高分子材料在醫學中的應用精選(九篇)

前言：一篇好文章的誕生，需要你不斷地搜集資料、整理思路，本站小編為你收集了豐富的高分子材料在醫學中的應用主題范文，僅供參考，歡迎閱讀并收藏。

第1篇：高分子材料在醫學中的應用范文

關鍵詞：交叉學科；本科教學；互動；創新思維；實踐認知

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）07-0143-03

現代社會科技進步日新月異，創新性的研究和產品不斷涌現，其中非常多的成果都來自于交叉學科的貢獻。一個已經被普遍接受的共識是：學科交叉點往往就是科學新的生長點、新的科學前沿，這里最有可能產生重大的科學突破，使科學發生革命性的變化；同時，交叉科學是綜合性、跨學科的產物，因而有利于解決人類面臨的重大復雜科學問題、社會問題和全球性問題[1]。所以，對于本科教學中的交叉學科課程的教學就提出了更高的要求，如要求教師縱覽多個學科的發展，從而能站在交叉學科的前沿來引領學生去認知和創新性思考；同時，也要求學生積極主動地去檢索相關資料，能互動地參與到整個課程教學的過程中來。只有這樣，交叉學科的本科教學才能獲得理想的教學效果，提高學生的科學敏銳力和培養學生的創新性思維。盡管教育界對交叉學科研究生階段創新型人才培養已有較多思考[2]，但是迄今為止對交叉學科的本科教學的交流還很少。

本文以四川大學高分子科學與工程學院開設的“生物高分子及制品”課程教學為例，從課堂教學的多個方面提出了對交叉學科的本科教學的思考和體會。

一、課程背景

“生物高分子及制品”是四川大學高分子科學與工程學院為大三學生開設的一門課程，任課教師均來自我院醫用高分子材料及人工器官系。醫用高分子材料專業建立于1978年，并分別于1986年和1992年獲得碩士、博士學位授予權，是我國最早的培養生物醫用高分子材料專業人才的基地之一。系內的教師在生物醫用高分子材料及人工器官的科研、教學方面有30多年的豐富經驗。本課程所使用教材主要為我系老師合力編寫的普通高等教育“十一五”國家級規劃教材《生物醫用高分子材料》[3]，并結合科研前沿做了豐富多樣的專題講解。目前一個年級有三個班平行授課，每個班的人數在70～90人。本門課程是典型的交叉學科產物，其內容涉及生物醫學、材料學（高分子材料）、工程設計、醫療器械等多個領域。教材的主要章節包括緒論、高分子材料和生物體的相互作用、生物醫用高分子材料的生物相容性和安全性評價、人工器官用高分子材料、醫療診斷用高分子材料、藥物緩控釋高分子材料、軟硬組織替代和組織工程用高分子材料、醫用高分子材料的設計。根據我院學生學術研究發展方向和工程應用發展方向并重的特點，在課堂講授的時候授課教師會盡量同時擴展到前沿的科研領域（如醫用高分子非病毒基因載體）和相關產業的應用環節（如生物醫用高分子材料制品的生產、消毒）等。考查方式以課堂討論、平時成績和期末筆試成績綜合打分。

二、互動式授課的幾點思考與體會

1.綜合多學科領域的講解方式。生物醫用高分子材料是功能高分子材料中重要的組成部分，是指在生物及醫學領域所使用的高分子材料。總體而言，本課程是兩個一級學科：材料學（其中的高分子材料）和生物醫學工程學（其中的生物材料）的交叉點。兩個學科的跨度很大，如何能生動形象地講解和引領學生思考至為關鍵。例如，在進行人工器官用高分子材料的講解時，我們通常會采取由淺入深的啟發式教學方法。首先，我們將人體器官做一個對應的抽象化的模型，其中包括腦—計算機、耳—聲音探測器、肺—氣體交換器、心—泵/液體輸送器、肝—化學工廠、腎—分離/凈化系統和血管—輸送管路等，以方便同學們從功能上理解人體器官并能針對性地對人工器官進行設計、思考。通過講解，同學們了解到研究人工器官并不能簡單考慮其與人體組織器官的類似，更重要的是能使其再現或部分再現人體器官的功能。舉例來說，在講到人工腎時，我們會先從醫學的角度講述腎臟的結構和功能，重點描述腎小球的濾過作用和腎小管的重吸收作用。其中，腎小球每天以125ml/min的濾過率處理約180L的血液，腎小管將濾過液中大部分的水、電解質、葡萄糖和其他小分子有用物質重新吸收入血液，而每天最終排尿量僅為2.0L。通過上述講解，同學們可以清楚地了解腎臟在人體中的主要功能，那么進一步的關于人工腎功能設計的講解也就順理成章了。人工腎是血液凈化技術中所使用的最重要的人工器官，再通過進一步關聯講解病理學的內容，我們可以使同學們了解到使用人工腎的血液凈化技術的目的和意義在于治療與血液相關的疾病，既包括腎臟方面的疾病如腎衰竭，也包括各種由于血漿成分發生病理改變而產生的血液性或免疫性疾病，如巨球蛋白血癥、系統性紅斑狼瘡、血友病和多發性骨髓瘤等。緊接著，針對不同的疾病和需要去除致病物質，我們很自然就將知識點轉到不同的血液凈化技術上來，分別講述血液透析、血液濾過和血液透析濾過三種人工腎技術。最終，三種不同的人工腎技術就引出了不同的生物醫用高分子材料和制品的需求和設計：通過對用于人工腎的各種生物醫用高分子材料的化學成分、物理性能的分析，以及對完成其制品的各種工程技術的描述和表征，使同學們融會貫通，掌握這個跨多學科交叉領域的知識點。再舉一個例子，在講組織工程用高分子材料章節時，由于這是一個非常前沿的跨生物學、醫學和材料學的交叉領域，如何有機結合多學科知識使同學們帶著興趣學習就非常關鍵。首先，我們會用“人耳鼠”等組織工程經典的圖片展開緒論，使同學們的目光一下子就被吸引住了，讓他們去思考：人類科技的進展真的有一天能實現更換人體的各個組織器官嗎？由于多個現實的案例擺了出來，他們就會意識到這是有可能并已經部分實現了的前沿科技。進而，我們就會用搭房子來做一個形象的比喻講解組織工程的三要素：細胞是磚塊，生長因子是建筑工人，而生物材料就是整個房屋的支架。而組織工程支架材料對生物相容性、生物降解性能的要求就使得生物醫用高分子成了其中的首選。在這樣的引領下，同學們的關注點自然就轉到了我們高分子學科與組織工程的關系，并能帶著興趣學習接下來的組織工程的原理和方法、軟骨組織工程支架材料、神經組織工程支架材料、血管組織工程支架材料、肌腱組織工程支架材料、皮膚組織工程支架材料、角膜組織工程材料、組織工程支架制品的制備方法等多個知識點。在講解的過程中，我們還會播放組織工程培養細胞、體外構建人工血管等錄像資料，讓同學們更直觀地認識生物醫用高分子材料在組織工程中的應用。

2.學生積極參與的教學互動形式。除了教師的有效引領作用外，學生能否積極參與教學過程的互動也是交叉學科本科教學能否成功的關鍵。對于本課程，我們主要采取了課外檢索學術資料做PPT報告和分組討論的形式。如前所述，我們將人體組織、器官分開并做了一個對應的抽象化的模型。對應于此，我們將學生分成了若干個小組，安排每個小組負責準備和主持一個主題的PPT報告和討論。我們會提前一周通知負責組的同學（通常為4～8人），事先與他們討論講述的主線和子方向，要求同學們分工合作，其中一些同學負責每人5分鐘的PPT講解，其他一些同學負責資料收集和整理工作。例如對肺的一個主題，通過一周的準備，同學們查閱了一定數量的文獻資料，準備了精美的PPT資料和講解內容：第一個同學做了呼吸系統和常見呼吸系統疾病的綜述；第二個同學的報告集中于描述現有的呼吸系統手術（尤其是肺部手術）中使用的大量生物醫用高分子材料和制品，例如包括呼吸道麻醉科導管、單肺通氣封堵導管等醫療器械；第三個同學從人工肺的研究角度出發，用較多的學術資料描述了該領域的研究前沿，進一步通過閱讀資料提出了現有研究的不足，并提出他們小組討論后對該領域的展望；最后一個同學結合工程實際，從生產設備、生產工藝等方面描述該領域醫用高分子制品的制備方法，并簡單提及國內外的主要生產企業。通過這樣的一個“準備—講述”的過程，該組同學系統地掌握了交叉學科從基本概念到學術研究，再到工業領域的諸多方面，并能邏輯清晰地講述給全班同學。在同學們的PPT講述過程中，任課教師會組織聽報告的同學們進行有益的討論。例如，在講解到有關生物醫用高分子材料和制品的生物相容性的時候，有做報告的同學會以隱形眼鏡為例講解，其制備原料主要是聚羥乙基甲基丙烯酸酯類材料。這時，我們會請有戴過隱形眼鏡的同學舉手，并組織討論：為什么隱形眼鏡有日拋、月拋和年拋的區別，它們對材料的要求有何不同？為什么夜晚要取下眼鏡進行清洗保養？作為使用者，自己戴隱形眼鏡會有什么樣的要求？通過這些問題的討論，同學們可以進一步了解作為交叉學科的產品，生物醫用高分子材料和制品不僅要在功能上滿足使用的醫學目的，還要求我們從材料學和工程學的角度去設計，才能獲得較為理想的使用性能。而且這樣的討論也容易引起同學們的興趣，避免過多過深的理論講解會導致的注意力分散。在整個PPT報告和討論的過程中，任課教師會針對同學們的資料準備情況、PPT講解情況和討論情況進行評價和打分，作為成績考核的重要標準之一。

3.創造條件結合實踐教學。交叉學科除了能在學術前沿激發出更多的創新性火花之外，往往還可以通過學科的交叉設計、生產出大量的實用的制品。本門課程針對的生物醫用高分子材料和制品就是典型例子，其所涉及的產業主要為醫療行業和醫療材料（器械）企業。因此，創造條件結合實踐進行教學就成了本門課程重要的組成部分。本門課程的授課教師大多與上述行業的企業有長年的產學研合作關系，已經完成或正在研發多項生物醫用高分子材料和制品的工作，因而具備較好的實際條件進行實踐教學。例如，任課教師與成都市的多家醫療器械生產企業建立了長期的科研關系，從而能將課程的認識實踐帶到其中的一些單位，包括人工腎的生產企業和醫療耗材（導管、輸液制品）企業等。通過實習參觀企業，以及在課堂上觀摩老師帶的各種生物醫用高分子材料和醫療器械，同學們對這門交叉學科涉及的產業有了更好的認識。另外，經常有高端的相關行業展會在成都舉行，例如2012年的第68屆中國國際醫療器械秋季博覽會在成都云集了國內外的多家企業。這種時候，任課教師就會及時公布展會時間，并鼓勵同學們去參觀，通過學習和對比國內外企業的產品，了解其設計理念和所使用的生物醫用高分子材料。展會結束之后，我們會和同學們在課堂上針對展會上的所見所想進行很多有益的討論，很好地幫助同學們更進一步地認識這門交叉學科的知識和產業。

4.結合教學內容邀請專業醫生講座的教學。結合課堂講授內容，我們會定期或不定期邀請一些醫生到課堂進行講座，如講授到血液透析時，我們會專門邀請四川大學華西醫院腎內科進行血液透析的醫生到課堂進行講座，從醫生的角度講述醫用高分子材料在血液透析制品方面的臨床應用。通過這些講座，使同學們更深刻了解醫用高分子材料及制品的實際應用，增加了學習的積極性和興趣。最后，由于交叉學科課程覆蓋的知識面非常廣，簡單地進行死記硬背的考試是不適宜的。經過商討，本課程的多位任課老師達成了一致的共識：平時的討論和報告占學生成績的很大一部分，期末考試以開卷方式進行，出題盡量是基于交叉學科的特點來綜合性地考查學生的邏輯思維、判斷和創新能力。通過八年多的教學實踐，我們發覺本課程的教學互動效果很好，也起到了很好的引領作用，有很多學生對這門交叉學科產生了濃厚的興趣，并相繼進入了生物醫用高分子材料和制品的科研或產業領域。

總而言之，交叉學科的獨特性決定了對其本科教學方法的靈活性、多樣性的要求。只有不斷解放思想、更新教學理念和完善教學手段，才能保證交叉學科教學的質量，才能更加有效地提高同學們的興趣和綜合能力，為更高階段的交叉學科創新性研究以及相關交叉學科的產業輸送人才。

參考文獻：

[1]路甬祥.學科交叉與交叉學科的意義[J].中國科學院院刊，2005，20（1）：58-60.

