視，其一，應發展超快時間分辨熒光光譜技術，用于測量生物組織及生物分子的熒光衰變時間，分析癌組織分子馳豫動力學性質等，為進一步研究自體熒光法診斷惡性腫瘤提供基礎數據；其二，應發展超快時間分辨漫反射（透射）光譜技術。以時域的角度測量組織的漫反射，從而間接確定組織的光學特征。這是一種全新的、適用于活體的、無損和實時的測量方法，為確知光與生物組織的相互作用，解決醫學光子學中基礎測量問題開辟一條新徑。

（三）醫學光子學成像診斷技術

發展出具有無輻射損傷、高分辨率、非侵入、實時、安全的光子學成像診斷技術，并具有經濟、小型、且能監測活體組織內部處于自然狀態化學成分等特點的醫療診斷設備。主要的醫學光子學成像診斷技術包括：

超快時間分辨成像技術：以超短脈沖激光作為光源，根據光脈沖在組織內傳播時的時間分辨特性，使用門控技術分離出漫反射脈沖中未被散射的所謂早期光，進行成像。正在研究的典型時間門有條紋照相機、克爾門、電子全息等。

散射成像技術：包括光子密度波散射層析成像、組織深度光譜測量以及復合成像等，利用紅外光源，光子密度波在生物組織中的穿透深度可達幾個毫米，在低散射的人腦組織中甚至可達30mm。

紅外熱成像：紅外熱成像是利用紅外探測器測量人體和動物的正常與病變組織的溫度差異來診斷病變及其位置，現已在醫學診斷中得到廣泛的應用，如乳腺腫瘤的診斷。

光學相干層析成像技術：一種非侵入式無損成像技術，并且可以與顯微鏡、手持探針、內窺鏡、醫用導管、腹腔鏡等相結合使用，從而具有廣闊的應用領域。而且，OCT能進行眾多功能成像，如分光鏡OCT、多普勒OCT、偏振OCT：也可以與眾多成像技術結合使用，如熒光、雙光子、二次諧波成像等技術。

熒光壽命成像：受超短光脈沖激發后，熒光團，包括自體熒光團如NADH、FAD等和外源熒光團，如有機熒光染料、熒光蛋白等，所發出熒光的壽命取決于熒光團的分子種類及其所處的微環境，如pH、離子濃度（如Ca2+、Na+等）、氧壓等，因此熒光壽命的測量和成像，有助于提供生物組織的功能信息。和內窺鏡結合，可用于胃癌、食道癌等疾病的早期診斷，是一種很有前途的具有高靈敏度、高特異性以及高診斷準確性的早期癌癥診斷方法。

光聲作用成像：利用超聲場在生物組織中的優良傳輸特性和激光在生物組織中的選擇性吸收特性,將超聲定位技術和光學高靈敏度檢測技術結合,以實現無損傷臨床醫學的結構和功能層析診斷。預期成像深度遠好于目前的光學成像方法,對于較厚生物組織成像及臨床應用特別具有吸引力,可為及早發現一些特殊病變提供一種無損、有效、高準確度的方法。

非線性光學成像：雙光子激發熒光顯微成像、二次諧波等成像技術由于具有三維高空間分辨率，對比度高、對生物組織的損傷小等優點，研究工作重點是擴展成像技術在生物醫學領域的應用范圍，重點解決研制小型化內窺型診斷設備所面臨的相關技術問題。

人體經絡的光學表征及其調控功能：已經用不少事實證明了經脈循行路線的現象，也初步顯示了人體體表沿十四經脈路線存在的紅外輻射軌跡。然而，至今未能用西醫的形態學或生理學方法證明它的存在，也不能明晰地闡明“經絡”的實質。可以利用已發展的生物醫學光子學諸多成像技術為工具，研究這個具有中國特色的中醫學中的重大問題。

