時間：2024-01-01 15:37:00
序論：速發表網結合其深厚的文秘經驗，特別為您篩選了11篇納米技術在生物醫學的應用范文。如果您需要更多原創資料，歡迎隨時與我們的客服老師聯系，希望您能從中汲取靈感和知識！
一、引言
納米材料主要是指結構單元在納米尺寸范圍(1~100nm)內的一類材料，由于表面原子具有很大的比表面積，其表面能極高，從而獲得較多的表面活性中心，化學性質十分活潑，因此納米材料通常具有特異的性能。納米材料的發現始于20世紀80年代初期，隨后人們逐步發現其在光學、磁學、電學和力學方面具有比普通材料更加優越的特性，進而得到了多個領域的關注并逐漸發展起來，廣泛應用于生物醫學、環境、航空航天和石油鉆探等領域的研究。尤其是在生物醫學方面，基于納米技術的藥物和傳感器已經應用到實際的醫學應用中，而且能夠得到是理想的治療和診斷結果。通過從納米尺度進行精確地制備納米材料，人們打開了更小的微觀世界，特別是生物體細胞層面上的化學反應都發生在納米的度，納米材料的使用能有效地檢測或調控微觀的生理和病理過程。納米材料發展對醫學診斷和醫學治療具有重大意義，已經成為醫學界關注的熱點和前沿，具有廣泛的應用前景和產業化發展空間[1]。
二、納米材料在醫學診斷中的應用
2.1納米生物傳感器
納米生物傳感器是一種由納米材料制成的檢測裝置，主要根據將檢測到的信息按一定規律變換為電信號或以其他的形式輸出，使人們能定量定性地分析檢測物質。生物傳感器的研發中人們使用納米材料，能夠提高生物傳感器的靈敏度以及檢測范圍。同時以納米材料制備的新型傳感器具有穩定性好，成本低，生物相容性好等優點，在醫學的臨床診斷方面得到了高度重視，特別是作為一項新興的前沿技術，納米生物傳感器的研發能夠進行早期癌癥的診斷。納米傳感器可以利用高靈敏度的特點，在血液中可通過微小的電流變化反映出癌細胞的種類和濃度。這種對癌細胞進行的精確分析，有望實現特殊疾病的無創、快速診斷，今后人們只需將納米材料注入人體內，便能在短時間內完成確診。
2.2納米生物成像技術
在臨床診斷中，通過對生物體內的細胞或特定組織進行直觀的圖像分析，能夠迅速高效且準確地獲得生理和病理信息。隨著納米技術的飛速發展，新型的納米材料被不斷制備出來，并且廣泛應用于生物醫學成像領域。碳納米管具有良好的發光性能，而且毒性極低，具有良好的生物相容性，能夠制備成生物熒光探針用于癌細胞的成像[2]。氧化鐵磁性材料具有良好的超順磁性，能夠應用于核磁共振成像的研究中，由于其能在生物體內特異性的分布，該部位的腫瘤與正常組織的對比度能夠顯著提高。目前氧化鐵磁性材料可作為造影劑廣泛應用于臨床的腫瘤及其他疾病的診斷[1]。另外，稀土離子摻雜的納米材料具有良好的光學性質，能夠實現多種顏色的可調發光，同時能夠避免生物體自身產生的熒光干擾，極大地提升光學成像效果。總之，在未來的生物成像領域，新型功能的納米材料將發揮至關重要的作用。
三、納米材料在醫學治療中的應用
3.1納米載藥技術
納米載藥是指首先制備納米級的載體，荷載藥物后輸入人體，最終在人體內控制釋放的技術。作為一種新型的給藥技術，納米載藥是多學科包括藥理學、化學、臨床醫學交叉研究發展的產物，其最大的優點是具有靶向性和緩釋性。靶向性可以使給藥更加精確，不僅可以在增加生物體局部藥物濃度的，而且同時可以控制其他部位的藥物濃度，減少對其他組織部位的副作用。緩釋可在保證藥效的前提下減少藥量，同時減少用藥頻率，進而減輕藥物引起的不良反應。對于某些難溶性藥物，納米藥物載體可有效減小藥物粒徑，從而增加其溶解度和溶出度，提高藥物的溶解性提高治療效果。另外，納米載體提供了封閉包覆環境，藥物能在到達作用部位之前盡量保持自身結構的完整性，維持較高的生物活性。目前，能夠作為藥物載體的納米材料有介孔二氧化硅、納米多孔硅和碳納米管等，盡管短時間內對生物體無毒性，但其在生物體內的降解情況不理想。為了提高藥物載體的降解特性，人們開始關注更易體內分解的高分子納米材料，如聚合乳酸、乳酸-乙醇酸共聚物、聚丙烯酸酯類等，這些材料能在人體內可水解，降解成無毒產物，是十分有發展前景的藥物載體。
3.2納米生物醫用材料和納米生物相容性器官
納米材料和生物組織在尺寸上存在著密切的聯系，如核酸指導蛋白質合成過程種形成的核糖核酸蛋白的尺寸就在15-20nm之間，影響人體健康的病毒尺寸也在納米的范圍之內。納米材料和生物醫學的緊密結合，制備納米醫用復合材料及相容性器官，廣泛應用于生物醫學治療的研究中，如制備人造皮膚、血管以及組織工程支架等[3]。在人造骨中，納米鈦合金具有促進骨細胞發育的功能，使骨細胞緊密貼壁生長，同時加速材料和組織的融合。同時，納米級的羥基磷灰石或聚酰胺復合骨充填材料可以有效填補骨缺損，具有良好的生物相容性，并且能夠促進骨細胞生長。根據血液中的紅細胞具有運載氧氣的功能，人們開發出納米級的人造紅細胞，實現了比普通紅細胞更高的氧氣運載能力。如果人體心臟因意外而停止跳動，可以立刻注入人工的納米紅細胞，提供更加充足的氧氣[4]。此外該技術在貧血癥和呼吸功能受損的治療中發揮著重要的作用。
四、納米材料的生物安全性問題
1前言
如今納米技術隨著時代的發展已經得到了很大的發展，成為了科學研究的熱點，納米金是指直徑0．8～250mm的締合金溶膠，它屬于納米金屬材料中研究最早的種類，納米金具有良好的納米表面效應、量子效應以及宏觀量子隧道效應，它具有很多良好的化學特性，比如抗氧性和生物相容性。
2納米金在病原體檢測技術中的應用現狀
近些年來生物醫學界對于流行病學的研究和對病原微生物的診斷已有了不小的進展，傳統的分離、培養及生化反應逐漸被時代所淘汰，運用納米金的免疫標記技術作為新的高通量的、操作簡單的檢測技術被廣泛應用于臨床病原體的檢測，這種檢測技術快速且準確，十分適合在臨床上使用。1939年，兩位科學家Kausche和Ruska做了一個小小的納米金實驗，他們將煙草花病毒吸附在金顆粒上，并在電子顯微鏡下觀察，發現金離子呈高電子密度，就此打下了納米金在免疫電鏡中的應用基礎。從1939年后生物醫學技術不斷發展，納米金標記技術也廣受世人關注，成為了現代社會四大免疫標記技術之一。作為一種特殊標記技術，納米金在免疫檢測領域受到了廣泛的應用，使用納米金粒子做探針，觀察抗原抗體的特異性反應，放大檢測信號，由此檢測抗原的靈敏性。納米金技術具有良好的檢測靈敏性，在早期還支持診斷并監控了急性傳染性病毒，根據這一特性，秦紅設計了快速檢測黃熱病病毒的技術，在納米金顆粒上標記上金SPA－復合物的標志，通過免疫反應實驗我們發現病毒抗體與納米金顆粒結合，并形成了人眼可見的紅線。這種檢測方法的優點有:不需要器材、簡單、迅速、廉價、高效，極大地推動了黃熱病病毒檢測技術的更新，在黃熱病的防控事業上有著深遠意義。利用納米金作為免疫標記物來檢測的除了黃熱病病毒，還有致病寄生蟲。我國的民族種類多樣，一些少數民族人民由于自身的文化特點，喜食生食或半生食物，這就形成了寄生蟲病的傳播，我國經濟大發展后，人民的生活水平得到了提高，但還是喜食半生動物肉或者內臟，造成了食源性寄生蟲病發病率的上升，嚴重影響人民身體健康。目前我國的臨床診斷寄生蟲病技術包括三方面:病原學檢查、免疫學檢查以及影像學檢查。運用納米金檢測技術，不僅縮短了取材時間、縮小了取材范圍，而且檢出率高、創傷性小，受到了患者的廣泛歡迎。
3納米金在核酸、蛋白質檢測中的應用現狀
納米金粒子具有特殊的表面等離子體共振現象，被應用在核酸構建和分析檢測蛋白質領域中，可以把生物識別反映轉換為光學或電學信號，因此人們將其與DNA、RNA和氨基酸相結合，在檢測核酸和蛋白質方面收效頗豐，并且這種檢測方法制備簡單，同時還具有很多優點，比如良好的抗氧化性和生物相容性，下面具體講一下納米金檢測技術在核酸和蛋白質檢測中的應用。首先是在核酸檢測中的應用。美國首先利用納米金連接寡核苷酸制成探針檢測核酸，將納米金做標記與靶核酸結合形成超分子結構，由此來檢測核酸。利用納米金技術檢測特定病原體和遺傳疾病首先要做的就是檢測核酸的特定序列，在芯片點陣上整齊排列納米金顆粒，利用TaqDNA連接酶識別單堿基突變，等待連接后，就可以經過一系列步驟得出單堿基突變結果，得到所需信息。在臨床應用中使用納米金技術的表現有高靈敏檢測谷胱甘肽和半胱氨酸的新型電化學生物傳感器，這種機器對于谷胱甘肽和半胱氨酸的檢出限值更低，在檢測及預防糖尿病、艾滋病等疾病方面具有很大的臨床優勢。其次是在蛋白質檢測中的應用。納米金與蛋白質的作用方式非常多樣，有物理吸附方式、化學共價結合方式以及非共價特異性吸附等等方式，在此背景下，我們可以利用納米金檢測并治療疾病和檢測環境污染。
4納米金在生物傳感器制備中的應用現狀
目前納米金在生物傳感器檢測中的應用受到了人們的普遍關注，如上文所說，納米金具有特殊的表面等離子體共振現象，這是制備生物傳感器的基礎。利用這種特性，科學家們做了許多實驗，比如拉曼光譜試驗，使用Uv－Vis光譜和拉曼光譜儀測試金納米顆粒的表征，得出結論是可以根據納米金顆粒的不同形貌制作不同濃度分子的探針，受外周環境介電特性和顆粒尺寸大小的影響，納米金顆粒會表現出不同的形貌特征，比如吸收光譜、發生藍移。納米金是屬于一種非常微小的貴金屬，作為貴金屬，它具有很好的導電性能，利用納米金進行免疫檢測時會大量聚集納米金，從而增強反應體系的電導，順利通過電導檢測免疫反應。利用納米金的高檢測靈敏性可以進行電化學免疫傳感器的制備。
5其他領域的應用現狀
目前納米技術的研究中，納米金在生物醫學技術中的應用研究是重要研究課題，除了上文中說到的病原體檢測、核酸以及蛋白質檢測還有生物傳感器制備中的應用，納米金技術同時也被廣泛應用于腫瘤的診斷與治療、藥物載體以及CT成像。納米金具有特殊的組成結構，它可以輕易被修飾并負載化合物，可以用于檢測并治療腫瘤，還可以被用于肺癌的檢測及治療，目前的大量數據都表明納米金技術在診斷并治療肺癌上有極大的優勢。
6結語
21世紀生物醫學技術領域最關鍵的技術之一就是納米金標記技術，作為一種十分精細的技術，它幾乎不影響生物分子的活性，就這一點而言，它是非常好的標記物。我們可以想見，納米金技術因其自身的諸多優點，必會獲得更大的生物醫學發展空間。
參考文獻:
［1］艾桃桃．納米金在生物醫學領域中的應用［J］．陜西理工學院學報(自然科學版)，2010，04:63～68，95．
［2］王英澤，黃奔，呂娟，梁興杰．納米技術在生物醫學領域的研究現狀［J］．生物物理學報，2009(03):168～174．
納米生物醫學技術是一門非常典型的多領域交叉學科，生物醫學、材料、化學和物理等學科的內容都包含在內，因此對人才培養的要求自然也非常高[5]。個人認為，應該將教學目標設計為培養學生具備相關領域多元化的知識結構，富有創新精神與思維模式，在納米醫學生物技術的某一或某幾方面具有相當的專業實踐技能與經驗，能夠將納米生物醫學的知識和技術應用于實際的科學研究與實際技術產業化之中,對納米生物醫學技術的發展方向和某一領域的當前產業情況主要發展趨勢有所體悟，具有技術研究與項目管理實施的基本專業素養和技能。
2實施納米生物醫學技術教學的主要理念
納米生物醫學技術作為一門多領域交叉的新興學科。作為一門非常強調實踐與實用性的應用型技術學科，在納米生物醫學技術的教育教學過程中，我們必須堅持將理論教學與實踐教學很好地結合在一起，通過把理論知識教學與課程實驗教學、專業科研活動和產業企業課外實踐活動整合成一個綜合教學體系才能夠真正培養學生的學習素質、自主發現、思考和解決實際問題的能力。因此，納米生物醫學技術的教學內容、方法、教學主體和教學對象等基本要素必需共同有機的地結合在一起，協同服務于學科教學目標,以合理的安排與布局，相互相同綜合成一個有效的教育教學整體過程。我們應該充分注重激發與引導學生學習與創新的主動性與積極性，立足于提高學生的綜合素質，不能像過去只是進行知識的單向傳授，因此忽略了培養學生自主學習與思考、解決問題的能力,建立一種雙向溝通、激勵引導、教學相長的良性循環機制。在這種機制下，學生成為教學活動的主體，被動的接受知識變為主動的學習探索，教學過程也不再是枯燥、單調的知識傳遞,而是師生雙方之間在智慧、思想與感情上的溝通分享。而且，教學模式應注意技巧設計，創造設計一個問題情境，通過好的提問與啟發引導學生提出和發現問題，然后就該問題從不同的多個角度來解析與研究，并且進行持續的提問與思考，逐步分析挖掘該問題發生的根本性緣由，同時鼓勵學生多角度多層次的尋找答案，通過答案的適度不固定性引導學生的思維發散開來,從而讓學生主動學習和分析處理問題的習慣與素質得到良好的培養[6]。
3納米生物醫學技術教學課程體系的設計
納米生物醫學技術課程設置上要考慮多元化。作為一門多領域交叉融合的新興學科，不是幾個學科領域知識的單純組合,而是將相關的學科都以一種非常緊密、多元化、多層次的聯系在一起形成一個整體的。因此在課程設計的時候，教育者必須要充分認識到并理解透徹這些交叉學科之間的內部聯系和知識理論結構，并依據這種聯系與結構在多個學科的藕合點基礎，設計出具有納米醫學生物專業特色的理論課程體系。這時候，對學科知識的劃分上也不宜再過于詳細，而應更注重該專業的理論特點，讓學生的知識背景建立在寬厚扎實的大專業平臺上。納米生物醫學技術課程設置上要考慮前沿性。納米生物醫學技術作為一門新興技術其發展是日新月異的。所以，在教學內容上，我們要注意將該學科的最新前沿研究成果整理出來，及時、適當地融入到課程教學當中，并結合納米生物醫學技術在醫學診療領域應用的經典實例，以讓學生可以更好的理解本專業的發展方向、應用方式和創新思維方法，也讓教學內容更加的豐富化和實用化，進而讓學生知道如何學以致用，很好地激發強烈的學習興趣[7]。納米生物醫學技術課程設置上要考慮應用性。納米生物醫學技術作為一門應用型技術，其實驗教學對于培養學生將理論知識用于實踐當中，主動發現問題、分析問題和解決問題的能力起到不可忽視的作用。因此，學生在獨立設計、完成實驗的過程中，其專業思維、創新意識、科研素質和動手能力都能得到很好的鍛煉。這就要求我們注意控制死板的驗證性實驗所占的比例，多設置一些具有較好綜合性、可設計性和開放性的實驗，課程進行過程中也更注重學生實驗得出結論的過程而非實驗結果[5]。
4CDIO實踐教學模式在納米生物醫學技術教學過程中的應用
CDIO實踐教學模式是近年出現的一種全新的實踐教育模式。CDIO的主要內涵是將構思(Conceive)、設計(Design)、實現(Implement)與運用(Operate)共同組成一個系統的實踐教育方法體系[8]。該方法體系模擬了應用技術從研發到運行的完整流程，能充分培養學生運用主動性和綜合性的實踐方式來學習與運用學到的專業知識，進而提高學生的綜合實踐能力，非常適用于納米生物醫學技術教育教學體系。因此，我們應當將這套綜合性和操作性都強的CDIO教學模式融入到整個教學活動中，把每個實踐能力點的培養都具體落實到實踐教學活動中，并且能夠很好的與科研活動參與、行業企業實習等課程外實踐活動結合在一起，為學生提供一種深度的“學以致用”的寶貴經歷和體驗，這不僅可以更好地實現學生創新實踐能力的培養，還對其人際交往能力和專業思維能力都能提供有益的幫助。
5結語
納米生物醫學技術近年來的發展十分迅猛，同時具有鮮明的交叉與復合特性，能助力整體醫學診療水平的提高，對人民健康水平的提升起到巨大推進作用。因此如何培養適應專業發展和產業需求的納米生物醫學技術專業人才，是醫學院校相關專業高等教育目前所面臨的核心問題。通過以上積極教育教學方面的研究探索，以及在后續的教學實踐中不斷完善與優化，我們若能據此更好地培養出納米生物醫學技術專業的研究與應用兼顧的綜合性專業人才，將能發揮更大的教學效果和教育意義，促進人才培養質量和提高和納米生物技術的更大發展。
作者:劉斯佳 孫健 凌敏 單位:廣西醫科大學 廣西醫科大學
參考文獻：
[4]顧寧．納米技術在生物醫藥學發展中的應用[J]．AdvancedMaterialsIndustry，2002(12)：67-71．
[5]胡建華，張陽德等．促進我國納米生物醫學高端創新人才培養的對策[J]．中國現代醫學雜志，2008，18(20)：3070-3072．
關鍵詞：納米材料生物醫學應用
1應用于生物醫學中的納米材料的主要類型及其特性
1.1納米碳材料
納米碳材料主要包括碳納米管、氣相生長碳纖維也稱為納米碳纖維、類金剛石碳等。
碳納米管有獨特的孔狀結構［1］，利用這一結構特性，將藥物儲存在碳納米管中并通過一定的機制激發藥物的釋放，使可控藥物變為現實。此外，碳納米管還可用于復合材料的增強劑、電子探針（如觀察蛋白質結構的AFM探針等）或顯示針尖和場發射。納米碳纖維通常是以過渡金屬Fe、Co、Ni及其合金為催化劑，以低碳烴類化合物為碳源，氫氣為載體，在873K～1473K的溫度下生成，具有超常特性和良好的生物相溶性，在醫學領域中有廣泛的應用前景。類金剛石碳（簡稱DLC）是一種具有大量金剛石結構C—C鍵的碳氫聚合物，可以通過等離子體或離子束技術沉積在物體的表面形成納米結構的薄膜，具有優秀的生物相溶性，尤其是血液相溶性。資料報道，與其他材料相比，類金剛石碳表面對纖維蛋白原的吸附程度降低，對白蛋白的吸附增強，血管內膜增生減少，因而類金剛石碳薄膜在心血管臨床醫學方面有重要的應用價值。
1.2納米高分子材料
納米高分子材料，也稱高分子納米微?；蚋叻肿映⒘?，粒徑尺度在1nm～1000nm范圍。這種粒子具有膠體性、穩定性和優異的吸附性能，可用于藥物、基因傳遞和藥物控釋載體，以及免疫分析、介入性診療等方面。
1.3納米復合材料
目前，研究和開發無機—無機、有機—無機、有機—有機及生物活性—非生物活性的納米結構復合材料是獲得性能優異的新一代功能復合材料的新途徑，并逐步向智能化方向發展，在光、熱、磁、力、聲［2］等方面具有奇異的特性，因而在組織修復和移植等許多方面具有廣闊的應用前景。國外已制備出納米ZrO2增韌的氧化鋁復合材料，用這種材料制成的人工髖骨和膝蓋植入物的壽命可達30年之久［3］。研究表明，納米羥基磷灰石膠原材料也是一種構建組織工程骨較好的支架材料［4］。此外，納米羥基磷灰石粒子制成納米抗癌藥，還可殺死癌細胞，有效抑制腫瘤生長，而對正常細胞組織絲毫無損，這一研究成果引起國際的關注。北京醫科大學等權威機構通過生物學試驗證明，這種粒子可殺死人的肺癌、肝癌、食道癌等多種腫瘤細胞。
此外，在臨床醫學中，具有較高應用價值的還有納米陶瓷材料，微乳液等等。
2納米材料在生物醫學應用中的前景
2.1用納米材料進行細胞分離
利用納米復合體性能穩定，一般不與膠體溶液和生物溶液反應的特性進行細胞分離在醫療臨床診斷上有廣闊的應用前景。20世紀80年代后，人們便將納米SiO2包覆粒子均勻分散到含有多種細胞的聚乙烯吡咯烷酮膠體溶液中，使所需要的細胞很快分離出來。目前，生物芯片材料已成功運用于單細胞分離、基因突變分析、基因擴增與免疫分析（如在癌癥等臨床診斷中作為細胞內部信號的傳感器［5］）。倫敦的兒科醫院、挪威工科大學和美國噴氣推進研究所利用納米磁性粒子成功地進行了人體骨骼液中癌細胞的分離來治療病患者［6］。美國科學家正在研究用這種技術在腫瘤早期的血液中檢查癌細胞，實現癌癥的早期診斷和治療。
2.2用納米材料進行細胞內部染色
比利時的DeMey博士等人利用乙醚的黃磷飽和溶液、抗壞血酸或檸檬酸鈉把金從氯化金酸（HAuCl4）水溶液中還原出來形成金納米粒子，（粒徑的尺寸范圍是3nm～40nm），將金納米粒子與預先精制的抗體或單克隆抗體混合，利用不同抗體對細胞和骨骼內組織的敏感程度和親和力的差異，選擇抗體種類，制成多種金納米粒子—抗體復合物。借助復合粒子分別與細胞內各種器官和骨骼系統結合而形成的復合物，在白光或單色光照射下呈現某種特征顏色（如10nm的金粒子在光學顯微鏡下呈紅色），從而給各種組織“貼上”了不同顏色的標簽，為提高細胞內組織分辨率提供了各種急需的染色技術。
2.3納米材料在醫藥方面的應用
2.3.1納米粒子用作藥物載體
一般來說，血液中紅血球的大小為6000nm～9000nm，一般細菌的長度為2000nm～3000nm［7］，引起人體發病的病毒尺寸為80nm～100nm，而納米包覆體尺寸約30nm［8］，細胞尺寸更大，因而可利用納米微粒制成特殊藥物載體或新型抗體進行局部的定向治療等。專利和文獻資料的統計分析表明，作為藥物載體的材料主要有金屬納米顆粒、無機非金屬納米顆粒、生物降解性高分子納米顆粒和生物活性納米顆粒。
