以“界面”为切入点的生物材料课程教学改革实践

董世武，陈自强

第三军医大学生物医学工程学院生物医学材料学教研室， 重庆　400038



以“界面”为切入点的生物材料课程教学改革实践

董世武，陈自强

第三军医大学生物医学工程学院生物医学材料学教研室， 重庆400038

为推动生物医学材料技术的发展，培养具有创新性的高素质生物医学材料人才，文章结合国内外一流大学生物医学材料学课程调研，对第三军医大学生物医学材料学课程目前面临的困难进行分析与总结，并以“生物界面”为切入点，根据学校实际情况提出针对性强的教学模式与课程设置，为教学改革提供行之有效的思路，亦为我国高校创新教育提供依据。

生物材料；生物材料表面工程；教学改革；实践

21世纪是一个由创新主导的知识经济时代，需要大量创新型人才。作为目前我国培育创新型高层次人才的重要途径，研究生教育地位突出。而课程教学又是高校教师培养研究生创新能力与意识的重要组成部分[1]。

“生物医学材料学”是第三军医大学生物医学工程学院开设的一门生物医学工程专业研究生课程，通过对生物医用高分子材料、生物医用金属、非金属无机材料以及生物纳米材料等经典材料以及前沿的生物医学材料制备技术、生物医学材料理化性质和生物性能、生物医学材料在临床中的应用前景等进行系统学习，帮助学生提高其专业知识基础以及前沿学习能力，培育其科研能力与实践能力，为进一步的相关科学研究与产品研发夯实基础。在教学实践中，我们以“生物界面”为切入点，从挖掘、激励学生的科研能力与创新能力出发，在上述整体框架的基本要求与教学思路引导下，对该课程的教学模式、教学内容改革进行了初步探索。

1　生物医学材料学课程设置与教学中的现状与问题

对于医学院校而言，生物医学工程尽管是一级学科，但仍属于小专业。建立于各个分立小专业基础之上的单一学科教学模式是我国大部分高等院校的主要教学方式。这种模式对不同课程的独立性与系统性进行了强化，却忽视了不同学科之间的有机整合和关联。经过查阅大量国内外一流高校生物医学材料学课程开展情况的相关文献，我们认为目前高校生物医学材料学课程的设置普遍存在以下问题：①课程设置上过于独立，对学科交叉融合造成困难；②因师资力量的局限，导致一些仅熟悉本学科领域研究的教师因为不同学科间知识背景、知识结构和理论体系差异的专业限制，无法在课程实施过程中较好地体现出学科间的交流与合作；③传统填鸭式教育模式对学生的创新素质与发散思维造成束缚；④军队培养的生物医学工程专业学生特殊的就业特色，决定了课程应该具有针对性以符合其职业岗位特点需求[2-4]。

2　“生物界面”对生物医学材料学课程的必要性与重要性

随着生物材料学的不断发展，其内容早已超出了传统生物医用材料的范畴，如清华大学将生物工程材料中的仿生材料加入课程，效果令人满意。由于学校有鲜明的军事应用背景特点，我们结合现有的科研方向，主要针对生物界面(biointerface)为主要切入点，以参照天然生物材料理化性质、生物性能进行新型人工生物材料制备为目的，这样可以很好地结合“材料与生物体作用界面”“表面改性处理”“仿生材料策略”等主题，尤其是可以使学生的认识从组织和细胞水平，深入到分子水平。这样可以打破传统的医用生物材料范畴，将生物材料的结构与其性能的内在联系作为研究重点，并以学校实际特点为基础，着重介绍军事应用背景下的仿生生物材料。

目前，生物医学材料学的研究热点主要集中在既可以进行细胞识别，又能够使细胞和生物材料共存的混合体系。生物材料支架，包括合成聚合物或天然材料在内的生物材料支架，不仅需要具有一定的空间几何形状，可以起到足够的力学支撑作用，而且需要有较为适宜的孔径分布与孔隙率，以利于细胞和细胞外基质进行物质、能量和信息交换[5]。界面研究包括细胞与材料界面，也包括材料与宿主结合界面，等，属于广义的生物材料表面工程范畴。教学过程中，我们在讲解生物材料生物相容性时，常以如下例子展开讨论：胶原蛋白或纤连蛋白等天然生物材料虽然具有氨基酸序列信息片段作为特异性细胞膜表面受体识别点，拥有特殊生物活性，不易与受体发生免疫排异，如何在理化性质与生物活性保持稳定基础上，增加其相容性？合成材料更容易加工，并且在研发过程中可以对材料的亲水性、力学强度、降解速度等因素进行精确控制，所以将天然材料或仿天然材料与化学合成高分子材料偶联成为复合材料是目前生物医学材料的优化途径之一。该过程中应该如何从天然材料具有细胞表面受体的特异识别位点得到提升，进行合成材料的改构？通过这样的提示，使得学生很容易进行对比，并引起深入思考。

