董世武，陳自強

第三軍醫(yī)大學生物醫(yī)學工程學院生物醫(yī)學材料學教研室， 重慶　400038

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以“界面”為切入點的生物材料課程教學改革實踐

董世武，陳自強

第三軍醫(yī)大學生物醫(yī)學工程學院生物醫(yī)學材料學教研室， 重慶400038

為推動生物醫(yī)學材料技術的發(fā)展，培養(yǎng)具有創(chuàng)新性的高素質生物醫(yī)學材料人才，文章結合國內外一流大學生物醫(yī)學材料學課程調研，對第三軍醫(yī)大學生物醫(yī)學材料學課程目前面臨的困難進行分析與總結，并以“生物界面”為切入點，根據(jù)學校實際情況提出針對性強的教學模式與課程設置，為教學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；教學改革；實踐

21世紀是一個由創(chuàng)新主導的知識經濟時代，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)學材料學”是第三軍醫(yī)大學生物醫(yī)學工程學院開設的一門生物醫(yī)學工程專業(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、非金屬無機材料以及生物納米材料等經典材料以及前沿的生物醫(yī)學材料制備技術、生物醫(yī)學材料理化性質和生物性能、生物醫(yī)學材料在臨床中的應用前景等進行系統(tǒng)學習，幫助學生提高其專業(yè)知識基礎以及前沿學習能力，培育其科研能力與實踐能力，為進一步的相關科學研究與產品研發(fā)夯實基礎。在教學實踐中，我們以“生物界面”為切入點，從挖掘、激勵學生的科研能力與創(chuàng)新能力出發(fā)，在上述整體框架的基本要求與教學思路引導下，對該課程的教學模式、教學內容改革進行了初步探索。

1　生物醫(yī)學材料學課程設置與教學中的現(xiàn)狀與問題

對于醫(yī)學院校而言，生物醫(yī)學工程盡管是一級學科，但仍屬于小專業(yè)。建立于各個分立小專業(yè)基礎之上的單一學科教學模式是我國大部分高等院校的主要教學方式。這種模式對不同課程的獨立性與系統(tǒng)性進行了強化，卻忽視了不同學科之間的有機整合和關聯(lián)。經過查閱大量國內外一流高校生物醫(yī)學材料學課程開展情況的相關文獻，我們認為目前高校生物醫(yī)學材料學課程的設置普遍存在以下問題：①課程設置上過于獨立，對學科交叉融合造成困難；②因師資力量的局限，導致一些僅熟悉本學科領域研究的教師因為不同學科間知識背景、知識結構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)出學科間的交流與合作；③傳統(tǒng)填鴨式教育模式對學生的創(chuàng)新素質與發(fā)散思維造成束縛；④軍隊培養(yǎng)的生物醫(yī)學工程專業(yè)學生特殊的就業(yè)特色，決定了課程應該具有針對性以符合其職業(yè)崗位特點需求[2-4]。

2　“生物界面”對生物醫(yī)學材料學課程的必要性與重要性

隨著生物材料學的不斷發(fā)展，其內容早已超出了傳統(tǒng)生物醫(yī)用材料的范疇，如清華大學將生物工程材料中的仿生材料加入課程，效果令人滿意。由于學校有鮮明的軍事應用背景特點，我們結合現(xiàn)有的科研方向，主要針對生物界面(biointerface)為主要切入點，以參照天然生物材料理化性質、生物性能進行新型人工生物材料制備為目的，這樣可以很好地結合“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，尤其是可以使學生的認識從組織和細胞水平，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，將生物材料的結構與其性能的內在聯(lián)系作為研究重點，并以學校實際特點為基礎，著重介紹軍事應用背景下的仿生生物材料。

目前，生物醫(yī)學材料學的研究熱點主要集中在既可以進行細胞識別，又能夠使細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，以利于細胞和細胞外基質進行物質、能量和信息交換[5]。界面研究包括細胞與材料界面，也包括材料與宿主結合界面，等，屬于廣義的生物材料表面工程范疇。教學過程中，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胞膜表面受體識別點，擁有特殊生物活性，不易與受體發(fā)生免疫排異，如何在理化性質與生物活性保持穩(wěn)定基礎上，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、力學強度、降解速度等因素進行精確控制，所以將天然材料或仿天然材料與化學合成高分子材料偶聯(lián)成為復合材料是目前生物醫(yī)學材料的優(yōu)化途徑之一。該過程中應該如何從天然材料具有細胞表面受體的特異識別位點得到提升，進行合成材料的改構？通過這樣的提示，使得學生很容易進行對比，并引起深入思考。