磁性納米顆粒作為藥物載體，在外磁場的引導下集中于病患部位，進行定位病變治療，利于提高藥效，減少副作用。如采用金納米顆粒制成金溶液，接上抗原或抗體，就能進行免疫學的間接凝聚實驗，用于快速診斷［9］。生物降解性高分子納米材料作為藥物載體還可以植入到人體的某些特定組織部位，如子宮、陰道、口（頰、舌、齒）、上下呼吸道（鼻、肺）、以及眼、耳等［10］。這種給藥方式避免了藥物直接被消化系統和肝臟分解而代謝掉，并防止藥物對全身的作用。如美國麻省理工學院的科學家已研制成以用生物降解性聚乳酸（PLA）制的微芯片為基礎，能長時間配選精確劑量藥物的藥物投送系統，并已被批準用于人體。近年來生物可降解性高分子納米粒子（NPs）在基因治療中的DNA載體以及半衰期較短的大分子藥物如蛋白質、多肽、基因等活性物質的口服釋放載體方面具有廣闊的應用前景。藥物納米載體技術將給惡性腫瘤、糖尿病和老年癡呆癥的治療帶來變革。
2.3.2納米抗菌藥及創傷敷料
Ag+可使細胞膜上蛋白失去活性從而殺死細菌，添加納米銀粒子制成的醫用敷料對諸如黃色葡萄球菌、大腸桿菌、綠濃桿菌等臨床常見的40余種外科感染細菌有較好抑制作用。
2.3.3智能—靶向藥物
在超臨界高壓下細胞會“變軟”，而納米生化材料微小易滲透，使醫藥家能改變細胞基因，因而納米生化材料最有前景的應用是基因藥物的開發。德國柏林醫療中心將鐵氧體納米粒子用葡萄糖分子包裹，在水中溶解后注入腫瘤部位，使癌細胞部位完全被磁場封閉，通電加熱時溫度達到47℃，慢慢殺死癌細胞。這種方法已在老鼠身上進行的實驗中獲得了初步成功［11］。美國密歇根大學正在研制一種僅20nm的微型智能炸彈，能夠通過識別癌細胞化學特征攻擊癌細胞，甚至可鉆入單個細胞內將它炸毀。
2.4納米材料用于介入性診療
日本科學家利用納米材料，開發出一種可測人或動物體內物質的新技術?？蒲腥藛T使用的是一種納米級微粒子，它可以同人或動物體內的物質反應產生光，研究人員用深入血管的光導纖維來檢測反應所產生的光，經光譜分析就可以了解是何種物質及其特性和狀態，初步實驗已成功地檢測出放進溶液中的神經傳達物質乙酰膽堿。利用這一技術可以辨別身體內物質的特性，可以用來檢測神經傳遞信號物質和測量人體內的血糖值及表示身體疲勞程度的乳酸值，并有助于糖尿病的診斷和治療。
2.5納米材料在人體組織方面的應用
納米材料在生物醫學領域的應用相當廣泛，除上面所述內容外還有如基因治療、細胞移植、人造皮膚和血管以及實現人工移植動物器官的可能。
目前，首次提出納米醫學的科學家之一詹姆斯貝克和他的同事已研制出一種樹形分子的多聚物作為DNA導入細胞的有效載體，在大鼠實驗中已取得初步成效，為基因治療提供了一種更微觀的新思路。
納米生物學的設想，是在納米尺度上應用生物學原理，發現新現象，研制可編程的分子機器人，也稱納米機器人。納米機器人是納米生物學中最具有誘惑力的內容，第一代納米機器人是生物系統和機械系統的有機結合體，這種納米機器人可注入人體血管內，進行健康檢查和疾病治療（疏通腦血管中的血栓，清除心臟脂肪沉積物，吞噬病菌，殺死癌細胞，監視體內的病變等）［12］；還可以用來進行人體器官的修復工作，比如作整容手術、從基因中除去有害的DNA，或把正常的DNA安裝在基因中，使機體正常運行或使引起癌癥的DNA突變發生逆轉從而延長人的壽命。將由硅晶片制成的存儲器（ROM）微型設備植入大腦中，與神經通路相連，可用以治療帕金森氏癥或其他神經性疾病。第二代納米機器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置，可以用其吞噬病毒，殺死癌細胞。第三代納米機器人將包含有納米計算機，是一種可以進行人機對話的裝置。這種納米機器人一旦問世將徹底改變人類的勞動和生活方式。
瑞典正在用多層聚合物和黃金制成醫用微型機器人，目前實驗已進入能讓機器人撿起和移動肉眼看不見的玻璃珠的階段［13］。
納米材料所展示出的優異性能預示著它在生物醫學工程領域，尤其在組織工程支架、人工器官材料、介入性診療器械、控制釋放藥物載體、血液凈化、生物大分子分離等眾多方面具有廣泛的和誘人的應用前景。隨著納米技術在醫學領域中的應用，臨床醫療將變得節奏更快，效率更高，診斷檢查更準確，治療更有效。
參考文獻
［1］PhilippeP，NangZLetal.Science，1999，283:1513
［2］孫曉麗等.材料科學與工藝，2002，（4）：436-441
［3］賴高惠編譯.化工新型材料，2002，（5）：40
［4］苗宗寧等.實用臨床醫藥雜志，2003，（3）：212-214
［5］崔大祥等.中國科學學院院刊，2003，（1）：20-24
［6］顧寧，付德剛等.納米技術與應用.北京：人民郵電出版社，2002：131-133
［7］胥保華等.生物醫學工程學雜志，2004，（2）：333-336
［8］張立德，牟季美.納米材料和結構.北京：科學出版社，2001：510
［9］劉新云.安徽化工，2002，（5）：27-29
［10］姚康德，成國祥.智能材料.北京：化學工業出版社，2002：71
隨著納米技術的廣泛運用，已經延伸到社會中的各個領域。目前已經研究出的納米電子技術產品多種多樣，這些納米技術的產品不但性能優良，最主要的是功能奇特。但是值得注意的是科學家對于納米電子技術的研究還不夠深入，那么以后的還需要從新型電子元器件以及碳納米管等方向入手進一步研發。
1 納米電子技術的發展現狀
1.1 納米電子材料的應用
現階段納米材料主要有納米半導體材料、納米硅薄膜以及納米硅材料等類型。在這些納米電子材料中，可以說納米硅材料最有發展前景，同時還符合當前社會對于電子技術的實際需求。通過對納米硅材料與其他納米電子材料進行比較后，可以看出納米硅材料具有以下特點：首先，納米硅材料在不斷研發的背景下其成本處于逐漸降低的趨勢，其次，該材料還具有能耗低、準確性高以及不易受外界影響的特點。最后，由于納米硅材料中分子與分子所存在的距離較小，因此可以一定程度的提升納米電子材料的反映速度，最終達到提升工作效率的目標。
1.2 納米電子元件的應用
可以說納米電子元件是以集成元件以及超大規模集成元件為基礎的。其具體研發歷程是在上個世紀50年代美國研究者對集成電路進行研發之后而開始的，然后經過多年的發展后逐漸從中型、大型轉變為超大型的集成電路和特大類型的集成電路。在此背景下，其納米電子元件的尺寸越來越小，現階段的電子元件尺寸在0.1到100nm范圍之內。
1.3 應用于現代醫學領域
特別是在納米技術的不斷發展過程中，其納米電子技術逐漸應用到醫學的領域?？梢哉f在醫學治療的過程中，可以利用納米電子技術的特點在細微部分的檢測與觀察方面。在普通顯微鏡無法觀測的物品可以通過納米電子技術進一步剖析。與此同時，還可以將電化學的信息檢測流程中融入納米傳感器的方式對生化反應進行診斷。同時，在納米電子技術不斷發展的背景下，產生了很多方面的高科技醫學產品，例如伽馬刀、螺旋CT以及MRI等。可以說生物醫學以及電子學的融合對于納米電子技術的發展具有重要的意義，納米電子技術在生物醫學的電子設備集成化具有很大的發展空間，在未來的發展中，可以將納米電子元件的尺寸控制在分子與原子的大小之間，進而就會將微小生物體的研究帶到一個新的領域。
2 納米電子技術的發展趨勢
通過對納米電子技術的發展現狀進行分析后可以看出納米電子技術在未來發展具有很大的空間，對此主要可以從新型電子元器件、石墨烯以及碳納米管等方向入手。
2.1 新型電子元器件
對納米電子技術的當前模式分析后，可以斷定在未來十年內必然會經過飛速發展的歷程。特別是當前市場對于新型電子元器件的需求逐漸增多的背景下，還需要根據實際需求來對新型電子元器件進行擴展與完善。對此，可以從單電子器件、共振隧穿電子器件、納米場效應晶體管、納米尺度MOS器件、分子電子器件、自旋量子器件、單原子開關等新型信息器件的方向入手，在保證了納米電子技術朝著良好的方向發展的同時，還可以延續摩爾定律以及CMOS的研究成果。
2.2 碳納米管
可以說碳納米管是納米電子技術的發展重要方式，碳納米管的本質是一種一維的納米材料，其最大的特點是具有重量輕以及完美六邊形的結構。因此在實際的運用中，碳納米管具有良好的傳熱性能、光學性能、導電性能、力學性能以及儲氫性能等。與此同時，碳納米管在納米電子方面具有重要的作用，并作為現階段晶體管中主要的材料，對此有效的碳納米管可以對集成電路的效率進行提升。
2.3 憶阻器
所謂憶阻器就是就是經過了繼電阻器、電容器以及電感元件發展之后而發展的一種模式。并且憶阻器是模擬信號的方式來對非線性動態納米元件而組成的具有交叉開關模式的納米電子技術。憶阻器的屬性不但與CMOS類似，更主要的是其具有功率低、體積小以及不受外界因素影響的特點，進而在未來的發展中可以有效的代替硅芯片等材料。
2.4 石墨烯
同時，石墨烯作為新型的納米材料來說，不但具有超薄的特征，最主要的是其質地還是非常堅硬的。并且在正常狀態下石墨烯電子的傳輸速度要比其他類型的納米電子材料快，正是由于多方面的因素使得對于石墨烯的研究具有重要的意義。石墨烯和其他導體具有很大的區別，進而在碰撞的過程中其能量不會有損失。在對石墨烯的未來進行研究與設想后，根據專家預計在10年后可成功研制性能優異的石墨烯類型的導體材料與晶體管。
2.5 納米生物電子
最后，納米電子技術還可以與生物技術進行有效的融合，也可以認為納米生物電子是以多個領域為核心共同建設的。在對納米電子技術帶入生物領域的過程中，利用納米電子技術的自身特點可以制造出關于納米機器以及附屬的納米生物醫用的材料產品等，進而可以在醫學領域中取得一定的成果，最終達到為人類健康做出巨大貢獻的目標。
3 結束語
總之，在電子科學不斷發展的背景下，其納米電子技術的發展越來越受到國際的重視。通過對納米電子技術的應用現狀進行分析后，可以發現其應用的領域越來越廣泛，也就是說納米電子技術完全融入到我們日常生活當中指日可待。通過采用納米電子技術可以實現一種高效、科學而環保的生物材料、電子晶體管以及醫學設備等，最終達到改善人們的生活現狀的目標，讓人們切切實實地體驗納米時代。
參考文獻
[1]葉原豐，王淮慶，郝凌云.碳納米管在電子器件中的應用[J].金陵科技學院學報，2010（02）.
