材料的生物學(xué)性能教學(xué)的思考

楊 寧，張青松，趙義平，張桂芳

(天津工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387)

1 設(shè)置《材料的生物學(xué)性能》課程的必要性

材料的生物學(xué)性能及其評(píng)價(jià)是針對(duì)直接與人體接觸或在人體內(nèi)使用的生物材料或醫(yī)療器械，在其臨床應(yīng)用以前的研發(fā)階段，通過體外試驗(yàn)或動(dòng)物體內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)其對(duì)細(xì)胞、組織或動(dòng)物體的有害作用，并通過以上試驗(yàn)綜合評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)其在臨床使用時(shí)是否安全，從而為材料的研制、開發(fā)或臨床使用提供重要的參考和依據(jù)。

自20世紀(jì)80年代以來，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生物材料和醫(yī)療器械在全球發(fā)展迅猛，大量的新型材料和器械被研制出來并廣泛應(yīng)用于臨床。在造福于人類，重視社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，某些產(chǎn)品因材質(zhì)選用不當(dāng)，或受各種加工殘留的影響，帶來了一些對(duì)人體產(chǎn)生不容忽視的生物學(xué)危害問題。為了保障生物材料和醫(yī)療器械在臨床使用的安全有效，各國政府及生物學(xué)評(píng)價(jià)專家開始高度重視材料的生物學(xué)評(píng)價(jià)，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織于1989年正式成立了ISO/TC 194醫(yī)療器械生物學(xué)評(píng)價(jià)技術(shù)委員會(huì)，并相繼制定和頒布了ISO 10993系列標(biāo)準(zhǔn)。之后，我國政府將國際標(biāo)準(zhǔn)等同轉(zhuǎn)化為我國國家標(biāo)準(zhǔn)，即GB/T 16886系列標(biāo)準(zhǔn)。

我校材料科學(xué)與工程專業(yè)生物醫(yī)用材料方向自2013年成立，開設(shè)生物化學(xué)、生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)、高分子化學(xué)及物理、生物材料概論、生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)、生物材料制備與加工專業(yè)必修課。2018年首次開設(shè)《材料的生物學(xué)性能》這門課程，課程立足于從生物學(xué)角度出發(fā)，在前期材料學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步研究、探討生物體作用于生物醫(yī)用材料對(duì)其影響和作用，以及材料對(duì)人體免疫系統(tǒng)、局部和全身的影響。該課程特點(diǎn)是生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和材料學(xué)知識(shí)的交叉滲透。通過32學(xué)時(shí)的材料生物相性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生接觸到最新的科學(xué)前沿知識(shí)，增強(qiáng)對(duì)材料的生物相容性和生物學(xué)評(píng)價(jià)原理和方法的認(rèn)知和理解。《材料的生物學(xué)性能》這門課程以實(shí)驗(yàn)課程為主，為生物醫(yī)用材料方向?qū)W生建立完整的課程內(nèi)容體系，拓寬其就業(yè)領(lǐng)域。

2 《材料的生物學(xué)性能》課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容及結(jié)果

生物醫(yī)用材料按材料的組成和性質(zhì)可以分為：⑴ 生物醫(yī)用金屬材料；⑵ 生物陶瓷；⑶ 生物醫(yī)用高分子材料；⑷ 生物醫(yī)用復(fù)合材料；⑸ 生物衍生材料。生物醫(yī)用材料學(xué)是生物學(xué)、醫(yī)學(xué)與材料學(xué)的交叉，開展生物醫(yī)用材料實(shí)驗(yàn)課程必須將三門學(xué)科緊密結(jié)合。在材料學(xué)實(shí)踐教學(xué)方面，天津工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的教學(xué)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)積累豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，但是，在開展材料的生物學(xué)評(píng)價(jià)實(shí)踐教學(xué)方面還存在教學(xué)經(jīng)驗(yàn)不足的問題。筆者于2018年4月至6月為材料科學(xué)與工程專業(yè)生物醫(yī)用材料方向本科生開展了為期5周的《材料的生物學(xué)性能》課程實(shí)驗(yàn)(設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容見表1)。