4.醫用激光治療技術（激光醫學）

強激光治療：是當前激光醫學中最成熟和最重要的領域。隨著新型醫用激光器的不時出現，如：鈦激光、鉺激光、準分子激光等，強激光治療技術的臨床用途也逐漸增多，提出一些新的問題。關于這些新型激光器及新的工作方式對人體組織的作用特點的認識還相對不足，基本沒有適合國人組織特性的治療參數。為此需加強研究激光與生物組織間的作用關系，特別是在諸多有效療法中已獲得重要應用的激光與生物組織間的作用關系；研究不同激光參數（包括波長、功率密度、能量密度與運轉方式等）對不同生物組織、人體器官組織及病變組織的作用關系，取得系統的數據，同時也有必要加強新型激光器及新的工作方式的臨床適應證的研究。

低強度激光治療：非熱或低強度激光輻射可作為一種輔助治療手段，其作用機理尚不清楚。對弱激光治療機理的認識有待于整個基礎醫學的提高，如充分認識細胞基因表達與調控、細胞代謝的調控、免疫反應的調控等，同時還需研究不同弱激光劑量對這些調控的影響，這才能提高弱激光治療的針對性和療效。針對目前臨床上盲目夸大療效、照射劑量嚴重混亂的局面，建議重點扶持2-3個弱激光研究中心，集中財力與人力進行弱激光的細胞生物學效應研究；弱激光生物調節作用和細胞生物學現象（基因調控和細胞凋亡）的量效關系、弱激光鎮痛的分子生物學機制以及弱激光與細胞免疫（抗菌、抗毒素、抗病毒等）的關系及其機制。尋求弱激光生物刺激效應的可能機制與量效關系；規范臨床治療參數與操作等。

光動力學治療（PDT）是當前激光醫學中最具活力且發展迅速的領域。光動力療法具備了診斷和治療腫瘤、心腦血管病等人類重大疾病的潛力。光動力療法在鮮紅斑痣、老年性眼底黃斑病變、某些頑固性皮膚病、類風濕性關節炎等常規手段難以奏效的良性疾病的治療研究中取得一系列進展，并結合內鏡技術的發展等，其應用領域得到很大的延伸和擴展。這些都說明發展光動力療法具有重要的社會和經濟效益。應當重點資助PDT相關產品的國產化，扶持新一代國產光敏劑的開發及相應激光器的產業化，資助新一代光敏劑光動力學治療的機理研究。作用機理、光動力療法各要素對光動力學效應的影響、建立數學模型、新型光敏劑光動力學效應的研究，為開拓光動力療法新的應用領域取得系統的數據。

激光美容與光子嫩膚術：利用激光或強脈沖光照射皮膚后的選擇性光熱解效應，即靶組織（病灶）和正常組織對光的吸收率的差別，使激光在損傷靶組織的同時避免正常組織的損傷這一原則，達到去皺、去文身、脫毛和治療各種皮膚病或達到美容的效果。

五 結論

醫學光子學及其技術的學科發展，對生命科學有重要且積極的意義。在醫學領域，將為解決長期困擾人類的疑難頑疾如心血管疾病和癌癥的早期診治提供可能性，從而提高人類的生存價值和意義，其中的重大突破將起到類似X射線和CT技術在人類文明進步史上的重要推動作用，在知識經濟崛起的時代還可能產生和帶動一批高新技術產業。

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〔16〕 Hongqin Yan, Shusen Xie, Hui Li et al. Optical imaging method.

