发布时间：2023-09-22 10:38:09
绪论：一篇引人入胜的生物医学工程文献综述，需要建立在充分的资料搜集和文献研究之上。搜杂志网为您汇编了三篇范文，供您参考和学习。
[中图分类号] R313 [文献标识码]B [文章编号]1674-4721(2010)05(c)-120-02
生物医学工程是典型的理工类学科和生物医学学科交叉、结合、融合的边缘学科,并无自己独立的基础理论与知识体系,对相应学科有较大依赖性[1]。同时,生物医学工程产业的研发性质较强,要求培养的学生必须具有扎实、广泛的基础和专业课程知识,以及一定的创新能力与科研思维。目前我国生物医学工程的本科专业设置主要集中在信息技术类,而在生物材料、生物技术等方向上缺乏相应的人才培养,这样的专业特点导致学生重视电子、计算机与机械制造课程,而轻视医学相关学科,如生物化学,学生不能将该学科内容与职业生涯相联系,难以理解学习生物化学的重要性。加上生物化学本身具有抽象、繁杂等特点,学生在学习中容易出现畏难厌学情绪,学习效果不佳。针对在该专业生物化学教学中遇到的问题,笔者谈几点自己的体会和看法。
1 生物医学工程的生物化学教学现状
生物化学相对于其他基础学科具有抽象难懂、内容繁杂等特点,是医学院学生感觉最难的课程之一。尤其是对于生物医学工程专业,缺乏一部为该专业量身打造的教材,内容多与课时少的矛盾极为突出。就本校而言,该专业的生物化学理论学时数仅为40学时,而使用的教材为刘新光主编、科学出版社出版的《生物化学(案例版)》,该书系统全面完整,但课时数远远不够,如果按照一般医学本科教学大纲进行讲授,学生感觉难以消化,对生物化学课程的畏难情绪和抵触情绪增加。其次,教学模式单一,以教师为课堂的绝对主体,进行传统填鸭式教学,学生缺乏主动学习的兴趣,容易疲劳。第三,考查形式单一,仅对书本知识进行闭卷考试的单一评价考核体系,既不能反映学生的综合素质,也难以激发学生的创造力,容易使学生投机取巧,仅关注考点,而忽视对学科知识的整体把握。
2 改革教学内容和考试形式,双管齐下提升教学效果
2.1 精选教学内容,因材施教
根据专业需要适当删减生物化学教材内容,调整重、难点,将教学内容精简为基本原理,并更新补充学科发展的前沿理论和技术。世界医学教育会议发表的《爱丁堡宣言》在谈到医学院校需要改进教学法时指出:“把现在广为采用的被动学习方法改变为更加主动的学习,包括自我指导的独立学习以及导师辅导等方法,以保证终身连续的学习[2]。”在讲授过程中除了讲授知识点,更应强化学习内容的结构层次和逻辑联系,培养学生学会梳理教材,增强其自学能力。例如在开篇即告诉学生全书总的来讲可分为三大部分[3],第一部分即生物大分子的结构与功能,生物化学也称为生命的化学,那么这些化学反应的物质基础必然包括各种生物大分子,因此这部分将重点讲授生物大分子的结构特点、生理功能及基本理化性质与应用;第二部分为物质代谢及其调节,使学生重点掌握各类物质代谢的基本反应途径,主要调节环节,重要生理意义,各种物质代谢的相互联系以及代谢异常与疾病之间的关系等;对第一、二部分,强调生物化学的基础知识,不求过深、过难,抓住主线、框架和基础知识,按层次展开,既可以在有限的课时数中从容的执行教学进度,又培养了学生抓结构体系的学习方法。第三部分即基因信息的传递,以及基于基因信息传递的基本原理而发展起来的基因工程技术,针对生物医学工程专业特点,第三部分将比其他专业讲授更为详细。而细胞信息传递、肝脏生物化学与血液生物化学等专题部分则删除不讲。
2.2补充课外阅读,培养学生兴趣
“兴趣是最好的老师”,对于生物化学这门枯燥繁杂的课程,尤其需要培养学生的学习兴趣。为了兼顾有限的课时数,由教师选择合适的课外阅读材料,打印并发放给学生,要求课外阅读,并在下一次课上进行讨论。如疯牛病,从热带丛林食人部落的“库鲁病”,羊瘙痒症,克雅氏病,到对于疯牛病疾病本质的认识,长达100多年的研究历程,又或者如诺贝尔获奖者故事,重大理论的研究思路和创立历程,这既能引起同学们的兴趣,初窥神秘的科研世界,也在无形中培养了他们严密求证的科学精神。另一方面,生物化学作为生命科学的基础学科之一,自20世纪50年代以来,得到快速迅猛的发展,而生物医学工程本身就是生命科学高度发展、多学科交叉融合而催生的一门新兴学科,因此在对该专业的学生授课时可适当介绍生命科学的前沿,培养学生主动追踪最新进展的学习意愿。
