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一、引言
纳米材料主要是指结构单元在纳米尺寸范围(1~100nm)内的一类材料，由于表面原子具有很大的比表面积，其表面能极高，从而获得较多的表面活性中心，化学性质十分活泼，因此纳米材料通常具有特异的性能。纳米材料的发现始于20世纪80年代初期，随后人们逐步发现其在光学、磁学、电学和力学方面具有比普通材料更加优越的特性，进而得到了多个领域的关注并逐渐发展起来，广泛应用于生物医学、环境、航空航天和石油钻探等领域的研究。尤其是在生物医学方面，基于纳米技术的药物和传感器已经应用到实际的医学应用中，而且能够得到是理想的治疗和诊断结果。通过从纳米尺度进行精确地制备纳米材料，人们打开了更小的微观世界，特别是生物体细胞层面上的化学反应都发生在纳米的度，纳米材料的使用能有效地检测或调控微观的生理和病理过程。纳米材料发展对医学诊断和医学治疗具有重大意义，已经成为医学界关注的热点和前沿，具有广泛的应用前景和产业化发展空间[1]。
二、纳米材料在医学诊断中的应用
2.1纳米生物传感器
纳米生物传感器是一种由纳米材料制成的检测装置，主要根据将检测到的信息按一定规律变换为电信号或以其他的形式输出，使人们能定量定性地分析检测物质。生物传感器的研发中人们使用纳米材料，能够提高生物传感器的灵敏度以及检测范围。同时以纳米材料制备的新型传感器具有稳定性好，成本低，生物相容性好等优点，在医学的临床诊断方面得到了高度重视，特别是作为一项新兴的前沿技术，纳米生物传感器的研发能够进行早期癌症的诊断。纳米传感器可以利用高灵敏度的特点，在血液中可通过微小的电流变化反映出癌细胞的种类和浓度。这种对癌细胞进行的精确分析，有望实现特殊疾病的无创、快速诊断，今后人们只需将纳米材料注入人体内，便能在短时间内完成确诊。
2.2纳米生物成像技术
在临床诊断中，通过对生物体内的细胞或特定组织进行直观的图像分析，能够迅速高效且准确地获得生理和病理信息。随着纳米技术的飞速发展，新型的纳米材料被不断制备出来，并且广泛应用于生物医学成像领域。碳纳米管具有良好的发光性能，而且毒性极低，具有良好的生物相容性，能够制备成生物荧光探针用于癌细胞的成像[2]。氧化铁磁性材料具有良好的超顺磁性，能够应用于核磁共振成像的研究中，由于其能在生物体内特异性的分布，该部位的肿瘤与正常组织的对比度能够显著提高。目前氧化铁磁性材料可作为造影剂广泛应用于临床的肿瘤及其他疾病的诊断[1]。另外，稀土离子掺杂的纳米材料具有良好的光学性质，能够实现多种颜色的可调发光，同时能够避免生物体自身产生的荧光干扰，极大地提升光学成像效果。总之，在未来的生物成像领域，新型功能的纳米材料将发挥至关重要的作用。
三、纳米材料在医学治疗中的应用
3.1纳米载药技术
纳米载药是指首先制备纳米级的载体，荷载药物后输入人体，最终在人体内控制释放的技术。作为一种新型的给药技术，纳米载药是多学科包括药理学、化学、临床医学交叉研究发展的产物，其最大的优点是具有靶向性和缓释性。靶向性可以使给药更加精确，不仅可以在增加生物体局部药物浓度的，而且同时可以控制其他部位的药物浓度，减少对其他组织部位的副作用。缓释可在保证药效的前提下减少药量，同时减少用药频率，进而减轻药物引起的不良反应。对于某些难溶性药物，纳米药物载体可有效减小药物粒径，从而增加其溶解度和溶出度，提高药物的溶解性提高治疗效果。另外，纳米载体提供了封闭包覆环境，药物能在到达作用部位之前尽量保持自身结构的完整性，维持较高的生物活性。目前，能够作为药物载体的纳米材料有介孔二氧化硅、纳米多孔硅和碳纳米管等，尽管短时间内对生物体无毒性，但其在生物体内的降解情况不理想。为了提高药物载体的降解特性，人们开始关注更易体内分解的高分子纳米材料，如聚合乳酸、乳酸-乙醇酸共聚物、聚丙烯酸酯类等，这些材料能在人体内可水解，降解成无毒产物，是十分有发展前景的药物载体。
3.2纳米生物医用材料和纳米生物相容性器官
纳米材料和生物组织在尺寸上存在着密切的联系，如核酸指导蛋白质合成过程种形成的核糖核酸蛋白的尺寸就在15-20nm之间，影响人体健康的病毒尺寸也在纳米的范围之内。纳米材料和生物医学的紧密结合，制备纳米医用复合材料及相容性器官，广泛应用于生物医学治疗的研究中，如制备人造皮肤、血管以及组织工程支架等[3]。在人造骨中，纳米钛合金具有促进骨细胞发育的功能，使骨细胞紧密贴壁生长，同时加速材料和组织的融合。同时，纳米级的羟基磷灰石或聚酰胺复合骨充填材料可以有效填补骨缺损，具有良好的生物相容性，并且能够促进骨细胞生长。根据血液中的红细胞具有运载氧气的功能，人们开发出纳米级的人造红细胞，实现了比普通红细胞更高的氧气运载能力。如果人体心脏因意外而停止跳动，可以立刻注入人工的纳米红细胞，提供更加充足的氧气[4]。此外该技术在贫血症和呼吸功能受损的治疗中发挥着重要的作用。
四、纳米材料的生物安全性问题
1前言
如今纳米技术随着时代的发展已经得到了很大的发展，成为了科学研究的热点，纳米金是指直径0．8～250mm的缔合金溶胶，它属于纳米金属材料中研究最早的种类，纳米金具有良好的纳米表面效应、量子效应以及宏观量子隧道效应，它具有很多良好的化学特性，比如抗氧性和生物相容性。
2纳米金在病原体检测技术中的应用现状
近些年来生物医学界对于流行病学的研究和对病原微生物的诊断已有了不小的进展，传统的分离、培养及生化反应逐渐被时代所淘汰，运用纳米金的免疫标记技术作为新的高通量的、操作简单的检测技术被广泛应用于临床病原体的检测，这种检测技术快速且准确，十分适合在临床上使用。1939年，两位科学家Kausche和Ruska做了一个小小的纳米金实验，他们将烟草花病毒吸附在金颗粒上，并在电子显微镜下观察，发现金离子呈高电子密度，就此打下了纳米金在免疫电镜中的应用基础。从1939年后生物医学技术不断发展，纳米金标记技术也广受世人关注，成为了现代社会四大免疫标记技术之一。作为一种特殊标记技术，纳米金在免疫检测领域受到了广泛的应用，使用纳米金粒子做探针，观察抗原抗体的特异性反应，放大检测信号，由此检测抗原的灵敏性。纳米金技术具有良好的检测灵敏性，在早期还支持诊断并监控了急性传染性病毒，根据这一特性，秦红设计了快速检测黄热病病毒的技术，在纳米金颗粒上标记上金SPA－复合物的标志，通过免疫反应实验我们发现病毒抗体与纳米金颗粒结合，并形成了人眼可见的红线。这种检测方法的优点有:不需要器材、简单、迅速、廉价、高效，极大地推动了黄热病病毒检测技术的更新，在黄热病的防控事业上有着深远意义。利用纳米金作为免疫标记物来检测的除了黄热病病毒，还有致病寄生虫。我国的民族种类多样，一些少数民族人民由于自身的文化特点，喜食生食或半生食物，这就形成了寄生虫病的传播，我国经济大发展后，人民的生活水平得到了提高，但还是喜食半生动物肉或者内脏，造成了食源性寄生虫病发病率的上升，严重影响人民身体健康。目前我国的临床诊断寄生虫病技术包括三方面:病原学检查、免疫学检查以及影像学检查。运用纳米金检测技术，不仅缩短了取材时间、缩小了取材范围，而且检出率高、创伤性小，受到了患者的广泛欢迎。
3纳米金在核酸、蛋白质检测中的应用现状
纳米金粒子具有特殊的表面等离子体共振现象，被应用在核酸构建和分析检测蛋白质领域中，可以把生物识别反映转换为光学或电学信号，因此人们将其与DNA、RNA和氨基酸相结合，在检测核酸和蛋白质方面收效颇丰，并且这种检测方法制备简单，同时还具有很多优点，比如良好的抗氧化性和生物相容性，下面具体讲一下纳米金检测技术在核酸和蛋白质检测中的应用。首先是在核酸检测中的应用。美国首先利用纳米金连接寡核苷酸制成探针检测核酸，将纳米金做标记与靶核酸结合形成超分子结构，由此来检测核酸。利用纳米金技术检测特定病原体和遗传疾病首先要做的就是检测核酸的特定序列，在芯片点阵上整齐排列纳米金颗粒，利用TaqDNA连接酶识别单碱基突变，等待连接后，就可以经过一系列步骤得出单碱基突变结果，得到所需信息。在临床应用中使用纳米金技术的表现有高灵敏检测谷胱甘肽和半胱氨酸的新型电化学生物传感器，这种机器对于谷胱甘肽和半胱氨酸的检出限值更低，在检测及预防糖尿病、艾滋病等疾病方面具有很大的临床优势。其次是在蛋白质检测中的应用。纳米金与蛋白质的作用方式非常多样，有物理吸附方式、化学共价结合方式以及非共价特异性吸附等等方式，在此背景下，我们可以利用纳米金检测并治疗疾病和检测环境污染。
4纳米金在生物传感器制备中的应用现状
目前纳米金在生物传感器检测中的应用受到了人们的普遍关注，如上文所说，纳米金具有特殊的表面等离子体共振现象，这是制备生物传感器的基础。利用这种特性，科学家们做了许多实验，比如拉曼光谱试验，使用Uv－Vis光谱和拉曼光谱仪测试金纳米颗粒的表征，得出结论是可以根据纳米金颗粒的不同形貌制作不同浓度分子的探针，受外周环境介电特性和颗粒尺寸大小的影响，纳米金颗粒会表现出不同的形貌特征，比如吸收光谱、发生蓝移。纳米金是属于一种非常微小的贵金属，作为贵金属，它具有很好的导电性能，利用纳米金进行免疫检测时会大量聚集纳米金，从而增强反应体系的电导，顺利通过电导检测免疫反应。利用纳米金的高检测灵敏性可以进行电化学免疫传感器的制备。
5其他领域的应用现状
目前纳米技术的研究中，纳米金在生物医学技术中的应用研究是重要研究课题，除了上文中说到的病原体检测、核酸以及蛋白质检测还有生物传感器制备中的应用，纳米金技术同时也被广泛应用于肿瘤的诊断与治疗、药物载体以及CT成像。纳米金具有特殊的组成结构，它可以轻易被修饰并负载化合物，可以用于检测并治疗肿瘤，还可以被用于肺癌的检测及治疗，目前的大量数据都表明纳米金技术在诊断并治疗肺癌上有极大的优势。
6结语
21世纪生物医学技术领域最关键的技术之一就是纳米金标记技术，作为一种十分精细的技术，它几乎不影响生物分子的活性，就这一点而言，它是非常好的标记物。我们可以想见，纳米金技术因其自身的诸多优点，必会获得更大的生物医学发展空间。
参考文献:
［1］艾桃桃．纳米金在生物医学领域中的应用［J］．陕西理工学院学报(自然科学版)，2010，04:63～68，95．
［2］王英泽，黄奔，吕娟，梁兴杰．纳米技术在生物医学领域的研究现状［J］．生物物理学报，2009(03):168～174．