[2]吳宜燦.學科交叉與創新型人才培養的實踐與思考[J].中國科學院院刊，2009，24（5）：511-517.

[3]趙長生.生物醫用高分子材料[M].化學工業出版社，2009.

第2篇：高分子材料在醫學中的應用范文

1 高中化學新教材在價值定位上做的幾項重要改革

1.1 化學與能源。能源也是現代社會三大支柱產業之一。隨著人類經濟活動的日益增大，人們對能源的需求急劇增加。化學反應所釋放的能量是現代能量的主要來源之一，研究化學反應中能量的變化具有非常現實的意義。高中化學新教材首次在化學教學中滲透了能量觀點，如，在高一化學第一章里提出如何提高燃料的利用率，開發新能源等與社會相關的問題。在鹵素中新增了“海水資源及其綜合利用”，在幾種重要金屬中增加了“金屬的回收和資源保護”，在原電池一節介紹了“化學電源和新型電池”等。化學與能量、能源觀點的建立，不僅僅是為了教育學生節約能源，樹立環境保護意識，更側重培養學生創新意識和創新能力，增強社會進步責任感。尤其是在第二輪新教材改革中增加了一些開放性問題的研究，有利于培養學生的創新能力、實踐能力、團結協作能力等。

1.2 化學與環境。保護環境已成為當前和未來的一項全球性的重大課題。新教材中介紹了臭氧層的破壞、酸雨、溫室效應、光化學煙霧、白色垃圾、土壤以及水污染等環境污染問題及其防治。并將“居室中化學污染及防治”、“生活中常見污染物和防治污染”放在選學教材中。在治理這些環境污染問題中，化學已經并將繼續發揮重大作用，大幅度地增強了學生的社會環保責任感，增強了學習化學的興趣。與化學和能源一樣，化學與環境從可持續發展的角度來看，在化學教育中增強了化學與社會的聯系部分，因為環境科學是一門綜合性的學科，而環境化學是解決環境問題的“鑰匙”，環境教育與能源問題的提出對提高學生的創新意識和實踐能力，培養公民綜合素養有著重要的作用。這正是現代化學教育的藍圖規劃，現代化學教育價值觀的一種重要體現。

1.3 化學與生產、生活。人的衣食住行、醫療保健、生命科學等無一不和化學密切相關。高一化學新教材鹵素一章介紹了“碘與人體健康”，高二化學結合有機化學知識介紹了“食品添加劑與人體健康”，并以大量的彩圖形象地介紹了各類無機物和有機物的用途。高三化學在電解池教學中，常識性介紹了“以氯堿工業為基礎的化工生產”，結合生產實際以及其它相關學科知識探討“硫酸工業的綜合經濟效益”，樹立學生的主人翁意識，這是素質教育、創新教育的一種方式。但新教材中也有一些不足之處，如：與化學問題相關的其他學科的相互滲透介紹得較少，知識體系綜合化不夠，這不利于提高學生解決實際問題的能力和綜合素養。要充分地體現化學素養教育，還可以在有關教學內容后以常識介紹的形式將相關的其他學科知識做適當的講解，譬如，“膠體”內容后可結合空氣溶膠介紹物理學中有關空氣中可見光的波長，使學生明白“晴朗的天空為什么是藍色的”。但瑕不掩瑜，新教材較以往教材，價值定位有了很大進步。這是價值的相對真理性，它隨時空環境的改變而不斷更新。

2 化學教育價值實現的基本策略

2.1 主題型教學策略。“化學――人類進步的關鍵”是高中化學新課程的總主題，在整個高中化學教學過程中應該盡可能體現這一主題。如“糖類、蛋白質、油脂”可以“人類重要的營養物質”為主題；氮族元素結合生物圈中氮的循環以固氮為主題；硅和硅酸鹽工業、金屬和合成材料以材料為主題；化學反應與能量、原電池原理以開發新能源為主題；烴以石油化工為主題。主題型教學策略可以使學生認識到自己所學內容的社會價值及其實用性，有利于學生學習興趣的激發和保持。

2.2 用途聯系型策略。在元素化合物教學中應該將現代最新的有價值的有關元素化合物用途納入教學之中。如在學習NO的性質時，可聯系醫學新成就，介紹NO對人體某些疾病的治療作用，然后提出問題：為什么大量NO吸入人體有害，而少量的NO吸入卻能治療某些疾病？在學習有機高分子材料時，可聯系智能高分子材料、導點高分子材料、醫用高分子材料、可降解高分子材料、高吸水性高分子材料等；在鹵素學習時，可聯系海水化學資源的開發、利用和飲水與消毒化學；在硅和硅酸鹽學習時，可聯系新型無機高分子材料等。

2.3 情境滲透型策略。對某些與中學基礎知識有密切關系的新的應用型成果可采取情境滲透型策略。例如，進行晶體類型與性質學習時，可以將“晶體缺陷對晶體生長、晶體的力學性能、電學性能、磁學性能和光學性能等有重要影響，如許多過渡金屬氧化物中的價態可以變化并形成非整比化合物，從而使晶體具有特意色彩等光學性質，甚至具有半導性或超導性”作為情境，討論具有NaCl型結構的NiO晶體發生晶體缺陷形成的非整比化合物NiXO的結構特征等。

第3篇：高分子材料在醫學中的應用范文

1.1納米碳材料

納米碳材料主要包括碳納米管、氣相生長碳纖維也稱為納米碳纖維、類金剛石碳等。

碳納米管有獨特的孔狀結構［1］，利用這一結構特性，將藥物儲存在碳納米管中并通過一定的機制激發藥物的釋放，使可控藥物變為現實。此外，碳納米管還可用于復合材料的增強劑、電子探針（如觀察蛋白質結構的AFM探針等）或顯示針尖和場發射。納米碳纖維通常是以過渡金屬Fe、Co、Ni及其合金為催化劑，以低碳烴類化合物為碳源，氫氣為載體，在873K～1473K的溫度下生成，具有超常特性和良好的生物相溶性，在醫學領域中有廣泛的應用前景。類金剛石碳（簡稱DLC）是一種具有大量金剛石結構C—C鍵的碳氫聚合物，可以通過等離子體或離子束技術沉積在物體的表面形成納米結構的薄膜，具有優秀的生物相溶性，尤其是血液相溶性。資料報道，與其他材料相比，類金剛石碳表面對纖維蛋白原的吸附程度降低，對白蛋白的吸附增強，血管內膜增生減少，因而類金剛石碳薄膜在心血管臨床醫學方面有重要的應用價值。

1.2納米高分子材料

納米高分子材料，也稱高分子納米微粒或高分子超微粒，粒徑尺度在1nm～1000nm范圍。這種粒子具有膠體性、穩定性和優異的吸附性能，可用于藥物、基因傳遞和藥物控釋載體，以及免疫分析、介入性診療等方面。

1.3納米復合材料

目前，研究和開發無機—無機、有機—無機、有機—有機及生物活性—非生物活性的納米結構復合材料是獲得性能優異的新一代功能復合材料的新途徑，并逐步向智能化方向發展，在光、熱、磁、力、聲［2］等方面具有奇異的特性，因而在組織修復和移植等許多方面具有廣闊的應用前景。國外已制備出納米ZrO2增韌的氧化鋁復合材料，用這種材料制成的人工髖骨和膝蓋植入物的壽命可達30年之久［3］。研究表明，納米羥基磷灰石膠原材料也是一種構建組織工程骨較好的支架材料［4］。此外，納米羥基磷灰石粒子制成納米抗癌藥，還可殺死癌細胞，有效抑制腫瘤生長，而對正常細胞組織絲毫無損，這一研究成果引起國際的關注。北京醫科大學等權威機構通過生物學試驗證明，這種粒子可殺死人的肺癌、肝癌、食道癌等多種腫瘤細胞。

此外，在臨床醫學中，具有較高應用價值的還有納米陶瓷材料，微乳液等等。

2納米材料在生物醫學應用中的前景

2.1用納米材料進行細胞分離

利用納米復合體性能穩定，一般不與膠體溶液和生物溶液反應的特性進行細胞分離在醫療臨床診斷上有廣闊的應用前景。20世紀80年代后，人們便將納米SiO2包覆粒子均勻分散到含有多種細胞的聚乙烯吡咯烷酮膠體溶液中，使所需要的細胞很快分離出來。目前，生物芯片材料已成功運用于單細胞分離、基因突變分析、基因擴增與免疫分析（如在癌癥等臨床診斷中作為細胞內部信號的傳感器［5］）。倫敦的兒科醫院、挪威工科大學和美國噴氣推進研究所利用納米磁性粒子成功地進行了人體骨骼液中癌細胞的分離來治療病患者［6］。美國科學家正在研究用這種技術在腫瘤早期的血液中檢查癌細胞，實現癌癥的早期診斷和治療。

2.2用納米材料進行細胞內部染色

比利時的DeMey博士等人利用乙醚的黃磷飽和溶液、抗壞血酸或檸檬酸鈉把金從氯化金酸（HAuCl4）水溶液中還原出來形成金納米粒子，（粒徑的尺寸范圍是3nm～40nm），將金納米粒子與預先精制的抗體或單克隆抗體混合，利用不同抗體對細胞和骨骼內組織的敏感程度和親和力的差異，選擇抗體種類，制成多種金納米粒子—抗體復合物。借助復合粒子分別與細胞內各種器官和骨骼系統結合而形成的復合物，在白光或單色光照射下呈現某種特征顏色（如10nm的金粒子在光學顯微鏡下呈紅色），從而給各種組織“貼上”了不同顏色的標簽，為提高細胞內組織分辨率提供了各種急需的染色技術。

2.3納米材料在醫藥方面的應用

2.3.1納米粒子用作藥物載體

一般來說，血液中紅血球的大小為6000nm～9000nm，一般細菌的長度為2000nm～3000nm［7］，引起人體發病的病毒尺寸為80nm～100nm，而納米包覆體尺寸約30nm［8］，細胞尺寸更大，因而可利用納米微粒制成特殊藥物載體或新型抗體進行局部的定向治療等。專利和文獻資料的統計分析表明，作為藥物載體的材料主要有金屬納米顆粒、無機非金屬納米顆粒、生物降解性高分子納米顆粒和生物活性納米顆粒。

磁性納米顆粒作為藥物載體，在外磁場的引導下集中于病患部位，進行定位病變治療，利于提高藥效，減少副作用。如采用金納米顆粒制成金溶液，接上抗原或抗體，就能進行免疫學的間接凝聚實驗，用于快速診斷［9］。生物降解性高分子納米材料作為藥物載體還可以植入到人體的某些特定組織部位，如子宮、陰道、口（頰、舌、齒）、上下呼吸道（鼻、肺）、以及眼、耳等［10］。這種給藥方式避免了藥物直接被消化系統和肝臟分解而代謝掉，并防止藥物對全身的作用。如美國麻省理工學院的科學家已研制成以用生物降解性聚乳酸（PLA）制的微芯片為基礎，能長時間配選精確劑量藥物的藥物投送系統，并已被批準用于人體。近年來生物可降解性高分子納米粒子（NPs）在基因治療中的DNA載體以及半衰期較短的大分子藥物如蛋白質、多肽、基因等活性物質的口服釋放載體方面具有廣闊的應用前景。藥物納米載體技術將給惡性腫瘤、糖尿病和老年癡呆癥的治療帶來變革。

