D打印在生物医学的应用
中南大学课程论文
3D打印在生物医学的应用
学位类别：学士
学科专业：交通运输工程
年级： 2012
大学生：熊昱麟
学号
指导老师：罗意平
2015年10月15日
第一章三维打印简介
三维打印（Three Dimension Printing，简称3DP）属于一种快速成型（Rapid Prototyping，简称RP）技术，它由计算机辅助设计（CAD）数据通过成型设备以材料逐层堆积的方式实现实体成型。“三维打印”在技术界也叫“增材制造”、“自由成形”、“快速成形”或“分层制造”等。
生物三维打印是以活细胞（living cells）、生物活性因子（proteinsand bio-molecules）及生物材料（biomaterials）为基本成形单元，设计制造具有生物活性的人工器官、植入物或细胞三维结构，是制造科学与生物医学交叉融合的新兴学科，它是目前3D 打印技术研究的最前沿领域，也是3D 打印技术中最具活力和发展前景的方向。【1】
3D打印有一系列的技术特征：第一，数字化制造。它是零件的数字模型，来直接驱动材料的制造过程的。数字模型决定了最后加工出来的零件是什么样的形态，制造过程中去掉了很多人为因素（包括工具因素），所以它可以快速地、高效地、精确地再现计算里面设计的三维模型。另外，由于堆积制造里所有的材料都是在计算机数据的控制下点点堆积起来的，所以它是一个受控的过程。因此在堆积的过程中，可以控制零件内部各个位置的材料以及它的微结构。
第二就是直接制造。直接制造就是把材料的制配过程和成型过程一体化。有些材料在合成完了以后，加工性能变得很差。把材料制备和加工成形过程复合在一起，解决了一些难加工材料的重新制造的问题。
最后是快速制造。主要体现在它的工艺流程上。跟传统加工方式相比，3D 打印省掉了准备原材料、准备鋳件、准备开还、准备制坯、准备加工机床等一系列制造前程序，大大缩短了加工流程。用传统的方式加工零件，从设计到完工，要耗时至少好几个月；而现在用3D打印的方式，慢则几天，快则几个小时。【5】应用实例
【图】
美国康奈尔大学研究人员使用牛耳细胞打印出人造耳朵。在打印耳模时，借用了一种可以注入胶原蛋白和活细胞的凝胶，3 个月后观察发现，3D 打印的耳膜和传统人造耳甚至与人耳几乎完全一致。Lee 等应用3D 打印技术制造出包括再生的软骨和脂肪组织的人工耳朵。其主要部分是聚己内酯（PCL）和三维网络结构中长满细胞的水凝胶。脂肪基质干细胞在水凝胶中特定的区域分别分化成软骨细胞和脂肪细胞，从而形成耳形结构。【4】
3D生物打印就是借助影像技术(CT、MRI)资料的辅助，应用CAD技术虚拟出组织或器官的三维结构，然后将这些三维实体模型数据分为片层模型数据，快速成型机根据这些数据，利用相应的材料，逐层创建出实体，每一个薄层都贴敷到前一个，直到完成整个实体的构建。因此，3D打印可以分为3个基本步骤：前加工即组织/器官模型文件的设计开发；组织/器官的打印；后处理即拥有生物活性和形态的组织/器官的加工成熟(即增殖)。比起其他组织工程学的体外构建技术，3D生物打印技术具有精度高、构建速度快、可按需制作，以满足个体化医学治疗的需求、排异反应低等优势。
第二章生物医学中三维打印的技术
随着医学影像技术的发展，人体组织的二维断层图像数据可以方便地获取以进行医学诊断和治疗。但是，二维断层图像只是表达了某一截面的解剖信息，医生可以凭经验由多幅二维图像去估计病灶的大小及形状，“构思”病灶与其周围组织的三维几何关系，可三维打印设备却无法根据这些断点数据进行立体三维成型，因此，基于医学图像的三维重构建模技术是生物3D 打印技术的重要前驱步骤。【1】
打印材料分成了五个层次:第一个层次,材料没有生物相容性,不用放在身体里,没有特殊的生物学需求；第二个层次, 材料有很好的生物相容性,可以放在体内, 但它不降解；第三个层次,生物相容性非常好，同时还可以降解，被身体消化排出体外，作用是帮助组织再生；第四个层次，材料完全是有生命的、活性的；第五个层次，是把基因转到细胞打印过程里，这样就实现了在基因尺度上对细胞的生长进行了调控。【5】
【图】
目前应用较多的3D 打印技术主要包括光固化立体印刷( SLA) 、熔融沉积成型( FDM) 、选择性激光烧结( SLS) 和三维喷印( 3DP) 等，当前生物医学方面的3D打印有如下技术：
1.生物可降解组织工程支架光固化立体印刷技术
生物可降解组织工程支架光固化立体印刷技术( SLA) 使用的原料为液态光敏树脂，也可在其中加入其他材料形成复合材料。它是采用计算机控制下的紫外激光束以计算机模型的各分层截面为路径逐点扫描，使被扫描区内的树脂薄层产生光聚合或光交联反应后固化，当一层固化完成后，在垂直方向移动工作台，使先前固化的树脂表面覆盖一层新的液态树脂，逐层扫描、固化，最终获得三维原型( 图( a) ) 。SLA 技术具有高精度、性能稳定、产品力学强度高等优点，其缺点是成型产品需要清洗除去杂质，可能造成产品变形。 SLA 技术是目前技术最成熟和应用最广的3D 打印技术。【3】
2.生物可降解水凝胶
水凝胶是一种具有高水含量的亲水性或双亲性聚合物三维网络。由于水凝
胶具有良好的生物相容性，以及与人体软组织相似的力学性质，因此被广泛应用于组织工程支架材料与药物的可控释放中。【3】
3.熔融沉积成型