纳米生物医学技术是一门非常典型的多领域交叉学科，生物医学、材料、化学和物理等学科的内容都包含在内，因此对人才培养的要求自然也非常高[5]。个人认为，应该将教学目标设计为培养学生具备相关领域多元化的知识结构，富有创新精神与思维模式，在纳米医学生物技术的某一或某几方面具有相当的专业实践技能与经验，能够将纳米生物医学的知识和技术应用于实际的科学研究与实际技术产业化之中,对纳米生物医学技术的发展方向和某一领域的当前产业情况主要发展趋势有所体悟，具有技术研究与项目管理实施的基本专业素养和技能。
2实施纳米生物医学技术教学的主要理念
纳米生物医学技术作为一门多领域交叉的新兴学科。作为一门非常强调实践与实用性的应用型技术学科，在纳米生物医学技术的教育教学过程中，我们必须坚持将理论教学与实践教学很好地结合在一起，通过把理论知识教学与课程实验教学、专业科研活动和产业企业课外实践活动整合成一个综合教学体系才能够真正培养学生的学习素质、自主发现、思考和解决实际问题的能力。因此，纳米生物医学技术的教学内容、方法、教学主体和教学对象等基本要素必需共同有机的地结合在一起，协同服务于学科教学目标,以合理的安排与布局，相互相同综合成一个有效的教育教学整体过程。我们应该充分注重激发与引导学生学习与创新的主动性与积极性，立足于提高学生的综合素质，不能像过去只是进行知识的单向传授，因此忽略了培养学生自主学习与思考、解决问题的能力,建立一种双向沟通、激励引导、教学相长的良性循环机制。在这种机制下，学生成为教学活动的主体，被动的接受知识变为主动的学习探索，教学过程也不再是枯燥、单调的知识传递,而是师生双方之间在智慧、思想与感情上的沟通分享。而且，教学模式应注意技巧设计，创造设计一个问题情境，通过好的提问与启发引导学生提出和发现问题，然后就该问题从不同的多个角度来解析与研究，并且进行持续的提问与思考，逐步分析挖掘该问题发生的根本性缘由，同时鼓励学生多角度多层次的寻找答案，通过答案的适度不固定性引导学生的思维发散开来,从而让学生主动学习和分析处理问题的习惯与素质得到良好的培养[6]。
3纳米生物医学技术教学课程体系的设计
纳米生物医学技术课程设置上要考虑多元化。作为一门多领域交叉融合的新兴学科，不是几个学科领域知识的单纯组合,而是将相关的学科都以一种非常紧密、多元化、多层次的联系在一起形成一个整体的。因此在课程设计的时候，教育者必须要充分认识到并理解透彻这些交叉学科之间的内部联系和知识理论结构，并依据这种联系与结构在多个学科的藕合点基础，设计出具有纳米医学生物专业特色的理论课程体系。这时候，对学科知识的划分上也不宜再过于详细，而应更注重该专业的理论特点，让学生的知识背景建立在宽厚扎实的大专业平台上。纳米生物医学技术课程设置上要考虑前沿性。纳米生物医学技术作为一门新兴技术其发展是日新月异的。所以，在教学内容上，我们要注意将该学科的最新前沿研究成果整理出来，及时、适当地融入到课程教学当中，并结合纳米生物医学技术在医学诊疗领域应用的经典实例，以让学生可以更好的理解本专业的发展方向、应用方式和创新思维方法，也让教学内容更加的丰富化和实用化，进而让学生知道如何学以致用，很好地激发强烈的学习兴趣[7]。纳米生物医学技术课程设置上要考虑应用性。纳米生物医学技术作为一门应用型技术，其实验教学对于培养学生将理论知识用于实践当中，主动发现问题、分析问题和解决问题的能力起到不可忽视的作用。因此，学生在独立设计、完成实验的过程中，其专业思维、创新意识、科研素质和动手能力都能得到很好的锻炼。这就要求我们注意控制死板的验证性实验所占的比例，多设置一些具有较好综合性、可设计性和开放性的实验，课程进行过程中也更注重学生实验得出结论的过程而非实验结果[5]。
4CDIO实践教学模式在纳米生物医学技术教学过程中的应用
CDIO实践教学模式是近年出现的一种全新的实践教育模式。CDIO的主要内涵是将构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)与运用(Operate)共同组成一个系统的实践教育方法体系[8]。该方法体系模拟了应用技术从研发到运行的完整流程，能充分培养学生运用主动性和综合性的实践方式来学习与运用学到的专业知识，进而提高学生的综合实践能力，非常适用于纳米生物医学技术教育教学体系。因此，我们应当将这套综合性和操作性都强的CDIO教学模式融入到整个教学活动中，把每个实践能力点的培养都具体落实到实践教学活动中，并且能够很好的与科研活动参与、行业企业实习等课程外实践活动结合在一起，为学生提供一种深度的“学以致用”的宝贵经历和体验，这不仅可以更好地实现学生创新实践能力的培养，还对其人际交往能力和专业思维能力都能提供有益的帮助。
5结语
纳米生物医学技术近年来的发展十分迅猛，同时具有鲜明的交叉与复合特性，能助力整体医学诊疗水平的提高，对人民健康水平的提升起到巨大推进作用。因此如何培养适应专业发展和产业需求的纳米生物医学技术专业人才，是医学院校相关专业高等教育目前所面临的核心问题。通过以上积极教育教学方面的研究探索，以及在后续的教学实践中不断完善与优化，我们若能据此更好地培养出纳米生物医学技术专业的研究与应用兼顾的综合性专业人才，将能发挥更大的教学效果和教育意义，促进人才培养质量和提高和纳米生物技术的更大发展。
作者:刘斯佳 孙健 凌敏 单位:广西医科大学 广西医科大学
参考文献：
[4]顾宁．纳米技术在生物医药学发展中的应用[J]．AdvancedMaterialsIndustry，2002(12)：67-71．
[5]胡建华，张阳德等．促进我国纳米生物医学高端创新人才培养的对策[J]．中国现代医学杂志，2008，18(20)：3070-3072．
关键词：纳米材料生物医学应用
1应用于生物医学中的纳米材料的主要类型及其特性
1.1纳米碳材料
纳米碳材料主要包括碳纳米管、气相生长碳纤维也称为纳米碳纤维、类金刚石碳等。
碳纳米管有独特的孔状结构［1］，利用这一结构特性，将药物储存在碳纳米管中并通过一定的机制激发药物的释放，使可控药物变为现实。此外，碳纳米管还可用于复合材料的增强剂、电子探针（如观察蛋白质结构的AFM探针等）或显示针尖和场发射。纳米碳纤维通常是以过渡金属Fe、Co、Ni及其合金为催化剂，以低碳烃类化合物为碳源，氢气为载体，在873K～1473K的温度下生成，具有超常特性和良好的生物相溶性，在医学领域中有广泛的应用前景。类金刚石碳（简称DLC）是一种具有大量金刚石结构C—C键的碳氢聚合物，可以通过等离子体或离子束技术沉积在物体的表面形成纳米结构的薄膜，具有优秀的生物相溶性，尤其是血液相溶性。资料报道，与其他材料相比，类金刚石碳表面对纤维蛋白原的吸附程度降低，对白蛋白的吸附增强，血管内膜增生减少，因而类金刚石碳薄膜在心血管临床医学方面有重要的应用价值。
1.2纳米高分子材料
纳米高分子材料，也称高分子纳米微粒或高分子超微粒，粒径尺度在1nm～1000nm范围。这种粒子具有胶体性、稳定性和优异的吸附性能，可用于药物、基因传递和药物控释载体，以及免疫分析、介入性诊疗等方面。
1.3纳米复合材料
目前，研究和开发无机—无机、有机—无机、有机—有机及生物活性—非生物活性的纳米结构复合材料是获得性能优异的新一代功能复合材料的新途径，并逐步向智能化方向发展，在光、热、磁、力、声［2］等方面具有奇异的特性，因而在组织修复和移植等许多方面具有广阔的应用前景。国外已制备出纳米ZrO2增韧的氧化铝复合材料，用这种材料制成的人工髋骨和膝盖植入物的寿命可达30年之久［3］。研究表明，纳米羟基磷灰石胶原材料也是一种构建组织工程骨较好的支架材料［4］。此外，纳米羟基磷灰石粒子制成纳米抗癌药，还可杀死癌细胞，有效抑制肿瘤生长，而对正常细胞组织丝毫无损，这一研究成果引起国际的关注。北京医科大学等权威机构通过生物学试验证明，这种粒子可杀死人的肺癌、肝癌、食道癌等多种肿瘤细胞。
此外，在临床医学中，具有较高应用价值的还有纳米陶瓷材料，微乳液等等。
2纳米材料在生物医学应用中的前景
2.1用纳米材料进行细胞分离
利用纳米复合体性能稳定，一般不与胶体溶液和生物溶液反应的特性进行细胞分离在医疗临床诊断上有广阔的应用前景。20世纪80年代后，人们便将纳米SiO2包覆粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液中，使所需要的细胞很快分离出来。目前，生物芯片材料已成功运用于单细胞分离、基因突变分析、基因扩增与免疫分析（如在癌症等临床诊断中作为细胞内部信号的传感器［5］）。伦敦的儿科医院、挪威工科大学和美国喷气推进研究所利用纳米磁性粒子成功地进行了人体骨骼液中癌细胞的分离来治疗病患者［6］。美国科学家正在研究用这种技术在肿瘤早期的血液中检查癌细胞，实现癌症的早期诊断和治疗。
2.2用纳米材料进行细胞内部染色
比利时的DeMey博士等人利用乙醚的黄磷饱和溶液、抗坏血酸或柠檬酸钠把金从氯化金酸（HAuCl4）水溶液中还原出来形成金纳米粒子，（粒径的尺寸范围是3nm～40nm），将金纳米粒子与预先精制的抗体或单克隆抗体混合，利用不同抗体对细胞和骨骼内组织的敏感程度和亲和力的差异，选择抗体种类，制成多种金纳米粒子—抗体复合物。借助复合粒子分别与细胞内各种器官和骨骼系统结合而形成的复合物，在白光或单色光照射下呈现某种特征颜色（如10nm的金粒子在光学显微镜下呈红色），从而给各种组织“贴上”了不同颜色的标签，为提高细胞内组织分辨率提供了各种急需的染色技术。
2.3纳米材料在医药方面的应用
2.3.1纳米粒子用作药物载体
一般来说，血液中红血球的大小为6000nm～9000nm，一般细菌的长度为2000nm～3000nm［7］，引起人体发病的病毒尺寸为80nm～100nm，而纳米包覆体尺寸约30nm［8］，细胞尺寸更大，因而可利用纳米微粒制成特殊药物载体或新型抗体进行局部的定向治疗等。专利和文献资料的统计分析表明，作为药物载体的材料主要有金属纳米颗粒、无机非金属纳米颗粒、生物降解性高分子纳米颗粒和生物活性纳米颗粒。