3　生物医学材料学课程教学内容的优化与更新改革初探

生物医学材料学兴起于20世纪60年代，是由材料科学和生物医学科学交叉融合的学科，其在80年代发展迅速，而在近20年更是成为国内外专家学者的研究热点。为培养学生在交叉学科中的创新能力，世界上诸多一流名校均在相关专业中开设生物医学材料学的课程[6]。目前，在教学内容方面，各所高校的生物医学材料学课程均以金属、非金属无机材料与高分子材料学等基础理论为主，包含相关在组织或器官治疗、修复方面的生物学评价。以美国麻省理工学院为例，其所开设的“生物医学材料学”课程以蛋白质或细胞与金属、聚合物等生物材料间的相互作用、表面理化性质、相关生物学性能与表面修饰的内在联系、用于组织或器官修复的植入生物医学材料的各类急、慢性反应为主要教学内容[7]。而国内一流高校，如清华大学，其“生物医学材料学概论”则主要讲授生物医学材料学简介、生物医学材料性能测试、生物医学材料相关宿主反应与评价、生物医学材料在组织工程中应用的相关内容[8]。所以，许多生物医学工程专业的研究生在生物医学材料学方面已经具备了相当的理论和实践基础。而目前高校所用的生物医学材料学课程相关教科书却依旧力求将生物医学材料学所有的基本知识与概念囊括其中，而忽视了教学内容应宽泛且有不同侧重点的要求。另一方面，作为当前世界范围内最受关注的热点领域之一，加上纳米材料科学爆发式发展的进一步推动，生物医学材料学的新研究成果日新月异。最前沿的科研成果不仅体现了该学科的新兴学术思维，亦指出该学科相关研究领域的未来发展方向。因此，只有牢牢把握学科研究的前沿成果，才能够有效提升自身科研和创新能力，并以此为出发点，更新和优化教学内容。所以，我们在课程设置上，不再因循守旧的重复生物医学材料学基本概念、基本理论等内容，而以“生物材料表面工程”为切入点，对该课程教学内容的优化进行改革实践。

目前，我国生物医学材料学课程的教学内容往往参考国内外的经典讲义与教材，并与发表的论文和学科研究成果相结合，缺乏固定教材[6]。由于生物医学材料学课程授课对象以生物医学工程研究生为主，其具备一定的相关基础知识和科研工作经验。因此，教学内容应以金属、非金属、高分子及纳米生物医用材料中的经典材料结合当前最新、最前沿的生物医学材料，在对基本概念与基础知识进行简要介绍的前提下，对生物医学材料的生物性能、理化性质以及与临床应用相关性等生物界面知识进行着重介绍，并强调生物医学材料界面与材料最初的设计、制备技术之间关联的重要性[7-8]。这样既可以确保教学内容对学生以后的生物医学材料学基本概念和基础知识进行巩固，又能够将学生向生物医学材料学科前沿进行引导，掌握最新学术思想，并对其进行归纳与总结，以提升自身的创新意识。

生物医学材料学内容广泛，包含医学、生物学、材料学等多个学科领域，具有典型学科交叉特点，专业面广，基本概念与基础知识等需要记忆、理解的内容甚多，若授课过程中对这部分内容过分注重，将会对学生的科研能力和创新能力的培养造成影响[9-10]。同时，由于教学课时的限制，教学内容改革应在内容整合方面作出相应努力。为使教学内容对学生科研与创新能力的激发作用最大化，该课程以专题形式，在目前研究较广的生物医用金属材料、无机非金属材料、高分子材料与纳米材料范围中选取少数经典生物医学材料，结合当前最新的生物医学材料及其制备技术作为授课内容，同时将生物医学材料研究热点和新材料、新技术等方面的专题讨论内容引入课堂。为提高学生将基础知识与临床思维结合的能力，专门用4个课时，分2次课就“生物膜材料”“骨材料表面修饰技术”等前沿技术进行引导式案例讨论。之后，通过20个学时开展3个综合性实验及1个设计性实验，使学生初步掌握生物材料学的相关技术方法，重点培养学生创新性学习的能力。

