董世武，陳自強(qiáng)

第三軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)教研室， 重慶　400038

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以“界面”為切入點(diǎn)的生物材料課程教學(xué)改革實踐

董世武，陳自強(qiáng)

第三軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)教研室， 重慶400038

為推動生物醫(yī)學(xué)材料技術(shù)的發(fā)展，培養(yǎng)具有創(chuàng)新性的高素質(zhì)生物醫(yī)學(xué)材料人才，文章結(jié)合國內(nèi)外一流大學(xué)生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)課程調(diào)研，對第三軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)課程目前面臨的困難進(jìn)行分析與總結(jié)，并以“生物界面”為切入點(diǎn)，根據(jù)學(xué)校實際情況提出針對性強(qiáng)的教學(xué)模式與課程設(shè)置，為教學(xué)改革提供行之有效的思路，亦為我國高校創(chuàng)新教育提供依據(jù)。

生物材料；生物材料表面工程；教學(xué)改革；實踐

21世紀(jì)是一個由創(chuàng)新主導(dǎo)的知識經(jīng)濟(jì)時代，需要大量創(chuàng)新型人才。作為目前我國培育創(chuàng)新型高層次人才的重要途徑，研究生教育地位突出。而課程教學(xué)又是高校教師培養(yǎng)研究生創(chuàng)新能力與意識的重要組成部分[1]。

“生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)”是第三軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院開設(shè)的一門生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)研究生課程，通過對生物醫(yī)用高分子材料、生物醫(yī)用金屬、非金屬無機(jī)材料以及生物納米材料等經(jīng)典材料以及前沿的生物醫(yī)學(xué)材料制備技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)材料理化性質(zhì)和生物性能、生物醫(yī)學(xué)材料在臨床中的應(yīng)用前景等進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生提高其專業(yè)知識基礎(chǔ)以及前沿學(xué)習(xí)能力，培育其科研能力與實踐能力，為進(jìn)一步的相關(guān)科學(xué)研究與產(chǎn)品研發(fā)夯實基礎(chǔ)。在教學(xué)實踐中，我們以“生物界面”為切入點(diǎn)，從挖掘、激勵學(xué)生的科研能力與創(chuàng)新能力出發(fā)，在上述整體框架的基本要求與教學(xué)思路引導(dǎo)下，對該課程的教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容改革進(jìn)行了初步探索。

1　生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)課程設(shè)置與教學(xué)中的現(xiàn)狀與問題

對于醫(yī)學(xué)院校而言，生物醫(yī)學(xué)工程盡管是一級學(xué)科，但仍屬于小專業(yè)。建立于各個分立小專業(yè)基礎(chǔ)之上的單一學(xué)科教學(xué)模式是我國大部分高等院校的主要教學(xué)方式。這種模式對不同課程的獨(dú)立性與系統(tǒng)性進(jìn)行了強(qiáng)化，卻忽視了不同學(xué)科之間的有機(jī)整合和關(guān)聯(lián)。經(jīng)過查閱大量國內(nèi)外一流高校生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)課程開展情況的相關(guān)文獻(xiàn)，我們認(rèn)為目前高校生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)課程的設(shè)置普遍存在以下問題：①課程設(shè)置上過于獨(dú)立，對學(xué)科交叉融合造成困難；②因師資力量的局限，導(dǎo)致一些僅熟悉本學(xué)科領(lǐng)域研究的教師因為不同學(xué)科間知識背景、知識結(jié)構(gòu)和理論體系差異的專業(yè)限制，無法在課程實施過程中較好地體現(xiàn)出學(xué)科間的交流與合作；③傳統(tǒng)填鴨式教育模式對學(xué)生的創(chuàng)新素質(zhì)與發(fā)散思維造成束縛；④軍隊培養(yǎng)的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生特殊的就業(yè)特色，決定了課程應(yīng)該具有針對性以符合其職業(yè)崗位特點(diǎn)需求[2-4]。