磁性纳米颗粒作为药物载体，在外磁场的引导下集中于病患部位，进行定位病变治疗，利于提高药效，减少副作用。如采用金纳米颗粒制成金溶液，接上抗原或抗体，就能进行免疫学的间接凝聚实验，用于快速诊断［9］。生物降解性高分子纳米材料作为药物载体还可以植入到人体的某些特定组织部位，如子宫、阴道、口（颊、舌、齿）、上下呼吸道（鼻、肺）、以及眼、耳等［10］。这种给药方式避免了药物直接被消化系统和肝脏分解而代谢掉，并防止药物对全身的作用。如美国麻省理工学院的科学家已研制成以用生物降解性聚乳酸（PLA）制的微芯片为基础，能长时间配选精确剂量药物的药物投送系统，并已被批准用于人体。近年来生物可降解性高分子纳米粒子（NPs）在基因治疗中的DNA载体以及半衰期较短的大分子药物如蛋白质、多肽、基因等活性物质的口服释放载体方面具有广阔的应用前景。药物纳米载体技术将给恶性肿瘤、糖尿病和老年痴呆症的治疗带来变革。
2.3.2纳米抗菌药及创伤敷料
Ag+可使细胞膜上蛋白失去活性从而杀死细菌，添加纳米银粒子制成的医用敷料对诸如黄色葡萄球菌、大肠杆菌、绿浓杆菌等临床常见的40余种外科感染细菌有较好抑制作用。
2.3.3智能—靶向药物
在超临界高压下细胞会“变软”，而纳米生化材料微小易渗透，使医药家能改变细胞基因，因而纳米生化材料最有前景的应用是基因药物的开发。德国柏林医疗中心将铁氧体纳米粒子用葡萄糖分子包裹，在水中溶解后注入肿瘤部位，使癌细胞部位完全被磁场封闭，通电加热时温度达到47℃，慢慢杀死癌细胞。这种方法已在老鼠身上进行的实验中获得了初步成功［11］。美国密歇根大学正在研制一种仅20nm的微型智能炸弹，能够通过识别癌细胞化学特征攻击癌细胞，甚至可钻入单个细胞内将它炸毁。
2.4纳米材料用于介入性诊疗
日本科学家利用纳米材料，开发出一种可测人或动物体内物质的新技术。科研人员使用的是一种纳米级微粒子，它可以同人或动物体内的物质反应产生光，研究人员用深入血管的光导纤维来检测反应所产生的光，经光谱分析就可以了解是何种物质及其特性和状态，初步实验已成功地检测出放进溶液中的神经传达物质乙酰胆碱。利用这一技术可以辨别身体内物质的特性，可以用来检测神经传递信号物质和测量人体内的血糖值及表示身体疲劳程度的乳酸值，并有助于糖尿病的诊断和治疗。
2.5纳米材料在人体组织方面的应用
纳米材料在生物医学领域的应用相当广泛，除上面所述内容外还有如基因治疗、细胞移植、人造皮肤和血管以及实现人工移植动物器官的可能。
目前，首次提出纳米医学的科学家之一詹姆斯贝克和他的同事已研制出一种树形分子的多聚物作为DNA导入细胞的有效载体，在大鼠实验中已取得初步成效，为基因治疗提供了一种更微观的新思路。
纳米生物学的设想，是在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容，第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，这种纳米机器人可注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗（疏通脑血管中的血栓，清除心脏脂肪沉积物，吞噬病菌，杀死癌细胞，监视体内的病变等）［12］；还可以用来进行人体器官的修复工作，比如作整容手术、从基因中除去有害的DNA，或把正常的DNA安装在基因中，使机体正常运行或使引起癌症的DNA突变发生逆转从而延长人的寿命。将由硅晶片制成的存储器（ROM）微型设备植入大脑中，与神经通路相连，可用以治疗帕金森氏症或其他神经性疾病。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置，可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。第三代纳米机器人将包含有纳米计算机，是一种可以进行人机对话的装置。这种纳米机器人一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式。
瑞典正在用多层聚合物和黄金制成医用微型机器人，目前实验已进入能让机器人捡起和移动肉眼看不见的玻璃珠的阶段［13］。
纳米材料所展示出的优异性能预示着它在生物医学工程领域，尤其在组织工程支架、人工器官材料、介入性诊疗器械、控制释放药物载体、血液净化、生物大分子分离等众多方面具有广泛的和诱人的应用前景。随着纳米技术在医学领域中的应用，临床医疗将变得节奏更快，效率更高，诊断检查更准确，治疗更有效。
参考文献
［1］PhilippeP，NangZLetal.Science，1999，283:1513
［2］孙晓丽等.材料科学与工艺，2002，（4）：436-441
［3］赖高惠编译.化工新型材料，2002，（5）：40
［4］苗宗宁等.实用临床医药杂志，2003，（3）：212-214
［5］崔大祥等.中国科学学院院刊，2003，（1）：20-24
［6］顾宁，付德刚等.纳米技术与应用.北京：人民邮电出版社，2002：131-133
［7］胥保华等.生物医学工程学杂志，2004，（2）：333-336
［8］张立德，牟季美.纳米材料和结构.北京：科学出版社，2001：510
［9］刘新云.安徽化工，2002，（5）：27-29
［10］姚康德，成国祥.智能材料.北京：化学工业出版社，2002：71
随着纳米技术的广泛运用，已经延伸到社会中的各个领域。目前已经研究出的纳米电子技术产品多种多样，这些纳米技术的产品不但性能优良，最主要的是功能奇特。但是值得注意的是科学家对于纳米电子技术的研究还不够深入，那么以后的还需要从新型电子元器件以及碳纳米管等方向入手进一步研发。
1 纳米电子技术的发展现状
1.1 纳米电子材料的应用
现阶段纳米材料主要有纳米半导体材料、纳米硅薄膜以及纳米硅材料等类型。在这些纳米电子材料中，可以说纳米硅材料最有发展前景，同时还符合当前社会对于电子技术的实际需求。通过对纳米硅材料与其他纳米电子材料进行比较后，可以看出纳米硅材料具有以下特点：首先，纳米硅材料在不断研发的背景下其成本处于逐渐降低的趋势，其次，该材料还具有能耗低、准确性高以及不易受外界影响的特点。最后，由于纳米硅材料中分子与分子所存在的距离较小，因此可以一定程度的提升纳米电子材料的反映速度，最终达到提升工作效率的目标。
1.2 纳米电子元件的应用
可以说纳米电子元件是以集成元件以及超大规模集成元件为基础的。其具体研发历程是在上个世纪50年代美国研究者对集成电路进行研发之后而开始的，然后经过多年的发展后逐渐从中型、大型转变为超大型的集成电路和特大类型的集成电路。在此背景下，其纳米电子元件的尺寸越来越小，现阶段的电子元件尺寸在0.1到100nm范围之内。
1.3 应用于现代医学领域
特别是在纳米技术的不断发展过程中，其纳米电子技术逐渐应用到医学的领域。可以说在医学治疗的过程中，可以利用纳米电子技术的特点在细微部分的检测与观察方面。在普通显微镜无法观测的物品可以通过纳米电子技术进一步剖析。与此同时，还可以将电化学的信息检测流程中融入纳米传感器的方式对生化反应进行诊断。同时，在纳米电子技术不断发展的背景下，产生了很多方面的高科技医学产品，例如伽马刀、螺旋CT以及MRI等。可以说生物医学以及电子学的融合对于纳米电子技术的发展具有重要的意义，纳米电子技术在生物医学的电子设备集成化具有很大的发展空间，在未来的发展中，可以将纳米电子元件的尺寸控制在分子与原子的大小之间，进而就会将微小生物体的研究带到一个新的领域。
2 纳米电子技术的发展趋势
通过对纳米电子技术的发展现状进行分析后可以看出纳米电子技术在未来发展具有很大的空间，对此主要可以从新型电子元器件、石墨烯以及碳纳米管等方向入手。
2.1 新型电子元器件
对纳米电子技术的当前模式分析后，可以断定在未来十年内必然会经过飞速发展的历程。特别是当前市场对于新型电子元器件的需求逐渐增多的背景下，还需要根据实际需求来对新型电子元器件进行扩展与完善。对此，可以从单电子器件、共振隧穿电子器件、纳米场效应晶体管、纳米尺度MOS器件、分子电子器件、自旋量子器件、单原子开关等新型信息器件的方向入手，在保证了纳米电子技术朝着良好的方向发展的同时，还可以延续摩尔定律以及CMOS的研究成果。
2.2 碳纳米管
可以说碳纳米管是纳米电子技术的发展重要方式，碳纳米管的本质是一种一维的纳米材料，其最大的特点是具有重量轻以及完美六边形的结构。因此在实际的运用中，碳纳米管具有良好的传热性能、光学性能、导电性能、力学性能以及储氢性能等。与此同时，碳纳米管在纳米电子方面具有重要的作用，并作为现阶段晶体管中主要的材料，对此有效的碳纳米管可以对集成电路的效率进行提升。
2.3 忆阻器
所谓忆阻器就是就是经过了继电阻器、电容器以及电感元件发展之后而发展的一种模式。并且忆阻器是模拟信号的方式来对非线性动态纳米元件而组成的具有交叉开关模式的纳米电子技术。忆阻器的属性不但与CMOS类似，更主要的是其具有功率低、体积小以及不受外界因素影响的特点，进而在未来的发展中可以有效的代替硅芯片等材料。
2.4 石墨烯
同时，石墨烯作为新型的纳米材料来说，不但具有超薄的特征，最主要的是其质地还是非常坚硬的。并且在正常状态下石墨烯电子的传输速度要比其他类型的纳米电子材料快，正是由于多方面的因素使得对于石墨烯的研究具有重要的意义。石墨烯和其他导体具有很大的区别，进而在碰撞的过程中其能量不会有损失。在对石墨烯的未来进行研究与设想后，根据专家预计在10年后可成功研制性能优异的石墨烯类型的导体材料与晶体管。
2.5 纳米生物电子
最后，纳米电子技术还可以与生物技术进行有效的融合，也可以认为纳米生物电子是以多个领域为核心共同建设的。在对纳米电子技术带入生物领域的过程中，利用纳米电子技术的自身特点可以制造出关于纳米机器以及附属的纳米生物医用的材料产品等，进而可以在医学领域中取得一定的成果，最终达到为人类健康做出巨大贡献的目标。
3 结束语
总之，在电子科学不断发展的背景下，其纳米电子技术的发展越来越受到国际的重视。通过对纳米电子技术的应用现状进行分析后，可以发现其应用的领域越来越广泛，也就是说纳米电子技术完全融入到我们日常生活当中指日可待。通过采用纳米电子技术可以实现一种高效、科学而环保的生物材料、电子晶体管以及医学设备等，最终达到改善人们的生活现状的目标，让人们切切实实地体验纳米时代。
参考文献
[1]叶原丰，王淮庆，郝凌云.碳纳米管在电子器件中的应用[J].金陵科技学院学报，2010（02）.
[2]许高斌，陈兴，周琪，王鹏. 碳纳米管场效应晶体管设计与应用[J].电子测量与仪器学报，2010（10）.
[3]余巧书.纳米电子技术的发展现状与未来展望[J].电子世界，2012（12）.
[4]刘长利，沈雪石，张学骜，刘书雷.纳米电子技术的发展与展望[J].微纳电子技术，2011（10）.
