陳國寶 陳忠敏 王富平

(重慶理工大學(xué)藥學(xué)與生物工程學(xué)院 重慶 400054)

目前，生物醫(yī)學(xué)材料在大健康領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用，如組織工程、再生醫(yī)學(xué)與整形美容等?！吧镝t(yī)學(xué)材料學(xué)”是生命科學(xué)與材料科學(xué)的交叉學(xué)科，涉及生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、免疫學(xué)、力學(xué)、化學(xué)等多個學(xué)科，是生物醫(yī)學(xué)工程本科專業(yè)的基礎(chǔ)課。該課程主要介紹生物醫(yī)用材料的基本概念、分類、結(jié)構(gòu)、性能、加工、體外和體內(nèi)生物相容性等，側(cè)重理論與應(yīng)用研發(fā)相結(jié)合，了解和掌握生物醫(yī)用材料與機體的相互作用現(xiàn)象及內(nèi)在機制，關(guān)注生物醫(yī)用材料的最新前沿進展和成果[1]。但是，由于該課程具有內(nèi)容多、涉及面廣、交叉性強等特點，大多數(shù)生物醫(yī)用材料學(xué)本科教學(xué)主要通過從教師為中心的填鴨式上課方式，依據(jù)教學(xué)大綱，依靠文字或者幻燈片形式來完成[2]，且教學(xué)內(nèi)容多集中在生物醫(yī)用材料制備與表征部分，缺乏對生物醫(yī)用材料在組織修復(fù)方面的評價，難以加深學(xué)生對生物醫(yī)用材料的功能的理解，課堂氣氛較沉悶，學(xué)生多為被動接受教學(xué)內(nèi)容，對生物醫(yī)用材料的很多概念和專業(yè)術(shù)語理解不夠，缺乏有效的興趣激發(fā)平臺，不利于學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動參與性的提高，等等，導(dǎo)致學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握不足，影響教學(xué)效果，一定程度上限制了學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)等。

針對上述存在的問題和“生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)”的課程和教學(xué)內(nèi)容特點，文章從“生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)”的應(yīng)用角度入手，提出通過構(gòu)建組織再生動物實驗為興趣激發(fā)平臺的生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)本科生創(chuàng)新教學(xué)方法，包括通過建設(shè)相關(guān)的虛擬仿真實驗室和結(jié)合人工智能技術(shù)開展生物醫(yī)學(xué)材料設(shè)計等，讓學(xué)生在完成動物實驗的過程中切實感受生物醫(yī)用材料的魅力，激發(fā)對生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)的興趣，加強學(xué)生動手能力培養(yǎng)，以及通過實驗動物手術(shù)等過程增強團隊合作意識，讓學(xué)生更加真實地感受生命和培養(yǎng)學(xué)生的尊重生命的意識等，提高教學(xué)效果。

1 搭建動物實驗平臺，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

孔子曰：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者?！痹诮虒W(xué)過程中，興趣對于學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能否更加地投入顯得至關(guān)重要，直接影響教學(xué)效果。生物醫(yī)學(xué)材料的理論教學(xué)往往更加關(guān)注生物醫(yī)學(xué)材料的組成成分、物理與化學(xué)性質(zhì)、制備的策略和方法、表征技術(shù)的原理和方法以及體外和體內(nèi)的生物學(xué)響應(yīng)等，教學(xué)內(nèi)容缺乏直觀性，不容易讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生濃厚興趣，甚至?xí)霈F(xiàn)對所學(xué)理論知識存在枯燥感，不利于學(xué)生對所授知識的理解和掌握。通過設(shè)計不同的動物實驗，更加直觀地讓學(xué)生感受不同損傷組織的修復(fù)和重建的效果，從而體驗到生物醫(yī)學(xué)材料的功能效果和獨特魅力，加深對生物醫(yī)學(xué)材料專業(yè)方向知識的興趣與學(xué)習(xí)的主動性等，提高教學(xué)效果。例如：利用膠原-羥基磷灰石支架來修復(fù)新西蘭大白兔的橈骨缺損；利用脫細胞神經(jīng)導(dǎo)管來修復(fù)大鼠的坐骨神經(jīng)損傷；等等。學(xué)生對這些支架植入實驗動物體內(nèi)的過程表現(xiàn)出濃厚的興趣，對于生物醫(yī)用材料如何能夠完成組織缺損的修復(fù)具有很大的好奇心，包括從實驗動物的麻醉、組織缺損模型的建立、生物醫(yī)用材料的植入、創(chuàng)口的縫合、手術(shù)后消毒、注射青鏈霉素預(yù)防創(chuàng)口感染、以及經(jīng)過不同的修復(fù)時期后對修復(fù)效果的評價等方面。