3　生物醫(yī)學材料學課程教學內容的優(yōu)化與更新改革初探

生物醫(yī)學材料學興起于20世紀60年代，是由材料科學和生物醫(yī)學科學交叉融合的學科，其在80年代發(fā)展迅速，而在近20年更是成為國內外專家學者的研究熱點。為培養(yǎng)學生在交叉學科中的創(chuàng)新能力，世界上諸多一流名校均在相關專業(yè)中開設生物醫(yī)學材料學的課程[6]。目前，在教學內容方面，各所高校的生物醫(yī)學材料學課程均以金屬、非金屬無機材料與高分子材料學等基礎理論為主，包含相關在組織或器官治療、修復方面的生物學評價。以美國麻省理工學院為例，其所開設的“生物醫(yī)學材料學”課程以蛋白質或細胞與金屬、聚合物等生物材料間的相互作用、表面理化性質、相關生物學性能與表面修飾的內在聯(lián)系、用于組織或器官修復的植入生物醫(yī)學材料的各類急、慢性反應為主要教學內容[7]。而國內一流高校，如清華大學，其“生物醫(yī)學材料學概論”則主要講授生物醫(yī)學材料學簡介、生物醫(yī)學材料性能測試、生物醫(yī)學材料相關宿主反應與評價、生物醫(yī)學材料在組織工程中應用的相關內容[8]。所以，許多生物醫(yī)學工程專業(yè)的研究生在生物醫(yī)學材料學方面已經具備了相當?shù)睦碚摵蛯嵺`基礎。而目前高校所用的生物醫(yī)學材料學課程相關教科書卻依舊力求將生物醫(yī)學材料學所有的基本知識與概念囊括其中，而忽視了教學內容應寬泛且有不同側重點的要求。另一方面，作為當前世界范圍內最受關注的熱點領域之一，加上納米材料科學爆發(fā)式發(fā)展的進一步推動，生物醫(yī)學材料學的新研究成果日新月異。最前沿的科研成果不僅體現(xiàn)了該學科的新興學術思維，亦指出該學科相關研究領域的未來發(fā)展方向。因此，只有牢牢把握學科研究的前沿成果，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，更新和優(yōu)化教學內容。所以，我們在課程設置上，不再因循守舊的重復生物醫(yī)學材料學基本概念、基本理論等內容，而以“生物材料表面工程”為切入點，對該課程教學內容的優(yōu)化進行改革實踐。

目前，我國生物醫(yī)學材料學課程的教學內容往往參考國內外的經典講義與教材，并與發(fā)表的論文和學科研究成果相結合，缺乏固定教材[6]。由于生物醫(yī)學材料學課程授課對象以生物醫(yī)學工程研究生為主，其具備一定的相關基礎知識和科研工作經驗。因此，教學內容應以金屬、非金屬、高分子及納米生物醫(yī)用材料中的經典材料結合當前最新、最前沿的生物醫(yī)學材料，在對基本概念與基礎知識進行簡要介紹的前提下，對生物醫(yī)學材料的生物性能、理化性質以及與臨床應用相關性等生物界面知識進行著重介紹，并強調生物醫(yī)學材料界面與材料最初的設計、制備技術之間關聯(lián)的重要性[7-8]。這樣既可以確保教學內容對學生以后的生物醫(yī)學材料學基本概念和基礎知識進行鞏固，又能夠將學生向生物醫(yī)學材料學科前沿進行引導，掌握最新學術思想，并對其進行歸納與總結，以提升自身的創(chuàng)新意識。

生物醫(yī)學材料學內容廣泛，包含醫(yī)學、生物學、材料學等多個學科領域，具有典型學科交叉特點，專業(yè)面廣，基本概念與基礎知識等需要記憶、理解的內容甚多，若授課過程中對這部分內容過分注重，將會對學生的科研能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)造成影響[9-10]。同時，由于教學課時的限制，教學內容改革應在內容整合方面作出相應努力。為使教學內容對學生科研與創(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、無機非金屬材料、高分子材料與納米材料范圍中選取少數(shù)經典生物醫(yī)學材料，結合當前最新的生物醫(yī)學材料及其制備技術作為授課內容，同時將生物醫(yī)學材料研究熱點和新材料、新技術等方面的專題討論內容引入課堂。為提高學生將基礎知識與臨床思維結合的能力，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”等前沿技術進行引導式案例討論。之后，通過20個學時開展3個綜合性實驗及1個設計性實驗，使學生初步掌握生物材料學的相關技術方法，重點培養(yǎng)學生創(chuàng)新性學習的能力。

在“界面”的教學切入方式上，我們以仿生生物材料的設計為主線，強調細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)學生認識到可以將周圍的細胞外基質(exracellular matrix，ECM)作為“儲備庫”儲存仿生靶分子，并進一步篩選、鑒定出擁有仿生潛能的生物大分子修飾界面。使學生理解通過理化或生物學方法，將包含分子信號的三維結構微環(huán)境重建于基質材料—細胞作用界面，對于提高材料表面的種子細胞種植密度、信號強度，誘導指定細胞信號和特定組織靶點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功能的設計原理，闡釋其在仿生學生物界面中增強種子細胞成骨性能中發(fā)揮的作用，這種案例式分析的教學方法，有較好的針對性和目的性，使得學生理解起來更為直觀。

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

生物醫(yī)學材料學作為材料科學領域與生命科學領域的交叉內容，已成為歐美部分發(fā)達國家的支柱性產業(yè)，并對軍事領域產生深遠影響，故開設具有學校特點的生物醫(yī)學材料學課程十分必要。生物醫(yī)學材料學課程的開設不僅能夠推進生物醫(yī)學技術向各專業(yè)滲透，而且還對邊緣交叉學科領域起到促進發(fā)展的作用。因此，培養(yǎng)生物醫(yī)學材料學的創(chuàng)新型人才刻不容緩，而要提高該專業(yè)學生的科研、創(chuàng)新能力，并為進一步的學科研究發(fā)展奠定基礎，則必須在教學內容方面下功夫。我們初步探索了以“生物界面”為主線的教學內容和教學方法，仍有大量的細致工作有待深入探索。只有學生成為教學主體，提高其自主學習的積極性，才能做到素質教育之根本，為國家培育、輸送新時期生物醫(yī)學工程的創(chuàng)新型人才。

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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