关键词：纳米材料生物医学应用
1应用于生物医学中的纳米材料的主要类型及其特性
1.1纳米碳材料
纳米碳材料主要包括碳纳米管、气相生长碳纤维也称为纳米碳纤维、类金刚石碳等。
碳纳米管有独特的孔状结构［1］，利用这一结构特性，将药物储存在碳纳米管中并通过一定的机制激发药物的释放，使可控药物变为现实。此外，碳纳米管还可用于复合材料的增强剂、电子探针（如观察蛋白质结构的AFM探针等）或显示针尖和场发射。纳米碳纤维通常是以过渡金属Fe、Co、Ni及其合金为催化剂，以低碳烃类化合物为碳源，氢气为载体，在873K～1473K的温度下生成，具有超常特性和良好的生物相溶性，在医学领域中有广泛的应用前景。类金刚石碳（简称DLC）是一种具有大量金刚石结构C—C键的碳氢聚合物，可以通过等离子体或离子束技术沉积在物体的表面形成纳米结构的薄膜，具有优秀的生物相溶性，尤其是血液相溶性。资料报道，与其他材料相比，类金刚石碳表面对纤维蛋白原的吸附程度降低，对白蛋白的吸附增强，血管内膜增生减少，因而类金刚石碳薄膜在心血管临床医学方面有重要的应用价值。
1.2纳米高分子材料
纳米高分子材料，也称高分子纳米微粒或高分子超微粒，粒径尺度在1nm～1000nm范围。这种粒子具有胶体性、稳定性和优异的吸附性能，可用于药物、基因传递和药物控释载体，以及免疫分析、介入性诊疗等方面。
1.3纳米复合材料
目前，研究和开发无机—无机、有机—无机、有机—有机及生物活性—非生物活性的纳米结构复合材料是获得性能优异的新一代功能复合材料的新途径，并逐步向智能化方向发展，在光、热、磁、力、声［2］等方面具有奇异的特性，因而在组织修复和移植等许多方面具有广阔的应用前景。国外已制备出纳米ZrO2增韧的氧化铝复合材料，用这种材料制成的人工髋骨和膝盖植入物的寿命可达30年之久［3］。研究表明，纳米羟基磷灰石胶原材料也是一种构建组织工程骨较好的支架材料［4］。此外，纳米羟基磷灰石粒子制成纳米抗癌药，还可杀死癌细胞，有效抑制肿瘤生长，而对正常细胞组织丝毫无损，这一研究成果引起国际的关注。北京医科大学等权威机构通过生物学试验证明，这种粒子可杀死人的肺癌、肝癌、食道癌等多种肿瘤细胞。
此外，在临床医学中，具有较高应用价值的还有纳米陶瓷材料，微乳液等等。
2纳米材料在生物医学应用中的前景
2.1用纳米材料进行细胞分离
利用纳米复合体性能稳定，一般不与胶体溶液和生物溶液反应的特性进行细胞分离在医疗临床诊断上有广阔的应用前景。20世纪80年代后，人们便将纳米SiO2包覆粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液中，使所需要的细胞很快分离出来。目前，生物芯片材料已成功运用于单细胞分离、基因突变分析、基因扩增与免疫分析（如在癌症等临床诊断中作为细胞内部信号的传感器［5］）。伦敦的儿科医院、挪威工科大学和美国喷气推进研究所利用纳米磁性粒子成功地进行了人体骨骼液中癌细胞的分离来治疗病患者［6］。美国科学家正在研究用这种技术在肿瘤早期的血液中检查癌细胞，实现癌症的早期诊断和治疗。
2.2用纳米材料进行细胞内部染色
比利时的DeMey博士等人利用乙醚的黄磷饱和溶液、抗坏血酸或柠檬酸钠把金从氯化金酸（HAuCl4）水溶液中还原出来形成金纳米粒子，（粒径的尺寸范围是3nm～40nm），将金纳米粒子与预先精制的抗体或单克隆抗体混合，利用不同抗体对细胞和骨骼内组织的敏感程度和亲和力的差异，选择抗体种类，制成多种金纳米粒子—抗体复合物。借助复合粒子分别与细胞内各种器官和骨骼系统结合而形成的复合物，在白光或单色光照射下呈现某种特征颜色（如10nm的金粒子在光学显微镜下呈红色），从而给各种组织“贴上”了不同颜色的标签，为提高细胞内组织分辨率提供了各种急需的染色技术。
2.3纳米材料在医药方面的应用
2.3.1纳米粒子用作药物载体
一般来说，血液中红血球的大小为6000nm～9000nm，一般细菌的长度为2000nm～3000nm［7］，引起人体发病的病毒尺寸为80nm～100nm，而纳米包覆体尺寸约30nm［8］，细胞尺寸更大，因而可利用纳米微粒制成特殊药物载体或新型抗体进行局部的定向治疗等。专利和文献资料的统计分析表明，作为药物载体的材料主要有金属纳米颗粒、无机非金属纳米颗粒、生物降解性高分子纳米颗粒和生物活性纳米颗粒。
磁性纳米颗粒作为药物载体，在外磁场的引导下集中于病患部位，进行定位病变治疗，利于提高药效，减少副作用。如采用金纳米颗粒制成金溶液，接上抗原或抗体，就能进行免疫学的间接凝聚实验，用于快速诊断［9］。生物降解性高分子纳米材料作为药物载体还可以植入到人体的某些特定组织部位，如子宫、阴道、口（颊、舌、齿）、上下呼吸道（鼻、肺）、以及眼、耳等［10］。这种给药方式避免了药物直接被消化系统和肝脏分解而代谢掉，并防止药物对全身的作用。如美国麻省理工学院的科学家已研制成以用生物降解性聚乳酸（PLA）制的微芯片为基础，能长时间配选精确剂量药物的药物投送系统，并已被批准用于人体。近年来生物可降解性高分子纳米粒子（NPs）在基因治疗中的DNA载体以及半衰期较短的大分子药物如蛋白质、多肽、基因等活性物质的口服释放载体方面具有广阔的应用前景。药物纳米载体技术将给恶性肿瘤、糖尿病和老年痴呆症的治疗带来变革。
2.3.2纳米抗菌药及创伤敷料
Ag+可使细胞膜上蛋白失去活性从而杀死细菌，添加纳米银粒子制成的医用敷料对诸如黄色葡萄球菌、大肠杆菌、绿浓杆菌等临床常见的40余种外科感染细菌有较好抑制作用。
2.3.3智能—靶向药物
在超临界高压下细胞会“变软”，而纳米生化材料微小易渗透，使医药家能改变细胞基因，因而纳米生化材料最有前景的应用是基因药物的开发。德国柏林医疗中心将铁氧体纳米粒子用葡萄糖分子包裹，在水中溶解后注入肿瘤部位，使癌细胞部位完全被磁场封闭，通电加热时温度达到47℃，慢慢杀死癌细胞。这种方法已在老鼠身上进行的实验中获得了初步成功［11］。美国密歇根大学正在研制一种仅20nm的微型智能炸弹，能够通过识别癌细胞化学特征攻击癌细胞，甚至可钻入单个细胞内将它炸毁。
2.4纳米材料用于介入性诊疗
日本科学家利用纳米材料，开发出一种可测人或动物体内物质的新技术。科研人员使用的是一种纳米级微粒子，它可以同人或动物体内的物质反应产生光，研究人员用深入血管的光导纤维来检测反应所产生的光，经光谱分析就可以了解是何种物质及其特性和状态，初步实验已成功地检测出放进溶液中的神经传达物质乙酰胆碱。利用这一技术可以辨别身体内物质的特性，可以用来检测神经传递信号物质和测量人体内的血糖值及表示身体疲劳程度的乳酸值，并有助于糖尿病的诊断和治疗。
2.5纳米材料在人体组织方面的应用
纳米材料在生物医学领域的应用相当广泛，除上面所述内容外还有如基因治疗、细胞移植、人造皮肤和血管以及实现人工移植动物器官的可能。
目前，首次提出纳米医学的科学家之一詹姆斯贝克和他的同事已研制出一种树形分子的多聚物作为DNA导入细胞的有效载体，在大鼠实验中已取得初步成效，为基因治疗提供了一种更微观的新思路。
1稀土上转换纳米材料结构组成
UCNP通常由基质、敏化剂与激活剂构成。目前研究发现，以NaYF4作为基质，Er3+、Tm3+、Ho3+离子对共掺杂的材料是UCL性能最好且最具潜力的UCNP[3]。其合成方法主要包括水热/溶剂热法、溶胶凝胶法、热分解法等。其中，水热/溶剂热法和热分解法因具有灵活控制晶粒生长并且一次合成过程可以同时实现纳米材料的制备及表面修饰等优点，是目前应用最广泛的合成方法[4]。通过以上方法合成的UCNP通常由疏水性配体（油胺、油酸）封端，导致合成的材料水溶性和生物相容性差。为了将UCNP更好地应用于医学领域，对其进行表面功能化修饰尤为重要。主要方法包括配体除去、配体氧化、配体交换、表面硅烷化，以及两亲性聚合物包覆等方法。
2生物医学应用
2.1生物传感
UCNP具有多个发射峰且发射谱带窄，以及近红外激发下显示出低背景自发荧光的特性，使其特别适用于生物传感的应用。UCNP已被广泛用于检测各种生物变量（如温度、pH值）。支持温度传感应用的是波尔兹曼分布理论。Er3+是常见用于温度传感的镧系离子，Er3+在520nm和550nm处的UCL，分别对应2H11/24I15/2和4S3/24I15/2能级跃迁，因此可以用来检测温度。MaestroLM等[5]设计了第一台NaYF4∶Yb/Er纳米材料用于细胞测温，使用它可以精确检测单个癌细胞，如HeLa癌细胞的温度（25℃~45℃，区间区分低至为0.5℃）。Rodríguez-SevillaP等[6]将具有光热转化作用的金纳米棒与细胞共孵育后，向培养液中加入UCNP，最后采用800nm激光对金纳米棒进行辐照，使其产生热量，进而引起细胞周围温度的升高，通过UCNP的荧光值计算出相应位置的温度值。
2.2生物成像
2.2.1CT成像
CT是临床诊断和治疗中应用最广泛的成像技术之一，该技术基于X射线衰减系数。UCNP中一些镧系元素离子具有较强的X射线衰减能力，所以其可作为CT造影剂。在镧系元素中，镥具有最高的原子序数。ShenJW等[7]将NaLuF4作为基质材料的UCNP应用于CT成像。其他研究者也对基于Yb3+的NaYbF4∶Gd/Yb/Er，NaYbF4∶Tm和基于Gd3+的NaGdF4∶Yb/Er的UCNP作为CT成像进行了充分研究[8，9]。UCNP为CT造影剂的构建提供新的原料来源。
2.2.2MRI成像
MRI是一种较新的医学成像技术，其扫描通常需要造影剂以提高灵敏度和准确度。在元素周期表中具有最高数目未配对电子的Gd3+常用作MRI造影剂。Gd3+与二亚乙基三胺五乙酸（diethylenetriamine-pentaaceticacid，DTPA）的螯合物是临床上最常用的造影剂之一[10]。研究发现其造影剂在体内释放游离Gd3+具有高毒性，将Gd3+离子掺入UCNP中可以显著降低释放从而减少毒性[11]。ZhangH等[12]研制出用于标记T细胞的超小型NaGdF4-TAT纳米探针，静脉注射24h后通过T1加权MRI可以灵敏地跟踪标记过的T细胞簇。BijuS等[13]研究出一种新型UCNPMRI造影剂（NP-PAA-FA），其可作为低于1.5TT1加权造影剂、3TT1/T2双重加权造影剂和超高磁场高效T2加权造影剂。该造影剂主要特征是通过改变磁场强度而改变造影剂的类型，此项研究将极大地推动MRI造影剂在医学领域发展。