熔融沉积成型( FDM) 是采用热熔喷头，使得熔融状态的材料按计算机控制的路径挤出、沉积，并凝固成型，经过逐层沉积、凝固，最后除去支撑材料，得到所需的三维产品( 图( b) )。FDM 技术所使用的原料通常为热缩性高分子，包括ABS、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯等。该技术特点是成型产品精度高、表面质量好、成型机结构简单、无环境污染等，但是其缺点是操作温度较高。【3】
4.选择性激光烧结
选择性激光烧结( SLS) 是采用激光束按照计算机指定路径扫描，使工作台上的粉末原料熔融、粘结固化。当一层扫描完毕，移动工作台，使固化层表面铺上新的粉末原料，经过逐层扫描粘结，获得三维材料。与SLA技术通过紫外光逐层引发液态树脂原料发生聚合或交联反应不同，SLS技术是通过激光产生高温使粉末原料表面熔融、相互粘结来形成三维材料。SLS技术常用的原料包括塑料、陶瓷、金属粉末等。其优点是加工速度快，且无需使用支撑材料，但缺点是成型产品表面较粗糙，需后处理，加工过程中会产生粉尘和有毒气体，而且持续高温可能造成高分子材料的降解，以及生物活性分子的变形或细胞的凋亡，该技术不能用于制备水凝胶支架。以生物可降解高分子为原料，利用SLS 技术，也是制备外部形态和内部结构可控3D 医用高分子材料的有效途径。对支架性能产生影响的主要参数包括颗粒尺寸、激光能量、激光扫描速率、部分床层温度等。【3】5.3D喷印
3D 喷印( 3DP) 技术是在基底表面铺上薄层粉末原料，然后通过计算机CAD 模型控制喷头按照指定路径将液态粘结剂喷在粉末的设定区域，该层粉末粘结后上下移动操作台，并在粘结层表面铺上新的薄层粉末，通过逐层粘结，最后除去未粘结的粉末原料，获得三维原型材料。3DP 技术操作简便、产品具有高孔隙率、原料应用范围广，其缺点是产品力学强度较低，产品需进行后处理、只能使用粉末原料等。【3】
6.直接携带细胞打印的生物打印技术
直接通过3D 打印技术控制细胞在微观尺度的排列分布，对于调节细胞行为、细胞间的相互作用、细胞与材料间的相互作用，以及促进细胞最终形成功能组织具有十分重要的意义。另外，相比于在已成型的支架中种植细胞，直接携带细胞打印可以获得更高的细胞密度。【3】
第三章 3D打印技术在生物医学工程中的应用
3D 打印技术在生物医学工程中应用广泛，其应用领域大致包括：
1.体外器官模型、仿生模型制造。
该类应用主要用于医疗诊断和外科手术策划，它能有效地提高诊断和手术水平，缩短时间、节省费用。便于医生、患者之间的沟通，为诊断和治疗提供了直观、能触摸的信息，从而使手术者之间、医生和病人之间的交流更加方便。
2.手术导板、假肢设计。
该类应用便于订制精确的个性化假体，实现个性化医疗需求。根据患者缺损组织数据量身订制的假肢，可提高假肢设计的精确性，提高手术精确度，确保患者的功能恢复，减少患者的痛苦。
3.个性化植入体制造。
人体许多部位的受损组织，需要个性化定制。如人类面部颌骨（包括上下颌骨）形态复杂, 极富个性特征, 形成了个体间千差万别的面貌特点。人类的头颅骨，需要准确与颅内大脑等软组织精确匹配扣合，人体的下肢骨、脊柱骨等会严重影响患者今后的步态及功能恢复。因此这类修复体可通过3D 打印技术实现个性化订制和精确“克隆”受损组织部位和形状。
4.组织工程支架制造。
如通过3D 打印技术设计和制备具有与天然骨类似的材料组分和三维贯通微孔结构，使之高度仿生天然骨组织结构和形态学特征，赋予组织工程支架高度的生物活性和骨修复能力。
5.生物活体器件构建以及器官打印。
此方面的应用大多涉及活体细胞的生物3D 打印技术。细胞三维结构体的3D 构建可以通过活细胞及其外基质材料的打印构建活体生物器件。如英国赫瑞瓦特大学和一家干细胞技术公司合作，首次将3D 打印拓展到人类胚胎干细胞范围。这一突破使得利用人类胚胎干细胞来“打造”移植用人体组织和器官成为可能。美国康奈尔大学研究人员最近在其发表的研究论文中称，他们利用牛耳细胞在3D 打印机中打印出人造耳朵，可以用于先天畸形儿童的器官移植。
6.药物筛选生物模型。
药物筛选指的是采用适当的方法，对可能作为药物使用的物质（采样）进行生物活性、药理作用及药用价值的评估过程。作为筛选，需要对不同化合物的生理活性做大规模横向比较，因此有研究人员指出通过3D 打印技术，精确设计仿生组织药物病理作用模型，可以使人们开在短时间内大规模高通量筛选新型高效药物。最近，四川大学联合加州大学圣地亚哥分校等科研机构，通过3D 打印技术设计了一款肝组织仿生结构药物解毒模型，该研究成果发表在最近一期的Nature Communications上，受到3D 打印研究领域的广泛关注。
7.药物输送系统
药物输送系统(Drug delivery system ，DDS）源于3D打印技术的药物输送（3D DDS）系统的研发已成为本领域焦点[25]。理想的药物输送系统（DDS）要求保证药效的稳定、缓释，在尽量减少副作用前提下维持对对靶细胞、组织或器官的有效药物作用，我们可以想象，将3D打印技术用于药物输送系统DDS的制备，不仅可根据要求制备不同孔径的三维立体药物载体，还可以将三维植入支架材料直接负载药物，达到抗炎或促进组织再生的功能。【2】
第四章论文总结