課題組成員：

1.謝樹森：教授、博士導師，中國光學學會副理事長，福建省光學學會理事長

2.李 暉：福建師范大學 醫學光電科學與技術教育部重點實驗室

3.陳 榮：福建師范大學 醫學光電科學與技術教育部重點實驗室

第4篇：納米技術在生物醫學的應用范文

復雜系統具有多極結構。西蒙（H.A.Simon）基于自然（和人工）進化的變異-選擇觀，解釋復雜系統的層級架構，即組成部分以自然的交互作用結合在一起，進而創造出各種集合。在這些集合中，穩定的集合“存活”了下來，而其他集合需要繼續進化。穩定的集合形成了“自然選擇的整體”，它們不把功能作為建筑模塊，而是結合到高階的集合中，然后再重復同樣的過程，從而形成了分級結構的復雜性。西蒙用這個模型想表明，突現的多級系統比復雜性的兩極系統的概率更大，即在兩極系統中，所有組成部分必須“井井有條”，否則在自然變異機制增加缺失的組件之前，集合將變得不穩定。在多極系統中，只需要少數成份“井井有條”就能形成穩定的模塊，這些模塊的一部分再次遞歸組合，形成更高級的模塊。很顯然，井井有條的成份越小，隨機組合的概率越大。然而，也有一些例外的情況，不分等級的復雜系統仍然可能。例如，大部分高分子化合物由簡單、線性的多分子兩極集合形成。自組織模型能解釋這種非模塊的、兩極系統的突現，這樣的過程通常有非線性、自催化機制的特征，不怎么穩定的集合增加了讓其他成份加入集合的可能性，從而使其變得更加穩定。正反饋的過程不需要模塊的中間層。突現的穩定結構就像“吸引子（attractor）”，能夠影響相鄰的結構，使它逐漸走向穩定的結構。顯然，西蒙的分級模型和自組織的“非線性”模型，只能描述突現的部分特征。真實的復雜系統，同樣有經過分級的多極層面，也有非線性的二級層面。然而，這樣的系統中不只包括整體的層級或非線性的組織，還有子組織和子系統。理解這樣的復雜性架構，需要說明在什么規則的作用下，新的系統結構從復雜性的層級中突現。

一、復雜性科學解釋突現的變異-選擇原則

描述生物進化的自然選擇理論，可以簡單地視作系統的進化。它探討的是系統的變異和環境給系統的“選擇壓力”，即系統的結構只有適應環境才得以維持。進化系統類似于問題解決者，通過嘗試（或變異）尋找問題的答案，只要系統的適應性不是最佳的，就需要解決問題。不穩定性越大，問題也越大，在獲得新的平衡之前，系統將發生變異。在自然選擇過程中，只能通過中間階段解決問題。與問題求解相比，進化不是最終的解決方案，當系統的進化過程改變了環境，它就無法以最佳的方式適應環境，需要進行重新適應。在進化過程中，每個過程的目標都是另外過程的子目標，以此類推，子目標就成為進化過程的重要特征，相當于穩定的突現系統。另外，進化一般是并行或分布式的，這樣的結構限定了系統與環境之間沒有絕對的區分。由此產生的后果是，自然選擇不再是環境的選擇。要規避這個問題，可以考慮把以并行方式進化的整個系統，看作整體化的系統。在這種情況下，自然選擇就是整體系統的變異產生的整體上穩定的配置。這樣一來，就用內在的選擇替換了外在的選擇，即內在結構只要穩定就能維持系統，不需要考慮它對外在環境的適應性。雖然，實踐中不存在絕對整體化的系統，每個實際的系統仍然包含內在選擇與外在選擇，但是我們可以通過更大的、更加整體化的系統，把外在選擇還原為內在選擇。適應性可以還原為一個子系統（初始系統）和另一個子系統（初始環境）之間的穩定關系。例如，影響植物自然選擇的外因是維持生存的二氧化碳的數量。這個因素可以看作“邊界條件”——對植物自組織過程的環境限定。從整體的視角來看，二氧化碳不是已知外在條件，而是其他系統（動物和細菌）適應環境的產物。這樣的系統取決于其他的選擇因素——植物產生的氧氣。由此，這樣的適應過程，可以視為整體化的生態通過內在的自組織，導致的對穩定循環的選擇，即二氧化碳轉化為氧氣又產生二氧化碳。我們還可以用內在選擇與外在選擇解釋變異。內在的變異是系統的內在部分變化的過程，如基因染色體中的突變。外在的變異是系統與環境之間關系的變化，如有性生殖中染色體的重組。總之，從外在視角觀察的事物，也可以用內在視角來看，反之亦然。這種解釋策略需要整合突現和自組織，強調自組織作為設計規則的作用。