2.2.3光学成像
UCNP已经引起了许多研究者对将其应用于光学造影剂的兴趣。典型的NaYF4∶Yb，Er可以在980nm激发下发出明亮的荧光，由于其声子能量低、上转换荧光效率高和发光颜色丰富等优点，已广泛用于小动物成像[14]。ZhangK等[15]通过酰胺化反应将纳米金刚石（nanodiamonds，ND）和NaYF4∶Yb，Er纳米颗粒结合，制备出UCNP-ND用于光学成像和细胞中药物递送的新型纳米平台，由于强烈的上转换荧光和pH响应性药物释放，UCNP-ND可以为可视化和肿瘤治疗中药物递送提供新的思路。
2.2.4多模态成像
常规的单个成像技术有其固有的限制和缺点。多模态成像可以弥补其缺点，使疾病在早期诊断阶段得到更加准确的信息，从而提高疾病的治愈率。MRI/CT双模态成像是最普遍的成像组合。JinX等[16]通过热解法首次合成具有优异的MRI/CT成像性能和相对低毒性的聚乙二醇（polyethyleneglycol，PEG）修饰NaGdF4∶Dy的纳米粒子。CT和MRI成像无法进行细胞水平成像，光学成像在细胞水平具有较高分辨率和灵敏度，但不具有较高空间分辨率和难以提供三维组织的缺点。因此，将荧光成像与CT和MRI成像相结合，可以获得组织和细胞级的高分辨成像。SunQ等[17]合成了具有优异MRI/UCL/CT三模态成像性能、较低毒性且无荧光淬灭的NaGdF4∶Yb/Er，Tm@NaGdF4∶Yb@NaNdF4∶Yb纳米材料。将多种成像相结合制备一种多功能成像探针在生物医学领域具有潜在的应用价值。
2.3肿瘤治疗
2.3.1光动力治疗
光动力治疗（photodynamictherapy，PDT）[18]是在激发光的照射下，光敏剂（photochemicalsensitizer，PS）被激发将氧气转化为活性氧，杀死癌细胞的治疗方法。其因具有微创性和时空选择性被广泛应用于肿瘤治疗领域。典型PDT由PS、激发光和氧气构成。常规PDT受到激发光穿透深度的限制，UCNP具有UCL性质用于PS的激活，从而提高穿透深度[19]。UCNP介导的PDT在深部肿瘤治疗方面已取得巨大成果。然而，缺乏肿瘤选择性而对正常组织不可避免的光毒性仍然是一个棘手的问题。LiF等[20]研究出肿瘤pH敏感光动力纳米材料（pHsensitivephotody-namicnanomaterials，PPN），由自组装PS接枝的pH响应性聚合物配体（pHresponsivepolymerligand，PPL）和UCNP组成。在正常血液pH=7.4时，PPN带负电，没有光活性，在肿瘤细胞外pH=6.5时快速将其表面电荷从阴性转变为阳性，并在肿瘤细胞内/溶酶体pH=5.5时进一步分解成单个UCNP，此过程促进聚集的PS解离成自由分子，而显著增强PS的光活性。在NIR照射下，PPN的UCL可以诱导酸性肿瘤微环境中游离PS的光激发，从而杀伤肿瘤细胞。体内和体外实验均表明，PPN可以克服传统PS不足作为潜在新型PDT用于未来癌症诊疗。
2.3.2光热治疗
光热疗法（photothermaltherapy，PTT）[21]是利用具有较高光热转换效率的材料作为光热剂，在NIR照射下吸收光能并转化为热能来杀死癌细胞的治疗肿瘤的新方法。由于稀土离子的消光系数较低，在直接光照下转化为热能的能力有限。而当其与较强消光系数等电位纳米粒子（如Au、CuS）耦合时，可提高PTT的有效性。QianLP等[22]制备出NaYF4∶Yb，Er@NaYF4@SiO2@Au纳米颗粒（粒径70～80nm）用于PTT可有效破坏人神经母细胞瘤细胞，显示出较好的抗肿瘤疗效。FanW等[23]将超小型CuS加入到UC-NPs@SO2纳米粒子表面制造出一种核心卫星纳米治疗(core-satellitenanotheranostic，CSNT)物质，基于CuS显著的PTT效应，CSNT可以在NIR照射下产生细胞毒性热，还通过掺杂的高-Z元素（Yb/Gd）作为放射增敏剂产生高度局部化的增强辐射效果。
2.3.3成像指导肿瘤治疗
近年来，随着纳米医学的迅速发展，集多功能为一体的可视化成像指导的肿瘤诊疗成为一个热点话题。研究发现UCNP可以同时实现肿瘤的诊断与治疗。YuZ等[24]研究出一种超小型具有良好靶向性并可在光学成像，MRI、CT成像下进行PDT的新型UC-NP[MNPs（MC540）/DSPE-PEG-NPY]。该UCNP对过表达Y1受体的肿瘤（如乳腺癌细胞）具有高靶向性，核壳MNP（MC540）可以实现优异的上转换荧光成像，其中掺杂Gd3+和Lu3+稀土离子可分别增强MRI和CT成像。其在体外和体内显示出良好PDT治疗效果。该纳米材料的研发将为临床中过表达Y1受体的肿瘤诊疗提供一个新思路。为了提高肿瘤治疗效果，研究者将两种或以上治疗模式集合于一体，实现疗效互补、协同作用以增强抗肿瘤疗效。LuM等[25]制备多功能纳米材料AuNRs@SiO2-IR795，实现集成的PTT/PDT和荧光成像，协同PDT/PTT对体外癌细胞抑制效率显著增高。
美国斯坦福大学“Bio-X”研究中心创立于1998年的一个跨学科研究和教育项目，主要涉及生物工程、生物医学、生物科学三大领域，跨越文理学院、工程学院和医学院三大学院。其实质就是一个由生命科学与数学、物理、化学、工程学、医学、计算机科学等学科的多学科交叉研究机构［5］。Bio-X研究中心将基础、应用和临床科学中的边缘研究结合在一起，进行从分子到机体各个层次的生物物理学研究，以实现生物工程、生物医学、生命科学等领域新的发现和技术创新。发展至今，研究中心已取得包括成功破译人类遗传基因密码，发展观测人体细胞在人体中如何活动的技术等众多的开创性成果，使硅谷的这所名牌大学在科学发现和教学方面处于领先地位。在欧洲，英国1990年已设立了包括牛津的分子科学与分子医学等17个研究中心［6］。2001年，牛津大学和剑桥大学牵头成立了由英国政府的工程和物理科学研究委员会、生物科学技术研究委员会、医学研究委员会和国防部共同组成的纳米技术跨学科研究伙伴机构(IRC)，开展了前沿生物纳米技术方面的研究。德国慕尼黑工业大学(TUM)以工程、自然科学、生命与食品科学、医学与运动科学等优势领域，建立了与生命科学、营养和食品科学、生命技术学、生物信息学和医学等学科的强有力的跨学科合作。
纵观世界一流大学跨学科组织建设与管理，具有以下共性特点:①政府、学校宏观政策的支持是跨学科组织发展的保障基石。如美国国家科学院协会2004年发表了《促进交叉学科研究》报告;哈佛大学就曾明文对该校跨学科动议项目的政策扶持作了规定。②组织结构与管理合理，强调多学科组织的强强联合、优势互补的组织合作，如MIT与哈佛大学共同合作的“哈佛－MIT健康科学技术学部”。③注重跨学科研究和教育的协同发展，如美国的HST就是主要通过研究影响疾病与保健的基础原理，开发新的药物与仪器，致力于培养医师-科学家，通过跨领域合作改善人类健康。④提供跨学科研究经费，如美国国立卫生研究院(NIH)作为美国联邦政府最大的生物医学研究机构，强调对多学科、跨学科和多机构联合的医学研究项目的资助，如2007年就给9个科学研究联合体提供了2．1亿美元的研究经费［7］。⑤多样化的激励措施，重视奖金发放和提供实践机会等。
2我国大学生物医学跨学科组织建设与发展
我国学科交叉研究萌生于20世纪50年代，而80年代初召开“首届交叉科学学术讨论会”，基本就被认定为我国跨学科研究的全面展开。到20世纪90年代，我国大学关于跨学科研究的建制开始引人关注。特别是我国“985”二期工程，为突出重大科学问题和现实问题引导，凝聚了不同学科背景的研究者开展跨学科研究，着力建设了一批创新平台。目前“985工程”科技创新平台与基地是我国大学跨学科研究的重要组织形式，其中就包括大批生物学与医学创新平台的实体机构。2000年，北京大学成立了生物医学跨学科研究中心。多年来，该中心将基础科学、技术应用和临床科学的前沿研究结合在一起，形成了以单细胞原位实时微纳米检测与表征研究，数字化诊疗仪器技术研究，医学信号与图像分析研究，大气压低温等离子体生物学效应及医学应用研究等四大主要研究方向，建立了跨学科的实验室和研究平台，组织了30余个跨学科研究项目，取得了系列跨学科研究成果［8］。
同时，该中心注重各有关学科优势互补、相互合作，对来自生命科学、物理化学、基础医学等基础学科，以及来自电子学、计算机技术、生物医学工程、临床医学等众多应用和工程学科的研究生，开展生物医学工程跨学科前沿领域的研究和人才培养，形成了新的学科生长点，培养出了具有交叉学科背景的新型人才。2006年，北京大学成立了前沿交叉学科研究院。生物医学跨学科研究中心至此成为前沿交叉学科研究院的研究中心之一。2010年，基于系统生物学的研究现状、发展趋势及其广阔的应用前景和重大的现实意义，北京大学建立了系统生物医学研究所。该研究所注重复杂系统的研究和学科交叉，并且与环境因素相结合，主要针对重大疾病，如肿瘤、心脑血管疾病、代谢性疾病等研究领域作为重点和突破点进行系统生物学研究［9］。2004年，清华大学顺应跨学科研究趋势，改革科研体制，通过将分散于全校各院系的有关生命科学、医学及相关的工程学科统一组织和协调起来，重点支持和建立了包括“清华大学生命科学与医学研究院”在内的若干研究所(或研究平台)，加强和促进生命科学与医学的发展及其与其它工程学科间的交叉合作［10］。