3D生物打印技术目前还不是一项完全成熟的技术，还需要研究者的不懈努力及攻关，目前还未能广泛应用于临床。尽管如此，国内外不少研究中心及实验室已经广泛进行了3D生物打印技术的临床实验，其最多应用于骨与软骨组织工程，另外在口腔医学、美容医学等各个临床领域也都开花结果。
总之，三维生物打印技术是组织工程学三维立体结构构建技术中的一种，其有广泛的应用前景，是当前生命科学领域、材料学领域、工程学领域、药学领域等多学科研究的热点。三维打印技术正处在蓬勃兴起的阶段，3D 打印技术在生物医学工程中得到了广泛的应用，其应用以及发展现状表明：3D 打印在体外器官模型、组织工程与再生医学、个性化医疗以及新药研发等方面展现出广阔的应用前景。【1】如果“生物打印”技术成熟，也许在未来的几十年间，人体器官
就能够被随时替换，从而延长人类的生命周期。但其未来发展的路还很遥远，它的发展，它所面临的问题，必然需要各学科的共同努力，需要各学科的整合，各学科的突破，才能够最终实现。
参考文献：
【1】3D打印技术在生物医学工程中的研究及应用_周长春
【2】3D打印技术在生物医学领域的应用_孙慕松
【3】3D打印技术制备生物医用高分子材料的研究进展_贺超良
【4】3D生物打印技术及其外科临床应用_武涛
【5】生物3D打印技术的四个层次_林峰
【6】组织工程中3D生物打印技术的应用_石静
光电技术在生物医学中的应用一现状与发展
论文题目： 光电技术在生物医学中的应用——现状与发展 学院 专业名称 班级学号 学生 2013年12月19日
摘要： 简要介绍光电技术在生物医学应用中的发展概况，从基因表达与蛋白质——蛋白质相互作用研究方面，重点讨论了生物分子光子技术的特点与优势，阐明基于分子光学标记的光学成像技术是重要的实时在体监测手段，最后简要讨论了医学光学成像技术在组织功能成像和脑功能成像中的应用原理。 关键词：光电技术，医学诊断与治疗，分子光子学，医学成像
1.生物医学光子学发展简介 光电技术在生物医学中的应用实质上就是生物医学光子学的研究畴。生物医学光子学是近年来受到国际光学界和生物医学界广泛关注的研究热点。在国际上一般称为生物医学光子学或生物医学光学。 光子学以量子为单位，研究能量的产生、探测、传输与信息处理。光子技术在生物与医学中的应用即定义为生物医学光子学，其相应产业涉及人类疾病的诊断、预防、监护、治疗以及保健、康复等。研究容包括:光子医学与光子生物学，X-射线成像，MRI ，PET等。近年来，生物医学光子学在生物活检、光动力治疗、细胞结构与功能检测、对基因表达规律的在体观测等问题上取得了可喜研究成果，目前正在从宏观到微观多层面上对大脑活动与功能进行研究。美国《科学》杂志在最近儿年已发表相关论文近20篇。随着光子学技术的发展，生物医学光子学将在多层次上对研究生物体特别是人体的结构、功能和其他生命现象产生重要影响。 在国际上已经成立了国际生物医学光学学会(International Biomedical Optics Society)，简称IBOS。IBOS每年与国际光学工程学会(SPIE)联合举办学术会议。国外 学术交流方面，作为生物医学工程和光学工程领域重要国际会议的“生物医学光学国际学术研讨会”(International BiomedicalOptics Symposium，简称BIOS)每年在美国和欧洲各举办一次。在国，国家自然科学基金委员会生命科学部与信息科学部联合发起并承办的全国光子生物学与光子医学学术研讨会已经举办了六届。在第六届学术会议上发表学术论文75篇，论文摘要27篇。 从光电技术(或光子技术)在生物医学中的应用现状可以看到，光子医学与光子生物学的研究和应用围是广泛而且深入的，并正在形成有特色的学科和产业。例如，由于生物超微弱发光与生物体的细胞分裂、细胞死亡、光合作用、生物氧化、解毒作用、肿瘤发生、细胞和细胞间的信息传递与功能调节等重要的生命过程有着密切的联系，基于生物超微弱发光的生物光子技术在肿瘤诊断、农业、环境监测、食品监测和药理研究等方面己经得到应用。 下面主要从生物分子光子技术和医学光学成像技术两个方面介绍当前的研究现状 与发展趋势。
生物技术在医学领域的应用
微生物制药技术 工业微生物技术是可持续发展的一个重要支撑，是解决资源危机、生态环境危机和改造传统产业的根本技术依托。工业微生物的发展使现代生物技术渗透到包括医药、农业、能源、化工、环保等几乎所有的工业领域，并扮演着重要角色。欧美日等国已不同程度地制定了今后几十年内用生物过程取代化学过程的战略计划，可以看出工业微生物技术在未来社会发展过程中重要地位。 微生物制药技术是工业微生物技术的最主要组成部分。微生物药物的利用是从人们熟知的抗生素开始的，抗生素一般定义为：是一种在低浓度下有选择地抑制或影响其他生物机能的微生物产物及其衍生物。(有人曾建议将动植物来源的具有同样生理活性的这类物质如鱼素、蒜素、黄连素等也归于抗生素的范畴，但多数学者认为传统概念的抗生素仍应只限于微生物的次级代谢产物。)近年来，由于基础生命科学的发展和各种新的生物技术的应用，报道的微生物产生的除了抗感染、抗肿瘤以外的其他生物活性物质日益增多，如特异性的酶抑制剂、免疫调节剂、受体拮抗剂和抗氧化剂等，其活性已超出了抑制某些微生物生命活动的范围。但这些物质均为微生物次级代谢产物，其在生物