[2]許高斌，陳興，周琪，王鵬. 碳納米管場效應晶體管設計與應用[J].電子測量與儀器學報，2010（10）.
[3]余巧書.納米電子技術的發展現狀與未來展望[J].電子世界，2012（12）.
[4]劉長利，沈雪石，張學驁，劉書雷.納米電子技術的發展與展望[J].微納電子技術，2011（10）.
關鍵詞：納米材料生物醫學應用
1應用于生物醫學中的納米材料的主要類型及其特性
1.1納米碳材料
納米碳材料主要包括碳納米管、氣相生長碳纖維也稱為納米碳纖維、類金剛石碳等。
碳納米管有獨特的孔狀結構［1］，利用這一結構特性，將藥物儲存在碳納米管中并通過一定的機制激發藥物的釋放，使可控藥物變為現實。此外，碳納米管還可用于復合材料的增強劑、電子探針（如觀察蛋白質結構的AFM探針等）或顯示針尖和場發射。納米碳纖維通常是以過渡金屬Fe、Co、Ni及其合金為催化劑，以低碳烴類化合物為碳源，氫氣為載體，在873K～1473K的溫度下生成，具有超常特性和良好的生物相溶性，在醫學領域中有廣泛的應用前景。類金剛石碳（簡稱DLC）是一種具有大量金剛石結構C—C鍵的碳氫聚合物，可以通過等離子體或離子束技術沉積在物體的表面形成納米結構的薄膜，具有優秀的生物相溶性，尤其是血液相溶性。資料報道，與其他材料相比，類金剛石碳表面對纖維蛋白原的吸附程度降低，對白蛋白的吸附增強，血管內膜增生減少，因而類金剛石碳薄膜在心血管臨床醫學方面有重要的應用價值。
1.2納米高分子材料
納米高分子材料，也稱高分子納米微粒或高分子超微粒，粒徑尺度在1nm～1000nm范圍。這種粒子具有膠體性、穩定性和優異的吸附性能，可用于藥物、基因傳遞和藥物控釋載體，以及免疫分析、介入性診療等方面。
1.3納米復合材料
目前，研究和開發無機—無機、有機—無機、有機—有機及生物活性—非生物活性的納米結構復合材料是獲得性能優異的新一代功能復合材料的新途徑，并逐步向智能化方向發展，在光、熱、磁、力、聲［2］等方面具有奇異的特性，因而在組織修復和移植等許多方面具有廣闊的應用前景。國外已制備出納米ZrO2增韌的氧化鋁復合材料，用這種材料制成的人工髖骨和膝蓋植入物的壽命可達30年之久［3］。研究表明，納米羥基磷灰石膠原材料也是一種構建組織工程骨較好的支架材料［4］。此外，納米羥基磷灰石粒子制成納米抗癌藥，還可殺死癌細胞，有效抑制腫瘤生長，而對正常細胞組織絲毫無損，這一研究成果引起國際的關注。北京醫科大學等權威機構通過生物學試驗證明，這種粒子可殺死人的肺癌、肝癌、食道癌等多種腫瘤細胞。
此外，在臨床醫學中，具有較高應用價值的還有納米陶瓷材料，微乳液等等。
2納米材料在生物醫學應用中的前景
2.1用納米材料進行細胞分離
利用納米復合體性能穩定，一般不與膠體溶液和生物溶液反應的特性進行細胞分離在醫療臨床診斷上有廣闊的應用前景。20世紀80年代后，人們便將納米SiO2包覆粒子均勻分散到含有多種細胞的聚乙烯吡咯烷酮膠體溶液中，使所需要的細胞很快分離出來。目前，生物芯片材料已成功運用于單細胞分離、基因突變分析、基因擴增與免疫分析（如在癌癥等臨床診斷中作為細胞內部信號的傳感器［5］）。倫敦的兒科醫院、挪威工科大學和美國噴氣推進研究所利用納米磁性粒子成功地進行了人體骨骼液中癌細胞的分離來治療病患者［6］。美國科學家正在研究用這種技術在腫瘤早期的血液中檢查癌細胞，實現癌癥的早期診斷和治療。
2.2用納米材料進行細胞內部染色
比利時的DeMey博士等人利用乙醚的黃磷飽和溶液、抗壞血酸或檸檬酸鈉把金從氯化金酸（HAuCl4）水溶液中還原出來形成金納米粒子，（粒徑的尺寸范圍是3nm～40nm），將金納米粒子與預先精制的抗體或單克隆抗體混合，利用不同抗體對細胞和骨骼內組織的敏感程度和親和力的差異，選擇抗體種類，制成多種金納米粒子—抗體復合物。借助復合粒子分別與細胞內各種器官和骨骼系統結合而形成的復合物，在白光或單色光照射下呈現某種特征顏色（如10nm的金粒子在光學顯微鏡下呈紅色），從而給各種組織“貼上”了不同顏色的標簽，為提高細胞內組織分辨率提供了各種急需的染色技術。
2.3納米材料在醫藥方面的應用
2.3.1納米粒子用作藥物載體
一般來說，血液中紅血球的大小為6000nm～9000nm，一般細菌的長度為2000nm～3000nm［7］，引起人體發病的病毒尺寸為80nm～100nm，而納米包覆體尺寸約30nm［8］，細胞尺寸更大，因而可利用納米微粒制成特殊藥物載體或新型抗體進行局部的定向治療等。專利和文獻資料的統計分析表明，作為藥物載體的材料主要有金屬納米顆粒、無機非金屬納米顆粒、生物降解性高分子納米顆粒和生物活性納米顆粒。
磁性納米顆粒作為藥物載體，在外磁場的引導下集中于病患部位，進行定位病變治療，利于提高藥效，減少副作用。如采用金納米顆粒制成金溶液，接上抗原或抗體，就能進行免疫學的間接凝聚實驗，用于快速診斷［9］。生物降解性高分子納米材料作為藥物載體還可以植入到人體的某些特定組織部位，如子宮、陰道、口（頰、舌、齒）、上下呼吸道（鼻、肺）、以及眼、耳等［10］。這種給藥方式避免了藥物直接被消化系統和肝臟分解而代謝掉，并防止藥物對全身的作用。如美國麻省理工學院的科學家已研制成以用生物降解性聚乳酸（PLA）制的微芯片為基礎，能長時間配選精確劑量藥物的藥物投送系統，并已被批準用于人體。近年來生物可降解性高分子納米粒子（NPs）在基因治療中的DNA載體以及半衰期較短的大分子藥物如蛋白質、多肽、基因等活性物質的口服釋放載體方面具有廣闊的應用前景。藥物納米載體技術將給惡性腫瘤、糖尿病和老年癡呆癥的治療帶來變革。
2.3.2納米抗菌藥及創傷敷料
Ag+可使細胞膜上蛋白失去活性從而殺死細菌，添加納米銀粒子制成的醫用敷料對諸如黃色葡萄球菌、大腸桿菌、綠濃桿菌等臨床常見的40余種外科感染細菌有較好抑制作用。
2.3.3智能—靶向藥物
在超臨界高壓下細胞會“變軟”，而納米生化材料微小易滲透，使醫藥家能改變細胞基因，因而納米生化材料最有前景的應用是基因藥物的開發。德國柏林醫療中心將鐵氧體納米粒子用葡萄糖分子包裹，在水中溶解后注入腫瘤部位，使癌細胞部位完全被磁場封閉，通電加熱時溫度達到47℃，慢慢殺死癌細胞。這種方法已在老鼠身上進行的實驗中獲得了初步成功［11］。美國密歇根大學正在研制一種僅20nm的微型智能炸彈，能夠通過識別癌細胞化學特征攻擊癌細胞，甚至可鉆入單個細胞內將它炸毀。
2.4納米材料用于介入性診療
日本科學家利用納米材料，開發出一種可測人或動物體內物質的新技術。科研人員使用的是一種納米級微粒子，它可以同人或動物體內的物質反應產生光，研究人員用深入血管的光導纖維來檢測反應所產生的光，經光譜分析就可以了解是何種物質及其特性和狀態，初步實驗已成功地檢測出放進溶液中的神經傳達物質乙酰膽堿。利用這一技術可以辨別身體內物質的特性，可以用來檢測神經傳遞信號物質和測量人體內的血糖值及表示身體疲勞程度的乳酸值，并有助于糖尿病的診斷和治療。
2.5納米材料在人體組織方面的應用
納米材料在生物醫學領域的應用相當廣泛，除上面所述內容外還有如基因治療、細胞移植、人造皮膚和血管以及實現人工移植動物器官的可能。
目前，首次提出納米醫學的科學家之一詹姆斯貝克和他的同事已研制出一種樹形分子的多聚物作為DNA導入細胞的有效載體，在大鼠實驗中已取得初步成效，為基因治療提供了一種更微觀的新思路。
1稀土上轉換納米材料結構組成
UCNP通常由基質、敏化劑與激活劑構成。目前研究發現，以NaYF4作為基質，Er3+、Tm3+、Ho3+離子對共摻雜的材料是UCL性能最好且最具潛力的UCNP[3]。其合成方法主要包括水熱/溶劑熱法、溶膠凝膠法、熱分解法等。其中，水熱/溶劑熱法和熱分解法因具有靈活控制晶粒生長并且一次合成過程可以同時實現納米材料的制備及表面修飾等優點，是目前應用最廣泛的合成方法[4]。通過以上方法合成的UCNP通常由疏水性配體（油胺、油酸）封端，導致合成的材料水溶性和生物相容性差。為了將UCNP更好地應用于醫學領域，對其進行表面功能化修飾尤為重要。主要方法包括配體除去、配體氧化、配體交換、表面硅烷化，以及兩親性聚合物包覆等方法。
2生物醫學應用
2.1生物傳感
UCNP具有多個發射峰且發射譜帶窄，以及近紅外激發下顯示出低背景自發熒光的特性，使其特別適用于生物傳感的應用。UCNP已被廣泛用于檢測各種生物變量（如溫度、pH值）。支持溫度傳感應用的是波爾茲曼分布理論。Er3+是常見用于溫度傳感的鑭系離子，Er3+在520nm和550nm處的UCL，分別對應2H11/24I15/2和4S3/24I15/2能級躍遷，因此可以用來檢測溫度。MaestroLM等[5]設計了第一臺NaYF4∶Yb/Er納米材料用于細胞測溫，使用它可以精確檢測單個癌細胞，如HeLa癌細胞的溫度（25℃~45℃，區間區分低至為0.5℃）。Rodríguez-SevillaP等[6]將具有光熱轉化作用的金納米棒與細胞共孵育后，向培養液中加入UCNP，最后采用800nm激光對金納米棒進行輻照，使其產生熱量，進而引起細胞周圍溫度的升高，通過UCNP的熒光值計算出相應位置的溫度值。
2.2生物成像
2.2.1CT成像
CT是臨床診斷和治療中應用最廣泛的成像技術之一，該技術基于X射線衰減系數。UCNP中一些鑭系元素離子具有較強的X射線衰減能力，所以其可作為CT造影劑。在鑭系元素中，镥具有最高的原子序數。ShenJW等[7]將NaLuF4作為基質材料的UCNP應用于CT成像。其他研究者也對基于Yb3+的NaYbF4∶Gd/Yb/Er，NaYbF4∶Tm和基于Gd3+的NaGdF4∶Yb/Er的UCNP作為CT成像進行了充分研究[8，9]。UCNP為CT造影劑的構建提供新的原料來源。
2.2.2MRI成像
MRI是一種較新的醫學成像技術，其掃描通常需要造影劑以提高靈敏度和準確度。在元素周期表中具有最高數目未配對電子的Gd3+常用作MRI造影劑。Gd3+與二亞乙基三胺五乙酸（diethylenetriamine-pentaaceticacid，DTPA）的螯合物是臨床上最常用的造影劑之一[10]。研究發現其造影劑在體內釋放游離Gd3+具有高毒性，將Gd3+離子摻入UCNP中可以顯著降低釋放從而減少毒性[11]。ZhangH等[12]研制出用于標記T細胞的超小型NaGdF4-TAT納米探針，靜脈注射24h后通過T1加權MRI可以靈敏地跟蹤標記過的T細胞簇。BijuS等[13]研究出一種新型UCNPMRI造影劑（NP-PAA-FA），其可作為低于1.5TT1加權造影劑、3TT1/T2雙重加權造影劑和超高磁場高效T2加權造影劑。該造影劑主要特征是通過改變磁場強度而改變造影劑的類型，此項研究將極大地推動MRI造影劑在醫學領域發展。