二、人工生命解釋突現的變異-穩定原則

1.自組織繁衍是人工生命的基本屬性在第二次世界大戰期間，羅伯特•奧本海默、恩里科•費米、漢斯•貝特、理查德•費曼、尤金•維格納、馮•諾伊曼等科學家，在進行“曼哈頓計劃”的過程中，開始探討復雜性問題，使用計算機模擬復雜系統。馮•諾伊曼親自設計出計算機解決實際問題，研究細胞自動機和自我繁衍（self-reproduce）的機器。雖然在20世紀50年代早期，他就提出了形式化細胞自動機的設想，但數學家斯塔尼斯拉夫•烏拉姆，最早開展了設計存儲程序的計算機的相關實驗，探索遵循遞歸規則、具有二維和三維幾何特性的生長模式。因而，我們通常把烏拉姆看作人工生命研究的真正奠基者。復雜性是人工生命的核心概念。在烏拉姆的啟發下，馮•諾伊曼設計出第一個細胞自動機模型。他主要研究人工生命的繁衍過程，尋找非平凡的（non-trivial）自我繁衍所需的充分的邏輯條件。在他所描述的機器人的運動模型中，在水中的機器人通過組合全部構件來摹仿自身的浮動。馮•諾伊曼成功地說明了繁衍的方式，卻無法解釋機器人運動的原因。于是，他放棄基因層面的模擬，而是采用烏拉姆的方法，只從中提取自我繁衍的邏輯形式，即首先把自我繁衍描述為邏輯序列，再用通用圖林機進行自我繁衍的操作。馮•諾伊曼構想的二維的細胞自動機，帶有29種可能的狀態。當前的細胞與毗鄰的4個正交的細胞之間的規則轉換，產生出每個細胞的狀態。根據這種情況，他提出了4條非平凡解的自我繁衍的原則：第一，系統的自我描述不涉及自身。這條原則避免了執行自我描述時，無限的“回歸”。按照這條原則，自我描述可以是未解釋的系統模型，也可以是對系統的編碼。第二，系統只要有管理單元（supervisoryunit），就能執行任何計算。這條原則用于解釋繁衍過程中，自我描述的兩個方面。第三，系統只要有通用構造器（universalconstructor），就可以在細胞空間中構造已描述的對象。第四，通用構造器按照管理單元的指令，構造系統的新副本，自我繁衍包含系統的自我描述。[1]馮•諾伊曼用邏輯原則解釋生命的主要特征，而阿瑟•勃克斯則對電子離散變量自動計算機EDVAC進行邏輯設計。馮•諾伊曼從自然的自我繁衍中提取邏輯形式，自然成為了人工生命研究的先驅者。在20世紀70年代，約翰•康維基于細胞自動機改造烏拉姆和馮•諾伊曼的方法，設計出“生命游戲”，說明復雜世界如何從簡單規則中突現。在他看來，當前的細胞和相鄰的8個細胞使用兩種規則，是產生細胞狀態的原因。生命的規則很簡單。只要“活”細胞的數目為3，當前的細胞在下代細胞中“存活”；而“活”細胞的數目為0、1、4、5、6、7、8中的任意一個，當的前細胞就無法在下代細胞中存活。1965年，勃克斯的學生埃德加•科德簡化了馮•諾伊曼的細胞模型。1984年，勃克斯的另一個學生克里斯多夫•蘭頓，在科德的“周期性發射器”（periodicemitter）基礎上設計自我繁衍模式，證明了通用的構造能力不是自我繁衍的必要條件。他的自動機只有8種細胞狀態，這些細胞是細胞空間中繁衍的復制數據，也是依據轉換規則進行操作的指令。初始結構只需要151個時間步長就能成功地繁衍自身。另外，每個“回路”都以類似的方式繁衍自身，擴展“回路”的集群。這個實驗表明，細胞的動態過程的成分依據基因特征編碼，而動態過程是“計算”發展過程中遺傳表達的原因。從復雜系統科學的視角看，使用計算機模擬復雜系統，研究細胞自動機和自我繁衍的機器，實際上是一種人工生命的自組織繁衍研究，從這個意義上看，自組織繁衍是人工生命的基本屬性。

