|
|
|
 |
| 《未来十年中国学科发展战略·生物医学工程学》 |
| 作者:国家自然科学基金委员会生命科学部 |
| 出版社：科学出版社 |
出版日期：2012/4/1 |
| ISBN：9787030334329 |
定价： 59.00元 |
|
编辑推荐
本书由国家自然科学基金委员会生命科学部编，全面总结了近年来生物医学工程学的研究现状和研究动态，客观分析了学科发展态势，从学科的发展规律和研究特点出发，前瞻性地思考了学科的整体布局，提出了生物医学工程学的重要科学问题、前沿方向及我国发展该学科领域的政策措施等。
内容推荐
生物医学工程学是一个大跨度、多学科，深入交叉的新兴学科领域。近半个世纪来，生物医学工程学无论在深度还是广度上都取得了重大的进展，不仅极大地推动了生命科学和医学的进步，而且深刻地改变了生物医学工程和医疗器械产业的结构和面貌，是近50年来发展最快、成果极丰的一个学科领域。
《未来10年中国学科发展战略·生物医学工程学》全面总结了近年来生物医学工程学的研究现状和研究动态，客观分析了学科发展态势，从学科的发展规律和研究特点出发，前瞻性地思考了学科的整体布局，提出了生物医学工程学的重要科学问题、前沿方向及我国发展该学科领域的政策措施等。
本书不仅对相关领域科技工作者和高校师生有重要的参考价值，同时也是科技管理者和社会公众了解生物医学工程学发展现状及趋势的权威读本。
作者简介
国家自然科学基金委员会生命科学部
目录
序言(俞梦孙 陶祖莱)
前言
摘要
Abstract
第一章 生物医学工程学总论
第一节 生物医学工程学的战略地位
第二节 生物医学工程学的发展规律与发展态势
一、生物力学
二、生物材料
三、组织工程
四、生物医学影像
五、生物电子学
第三节 我国生物医学工程学的发展现状
第四节 我国生物医学工程学的发展布局
第五节 我国生物医学工程学优先发展领域与重大交叉研究领域
第六节 我国生物医学工程领域的国际合作与交流
第七节 我国生物医学工程领域发展的保障措施
一、基础研究的保障措施
二、人才队伍的保障措施
三、环境建设的保障措施
参考文献
第二章 生物力学
第一节 战略地位
第二节 发展规律和发展态势
一、发展规律
二、发展态势
第三节 发展现状
一、我国生物力学领域的基本现状
二、近年来生物力学不同学科分支的发展动态
三、存在的问题
第四节 学科发展布局
一、总体发展战略布局
二、分学科及交叉学科发展布局和重点发展方向
三、国家重点实验室等平台建设计划需求分析
第五节 优先发展领域与重大研究领域
一、遴选优先发展领域的基本原则
二、具体优先发展领域
三、重大交叉领域
第六节 国际合作与交流
第七节 保障措施
一、基础研究的保障措施
二、人才队伍的保障措施
三、环境建设的保障措施
四、国际合作的保障措施
参考文献
第三章 生物材料
第一节 战略地位
一、植入材料与器械
二、药物控释系统
三、生物识别器件
四、纳米生物材料
五、表面图案化和微流控芯片技术
第二节 发展规律和发展态势
一、生物活性材料
二、生物材料的表面与界面问题
三、药物控释系统
四、生物识别器件
五、纳米生物材料
六、微流控芯片和表面图案化
第三节 发展现状
一、总体状况
二、近年来生物材料不同学科分支的发展动态
第四节 学科发展布局
一、总体发展战略布局
二、学科发展布局
三、学科重点发展方向
四、交叉学科发展布局与发展方向
五、国家重点实验室等平台建设计划需求分析
第五节 优先发展领域与重大研究领域
一、基本原则
二、优先发展领域
第六节 国际合作与交流
第七节 保障措施
参考文献
第四章 组织工程
第一节 战略地位
第二节 发展规律和发展态势
第三节 发展现状
一、种子细胞与组织工程的研究
二、组织工程用生物材料
三、组织构建及促成技术
四、组织工程医疗产品安全性评价和标准研究
五、组织工程研究及产业化概况
第四节 学科发展布局
第五节 优先发展领域与重大交叉研究领域
一、优先发展领域