2.2.3光學成像
UCNP已經引起了許多研究者對將其應用于光學造影劑的興趣。典型的NaYF4∶Yb，Er可以在980nm激發下發出明亮的熒光，由于其聲子能量低、上轉換熒光效率高和發光顏色豐富等優點，已廣泛用于小動物成像[14]。ZhangK等[15]通過酰胺化反應將納米金剛石（nanodiamonds，ND）和NaYF4∶Yb，Er納米顆粒結合，制備出UCNP-ND用于光學成像和細胞中藥物遞送的新型納米平臺，由于強烈的上轉換熒光和pH響應性藥物釋放，UCNP-ND可以為可視化和腫瘤治療中藥物遞送提供新的思路。
2.2.4多模態成像
常規的單個成像技術有其固有的限制和缺點。多模態成像可以彌補其缺點，使疾病在早期診斷階段得到更加準確的信息，從而提高疾病的治愈率。MRI/CT雙模態成像是最普遍的成像組合。JinX等[16]通過熱解法首次合成具有優異的MRI/CT成像性能和相對低毒性的聚乙二醇（polyethyleneglycol，PEG）修飾NaGdF4∶Dy的納米粒子。CT和MRI成像無法進行細胞水平成像，光學成像在細胞水平具有較高分辨率和靈敏度，但不具有較高空間分辨率和難以提供三維組織的缺點。因此，將熒光成像與CT和MRI成像相結合，可以獲得組織和細胞級的高分辨成像。SunQ等[17]合成了具有優異MRI/UCL/CT三模態成像性能、較低毒性且無熒光淬滅的NaGdF4∶Yb/Er，Tm@NaGdF4∶Yb@NaNdF4∶Yb納米材料。將多種成像相結合制備一種多功能成像探針在生物醫學領域具有潛在的應用價值。
2.3腫瘤治療
2.3.1光動力治療
光動力治療（photodynamictherapy，PDT）[18]是在激發光的照射下，光敏劑（photochemicalsensitizer，PS）被激發將氧氣轉化為活性氧，殺死癌細胞的治療方法。其因具有微創性和時空選擇性被廣泛應用于腫瘤治療領域。典型PDT由PS、激發光和氧氣構成。常規PDT受到激發光穿透深度的限制，UCNP具有UCL性質用于PS的激活，從而提高穿透深度[19]。UCNP介導的PDT在深部腫瘤治療方面已取得巨大成果。然而，缺乏腫瘤選擇性而對正常組織不可避免的光毒性仍然是一個棘手的問題。LiF等[20]研究出腫瘤pH敏感光動力納米材料（pHsensitivephotody-namicnanomaterials，PPN），由自組裝PS接枝的pH響應性聚合物配體（pHresponsivepolymerligand，PPL）和UCNP組成。在正常血液pH=7.4時，PPN帶負電，沒有光活性，在腫瘤細胞外pH=6.5時快速將其表面電荷從陰性轉變為陽性，并在腫瘤細胞內/溶酶體pH=5.5時進一步分解成單個UCNP，此過程促進聚集的PS解離成自由分子，而顯著增強PS的光活性。在NIR照射下，PPN的UCL可以誘導酸性腫瘤微環境中游離PS的光激發，從而殺傷腫瘤細胞。體內和體外實驗均表明，PPN可以克服傳統PS不足作為潛在新型PDT用于未來癌癥診療。
2.3.2光熱治療
光熱療法（photothermaltherapy，PTT）[21]是利用具有較高光熱轉換效率的材料作為光熱劑，在NIR照射下吸收光能并轉化為熱能來殺死癌細胞的治療腫瘤的新方法。由于稀土離子的消光系數較低，在直接光照下轉化為熱能的能力有限。而當其與較強消光系數等電位納米粒子（如Au、CuS）耦合時，可提高PTT的有效性。QianLP等[22]制備出NaYF4∶Yb，Er@NaYF4@SiO2@Au納米顆粒（粒徑70～80nm）用于PTT可有效破壞人神經母細胞瘤細胞，顯示出較好的抗腫瘤療效。FanW等[23]將超小型CuS加入到UC-NPs@SO2納米粒子表面制造出一種核心衛星納米治療(core-satellitenanotheranostic，CSNT)物質，基于CuS顯著的PTT效應，CSNT可以在NIR照射下產生細胞毒性熱，還通過摻雜的高-Z元素（Yb/Gd）作為放射增敏劑產生高度局部化的增強輻射效果。
2.3.3成像指導腫瘤治療
近年來，隨著納米醫學的迅速發展，集多功能為一體的可視化成像指導的腫瘤診療成為一個熱點話題。研究發現UCNP可以同時實現腫瘤的診斷與治療。YuZ等[24]研究出一種超小型具有良好靶向性并可在光學成像，MRI、CT成像下進行PDT的新型UC-NP[MNPs（MC540）/DSPE-PEG-NPY]。該UCNP對過表達Y1受體的腫瘤（如乳腺癌細胞）具有高靶向性，核殼MNP（MC540）可以實現優異的上轉換熒光成像，其中摻雜Gd3+和Lu3+稀土離子可分別增強MRI和CT成像。其在體外和體內顯示出良好PDT治療效果。該納米材料的研發將為臨床中過表達Y1受體的腫瘤診療提供一個新思路。為了提高腫瘤治療效果，研究者將兩種或以上治療模式集合于一體，實現療效互補、協同作用以增強抗腫瘤療效。LuM等[25]制備多功能納米材料AuNRs@SiO2-IR795，實現集成的PTT/PDT和熒光成像，協同PDT/PTT對體外癌細胞抑制效率顯著增高。
美國斯坦福大學“Bio-X”研究中心創立于1998年的一個跨學科研究和教育項目，主要涉及生物工程、生物醫學、生物科學三大領域，跨越文理學院、工程學院和醫學院三大學院。其實質就是一個由生命科學與數學、物理、化學、工程學、醫學、計算機科學等學科的多學科交叉研究機構［5］。Bio-X研究中心將基礎、應用和臨床科學中的邊緣研究結合在一起，進行從分子到機體各個層次的生物物理學研究，以實現生物工程、生物醫學、生命科學等領域新的發現和技術創新。發展至今，研究中心已取得包括成功破譯人類遺傳基因密碼，發展觀測人體細胞在人體中如何活動的技術等眾多的開創性成果，使硅谷的這所名牌大學在科學發現和教學方面處于領先地位。在歐洲，英國1990年已設立了包括牛津的分子科學與分子醫學等17個研究中心［6］。2001年，牛津大學和劍橋大學牽頭成立了由英國政府的工程和物理科學研究委員會、生物科學技術研究委員會、醫學研究委員會和國防部共同組成的納米技術跨學科研究伙伴機構(IRC)，開展了前沿生物納米技術方面的研究。德國慕尼黑工業大學(TUM)以工程、自然科學、生命與食品科學、醫學與運動科學等優勢領域，建立了與生命科學、營養和食品科學、生命技術學、生物信息學和醫學等學科的強有力的跨學科合作。
縱觀世界一流大學跨學科組織建設與管理，具有以下共性特點:①政府、學校宏觀政策的支持是跨學科組織發展的保障基石。如美國國家科學院協會2004年發表了《促進交叉學科研究》報告;哈佛大學就曾明文對該校跨學科動議項目的政策扶持作了規定。②組織結構與管理合理，強調多學科組織的強強聯合、優勢互補的組織合作，如MIT與哈佛大學共同合作的“哈佛－MIT健康科學技術學部”。③注重跨學科研究和教育的協同發展，如美國的HST就是主要通過研究影響疾病與保健的基礎原理，開發新的藥物與儀器，致力于培養醫師-科學家，通過跨領域合作改善人類健康。④提供跨學科研究經費，如美國國立衛生研究院(NIH)作為美國聯邦政府最大的生物醫學研究機構，強調對多學科、跨學科和多機構聯合的醫學研究項目的資助，如2007年就給9個科學研究聯合體提供了2．1億美元的研究經費［7］。⑤多樣化的激勵措施，重視獎金發放和提供實踐機會等。
2我國大學生物醫學跨學科組織建設與發展
我國學科交叉研究萌生于20世紀50年代，而80年代初召開“首屆交叉科學學術討論會”，基本就被認定為我國跨學科研究的全面展開。到20世紀90年代，我國大學關于跨學科研究的建制開始引人關注。特別是我國“985”二期工程，為突出重大科學問題和現實問題引導，凝聚了不同學科背景的研究者開展跨學科研究，著力建設了一批創新平臺。目前“985工程”科技創新平臺與基地是我國大學跨學科研究的重要組織形式，其中就包括大批生物學與醫學創新平臺的實體機構。2000年，北京大學成立了生物醫學跨學科研究中心。多年來，該中心將基礎科學、技術應用和臨床科學的前沿研究結合在一起，形成了以單細胞原位實時微納米檢測與表征研究，數字化診療儀器技術研究，醫學信號與圖像分析研究，大氣壓低溫等離子體生物學效應及醫學應用研究等四大主要研究方向，建立了跨學科的實驗室和研究平臺，組織了30余個跨學科研究項目，取得了系列跨學科研究成果［8］。
同時，該中心注重各有關學科優勢互補、相互合作，對來自生命科學、物理化學、基礎醫學等基礎學科，以及來自電子學、計算機技術、生物醫學工程、臨床醫學等眾多應用和工程學科的研究生，開展生物醫學工程跨學科前沿領域的研究和人才培養，形成了新的學科生長點，培養出了具有交叉學科背景的新型人才。2006年，北京大學成立了前沿交叉學科研究院。生物醫學跨學科研究中心至此成為前沿交叉學科研究院的研究中心之一。2010年，基于系統生物學的研究現狀、發展趨勢及其廣闊的應用前景和重大的現實意義，北京大學建立了系統生物醫學研究所。該研究所注重復雜系統的研究和學科交叉，并且與環境因素相結合，主要針對重大疾病，如腫瘤、心腦血管疾病、代謝性疾病等研究領域作為重點和突破點進行系統生物學研究［9］。2004年，清華大學順應跨學科研究趨勢，改革科研體制，通過將分散于全校各院系的有關生命科學、醫學及相關的工程學科統一組織和協調起來，重點支持和建立了包括“清華大學生命科學與醫學研究院”在內的若干研究所(或研究平臺)，加強和促進生命科學與醫學的發展及其與其它工程學科間的交叉合作［10］。