2.3.2納米抗菌藥及創傷敷料

Ag+可使細胞膜上蛋白失去活性從而殺死細菌，添加納米銀粒子制成的醫用敷料對諸如黃色葡萄球菌、大腸桿菌、綠濃桿菌等臨床常見的40余種外科感染細菌有較好抑制作用。

2.3.3智能—靶向藥物

在超臨界高壓下細胞會“變軟”，而納米生化材料微小易滲透，使醫藥家能改變細胞基因，因而納米生化材料最有前景的應用是基因藥物的開發。德國柏林醫療中心將鐵氧體納米粒子用葡萄糖分子包裹，在水中溶解后注入腫瘤部位，使癌細胞部位完全被磁場封閉，通電加熱時溫度達到47℃，慢慢殺死癌細胞。這種方法已在老鼠身上進行的實驗中獲得了初步成功［11］。美國密歇根大學正在研制一種僅20nm的微型智能炸彈，能夠通過識別癌細胞化學特征攻擊癌細胞，甚至可鉆入單個細胞內將它炸毀。

第4篇：高分子材料在醫學中的應用范文

【關鍵詞】絲膠蛋白；應用；組織工程；結構進展

蠶絲通過脫膠可以形成一種球狀的蛋白質結構，這種蛋白質結構對其進行分析，其主要成分便是我們常說的絲膠蛋白。一般蠶絲可以分為外層絲膠和內層絲素兩種不同的成分，絲膠一般都是包覆在絲素的，對絲素有著良好的保護和膠結作用，可以有效的防止因受到其他因素影響而造成絲纖維的損傷。因此對于絲織物而言，其在絲膠選擇與提取的時候，首先要對絲織物的染色、整序進行全面處理和分析從而提取無污染、純度高的絲膠蛋白。就目前社會發展中，絲膠的提取與制取已經從傳統的方向朝著非催化、膜過濾、高溫水解法和酶水解法等方向轉變。絲膠蛋白作為目前的一種新型微生物而受到人們的高度重視。絲膠蛋白還具備著生物相容性好的特性，是一種性能優良的生物材料和凝膠型材料，同時其還具備著藥物稀釋以及酶固化載體的性能，因此在社會各行業得到高度重視，尤其是在化妝品制造業、纖維制品和醫學領域，更是得到了前所未有的開發與發展。時至今日，絲膠材料的開發已經整合了多種學科領域，以期在日后的工作中能夠為其發展提供廣闊的應用前景。

一、組織工程概述

組織工程學是由多種學科相互交叉形成的邊緣性學科，組織工程的興起與建設為臨床醫療提供了發展基礎，也被人們稱之為再生醫學。目前我們常說的組織工程是以生物活性物質為基礎，通過各種技術方法和管理手段構建形成的一種綜合性物質模式，并對各種動植物器官和組織有著再造與修復技術。當前，組織工程已經涉及到多種學科，諸如生物學、工程學、材料學等，并且成為臨床治療工作中再造骨、軟骨等器官修復與再造的關鍵手段。

就目前社會發展而言，人體組織損傷、缺損都容易引起其功能，傳統的修復方法都是通過對自身組織進行移植、修復，這種方法雖然在一定程度上得到滿意的治療效果，但是它都是一種以犧牲自身健康為代價的方法，極容易引起人體其他器官出現損傷與破壞，甚至是造成并發癥的出現。就目前常見的人體器官功能衰竭現象分析，通常都是采用藥物治療以及短暫的替代療法，雖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，但是其工體器官的源極有限，因此極容易引起免疫出現問題，由此帶來的并發癥可以說是一種致命的。

二、絲膠蛋白概述

絲膠蛋白就其字面意思分析，其就是一種絲膠狀態的蛋白質，也被人們稱之為球類蛋白質，在蠶絲中，其約占蛋白質總量的三分之一左右，但蠶絲營繭的時候，其能夠發生粘合作用，從而構成氨基酸等物質，易溶于水中。就目前的蠶絲成分分析而言，其主要的組成成分為絲素與絲膠，其中絲膠主要存在于繭絲的，對于絲素發揮著重要的保護和膠結作用。一般情況下，絲膠都是由氨基酸和天門冬氨酸等多種天然材料構成，其有著良好的水溶性要求。由于制絲以及紡織工藝的高速發展，絲膠的研究也變得越來越深入。現階段的社會發展中，人們對于絲膠的研究逐步廣泛，也不再局限于傳統的天然蛋白質結構之中，是利用各種可再生和能利用資源進行全面分析，從而對其中的活性成分控制與分析[1]。

三、絲膠蛋白的提取與應用

1、提取

就目前社會發展而言，常見的絲膠提取主要可以分為兩種方法，其一是利用繭、廢絲等作為原材料，對其進行清洗和雜物處理之后在采用高溫水浴的方式來進行脫膠，然后再利用絲膠溶液來進行濃縮和干燥處理，從而制取固體粉末絲膠模式，在采用溫熱進行純堿浸漬和處理，在利用高溫脫膠，然后提取出需要的絲膠粉末和絲膠溶液[2]。

另一種途徑是通過對繭以及廢棄的絲進行水煮從而利用在廢液中提取絲膠溶液的方式來進行提取。繭或者相關的絲織物經過脫膠和高溫煮沸之后容易形成脫膠鹽類化合物，在利用放水沉淀的方式來提取。這種方法不但有效的提高了廢水中存在的膠質物，也有效的降低了廢水污染。

2、絲膠蛋白在組織工程學中的應用

2.1固定化酶載體

絲膠可用作固定化酶載體。相關工作人員在在研究固定化酶載體時發現，用絲膠膜作固定化酶載體，可使酶的抗熱性、抗電滲性、酶活性的穩定性明顯提高，但固定化酶的活性得率相對較低。巖元淳m1等將絲膠與問規聚乙烯醇混合制成膜（絲膠30%），再覆以聚乙烯醇，制得的混合膜機械性能優良，絲膠和酶的溶出量低，膜中的固定化酶能維持較長時間的活性.放置8個月時活性降低率不低于20%；也有工作人員經過研究發現為增加固定化酶載體的表面積，將絲膠及其與絲素的混合液分別經酶固定化后涂在無紡布表面，與相同處理的絲素比較，以絲膠和絲素混合的方法使固定化酶的活性能進一步提高。

2.2人工合成高分子材料的添加劑

絲膠可用作人工合成高分子材料的添加劑。絲膠由氨基酸組成，故能被微生物分解。將絲膠導入聚氨酯后發現，所得高分子不僅能被生物降解，而且能成為優異的地球環境保護材料，還能使聚氨酯的物理性能得到改良[3]。利用絲膠的吸濕性，以過硫酸鉀作引發劑，將絲膠（占20%一50%）與丙烯酸混合制得的高分子聚合體具有較強的吸水性能.吸水率（絲膠吸水后不溶凝膠的質量與吸水前絲膠粉末的比例）可高達104；如果將絲膠、丙烯酸和丙烯酰氨三者混合。不斷增強，這類新產品的銷量正在逐漸增長。

第5篇：高分子材料在醫學中的應用范文

關鍵詞：化學；教學情境；北京奧運

文章編號：1005－6629(2008)04－0036－03中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

教學情境是指知識在其中得以存在和應用的環境背景或活動背景[1]。真實的、適合學生實際和發展的教學情境能夠提供豐富的學習素材，同時在整個學習過程激發、推動、強化、維持、調整學生的情感活動、認知活動和實踐活動，有效促進學習。

隨著2008年的臨近，北京奧運的氣息已經傳遍了神州大地的每一個角落，中國人民正在通過自己的勤勞與智慧，努力承辦一屆以“綠色奧運、科技奧運、人文奧運”為理念的“有特色、高水平”的奧運盛會。北京奧會中蘊含著大量與化學學科知識密切相關的內容，是教師創設教學情境的新視點，化學教學中教師應該敏銳地關注和提取相關信息，創設具有基礎性、現實性、思想性、現代性和基于學生經驗的教學情境，引導學生有效學習。

1 綠色奧運中的化學

所謂“綠色奧運”就是指用保護環境、保護資源、保護生態平衡的可持續發展思想籌辦奧運會，廣泛開展環境保護的宣傳教育活動，促進北京和中國環保基礎設施的建設和生態環境的改善，倡導綠色健康的生活方式和消費方式。在這個理念中蘊含著豐富的“綠色化學”知識及情感態度價值觀教育的素材，基于“綠色奧運”背景創設教學情境，能有效地引導學生樹立環境意識，樹立綠色化學理念，形成正確的化學價值觀。

1.1北京奧運火炬體現“綠色奧運”理念

我國奧運火炬“祥云”設計師章駿曾介紹說，“祥云”長72厘米，重985克，除了適合各個火炬手使用、媒體拍攝及飽含科技含量外，“祥云”的設計還體現了“綠色奧運”的理念。“祥云”使用燃料為丙烷，這種燃料價格低廉，燃燒后只產生二氧化碳和水，不會對環境造成污染。除此之外，火炬外形的制作材料也都是可回收的環保材料。

2007年北京市中考化學的一道試題即以上述資料為素材設計，突出對化學核心知識與化學基本概念的考查：

為體現綠色奧運的理念，北京奧運會采用丙烷作為火炬燃料，丙烷燃燒時發出亮黃色火焰，反應生成水和二氧化碳，該反應的化學方程式為_____。

在教學中，以上述資料作為情景素材，創設教學情境，可以引導學生探討奧運火炬選擇丙烷作為燃料的意義，討論是否有更好的燃料可以選擇，繼而學習烷烴的相關性質，如燃燒后的產物和釋放的能量等，同時引導學生深入認識綠色化學的意義與價值。

1.2通過大氣污染防治創設情境

2006年12月25日北京市環保局網站上了題為“北京市民迎來第238個達標天 空氣質量目標實現”的一則消息：

“24日中午，市環保監測中心的數據顯示，當天北京市區空氣污染指數85，空氣質量為良。至此,今年我市市區空氣質量二級和好于二級的天數已達238天，今年市政府確定的在直接關系群眾生活方面擬辦的重要實事之一，即‘全年市區空氣質量二級和好于二級的天數達到65%’的目標實現了。同時，也標志著自1999年以來我市空氣質量連續8年得到改善。今年到目前為止的空氣質量達標天比1998年的100天增加了138天。”

這一令人振奮的消息，展示了北京市區空氣質量的大轉變，張顯著北京向“綠色奧運”邁進的信心與成效。

同樣，2007年北京市中考化學一道試題，也體現了奧運與環保的密切關系。

北京奧運會將有數以萬計的觀眾。針對觀看比賽時產生的垃圾，下列說法正確的是____。

①這些垃圾應隨身帶出賽場

②這些垃圾應送到垃圾焚燒發電廠，焚燒發電

③這些垃圾中的塑料制品不要丟棄，避免“白色污染”。

上述情景素材可引發什么是大氣污染、引起大氣污染的人為因素有哪些、什么是環境污染指數（API）、從化學的角度如何防治大氣污染、良好的大氣環境給運動員們帶來了哪些益處等學習任務，引導學生深入地學習。

1.3 通過污水處理創設情境

在北京申奧時，曾經對世界做出了這樣的承諾：2008年，北京中心城區污水處理率要達到90%，再生水回用率要達到50%。

北京奧運官方網站訊，為實現奧運承諾，北京市區建成9座污水處理廠和配套管網設施，城區日污水處理能力已達到291萬噸/日。2006年市區年處理污水近8億立方米，污水處理率達到90％以上，提前1年實現奧運承諾目標。北京市把再生水利用作為新水源加以開發利用。讓再生水成為農業灌溉、河湖景觀用水、工業冷卻等的主要水源。2006年全市利用再生水3.6億立方米，再生水用量達到全市年用水量的10％。今年利用中水可以達到4.8億立方米，占全市用水量的14%。實現再生水回用達到50%的承諾目標。2008年將利用再生水6億立方米。

高中化學選修課程《化學與生活》中的“化學與環境保護”主題，課程內容標準要求學習污水處理中主要的化學方法及其原理, 調查污水排放和處理情況，撰寫調查報告， 提出改進建議[2]， 教學中可利用上述素材創設情境，使學生真切地了解污水處理和再利用的重要意義，進一步引導學生從媒體與網絡中收集當地的污水排放與處理情況，形成調查報告，并提出切實可行的意見和建議。