合成机制、筛选研究程序及生产工艺等方面和抗生素都有共同的特点，但把它们通称为抗生素显然是不恰当的，于是不少学者就把微生物产生的这些具有生理活性（或称药理活性）的次级代谢产物统称为微生物药物。微生物药物的生产技术就是微生物制药技术。可以认为包括五个方面的内容： 第一方面菌种的获得 根据资料直接向有科研单位、高等院校、工厂或菌种保藏部门索取或购买；从大自然中分离筛选新的微生物菌种。 分离思路新菌种的分离是要从混杂的各类微生物中依照生产的要求、菌种的特性，采用各种筛选方法，快速、准确地把所需要的菌种挑选出来。实验室或生产用菌种若不慎污染了杂菌，也必须重新进行分离纯化。具体分离操作从以下几个方面展开。 定方案：首先要查阅资料，了解所需菌种的生长培养特性。
浅谈免疫学在生物学、医学、药学等领域的应用
浅谈免疫学在生物学、医学、药学等领域的应用 摘要：免疫学技术在国内外的应用已是日趋广泛。近年来，由于任何有关抗原抗体的研究均可使用免疫技术，使免疫学技术早已超越了医学领域，广泛应用于植物学、动物学、药学、生物学等其他科学领域，免疫学技术本身也在迅速发展。免疫学是生命科学及医学领域中的前沿学科,本文仅就免疫学在某些领域的具体应用做简要的评述。 关键词：免疫酶；免疫检测；免疫和中医药 一、免疫学在分子生物学中的应用 免疫学技术已从早年应用于微生物学发展到应用于分子生物医学研究的许多方面。目前，它已成为兴学科生物学研究的重要工具之一。在此次免疫技术涉及的分子生物学应用中，我们所涉及到免疫电泳技术、放射免疫技术、免疫酶技术、免疫荧光定位技术等等，我们就免疫酶技术做一概述。 免疫酶技术是一项定位，定性和定量的综合性技术，已是将一定的酶通过共价桥而标记抗体，在抗原抗体结合时，酶与底物作用，产生有色物质，对后者可进行定位或定量检测。现已有酶免疫测定法，酶联免疫吸附试验和均向酶免疫测定等方法。后一种方法是利用游离抗原与标记抗原竞争结合抗体，如果游离抗原浓度高，就会抢去抗体，使供氢体得以接触酶而使酶的活性增加。用分光光度记可测出反应前后酶活性的变化。免疫酶技术如与新技术进一步结合，可提高其灵敏度和可靠性。
二、免疫学在医学中的应用 免疫学在医学中广泛应用于传染病预防，疾病治疗，免疫诊断。现代免疫学认为，机体的免疫功能是对抗原刺激的应答，而免疫应答又表现为免疫系统识别自己和排除非己的能力。免疫功能根据免疫识别发挥作用。这种功能大致有对外源性异物(主要是传染性因子)的免疫防御；去除衰退或损伤细胞的免疫，以保持自身稳定；消除突变细胞的免疫监视，即免疫防御，免疫自稳，免疫监视。 免疫学细胞免疫测定。 近代免疫学广泛采用了细胞生物学、免疫血清学、免疫标记、免疫组化等多方面技术，不断发展和完善了一系列细胞免疫检测技术，用于检测各类免疫细胞的表面标志(包括抗原及受体)、细胞的活化、增殖、吞噬、杀伤功能、各种细胞因子的活性或含量等方面。这些技术为深入研究和认识机体免疫系统的生理、病理改变，阐明某些疾病的发病机制和临床诊治提供了有用的手段。随着细胞免疫学的迅猛发展，时有新的细胞免疫检测技术出现。近年来，新发展的项目集中在对有关细胞因子以及细胞受体方面的检测。我们以此为例简述淋巴细胞转化试验。 淋巴细胞转化试验：人类淋巴细胞在体外与特异性抗原(如结核菌素)或非特异性有丝分裂原(如植物血凝素，PHA)等一起孵育，T细胞即被激活而向淋巴母细胞转化。T细胞转化过程可伴随有DNA、RNA、蛋白质的合成增加，最后导致细胞分裂。在光学显微镜下可计数转化后
电子学在医学上的应用
生物医学电子学是应用电子技术解决生物医学中的问题，从生命体本身的特殊性出发，来研究生物医学信号的检测、处理、显示与记录等电子学在生物医学应用中的理论、方法与手段。 生物医学电子学作为一个独立学科是从二十世纪五十年代确立并逐步发展起来的。但是在生物医学领域中，大量的电子学的科学技术知识和成果已经获得广泛应用，激发了生物医学欧诺工作着与工程师或物理学家之间的密切合作。生物医学电子学发展十分迅速，研究领域不断括宽，地位日益重要，展示了越来越广阔的发展前景。生物医学电子学综合应用电子学和有关工程技术的理论和方法，从工程科学的角度研究生物、人体的结构和功能以及功能与结构之间的相互关系。[1] 电子学由产生的那刻，就注定是为其他学科服务，也与其他学科共同发展。特别是在生物电被发现后，生物医学和电子学更是一拍即合，相互扶持，共同为人类的健康服务和发展着。 1676年，光学显微镜的发明，使人类进入了微观的世界，推动着医学的发展。1895年，X射线的发现，使得医学更上一层楼。上世纪三十年代，电子显微镜的产生推动着微生物学的发展，也因此使医学更进入了更精微的世界。 随着生物医学电子学的发展，电子技术逐步深入医学领域：医学的电子设备、人造器官等等。如果这些技术和设备消失了，那么，很多的医疗技术也会随之消失，甚至很多小毛病也会因此没检查出来结果变大病然后死亡。 说到医疗的电子设备，很多人都了解，例如呼吸机、CT、心电图仪器等。下面，就详细讲解心图仪器： 心电图是一种经胸腔的以时间为单位记录心脏的电生理活动，并通过皮肤上的电极捕捉并记录下来的诊疗技术。这是一种无创性的记录方式