伴隨著組織修復(fù)動物實驗的開展，可以將生物醫(yī)用材料制備的方法和基本性能的求貫穿其中。例如：生物醫(yī)用材料只有滿足細胞、組織和血液相容性才能在植入動物體內(nèi)后不引起強烈的炎癥反應(yīng)，才能達到修復(fù)缺損組織的目的，滿足臨床的基本要求。通過不同組織缺損模型的建立，讓學(xué)生更加直接、清晰地了解和掌握該種組織的天然結(jié)構(gòu)與特征，明確生物醫(yī)用材料設(shè)計和制作的基本原則就是仿生天然組織的結(jié)構(gòu)和成分等；不同的修復(fù)時長后通過大體觀察、組織學(xué)、影像學(xué)等方法來評價支架對缺損組織的修復(fù)效果，讓學(xué)生切實地感受到生物醫(yī)用材料在組織修復(fù)與再生中的獨特魅力。

此外，與單純的理論課堂教學(xué)相比較，通過搭建對應(yīng)的動物實驗平臺而開展的生物醫(yī)學(xué)材料教學(xué)方式具有更高的直觀性、驗證性、綜合性、啟發(fā)性與創(chuàng)新性等特點[3-4]，能夠在實踐過程中對“生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)”所涉及的基本理論知識點和應(yīng)用性進行更加深入的闡述，更利于激發(fā)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動性，是促進“生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)”課程教學(xué)目標高質(zhì)量完成和培養(yǎng)學(xué)生具備良好動手能力的重要途徑之一。

2 建設(shè)虛擬仿真實驗室，提高學(xué)生實踐能力

考慮到本科實驗教學(xué)條件的限制和實驗經(jīng)費不足等問題，可以將“生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)”課程相關(guān)的動物實驗通過建設(shè)相關(guān)的虛擬仿真實驗室來完成。虛擬仿真的基本原理是利用能反映現(xiàn)實情況的第一人稱交互場景來開展訓(xùn)練、實驗和研究[5]。

近年來，從中華人民共和國國家教育部到地方相關(guān)部門，均相繼發(fā)布了一系列政策，大力推廣虛擬仿真教學(xué)中心、虛擬仿真實驗教學(xué)項目及虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)基地的建設(shè)，推動了我國虛擬教學(xué)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展[6]。生物醫(yī)學(xué)材料的制備和理化性質(zhì)表征的實驗周期長，表征儀器多，而且還會涉及高溫、強酸、強堿以及其他危險試劑的不安全實驗步驟等。因此，通過應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)讓學(xué)生能夠在虛擬實驗環(huán)境下完成對生物醫(yī)學(xué)材料的創(chuàng)新設(shè)計、制備過程、物理與化學(xué)性質(zhì)的表征以及通過動物實驗來對生物醫(yī)學(xué)材料的功能進行虛擬評價，從而在有限時間、有限空間、有限條件下，盡可能避免長時間的實驗過程和危險試劑使用等不安全實驗步驟，降低實驗成本，獲得最大和最有效的實驗教學(xué)效果，保證教學(xué)質(zhì)量[7]。還可以通過引進人體解剖學(xué)虛擬仿真系統(tǒng)，幫助學(xué)生掌握人體的骨骼、肌肉、神經(jīng)、血管、呼吸系統(tǒng)、淋巴系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等，帶給學(xué)生沉浸式的體驗，可以完成仿真模擬手術(shù)操作等。通過虛擬仿真實驗室這種方式，也可克服由于教學(xué)場地和成本等引起的問題，突破時間和空間限制，讓學(xué)生能夠有更多時間參與實驗過程。此外，通過虛擬仿真實驗室進行教學(xué)，可以進一步激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性和實踐能力，提高教學(xué)效果，達到培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力的目的，以及培養(yǎng)學(xué)生具備良好的綜合素質(zhì)，為以后從事生物醫(yī)用材料相關(guān)工作或者進一步考取生物醫(yī)用材料相關(guān)專業(yè)研究生奠定良好的基礎(chǔ)。

