材料的生物學性能教學的思考

楊 寧，張青松，趙義平，張桂芳

(天津工業大學材料科學與工程學院，天津 300387)

1 設置《材料的生物學性能》課程的必要性

材料的生物學性能及其評價是針對直接與人體接觸或在人體內使用的生物材料或醫療器械，在其臨床應用以前的研發階段，通過體外試驗或動物體內試驗評價其對細胞、組織或動物體的有害作用，并通過以上試驗綜合評價、預測其在臨床使用時是否安全，從而為材料的研制、開發或臨床使用提供重要的參考和依據。

自20世紀80年代以來，隨著現代科學技術的發展，生物材料和醫療器械在全球發展迅猛，大量的新型材料和器械被研制出來并廣泛應用于臨床。在造福于人類，重視社會效益和經濟效益的同時，某些產品因材質選用不當，或受各種加工殘留的影響，帶來了一些對人體產生不容忽視的生物學危害問題。為了保障生物材料和醫療器械在臨床使用的安全有效，各國政府及生物學評價專家開始高度重視材料的生物學評價，國際標準化組織于1989年正式成立了ISO/TC 194醫療器械生物學評價技術委員會，并相繼制定和頒布了ISO 10993系列標準。之后，我國政府將國際標準等同轉化為我國國家標準，即GB/T 16886系列標準。

我校材料科學與工程專業生物醫用材料方向自2013年成立，開設生物化學、生物化學實驗、高分子化學及物理、生物材料概論、生物醫學材料學、生物材料制備與加工專業必修課。2018年首次開設《材料的生物學性能》這門課程，課程立足于從生物學角度出發，在前期材料學知識基礎之上，進一步研究、探討生物體作用于生物醫用材料對其影響和作用，以及材料對人體免疫系統、局部和全身的影響。該課程特點是生物學、醫學和材料學知識的交叉滲透。通過32學時的材料生物相性評價實驗，讓學生接觸到最新的科學前沿知識，增強對材料的生物相容性和生物學評價原理和方法的認知和理解。《材料的生物學性能》這門課程以實驗課程為主，為生物醫用材料方向學生建立完整的課程內容體系，拓寬其就業領域。

2 《材料的生物學性能》課程實驗設計內容及結果

生物醫用材料按材料的組成和性質可以分為：⑴ 生物醫用金屬材料；⑵ 生物陶瓷；⑶ 生物醫用高分子材料；⑷ 生物醫用復合材料；⑸ 生物衍生材料。生物醫用材料學是生物學、醫學與材料學的交叉，開展生物醫用材料實驗課程必須將三門學科緊密結合。在材料學實踐教學方面，天津工業大學材料科學與工程學院的教學團隊已經積累豐富的教學經驗，但是，在開展材料的生物學評價實踐教學方面還存在教學經驗不足的問題。筆者于2018年4月至6月為材料科學與工程專業生物醫用材料方向本科生開展了為期5周的《材料的生物學性能》課程實驗(設計實驗內容見表1)。

材料降解性能及生物相容性評價實驗對象選取了鈷合金(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)，設計三種材料的降解條件，并進行降解產物的定性與定量分析。結合細胞毒性實驗(生物醫用材料最基本的檢測方法)、瓊脂擴散實驗(口腔科材料專用實驗方法)評價材料的生物學性能。所有實驗圍繞材料的降解性能、降解產物表征展開的，引導學生理解實驗設計的內在聯系；無菌要求是生物醫用材料與一般材料的重要區別，引導學生從生物學角度理解生物醫用材料與一般材料的區別；細胞培養實驗(細胞毒性和瓊脂擴散實驗)激發了材料專業的學生對于生物學科的興趣，通過活的細胞觀察到材料對其影響，更加深刻理解材料生物相容性評價的意義。引導生物醫用材料方向的學生從學科交叉的角度去理解所學的理論知識，從材料、生物兩個不同角度去思考醫用材料的選材、制備及應用。

表1 課程實驗內容

本次實驗共有20人選修，分五組進行，使本科生對不同種類材料的生物學性能研究領域有一個更加感性的認識。使學生在實驗過程中尋找科研的樂趣，理解實驗的背景和目的，在失敗中思索原因，在測試中發現規律，在結果與分析中探求內在的機理。圖1，圖2為學生在實驗過程中所取得的部分實驗結果。

圖1 學生正在集體探討電化學工作站的使用，學習加速金屬腐蝕的檢測方法

圖2 瓊脂擴散實驗檢測氧化鋯陶瓷材料的細胞毒性。

圖2中，(a)中性紅染色L929細胞培養皿；(b)中性紅染色正常L929細胞；(c)氧化鋯材料邊緣出現細胞溶解；(d)圖試樣下方(白色圈區域)出現大范圍的褪色且褪色區面積40%～60%出現細胞溶解。相應褪色指數為3，溶解指數為3，其細胞反應分級為2細胞毒性呈中度細胞毒性。

3 開設《材料的生物學性能》課程所取得的效果

通過此次實驗使學生了解到生物醫用材料不同于普通材料，由于生物醫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價工作。研究生物醫用材料的重要目的就是用它或它的制品來代替和修復人體的組織和器官。《材料的生物學性能》課程實驗體系，使學生充分了解到三大類生物醫用材料降解產物分析及生物相容性評價。使學生深刻認識到人體具有極其復雜的生理環境，存在著影響材料性能的各種理化和生物學因素，當材料植入體內與器官組織直接接觸時，材料對人體組織將產生多種作用；同時，人體也會對材料產生種種影響。這些影響反過來又會產生新的生物學反應，即材料與生物體之間相互作用會使各自的性質和功能受到不同程度的影響。扎實學生專業知識，培養創新性思維，拓展了未來的研究或就業領域，取得良好的教學效果。