在“界面”的教学切入方式上，我们以仿生生物材料的设计为主线，强调细胞在基材表面的特异性粘附主要由吸附的蛋白分子层决定，并启发学生认识到可以将周围的细胞外基质(exracellular matrix，ECM)作为“储备库”储存仿生靶分子，并进一步筛选、鉴定出拥有仿生潜能的生物大分子修饰界面。使学生理解通过理化或生物学方法，将包含分子信号的三维结构微环境重建于基质材料—细胞作用界面，对于提高材料表面的种子细胞种植密度、信号强度，诱导指定细胞信号和特定组织靶点生长分化方向具有重要意义。并且以我们实验室开发的双嗜性粘附分子rFN/Cad-11为例，讲解其兼具FN与Cad功能的设计原理，阐释其在仿生学生物界面中增强种子细胞成骨性能中发挥的作用，这种案例式分析的教学方法，有较好的针对性和目的性，使得学生理解起来更为直观。

在教学过程中，利用各类参考书、国内外专业期刊，将国内外的最新相关研究成果和技术扩充到教学内容中，增加教学信息量。同时，借鉴麻省理工学院的讲座形式，以便更快地更新课程内容。我们充分利用第三军医大学—重庆大学联合学院优势，邀请重庆大学生物工程学院相关专业的名师和专家开展专题讲座，同时利用学科合作渠道，邀请四川大学国家生物材料中心的教授参与讲座。此外，鉴于学时限制，我们让学生在课余时间自行查阅再生医学、组织工程材料等相关资料并利用“课堂”时间组织自学和讨论，既合理利用有限的学时，又能培养学生的自学能力。

生物医学材料学作为材料科学领域与生命科学领域的交叉内容，已成为欧美部分发达国家的支柱性产业，并对军事领域产生深远影响，故开设具有学校特点的生物医学材料学课程十分必要。生物医学材料学课程的开设不仅能够推进生物医学技术向各专业渗透，而且还对边缘交叉学科领域起到促进发展的作用。因此，培养生物医学材料学的创新型人才刻不容缓，而要提高该专业学生的科研、创新能力，并为进一步的学科研究发展奠定基础，则必须在教学内容方面下功夫。我们初步探索了以“生物界面”为主线的教学内容和教学方法，仍有大量的细致工作有待深入探索。只有学生成为教学主体，提高其自主学习的积极性，才能做到素质教育之根本，为国家培育、输送新时期生物医学工程的创新型人才。

[1]常顺英,林彤.研究生创新意识和创新能力的培养[J].北京理工大学学报:社会科学版,2006,8(5):106-109

[2]张雯,张华,朱芳民.基于学科交叉的生物医学材料学课程设置探讨[J].广州化工,2012,40(19):162-163

[3]刘继业.将仿生学引入生物学教学中[J].济南教育学院学报,2003(5):71-72

[4]吴文健.军事生物技术概论[M].长沙:国防科技大学出版社,2007:54-59

[5]徐晓宙.生物材料学[M].北京:科学出版社,2006:84-86

[6]王建方,邢欣,吴文建,等.生物材料学课程的设置与改革思考[J].高等教育研究学报,2011,34(1):95-97

[7]崔福斋,冯庆玲.生物材料学[M].北京:清华大学出版社,2004:32-38

[8]李效军,陈立功,姚康德.生物材料的仿生表面工程[J].高分子材料科学与工程,2003,19(1):1-4

[9]刘元东.生物材料学教学实践与心得[J].课程教育研究,2012,8(2):173

[10]朱钰方,朱敏,何星.研究生“生物材料学”课程教学改革初探[J].上海理工大学学报:社会科学版,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

重庆市高等教育教学改革研究项目(143023)

2016-06-08

董世武(1973-)，男，河北南宫人，教授，博士，博士研究生导师，主要研究方向：骨组织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