2　“生物界面”對生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)課程的必要性與重要性

隨著生物材料學(xué)的不斷發(fā)展，其內(nèi)容早已超出了傳統(tǒng)生物醫(yī)用材料的范疇，如清華大學(xué)將生物工程材料中的仿生材料加入課程，效果令人滿意。由于學(xué)校有鮮明的軍事應(yīng)用背景特點(diǎn)，我們結(jié)合現(xiàn)有的科研方向，主要針對生物界面(biointerface)為主要切入點(diǎn)，以參照天然生物材料理化性質(zhì)、生物性能進(jìn)行新型人工生物材料制備為目的，這樣可以很好地結(jié)合“材料與生物體作用界面”“表面改性處理”“仿生材料策略”等主題，尤其是可以使學(xué)生的認(rèn)識從組織和細(xì)胞水平，深入到分子水平。這樣可以打破傳統(tǒng)的醫(yī)用生物材料范疇，將生物材料的結(jié)構(gòu)與其性能的內(nèi)在聯(lián)系作為研究重點(diǎn)，并以學(xué)校實際特點(diǎn)為基礎(chǔ)，著重介紹軍事應(yīng)用背景下的仿生生物材料。

目前，生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)的研究熱點(diǎn)主要集中在既可以進(jìn)行細(xì)胞識別，又能夠使細(xì)胞和生物材料共存的混合體系。生物材料支架，包括合成聚合物或天然材料在內(nèi)的生物材料支架，不僅需要具有一定的空間幾何形狀，可以起到足夠的力學(xué)支撐作用，而且需要有較為適宜的孔徑分布與孔隙率，以利于細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息交換[5]。界面研究包括細(xì)胞與材料界面，也包括材料與宿主結(jié)合界面，等，屬于廣義的生物材料表面工程范疇。教學(xué)過程中，我們在講解生物材料生物相容性時，常以如下例子展開討論：膠原蛋白或纖連蛋白等天然生物材料雖然具有氨基酸序列信息片段作為特異性細(xì)胞膜表面受體識別點(diǎn)，擁有特殊生物活性，不易與受體發(fā)生免疫排異，如何在理化性質(zhì)與生物活性保持穩(wěn)定基礎(chǔ)上，增加其相容性？合成材料更容易加工，并且在研發(fā)過程中可以對材料的親水性、力學(xué)強(qiáng)度、降解速度等因素進(jìn)行精確控制，所以將天然材料或仿天然材料與化學(xué)合成高分子材料偶聯(lián)成為復(fù)合材料是目前生物醫(yī)學(xué)材料的優(yōu)化途徑之一。該過程中應(yīng)該如何從天然材料具有細(xì)胞表面受體的特異識別位點(diǎn)得到提升，進(jìn)行合成材料的改構(gòu)？通過這樣的提示，使得學(xué)生很容易進(jìn)行對比，并引起深入思考。

3　生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化與更新改革初探

生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)興起于20世紀(jì)60年代，是由材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)科學(xué)交叉融合的學(xué)科，其在80年代發(fā)展迅速，而在近20年更是成為國內(nèi)外專家學(xué)者的研究熱點(diǎn)。為培養(yǎng)學(xué)生在交叉學(xué)科中的創(chuàng)新能力，世界上諸多一流名校均在相關(guān)專業(yè)中開設(shè)生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)的課程[6]。目前，在教學(xué)內(nèi)容方面，各所高校的生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)課程均以金屬、非金屬無機(jī)材料與高分子材料學(xué)等基礎(chǔ)理論為主，包含相關(guān)在組織或器官治療、修復(fù)方面的生物學(xué)評價。以美國麻省理工學(xué)院為例，其所開設(shè)的“生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)”課程以蛋白質(zhì)或細(xì)胞與金屬、聚合物等生物材料間的相互作用、表面理化性質(zhì)、相關(guān)生物學(xué)性能與表面修飾的內(nèi)在聯(lián)系、用于組織或器官修復(fù)的植入生物醫(yī)學(xué)材料的各類急、慢性反應(yīng)為主要教學(xué)內(nèi)容[7]。而國內(nèi)一流高校，如清華大學(xué)，其“生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)概論”則主要講授生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)簡介、生物醫(yī)學(xué)材料性能測試、生物醫(yī)學(xué)材料相關(guān)宿主反應(yīng)與評價、生物醫(yī)學(xué)材料在組織工程中應(yīng)用的相關(guān)內(nèi)容[8]。所以，許多生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的研究生在生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)方面已經(jīng)具備了相當(dāng)?shù)睦碚摵蛯嵺`基礎(chǔ)。而目前高校所用的生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)課程相關(guān)教科書卻依舊力求將生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)所有的基本知識與概念囊括其中，而忽視了教學(xué)內(nèi)容應(yīng)寬泛且有不同側(cè)重點(diǎn)的要求。另一方面，作為當(dāng)前世界范圍內(nèi)最受關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一，加上納米材料科學(xué)爆發(fā)式發(fā)展的進(jìn)一步推動，生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)的新研究成果日新月異。最前沿的科研成果不僅體現(xiàn)了該學(xué)科的新興學(xué)術(shù)思維，亦指出該學(xué)科相關(guān)研究領(lǐng)域的未來發(fā)展方向。因此，只有牢牢把握學(xué)科研究的前沿成果，才能夠有效提升自身科研和創(chuàng)新能力，并以此為出發(fā)點(diǎn)，更新和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。所以，我們在課程設(shè)置上，不再因循守舊的重復(fù)生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)基本概念、基本理論等內(nèi)容，而以“生物材料表面工程”為切入點(diǎn)，對該課程教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化進(jìn)行改革實踐。