同年，復旦大學組建生物醫學研究院。作為國家“985工程”二期建設的科技創新平臺，目前研究院以“轉化醫學”為目標，形成了包括疾病系統生物學、出生缺陷與發育生物學、疾病發生的分子機制、創新藥物和結構生物學等主要研究方向和研究團隊，建設了功能蛋白質組學、基因組學、癌癥研究、心血管研究、分子與細胞生物學、藥物與結構以及公共技術平臺等10個技術平臺，建立了基礎科學與臨床需求的緊密聯系，為重大科研項目的實施和跨學科合作研究工作的開展提供了有力支撐［11］。此外，研究院重點把學校所屬上海醫學院、生命科學學院、化學系、藥學院、公共衛生學院及相關附屬醫院等院系等有機地穿插在一起，在疾病蛋白質組學、化學生物學、生物化學與分子生物學、腫瘤學、干細胞生物學、分子藥理學等專業培養研究生，開展跨學科研究生教育。2000年，上海交通大學成立“Bio-X生命科學研究基地”。2005年，與神經生物與人類造化學研究室重組成立“Bio-X生命科學研究中心”(現改為研究院)，是繼美國斯坦福大學后的世界第二個、中國第一個Bio-X研究中心［12］。2007年，學校又成立了系統生物醫學研究中心。
該中心是集生物、醫學、物理、工程、數學、信息、計算等不同學科，集研究、教育、開發及服務于一體的生物醫學研究與開發的公共技術平臺。中心立足于以系統生物學的方法為基礎，致力于在生物整體水平、細胞和發育生物學以及單細胞分析領域開展多學科交叉融合的系統生物醫學研究。同年，隨著原上海第二醫科大學的并入，上海交通大學成立了Med-X研究院。Med-X研究院主要依托學校臨床醫學學科和理工科優勢，涉及生物醫學工程、生物學、影像醫學與核醫學、材料科學與工程四個研究領域，以解決臨床醫學問題為目標導向，進行前沿性醫學科學研究，開發高尖端領先性醫療技術產品，構建國際化、多學科交融、多資源共享、多方位服務的開放式醫學應用研究平臺，建立醫療技術產品研發－技術轉化－臨床應用體系［13］。
3我國大學生物醫學跨學科組織建設困境與借鑒
1生物醫學光子學的學科特點
生物醫學光子學是作為生命科學和醫學研究的輔助手段而發展起來的,它以生物或醫學樣品為研究對象,以醫學、生物學和光學工程等學科的基礎知識的充分融合為基礎,通過工程技術手段為生物醫學研究或臨床應用提供檢測或監控儀器和方法,所以生物醫學光子學的發展和成功應用除了對生物或醫學學科本身的發展具有促進作用外,對工程學、物理學、化學、材料學等學科也提出了新的要求,并客觀上推動和促進了這些學科的交叉和技術的融合[4]。生物醫學光子學可分為生物光子學和醫學光子學兩個部分,分屬于生物學和醫學領域,但二者的研究內容并無嚴格界限。也可以根據應用目的的不同,將生物醫學光子學劃分為光子診斷醫學技術和光子治療醫學技術兩個領域[5]。由于生物醫學光子學的學科跨度大,不能明確界定在某一單一學科領域內,所以并無生物醫學光子學專業,而是根據導師隸屬單位情況和科研項目需要,在光學工程、電子工程、生物醫學工程、生物技術、臨床醫學等一級學科下設置該研究方向,招收并培養研究生。
2當前生物醫學光子學研究生培養面臨的困難和問題
生物醫學光子學的研究需要生物醫學和工程技術兩方面多學科知識的交融,需要生物學、醫學、藥理學、病理學、腦科學、光學、電子學、圖形圖像學、信號處理等多學科專家學者的參與,因而具有復雜性和綜合性的特色。這種特點促使我們在生物醫學光子學專業研究生培養時需要特殊的學術環境,需要觀念上的轉變和政策上的支持,更需要高水平的導師隊伍和先進的培養模式來保證。目前,生物醫學光子學方向的研究生培養還面臨以下問題。
2.1缺乏新技術和新知識的傳授,知識培養體系亟需完善
生物醫學光子學的理論知識和技術更新都很快,不斷有新的應用領域和市場需求出現,國家和社會要求我們培養具有更強創新意識和應用實踐能力的研究生,可以在某一行業領域擔當領頭人。但當前的研究生培養,對新技術和新知識的傳授不足,教材內容嚴重滯后,缺乏讓學生開拓視野、跟隨學科領域發展前沿的綜合交叉性課程。
2.2研究生培養環節缺乏規范性
從事生物醫學光子學交叉學科的研究生,其本身的專業背景多屬于傳統的單一學科范圍,攻讀的研究生學位也多屬于此范圍等。由于生物醫學光子學這門交叉學科涉及的知識內容非常廣博,而導師的科研課題又非常具體,使這種以導師科研課題作為研究生培養載體的方式,具有較大的不確定性和隨意性,無法兼顧研究生的專業背景、科研興趣和科研課題幾方面的因素,常常是為了完成課題而進行相應的學習,未能在研究生對知識的綜合—消化—應用方面下足功夫,在研究生的科研培訓和能力培養環節缺乏系統性和規范性。
2.3研究生的培養質量受限于導師的研究課題
當前生物醫學光子學的研究生培養大多依托于導師現有科研項目,因此在培養過程中存在一系列問題,如:以完成特定生物醫學光子學研究課題為目標的研究生培養,對培養目標以及培養過程等沒有清晰明確的認識,無法讓學生既具備合理的知識結構,又具備綜合多學科知識的素質和能力;有的導師的研究課題僅是借用了其它學科的名詞和概念,而未真正開展跨學科領域的研究內容,結果是研究生的理解、認識混亂,甚至出現概念錯誤等現象;還有研究課題僅僅是生物醫學和光學內容的簡單疊加,缺乏真正的融合和借鑒,研究生在課題研究中無法深入下去。以上種種,不但不能產生創新成果,反而影響了研究生培養質量,阻礙了研究生的學術水平提高。
2.4現行的教學管理體制難以滿足學科交叉研究和研究生培養的需要
世界各國對交叉學科研究極為重視。英、美等發達國家都相繼成立了生物醫學相關的交叉研究中心,便于來自不同學科背景的科研人員相互交流和溝通,為前沿學科建設開辟道路。反觀國內,只有少數幾所重點大學或中科院的研究所設立了專門從事生物醫學相關領域的交叉學科研究院或研究中心,如,北京大學的前沿交叉學科研究院建立的生物醫學跨學科研究中心,而大部分學校院、系劃分都是長時間不變的。從事生物醫學光子學研究方向的教師要有確定的學科“歸屬”才具有所在學科的資源(包括經費和科研設施等)使用權,而研究生也是通過某一特定學科的入學考試內容,遵循其培養方案和培養目標進行學習和科研培訓[6]。嚴格的學科界限使生物醫學光子學研究方向的導師無法合理整合校內資源為交叉學科研究服務,是開展交叉學科研究生培養的直接障礙。
3生物醫學光子學研究生培養模式的探索和建議
完善培養和管理工作是生物醫學光子學方向研究生培養順利進行的保證,我們需要在人才輸入(招生)—人才培養—人才輸出(學位授予)這三個方面都留有足夠的空間,給予適當的政策傾斜,并完善配套的管理運行機制。
3.1采取靈活的招生政策,鼓勵跨學科招生
招生機制是人才培養機制三步曲中的第一步,高質量的生源是高水平人才培養的第一關。我們的目標是選擇合適的人,創造適合的環境,讓通過適當的機制選拔進來的人能在這樣的環境中成為優秀的交叉學科人才[7]。因此,為發展生物醫學光子學交叉學科研究,調動導師在交叉學科培養研究生的積極性,調動學生從事交叉學科研究的熱情和興趣,學校對交叉學科研究生的招生工作應采取特殊的政策:首先,對交叉學科的招生名額分配有傾斜政策,以支持交叉學科的學科發展和人才培養;第二,鼓勵跨學科招生和報考,例如,光學工程專業生物醫學光子學方向招生,即可以招生簡章中列出歡迎生物、醫學相關學科研究生報考,并增加相應的入學考試可選科目;第三,學校保留部分名額優先錄取優秀的跨學科學生或接收跨學科推免生等。#p#分頁標題#e#
3.2規范研究生培養和管理環節
(1)設立跨學科聯合指導教師小組。目前的研究生培養主要采取導師責任制,是一對一的責任關系。但對生物醫學光子學研究生而言,應結合科研需要、本單位研究特色以及研究生的專業背景,合理配置跨學科聯合指導老師小組,整合本校內的優勢力量,實行多對一或多對多的師生關系,如,以生物顯微成像為特色的單位,應配備細胞生物學、光學工程和圖像處理技術方面的導師隊伍,以光學醫療儀器為特色的單位,應配備光學、測控技術和臨床醫學方面的導師組。來自相關學科的高水平教師共同培養交叉學科的人才,對研究生相關學科知識結構的建構和高水平研究課題的選定都具有重要作用,同時,研究生也可以在導師組的指導下以補修和自學等方式學習欠缺的跨學科知識。
(2)嚴把培養環節質量關。導師指導小組要對研究生從入學、選課、選題、科研實踐、、畢業答辯各個培養環節全面負責,將知識傳授和能力培養相結合。首先,入學之初,指導小組即對每個研究生的學科背景和能力進行評估,針對學生的背景和興趣初步確定科研方向,并制訂課程學習計劃,為學生完成生物醫學光子學交叉學科研究課題儲備必要的專業知識,同時鼓勵學生選修具有“新興、前沿和交叉”特點的課程;其次,安排跨學科的學生補修部分相關學科的本科生課程,以補充知識上的欠缺;第三,指導小組要為學生提供參與科研實踐的平臺,在未正式進入課題之前,指導學生參與短期(2～3個月)科研輪訓,使學生對本學科方向正在進行的科研內容有所了解,進而因勢利導明確研究課題;第四,導師指導組應隨時跟進研究生的科研進度,在研究生論文選題和中期檢查時對所開展科研工作進行正確的引導和調整,保證培養過程的順利進行。
(3)構建科研大平臺,引導研究生學術成長。良好的科研環境是個人學術成長的關鍵因素。構建生物醫學光子學科研大平臺,吸引更多相關學科優秀的科研人員加入到導師隊伍中來,是提高研究生培養質量的重要舉措,不同學科學術思想的熏陶,不同思維方式的影響以及多學科導師在科學研究方面的通力合作和團隊精神也會對研究生產生潛移默化的影響,有利于其學術成長;此外,導師要充分調動研究生的積極性,保護研究生跨學科研究的科研熱情,重視研究生個人的主觀能動性和興趣,只要使用正確、合理的引導方式,不同專業背景的研究生與導師之間可以碰撞出很多新的思想火花,獲得意想不到的收獲。
(4)多途徑培養創新人才,完善知識體系。在當今這個多元化的時代,人才培養的途徑也是多種多樣的。為了適應生物醫學光子學領域對創新型人才的需求,學校應設立專項基金,支持和鼓勵研究生從事學術交流,如吸引學生參加國際會議、科技競賽、制作大賽等活動,激發學生主動學習的興趣,引導學生掌握正確、科學的學習方法,尤其是適應自身特點的學習方法及獲取知識的能力,引導學生學會用所學的知識創造性地解決實際問題,提升學生實踐能力與創新精神。此外,針對課程設置方面存在的問題,建議在專業培養目標指導下,從師資隊伍、課程內容、實驗教學資源全方位的整合。鼓勵老師多開設前沿性課程,邀請本領域國外專家為研究生開設講座類課程;通過汲取國內外相關領域的先進經驗,結合科研和實驗教學資源,建設生物醫學光子學交叉學科系統、完善的知識體系,重視課程內容的系統性、前沿性及與本單位研究特色的相關性,重視學生集成—融合—應用能力的培養。
3.3正確把握學位內涵,嚴格學位授予工作