人体心脏工作产生的生物电流在身体表面不同部位产生不同电势，并且随心跳的节律呈现规律性的升降变化，通过电极将变化着的电位差检测并记录下来就是心电图（ECG）。心电信号是一种带宽为至100Hz（有时高达1kHz），幅度在10μV~5mv 的微弱交流信号，并且混杂有人体生物电干扰以及各种外部电磁干扰。如何从环境噪声中提取微弱的心电信号是设计的难点和要点。[2] 低成本低功耗便携式简易心电图仪是设计的最大考量。它顺应了保健电子产品设计的发展趋势。系统采用常见电池供电，能采集标准导联方式I或II心电信号，通过放大、滤波得模拟心电信号（ECG），并能利用液晶实时显示或存储回放ECG波形。 分析可知，简易心电图仪系统主要包括输入回路、前置放大模块、后级放大模块、滤波网络模块以及存储回放等模块。设计重点在于前置放大模块，和滤波网络模块和数字化存储回放部分。 在未来，可植入式的装置可能会应用于相性心电图的记录和诊断。这些装置还有可能通过兴奋某些神经（如，迷走神经）的方式来防止心律失常的发生。此外，这些装置还可能释放药物，如β受体阻断剂，甚至可以直接对心脏进行除颤。 作为交叉科学，生物医学电子学的研究是双向的：一方面将电子学用于生物和医学领域，使这些领域的研究方式从定性提高到定量、从宏观到微观、从静态到动态、从单向信息到多项信息；另一方面生命过程中揭示出的许多规律，特别是经过亿万年进化而形成的生物信息处理的优异特性将会给电子学科以重要的启示，这不仅会推动电子学的发展，还将会使信息科学发生革命性的变革。 参考文献： [1]李刚.生物医学电子学[M].北京：电子工业出版社，2008 [2]易淑华，胡苗苗，曹鹏.简易心电图仪[DB/OL].，2010-08-17/2012-05-24
免疫学在生物学、医学、药学等领域的应用
浅谈免疫学在生物学、医学、药学等领域得应用 摘要:免疫学技术在国内外得应用已就是日趋广泛。近年来,由于任何有关抗原抗体得研究均可使用免疫技术,使免疫学技术早已超越了医学领域,广泛应用于植物学、动物学、药学、生物学等其她科学领域,免疫学技术本身也在迅速发展。免疫学就是生命科学及医学领域中得前沿学科,本文仅就免疫学在某些领域得具体应用做简要得评述。 关键词:免疫酶;免疫检测;免疫与中医药 一、免疫学在分子生物学中得应用 免疫学技术已从早年应用于微生物学发展到应用于分子生物医学研究得许多方面。目前,它已成为兴学科生物学研究得重要工具之一。在此次免疫技术涉及得分子生物学应用中,我们所涉及到免疫电泳技术、放射免疫技术、免疫酶技术、免疫荧光定位技术等等,我们就免疫酶技术做一概述。 免疫酶技术就是一项定位,定性与定量得综合性技术,已就是将一定得酶通过共价桥而标记抗体,在抗原抗体结合时,酶与底物作用,产生有色物质,对后者可进行定位或定量检测。现已有酶免疫测定法,酶联免疫吸附试验与均向酶免疫测定等方法。后一种方法就是利用游离抗原与标记抗原竞争结合抗体,如果游离抗原浓度高,就会抢去抗体,使供氢体得以接触酶而使酶得活性增加。用分光光度记可测出反应前后酶活性得变化。免疫酶技术如与新技术进一步结合,可提高其灵敏度与可靠性。
二、免疫学在医学中得应用 免疫学在医学中广泛应用于传染病预防,疾病治疗,免疫诊断。现代免疫学认为,机体得免疫功能就是对抗原刺激得应答,而免疫应答又表 现为免疫系统识别自己与排除非己得能力。免疫功能根据免疫识别发挥作用。这种功能大致有对外源性异物(主要就是传染性因子)得免疫防御;去除衰退或损伤细胞得免疫,以保持自身稳定;消除突变细胞得免疫监视,即免疫防御,免疫自稳,免疫监视。 免疫学细胞免疫测定。 近代免疫学广泛采用了细胞生物学、免疫血清学、免疫标记、免疫组化等多方面技术,不断发展与完善了一系列细胞免疫检测技术,用于 检测各类免疫细胞得表面标志(包括抗原及受体)、细胞得活化、增殖、吞噬、杀伤功能、各种细胞因子得活性或含量等方面。这些技术为深入研究与认识机体免疫系统得生理、病理改变,阐明某些疾病得发病机制与临床诊治提供了有用得手段。随着细胞免疫学得迅猛发展,时有新得细胞免疫检测技术出现。近年来,新发展得项目集中在对有关细胞因子以及细胞受体方面得检测。我们以此为例简述淋巴细胞转化试验。 淋巴细胞转化试验:人类淋巴细胞在体外与特异性抗原(如结核菌素)或非特异性有丝分裂原(如植物血凝素,PHA)等一起孵育,T细胞即被激活而向淋巴母细胞转化。T细胞转化过程可伴随有DNA、RNA、蛋白质得合成增加,最后导致细胞分裂。在光学显微镜下可计数转化后得
分子生物学在医药中的研究进展及应用
分子生物学在医药中的研究进展及应用 ——韩静静 摘要 分子生物学是对生物在分子层次上的研究。这是一门生物学和化学之间跨学科的研究，其研究领域涵盖了遗传学、生物化学和生物物理学等学科。分子生物学主要致力于对细胞中不同系统之间相互作用的理解，包括DNA，RNA和蛋白质生物合成之间的关系以及了解它们之间的相互作用是如何被调控的。分子生物学主要研究遗传物质的复制、转录和翻译进程中的分子基础。分子生物学的中心法则认为“DNA 制造 RNA，RNA 制造蛋白质，蛋白质反过来协助前两项流程，并协助 DNA 自我复制”。 分子生物技术也称之为生物工程，是现代生物技术的主要标志，它是以基因重组技术和细胞融合技术为基础，利用生物体或者生物组织、细胞及其组分的特性和功能，设计构建具有预期性状的新物种或新品种．以便与工程原理相结台进行生产加工．为社会提供商品和服务的一个综合性技术体系，其内容包括基因工程技术、细胞工程技术、DNA测序技术、DNA芯片技术、酶工程技术等。现代分子生物技术的诞生以70年代DNA重组技术和淋巴细胞杂交瘤技术的发明和应用为标志．迄今已走过了30多年的发展历程。实践证明在解决人类面临的粮食、健康、环境和能源等重大问题方面开辟了无限广阔的前景。受到了各国政府和企业界的广泛关注。是21世纪高新技术产业的先导。 二十世纪生物医学发展的主要特点之一是对生命现象和疾病本质的认识逐渐向分子水平深入。DNA双螺旋结构的发现为分子医学和基因医学的发展奠定了基础。人们逐渐认识到，无论健康或疾病状态都是生物分子及其相互作用的结果，生物分子中起关键性作用者为基因及其表达产物蛋白质，因此从本质上说，所有的疾病都可以被认为是“基因病”。近十年来，分子生物技术已成为医学领域最有力的研究工具，以下从基因工程技术、人类基因组计划与核酸序列测定技术、基因诊断与基因体外扩增技术、生物芯片技术在医学研究中为了解疾病的发生发展机制，诊断和药物研制、开发中的应用。 关键词：分子生物学分子生物技术医药基因芯片蛋白质组学