2科技奧運中的化學

所謂“科技奧運”就是指緊密結合國內外科技最新進展，集成全國科技創新成果，舉辦一屆高科技含量的體育盛會；提高北京科技創新能力，推進高新技術成果的產業化和在人民生活中的廣泛應用，使北京奧運會成為展示新技術成果和創新實力的窗口。這一理念結合材料科學、生物化學、分析化學的相關知識，可以為學生創設具有時效性并且觸及化學科技前沿的教學情境，使學生切身感受化學在現代科技、現代體育中的應用，感受化學在社會發展和提高人們物質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

國家游泳中心又被稱為“水立方”（Water Cube）,位于北京奧林匹克公園內，是北京為2008年夏季奧運會修建的主游泳館，也是2008年北京奧運會標志性建筑物之一。2008年奧運會期間，國家游泳中心承擔游泳、跳水、花樣游泳、水球等比賽，賽后將建成為具有國際先進水平的、集游泳、運動、健身、休閑于一體的中心。

“水立方”的外形看上去就像一個藍色的水盒子，而墻面就像一團無規則的泡泡。這個泡泡所用的材料是“ETFE”。這種材料耐腐蝕性、保溫性俱佳，自清潔能力強。國外的抗老化試驗證明，它可以使用15至20年。猶如一個個“水泡泡”的ETFE膜具有較好抗壓性，厚度僅如同一張紙的ETFE膜構成的氣枕，甚至可以承受一輛汽車的重量。

ETFE的中文名為乙烯-四氟乙烯共聚物。ETFE既具有類似聚四氟乙烯的優良性能，又具有類似聚乙烯易加工的性能，還有耐溶劑和耐輻射的性能[3]。ETFE膜材的厚度通常小于0.20mm，是一種透明膜材。ETFE膜材常做成氣墊應用于膜結構中。最早的ETFE工程已有20余年的歷史，其中最著名的是英國的伊甸園。

在高中化學選修模塊《化學與技術》“高分子化合物與材料”、《有機化學基礎》“合成高分子材料”等課題的教學中，教師可應用上述情景素材，配合展示水立方的效果圖和實景圖，提供關于水立方的新聞采訪錄像等，創設教學情境，更好地學習高分子材料的特性及其價值，兩種聚合反應（加成聚合反應和縮合聚合反應），鼓勵并組織學生進行小組討論，舉例說明已知的高分子材料的成功應用實例，并共同展望高分子材料的應用前景。

2.2拒絕運動場上的化學幽靈――興奮劑

體育運動中的興奮劑是指國際體育組織規定的禁用物質和禁用方法的統稱。以前由國際奧委會醫學委員會，現在由世界反興奮劑機構每年公布一份禁用物質和禁用方法的清單，簡稱《禁用清單》[4]。體育運動中的“興奮劑”，不單指藥物，也包括禁用方法和其它生理物質，例如血液、尿液和含有違禁藥物成分的食品添加劑、營養補品、飲料等，只要這些生理物質以“非正常量或通過不正常途徑”攝入人體，也是興奮劑。再如用血液回輸以增強體內紅細胞值的方法、尿液輸入膀胱以逃避檢測的方法，都屬于使用興奮劑。在一些食品、飲品、補品中含有某種禁止使用的化學成分且超出限制量，也是興奮劑。目前國際奧林匹克運動委員會規定：“競技運動員使用任何形式的藥物和以非正常量或通過不正常途徑攝入生理物質,企圖以人為的或不正常的方式提高競技能力即被認為使用了興奮劑”[5]。

北京奧運官方網站訊，2007年11月12日，中國反興奮劑中心正式揭牌。中心面積約5500平方米，擁有目前世界上最大的興奮劑檢測實驗室。中心下設興奮劑檢查、教育信息等6個部門。該中心的工作人員中，除國內相關專業的專家和志愿者外，另有20名從國外興奮劑檢測機構聘請的專家。同世界其他三十幾個得到世界反興奮劑機構（WADA）認證的實驗室相比，中國反興奮劑中心的儀器是世界上最先進的。在奧運會期間，中心預計將進行4500例興奮劑檢查。同時，中國反興奮劑中心還承擔著反興奮劑的宣傳教育工作，發揚公平競爭的體育精神，并培養運動員和教練員的主動抵制興奮劑的意識。

這一情境的創設，有利于幫助學生樹立體育道德和公平競爭的意識，了解常用化學檢測方法及其應用。結合高中化學選修課程《實驗化學》中的《化學實驗基礎》，引導學生利用查閱的文獻資料，認識現代的化學分析手段和儀器，例如：紅外、色譜、原子吸收光譜、核磁共振等現代化學分析測試技術。

2.3“鳥巢”中的化學

“鳥巢”是2008年北京奧運會主體育場。由2001年普利茨克獎獲得者赫爾佐格（Herzog）、 德梅隆（De Meuron）與中國建筑師李興剛等合作完成的巨型體育場設計，形態如同孕育生命的“巢”，它更像一個搖籃，寄托著人類對未來的希望。“鳥巢”外形結構主要由巨大的門式鋼架組成，共有24根桁架柱，現已完成24根桁架柱整柱及2根下柱吊裝。國家體育場建筑頂面呈鞍形，長軸為332.3米，短軸為296.4米，最高點高度為68.5米，最低點高度為42.8米。

托起“鳥巢”最關鍵的“肩部”結構的，就是為“鳥巢”量身打造的“Q460”鋼材。Q460是一種低合金高強度鋼。Q代表鋼材的強度，460代表460兆帕。Q460就是鋼材受力強度達到460兆帕時才會發生塑性變形，這個強度要比一般鋼材大。“Q460”建筑可用鋼是中國科研人員經過三次技術“攻關”才研制出來的，它不僅在鋼材厚度和使用范圍都是前所未有的， 而且它具有良好的抗震性、抗低溫性、可焊性等特點[6]。“Q460”鋼材這一自主創新成果用于“鳥巢”的主體結構，是這種鋼材在國內建筑上的首次使用，而這次使用的鋼板厚度達110毫米，也是史無前例的，在國家標準中，“Q460”的最大厚度只是100毫米。

高中化學課程《化學 必修1》中的“常見無機物及其應用”主題的教學中，可運用上述情景素材引導學生認識金屬的通性以及合金的特性，初步了解各種鋼材的原料配比與相應的應用價值，幫助學生學會材料的基本分類方法。在選修模塊《化學與技術》“化學材料的制造和應用”主題中還可以引導學生推測“Q460”的基本成分，引發深層次的研究性學習。同時，上述素材也是引導學生認識我國現代材料研究和材料工業發展，認識新材料的發展方向，認識和欣賞化學對現代科技與社會發展重大貢獻的重要資料。

3 討論

運用上述情景素材創設教學情境，除了要體現情境作用的真實性與時效性，還應特別注意發揮好情境作用的全程性與發展性，激發學生學習的興趣，特別是繼續學習的愿望和潛能。在教學中教師除了要引導學生學習相關化學知識的外，還要根據情境的特點，發展學生的文獻檢索與分析、信息分類、數據分析、文字表達、討論與交流、總結與分析、解決問題等能力，引導學生樹立健康意識、公平意識、正確價值觀念等。

參考文獻：

[1]劉知新．化學教學論．[M] 北京：高等教育出版社，2004： 124．

[2]中華人民共和國教育部．普通高中化學課程標準（試驗）．[M] 北京：高等教育出版社，2006：16．

[3]李君，向陽．ETFE膜材在建筑中的應用．[J] 建筑創作，2004，（1）：128．

[4]郭啟華，錢春燕等．化學與申奧．[J] 化學教育，2001，（6）：5．

第6篇：高分子材料在醫學中的應用范文

一、高中化學問題的來源

1.教科書欄目設計中的化學問題

高中化學教科書的編寫是依據新課程教學改革綱要和高中化學新課程標準，著眼于提高學生的化學素養，培養學生利用所學的基本知識、基本原理解決生產、生活中的實際問題的能力。蘇教版化學教科書中設置了活動與探究、交流與討論、觀察與思考、問題解決、信息提示、拓展視野、練習與實踐等欄目，提供了豐富的問題化教學的素材。因此，教科書是化學問題的重要資源。

2.由練習轉化來的問題

練習不僅幫助學生鞏固知識，還要應用知識解決某些實際問題，在學生思考的過程中，往往會產生新的化學問題。

3.由教學目標轉化來的問題

在教學過程中，尤其是在復習階段，教師會根據教學目標來設計問題，不斷挖掘教材，將瑣碎的知識整合為符合學生實際的問題。

4.源于生活中的探究問題

化學與生產生活有著密切的聯系，學生會接觸到很多生活和生命健康有關的問題，教師在教學過程中注意聯系生活實際，幫助學生開拓視野，激活學生的探究欲望和思維，讓課堂靈動起來。

5.實驗中形成的化學問題

實驗教學在激發學生學習化學的興趣，培養學生動手能力、思維能力、探究能力等方面有著不可替代的作用。教師要加強對實驗方法和途徑的研究，改變那種“講實驗”、“背實驗”的現狀，讓學生在實踐中體會化學的奧秘。

6.激發興趣的問題

在傳統的教學中，化學知識與生活實際被認為分開，學生不能真正體會到學習的樂趣。“興趣是最好的老師”，學生對化學有興趣，自然會投入百分之百的熱情，這樣的課堂也才會有活力。

二、有效問題設計的原則

一個好的問題，能夠點燃一個學生的欲望；一個好的問題，能夠竄起一堂課；一個好的問題，能夠讓一節課升華。那么，什么樣的問題才是好問題？那就是問題的設計要有效，能夠引起學生的思考，能夠讓學生的思維動起來。

1.適度性原則

適度是指合適的難度、合理的梯度。問題的設計要考慮學生現有的認知水平和思維能力，使問題符合學生的“最近發展區”。如果提出的問題過于淺顯，學生信口拈來，就引起不了學生的興趣；而超前、過于深奧的問題，學生無法解決，難以體現思維的力度。也就是說，在“新舊知識結合點上”產生的問題，最能激發學生的認知沖突，最具有啟發性和思考性。因此，要盡量設計能夠讓學生“挑一挑”就能解決的問題，既能給學生以成功的喜悅，又能調動學生的思維。

2.精準性原則

精準是指教師設計的問題要有一定的精度和準度。有的教師設計的問題流于形式，問一些像“懂了嗎？還有什么問題”之類的無效問題，還有的教師只顧自己滔滔不絕的講授，而不注重學生的參與，學生勢必會產生厭倦，效果也不好。這就需要我們在課堂上要注意問題的精度，設計出適量且抓住重點、難點、關鍵點的問題，對于那些學生都懂的問題不要問，學生不懂得才問；一看就明白的不要問，有疑難的才問；“是不是”、“對不對”的盡量不問。問題不在于多，而在于是否有效，是否能真正調動學生的思維。同時，教師對設計的問題要準確，不能讓學生聽后云里霧里，不知道再問什么，問題本身不能犯科學性錯誤，要嚴密，學生才知道從什么角度來回答。

3.多維性原則

多維是指要注意問題設計的角度和廣度。問題的角度不同，激發學生思考的效果也不同。例如講解《乙醇》時，老師如果提出“乙醇為什么有香味呢”，學生會覺得問題太專業化，離自己太遠，不感興趣，如果轉換一下角度，提出“廚師在燒魚時都喜歡加酒去腥提香，你有什么看法？”這樣的問題把學生置身于真實的生活情境中，感受到化學與生活是如此的接近，能夠體會到學習化學的樂趣，自然愿意參與到學習討論中。

設計問題時還要思路廣、跨度大，不是以一個答案去束縛學生的思維，而是創造一個自主學習的時空與機會，發散學生的思維，設計具有一定角度、廣度，具有巨大的求異性和包容性問題，這種可以從多方面、多角度回答的問題，給學生留有更大的思考空間，有利于學生里或思維的培養。另外要注意所提的問題中，要多問些“你是怎么想的”、“你有什么新的看法”、“談談你的體會”等，這樣開放性強的問題，有利于學生發散思維，培養創新精神。

三、有效問題設計的策略

教師要選好問題設計的切入口，精心設計與學生學情相符合的問題，找準問題的作用點，這樣就能達成教學目標，激發學生興趣，提高課堂的實效。

1.著眼于情境創設，找準問題設計的“激發點”