目前，我國生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容往往參考國內(nèi)外的經(jīng)典講義與教材，并與發(fā)表的論文和學(xué)科研究成果相結(jié)合，缺乏固定教材[6]。由于生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)課程授課對象以生物醫(yī)學(xué)工程研究生為主，其具備一定的相關(guān)基礎(chǔ)知識和科研工作經(jīng)驗。因此，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)以金屬、非金屬、高分子及納米生物醫(yī)用材料中的經(jīng)典材料結(jié)合當(dāng)前最新、最前沿的生物醫(yī)學(xué)材料，在對基本概念與基礎(chǔ)知識進(jìn)行簡要介紹的前提下，對生物醫(yī)學(xué)材料的生物性能、理化性質(zhì)以及與臨床應(yīng)用相關(guān)性等生物界面知識進(jìn)行著重介紹，并強(qiáng)調(diào)生物醫(yī)學(xué)材料界面與材料最初的設(shè)計、制備技術(shù)之間關(guān)聯(lián)的重要性[7-8]。這樣既可以確保教學(xué)內(nèi)容對學(xué)生以后的生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)基本概念和基礎(chǔ)知識進(jìn)行鞏固，又能夠?qū)W(xué)生向生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)科前沿進(jìn)行引導(dǎo)，掌握最新學(xué)術(shù)思想，并對其進(jìn)行歸納與總結(jié)，以提升自身的創(chuàng)新意識。

生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)內(nèi)容廣泛，包含醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域，具有典型學(xué)科交叉特點(diǎn)，專業(yè)面廣，基本概念與基礎(chǔ)知識等需要記憶、理解的內(nèi)容甚多，若授課過程中對這部分內(nèi)容過分注重，將會對學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)造成影響[9-10]。同時，由于教學(xué)課時的限制，教學(xué)內(nèi)容改革應(yīng)在內(nèi)容整合方面作出相應(yīng)努力。為使教學(xué)內(nèi)容對學(xué)生科研與創(chuàng)新能力的激發(fā)作用最大化，該課程以專題形式，在目前研究較廣的生物醫(yī)用金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料與納米材料范圍中選取少數(shù)經(jīng)典生物醫(yī)學(xué)材料，結(jié)合當(dāng)前最新的生物醫(yī)學(xué)材料及其制備技術(shù)作為授課內(nèi)容，同時將生物醫(yī)學(xué)材料研究熱點(diǎn)和新材料、新技術(shù)等方面的專題討論內(nèi)容引入課堂。為提高學(xué)生將基礎(chǔ)知識與臨床思維結(jié)合的能力，專門用4個課時，分2次課就“生物膜材料”“骨材料表面修飾技術(shù)”等前沿技術(shù)進(jìn)行引導(dǎo)式案例討論。之后，通過20個學(xué)時開展3個綜合性實驗及1個設(shè)計性實驗，使學(xué)生初步掌握生物材料學(xué)的相關(guān)技術(shù)方法，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性學(xué)習(xí)的能力。

在“界面”的教學(xué)切入方式上，我們以仿生生物材料的設(shè)計為主線，強(qiáng)調(diào)細(xì)胞在基材表面的特異性粘附主要由吸附的蛋白分子層決定，并啟發(fā)學(xué)生認(rèn)識到可以將周圍的細(xì)胞外基質(zhì)(exracellular matrix，ECM)作為“儲備庫”儲存仿生靶分子，并進(jìn)一步篩選、鑒定出擁有仿生潛能的生物大分子修飾界面。使學(xué)生理解通過理化或生物學(xué)方法，將包含分子信號的三維結(jié)構(gòu)微環(huán)境重建于基質(zhì)材料—細(xì)胞作用界面，對于提高材料表面的種子細(xì)胞種植密度、信號強(qiáng)度，誘導(dǎo)指定細(xì)胞信號和特定組織靶點(diǎn)生長分化方向具有重要意義。并且以我們實驗室開發(fā)的雙嗜性粘附分子rFN/Cad-11為例，講解其兼具FN與Cad功能的設(shè)計原理，闡釋其在仿生學(xué)生物界面中增強(qiáng)種子細(xì)胞成骨性能中發(fā)揮的作用，這種案例式分析的教學(xué)方法，有較好的針對性和目的性，使得學(xué)生理解起來更為直觀。