同年，复旦大学组建生物医学研究院。作为国家“985工程”二期建设的科技创新平台，目前研究院以“转化医学”为目标，形成了包括疾病系统生物学、出生缺陷与发育生物学、疾病发生的分子机制、创新药物和结构生物学等主要研究方向和研究团队，建设了功能蛋白质组学、基因组学、癌症研究、心血管研究、分子与细胞生物学、药物与结构以及公共技术平台等10个技术平台，建立了基础科学与临床需求的紧密联系，为重大科研项目的实施和跨学科合作研究工作的开展提供了有力支撑［11］。此外，研究院重点把学校所属上海医学院、生命科学学院、化学系、药学院、公共卫生学院及相关附属医院等院系等有机地穿插在一起，在疾病蛋白质组学、化学生物学、生物化学与分子生物学、肿瘤学、干细胞生物学、分子药理学等专业培养研究生，开展跨学科研究生教育。2000年，上海交通大学成立“Bio-X生命科学研究基地”。2005年，与神经生物与人类造化学研究室重组成立“Bio-X生命科学研究中心”(现改为研究院)，是继美国斯坦福大学后的世界第二个、中国第一个Bio-X研究中心［12］。2007年，学校又成立了系统生物医学研究中心。
该中心是集生物、医学、物理、工程、数学、信息、计算等不同学科，集研究、教育、开发及服务于一体的生物医学研究与开发的公共技术平台。中心立足于以系统生物学的方法为基础，致力于在生物整体水平、细胞和发育生物学以及单细胞分析领域开展多学科交叉融合的系统生物医学研究。同年，随着原上海第二医科大学的并入，上海交通大学成立了Med-X研究院。Med-X研究院主要依托学校临床医学学科和理工科优势，涉及生物医学工程、生物学、影像医学与核医学、材料科学与工程四个研究领域，以解决临床医学问题为目标导向，进行前沿性医学科学研究，开发高尖端领先性医疗技术产品，构建国际化、多学科交融、多资源共享、多方位服务的开放式医学应用研究平台，建立医疗技术产品研发－技术转化－临床应用体系［13］。
3我国大学生物医学跨学科组织建设困境与借鉴
1生物医学光子学的学科特点
生物医学光子学是作为生命科学和医学研究的辅助手段而发展起来的,它以生物或医学样品为研究对象,以医学、生物学和光学工程等学科的基础知识的充分融合为基础,通过工程技术手段为生物医学研究或临床应用提供检测或监控仪器和方法,所以生物医学光子学的发展和成功应用除了对生物或医学学科本身的发展具有促进作用外,对工程学、物理学、化学、材料学等学科也提出了新的要求,并客观上推动和促进了这些学科的交叉和技术的融合[4]。生物医学光子学可分为生物光子学和医学光子学两个部分,分属于生物学和医学领域,但二者的研究内容并无严格界限。也可以根据应用目的的不同,将生物医学光子学划分为光子诊断医学技术和光子治疗医学技术两个领域[5]。由于生物医学光子学的学科跨度大,不能明确界定在某一单一学科领域内,所以并无生物医学光子学专业,而是根据导师隶属单位情况和科研项目需要,在光学工程、电子工程、生物医学工程、生物技术、临床医学等一级学科下设置该研究方向,招收并培养研究生。
2当前生物医学光子学研究生培养面临的困难和问题
生物医学光子学的研究需要生物医学和工程技术两方面多学科知识的交融,需要生物学、医学、药理学、病理学、脑科学、光学、电子学、图形图像学、信号处理等多学科专家学者的参与,因而具有复杂性和综合性的特色。这种特点促使我们在生物医学光子学专业研究生培养时需要特殊的学术环境,需要观念上的转变和政策上的支持,更需要高水平的导师队伍和先进的培养模式来保证。目前,生物医学光子学方向的研究生培养还面临以下问题。
2.1缺乏新技术和新知识的传授,知识培养体系亟需完善
生物医学光子学的理论知识和技术更新都很快,不断有新的应用领域和市场需求出现,国家和社会要求我们培养具有更强创新意识和应用实践能力的研究生,可以在某一行业领域担当领头人。但当前的研究生培养,对新技术和新知识的传授不足,教材内容严重滞后,缺乏让学生开拓视野、跟随学科领域发展前沿的综合交叉性课程。
2.2研究生培养环节缺乏规范性
从事生物医学光子学交叉学科的研究生,其本身的专业背景多属于传统的单一学科范围,攻读的研究生学位也多属于此范围等。由于生物医学光子学这门交叉学科涉及的知识内容非常广博,而导师的科研课题又非常具体,使这种以导师科研课题作为研究生培养载体的方式,具有较大的不确定性和随意性,无法兼顾研究生的专业背景、科研兴趣和科研课题几方面的因素,常常是为了完成课题而进行相应的学习,未能在研究生对知识的综合—消化—应用方面下足功夫,在研究生的科研培训和能力培养环节缺乏系统性和规范性。
2.3研究生的培养质量受限于导师的研究课题
当前生物医学光子学的研究生培养大多依托于导师现有科研项目,因此在培养过程中存在一系列问题,如:以完成特定生物医学光子学研究课题为目标的研究生培养,对培养目标以及培养过程等没有清晰明确的认识,无法让学生既具备合理的知识结构,又具备综合多学科知识的素质和能力;有的导师的研究课题仅是借用了其它学科的名词和概念,而未真正开展跨学科领域的研究内容,结果是研究生的理解、认识混乱,甚至出现概念错误等现象;还有研究课题仅仅是生物医学和光学内容的简单叠加,缺乏真正的融合和借鉴,研究生在课题研究中无法深入下去。以上种种,不但不能产生创新成果,反而影响了研究生培养质量,阻碍了研究生的学术水平提高。
2.4现行的教学管理体制难以满足学科交叉研究和研究生培养的需要
世界各国对交叉学科研究极为重视。英、美等发达国家都相继成立了生物医学相关的交叉研究中心,便于来自不同学科背景的科研人员相互交流和沟通,为前沿学科建设开辟道路。反观国内,只有少数几所重点大学或中科院的研究所设立了专门从事生物医学相关领域的交叉学科研究院或研究中心,如,北京大学的前沿交叉学科研究院建立的生物医学跨学科研究中心,而大部分学校院、系划分都是长时间不变的。从事生物医学光子学研究方向的教师要有确定的学科“归属”才具有所在学科的资源(包括经费和科研设施等)使用权,而研究生也是通过某一特定学科的入学考试内容,遵循其培养方案和培养目标进行学习和科研培训[6]。严格的学科界限使生物医学光子学研究方向的导师无法合理整合校内资源为交叉学科研究服务,是开展交叉学科研究生培养的直接障碍。
3生物医学光子学研究生培养模式的探索和建议
完善培养和管理工作是生物医学光子学方向研究生培养顺利进行的保证,我们需要在人才输入(招生)—人才培养—人才输出(学位授予)这三个方面都留有足够的空间,给予适当的政策倾斜,并完善配套的管理运行机制。
3.1采取灵活的招生政策,鼓励跨学科招生
招生机制是人才培养机制三步曲中的第一步,高质量的生源是高水平人才培养的第一关。我们的目标是选择合适的人,创造适合的环境,让通过适当的机制选拔进来的人能在这样的环境中成为优秀的交叉学科人才[7]。因此,为发展生物医学光子学交叉学科研究,调动导师在交叉学科培养研究生的积极性,调动学生从事交叉学科研究的热情和兴趣,学校对交叉学科研究生的招生工作应采取特殊的政策:首先,对交叉学科的招生名额分配有倾斜政策,以支持交叉学科的学科发展和人才培养;第二,鼓励跨学科招生和报考,例如,光学工程专业生物医学光子学方向招生,即可以招生简章中列出欢迎生物、医学相关学科研究生报考,并增加相应的入学考试可选科目;第三,学校保留部分名额优先录取优秀的跨学科学生或接收跨学科推免生等。#p#分页标题#e#
3.2规范研究生培养和管理环节
(1)设立跨学科联合指导教师小组。目前的研究生培养主要采取导师责任制,是一对一的责任关系。但对生物医学光子学研究生而言,应结合科研需要、本单位研究特色以及研究生的专业背景,合理配置跨学科联合指导老师小组,整合本校内的优势力量,实行多对一或多对多的师生关系,如,以生物显微成像为特色的单位,应配备细胞生物学、光学工程和图像处理技术方面的导师队伍,以光学医疗仪器为特色的单位,应配备光学、测控技术和临床医学方面的导师组。来自相关学科的高水平教师共同培养交叉学科的人才,对研究生相关学科知识结构的建构和高水平研究课题的选定都具有重要作用,同时,研究生也可以在导师组的指导下以补修和自学等方式学习欠缺的跨学科知识。
(2)严把培养环节质量关。导师指导小组要对研究生从入学、选课、选题、科研实践、、毕业答辩各个培养环节全面负责,将知识传授和能力培养相结合。首先,入学之初,指导小组即对每个研究生的学科背景和能力进行评估,针对学生的背景和兴趣初步确定科研方向,并制订课程学习计划,为学生完成生物医学光子学交叉学科研究课题储备必要的专业知识,同时鼓励学生选修具有“新兴、前沿和交叉”特点的课程;其次,安排跨学科的学生补修部分相关学科的本科生课程,以补充知识上的欠缺;第三,指导小组要为学生提供参与科研实践的平台,在未正式进入课题之前,指导学生参与短期(2～3个月)科研轮训,使学生对本学科方向正在进行的科研内容有所了解,进而因势利导明确研究课题;第四,导师指导组应随时跟进研究生的科研进度,在研究生论文选题和中期检查时对所开展科研工作进行正确的引导和调整,保证培养过程的顺利进行。
(3)构建科研大平台,引导研究生学术成长。良好的科研环境是个人学术成长的关键因素。构建生物医学光子学科研大平台,吸引更多相关学科优秀的科研人员加入到导师队伍中来,是提高研究生培养质量的重要举措,不同学科学术思想的熏陶,不同思维方式的影响以及多学科导师在科学研究方面的通力合作和团队精神也会对研究生产生潜移默化的影响,有利于其学术成长;此外,导师要充分调动研究生的积极性,保护研究生跨学科研究的科研热情,重视研究生个人的主观能动性和兴趣,只要使用正确、合理的引导方式,不同专业背景的研究生与导师之间可以碰撞出很多新的思想火花,获得意想不到的收获。
(4)多途径培养创新人才,完善知识体系。在当今这个多元化的时代,人才培养的途径也是多种多样的。为了适应生物医学光子学领域对创新型人才的需求,学校应设立专项基金,支持和鼓励研究生从事学术交流,如吸引学生参加国际会议、科技竞赛、制作大赛等活动,激发学生主动学习的兴趣,引导学生掌握正确、科学的学习方法,尤其是适应自身特点的学习方法及获取知识的能力,引导学生学会用所学的知识创造性地解决实际问题,提升学生实践能力与创新精神。此外,针对课程设置方面存在的问题,建议在专业培养目标指导下,从师资队伍、课程内容、实验教学资源全方位的整合。鼓励老师多开设前沿性课程,邀请本领域国外专家为研究生开设讲座类课程;通过汲取国内外相关领域的先进经验,结合科研和实验教学资源,建设生物医学光子学交叉学科系统、完善的知识体系,重视课程内容的系统性、前沿性及与本单位研究特色的相关性,重视学生集成—融合—应用能力的培养。