2.3考核形式多样化,利用分数的杠杆调动学生学习兴趣
将课程的考核评价体系拆分,将传统的闭卷考试方式与试验成绩、论文报告相结合,考核形式更为丰富合理。课程的考核评价体系分为平时成绩和期末考试两个部分,书本知识采用传统的闭卷考试方式,占70%;而平时成绩又分为试验成绩与论文报告,共占30%。为了检验学生课外阅读的效果,增加了论文报告这一考核内容,论文报告要求学生利用图书馆和互联网对某一种现代生物化学与分子生物学技术或者热点方向的研究进展作一综述,以论文形式提交,对写作优秀者加分,还可帮助修改和鼓励发表。通过考核评价体系的改革,可以激发学生的学习热情,促使学生学会通过各种途径查阅资料,敏锐把握学科动态,获取和分析信息,培养初步的科研思维和论文写作能力,并且这种考试方式能更真实的反映学生的综合素质。
在尝试进行以上教学改革时,还应注意3方面问题:第一,在教材的把握上,如何既保留生物化学的学科特色与要求,授予足够的基础知识,又因材施教、合理的删减教材内容,处理好重、难点。第二,在引入课外阅读和论文写作上,如何循序渐进的选择材料和内容,逐步培养学生对科技论文的阅读理解和写作能力,不至于使学生被畏难情绪打击,产生厌学情绪。第三,应当建立反馈机制,通过发放学生调查问卷,适时把握学生诉求,及时了解学生感兴趣的问题、内容或者学习中的难题,便于客观评价和改进教学方式。
总之,随着学科的发展和社会需求的变化,针对不同学生特点,生物化学的教学工作必须做出相应的调整,更新教学内容,优化教学方法,改革培养模式,调动学生的学习积极性,拓展眼界,开阔思路,激发其科研兴趣,培养其科学思维和创新能力,为今后的工作或进一步深造打下一定的基础。
[参考文献]
[1]冯圣平, 秦斌,袁力.生物医学工程专业高等教育的内涵探讨与实践[J].医学教育探索,2004,24(3): 21-23.
前言
三维打印（Three Dimension Printing，简称3DP）属于一种快速成型（Rapid Prototyping，简称RP）技术，它由计算机辅助设计（CAD）数据通过成型设备以材料逐层堆积的方式实现实体成型。“三维打印”在技术界也叫“增材制造”、“自由成形”、“快速成形”或“分层制造”等[1]。三维打印起源可追溯于上世纪八十年代，1984年查尔斯・赫尔发明了将数字资源打印成三维立体模型的技术，并于1986年成立了3D Systems公司，开发了第一台商用立体光敏3D打印机，1988年，斯科特・克伦普发明了熔融沉积成型技术（FDM）并于1989年成立了Stratasys公司，随后在2012年合并以色列3D打印公司Objet。3D Systems和Objet是目前世界上最大、最先进的两家3D打印公司。我国清华大学颜永年教授于1988开始研究3D打印成型技术，华中科技大学王运赣教授以及西安交通大学卢秉恒院士等，纷纷于上世纪90年代起就开始涉足3D打印成型技术的研究。
1998年，清华大学的颜永年教授又将3D打印成型技术引入生命科学领域，提出生物制造工程学科概念和框架，并于2001年研制出用于生物材料快速成型的3D打印设备，为制造科学提出了一个新的发展方向--生物制造。生物制造的一个重要手段即是生物3D打印。生物三维打印是以活细胞（living cells）、生物活性因子（proteins and bio-molecules）及生物材料 （biomaterials）为基本成形单元，设计制造具有生物活性的人工器官、植入物或细胞三维结构，是制造科学与生物医学交叉融合的新兴学科，它是目前3D打印技术研究的最前沿领域，也是3D打印技术中最具活力和发展前景的方向[2，3]。
1 3D打印技术的分类
目前比较典型的3D打印快速成形技术主要分为三种[4]：
1.1 粉末粘结3D打印光固化材料3D打印与熔融材料3D打印