材料降解性能及生物相容性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取了鈷合金(代表金屬與合金類材料)、氧化鋯陶瓷(代表陶瓷類材料)、絲膠基水凝膠(代表高分子類材料)，設(shè)計(jì)三種材料的降解條件，并進(jìn)行降解產(chǎn)物的定性與定量分析。結(jié)合細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)(生物醫(yī)用材料最基本的檢測(cè)方法)、瓊脂擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)(口腔科材料專用實(shí)驗(yàn)方法)評(píng)價(jià)材料的生物學(xué)性能。所有實(shí)驗(yàn)圍繞材料的降解性能、降解產(chǎn)物表征展開的，引導(dǎo)學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的內(nèi)在聯(lián)系；無菌要求是生物醫(yī)用材料與一般材料的重要區(qū)別，引導(dǎo)學(xué)生從生物學(xué)角度理解生物醫(yī)用材料與一般材料的區(qū)別；細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)(細(xì)胞毒性和瓊脂擴(kuò)散實(shí)驗(yàn))激發(fā)了材料專業(yè)的學(xué)生對(duì)于生物學(xué)科的興趣，通過活的細(xì)胞觀察到材料對(duì)其影響，更加深刻理解材料生物相容性評(píng)價(jià)的意義。引導(dǎo)生物醫(yī)用材料方向的學(xué)生從學(xué)科交叉的角度去理解所學(xué)的理論知識(shí)，從材料、生物兩個(gè)不同角度去思考醫(yī)用材料的選材、制備及應(yīng)用。

表1 課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本次實(shí)驗(yàn)共有20人選修，分五組進(jìn)行，使本科生對(duì)不同種類材料的生物學(xué)性能研究領(lǐng)域有一個(gè)更加感性的認(rèn)識(shí)。使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中尋找科研的樂趣，理解實(shí)驗(yàn)的背景和目的，在失敗中思索原因，在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，在結(jié)果與分析中探求內(nèi)在的機(jī)理。圖1，圖2為學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中所取得的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖1 學(xué)生正在集體探討電化學(xué)工作站的使用，學(xué)習(xí)加速金屬腐蝕的檢測(cè)方法

圖2 瓊脂擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)檢測(cè)氧化鋯陶瓷材料的細(xì)胞毒性。

圖2中，(a)中性紅染色L929細(xì)胞培養(yǎng)皿；(b)中性紅染色正常L929細(xì)胞；(c)氧化鋯材料邊緣出現(xiàn)細(xì)胞溶解；(d)圖試樣下方(白色圈區(qū)域)出現(xiàn)大范圍的褪色且褪色區(qū)面積40%～60%出現(xiàn)細(xì)胞溶解。相應(yīng)褪色指數(shù)為3，溶解指數(shù)為3，其細(xì)胞反應(yīng)分級(jí)為2細(xì)胞毒性呈中度細(xì)胞毒性。

3 開設(shè)《材料的生物學(xué)性能》課程所取得的效果

通過此次實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解到生物醫(yī)用材料不同于普通材料，由于生物醫(yī)用材料與生物體相互作用的特性，故其在臨床使用前需要做大量的生物相容性評(píng)價(jià)工作。研究生物醫(yī)用材料的重要目的就是用它或它的制品來代替和修復(fù)人體的組織和器官?！恫牧系纳飳W(xué)性能》課程實(shí)驗(yàn)體系，使學(xué)生充分了解到三大類生物醫(yī)用材料降解產(chǎn)物分析及生物相容性評(píng)價(jià)。使學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)到人體具有極其復(fù)雜的生理環(huán)境，存在著影響材料性能的各種理化和生物學(xué)因素，當(dāng)材料植入體內(nèi)與器官組織直接接觸時(shí)，材料對(duì)人體組織將產(chǎn)生多種作用；同時(shí)，人體也會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生種種影響。這些影響反過來又會(huì)產(chǎn)生新的生物學(xué)反應(yīng)，即材料與生物體之間相互作用會(huì)使各自的性質(zhì)和功能受到不同程度的影響。扎實(shí)學(xué)生專業(yè)知識(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)新性思維，拓展了未來的研究或就業(yè)領(lǐng)域，取得良好的教學(xué)效果。