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  利用有生命来参于改造自然现象的过程,对象可以是无生命物质,例如发酵工程、酶工程;或以生物为对象,人为地改造生命现象的过程,例如医学工程、农业工程、细胞工程因工程等等。仿生学不是利用生物作为手段,但也是通过深入了解生命现象的规律来解决工程技术问题,也可属于广义的生物工程学范畴之内。即凡是以有生命物质作为手段来影响或改变无生命现象,或用各种自然科学的方法、技术来影响或改变有生命现象的自然过程,以达到为人类服务的目的,都可以包含在生物工程范畴之内。

  生物工程的范围非常广,可以根据生物的不同结构层次来划分为许多分支分:子水平,如酶工程、基因工程;细胞水平,如细胞工程;器官或整体水平,如医学工程中的大部分内容;群体水平,如农业工程中的大部分内容。

目录

生物医学工程

  以人为对象的生物工程,也称“医学工程”。生物医学工程,是在电子学、计算机科学、高分子化学、力学、近代物理学与各种新技术发展的基础上,并在它们与医学渗透、结合的条件下发展起来的。因此,自然科学与技术科学的发展,必然大大推动生物医学工程的不断发展。反过来,生物医学提出的问题,又会促进这些学科不断发展。

  生物医学工程是综合运用现代自然科学和工程技术的相应理论和方法,从工程学的角度深入研究人体的结构、功能及其相互关系,以解决医学中的有关问题的一门新兴边缘学科。与其他学科不同,生物医学工程侧重“从工程学的角度”和“解决医学中的问题”。为了研究人体正常生理状态与病理状态及其间的差异,要利用现代自然科学和技术科学来深入了解机体各层次的成分、结构及功能。研究中紧紧围绕着解决医学问题这一目的,也就是为了彻底查明和尽量缩小病理状态和正常状态之间的差异。

  生物医学工程可以分为应用与基础两大部分。应用生物医学工程又包含很多方面:从医学的角度来看,可以分别应用于临床医学、康复医学及基础医学;从工程学的角度来看,可对应于技术科学或自然科学的不同学科。在进行生物医学工程研究时,可以直接检测生物自身发出的各种信息,加以分析,也可通过外界因素对机体作用而获得生物结构和功能的知识,外界因素还可作为一种能量来源,作为诊断或治疗的手段。

生物成分和结构的分析

  通过外界因素的作用,观察人体各种类型的反应,以分析生理和病理状态下的状况。生物物质的组成成分,可利用各种类型的光谱、磁共振和其他波谱技术,对离体样品或对活体进行分析,以至做在位微区分析。如利用近红外光谱技术,配合以复杂光谱数据的多变量统计方法,可望不必抽血而对人的血脂进行无损测量。急性淋巴性白血病患者血清的电子自旋共振谱,比正常人在低场方向多一个吸收峰。由于制造出大容积的超导磁体,可放入人体并测出任何部位的高分辨核磁共振谱,以监测在正常及疾病时各器官的代谢,如取得移植前肾脏代谢状态的信息。对亚细胞及分子层次的分析,要先利用色谱、离心、质谱等方法进行分离提纯,或用各种显微光谱技术直接分析。对生物大分子的氨基酸或核苷酸组成也发展了顺序分析方法。生物结构的分析,可在不同层次进行。器官水平的可用放射性同位素体外显像的方法进行扫描或照像。B 型超声断层显像,是目前超声诊断的最主要方法,能适时显示人体内组织、器官的形态,可用来诊断2毫米大小的原发性肝癌及胰腺瘤等。计算机辅助断层扫描显像术(CT)将不同角度的投影数据进行处理,重建成横断层图像。临床用的X射线CT,其空间分辨率已达1毫米以下,高速X射线CT 已可进行心脏动态观察。利用正电子发射核素可以标记体内各种化合物或其代谢产物,故正电子发射CT可反映人体的生理、病理及代谢状况,是研究脑功能的有力手段。超声CT也正在发展中。核磁共振CT通过氢、磷、钠等核的分布显示人体内部的形态,了解局部的生理、生化信息。其空间分辨率不断提高,1986年利用磁场强度为9.5特斯拉 89毫米直径的高分辨率核磁共振谱仪,已得到一种蟾蜍卵的单个细胞的核磁共振像。采用激光或超声,根据多卜勒频移效应,可测量血管或心脏内的血液流速、流量、流向及血管内的通、断,心脏瓣膜的运动状况;可诊断大脑血流状态,用于诊断、预防中风;还可测量胎儿的活动。细胞水平和亚细胞水平的结构可用各种光学显微术或电子显微术来分析。超声显微镜的分辨率有可能超过光学显微镜,优于0.5微米。扫描隧道显微术是一种观查样品表面的光学显微技术,已可达电子显微镜的分辨率。对于显微镜样品的连续切片,或用光学聚焦的方法得到透明样品不同深度的显微图像,可用计算机技术进行三维重建,得到样品形态的三维图像。已采用模式识别与计算技术对细胞或染色体的形态作自动分析,前者已有仪器用于癌症普查。由于采用多种光谱和波谱技术已得到了细胞膜的分子动力学过程的大量知识。还广泛利用 X射线或中子对生物大分子的结构作散射、衍射分析。