2.人工生命是突現的科學傳統科學的基礎是還原論的分析方法，按照這種方法，系統是由簡單部分組成的結構，任何事物都可以分解為更小的部分。但是，這種方法無法解釋復雜系統，由于復雜系統具有突現屬性，一旦分解系統就會喪失突現屬性。突現現象在科學中隨處可見，在寬泛的意義上，任何系統都有突現屬性。解釋這些科學現象需要新的研究框架，綜合方法恰好可以作為分解方法的補充。人工生命的綜合方法包含兩個方面：（1）提取生物體的邏輯規則；（2）用計算機實現這些規則。經過這兩個階段，就可以得到有類生命屬性的人工系統模型。這種研究方法有兩個基本的假設（：1）把生命看作物質的組織屬性。或者說，生命是形式屬性，而不是物質本身；（2）復雜的屬性從簡單過程的交互作用中突現。從形式上可以將人工生命劃分為平凡的（trivial）與非平凡的（non-trivial）兩種系統。[2]具體來說，第一種系統包含所有人工模擬的生物體；第二種系統包括數學模型、概念模型和物理模型。第二種系統還可以進一步分為三種類型：（1）用生物化學合成技術獲取物質系統的類生命特征；（2）是一種研究機器人的新方法；（3）虛擬的生命，即有突現屬性的計算機程序。這些形式的可能性取決于解決弱人工生命-強人工生命，或者說生命-身體的類比問題。[3]功能論者從人工生命的角度看自然生命。在解釋心理時，通常不考慮思維系統的物理細節，把生命屬性看作多重實現。然而，多重實現也有缺陷，只要減少實現的數量，功能論就會導向同一論；而生命的概念過于抽象，也會導致二元論或活力論。最好的方法是采用適度的功能主義。從方法論上來看，這些研究主要涉及這些方面[4]：（1）細胞自動機。主要研究復雜性的建模問題。細胞自動機實質上是一些具有離散狀態的細胞。細胞狀態根據轉換規則，經過離散時間產生變化。轉換規則把當前的細胞狀態與最親近的細胞狀態結合起來。多數情況下，所有的細胞使用平行和同步的迭代算法（iterationalgorithm），或使用隨機和非同步的迭代算法同時更新。自我繁衍是細胞自動機最重要的研究問題，涉及馮•諾依曼、蘭頓和沃爾弗拉姆（S.Wolfram）的研究。（2）人工胚胎學。主要研究生命系統從單細胞發展為完整組織的能力。這項研究的基礎是分形幾何，通過這個工具說明復雜的類生命形式如何從簡單的遞歸過程中突現，典型的研究有林登麥伊爾（A.Lindenmayer）與普魯辛凱維奇（P.Prusinkiewicz）的L系統、道金斯（R.Dawkins）的生物形態。（3）進化計算。主要研究自然選擇的進化規則的計算問題。這項研究中應用的主要是霍蘭德（J.Holland）的遺傳算法。遺傳算法用于解釋，如何從母體（parentpopulation）中生成適應環境的變體。通過使用遺傳算子生成變體，能夠解釋遺傳表型的基因特征的突變與互換。如果按照基因分類器（GeneticClassifiers）使用遺傳算法，還可以解決機器學習的問題。另外，使用遺傳編程，還可以解釋自我完善的計算機程序如何突現，即依據自然選擇編寫計算機程序。（4）自催化網絡。主要研究生命的可能起源與原始生命的進化模型。在這個網絡中，節點被看作特定的RNA序列，把弧定位為催化的交互作用。相關的研究有超循環理論。（5）計算的生命。主要研究計算機程序的設計。這項研究只展現類生命的行為，不模擬已有的生物有機體。盡管計算機的處理方式與自然生命的不同，它也有繁衍、與環境交互作用及進化的能力。如，Tierra程序以及計算機病毒。（6）集體智能。主要研究分布式人工智能和多主體系統。這項研究并不遵循自下而上的方式。典型的研究涉及蜂群網絡、蟻群算法以及進化神經網絡的實現。（7）進化的機器人。主要研究自主機器人的設計。例如，用有反應能力的分層體系結構設計機器昆蟲、小規模的機器人群體的集體行為、使用進化規則分析機器人的控制結構。（8）可發展的硬件設備。主要研究硬件進化的實現。這項研究涉及硬件的自我修復和自我繁衍、新傳感器的設計等。由于硅元素缺少某些用于進化的基本特征，要獲得自適應性，只有采用類似于FPGA（Field-ProgrammableGateArray）的技術，或是采用遺傳編程的方法。（9）納米技術。主要研究自然生命或新有機體相關的合成過程。費曼（R.Feynman）開創了這項研究，他在1959年主張在分子層面微縮和擴展工業制造能力，以此創造人工生命。（10）生物化學合成技術。主要研究RNA繁殖的體外實驗、原始人工生命形式、RNA鏈的合成和進化、自催化的反應以及滲透性的生長等。[5]這些研究都強調“突現”這個核心概念，即整體性的行為和結構通過各個組成部分的交互作用產生，但不作為組成部分的行為和組織的原因。在這個意義上，人工生命就是突現的科學。