粉末粘结3D打印是目前应用最为广泛的3D打印技术，其工艺过程如下：首先，在工作平台上均匀铺洒单位厚度的粉末材料；其次，依据实体模型离散层面的数字信息将粘结剂喷射到粉末材料上，使粉末材料粘结，形成单位实体截面层；再次，将工作台下降一个单位层厚；最后，重复第一步至第三步，逐层堆砌，形成三维打印产品。其存在缺点是，通过粉末粘连成形的零件精度和强度偏低，一般需要后续工艺提高其强度，但后续处理工艺会导致零件体积收缩，变形严重。
1.2 光固化3D打印（光敏三维打印）
该技术使用液态光敏树脂作为原料制作零件模型，光敏材料三维打印成形基于喷射成形技术和光固化成形技术，喷头沿X方向往复运动，根据零件的截面形状，选择性喷射光固化实体材料和光固化支撑材料形成截面轮廓，在紫外光照射下光固化材料边打印边固化，层层堆积至制件成形完毕。但其应用于骨骼类产品打印的主要缺点是，当前具有生物活性的骨骼类材料如羟基磷灰石，生物玻璃等材料自身不是光敏性材料，需与光敏材料混合使用，因此影响产品的生物活性在打印后将受到很大影响。
1.3 熔融材料3D打印成形
熔融材料三维打印成形基于熔融涂覆成形（FDM）专利技术，分别加热两种丝状热塑性材料至熔融态，根据零件截面形状，选择性涂覆实体材料和支撑材料形成截面轮廓，并迅速冷却固化，层层堆积至制件成形完毕，其原理与光敏材料3D打印成形类似 [16]。目前熔融材料三维打印成形，可采用由磷灰石和骨骼所需的有机盐配置而成的骨水泥，不需要额外添加紫外光照射固化所需的光敏介质，有利于保证材料后续的生物相容性和生物活性。但由于挤压式喷头的喷嘴处压力大，容易造成阻塞现象，因此对喷嘴和材料浆料的粒径要求较高。
除三维打印外，应用比较广泛的商业化快速成形工艺还包括立体光刻成形（SLA）、选择性激光烧结成形（SLS）堆叠、实体制造（LOM）、熔融堆积成形（FDM）等，但这些工艺大多需要配备价格昂贵的激光辅助系统，且成型工艺实质上还是类似于上述三种材料叠加-固化技术。因此，三维打印技术被认为是最具生命力的快速成形技术，发展潜力巨大，在医学中的应用前景广阔，其推广应用将对传统的医疗产品生产模式带来颠覆性的影响。
2 三维仿生重构建模技术的发展
基于医学图像的三维重构建模技术是生物3D打印技术的重要研究内容之一。3D打印生物构件的实现首先需要在计算机环境下有效重构和建模，生成可用于驱动打印喷头的指令数据进而操控成型设备实现产品成型。随着医学影像技术的发展，人体组织的二维断层图像数据可以方便地获取以进行医学诊断和治疗。但是，二维断层图像只是表达了某一截面的解剖信息，医生可以凭经验由多幅二维图像去估计病灶的大小及形状，“构思”病灶与其周围组织的三维几何关系，可三维打印设备却无法根据这些断点数据进行立体三维成型，因此，基于医学图像的三维重构建模技术是生物3D打印技术的重要前驱步骤。
由于CT或MRI等检测设备扫描得到的二维图像信息不能直接用于快速成型，只有通过专用软件将二维断层图像序列重建为三维虚拟模型，并生成为快速成型机可以接受的STL（Stereo Lithography）格式图形文件，才能最终制造出生物产品三维实体模型。近十多年来，欧美等发达国家的科研机构对于医学图像三维重建的研究十分活跃，其技术水平正从后处理向实时跟踪和交互处理发展，并且已经将超级计算机、光纤高速网、高性能工作站和虚拟现实结合起来，代表着这一技术领域未来的发展方向。
在市场应用领域，国外已经研制了三维医学影像处理的商品化系统，其中，比较典型的有比利时Materialise公司的Mimics、美国Able Software公司的3D.Doctor和VGstudio MAX。在国内，中国科学院自动化研究所医学影像研究室自主开发的3D Med是基于普通微机的三维医学影像处理与分析系统，系统能够接收CT、MRI等主要医疗影像设备的图像数据，具有数据获取、数据管理、二维读片、距离测量、图像分割以及三维重建等功能。清华大学计算机系研发的人体断面解剖图像三维重构系统能给外科手术中的影像诊断提供一定的参考。中国科技大学在应用Delphi开发三维重构软件的研究上取得了很好的成果。国内企业也研发了一些三维医学影像处理系统。如西安盈谷科技有限公司“AccuRad TM pro 3D高级图像处理软件”于2005年4月投入市场。它能对二维医学图像进行快速的三维重建，并能对临床影像的数据进行科学有效的可视化和智能化挖掘和处理，为临床提供更多有价值的信息。但目前国外优秀软件如Mimics、3D Doctor、VGStudio MaX等的价格非常昂贵，且其技术严格保密。国内的产品大多没有自主知识产权和成熟的商业应用模式。