生物信息学在医学上的应用
生物信息学在医学上的应用 Bioinformatics application in medicine 【摘要】：生物信息学是利用计算和分析工具收集、解释生物学数据的学科,其基础是4大类生物学数据库。生物信息学在疾病相关基因的发现、新的药物分子靶点的发现、创新药物设计以及基因芯片的设计与数据处理等医学应用研究方面将发挥重要作用。 【abstract】: bioinformatics is use of calculation and analysis tools of data collection, explain biology subject, the foundation is four major categories biology database. Bioinformatics in disease genes found new drugs, the molecular target discovery, innovative drug design and gene chip design and data processing and other medical application research will play an important role. 【关键词】：? 医学信息学计算机生物学 【key words 】: medical informatics computational biology 【正文】：生物信息学(Bioinformatics)是上个世纪8O年代以来随着人类基因组 计划的启动而兴起的集生命科学、计算机科学和信息科学为一体的交叉学科。是用数理和信息科学的理论、观点和方法去研究生命现象，对呈现指数增长的DNA 和蛋白质的序列和结构等生物学数据进行收集、整理、储存、发布、提取、加工分析和研究，达到认识生命起源、遗传和发育的本质的目的。现已成为生物学、医学、农学遗传学和细胞生物学等学科的强大推动力量。当前生物信息学的主要任务包括以下几个方面： ①基因组相关信息的收集、存储、管理与提供。②新基因的发现与鉴定。⑧非编码区信息结构分析。④生物进化的研究。⑤完整基因组的比较研究。⑥基因组信息分析方法的研究。⑦大规模基因功能表达谱分析。⑧蛋白质末端序列、分子空间的预测、模拟和分子设计。⑨药物设计等。为此生命科学家们在不断地生产和更新以数据库和软件为主的各种生物信息工具。本文就生物信息学在医药学方面的应用状况和前景做一讨论。 （一）、生物技术制药 生物技术药物或称生物药物是集生物学、医学、药学的先进技术为一体，以组合化学、药学基因（功能抗原学、生物信息学等高技术为依托，以分子遗传学、分子生物、生物物理等基础学科的突破为后盾形成的产业。现在，世界生物制药技术的产业化已进入投资收获期，生物技术药品已应用和渗透到医药、保健食品和日化产品等各个领域，尤其在新药研究、开发、生产和改造传统制药工业中得到日益广泛的应用，生物制药产业已成为最活跃、进展最快的产业之一。 目前生物制药主要集中在以下几个方向： 1、肿瘤在全世界肿瘤死亡率居首位，美国每年诊断为肿瘤的患者为100万，死于肿瘤者达万。用于肿瘤的治疗费用1020亿美元。肿瘤是多机制的复杂疾病，目前仍用早期诊断、放疗、化疗等综合手段治疗。今后10年抗肿瘤生物药物会急剧增加。如应用基因工程抗体抑制肿瘤，应用导向IL-2受体的融合毒素治疗
分子生物学在医学上的应用
分子生物学技术在医学中的应用 摘要：分子生物学技术是医学检验的重要诊疗手段。进入21 世纪以来，分子生物学对于医学的发展已经起到了巨大的推动作用,并被广泛地运用于科学实验、临床疾病的发生与发展、疾病的诊断与治疗和药物的作用机理与新药的研发等研究领域。这是一个由理论向实践转化的重要跨越，实现了科学造福人类的目的。关键词:分子生物学技术；医学检验；疾病；应用 分子生物学是以核酸、蛋白质等生物大分子为研究对象的学科，分子生物学技术即建立在核酸生化基础上的一类研究手段，现已广泛应用于医学检验中。研究内容也从DNA鉴定、扩展到核酸及表达产物分析，技术不断进步为原微生物检验、肿瘤诊断及评估、遗传病诊断、免疫系统疾病诊断提供重要依据和创新思路。下面，就分子生物学技术在医学上的几个方面的应用进行阐述。 一、PCR技术 多聚酶链式反应（polymerase chain reaction，PCR）的原理类似于 DNA 的天然复制过程。在待扩增的 DNA 片段两侧和与其两侧互补的两个寡核苷酸引物，依赖于 DNA 聚合酶的酶促合成反应。经变性、退火和延伸若干循环后，DNA 扩增 2n 倍。