3.3正确把握学位内涵,严格学位授予工作
中图分类号：TN711 文献标识码：A 文章编号：
正文： 近年来，随着物联网技术在农业领域的使用，精准农业、智能农业、智能感知芯片、移动嵌入式系统应用等技术在现代农业逐步发展。物联网技术可以改变粗放的农业管理方式，通过无线传感器网络可以有效地降低人力消耗，获得准确的农作物生态环境和农作物信息，实现科学种植，科学监测，对促进现代农业发展方式的转变具有十分重要的意义。
1、农业物联网的概述
农业物联网是建立农产品的动态实时监控、事后溯源的体系，主要由智能灌溉系统、综合控制中心、视频监控系统组成。它确定了对象的属性,属性包括静态和动态的属性, 动态属性需要先由传感器实时探测, 静态属性可以直接存储在标签中。
农业物联网需要识别设备完成阅读对象的属性，并将信息转换为适合网络传输的数据格式；该对象通过网络传输到信息处理中心的信息，由处理中心完成物体通信的相关计算。
2、物联网的关键技术
2.1射频识别(RFID)
RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签,操作快捷方便。最基本的RFID系统由电子标签、读写器和天线3部分组成。
RFID系统基本工作原理是读写器发出含有信息的一定频率的调制信号，这个过程是通过天线来完成的;当读写器接收到电子标签发送过来的信号,经过解调和解码之后,将标签内部的数据识别出来,送至电脑主机进行有关处理。
当电子标签进入到读写器的工作区时,其天线通过耦合产生感应电流,从而为电子标签提供相应的能量,此时标签根据读写器发来的信息决定是否响应,是否发送数据。
目前,在农畜产品安全生产监控、动物识别与跟踪、畜产品精细养殖数字化系统、农畜精细生产系统、农产品物流与包装等方面已正式应用RFID技术。
2.2无线传感器网络(WSN)
无线传感器网络是以自组织和多跳的方式构成的无线网络, 包括大量的静止或移动的传感器。其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息,并报告给用户。大量的传感器节点将探测数据,通过汇聚节点经其他网络发送给了用户。传感器网络实现了数据采集、处理和传输的3种功能,而这正对应着现代信息技术的三大基础技术,即传感器技术、计算机技术和通信技术。
在传感器网络中,传感器节点具有端节点和路由的功能:一方面实现数据的处理和采集，对本身采集的数据和收到的其他节点发送的数据进行综合,另一方面实现数据的路由和融合, 转发路由到网关节点。
传感器节点数目非常庞大,通常采用不能补充的电池提供能量，传感器节点的能量一旦耗尽,那么该节点就不能进行。网关节点往往个数有限,能量能够得到补充。
路由功能和数据收集功能，对传感器网络的整个生命周期的直接影响。因此，传感器网络研究的是传感器网络节点。具体的应用不一样，传感器网络节点的设计是不一样的，但是基本结构是一致的。传感器网络中的节点一般是由处理器单元、传感器模块、无线传输模块和单元模块四部分组成，近年来，在农业领域特别是在精准农业中越来越多地应用。
3、物联网技术在现代农业的初期应用
3.1中国的精准农业
精准农业(Precision Agriculture)是按照田间各个操作区域的具体情况, 准确精细地调整各项土壤和作物管理结构,最大程度地优化和运用各项农业投资,以获取最高的效益和最多的产量,同时保护土地、保护农业生态环境等自然资源。
随着GPS系统(全球定位)、RS (遥感)、GIS系统(地理信息)、DSS (决策支持系统)、VRT (变量处理设备)等技术的发展, 作为基于信息高科技的集约化农业，精准农业应运而生,并成为可持续农业发展的热门产业,其应用实践和理论的研究将极大地促进我国现代化农业的发展。
精准农业的目标在于资源的高效利用、农业生产过程的改善及科学管理，实施精准农业不仅具有重要的经济效益,而且具有显著的社会效益、生态效益和环境保护效益。
3.1.1智能化温室大棚
数字化温室大棚配有硬件设施和软件系统组成。硬件设备自动实时获取温室各种信息后，通过无线传输到控制中心，由控制系统做控制决策，从而自动控制风机、湿帘、卷模机和电磁阀，且控制器还控制整个温室水管管路的水压。安装的物联网信息采集与智能温室大棚系统共包括6个无线信息采集节点，分别安装在温室大棚的典型位置，每个节点均可以自动采集土壤温度、湿度、空气温度、湿度、光照强度、植物养分等信息。各节点采集的信息通过智能自组网方式向监控中心传递采集数据，监控中心对各个节点所采集的实时数据进行处理，并结合专家系统知识产生相应控制量，通过无线发送控制命令到智能温室控制柜。实现温室内的自动灌溉、自动卷膜、自动通风、自动开关湿帘等全智能化自动控制。同时，该系统采样智能变频技术控制抽水泵自动工作，并保持管道内水压恒定。确保花卉和种苗生产便利和生产安全，节省电能。
信息采集
农业物联网应用所需的相关感器设备，主要包括：温度、水分、光照、土壤水分传感器、植物养分传感器、植物冠层信息传感器等，经过多年的实际应用，传感器设备性能稳定、对农业环境适应能力强、使用寿命长、维修维护工作量小。
信息传输
农业物联网无线传感节点
可监测土壤水分、土壤温度、空气温度、空气湿度、光照强度、植物养分含量等参数，其它参数也可以选配，如土壤中的PH值、电导率等等。汇聚并存储传感设备采集的数据信息，通过无线方式传送给无线传输路由器或者智能控制中心。 农业物联网无线传输路由器接收和汇集无线传感节点发来的数据，做临时存储，然后再转发给智能控制中心。
智能控制
农业物联网智能控制柜，包括开关量控制、模拟量输出控制、变频控制等，负责接收无线传感节点和无线传输路由器发来的数据，然后存储并显示实时数据，最后对所有节点的数据进行管理、动态显示和分析处理，以直观的图表和曲线的方式显示给用户，并根据现场的需求提供各种声光报警信息和短信报警信息等。
数字化温室大棚安装后，智能温室信息采集与控制系统一直正常运行。在行自动控制模式下，自动信息的感知、无线传输和智能控制。如传感器感知土壤水分不够时，将自动开启电磁阀进行灌溉；当感知水分满足要求时自动停止灌溉，实现高智能化程度的自动灌溉。同样，当温室大棚内温度高于36度时风机将自动开启，直至温度低于35度风机自动停止。当大棚温度达到40度以上时，控制系统将自动开启湿帘和风机，进行对流降温。软件界面如图所示。同样，该系统也可以根据光照强度实行卷膜自动控制。真正实现了智能温室控制。
动态实时监测温度、湿度、CO2含量、风速、风向、雨量等变化，通过智能控制系统、加湿系统、通风系统、遮阳系统及加热系统，自动实现保湿、通风、光照的调节，以达到调节产期，促进生长发育，提高质量和产量的目的。
3.1.2远程视频监控系统
远程视频监控系统
远程视频监控系统是一个融合传统监控和传统会议功能，无线接入和有线接入，宽带技术与窄带技术，视频业务、语音业务、数据业务和指挥调度业务于一体的综合监控系统。通过该系统，可以监控现场情况，可以与监控点之间实现语音双向对讲，可以通过车载设备远程实现对突发事件现场的监控和处理；可以通过手机查看监 控现场的情况，也可以点播历史监控录像。
3.1.2生物传感器
生物传感器具有接受器与转换器的功能，是一种对生物物质非常敏感并将其浓度转化为电子信号进行检测的仪器，是用固定化的生物敏感材料作识别元件(包括抗原、抗体、微生物、细胞、酶、组织、核酸等生物活性物质)与适当的理化换能器(如氧电极、场效应管、光敏管、压电晶体等)及放大信号装置构成的分析系统或工具。
生物传感器是一门由化学、物理、生物、医学、电子技术等多个学科相互渗透而成长起来的高新技术。因其具有灵敏度高、分析速度快、选择性好、成本低、在复杂的体系中进行在线连续监测,特别是它的高度微型化、自动化与集成化的特点,使其在近几年获得非常迅速的发展。在国民经济的各个部门如制药、化工、食品、临床检验、环境监测、生物医学等方面有广泛的应用领域。特别是光电子学、分子生物学与微电子学、纳米技术及微细加工技术等新学科、新技术结合,正改变着环境科学动植物学、传统医学的面貌。
生物传感器的开发与研究,已成为世界科技发展的热门产业,成为新世纪新兴的高技术产业的重要组成部分,具有十分重要的意义。
3.2农产品质量安全监督检测
目前,我国食品安全事故频发,其中很重要的一个原因就是缺乏对食品的监管,物联网给食品监管提供了一个有效的工具。国内已出现“食品安全追溯系统”,将RFID技术应用于畜牧业食品生产的全过程,包括饲养、防疫灭菌、产品加工、食品流通等各个环节。
如给生猪带上RFID的芯片,监控生猪的整个生命过程,从出生、生长到屠宰、销售。尤其是在生猪的生长过程中,可以检测其生长环境和体温等数据,而在生猪屠宰后,在农贸市场的猪肉经营店配备电子溯源秤,消费者在购买猪肉时可索取含有食品安全追溯码的收银条,凭借收银条上的追溯码查询生猪来源、屠宰场、质量检疫等多方面信息。
4、农业物联网发展展望
农业物联网应用的发展项目有很多,智能控制温室、自动室外气象监测、液肥精准投用、静电精准喷药等精准农业技术,实时定量监控在不同生长周期农作物所需的二氧化碳浓度、温度、湿度、光照等，调节肥料、农药的投入,帮助农民实现更精细的耕作。
通过在农业园区安装生态信息无线传感器和其他智能控制系统,可对整个园区的生态环境进行检测,从而及时掌握影响园区环境的一些参数,并根据参数变化适时调控诸如灌溉系统、保温系统等基础设施,确保农作物有最好的生长环境,以提高产量保证质量。
5、结语：从不同阶段农产品生产来看,无论是从种植的培育阶段，还是从收获阶段,都可以用物联网的技术来提高精细管理水平和工作的效率。农业物联网技术的应用推广,也是农业现代化水平的一个十分重要标志。农业物联网的迅速发展,将为中国现代农业发展与世界同步提供一个国际领先的崭新平台,也必将为传统农业改造升级起到巨大的推动作用。
参考文献:
[1]吕廷杰.物联网的由来与发展趋势[J].信息通信技术,2010(2):28-30.
[2]黄涛.物联网技术与应用发展的探讨[J].信息通信技术,2010(2):56-58.