3 結(jié)合人工智能技術(shù)，提升學(xué)生創(chuàng)新能力

人工智能（Artificial intelligence，AI）是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)[8]。目前，人工智能技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人臉識別、自動駕駛、金融等多個領(lǐng)域。在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中于醫(yī)學(xué)診斷的圖像識別。人工智能技術(shù)已經(jīng)被證明在數(shù)據(jù)獲取、實驗預(yù)測、結(jié)果分析等方面具有優(yōu)勢，嘗試在“生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)”的教學(xué)過程中引入人工智能技術(shù)，指導(dǎo)生物醫(yī)學(xué)材料的設(shè)計對于培養(yǎng)學(xué)生理解學(xué)科交叉與應(yīng)用最新前沿技術(shù)具有重要的意義。任何材料的物理特性都取決于其獨特的化學(xué)成分和分子結(jié)構(gòu)。但是，設(shè)計高性能和功能的新型生物醫(yī)學(xué)材料至今仍是一項充滿挑戰(zhàn)的工作，利用實驗的方法對候選生物醫(yī)學(xué)材料進行深入研究的傳統(tǒng)試錯方式，存在周期長、成本高、失敗率高等諸多問題，難以在龐大的組合序列中篩選出滿足實際多項性能需求的新材料。例如：統(tǒng)水凝膠的設(shè)計方法有限，效率低下，合成難度大，耗時長。利用人工智能技術(shù)，計算和統(tǒng)計多種不同化合物的物理、化學(xué)等特征參數(shù)并構(gòu)建相關(guān)的數(shù)據(jù)庫等，可以很好地預(yù)測和指導(dǎo)具有不同理化性質(zhì)和不同結(jié)構(gòu)的多功能水凝膠支架的設(shè)計。目前，已有研究報道利用深度學(xué)習(xí)的方法成功實現(xiàn)了將凝膠的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)特征與其自組裝行為聯(lián)系起來，加速了用于生物醫(yī)學(xué)用途的新型自組裝水凝膠結(jié)構(gòu)的設(shè)計[9]?？紤]到生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生在低年級時已經(jīng)學(xué)習(xí)了包含了人工智能技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用的相關(guān)課程，了解人工智能技術(shù)的基本概念和原理，可以在生物醫(yī)學(xué)材料的教學(xué)過程中，引導(dǎo)學(xué)生將人工智能技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)材料的設(shè)計進行有機結(jié)合，開展生物醫(yī)學(xué)材料的創(chuàng)新設(shè)計，切實做到堅持以學(xué)生為中心的、人人參與的實驗方案設(shè)計思路與理念，提升教學(xué)效果。

建設(shè)高水平本科教育是提高高等教育質(zhì)量的最重要基礎(chǔ)。培養(yǎng)本科生的創(chuàng)新思維是提高本科人才培養(yǎng)質(zhì)量的一個重要方法[10-11]。通過“生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)”課程中引入的組織缺損修復(fù)模型的動物實驗來帶動和提高本科生的創(chuàng)新思維能力，可進一步構(gòu)建以學(xué)生為中心的實驗理論教學(xué)體系[12]，有助于培養(yǎng)本科生學(xué)術(shù)思維和學(xué)術(shù)素養(yǎng)，增加本科生與教師之間的專業(yè)知識交流，使學(xué)生盡早地具備學(xué)術(shù)規(guī)范的意識，通過對動物實驗的結(jié)果的觀察、評價、數(shù)據(jù)的分析等，完善本科生的科研訓(xùn)練、學(xué)術(shù)成果撰寫等基礎(chǔ)能力，并以此為基礎(chǔ)，積極參與申報國家、省部級以及校級的本科生競賽項目，如大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目、全國大學(xué)生生物醫(yī)學(xué)工程創(chuàng)新設(shè)計大賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽和挑戰(zhàn)杯全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽等。生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科學(xué)生通過這些科研項目和競賽項目的完成，可以進一步加強和鞏固自身對“生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)”理論知識的理解、掌握和應(yīng)用能力[13-14]。