变性是加热使模板 DNA 在高温下（94℃）变性，双链间的氢键断裂而形成两条单链的过程；退火是使溶液温度降至 50~60℃，模板 DNA 与引物按碱基配对原则互补；延伸是在 DNA 聚合酶的作用下，以单链 DNA 为模板，利用四种脱氧核苷酸，按 5’→ 3’方向复制出与模板互补的 DNA 链，上述三步为一个循环。每经过一个循环，样品中的 DNA 量应增加一倍，新形成的链又可作为新一轮循环的模板。分子生物学技术的核心是聚合酶链反应(PCR)，由高温变性、低温退火及适温延伸等几步反应组成一个周期，循环进行，使目的DNA 得以迅速扩增，能在最短的时间内扩增。由此衍生出新PCR技术，在医学上的临床诊断和治疗中意义重大。 由此衍生出新的PCR技术，如实时定量PCR、原位PCR 技术、链置换扩增技术、连接酶反应( LCR) 、TAS等，与传统的培养鉴定、免疫测定相比具有特异性强、灵敏度高、操作简便、省时等特点。 1、病原微生物检验 PCR与传统的培养鉴定、免疫测定相比，其具有高的敏感性，较短的耗时和更广的适用范围[1]。PCR通过向反应管中加入特异性引物可同时鉴定出单种或多种病原体，即便存在大量死菌也能得到准确结果，不受混合标本和微生物生长时间的限制。 2、肿瘤及遗传病诊断 肿瘤及遗传病几乎都存在着一定的基因缺陷，只要找到人体中与基因相互作用的结合点，从基因水平就能准确诊断。通过基因芯片判定靶基因抑制基因的突变，通过分子蛋白质组学、生物传感器和流式细胞术诊断肿瘤特异性标志物。结合DNA限制性片段长度多态性分析、单链构象多态性分析、荧光原位杂交染色体分析和酶基因调控等技术。 二、分子生物传感器在医学检验中的应用
生物信息学在临床医学上的应用
生物信息学在临床医学上的应用 摘要：生物信息学自诞生之日起 ,其技术手段便在生物学、医学、农学和药学等领域的研究中得到广泛应用。本文主要讲述生物信息学在临床医学上的应用。 关键词：生物信息学临床医学应用 21世纪是生命科学的时代，也是信息时代随着人类基因组计划的实施，有关核酸蛋白质的序列和结构数据呈指数增长，相关信息也迅速增长；自1995年科学家破译全长为180万核苷酸的嗜血流感杆菌基因组以来，到2009年1月已有2271种原核生物和383 种真核生物的完整基因组完成测序或正在进行。2001年，公布了人类基因组的工作草图；2007年，公布了人类单个个体二倍体基因组序列，为未来的基因组比较打开了一道门，也开创了个体基因组信息的新纪元。这些成就意味着基因组的研究将全面进入信息提取和数据分析的崭新阶段。面对巨大而复杂的数据，运用计算机管理数据、控制误差、加速分析过程势在必行。20世纪80年代末，生物信息学（Bioinformatics ）逐渐兴起并蓬勃发展。 生物信息学（Bioinformatics ）一词由美籍学者林华安博士（Hwa A. Lim ）首先创造和使用。生物信息学是多学科的交叉产物，涉及生物数学、物理、计算机科学、信息科学等多个领域。狭义的讲，生物信息学是对生物信息的获取、存储、分析和解释；计算生物学则是指为实现上述目的而进行的相应算法和计算机应用程序的开发，这两门学科之间没有严格的分界线，统称为生物信息学。生物信息学对于管理现代生物学和医学数据具有重大意义，其研究成果将对人类社会和经济产生巨大推动作用。 1.生物信息学在临床医学上的应用 1.1疾病相关基因的发现 研究发现很多疾病的发生与基因突变或基因多态性有关。有学者估计与癌症相关的原癌基因约有1000个，抑癌基因约有100个；约有6000种以上的人类疾患与各种人类基因的变化相关联；更多的疾病是环境（包括致病微生物）与人类基因（或基因产物）相互作用的结果。随着人类基因组计划的深入研究，当明确了人类全部基因在染色体上的位置，他们的序列特征（包括单核苷酸多态sin- gle- nucleotide polymorphisms,SNPs ）以及他们的表达规律和产物（RNA 和
分子生物学在医学检验中的临床应用及前景剖析
分子生物学在医学检验中的临床应用及前景 班级：2013级科硕6班 专业：临床检验诊断学 姓名：姜世涛 学号：2013203030024 评分： 导师签名：
分子生物学是一门正在蓬勃发展的学科，新技术和应用条件的不断出现，为检验医学的发展提供了崭新的时代并提供新的机遇和挑战。分子生物学是以核酸、蛋白质等生物大分子为研究对象的学科，分子生物学技术即建立在核酸生化基础上的一类研究手段，现已广泛应用于医学检验中，同时也逐渐渗入数理科学、结构基因组学、功能基因组学和环境基因组学，研究内容也从DNA鉴定、扩展到核酸及表达产物分析，技术不断进步为微生物检验、肿瘤诊断及评估、遗传病诊断、兔疫系统疾病诊断提供重要依据和创新思路。在结构基因组学、功能基因组学和环境基因组学蓬勃发展形势下，分子诊断学技术将会取得突破性进展。一．利用分子生物学技术检测样品中核酸水平 PCR[1]技术是目前应用较广泛和成熟的临床检测方法，在法医学、常见传染病、性病、寄生虫和优生优育等领域有很高的应用价值，尤其对肝炎病毒的早期诊断。 1．核酸分子杂交技术和基因芯片技术 核酸分子杂交技术也称为基因探针技术，利用核酸的变性、复性和碱基互补配对的原理，用已知的探针序列检测样本中是否含有与之配对的核苷酸序列的技术，是印迹杂交、基因芯片等技术的基础。目前基因芯片技术可广泛应用在肿瘤基因表达谱差异研究、基因突变、基因测序、基因多态性分析、微生物筛选鉴定、遗传病产前诊断等方面。另外，现已获得一些微生物的全基因序列，包括百余种病毒，多种细菌(流感嗜血杆菌、产甲烷球菌及实验室常用的大肠杆菌等)和一些