“情境創設”是在化學教學中，教師通過精心的設計，把學生帶入到一個新奇的環境中，以全新的視角來審視周圍的事物，激發了學生的求知欲望和探究興趣，通過解“疑”排“障”，達到提升自身學科素養的目的。問題情境創設的途徑有：

①通過實驗創設問題情境

②通過學生的錯誤創設問題情境

③通過日常觀念和科學概念的矛盾創設問題情境

④通過“開放性”問題創設問題情境

⑤通過學生的自學閱讀創設問題情境

例如在學習《化學反應的限度》時就可以通過讓學生自主閱讀“科學史話――煉鐵高爐尾氣之謎”引入情境，然后提問“為什么高爐尾氣中CO的比例始終不改變？”引入此反應為可逆反應，便于學生理解可逆反應有限度。

在《化學能轉化為電能》一節引入時，我用到下面的漫畫素材：醫學史上有這樣一個案例，有一位女病人格林太太經常頭疼、失眠且心情煩躁，病因不詳。后來一位化學家幫她解決了問題。原來她有蛀牙史，曾換過一顆金牙，后來在一次車禍中又失去了與之相鄰的牙齒，換了一顆不銹鋼的假牙，病根原來就是這兩顆假牙。為什么這兩顆假牙會令格林太太經常頭疼、失眠且心情煩躁？這與化學又有什么關系呢？而格林太太的怪病又與我們今天所學的內容又有什么關系呢？要想解開這個迷團，我們有必要一起來學習這方面的知識。因此，創設適宜的問題情境可以豐富學習的內容，有利于激發學生的好奇心和興趣，有利于學生創新思維的發展。

2.著眼于學生的發展，找準問題設計的“延伸點”

教育的最終目的是為了學生的發展，而學生科學素養的發展是一個持續的過程，教師要有意識地提供拓展性的問題，將課堂延伸到課外，使課堂不僅是常規意義上的45分鐘，還可以前延和后延。

在微型課《吸水高分子材料》的教學中，在介紹完吸水性高分子材料的結構和特點，設計了一個問題“請學生利用課外時間對你所感興趣的某功能高分子材料作信息的收集、實物的研究等，寫出你的小報告”。這樣不僅把化學與生活聯系起來，鼓勵學生用化學的眼光看世界，同時將課堂延伸到了課外，進一步提升了學生的探究熱情。

3.著眼于“學案導學―小組合作”教學模式，找準問題設計的“生成點”

為了讓學生成為學習的主人，教師要更新觀念，改進教法，學生也要改變學法，在教學中做到師生合作、生生合作，同思考、共探究，大膽提問，這樣才能形成新型的師生關系，構建新的教學模式。“學案導學―小組合作”教學模式的一個重要特點就是課前的自學，導學問題顯得尤為重要，要求教師指導學生圍繞導學案進行自主學習，基本解決學案中的相關問題，完成導學練習，提出自主學習中的疑難問題。

第7篇：高分子材料在醫學中的應用范文

采用箔材(如紙等材料)的分層實體制造LOM(LanminatedObjectmanufacturing)方法,以事先涂有熱熔膠紙為基本構形材料,厚度0.125mm,在計算機控制下,自動將三維數字化模型分割成與紙張同樣厚的薄片(平面模型),用二氧化碳激光器逐層精確割出每層的輪廓形狀,再逐層熱壓粘接成型。在不需要切削加工和模具的情況下,數小時內即可快速形成任意復雜形狀的三維物體,成型件精度可達0.2mm,具有與硬木制品相當的硬度,稍作表面處理后可在200℃以下的環境中使用,如果用這種設備制作模具,完全可以用于醫學高分子材料(如醫用硅橡膠)件的模壓制作[2]。

1.1數字化信息的提取

從醫院的CT、核磁共振及光學掃描等設備中獲取患者的DICOM格式文件,并保存于硬盤中。傳統的邊界提取是通過掃描儀將得到的CT圖像掃入電腦,然后通過灰度信息識別其邊界,并用一系列的簡單曲線替代[1]。這樣做存在圖像配準誤差,在替代過程中又損失了部分邊界信息,降低了三維重建精度。所以,利用DICOMEDGE軟件將DICOM文件直接打開,根據CT域值和曲率域值選擇相應區域進行邊界提取,而后并根據邊界情況予以取舍,滿意后以文本格式將截面輪廓輸出。由于采用直接讀取DICOM文件的數字化信息,減少了中間轉化環節,從建構方式上提高了制件精度。

1.2數據篩選與匹配

由DICOM文件轉化后的IBL文件可以在Pro/E中打開,通過觀察分析可知存在如下問題:(1)由DICOM文件轉化后得到的數據點數量太多,而且匹配狀況差。(2)不同截面包含的封閉曲線數目不等。(3)在應該存在平滑過渡的地方,由于掃描間距的存在而由平面替代。這些問題直接導致三維重建模型的表面扭曲,甚至無法重構,為確保三維模型的建立,應對得到的圖形進行分析,按照平滑重構的原則分塊重構,通過找出各截面的型心,用扇掃與分段對應的方式保證重構過程中的表面平滑,根據不同數目封閉曲線構成情況將相鄰截面求交,得到新的截面后與相應截面重構,而對于因平面替代造成失真的地方,可在合適之處用1個較小的圓等分為與相鄰截面相同的等份,然后用起點對齊的方式處理,可得到建立三維CAD模型數據點,并以IBL格式保存該數據文件。

1.3曲線生成與三維重建

在Pro/E環境下,輸入處理后的IBL格式數據文件,即可得到若干條基準曲線,為了使生成的實體表面光順,用3次有理B-樣條對曲線進一步擬合和逼近,這樣就可獲得比較真實的用于構造三維實體的基準曲線。用Pro/E中的三維處理命令進行三維重建,得到較真實的三維實體模型塊,通過各個實體模型塊的組合,即可得到所需要的三維實體模型,通過旋轉與縮放,詳細觀察各模型塊之間的結合情況,也可采用一些平滑的方式使結合處更加光順。

1.4由CAD模型生成STL文件

由于人體的骨骼及外形各不相同,而且由復雜曲面構成,因此,Pro/E軟件在將其二維集合信息傳輸給快速成型系統制造前,必須對模型曲面進行近似處理,用一系列的小三角形平面片逼近自由曲面,經過近似處理的三維模型由Pro/Interface產生STL格式文件。之后,對三角化后的模型進行修補,因為原有Pro/E模型中可能有缺陷,或者CAD模型三角化形成STL文件過程中產生了數據誤差,導致曲線不封閉,故修改后將STL文件輸人到快速成型系統[1]。

1.5快速原型制造

在STL文件的三維模型上沿成型的高度方向,每隔一定的間隔自動提取截面輪廓線信息,逐層進行平面切片處理,根據切片處理得到平面截面輪廓,快速成型系統中的成型頭(激光頭或噴頭)在z-y平面內,自動按截面輪廓運動,切割紙得到一層截面輪廓,每層截面輪廓成形之后,快速成型系統將下一層材料送至已成型的輪廓面上,然后進行新一層截面輪廓材料的成型,從而將一層層截面輪廓重合在一起,最終形成三維產品[1]。利用Pro/E生成的三維實體模型,可對實體進行簡單的有限元分析(Pro/FEM),還可直接進行模具設計(Pro/Moldesign),通過模型生產模具[1]。

2結束語

快速成型制造技術的使用,為臨床醫學中長期困擾人們的“度身定作”問題的解決提供了較為有效的解決方法和制作手段,而以Pro/E和AutoCAD等為代表的三維造型軟件系統,為快速原型制造技術提供了強有力的模型設計工具。

(1)采用DICOM文件作為三維建模的輸入文件,為遠程治療提供了可能,同時在計算機上提供可視化的三維模型,為臨床診療和教學提供了可操作的工具,為不同層次的醫療人員提供了共同對話的參照物[1],有利于醫療人才的培養。

第8篇：高分子材料在醫學中的應用范文

光電化學是在電化學的基礎上發展起來的一個新學科,是研究光直接對電極或界面材料的影響以及伴隨的光能與電能和化學能轉化的學科。1839年，Becquerel首次在由兩個相同金屬電極和稀酸溶液構成的體系中觀察到電極在光照下產生電流的現象（即Becquerel效應）10。20世紀50年代中期，Brattain和Garrett12將半導體的光電化學性質與其電子結構特性結合起來，推動了光電化學相關學科的繁榮發展,并為現代光電化學奠定了基礎。進入60年代,DewaldH提出了半導體光電極產生光電勢的機理,進一步從理論層面對光電化學進行了闡述。1966年，Gerischer[4提出了半導體電極光分解理論,并首次系統研究了半導體/電解質溶液界面的電化學和光電化學行為；隨后Kolb等0對半導體/電解質溶液理論不斷豐富和發展，這些理論的闡明進一步為現代光電化學的發展奠定了理論基礎。自1972年Fujishima和Honda0發現可以利用TiO2作為光陽極在紫外光照射下催化水的分解以來，光電化學特別是半導體光電化學領域的研究開始得到廣泛關注。近年來，隨著對半導體新型電極和電解質溶液體系在光照下的電化學行為和光電轉換規律研究的深入，固體物理中一些概念、理論的引入與交叉，以及當前能源、環境、分析等學科領域的不斷需求，光電化學方面的研究已廣泛深入和應用到了光電催化CO:還原、光電化學太陽能電池、光電化學分解水、光電化學分析等領域,并呈現出蓬勃發展的趨勢。

光電化學包括光電轉化和電化學兩個過程。其中光電轉換過程,是具有光電化學活性的物質吸收光子而處于激發態，所產生的載流子通過與一些分子發生電子交換而產生電荷分離和電荷傳遞，形成光電壓或光電流，實現光能向電能轉化的過程，這是光電化學的核心過程?。另一方面，電化學過程又包括電子傳遞和界面反應兩個過程。實現分離的電子和可分別向基底電極表面和電極材料與電解質溶液的界面轉移,并在溶液界面處發生氧化還原反應，實現能量轉換,形成光電流或光電壓。

具有光電化學活性的材料通過光電化學過程產生光電響應的機理主要有以下兩種：（1)當在周圍電解質溶液中存在還原性物種時,處于激發態的光電活性物質可以被還原至基態，從而使光電化學過程持續循環進行,進而產生持續光電流；(2)當電子供體或受體作為猝滅分子存在時,在激發態分子與猝滅分子之間會發生電子轉移（ET),進而發生氧化還原反應或電極表面電子轉出，形成光電流,并使光電材料恢復至基態參與下一次光電響應M。以半導體材料為例,在外界光照、溫度、電場、磁場等的作用下,半導體材料價帶和導帶上的電子態會發生一定的變化而表現出較為敏感的響應，并具體表現為光電、熱電、光致發光、電致發光等現象和效應。在半導體材料受到光輻射激發時,光子能量大于禁帶寬度時,價帶電子就會吸收光子能量而被激發至導帶上,而在價帶上留有,產生載流子(即電子）。載流子中的電子和可以發生復合并將能量以其他形式釋放,如果在一定的條件下發生分離,繼而會產生光電壓或光電流，實現光能與電能的轉化M。如圖1所示，當半導體的能帶位置與電極的能級匹配時，導帶位置上的電子可以轉移至電極表面，同時產生的被電子供體捕獲完成電極反應,形成陽極光電流;如果導帶電子轉移至電解質溶液界面處,并與溶液中的電子受體反應,電極表面的電子就會轉移至半導體的價帶并捕獲,形成陰極光電流。因此，光電化學過程不僅伴隨著能量轉換，同時還伴隨著電荷分離、電子傳遞、能量轉移、界面反應等過程。光電化學過程的進行直接關系到光電轉換效率、光電化學反應動力學及其應用。另外,光電化學過程的實現不僅與激發光的波長和強度有關,而且與光電材料的類型、性能有著直接且緊密的關系,光電材料本身的光電化學性質、制備方法、復合效果、形貌控制、電荷傳導速率等對于光電化學過程的順利實現有重要影響。