3.從“變異-選擇原則”走向“變異-穩定原則”“我們可以用不同的尺度觀察系統，這些尺度就像是抽象的層級，只要知道系統的某個層次，就可以把系統想象為某個結構網絡，進而推導出下級層次。比較這兩個層次，低級層次的結構眾多，但類型很少，而高級層次的結構較復雜，類型也很多。所有的層次組合在一起構成了一個復雜性的層級。在這個抽象的模型中，可以把系統的結構理解為粒子、分子、生物體、信息、符號等。同一層次上的結構，通過與其它結構的連接獲得自己的屬性，它們之間的動態交互作用產生了新的動態結構。這些新結構，再以同樣的方式獲得新屬性。由此，我們可以在一個虛構的附屬層次上定義突現屬性，這樣一來，就可以把這些屬性還原為系統結構的局部組合，進而用更形式化的方式定義它。我們還可以用這樣的模型描述比較大的系統，如宇宙。”[6]把夸克、粒子、原子、分子、生物大分子、細胞、生物體看作不同層次中的元素，某個層次中的元素都可以通過組合構成上級層次中的新元素。這里面也有特殊的情況，如氦原子非常穩定，它沒有與其它原子的“鏈接”，而碳原子卻有四種“鏈接”。由于碳有較強的交互能力，它是每個大分子結構都不可或缺的元素，并成為生命的物質基礎。既然如此，在什么規則的作用下，新的系統結構從復雜性的層級中突現？“這樣的規則包含變異和穩定的系統過程。這些過程在所有層次上并行發生。在任何層次上，結構單元都有許多不同的配置。在產生熱力學變動的時候，確定的描述開始遠離平衡的過程。這些變動致使結構單元的配置發生隨機變異，而變異形成了許多瞬態的結構，它們與更高的組織層次相關聯。某些瞬態的結構之所以穩定，是因為它們適應了環境，并且它們的結構屬性就包含在穩定的過程中。這些新結構形成了新的復雜性層次。”[6]穩定的過程演變為四類相變的行為：一是固定和同質的狀態；二是簡單的周期結構；三是無序的周期結構；四是復雜結構。[7]蘭頓認為像生命系統這樣的復雜結構，應該維持在有序與無序的相變“臨界點”上，避免任何一種最終結果。