中圖分類號：TN711 文獻標識碼：A 文章編號：
正文： 近年來，隨著物聯網技術在農業領域的使用，精準農業、智能農業、智能感知芯片、移動嵌入式系統應用等技術在現代農業逐步發展。物聯網技術可以改變粗放的農業管理方式，通過無線傳感器網絡可以有效地降低人力消耗，獲得準確的農作物生態環境和農作物信息，實現科學種植，科學監測，對促進現代農業發展方式的轉變具有十分重要的意義。
1、農業物聯網的概述
農業物聯網是建立農產品的動態實時監控、事后溯源的體系，主要由智能灌溉系統、綜合控制中心、視頻監控系統組成。它確定了對象的屬性,屬性包括靜態和動態的屬性, 動態屬性需要先由傳感器實時探測, 靜態屬性可以直接存儲在標簽中。
農業物聯網需要識別設備完成閱讀對象的屬性，并將信息轉換為適合網絡傳輸的數據格式；該對象通過網絡傳輸到信息處理中心的信息，由處理中心完成物體通信的相關計算。
2、物聯網的關鍵技術
2.1射頻識別(RFID)
RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術,它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據,識別工作無須人工干預,可工作于各種惡劣環境。RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽,操作快捷方便。最基本的RFID系統由電子標簽、讀寫器和天線3部分組成。
RFID系統基本工作原理是讀寫器發出含有信息的一定頻率的調制信號，這個過程是通過天線來完成的;當讀寫器接收到電子標簽發送過來的信號,經過解調和解碼之后,將標簽內部的數據識別出來,送至電腦主機進行有關處理。
當電子標簽進入到讀寫器的工作區時,其天線通過耦合產生感應電流,從而為電子標簽提供相應的能量,此時標簽根據讀寫器發來的信息決定是否響應,是否發送數據。
目前,在農畜產品安全生產監控、動物識別與跟蹤、畜產品精細養殖數字化系統、農畜精細生產系統、農產品物流與包裝等方面已正式應用RFID技術。
2.2無線傳感器網絡(WSN)
無線傳感器網絡是以自組織和多跳的方式構成的無線網絡, 包括大量的靜止或移動的傳感器。其目的是協作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區域內感知對象的監測信息,并報告給用戶。大量的傳感器節點將探測數據,通過匯聚節點經其他網絡發送給了用戶。傳感器網絡實現了數據采集、處理和傳輸的3種功能,而這正對應著現代信息技術的三大基礎技術,即傳感器技術、計算機技術和通信技術。
在傳感器網絡中,傳感器節點具有端節點和路由的功能:一方面實現數據的處理和采集，對本身采集的數據和收到的其他節點發送的數據進行綜合,另一方面實現數據的路由和融合, 轉發路由到網關節點。
傳感器節點數目非常龐大,通常采用不能補充的電池提供能量，傳感器節點的能量一旦耗盡,那么該節點就不能進行。網關節點往往個數有限,能量能夠得到補充。
路由功能和數據收集功能，對傳感器網絡的整個生命周期的直接影響。因此，傳感器網絡研究的是傳感器網絡節點。具體的應用不一樣，傳感器網絡節點的設計是不一樣的，但是基本結構是一致的。傳感器網絡中的節點一般是由處理器單元、傳感器模塊、無線傳輸模塊和單元模塊四部分組成，近年來，在農業領域特別是在精準農業中越來越多地應用。
3、物聯網技術在現代農業的初期應用
3.1中國的精準農業
精準農業(Precision Agriculture)是按照田間各個操作區域的具體情況, 準確精細地調整各項土壤和作物管理結構,最大程度地優化和運用各項農業投資,以獲取最高的效益和最多的產量,同時保護土地、保護農業生態環境等自然資源。
隨著GPS系統(全球定位)、RS (遙感)、GIS系統(地理信息)、DSS (決策支持系統)、VRT (變量處理設備)等技術的發展, 作為基于信息高科技的集約化農業，精準農業應運而生,并成為可持續農業發展的熱門產業,其應用實踐和理論的研究將極大地促進我國現代化農業的發展。
精準農業的目標在于資源的高效利用、農業生產過程的改善及科學管理，實施精準農業不僅具有重要的經濟效益,而且具有顯著的社會效益、生態效益和環境保護效益。
3.1.1智能化溫室大棚
數字化溫室大棚配有硬件設施和軟件系統組成。硬件設備自動實時獲取溫室各種信息后，通過無線傳輸到控制中心，由控制系統做控制決策，從而自動控制風機、濕簾、卷模機和電磁閥，且控制器還控制整個溫室水管管路的水壓。安裝的物聯網信息采集與智能溫室大棚系統共包括6個無線信息采集節點，分別安裝在溫室大棚的典型位置，每個節點均可以自動采集土壤溫度、濕度、空氣溫度、濕度、光照強度、植物養分等信息。各節點采集的信息通過智能自組網方式向監控中心傳遞采集數據，監控中心對各個節點所采集的實時數據進行處理，并結合專家系統知識產生相應控制量，通過無線發送控制命令到智能溫室控制柜。實現溫室內的自動灌溉、自動卷膜、自動通風、自動開關濕簾等全智能化自動控制。同時，該系統采樣智能變頻技術控制抽水泵自動工作，并保持管道內水壓恒定。確?；ɑ芎头N苗生產便利和生產安全，節省電能。
信息采集
農業物聯網應用所需的相關感器設備，主要包括：溫度、水分、光照、土壤水分傳感器、植物養分傳感器、植物冠層信息傳感器等，經過多年的實際應用，傳感器設備性能穩定、對農業環境適應能力強、使用壽命長、維修維護工作量小。
信息傳輸
農業物聯網無線傳感節點
可監測土壤水分、土壤溫度、空氣溫度、空氣濕度、光照強度、植物養分含量等參數，其它參數也可以選配，如土壤中的PH值、電導率等等。匯聚并存儲傳感設備采集的數據信息，通過無線方式傳送給無線傳輸路由器或者智能控制中心。 農業物聯網無線傳輸路由器接收和匯集無線傳感節點發來的數據，做臨時存儲，然后再轉發給智能控制中心。
智能控制
農業物聯網智能控制柜，包括開關量控制、模擬量輸出控制、變頻控制等，負責接收無線傳感節點和無線傳輸路由器發來的數據，然后存儲并顯示實時數據，最后對所有節點的數據進行管理、動態顯示和分析處理，以直觀的圖表和曲線的方式顯示給用戶，并根據現場的需求提供各種聲光報警信息和短信報警信息等。
數字化溫室大棚安裝后，智能溫室信息采集與控制系統一直正常運行。在行自動控制模式下，自動信息的感知、無線傳輸和智能控制。如傳感器感知土壤水分不夠時，將自動開啟電磁閥進行灌溉；當感知水分滿足要求時自動停止灌溉，實現高智能化程度的自動灌溉。同樣，當溫室大棚內溫度高于36度時風機將自動開啟，直至溫度低于35度風機自動停止。當大棚溫度達到40度以上時，控制系統將自動開啟濕簾和風機，進行對流降溫。軟件界面如圖所示。同樣，該系統也可以根據光照強度實行卷膜自動控制。真正實現了智能溫室控制。
動態實時監測溫度、濕度、CO2含量、風速、風向、雨量等變化，通過智能控制系統、加濕系統、通風系統、遮陽系統及加熱系統，自動實現保濕、通風、光照的調節，以達到調節產期，促進生長發育，提高質量和產量的目的。
3.1.2遠程視頻監控系統
遠程視頻監控系統
遠程視頻監控系統是一個融合傳統監控和傳統會議功能，無線接入和有線接入，寬帶技術與窄帶技術，視頻業務、語音業務、數據業務和指揮調度業務于一體的綜合監控系統。通過該系統，可以監控現場情況，可以與監控點之間實現語音雙向對講，可以通過車載設備遠程實現對突發事件現場的監控和處理；可以通過手機查看監 控現場的情況，也可以點播歷史監控錄像。
3.1.2生物傳感器
生物傳感器具有接受器與轉換器的功能，是一種對生物物質非常敏感并將其濃度轉化為電子信號進行檢測的儀器，是用固定化的生物敏感材料作識別元件(包括抗原、抗體、微生物、細胞、酶、組織、核酸等生物活性物質)與適當的理化換能器(如氧電極、場效應管、光敏管、壓電晶體等)及放大信號裝置構成的分析系統或工具。
生物傳感器是一門由化學、物理、生物、醫學、電子技術等多個學科相互滲透而成長起來的高新技術。因其具有靈敏度高、分析速度快、選擇性好、成本低、在復雜的體系中進行在線連續監測,特別是它的高度微型化、自動化與集成化的特點,使其在近幾年獲得非常迅速的發展。在國民經濟的各個部門如制藥、化工、食品、臨床檢驗、環境監測、生物醫學等方面有廣泛的應用領域。特別是光電子學、分子生物學與微電子學、納米技術及微細加工技術等新學科、新技術結合,正改變著環境科學動植物學、傳統醫學的面貌。
生物傳感器的開發與研究,已成為世界科技發展的熱門產業,成為新世紀新興的高技術產業的重要組成部分,具有十分重要的意義。
3.2農產品質量安全監督檢測
目前,我國食品安全事故頻發,其中很重要的一個原因就是缺乏對食品的監管,物聯網給食品監管提供了一個有效的工具。國內已出現“食品安全追溯系統”,將RFID技術應用于畜牧業食品生產的全過程,包括飼養、防疫滅菌、產品加工、食品流通等各個環節。
如給生豬帶上RFID的芯片,監控生豬的整個生命過程,從出生、生長到屠宰、銷售。尤其是在生豬的生長過程中,可以檢測其生長環境和體溫等數據,而在生豬屠宰后,在農貿市場的豬肉經營店配備電子溯源秤,消費者在購買豬肉時可索取含有食品安全追溯碼的收銀條,憑借收銀條上的追溯碼查詢生豬來源、屠宰場、質量檢疫等多方面信息。
4、農業物聯網發展展望
農業物聯網應用的發展項目有很多,智能控制溫室、自動室外氣象監測、液肥精準投用、靜電精準噴藥等精準農業技術,實時定量監控在不同生長周期農作物所需的二氧化碳濃度、溫度、濕度、光照等，調節肥料、農藥的投入,幫助農民實現更精細的耕作。
通過在農業園區安裝生態信息無線傳感器和其他智能控制系統,可對整個園區的生態環境進行檢測,從而及時掌握影響園區環境的一些參數,并根據參數變化適時調控諸如灌溉系統、保溫系統等基礎設施,確保農作物有最好的生長環境,以提高產量保證質量。
5、結語：從不同階段農產品生產來看,無論是從種植的培育階段，還是從收獲階段,都可以用物聯網的技術來提高精細管理水平和工作的效率。農業物聯網技術的應用推廣,也是農業現代化水平的一個十分重要標志。農業物聯網的迅速發展,將為中國現代農業發展與世界同步提供一個國際領先的嶄新平臺,也必將為傳統農業改造升級起到巨大的推動作用。
參考文獻:
[1]呂廷杰.物聯網的由來與發展趨勢[J].信息通信技術,2010(2):28-30.