2光電化學傳感器概述

隨著分析科學的不斷發展,新的分析方法不斷涌現。自20世紀60年代光電化學過程闡明到21世紀初，光電化學分析方法作為一種新的分析方法開始出現并不斷快速發展。光電化學分析是在光照射下基于被分析物、光電材料和電極三者之間電荷轉移發展起來的一種分析檢測技術14。光電化學分析的基本原理是基于光電化學過程。在電化學(電子傳遞和界面反應）和光電轉換（能量轉換）兩個過程的基礎上，利用被分析物對傳感識別過程(界面識別或反應）的影響所產生的光電流或光電壓的變化,建立起光電響應變化與被分析物之間的定量關系,從而構建出用于生物、環境等方面分析的光電化學傳感器。

光電化學傳感器主要分為電位型和電流型兩種。其中電位型光電化學傳感器主要是指光尋址電位傳感器（LAPS)。目前研究較多的是電流型光電化學傳感器，它是利用被測物質與激發態的光電材料之間發生電子傳遞而引起光電材料的光電流變化進行測定或根據待測物質本身的光電流對其進行定量分析。

光電化學傳感器將傳統的電化學傳感器和光電化學結合起來，同時具有電化學和光化學傳感器的優點。一方面，該檢測方法與目前已經建立起來的電化學發光（ECL)方法在過程上正好相反,ECL采用電作為激發信號,檢測的是光信號;而光電化學分析使用光作為激發信號,檢測的是電信號,通過采用不同形式的能量作為激發信號和檢測信號,使激發和檢測信號互不干擾，因而背景信號較低，可獲得較高的靈敏度;另一方面，由于采用電化學檢測，因而具有設備簡單、價廉，易于微型化的優點。

光電化學傳感器以其獨特的優點，在分析中有著廣泛的潛在應用價值。光電化學分析通過與納米材料的制備、免疫分析體系的構建、生物功能分子的應用等方面的結合，進一步拓寬了其應用范圍。目前,光電化學傳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、酶傳感分析、免疫分析B6^、細胞相關分析、環境分析（如溶解氧、化學需氧量、有機污染物、重金屬離子、有機磷農藥、植物調節劑等)領域有著較為廣闊的研究。

3光電化學傳感器的材料選擇與設計

從光電化學傳感器的發展過程及其基本原理來看,光電化學傳感器在功能結構上分為光電轉換單元和傳感識別單元兩部分，其中前者主要在于選擇具有較好光電化學活性和穩定性的光電活性物種來構建光電轉換層，后者主要在于通過不同的分析傳感策略來實現對目標物的檢測。因此，光電化學傳感器的構建主要從光電材料的選擇修飾和傳感信號產生模式兩個方面來考慮和設計。

近十年來，隨著光電化學傳感器研究的不斷增多，可用于光電化學分析的光電活性物種也得到了廣泛關注。最近,有多篇綜述對應用在光電傳感器中的不同光電活性物種進行了總結6,5455。可用于光電轉換層的材料主要包括有機光電分子、導電高分子、無機半導體及其復合材料等。

3.1有機光電分子

有機光電分子是相對于有機高分子聚合物來說的，主要是指在光照激發下能夠發生電子從最高占據軌道（HOMO)到最低空軌道（LUMO)躍遷產生相應激發態和電荷轉移的有機分子。該類分子的典型代表主要包括卟啉類、酞菁類、偶氮染料、蒽醌類以及有機金屬配合物類等。其中有機金屬配合物是有機光電分子中重要的一類，主要是利用具有較大離域電子體系的配體與某些金屬離子構成的具有光電化學活性的一類物質。目前研究和應用比較多的是金屬釕的一些配合物。Weber等53提出了使用釕-聯吡啶作為光電化學信號標記物并給出了其光電化學轉化過程。Ru(n)配合物受到光激發后形成活化的Ru(n)*,Ru(n)*失去電子變為Ru(m),然后Ru(m)被電子供體還原為Ru(n)。Dong等制備了釕聯吡啶衍生物,并將其作為光電化學信號發生分子修飾到SnO2納米半導體電極上,第一次通過光電化學法定量測定了生物素親和素的識別作用。Gao等在ITO表面修飾具有較好穩定性和光響應的核酸加合物（PIND-Ru^PIND),通過ITO表面的核苷酸與目標核酸雜交，第一次用光電化學方法實現核苷酸檢測。

有機光電分子一般具有較大的離域電子體系，對可見光有較強的吸收能力，并具有較強的電子注入和電子轉移能力等B9’6a。另外,對于有機光電分子，可以根據需要直接合成或進行基團修飾，具有很好的可修飾性。Ikela等合成了一種有機光電材料--5,10,15,20四（4吡啶基)卟啉,并將其沉積在ITO電極上做成傳感器，通過光電流的降低可重復檢測核苷酸,其檢測濃度達到^M級。Yamada等62以蒽醌（AQ)作為光敏劑制備出了蒽醌寡聚核苷酸復合物,并結合轉移產生光電流的方法，實現了對DNA胞嘧啶甲基化的光電檢測。Pandey等63報道了流動注射分析體系（FIA),選用具有光電化學活性的9,10肩醌衍生物作為信號發生分子,利用激發態蒽醌分子與電子供體（葡萄糖）反應產生的光電流,首次對嵌入DNA中的復合物進行了檢測。

但該類材料單獨作為光電轉化層所產生的光電流較弱，需要與其他傳導材料進行復合,以提高光電流信號和檢測的靈敏度。如Hu等通過在石墨烯表面負載金納米粒子，并進一步修飾巰基化卟啉制備出卟啉/AuNPs/石墨烯納米復合物，以此作為電極修飾材料用于氫醌的光電化學檢測，取得了較好的效果。

3.2導電高分子及其復合物

導電高分子是由具有共軛T鍵的高分子經化學或電化學“摻雜”使其由絕緣體轉變為導體、半導體的一類高分子材料。由于材料的T電子共軛體系的成鍵和反鍵能帶之間的能隙比較小，一般約為1.5-3.5eV,接近于無機半導體的導帶和價帶之間的能隙，因此，共軛高分子材料大多具有半導體性質。目前研究比較多的主要有聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等。導電高分子主要應用于與無機半導體復合和構建可以特異性識別目標分子并具有一定光電化學活性的分子印跡膜。其應用將在后文中進行闡述。導電高分子制備相對簡單，并可以實現可控聚合或有目的性的識別基團修飾，具有較強的可設計性，因而有較大的研究潛力。

3.3無機納米半導體及其復合物

無機半導體材料是目前研究和應用最為廣泛的一類光電材料。該類材料可以通過多種方法制得,并可以通過形貌和尺寸控制表現出優異的光電化學性質。由于量子限域效應的存在，無機納米半導體材料具有比塊體材料更優異的光電化學活性。這類材料主要包括以TiOi、ZnO、WO;等為代表的金屬氧化物半導體，以CdS、CdSe、ZnS、ZnSe等量子點(QDs)為代表的金屬硫族化物半導體。

其中TiOi以其較好的穩定性、較快的電荷傳導速率和較好的生物相容性等優點受到了廣泛關注，基于TiO:的研究也最多和較為全面。但由于TiO2的禁帶寬度較大，只能被紫外光激發；而在紫外光區域,很多檢測體系會受到干擾或破壞,從而限制了其進一步的應用。因此很多研究通過使用有機分子、導電高分子、量子點或其他窄能帶半導體等對TiO2進行敏化,來拓寬其應用光譜范圍。鞠煜先課題組M報道了使用磺酸基鐵卟啉功能化TiOi納米粒子,構建了一種在較低電位下檢測生物分子的光電化學傳感器。徐靜娟課題組M使用CdS與TiOi構成雜合物來構建光電轉換層，通過免標記免疫法實現了對目標蛋白的檢測。蔡青云課題組69通過CdTe/CdS共敏化TiO2納米管陣列構建了一種用于八氯苯乙烯檢測的免標記光電化學免疫傳感器。通過使用P3HT與TiOi復合修飾電極,建立了一種在可見光下零電位檢測有機磷農藥的光電化學傳感器。另外,也有用導電高分子與貴金屬粒子共同修飾TiOi的報道。利用導電高分子與TiOi形成的多級電荷分離體系,并結合Au、Ag等貴金屬的摻入對電極表面過電位的降低及對轉移的促進，可以提高半導體材料的光電化學性能,這也為光電化學分析提供了新的材料復合。

無機半導體中，另一種常用的材料是CdS(Se、Te)納米材料或QDs,目前已有綜述對這類材料的優缺點及應用進行了總結B4,73。針對該類材料具有較高的電荷復合速率和光穩定性差的缺點，通過分子/電子傳遞體系或有效電子傳導陣列，減少半導體中電子的復合,對提高其光穩定性和光電轉換效率是十分重要的。近年來，隨著對碳材料研究的不斷深入,碳納米管（CNTs)、石墨烯（GR)等材料以其優異的電子學性質，在促進光電極材料的光電化學性質方面有著較多應用。Wang等M合成了CdS修飾GR的復合材料,并構建了用于靈敏檢測有機磷的光電化學傳感器。使用一步快速溶液反應制備了GR~CdS納米復合材料,并用這種新合成的GR~CdS納米復合材料構建了用于檢測谷胱甘肽（GSH)的光電化學生物傳感器。Li等M通過苯并b]芘磺酸鹽與還原的氧化石墨烯(RGO)之間的mi堆積(stacking)作用對RGO進行非共價功能化,并結合CdS納米粒子的原位生長制備了RGO^CdS納米復合物；以此材料為光電轉換層免疫檢測了前列腺特異性抗原（PSA)。制備了具有較好光電化學活性的Cd0.5Zn0.5S/RGO納米復合材料，并基于此復合材料構建光電化學傳感器，用于Cu2+的選擇性檢測。碳材料作為電子傳導基質的引入，不僅提高了量子點的光電轉換效率，也為提高其他半導體材料的光電化學活性提供了重要思路和方法。

此外,氧化鎢作為一種本征型半導體氧化物,具有耐酸性和耐高溫的能力，并有較高的抗光腐蝕性；其能帶寬度約為2.6eV,對可見光中的藍光有較強的吸收；由于其能帶寬度較TiOi小，可直接利用太陽光，因而具有巨大的潛在應用價值62’83。我們課題組M以WO;為基礎材料并與石墨烯和原卟啉復合,構建了一種多級電荷分離體系用于半胱氨酸的光電檢測。Zhang等M制備了WO;修飾TiC/C核殼納米纖維復合電極,用于H2O2的無酶光電化學檢測。納米硫化鉍是一種重要的窄能帶直接半導體，其禁帶寬度可以調節（Eg=1.30~1.70eV),表現出具有較寬的吸收光譜和較高的吸收系數（一般在扣4?^5^-1)B5-86。我們課題組在進一步研究B^h的光電化學性質的基礎上，分別構建了用于檢測DNA甲基化67]、DNA甲基轉移酶活性和miRNA89的光電化學生物傳感器。

3.4其他

除了以上討論的這些光電活性物質外,全碳材料M和QN4復合材料M也逐漸引起了人們的關注。另外,某些生物材料如細胞、DNA、熒光蛋白等也具有光電化學活性，利用它們自身的光激發電荷轉移過程引起的光電流變化，可以研究生物分子與其他物質間的相互作用92,該領域仍需深入研究。

4光電化學傳感器信號產生與傳感模式

4.1直接電荷轉移與氧化還原

在光電化學傳感器的設計上，一般采用較多是陽極光電流。在該傳感模式中，光電極的電極反應只涉及電荷轉移和電子或參與的直接氧化還原反應,一般不包括分子識別、酶催化等其他過程;信號產生的重要環節是實現電荷的有效分離。在光激發下，光電活性物質發生電子躍遷產生電子，電子轉移至電極表面,而留在光電層中的與電解質溶液中的待檢測物分子發生氧化還原反應。被檢測物一般是具有還原性的物質，通常將其作為電子供體以一定濃度直接加入到電解質溶液中。被檢測物分子的加入使得光電層中產生的電子可以有效分離,減少其復合,使光電流增加。光電流的增加會隨待測物濃度的增大而增強，因而可以通過光電流與被檢測物分子的數量關系實現對待測物的定量分析。Cooper等63制備了亞甲基藍和亞甲基綠固定的磷酸鋯修飾的鉑通道光電極,在波長620~670nm的可見光照射下，光氧化的染料與抗壞血酸發生反應產生光電流；基于該電極構建的傳感器對抗壞血酸的定量檢測濃度可達到1mM。鞠煜先課題組64使用磺酸原卟啉功能化的ZnO納米粒子修飾ITO電極構建了一種光電化學傳感器。所制備的電極在360nm的光照下表現出有效的光電流響應;加入的半胱氨酸作為電子供體,可有效地捕獲光生而使光電流增強。基于這種光電流信號增強檢測半胱氨酸的線性范圍為0.6~157^M,檢測限為0.2+M。另外，鞠煜先課題組M還應用基于抑制電荷復合的光電化學策略來檢測多巴胺。該光電化學傳感器是通過將表面未鈍化的CdTeQDs直接涂覆在含氟導電玻璃（FTO)基底上制得。量子點在405nm的光激發下，產生電荷分離，電子轉移至溶液中的02使其還原為O2_.,促進電荷分離。能級處于量子點價帶和導帶之間的電子供體可以捕獲,從而抑制載流子的復合,使光電響應增強。