在教學(xué)過程中，利用各類參考書、國內(nèi)外專業(yè)期刊，將國內(nèi)外的最新相關(guān)研究成果和技術(shù)擴(kuò)充到教學(xué)內(nèi)容中，增加教學(xué)信息量。同時，借鑒麻省理工學(xué)院的講座形式，以便更快地更新課程內(nèi)容。我們充分利用第三軍醫(yī)大學(xué)—重慶大學(xué)聯(lián)合學(xué)院優(yōu)勢，邀請重慶大學(xué)生物工程學(xué)院相關(guān)專業(yè)的名師和專家開展專題講座，同時利用學(xué)科合作渠道，邀請四川大學(xué)國家生物材料中心的教授參與講座。此外，鑒于學(xué)時限制，我們讓學(xué)生在課余時間自行查閱再生醫(yī)學(xué)、組織工程材料等相關(guān)資料并利用“課堂”時間組織自學(xué)和討論，既合理利用有限的學(xué)時，又能培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力。

生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)作為材料科學(xué)領(lǐng)域與生命科學(xué)領(lǐng)域的交叉內(nèi)容，已成為歐美部分發(fā)達(dá)國家的支柱性產(chǎn)業(yè)，并對軍事領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，故開設(shè)具有學(xué)校特點(diǎn)的生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)課程十分必要。生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)課程的開設(shè)不僅能夠推進(jìn)生物醫(yī)學(xué)技術(shù)向各專業(yè)滲透，而且還對邊緣交叉學(xué)科領(lǐng)域起到促進(jìn)發(fā)展的作用。因此，培養(yǎng)生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)的創(chuàng)新型人才刻不容緩，而要提高該專業(yè)學(xué)生的科研、創(chuàng)新能力，并為進(jìn)一步的學(xué)科研究發(fā)展奠定基礎(chǔ)，則必須在教學(xué)內(nèi)容方面下功夫。我們初步探索了以“生物界面”為主線的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，仍有大量的細(xì)致工作有待深入探索。只有學(xué)生成為教學(xué)主體，提高其自主學(xué)習(xí)的積極性，才能做到素質(zhì)教育之根本，為國家培育、輸送新時期生物醫(yī)學(xué)工程的創(chuàng)新型人才。

[1]常順英,林彤.研究生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J].北京理工大學(xué)學(xué)報:社會科學(xué)版,2006,8(5):106-109

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[5]徐曉宙.生物材料學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2006:84-86

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[7]崔福齋,馮慶玲.生物材料學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004:32-38

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[9]劉元東.生物材料學(xué)教學(xué)實踐與心得[J].課程教育研究,2012,8(2):173

[10]朱鈺方,朱敏,何星.研究生“生物材料學(xué)”課程教學(xué)改革初探[J].上海理工大學(xué)學(xué)報:社會科學(xué)版,2014,36(4):387-390

Curriculum reform based on biointerface of biomedical materials science

DongShiwu,ChenZiqiang

DepartmentofBiomedicalMaterialsScience,SchoolofBiomedicalEngineeringofThirdMilitaryMedicalUniversity,Chongqing400038,China

In order to promote the development of biomedical material technology and produce high-quality innovative talents of this field, we investigated courses on biomedical materials science at first-class universities at home and abroad and analyzed the current difficulties in our university's courses on biomedical materials science. This paper proposes corresponding teaching modes and curriculum according to the university's actuality and provides effective reform ideas for related teaching reform based on biointerface as the breakthrough point. It also provides reference for innovation-based education at China's higher education institutions.

biomaterial; biomaterial surface engineering; curriculum reform; practice

重慶市高等教育教學(xué)改革研究項目(143023)

2016-06-08

董世武(1973-)，男，河北南宮人，教授，博士，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向：骨組織工程和生物材料界面。

G642.0

A

1004-5287(2016)05-0607-03

10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201605031