3 3D打印技术在生物医学工程中的应用
3D打印技术在生物医学工程中应用广泛，其应用领域大致包括：体外器官模型、仿生模型制造；手术导板、假肢设计；个性化植入体制造；组织工程支架制造；生物活体器件构建以及器官打印；药物筛选生物模型等。如图1所示为3D打印在生物医学工程中的各种应用情况[5-7]。
3.1 体外器官模型、仿生模型制造。该类应用主要用于医疗诊断和外科手术策划，它能有效地提高诊断和手术水平，缩短时间、节省费用。便于医生、患者之间的沟通，为诊断和治疗提供了直观、能触摸的信息，从而使手术者之间、医生和病人之间的交流更加方便。
3.2 手术导板、假肢设计。该类应用便于订制精确的个性化假体，实现个性化医疗需求。根据患者缺损组织数据量身订制的假肢，可提高假肢设计的精确性，提高手术精确度，确保患者的功能恢复，减少患者的痛苦。
3.3 个性化植入体制造。人体许多部位的受损组织，需要个性化定制。如人类面部颌骨（包括上下颌骨） 形态复杂， 极富个性特征， 形成了个体间千差万别的面貌特点。人类的头颅骨，需要准确与颅内大脑等软组织精确匹配扣合，人体的下肢骨、脊柱骨等会严重影响患者今后的步态及功能恢复。因此这类修复体可通过3D打印技术实现个性化订制和精确 “克隆”受损组织部位和形状。
3.4 组织工程支架制造。如通过3D打印技术设计和制备具有与天然骨类似的材料组分和三维贯通微孔结构，使之高度仿生天然骨组织结构和形态学特征，赋予组织工程支架高度的生物活性和骨修复能力。
3.5 生物活体器件构建以及器官打印。此方面的应用大多涉及活体细胞的生物3D打印技术。细胞三维结构体的3D构建可以通过活细胞及其外基质材料的打印构建活体生物器件。如英国赫瑞瓦特大学和一家干细胞技术公司合作，首次将3D打印拓展到人类胚胎干细胞范围。这一突破使得利用人类胚胎干细胞来“打造”移植用人体组织和器官成为可能。美国康奈尔大学研究人员最近在其发表的研究论文中称，他们利用牛耳细胞在3D打印机中打印出人造耳朵，可以用于先天畸形儿童的器官移植。
3.6 药物筛选生物模型。药物筛选指的是采用适当的方法，对可能作为药物使用的物质（采样）进行生物活性、药理作用及药用价值的评估过程。作为筛选，需要对不同化合物的生理活性做大规模横向比较，因此有研究人员指出通过3D打印技术，精确设计仿生组织药物病理作用模型，可以使人们开在短时间内大规模高通量筛选新型高效药物。最近，四川大学联合加州大学圣地亚哥分校等科研机构，通过3D打印技术设计了一款肝组织仿生结构药物解毒模型（如图1-c），该研究成果发表在最近一期的Nature Communications上，受到3D打印研究领域的广泛关注。
3D打印在生物医学工程中应用：（a）3D打印磷酸钙骨组织工程支架； （b）3D打印细胞、活体器官构件；（c）3D打印肝组织仿生结构药物解毒模型。
4 结束语
三维打印技术正处在蓬勃兴起的阶段，3D打印技术在生物医学工程中得到了广泛的应用，其应用以及发展现状表明：3D打印在体外器官模型、组织工程与再生医学、个性化医疗以及新药研发等方面展现出广阔的应用前景。抓住生物材料及植入器械的三维打印技术新一轮发展浪潮，发展我国生物三维打印技术，对发展我国生物材料医疗器械产业步入国际先进水平具有十分重要的意义。
参考文献
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[5]Vladimir Mironov， Richard P. Visconti， Vladimir Kasyanov， Gabor Forgacs， Christopher J. Drake， Roger R. Markwal. Organ printing： Tissue spheroids as building blocks[J]. Biomaterials， 2009， （30）.