[2]黃濤.物聯網技術與應用發展的探討[J].信息通信技術,2010(2):56-58.
3-D打印技術，是以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數控成型系統，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結，最終疊加成型，制造出實體產品。最早起源于19世紀末的美國，隨著智能化的發展，3-D打印技術逐步成熟，并應用于各行業，影響著人們的生活。近年來，3-D技術應用于醫學行業有廣泛的報道，蘇格蘭科學家 Faulkner-Jones等利用細胞打印出人造肝臟組織[1]。本院將3-D打印技術運用于全膝關節置換，取得良好的臨床效果，現報道如下。
1 資料與方法
1.1 一般資料 本組6例患者，男3例，女3例，68～81歲，平均74.6歲。納入標準：（1）符合骨關節炎診斷標準。（2）所有病例手術前均全面體檢及輔助檢查，并經1位資深主任醫師手術治療，手術后住院2周以上。（3）所有骨關節炎病例均為Holden Ⅳ級病例（即嚴重硬化、關節間隙消失）。
1.2 方法
1.2.1 術前準備 術前行關節X線片、膝關節CT掃描。術前有內科疾病的請相關內科科室會診、治療。待病情平穩，無明顯手術禁忌證時進行手術。
1.2.2 方法 CT掃描范圍：包括髖關節、膝關節、踝關節。所需的解剖結構包括：獲得軸向平面的所有切片髖關節影像（髂前上棘至恥骨聯合）；膝關節影像（膝關節上下100 mm，包括脛骨結節附著的髕韌帶）；踝影像（踝關節以下至跟骨中央）。切片厚度和間距：建議軸向平面切片1.25 mm×1.25 mm或1 mm×1 mm，當需要增加層厚時，層厚不得低于2 mm。視野（FOV）使用同一的視野，在掃描過程中不要改變，需要仔細對準腿以獲得股骨頭、膝關節和踝。切片時，不要隨意改變X和Y軸的坐標原點，即所有CT切面具有同一個坐標系，數據格式：DICOM，CT設備通用格式。圖像通過計算機建模軟件（CAD）建模，再將建成的三維模型“分區”成逐層的截面，后通過成快速成型文件格式STL將三維數字化模型輸入3-D打印機。打印機將打印出膝關節模型，術前根據模型畸形的矯正程度，假體安放位置評估、模擬操作，并制定合適的假體。本文對患者左腿手術進行股骨假體設計及脛骨假體設計。術中根據術前測量截骨量進行截骨，并安放定制的假體，記錄手術時間及假體的匹配度。
1.3 術后處理 術后3 d使用抗生素預防切口感染，術后24～48 h拔除引流管，3 d后下床行膝關節功能鍛煉。
2 結果
患者平均手術時間為45 min，較過去減少；出血量減少；下床時間為術后3 d，術中假體使用與術前定制假體匹配，截骨及假體放置均一次成功。隨訪3個月～1年，未出現關節感染、假體松動現象?；颊呦リP節HSS評分均大于85分，屈伸活動功能好，改善明顯。
3 討論
3.1 3-D打印技術的原理 3-D打印技術是一種數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。其基本原理為：（1）設計過程：首先通過計算機建模軟件（CAD）建模，再將建成的三維模型“分區”成逐層的截面，后通過成快速成型文件格式STL將三維數字化模型輸入3-D打印機。（2）打印過程：打印機通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料利用激光束或熱熔噴嘴等方式，在平面方向X-Y方向黏結成截面形狀，然后在Z坐標方向將各層截面進行逐層疊加，粘合起來從而制造出一個實體。與傳統的“切削去除”材料方法（如3-D雕刻）不同，3-D打印采用“逐層增加”材料的方式來制作三維實體[2]。
3.2 3-D打印技術在外科中的應用 3-D打印技術作為一種新發展的技術，發展迅速，目前已在工業制造、生物醫療等得到了長足發展，并取得了一定的成效，近年來已逐漸應用于骨科領域，完善了骨科復雜手術的術前準備，使手術由復雜變簡單化。它通過采集術前CT、X線等影像數據，經過CAD計算機軟件處理，輸入快速成型機器，制成實體硬組織一致的模型，有助于術前準確了解硬組織的細微解剖結構及病變與周圍結構的關系，提示截骨線、骨塊移動的位置信息等，起到指導手術的作用[3]。在口腔頜面部應用上，Levine等[4]將該技術應用于下頜骨重建術、正頜手術、頜面部創傷修復和顳頜關節重建術等70余例手術，取得良好的重建及手術效果。Mazzoni等[5]通過打印導板，術前模擬引導手術，并在術前及術后和CT影像進行手術的傳統術中下頜骨4個解剖位點（髁突外側點、下頜骨正中點、下頜骨牙弓曲度和髁突空間位置）進行術中具置與術前規劃的偏差，認為在導板引導下的個性化骨板植入術可大大縮短手術時間，提高手術精確性，尤為在髁突空間位置和下頜骨牙弓曲度作用明顯。將該技術應用于脊柱及復雜骨盆手術應用研究方面，有報道取得良好的手術效果。Guarino 等[6]將3-D打印技術應用于10例小兒脊柱側凸及3例復雜骨盆骨折，結果表明該技術提高復雜骨盆骨折分類的準確性及椎弓根釘植入的準確性，減少醫源性脊髓損傷幾率，并縮短手術時間。Sun等[7]分別將3-D打印技術應用于骨盆腫瘤患者，在打印的骨盆模型上切除半骨盆，然后設計個性化人工半骨盆假體，取得了滿意臨床效果。而在一些特異性高的手術上，3-D打印技術不僅可以模擬骨骼實體，還可以根據手術要求制備個體化手術器械。Lee等[8]應用該技術制備了個體化股骨假體和股骨髓腔導向器，使手術更精準，成功為2例石骨癥患者施行人工全髖關節置換術。在關節外科應用上，3-D打印技術因其可以為患者“量身定制”個體化模型，使關節置換中假體型號的選擇、假體安放位置的準確性以及畸形的矯正程度等技術難題得到解決。這使得關節嚴重畸形、軟組織嚴重攣縮的患者的術前手術方案的制定簡單化、準確化，從而提高關節外科復雜高難度手術的成功率，使手術更精確、更安全。Won等[9]報道利用該技術成功為21例髖關節嚴重畸形患者制定手術方案術中明顯縮短了手術時間、出血量，術后影像學提示假體匹配良好。Sciberras等[10]首次將該技術應用于1例復雜髖關節翻修術，根據3-D打印技術制作的假體，進行詳細的術前評估和模擬操作，手術獲得了成功。He等[11]利用3-D打印技術制備了半膝關節和人工骨模具，分別通過快速鑄造和粉末燒結成型技術制備出個體化鈦鋁合金半膝關節和多孔生物陶瓷人工骨，并將組裝后的復合半膝關節假體植入患者體內，術后隨訪表明該復合半膝關節假體與周圍組織、骨骼匹配良好，并且具有足夠的機械強度。
本院應用3-D打印技術應用于全膝關節表面置換術，有利于制定最佳手術方案，指導開展個體化關節外科手術，術前有效確定植入物的類型、大小和位置，使手術操作更精準，手術一次性完成，減少了操作、術中使用工具數量，從而減少了手術時間，取得了良好的臨床療效。這與報道的臨床實踐相符合[12]。
3.3 3-D打印技術目前存在的缺點 3-D打印技術可以將抽象的三維數字模型轉變成為直觀、立體的實物模型，降低了高難度手術的術前準備、減少了手術時間、提高了手術的成功率，作為一項革命性的新技術，其顛覆了傳統醫療模式。但3-D打印目前仍然存在使用上的缺點。（1）因該項技術尚未得到廣泛推廣，3-D打印的使用費用高，包括3-D打印設備的購置、運行，打印材料及相關專業人員費用，大多數患者不能承擔其費用，在部分地區僅用于醫學研究。（2）打印材料不能滿足臨床醫學的需求。目前大多打印的假體因其材料使用有限，不具有生物相容性、可降解性，大多僅用于模型供術前準備，而不是作為實體安放于體內。（3）3-D技術因打印模型的個體化，使得在打印部分要求較高的模型時，耗時時間較長，且該項技術要求院內學科合作，這使得急診手術在3-D打印技術中不占優勢。
3.4 3-D打印技術在關節外科應用中的展望 盡管3-D打印在目前存在部分缺點，但其在未來關節外科發展中必會起到決定性的作用。目前在生物醫學領域，3-D打印技術已被應用于器官模型的制造與手術分析策劃、個性化組織工程支架材料和假體植入物的制造，以及細胞或組織打印等方面[13]。3-D打印技術被廣泛應用于組織工程骨和軟骨研究領域，在關節外科修復重建領域展示了良好的應用。采用3-D打印技術制備的組織工程支架材料不僅具有與缺損組織相匹配的解剖外形，同時也具有滿足細胞黏附、增殖的內部三維多孔結構[14]。Billiet等[15]應用該技術輔以微米、納米技術，可根據需要設定特定的孔隙率、交聯，顯著提高支架的生物學及力學性能，使其有利于細胞黏附、增殖、分化，從而促進骨組織生長及骨折愈合等。Lee等[16]和Woodfield等[17]將3-D打印的骨軟骨支架應用于動物實體，取得良好的效果。Xu等[18]利用靜電紡絲和噴墨打印相結合的方法制作組織工程軟骨。將活細胞和支架材料一同打印是3-D打印技術在關節外科基礎研究領域應用的進步性標志，但如何實現細胞在支架內按照預制組織結構進行精準分布、如何構建營養通道血管、如何提高打印組織的機械性能等，都是未來研究方向[18]。隨著3-D打印技術的不斷發展，自體“生物型人工關節”將在未來成為可能。
參考文獻
[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.