動手能力是本科生綜合能力的重要組成部分，也是本科生培養(yǎng)目標的重要組成部分[15-16]，缺損修復(fù)模型的動物實驗是培養(yǎng)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生的動手能力的一個非常有效的平臺和方法。學(xué)生通過參與開展動物實驗前的準備工作，例如手術(shù)器械的準備、植入材料的滅菌、實驗動物手術(shù)前的禁食不禁水、麻醉劑的配置等，可以掌握實驗動物麻醉的方法、動物手術(shù)固定裝置的使用方法、傷口縫合技術(shù)和防止術(shù)后感染等知識。在動物修復(fù)評價階段，主要通過石蠟切片或冰凍切片來進行組織學(xué)評價，學(xué)生可以掌握樣本的切片技術(shù)、組織學(xué)染色技術(shù)等，通過最終修復(fù)結(jié)果評價分析，可以讓學(xué)生獲得成就感，增強對科研上午興趣并提高科研能力，同時也能在這個過程中感受到科學(xué)研究所必需的嚴謹性和專業(yè)性。通過這些動物實驗的完成，可以達到開拓學(xué)生知識范圍、學(xué)術(shù)視野、吸收新的知識的目的，更重要的是在此過程中培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力。在此過程中，也可很好地培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作意識，引導(dǎo)和教育學(xué)生明白再優(yōu)秀的個體很難戰(zhàn)勝一個優(yōu)秀的團隊，既要鼓勵發(fā)揮個人才能，又要注重相互之間配合，加強組內(nèi)和組間的溝通交流。此外，通過組織缺損修復(fù)模型的動物實驗也可以進一步加強生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科學(xué)生的尊重生命意識等，使學(xué)生的身心得到健康的發(fā)展。

4 結(jié)語

“生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)”不僅僅是“生命科學(xué)與材料科學(xué)”的交叉學(xué)科，還涉及醫(yī)學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)、力學(xué)、計算機科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域，應(yīng)用方向也非常廣泛。此外，“生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)”也是一門實用性很強的學(xué)科，但由于該課程具有內(nèi)容多、涉及面廣、交叉性強等特點，缺乏有效的教學(xué)興趣激發(fā)平臺，導(dǎo)致學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握不足，影響教學(xué)效果。通過構(gòu)建組織缺損修復(fù)模型的動物實驗平臺來激發(fā)學(xué)生對“生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)”相關(guān)知識的學(xué)習(xí)興趣與主動性，并在動物實驗的過程中逐步培養(yǎng)和加強學(xué)生的創(chuàng)新能力、動手實踐能力、團隊合作意識以及動物倫理與福利意識等具有很好的可行性。此外，為了更好地完成這些動物實驗，還需要進行一定的本科生實驗條件改善和實驗平臺的建立，如建立標準的實驗動物中心和動物手術(shù)室等。還可通過建設(shè)生物醫(yī)學(xué)材料設(shè)計、制備和理化性質(zhì)表征虛擬仿真實驗室，搭建虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，配置虛擬仿真訓(xùn)練設(shè)備，提高學(xué)生對生物醫(yī)學(xué)材料的認識。也可借助人工智能技術(shù)的特點和優(yōu)勢，結(jié)合生物醫(yī)學(xué)材料設(shè)計要求，通過應(yīng)用人工智能方法，完成快速設(shè)計和精確預(yù)測具有自然界中不存在的復(fù)合材料或者結(jié)構(gòu)等?？傊?，通過以動物實驗為平臺可以切實激發(fā)學(xué)生對“生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)”的濃厚興趣和主觀能動性，提升教學(xué)質(zhì)量，增強生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科學(xué)生的綜合素質(zhì)。