雖然基于直接電荷轉移與氧化還原的策略具有直接、簡便、易行的特點,并且靈敏度較高,但存在的問題是可用于直接檢測的目標物較少，且體系抗干擾能力較弱,在選擇性上往往不能給出比較滿意的結果。為了提高選擇性，可以通過一定的前處理過程,將目標分子有選擇的轉化為可用于光電流信號產生的物質，以間接的方式來達到檢測目的。如Li等M首先將待檢測的甲基對硫磷通過簡單水解反應得到對硝基苯酣,然后以對硝基苯酣作為電子供體,在由PTCA/TiOl作為光陽極構成的光電化學池中檢測光電流信號,從而間接地實現了對有機磷的檢測。

4.2基于分子結合導致的位阻效應引起的光電流抑制策略

基于分子識別和結合引起的光電層表面空間位阻效應建立起的光電化學傳感器,在很多方面得到了研究和應用。通過前面的介紹可知，一般對于陽極光電流的產生,需要在電解質溶液中有電子供體來捕獲來完成光電極反應。在用于光電檢測的光電化學池中，無毒且氧化電位較低的抗壞血酸通常會被作為電子供體加入到電解質溶液中B7]。如果在光電層與電解質溶液層之間嵌入具有空間阻隔效果的分子復合物，就會阻礙電子供體向光電層的遷移和捕獲,從而使光電流降低。基于這種光電流的降低與位阻效應的定量關系可以用于目標物的分析。目前文獻報道的基于分子識別和結合產生位阻效應最常用的方式是形成生物分子間強作用親和物（如生物素親和素、抗原~抗體、分子受體等作用方式）。Cosnier課題組M使用生物素標記的吡咯基-Ru配合物為前驅體,利用電化學方法合成了含生物素的聚（吡咯-Ru(n))復合膜，通過生物素和親和素之間的親合作用，將親和素標記的霍亂毒素（choleratoxin)固定到電極表面，并利用抗原抗體結合,以光電流降低法檢測了霍亂毒素抗體。徐靜娟課題組99利用層層組裝法將正電性的聚二甲基二烯丙基氯化銨（PDDA)和巰基乙酸（TGA)修飾的帶有負電性的水溶性CdS量子點（TGA^CdSQDs)交替組裝在IT0電極表面，再通過TGA表面的一C00H與IgG的一N%結合將IgG修飾到電極表面從而制備出免標記的光電化學免疫傳感器。在含有0.1M抗壞血酸（AA)為電子供體的磷酸緩沖溶液中，不加抗原時該光電極有較強的光電流響應，在加入抗原后,抗原與抗體形成免疫復合物,增加了光電極表面的空間位阻，阻礙了電子供體的傳質過程從而使光電流減小，該傳感器在最優條件下對抗原的檢測,表現出較好的選擇性、靈敏度和穩定性。

還有一些文獻報道了基于aptamer與生物材料之間的作用產生位阻效應來檢測目標物的方法。Zhang等_分別在層層組裝的CdSe納米粒子光電層上固定了可特異性識別目標細胞和溶菌酶的aptamer,利用aptamer與目標物形成的復合物增加電子供體傳輸的位阻，以抑制法實現了對Ramos細胞和溶菌酶的檢測。另外,也有利用修飾在電極表面某些可以與靶細胞表面殘基特異性識別的分子，將被測細胞鍵合在電極表面形成位阻效應。如Zhao等剛將葉酸固定在GR/CdS修飾的IT0電極表面,利用葉酸與癌細胞表面葉酸受體之間的結合作用將細胞固定在電極上，以抑制法實現對目標癌細胞的檢測。徐靜娟課題組M以苯硼酸功能化的卟啉敏化TiOi作為光電層，利用硼酸基團與目標細胞表面的睡液酸殘基結合形成的復合物來產生位阻效應,以抑制法檢測目標細胞。

4.3酶抑制及酶催化法

光電化學分析中基于酶催化活性來實現信號產生和變化也是一類重要的策略。在光電化學分析中常用到的酶主要有乙酰膽堿酯酶（AChE)、辣根過氧化物酶（HRP)、葡萄糖氧化酶（GOx)、堿性磷酸酶（ALP)等。

在光電化學分析中，電極光電層表面固定的AChE可以催化硫代乙酰膽堿生成膽堿，膽堿具有一定的電活性,在被氧化后，兩分子的膽堿可以通過S-S結合形成沒有電活性的二聚體，同時產生光電流。該過程需要利用固定在電極上的AChE的酶催化反應來完成。當有AChE酶抑制劑存在時,AChE的活性就會降低，進而會導致生成的膽堿量減少和光電流降低_。通過這種策略既可以分析AChE酶的活性，也可以對抑制劑進行定量&04,105。如Wang等和Gong等剛分別用AChE修飾CdS/GR和BiOI光電層，利用有機磷農藥對AChE酶活性的抑制作用，以光電流抑制法實現了對有機磷農藥的檢測。

HRP的應用主要有兩個方面，一是與％02一起用于生物催化沉積（BCP)。利用固定有HRP的CdS/TiOi修飾電極，通過HRP在H2O2存在下催化氧化4氯4萘酣（4-CN),在電極表面的沉積物，阻礙電子供體傳質過程,使光電流降低,并以此建立起對H2O2的光電化學檢測。該課題組M還基于生物催化沉積（BCP)構建了連有HRP的三明治結構的光電化學免疫分析陣列，并考察了對鼠IgG(抗原Ag)的協同超靈敏檢測。HRP在該體系中主要有三個作用：（1)HRP標記的二抗(Ab2)通過生物結合后可以增強空間位阻，（2)HRP與％O2共同催化促進BCP過程，進一步增強位阻效應，(3)HRP可以吸收部分光子，使信號降低。綜合BCP^PEC免疫分析陣列的多信號協同結果,該電極表現出對抗原較好的分析性能。HRP應用的第二個方面是催化％O2分解，該方面在信號傳感中又可以以兩種形式實現。第一種是HRP直接催化&O2分解,促進電極與電解質溶液之間的電子傳遞和光電流的產生M。第二種是通過HRP標記的待測分子與未標記的待測分子之間的競爭和HRP催化共同實現的。如Kang等aw]使用抗體(Anti-PAH)修飾的TiO2納米管(TiO2NTs)與多環芳香化合物（PAH)和HRP雙功能化的納米金(BGNPs)復合，用于PAH超靈敏光電化學免疫分析。在不加入PAH時，Anti~PAH的表面被BGNPs所飽和，BGNPs上的HRP可以催化H2O2的還原，促進電極和電解質之間的電荷傳遞,從而產生光電流；而在加入PAH后,PAH會與BGNPs競爭與Anti-PAH的結合位點，使BGNPs的結合減少，并導致光電流降低。除了不參與BCP外,GOx與HRP的應用基本類似。

ALP是生物體內廣泛存在的一種酶，可以催化水解生物體內的許多磷酸酯。最近，徐靜娟課題組112提出了以ALP標記二抗并通過納米金擴增，催化底物中的抗壞血酸磷酸酯（AAP)原位產生抗壞血酸作為電子供體，以光電流信號增加的方式免疫檢測了前列腺癌抗原（PSA)。隨后他們M又報道了將ALP固定到TiOi層，催化AAP產生抗壞血酸鹽,利用抗壞血酸鹽與TiOi表面的缺陷形成配體金屬電荷轉移復合物，使得TiO2在可見光區域有了較強的吸收帶,進而產生光電流響應,并在此基礎上考察了2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)對ALP酶活性的抑制作用。

此外在光電化學分析中應用到的酶還有肌氨酸氧化酶以及類酶M等,如利用FePt的類過氧化物酶活性檢測％O2ai6,117]；某些DNA酶也具有類過氧化物酶活性，可以通過BCP或基于％O2分解引起的信號產生用于光電化學分析49。除了直接對酶活性進行分析以外，也可以通過間接法進行分析,如Willner課題組_曾報道過間接法測定酪氨酸酶(Tyrosinase)活性的方法。

4.4貴金屬納米粒子的局域表面等離子體效應(LSPR)與激子等離子體激元反應（EPI)

貴金屬（Au、Ag、Pt等）在分析化學中有著廣泛的應用。LSPR是入射光的電磁場頻率與金屬自由電子的集體振蕩頻率發生共振時產生的一種物理光學現象,該現象與納米粒子的形狀、大小、間距、介電性能以及周圍環境等有關M。利用LSPR的性質，目前已經發展了基于散射、消光等技術的LSPR光學傳感器_。基于TiO2或ITO電極負載的Au、Ag等貴金屬納米粒子的LSPR光電化學性質，可以開發新的光電化學分析方法。在可見光的照射下，負載在電極表面的金屬納米粒子由于表面LSPR的存在而引起電荷分離，當電極基底材料的導帶態密度比金屬納米粒子的更高時,就會有金屬納米粒子的光激發電子向電極轉移12fl,氧化態的金屬納米粒子從溶液中捕獲電子，從而產生光電流。Zhao等122以液相沉積TiOi為基底，以AuNPs為LSPR產生源,考察了％O2對AuNPs在TiOi表面的生長調控,并結合GOx催化氧化葡萄糖促進電荷轉移，以信號增強的方式檢測了葡萄糖。

陳洪淵課題組在研究了CdSQDs與貴金屬納米粒子（AuNPs、AgNPs)光電化學過程的基礎上還提出了激子等離子體激元（EPI)相互作用的信號產生模式,并以此策略實現了對DNA的檢測。以CdSQDs與AuNPs之間的作用為例，其作用原理如圖2所示。在一定能量光子激發下（過程1),量子點價帶上的電子發生躍遷至導帶上（過程2),產生電子。如果電極處在合適的溶液中并且材料與電極能級合適，溶液中的電子供體就會捕獲（過程3),導帶上的電子也會向電極方向轉移（過程4),就會有光電流的產生，這種情況和前面討論的情況一致。但是激發產生的載流子難免會發生復合（過程5和6)。在復合過程中，經過弛豫之后的輻射躍遷會發射出熒光；如果所發射的熒光與AuNPs的吸收譜發生重疊，就可以引起AuNPs的LSPR,將這部分能量吸收（過程7)。同時,LSPR所產生的局域電場會反過來加強過程6的進行（過程8),從而建立起CdSQDs(激子）與AuNPs(等離子體）之間的能量傳遞（總和為過程9),使得光電材料的效率降低。將AuNPs換成AgNPs也有類似的過程。目前,基于這種策略的研究還比較少。

3.5其他傳感模式

除了以上傳感模式外,基于電極表面原位沉積導致的光電流變化策略、基于分子印跡識別的光電分析策略（MIP-PEC)、光電活性物質tlsDNA嵌合策略、化學發光激發的光電化學檢測體系及某些signal-on策略也得到很多關注。