3-D打印技术，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。最早起源于19世纪末的美国，随着智能化的发展，3-D打印技术逐步成熟，并应用于各行业，影响着人们的生活。近年来，3-D技术应用于医学行业有广泛的报道，苏格兰科学家 Faulkner-Jones等利用细胞打印出人造肝脏组织[1]。本院将3-D打印技术运用于全膝关节置换，取得良好的临床效果，现报道如下。
1 资料与方法
1.1 一般资料 本组6例患者，男3例，女3例，68～81岁，平均74.6岁。纳入标准：（1）符合骨关节炎诊断标准。（2）所有病例手术前均全面体检及辅助检查，并经1位资深主任医师手术治疗，手术后住院2周以上。（3）所有骨关节炎病例均为Holden Ⅳ级病例（即严重硬化、关节间隙消失）。
1.2 方法
1.2.1 术前准备 术前行关节X线片、膝关节CT扫描。术前有内科疾病的请相关内科科室会诊、治疗。待病情平稳，无明显手术禁忌证时进行手术。
1.2.2 方法 CT扫描范围：包括髋关节、膝关节、踝关节。所需的解剖结构包括：获得轴向平面的所有切片髋关节影像（髂前上棘至耻骨联合）；膝关节影像（膝关节上下100 mm，包括胫骨结节附着的髌韧带）；踝影像（踝关节以下至跟骨中央）。切片厚度和间距：建议轴向平面切片1.25 mm×1.25 mm或1 mm×1 mm，当需要增加层厚时，层厚不得低于2 mm。视野（FOV）使用同一的视野，在扫描过程中不要改变，需要仔细对准腿以获得股骨头、膝关节和踝。切片时，不要随意改变X和Y轴的坐标原点，即所有CT切面具有同一个坐标系，数据格式：DICOM，CT设备通用格式。图像通过计算机建模软件（CAD）建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，后通过成快速成型文件格式STL将三维数字化模型输入3-D打印机。打印机将打印出膝关节模型，术前根据模型畸形的矫正程度，假体安放位置评估、模拟操作，并制定合适的假体。本文对患者左腿手术进行股骨假体设计及胫骨假体设计。术中根据术前测量截骨量进行截骨，并安放定制的假体，记录手术时间及假体的匹配度。
1.3 术后处理 术后3 d使用抗生素预防切口感染，术后24～48 h拔除引流管，3 d后下床行膝关节功能锻炼。
2 结果
患者平均手术时间为45 min，较过去减少；出血量减少；下床时间为术后3 d，术中假体使用与术前定制假体匹配，截骨及假体放置均一次成功。随访3个月～1年，未出现关节感染、假体松动现象。患者膝关节HSS评分均大于85分，屈伸活动功能好，改善明显。
3 讨论
3.1 3-D打印技术的原理 3-D打印技术是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。其基本原理为：（1）设计过程：首先通过计算机建模软件（CAD）建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，后通过成快速成型文件格式STL将三维数字化模型输入3-D打印机。（2）打印过程：打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料利用激光束或热熔喷嘴等方式，在平面方向X-Y方向黏结成截面形状，然后在Z坐标方向将各层截面进行逐层叠加，粘合起来从而制造出一个实体。与传统的“切削去除”材料方法（如3-D雕刻）不同，3-D打印采用“逐层增加”材料的方式来制作三维实体[2]。
3.2 3-D打印技术在外科中的应用 3-D打印技术作为一种新发展的技术，发展迅速，目前已在工业制造、生物医疗等得到了长足发展，并取得了一定的成效，近年来已逐渐应用于骨科领域，完善了骨科复杂手术的术前准备，使手术由复杂变简单化。它通过采集术前CT、X线等影像数据，经过CAD计算机软件处理，输入快速成型机器，制成实体硬组织一致的模型，有助于术前准确了解硬组织的细微解剖结构及病变与周围结构的关系，提示截骨线、骨块移动的位置信息等，起到指导手术的作用[3]。在口腔颌面部应用上，Levine等[4]将该技术应用于下颌骨重建术、正颌手术、颌面部创伤修复和颞颌关节重建术等70余例手术，取得良好的重建及手术效果。Mazzoni等[5]通过打印导板，术前模拟引导手术，并在术前及术后和CT影像进行手术的传统术中下颌骨4个解剖位点（髁突外侧点、下颌骨正中点、下颌骨牙弓曲度和髁突空间位置）进行术中具置与术前规划的偏差，认为在导板引导下的个性化骨板植入术可大大缩短手术时间，提高手术精确性，尤为在髁突空间位置和下颌骨牙弓曲度作用明显。将该技术应用于脊柱及复杂骨盆手术应用研究方面，有报道取得良好的手术效果。Guarino 等[6]将3-D打印技术应用于10例小儿脊柱侧凸及3例复杂骨盆骨折，结果表明该技术提高复杂骨盆骨折分类的准确性及椎弓根钉植入的准确性，减少医源性脊髓损伤几率，并缩短手术时间。Sun等[7]分别将3-D打印技术应用于骨盆肿瘤患者，在打印的骨盆模型上切除半骨盆，然后设计个性化人工半骨盆假体，取得了满意临床效果。而在一些特异性高的手术上，3-D打印技术不仅可以模拟骨骼实体，还可以根据手术要求制备个体化手术器械。Lee等[8]应用该技术制备了个体化股骨假体和股骨髓腔导向器，使手术更精准，成功为2例石骨症患者施行人工全髋关节置换术。在关节外科应用上，3-D打印技术因其可以为患者“量身定制”个体化模型，使关节置换中假体型号的选择、假体安放位置的准确性以及畸形的矫正程度等技术难题得到解决。这使得关节严重畸形、软组织严重挛缩的患者的术前手术方案的制定简单化、准确化，从而提高关节外科复杂高难度手术的成功率，使手术更精确、更安全。Won等[9]报道利用该技术成功为21例髋关节严重畸形患者制定手术方案术中明显缩短了手术时间、出血量，术后影像学提示假体匹配良好。Sciberras等[10]首次将该技术应用于1例复杂髋关节翻修术，根据3-D打印技术制作的假体，进行详细的术前评估和模拟操作，手术获得了成功。He等[11]利用3-D打印技术制备了半膝关节和人工骨模具，分别通过快速铸造和粉末烧结成型技术制备出个体化钛铝合金半膝关节和多孔生物陶瓷人工骨，并将组装后的复合半膝关节假体植入患者体内，术后随访表明该复合半膝关节假体与周围组织、骨骼匹配良好，并且具有足够的机械强度。
本院应用3-D打印技术应用于全膝关节表面置换术，有利于制定最佳手术方案，指导开展个体化关节外科手术，术前有效确定植入物的类型、大小和位置，使手术操作更精准，手术一次性完成，减少了操作、术中使用工具数量，从而减少了手术时间，取得了良好的临床疗效。这与报道的临床实践相符合[12]。
3.3 3-D打印技术目前存在的缺点 3-D打印技术可以将抽象的三维数字模型转变成为直观、立体的实物模型，降低了高难度手术的术前准备、减少了手术时间、提高了手术的成功率，作为一项革命性的新技术，其颠覆了传统医疗模式。但3-D打印目前仍然存在使用上的缺点。（1）因该项技术尚未得到广泛推广，3-D打印的使用费用高，包括3-D打印设备的购置、运行，打印材料及相关专业人员费用，大多数患者不能承担其费用，在部分地区仅用于医学研究。（2）打印材料不能满足临床医学的需求。目前大多打印的假体因其材料使用有限，不具有生物相容性、可降解性，大多仅用于模型供术前准备，而不是作为实体安放于体内。（3）3-D技术因打印模型的个体化，使得在打印部分要求较高的模型时，耗时时间较长，且该项技术要求院内学科合作，这使得急诊手术在3-D打印技术中不占优势。
3.4 3-D打印技术在关节外科应用中的展望 尽管3-D打印在目前存在部分缺点，但其在未来关节外科发展中必会起到决定性的作用。目前在生物医学领域，3-D打印技术已被应用于器官模型的制造与手术分析策划、个性化组织工程支架材料和假体植入物的制造，以及细胞或组织打印等方面[13]。3-D打印技术被广泛应用于组织工程骨和软骨研究领域，在关节外科修复重建领域展示了良好的应用。采用3-D打印技术制备的组织工程支架材料不仅具有与缺损组织相匹配的解剖外形，同时也具有满足细胞黏附、增殖的内部三维多孔结构[14]。Billiet等[15]应用该技术辅以微米、纳米技术，可根据需要设定特定的孔隙率、交联，显著提高支架的生物学及力学性能，使其有利于细胞黏附、增殖、分化，从而促进骨组织生长及骨折愈合等。Lee等[16]和Woodfield等[17]将3-D打印的骨软骨支架应用于动物实体，取得良好的效果。Xu等[18]利用静电纺丝和喷墨打印相结合的方法制作组织工程软骨。将活细胞和支架材料一同打印是3-D打印技术在关节外科基础研究领域应用的进步性标志，但如何实现细胞在支架内按照预制组织结构进行精准分布、如何构建营养通道血管、如何提高打印组织的机械性能等，都是未来研究方向[18]。随着3-D打印技术的不断发展，自体“生物型人工关节”将在未来成为可能。
参考文献
[1] Faulkner-Jones A，Greenhough S，King J A，et al.Development of a valve-based cell printer for the formation of human embryonic stem cell spheroid aggregates[J].Biofabrication，2013，5（1）： 15 013.
[2] Rengier F，Mehndiratta A，Von Tengg-Kobligk H，et al.3D printing based on imaging data： review of medical applications[J].Int J Comput Assist Radiol Surg，2010，5（4）：335-341.
[3] Olszewski R.Three-dimensional rapid prototyping models in craniomaxillofacial surgery： systematic review and new clinical applications[J].P Belg Roy Acad Med，2013，11（2）：43-77.
[4] Levine J P，Patel A，Saadeh P B，et puter-aided design and manufacturing in craniomaxillofacial surgery： the new state of the art[J].J Craniofac Surg，2012，23（1）：299-293.
[5] Mazzoni S，Marchetti C，Sgarzani R，et al.Prosthetically guided maxil-lofacial surgery： evaluation of the accuracy of a surgical guide and custom-made boneplate in oncology patients after mandibular recon-struction[J].Plast Reconstr Surg，2013，131（6）：1376-1385.
[6] Guarino J，Tennyson S，Mc Cain G，et al.Rapid prototyping technology for surgeries of the pediatric and pelvis[J].J Pediatr Orthop，2007，27（8）：955-960.
[7] Sun W，Li J，Li Q，et al.Clinical effectiveness of hemi pelvic recon-struction using computer-aided custom-made prostheses after resec-tion of mal ignant pelvic tumors[J].J Arthroplasty，2011，26（8）：1508-1513.
[8] Lee M，Wu B M.Recent advances in 3D printing of tissue engineering scaffolds[J].Methods Mol Biol，2012，868（15）：257-267.
[9] Won S，Lee Y，Ha Y，et al.Improving pre-operative planning for com-plex total hipreplacement with a rapid prototype model enabl ing surgical simulation[J].Bone Joint J，2013，95B（11）：1458-1463.
[10] Sciberras N，Frame M，Bharadwaj R，et al.A novel technique for pre-operative planning of severe acetabular defects during revision hip arthroplasty[J].Bone Joint J，2013，95B（30）：63.
[11] He J，Li D，Lu B，et al.Custom fabrication of a composite hemi-knee joint based on rapid prototyping[J].Rapid Prototyping Journal，2006，12（4）：198-205.
[12] Zhang S，Liu X，Xu Y，et al.Application of rapid prototyping for tem-poromandibular joint reconstruction[J].J Oral Maxillofac Surg，2011，69（2）：432-438.
[13] Klein G T，Lu Y，Wang M Y.3D printing and neurosurgery-ready for prime time？[J].World Neurosurg，2013，80（3-4）：233-235.
[14] Pang L，Hao W，Jiang M，et al.Bony defect repair in rabbit using hybridrapid-prototyping-polylactic-co-glycolicacid/ β-tricalciumphosphate collagen I/apatite scaffold and bone marrow mesenchymal stem cells[J].Indian J Orthop，2013，47（4）：388-394.
[15] Billiet T，Vandenhaute M，Schelfhout J，et al.A review of trends and limitations in hydrogel-rapid prototyping for tissue engineering[J].Bio-materials，2012，33（26）：6020-6041.
[16] Lee C H，Cook J L，Mendelson A，et al.Regeneration of the articular -surface of the rabbit synovial joint by cell homing： a proof of concept study[J].Lancet，2010，376（9739）：440-448.