（2）选题是否符合专业培养目标、体现综合训练基本要求。生物医学工程有着自己独特的专业特点，所以在选题过程中，指导教师一定要明确本专业的培养目标，拟定合理的题目，让学生完成选题的过程成为一次专业实战的过程。例如，选题“几种数据排序算法的性能比较”和“基于C形臂X线机的主控程序优化”，明显第二个选题较第一个更符合生物医学工程专业特点，更能帮助学生明确专业培养目标。
（3）选题的理论价值和实际价值的结合。毕业设计是学生大学四年最后的一个任务，它既是提高学生的自学能力、动手能力和实践能力的过程，也是巩固以前所学知识的机会，同时还是考核学生对专业知识综合应用能力的手段。所以选题要充分考虑理论价值和实际价值。教师在拟定题目的过程中要在学生所学的范围内，并充分考虑选题的理论价值。教师还应该深入实际，了解市场对人才的需求情况，拟定一些和实际需求联系紧密的题目，千万不能闭门造车，为了完成任务想当然地拟定一些题目。综上，在选题过程中，教师是主导，所以教师的工作尤其重要。对指导教师的专业背景、科研能力、师德师风等方面有较高要求。因此教师在日常的工作、学习中要注意加强培养这些方面的素质。
设计过程
毕业设计的过程包括：开题、准备设计（查阅资料）、设计、论文撰写。学生做毕业设计的时间大概只有13周，时间有限，所以在题目确定之后毕业设计工作应该马上有条不紊地进行，为了更好地完成毕业设计，在此期间教师的管理和引导不可缺少。
1开题
一旦题目确定，指导教师就应该组织学生做开题。开题在毕业设计过程中起着至关重要的作用，它是对整个设计的全面了解和进程安排。如果开题做得好，整个毕业设计可以说就完成了一半。开题中存在的问题主要是：很多学生刚开始的时候不会认识到它的重要性，会觉得是多余的工作，从而马虎完成。所以指导教师必须要求学生重视开题工作，在开题的时候就应该把整个过程的安排计划清楚。笔者认为学生开题时，教师应该指导学生制定工作计划和时间安排并严格纪律，学生必须记录每天的工作；教师每周检查一次设计工作的进程；每一个阶段完成之后要有心得体会等，从而保证以后的工作顺利开展。
2查阅资料
学生在平时学习的过程中接触的信息相对贫乏，获取信息的渠道相对较少，对所做的题目了解不多，并可能感到茫然和不知所措。指导教师在这方面，可以根据毕业设计的相关情况介绍相关的书籍和资料让学生自己查阅学习，鼓励学生使用网上资源和查阅英文文献，有助于学生对该方向进行整体把握，了解课题方面的最新动态，拓宽学生的思路，也是培养学生英文阅读能力的一个好机会。
3设计方案实现
这是整个毕业设计工作的重点，也是耗时最长的一个阶段。在这个阶段，教师主要把握学生的工作进程是否按照预先拟定的时间进行，在学生遇到困难的时候，引导并鼓励学生自己主动解决问题，有意识地培养学生解决问题的能力和创新思维。笔者在具体实施的时候1周进行1次检查，采取多种方式，可以是面谈，也可以采用电子邮件或电话等。主要检查设计的工作进度和收集学生遇到的疑难问题，指导学生逐一解决。
4论文写作
