材料的生物学性能教学的思考

杨 宁，张青松，赵义平，张桂芳

(天津工业大学材料科学与工程学院，天津 300387)

1 设置《材料的生物学性能》课程的必要性

材料的生物学性能及其评价是针对直接与人体接触或在人体内使用的生物材料或医疗器械，在其临床应用以前的研发阶段，通过体外试验或动物体内试验评价其对细胞、组织或动物体的有害作用，并通过以上试验综合评价、预测其在临床使用时是否安全，从而为材料的研制、开发或临床使用提供重要的参考和依据。

自20世纪80年代以来，随着现代科学技术的发展，生物材料和医疗器械在全球发展迅猛，大量的新型材料和器械被研制出来并广泛应用于临床。在造福于人类，重视社会效益和经济效益的同时，某些产品因材质选用不当，或受各种加工残留的影响，带来了一些对人体产生不容忽视的生物学危害问题。为了保障生物材料和医疗器械在临床使用的安全有效，各国政府及生物学评价专家开始高度重视材料的生物学评价，国际标准化组织于1989年正式成立了ISO/TC 194医疗器械生物学评价技术委员会，并相继制定和颁布了ISO 10993系列标准。之后，我国政府将国际标准等同转化为我国国家标准，即GB/T 16886系列标准。

我校材料科学与工程专业生物医用材料方向自2013年成立，开设生物化学、生物化学实验、高分子化学及物理、生物材料概论、生物医学材料学、生物材料制备与加工专业必修课。2018年首次开设《材料的生物学性能》这门课程，课程立足于从生物学角度出发，在前期材料学知识基础之上，进一步研究、探讨生物体作用于生物医用材料对其影响和作用，以及材料对人体免疫系统、局部和全身的影响。该课程特点是生物学、医学和材料学知识的交叉渗透。通过32学时的材料生物相性评价实验，让学生接触到最新的科学前沿知识，增强对材料的生物相容性和生物学评价原理和方法的认知和理解。《材料的生物学性能》这门课程以实验课程为主，为生物医用材料方向学生建立完整的课程内容体系，拓宽其就业领域。

2 《材料的生物学性能》课程实验设计内容及结果

生物医用材料按材料的组成和性质可以分为：⑴ 生物医用金属材料；⑵ 生物陶瓷；⑶ 生物医用高分子材料；⑷ 生物医用复合材料；⑸ 生物衍生材料。生物医用材料学是生物学、医学与材料学的交叉，开展生物医用材料实验课程必须将三门学科紧密结合。在材料学实践教学方面，天津工业大学材料科学与工程学院的教学团队已经积累丰富的教学经验，但是，在开展材料的生物学评价实践教学方面还存在教学经验不足的问题。笔者于2018年4月至6月为材料科学与工程专业生物医用材料方向本科生开展了为期5周的《材料的生物学性能》课程实验(设计实验内容见表1)。

材料降解性能及生物相容性评价实验对象选取了钴合金(代表金属与合金类材料)、氧化锆陶瓷(代表陶瓷类材料)、丝胶基水凝胶(代表高分子类材料)，设计三种材料的降解条件，并进行降解产物的定性与定量分析。结合细胞毒性实验(生物医用材料最基本的检测方法)、琼脂扩散实验(口腔科材料专用实验方法)评价材料的生物学性能。所有实验围绕材料的降解性能、降解产物表征展开的，引导学生理解实验设计的内在联系；无菌要求是生物医用材料与一般材料的重要区别，引导学生从生物学角度理解生物医用材料与一般材料的区别；细胞培养实验(细胞毒性和琼脂扩散实验)激发了材料专业的学生对于生物学科的兴趣，通过活的细胞观察到材料对其影响，更加深刻理解材料生物相容性评价的意义。引导生物医用材料方向的学生从学科交叉的角度去理解所学的理论知识，从材料、生物两个不同角度去思考医用材料的选材、制备及应用。

表1 课程实验内容

本次实验共有20人选修，分五组进行，使本科生对不同种类材料的生物学性能研究领域有一个更加感性的认识。使学生在实验过程中寻找科研的乐趣，理解实验的背景和目的，在失败中思索原因，在测试中发现规律，在结果与分析中探求内在的机理。图1，图2为学生在实验过程中所取得的部分实验结果。

图1 学生正在集体探讨电化学工作站的使用，学习加速金属腐蚀的检测方法

图2 琼脂扩散实验检测氧化锆陶瓷材料的细胞毒性。

图2中，(a)中性红染色L929细胞培养皿；(b)中性红染色正常L929细胞；(c)氧化锆材料边缘出现细胞溶解；(d)图试样下方(白色圈区域)出现大范围的褪色且褪色区面积40%～60%出现细胞溶解。相应褪色指数为3，溶解指数为3，其细胞反应分级为2细胞毒性呈中度细胞毒性。

3 开设《材料的生物学性能》课程所取得的效果

通过此次实验使学生了解到生物医用材料不同于普通材料，由于生物医用材料与生物体相互作用的特性，故其在临床使用前需要做大量的生物相容性评价工作。研究生物医用材料的重要目的就是用它或它的制品来代替和修复人体的组织和器官。《材料的生物学性能》课程实验体系，使学生充分了解到三大类生物医用材料降解产物分析及生物相容性评价。使学生深刻认识到人体具有极其复杂的生理环境，存在着影响材料性能的各种理化和生物学因素，当材料植入体内与器官组织直接接触时，材料对人体组织将产生多种作用；同时，人体也会对材料产生种种影响。这些影响反过来又会产生新的生物学反应，即材料与生物体之间相互作用会使各自的性质和功能受到不同程度的影响。扎实学生专业知识，培养创新性思维，拓展了未来的研究或就业领域，取得良好的教学效果。