酵母等。因此，将一种或多种病原微生物的全部或部分特异的保守序列集成在一块基因芯片上，可快速、简便地检测出病原体，判断侵入机体引起感染性疾病的病原微生物(病毒、细菌或寄生虫等)，从而对疾病作出诊断及鉴别诊断。 2．单核苷酸多态性分析(SNP)技术 在人群中，个体基因的核苷酸序列存在差异性，称为基因多态性。基因多态性位点普遍存在于人的基因组中。如果在某个家庭中，某一致病基因与特定的多态性片段紧密连锁，就可以用这一多态性片段作为一种”遗传标记”来判断家庭成员或胎儿是否携带有致病基因。目前认为基因多态性是个体的”身份证”，因此，基因多态性分析技术已经广泛应用于群体遗传学研究、疾病连锁分析和关联分析、疾病遗传机制研究、肿瘤易感性研究、个性化用药等诸多方面。单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism，SNP)分析技术为临床检测提供了依据。SNP是一种最常见的遗传变异，在人类DNA多态性中，SNP约占90％。SNP是指在基因组内特定核苷酸位置上存在两种不同的碱基。SNP与RFLP和STR等DNA标记的主要不同在于：它不再以”长度”的差异作为检测手段，而是直接以序列的差异作为标记。由于SNP是二态的，易于自动化批量检测，易于计算机分析结果，因此SNP检测已广泛地应用于疾病的连锁分析及关联分析、肿瘤的杂合性缺失研究、疾病遗传机制研究、个性化用药研究等诸多领域。尽管SNP检测在搜寻疾病基因方面有潜在的价值，但实际应用中却比人们想象的要难得多，它需要花费大量的时间进行筛查，才能建立可靠的SNP分析图谱。 3．microRNA是潜在的临床诊断工具 microRNAs(miRNAs)是一类分布广泛的小的非编码蛋白质的RNAs，其功能是负调控基因表达。在正常组织中，miRNA转录，加工，结合到靶mRNA
分子生物学在医学中的应用
分子生物学在医学中的应用 摘要：分子生物技术近年来发展迅速, 已成为推动分子医学发展的重要工具。本文讲医学中常用的分子生物学技术。 关键词：分子生物学分子生物技术医学应用 1. 分子生物学的概述 分子生物学（molecular biology)是在分子水平研究生命现象、生命本质、生命活动及其规律的一门生命学科，是生物学的一个分支。分子生物学技术问世于20世纪80年代中期。这种以核酸、蛋白质等生物大分子为研究对象的新技术自发现以来，已经逐步成为医学领域不可或缺的诊疗手段之一[1]。分子生物学的发展为人类认识生命带来了新的机会，也为人类利用和改造世界开创了广阔前景。 20世纪末数理科学在生物学领域广泛渗透,在结构基因组学,功能基因组学和环境基因组学逢勃发展形势下,分子诊断学技术将会取得突破性进展[ 2 - 5] ,也给检验医学带来了崭新的领域,为学科发展提供了新的机遇。 2.聚合酶链式反应（PCR）在医学中的应用 PCR 的基本原理是利用双链D N A 分子碱基配对的原则和在一定的条件下可以无限复制的规律, 将被检测样品中极微量的基因材料进行大幅度地扩增, 以提高检测试验的灵敏度。 PCR是一种体外酶促合成特异DNA片段的方法，是分子生物学中最常用的技术。典型的PCR由①高温变形、②低温退火、③适温延伸三个步骤，作为一个循环周期，多次循环反应，使目的DNA得以迅速扩增。PCR不仅可以用于基因的分离、克隆和核苷酸序列分析等，还可以在突变体和重组体的构建上灵活应用，以及基因表达调控的研究，基因多态性的分析，肿瘤机制的探索，遗传病和传染病的诊断等诸多方面。在其衍生出的新PCR技术（定时定量PCR、原位PCR技术等），与传统的技术相比都具有灵敏度高、操作简单、省时省力等特点[6]。 3. 分子蛋白组学在医学检验中的应用 当前有关分子蛋白质组学的大量研究成果喜人,但一大部分结论是众说纷纭、甚至是互相矛盾。一些经典的肿瘤标志物却无法在当前以表面增强激光解析离子化- 飞行时间质谱( SELD I -TOF - MS)技术为代表的蛋白质组学技术中体现出来。可能存在以下几方面的问题。一方面是SELD I - TOF - MS技术自身的限制性,包括敏感性、重复性以及使用当前设备对每个峰值蛋白确认的局限性;另一方面是实验设计及对照组选择是否恰当,某个蛋白组模式反映的是肿瘤的特异性,还是炎症反应,或是代谢紊乱等无法定论;另一方面是不同实验室结果可比性、标本处理过程的差异无法探究。只有这些问题得到解决, SELD I - TOF -MS 技术在检验医学中才能发挥革命性作用。 4. 原位分子杂交技术在医学中的应用 邵氏分子杂交技术已被广泛应用于细菌和病毒性疾病的鉴别诊断。原位分子杂交是一种可以检测组织切片和细胞涂片中完整细胞内特异性D N A 或R N A 的新技术。此技术在病理学诊断上有广泛的实用性, 包括病毒感染的检测,特异性染色体的鉴别和肿瘤基因的检查等。原位分子杂交与邵氏分子杂交相比较, 具有自己独特的优点。第一, 原位分子杂交可用常规石腊切片作检材, 不要求新鲜组织。甚至长期存档的石腊组织块也能使用。第二, 方法简单, 可以省略核酸提取、限制性D N A 内切酶处理、电泳分离等复杂步骤。第三, 可以在普通显微镜下直接观察细胞的类型和细胞内分子杂交的位点。原位分子杂交技术已成功地