基于電極表面原位沉積導致的光電流變化策略主要用于某些金屬離子和陰離子的檢測。電極表面的原位沉積一般是指通過一定方法在修飾電極表面形成新光電活性中心的過程。新光電化學活性中心的生成主要是利用電極表面已有的光電材料與溶液中的某種待測離子發生離子交換,或是借助一定的輔助物與被測金屬離子作用形成沉積。Shchukin等125首先將新制的CdO修飾電極放入含S2-的溶液中，在CdO表面形成CdS沉積；然后將CdO/CdS修飾電極在另一不含捕獲劑的電解質中檢測其光電流響應，來檢測S2-。該檢測策略用于檢測的金屬離子比較多的是Cu2+和Cd2+。由于CuS的溶度積常數比CdS的小，當把以CdS或其復合物作為光電層的修飾電極浸入含有Cu2+的溶液中，通過離子交換會在CdS的表面生成CwS。所生成的C^S在CdS表面相當于是一個激子阱(excitontrapping),由于它的形成使得載流子易于在激子阱中復合,從而導致光電流的降低，以此可以實現對Cu2+的定量分析a26?12a。對于Cd2+的檢測一般是采用在電極表面沉積CdS或CdSe的方式來進行。田陽課題組&29]將TiO2NTs電極浸入含有％SO4和SeO2的體系中，隨著Cd2+加入量的增多，在TiO2NTs上原位電沉積出CdSe納米簇，對TiOi起到敏化作用，使光電流增加，以此實現對Cd2+的定量分析。基于類似的方法，該課題組㈣還在TiOiNTs和CdSO^溶液體系中，利用&S與Cd2+反應生成的CdS在TiO2NTs上沉積敏化來檢測H2S。

對于某些非電活性的被測物，可以選擇分子印跡（MIP)與光電化學分析相結合的方法來實現高選擇性檢測的目的。Shi等131首次在TiOiNTs負載吡咯基聚合物作為增強光電層和MIP識別單元，以信號增加的方式實現了對2,4~D的靈敏檢測。同一課題組的Chen等_和Lu等_分別利用類似的方法實現了對微囊藻毒素（Microcystin~LR)和雙酣A的檢測。于京華課題組134,135先后報道了利用聚鄰苯二胺分子印跡膜修飾TiOiNTs構建光電化學傳感器，并用于毒死啤(Chlorpyrifos)和林丹(Lindane)的特異性識別和檢測。

在與DNA分析有關的檢測中，比較常用的方法是基于Ru聯吡啶配合物與雙鏈DNA的嵌合作用。郭良宏課題組在這方面做了很多工作。如果先將Ru聯吡啶配合物固定在電極表面作為光電活性中心,當溶液中加入未損傷的雙鏈DNA時,雙鏈DNA就會鍵合在電極表面,使光電流降低136;而當DNA受到損傷后,損傷的DNA會將Ru聯吡啶配合物暴露出來，使光電流響應增強。另一方面，如果先將雙鏈DNA固定在電極表面，當DNA以雙鏈完整形式存在時，具有光電化學活性的Ru聯吡啶配合物就可以嵌入到DNA雙螺旋結構的凹槽中，會產生較大的光電流；當DNA受到損傷后，Ru聯吡啶配合物就會從DNA中脫離出來，光電流降低。通過對比前后的光電流變化就可以對雙鏈DNA損傷進行檢測。隨后，該課題組將Ru-聯吡啶配合物與雙鏈DNA的嵌合作用推廣到了Hg2+6141、DNA8~oxodGuo損傷_和DNA甲基化損傷檢測等方面。

除了外加物理光源為激發源的檢測過程外，以化學發光（CL)作為激發源,并與光電化學檢測結合起來的方法也有報道。張書圣課題組143報道了以異魯米諾4^O2~Co2+化學發光體系為光源，通過間接法檢測了癌細胞中的巰基化合物。Willner課題組144以Hemin/G四聯體4^O2化學發光共振能量轉移（CRET)體系為激發源，實現了對GOx酶活性和DNA的分析。

此外,為了提高光電化學檢測的靈敏度,通過其他途徑實現signals檢測的策略也引起了人們的研究興趣。張書圣課題組先后報道了基于aptamer與目標分子的識別反應間接signals檢測癌細胞中的三磷酸腺苷（ATP)a45和基于溶菌酶與aptamer之間識別反應的反位阻效應signals檢測溶菌酶146。類似地,Zhang等M先將可以與雙酣A特異識別的aptamer固定在光電層上，當在體系中加入雙酣A后，雙酣A與aptamer的識別反應使aptamer脫離光電層，實現了signal~on檢測雙酣A。

5光電化學傳感器的發展前景

目前光電化學傳感器中光電活性材料選擇主要集中在TiO2、ZnO、CdX(S、Se、Te)、Ru金屬配合物、有機染料等。為了促進電荷分離和電子傳遞,構建多級電荷分離體系、光電材料電子傳輸介質復合等手段在光電化學體系的設計上得到了一些應用；在信號識別和傳感模式上也有了多種實現方式。近年來，隨著流動注射系統、微流控系統等的快速發展，將這些技術與光電化學分析結合起來，共同開發可用于多組分、多樣品、高通量陣列檢測系統逐漸引起了人們的關注。此外種廉價、可快速制備的紙基光電分析體系也引起了人們的研究興趣。

第9篇：高分子材料在醫學中的應用范文

關鍵詞：化學；本科教學；生物化學；課程設計

隨著科技發展的進步，科學觀念的更新，知識的融合，學科之間的劃分沒以前那么明顯，多學科之間的交叉和滲透的趨勢越發的明顯。生物化學是一門涉及知識范圍廣，理論性很強的學科，也是生命科學領域的重要基礎學科，其理論和技術已滲透到非醫學的很多重要領域。在生物學和化學聯系日益緊密的今天，很多非醫學院校的化學系專業沒能開設生物化學課程，一定程度上限制了學生的認知和發展的空間，使很多學生畢業后的實際工作適應能力遇到嚴峻挑戰，本文就非醫學院校化學專業學生開設生物課程的必要性做一淺談[1-2]。

1通過生物化學課程的學習，提高學生對化學專業的學習興趣

生物化學的主要任務是研究生物的化學組成，探討蛋白質、糖、脂肪三大生命元素的結構和其在生命過程中的各種化學變化，從分子水平解釋生命科學的現象。從早期對生物大體組成的研究，進展到如今通過對分子結構的精細研究。目前，生物化學的研究方法學上主要依賴于分子生物學和化學。在化學方面，應用光譜技術分析生命物質的結構，同位素標記技術標記不同生物，同通過X射線衍射技術觀察生命的組成，通過化學分離的技術對重要的生物分子進行分析來說明生物大分子特定的結構與功能的多樣性的關系，通過對生物結構和功能的研究，揭示生物體物質代謝、能量轉換、遺傳信息傳遞、光合作用、神經傳導、肌肉收縮、激素作用、免疫和細胞間通訊等生命的奧秘中的化學變化。使學生在化學專業基礎上通過生物化學的課程，認識化學領域在生命科學中的重要性和應用，提高了學生學習化學專業知識的積極性和樂趣。

2通過生物化學課程的學習，拓展學生的知識系統

生命活動的本質就是生物分子在機體進行的一系列化學反應，從化學元素到分子物質的化學組成，再到生命活動進行的化學反應。生物化學課程中，學生能認識到的生物分子的不同化學組成會有特定的生理功能，C、N和O等元素的相同的組成成分但不同化學結構會有截然不同的生理效果。相同的化學基團與其他元素組成不同的生物分子，亦能顯示出相同化學基團的功能，蛋白激酶通過磷酸化的化學反應才會有酶的活性，去磷酸化會功能沉默。由多羥基醛或多羥基酮及其衍生物組成的糖類物質，有些能直接提供能量，而有些通過糖原儲存能量。同是脂類油性物質的脂肪，有的化學結構特點決定了其在特定環境下能夠通過化學反應轉變為糖類物質，有些化學結構使其具有存儲、和保溫的功能。學生通過生物化學課程的學習，不但認識到物質組成性質和結構的變化規律，亦能了解生命機體內物質的結構性質和變化對機體的意義，加深學生對結構與功能統一性和特殊性的認識，拓展學生的知識系統。通過生物化學課程的學習，啟發化學專業學生對生命科學研究的思路。近年來逐漸興起一門學科叫化學生物學，是通過化學的理論和方法研究生命的現象、生命過程的化學基礎。以生物無機化學、生物分析化學、生物有機化學、生物化學、化學信息學、生物物理化學和仿生高分子材料為研究方向、發展方向，探索和調整生命機體過程的途徑和機理，為新的化學藥物的發現提供必要的理論證據，化學生物學使用小分子作為工具解決生物學的問題，正在由化學分子學、化學遺傳學而且向化學基因組學的方向擴展，構成了現代生物學與遺傳學的重要技術基礎[1-3]。

3通過生物化學課程的學習，拓展化學生畢業后就業渠道

化學專業的學生畢業后很多都是從事農業、牧業、醫療、環保或食品營養等相關行業，這些行業不僅要求從業者有牢固的有機化學、無機化學等化學基礎知識，還要求從業者掌握和懂得生物化學方面的知識。很多化學專業的科研工作者亦經常碰到與生物知識有關的化學問題，畢業后還得花費大量的精力和時間補充生物化學方面的知識。通過化學專業設置生物化學課程知識，培養厚基礎、寬口徑的化學專業畢業生，讓學生在化學專業原有的基礎上掌握基本的生物學知識，具有堅實的化學與生物學基礎知識和較廣泛的化學生物學交叉領域的知識，具有熟練的化學與相關生物學實驗技能，創新意識強，綜合素質高，能成為在化學生物學、化學、生命、醫藥、材料、化工、環保等相關領域從事教學、科研、技術開發及管理工作的復合型應用人才[2，4]。遺憾的是化學專業開設生物化學課程的難度和教材皆不盡如人意，生物化學是涉及知識范圍廣的學科，教材主要針對生物學或醫學專業的學生，因此花費過多的篇幅介紹相關的基本化學知識，容易使化學專業學生失去學習的興趣，而且教材生物學知識的起點較高，化學專業學生對體內代謝等缺乏系統的掌握和了解，導致化學專業學生出現知其然,不知其所以然的情況,這樣的學習失去了生命科學的特色,學生的收獲也會不大[1，6]。因此適合化學專業學生學習生物化學課程教學內容的構建顯得很重要。

3.1教學形式和方法上要靈活

科學選擇教學方法，巧妙靈活應用各種教學手段，開展討論式、提問等互動式教學,啟發學生的思維，激發學生課堂的主動性。利用生物信息學網站提供的一些類似于DNA復制、轉錄和翻譯過程中的動畫和蛋白及核酸等分子的三維結構的生物大分子物質圖等方式,增強學生的感官認識和學習興趣,提高學生學習的樂趣性。利用多媒體教學采用綱要信息圖表法出示比原有知識更為簡潔的綱要信號,以簡化信息,提高學生認知的清晰度,喚起學生對舊知識的回憶,提高學生思維敏捷性。教學時通過一些具體的有代表性的例子讓學生更容易接受，例如在講糖代謝和三羧酸循環時聯系我們日常的糖尿病患者，因其胰島素不足或發生胰島素抵抗，糖原轉化功能受訴，導致血糖的升高，把復雜的知識生活化，不但能吸引學生的注意力，還能提高學生物的學習熱情。

3.2教學內容上要適宜

生物化學教學內容上對化學專業已經學過的糖、蛋白質和脂類結構等內容上簡單性回顧精講適宜，不宜花很多篇幅和時間。增加生物學基礎知識，如細胞結構，細胞器的功能等內容，讓化學專業學生打好學生物化學的基礎知識，提高學生的積極性。在機體生物轉化和規律，分子結構與功能的關系等內容要循序漸進，讓學生與原有化學專業的知識體系銜接，在突出生物性的前提下，將龐雜的知識點分成難、中、易三個等級，因人制宜，根據不同學生的學習和接受能力不同區別對待，使生物化學課程的教學內容能夠適應藥學專業學生的學習和接受能力。化學專業開設生物化學課程是知識交叉、學科滲透的科技時代要求，是培養具有創新意識、綜合素質高的復合型化學人才的社會需求，是化學專業學生畢業后從事工作的迫切需求。但是，對化學專業學生開設生物化學課程的授課方法和講授內容上還必須不斷的研究，使這門課程的教學體系設計能夠符合化學專業的實際還需要我們進一步探索。

參考文獻

[1]聶俊琦.化學專業開設生物化學課程的教學初探[J].廣東化工,2014(22):150,161.

[2]蘇欣.淺談高職院校生物化學精品課程建設[J].才智,2015(30):151.

[3]唐詠.談基礎生物化學教學的體會[J].高等農業教育,1992(4):44-45.