生物信息的检测与分析

  人体本身发出各种不同性质的微弱信号,有生物电(心电、脑电、肌电等),生物磁(心磁、脑磁)、热辐射、生物发光等。用各种手段来探测、分析这些信号,有助于了解生理及病理状况,找出诊断某些疾病的客观指标。例如用模式识别技术对心电图作计算机分析,可诊断不同类型的心脏疾患,监护和警告严重发病。

  某些物理因素作用于人体,可起到治疗作用。如电磁场能促进创伤或骨折愈合。激光可使机体组织凝固、变性、气化,可用于切除病变组织;也可用于照射穴位,如通过内窥镜作用于体内,还可配合光敏化剂而有选择地作用于某一病灶。可用微波热图术通过测量皮下温度异常来诊断有关疾病,微波成像可观察肺部水肿、气肿。微波加热疗法已用于临床治疗肿瘤。

康复医学

  各种人工器官是应用生物医学工程的重要内容,如肾、肝、心脏瓣膜、心脏、假肢、血管、皮肤、人工肾等。如1982年美国一位病人植入人工心脏活了112天;1984年11月植入的一例人工心脏工作了620天;1986年在欧美7个国家共做了43例。

基础生物医学工程

  要了解外界物理因素对机体的医疗作用及危害,必须知道像激光、超声、电磁波等能量在体内的传播、分布,以及在各结构层次上的生物效应和作用的机理。生物力学方法及观点研究生命系统,形成了肌肉、骨骼的力学和生物流变学支,对了解某些组织损伤及循环系统疾病的机理及确定治疗方法,对人工脏器及假肢的设计,都有重要意义。生物医学材料学,研究各种医用特殊材料的结构、性能及与机体的相互作用。生物控制论定的生物结构层次,从整体的角度用综合的方法来定量研究其动态过程,可加深对生命现象及病理、治疗作用的了解。这些分支及有关内容,显然是应用生物医学工程的基础,它们与一些相近的学科如生物物理学等略有交叉。

  生物医学工程的各部分内容是有机联系着的。例如人工心脏就要以生物医学材料、血液流体力学等为基础,要检测循环生理参数,并充分利用先进的电子学和自动控制等技术才能制成。

“生物技术”或“生物工艺学”

  “生物工程”一词,也有人常与biotechnology(译作“生物技术”,“生物工艺学”)连用,用于细胞及分子水平。除了这两个译名外,也有人采用生物分子工程、生物细胞工程等名词。“生物技术”或“生物工艺学”作为生物工程的分支,指的是以细胞或生物大分子为手段来影响或改变无生命物质,合成有用物质;或用各种自然科学的方法、技术来影响细胞或生物大分子来影响或改变有生命物质。“生物工艺学”是指将生物机体,系统或生物过程应用于工业的一门应用科学。酿酒、面包发酵、制奶酪、制药、制革等都是传统的生物工艺学。用微生物转化有机物质,大规模的发酵生产等生物技术,促进了化学工业、医药工业、食品工业的发展。自基因工程出现后,发展了现代生物工艺学。如利用细胞融合、核移植、重组 DNA等技术,使利用微生物的工业,由传统的发酵工业,推广到基因工程、细胞工程等,为改造或培养动、植物新品种,制备各种医用试剂,探诊及治疗多种疾病,开辟了广阔的途径。传统生物工艺学将微生物学与化学联系起来。现代生物工艺学则体现出生物学各分支(如细胞学、遗传学、生物化学等)与分子生物学的结合。生物工艺学与化学工程学相结合,形成生物化学工程,它涉及以活的细胞或用细胞内提取出的酶作为催化剂来生产工业新产品的过程。生物工艺学的应用,在培育高产优质新品种、制备各种医用试剂和药物,探诊及治疗多种疾病,提高化学工业生产力等方面,在废物处理及再生资源方面,为国民经济的发展,可以作出很大的贡献。现代生物工艺学包含以下几方面内容:

因工程

  在分子生物学的基础上发展起来的技术,通过人工转移和重组DNA,以增加生命体的基因种类,从而设计和重新安排生命过程。通过这种遗传操纵技术来培育有新组合性状的新品种,要比选择自发突变的方法快几亿倍。如用基因工程的方法将胰岛素基因导入大肠杆菌细胞,已成功生产出胰岛素(见重组DNA技术

细胞工程

  采用细胞融合或核移植等方法,不需分离、提纯基因,直接把外来基因转移到受体细胞内,以产生兼有双亲细胞性状的新细胞,培养出生物新品种。以细胞融合和细胞培养技术为基础,可制备出高度专一和化学结构单一的单克隆抗体,在生物和医学基础研究以及疾病的诊断、预防和治疗中成为有力的工具。有人又分为染色体工程、染色体组工程、细胞质工程、细胞融合工程、细胞拆合工程等。

酶工程

  是在允许生命活动的环境条件下,借助活细胞或其所产生的酶来催化,使一种物质转化为另一种物质。酶催化比非酶催化提高效率百万倍以至亿倍以上,提高速度几亿倍,并且不需要特殊的环境条件,大大促进了化学工业的发展。

蛋白质工程

  在蛋白质空间结构、动力学和结构与功能关系研究的基础上,可以设计新的氨基酸序列以改变蛋白质结构。通过对其编码基因的修饰和基因工程的途径,就可制造出自然界中不存在但却具有人们所期望性质的新型蛋白质分子。

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