书写毕业论文是毕业设计的重要环节之一，是毕业设计工作成果的重要体现方式。学生按照毕业论文的要求以及自己的思路完成初稿，指导教师再从文章结构、用词、文章格式、图表格式等方面出发提出修改意见。学生在书写论文的时候，会存在以下几方面的问题：（1）文章存在抄袭现象。（2）文章结构不合理，综述部分太冗长。（3）格式不规范，按照自己的想象安排文章的格式。（4）英文翻译水平有限，英文表达不准确。（5）参考文献书写格式不规范。针对上述的问题，笔者认为应该从以下几个方面着手解决：首先，抄袭主要源于学生的信心不足和懒惰，指导教师应该根据不同的情况来解决。在平时指导的过程中，细心观察学生的反应，对于那些信心不足的学生应多加鼓励，使学生树立完成论文的信心，对于那些平时表现就比较懒惰的学生，应该晓以利害，让其知道如果出现抄袭一定会受到严厉的处罚。另外，在平时的教育过程中就应该加强学生的诚信教育，严禁抄袭，一旦发现就严惩不贷，让学生对抄袭的错误行为有深刻的认识，从而杜绝这种情况的发生。其次，文章结构应该由指导教师把关。有的同学的论文，综述和代码占了文章的大部分篇幅，而设计的思想体现得不够。开始撰写论文时，指导教师就应该告诉学生合理的文章结构，并在文章修改时指导学生修改。第三，论文格式由学校制定统一的格式规范，印发给所有学生和指导教师，学生的论文应该严格按照该规范安排。第四，英文翻译水平应该由学生在大学学习期间有意识地逐步提高，期待在做毕业设计的时间内来提高翻译水平显然是不可能的。另外，指导教师应该把一些专业的术语向学生说明清楚。如对于“去噪”这个专业名词，专业的翻译应该是“denoise”，而很多同学却翻译成“noiseelimination”。
考核
传统的毕业设计成绩评定方式比较单一，主要依据学生论文质量和答辩情况决定，其中成绩很大程度取决于指导教师的个人喜好。为了提高毕业设计评估的全面性、科学性和公正性，应该建立一套适应全过程管理的毕业设计评分体系，既全面反映了学生的水平和表现，又避免了指导教师一人做主的情况发生。笔者认为，在成绩考核时，应该成立一个毕业论文设计考核小组，小组成员由有资质的教师组成，每组大概3~4人，由考核小组综合考核意见，评定学生的成绩，成绩的评定应该有一个系统的评定标准。笔者认为毕业设计的成绩应从以下3个方面系统综合考虑，现介绍如下。
1毕业设计的完成情况
毕业设计完成的情况应该从以下几个方面考虑：（1）毕业设计选题的难易程度；题目的工作量；题目是否符合专业培养目标，体现综合训练基本要求；题目与生产、科研、实验室建设实际的结合程度等。（2）学生在做毕业设计过程中的学习态度，接受指导的情况和日志的记录情况。（3）毕业设计是否综合运用知识；实验的能力；计算的能力；对实验结果分析的能力；设计的创见性等。
2毕业论文
毕业论文的验收考核应该从以下几个方面考虑：（1）论文文题是否相符，文字表达意思是否清晰，篇幅是否合理等。（2）论文的结构是否合理。（3）论文中所体现出来的查阅资料、综合运用知识、研究方案的文字实现、外文运用等的能力。（4）论文排版格式是否符合要求，图表设计格式是否规范等。
3毕业答辩
答辩是毕业设计工作的最后一环，也是对所做工作集中检查的一个手段。主要检查学生对设计的理解和在做设计过程中获得的心得体会。答辩的考核，笔者认为应该从以下几个量化的方面考虑：（1）答辩时是否能够清晰、明确地阐述设计的主要内容，对题目的理解是否深刻。（2）答辩时对老师所提问题的回答是否有依据，基本概念是否清楚；对问题的回答是否准确深入。（3）答辩时的礼貌和仪容、仪表等。以上考核因素可以根据不同的实际情况制定相应的考核标准。