穩定過程的基礎是生物細胞的自組織，如自創生（autopoiesis）。在自創生的基礎之上，我們能以組織導向（organization-oriented）定義極小生命。在這種情況中，達爾文的“自然選擇”的變異-選擇原則，只是變異-穩定原則的特例。這兩個原則之間有兩個重要的差異（：1）穩定過程不是優化方案。自然選擇優化了生物的適應功能，使其在競爭資源中占據優勢，但結構穩定的過程，從整體上滿足環境的約束條件。例如，瓦雷拉等人提出的自然漂變命題（naturaldriftproposition）就是一個滿足過程，而不是優化過程。（2）所有層次在分級模型中交織在一起。環境由所有層次的所有結構組成。從局部到整體，再到局部的內在層次，這樣的反饋回路對生命至關重要。

三、匯聚技術的啟示：弱化自組織的作用

人工生命系統展示了生命開放式進化的發展方式，但Tierra世界中的數字進化卻不是開放式的，因為Tierra生物的復雜性低，進化的變化不多。對此，湯姆•雷（T.S.Ray）試圖擴大Tierra的環境來增加異質性。他發現Tierra生物通過互聯網，從一臺計算機遷移到另一臺計算機上，尋找未使用的資源及局部的生態位，從而進化為新細胞。在執行復雜的環境計算時，改良Tierra將增加預期的遺傳復雜性。然而，對于原始版本的Tierra來說，這樣的進化是有限的。按照希利斯（W.D.Hillis）的觀點，協同進化能推動進化性進步。協同進化的“演化軍備競賽”通過改變環境來推動進化。即使這樣，原始的Tierra與改良的Tierra都需要協同進化。發展開放式進化，需要對人工和自然的進化系統作定量比較。從貝多（M.A.Bedau）和帕卡德（N.H.Packard）的數據來看，存在不同性質的進化動態，未知的人工系統生成了生物圈所展現的進化動態。

總之，生命的進化不斷地創造出新的環境，而這些環境又賦予生命新的適應性。然而，目前用變異-穩定原則解釋復雜系統進化機制仍有局限。匯聚技術的出現為我們提供了新的視角，即把自組織看作是一個建構的過程。按照迪皮伊（J.P.Dupuy）的觀點，認知科學引導匯聚技術定位失控的程序。[8]自組織作為自發過程，也涉及控制問題。雖然自我復制的機器不會有真正的危險，但自組織是一個建構的過程。長期以來，自組織只是委托（delegation）人工任務的一個步驟，但在授權機器的邏輯運算之后，應該授權機器的自我建構。實現這個目標有三種自組織的策略：（1）混合化（Hybridization）的策略，即使用生命系統的建筑模塊（buildingblocks）制造設備和機器。（2）仿生（Biomimetics）的策略，即賦予人造物模仿的性能。（3）整合（Integration）的策略，這個策略是對前面兩種策略的綜合。這三個策略假設人造物與自然系統有某些相同的特征，可以用機器隱喻描述生命系統。但是這樣的隱喻操作有兩種不同的方式：（1）使用技術詞匯表，把生物體描述為機器；（2）把設備和機器描述為有機物。在20世紀70年代，法國哲學家康吉蘭（G.Canguilhem）就發現，生物與機器的類比總是用技術術語描述生物體。[9]現在的問題是，機器能否像人類那樣進入生活世界？第一種策略：機器的自組織以生物進化的選擇方式使用結構和設備，反過來可以把生物細胞視為分子機器（Molecularmachine），如分子生物學家把DNA、RNA、酶、蛋白質描述為納米機器，材料化學家建設分子發動機和分子轉子。生命系統也被看作分子的制成品。我們期望通過模仿自然，設計出維持生命的高性能結構，但是成功的概率很低，更可行的方式是設計自然提供的建筑模塊——蛋白質、細菌、微膠粒（micelles）或膠質。合成生物學通過應用工程學的方法，發展出混合的對稱策略：把生物過程分解為它的元素，基因片段被當作操作單元，把這些元素裝配為模塊。