二、重大学科交叉领域
第六节 国际合作与交流
一、国外对组织工程领域的支持
二、我国在组织工程研究方面的国际合作交流
第七节 保障措施
参考文献
第五章 生物医学影像
第一节 战略地位
第二节 发展规律和发展态势
一、发展规律
二、研究特点和发展态势
第三节 发展现状
一、人才队伍
二、资助现状
三、重要成果
四、存在的问题
第四节 学科发展布局
一、数据获取
二、数据分析
三、应用研究
第五节 优先发展领域与重大研究领域
一、分子影像成像的应用基础
二、临床重大疾病的关键医学影像基础
三、脑机接口技术的理论和方法及其应用
四、人类脑连接组学及脑网络组学研究
第六节 国际合作与交流
第七节 保障措施
参考文献
第六章 生物电子学
第一节 战略地位
一、电现象是生命活动的基本现象之一
二、生物电子学是生物医学仪器发展的基础
三、生物电子学是信息科学与生命科学的创新源头
四、生物电子学是研究神经科学和认知科学的重要手段
第二节 发展规律和发展态势
一、发展规律
二、研究特点
第三节 发展现状
一、国内外研究动态
二、存在问题
第四节 学科发展布局
一、总体发展战略布局
二、分学科及交叉发展布局和重点发展方向
三、国家级研究平台的需求分析
第五节 优先发展领域与重大研究领域
一、遴选优先发展领域的基本原则
二、重点发展方向
三、优先资助领域
四、重大交叉领域
第六节 国际合作与交流
第七节 保障措施
参考文献
在线试读部分章节
第一章 生物医学工程学总论
第一节 生物医学工程学的战略地位
生物医学工程学源于生命科学发展和临床医学实践的需求，其内涵是应用 力学、物理化学、数学等基础学科以及电学、光学、材料学、计算机科学、信 息科学等工程学科原理和方法来研究生物学和医学问题，定量认识生命现象和 生物学过程的基本规律，理解、改变或控制生物系统 (人或动物 )， 提升人类健 康保障与重大疾病诊治水平。作为一个与人类健康及重大疾病密切相关的新兴 交叉学科，当今生物医学工程学科呈现其独特的战略地位和研究特点。
(一)生物医学工程是生命科学和医学不可或缺的重要组成部分
生物医学工程的兴起有多方面的原因。根本原因是随着社会物质文明的进 步，人们对健康的关注与需求不断增加 ； 其次是随着疾病谱的变化，疾病诊断、治疗技术和装备的发展，要求生命科学与工程科学有机结合。近 50 年来，生物 医学工程已深入到生命科学、健康与医学的各个领域，从生命现象的发现到生 物学过程的定量化，从海量组学数据的分析到新药创制，从临床医学到医学基 础，生物医学工程深刻改变了生命科学和医学本身，而且预示着生命科学进步 和医学变革的方向。从这个意义上看，没有生物医学工程就没有生命科学和医 学的今天。
(二)生物医学工程是国家创新能力在人类健康与重大疾病领域的 重要体现
以疾病的预防、诊断和治疗，以及患者的康复、增进人类健康为目的，生 物医学工程发展了基本概念，创造了从分子到器官的知识，提出了生物技术、材料、过程、植入体、人工器官、器械和信息技术领域的创新方法。自 20 世纪 90 年代以来，生物医学工程已成为现代医疗器械生产技术创新和进步的主要原 动力并将推动转移医学的发展，而创新能力则成为发达国家生物医学工程产业 技术竞争力的标志。生物医学工程不仅推动了与健康相关的众多产业 (医疗器 械产业)的发展，而且使它发生了质的变化，最根本的是把人 (使用对象和使 用者)和医疗器械看成一个系统整体，强调两者间的相互协调与依存作用，进 而采用系统工程的观念、强调临床解决方案的系统性以研究发展所需要的医疗 器械，实现预定的医疗目的。
(三)生物医学工程体现出现代科学技术从相互交叉走向有机 结合的特征
生物医学工程学科本身即是学科交叉的产物，自出现伊始，就在与力学、物理、化学、数学等基础学科以及电学、光学、材料、计算机、信息等工程学 科的交叉中不断发展、壮大。随着越来越多受过生物医学和工程科学交叉训练 的研究人才的不断涌现，当今生物医学工程学科呈现从相互交叉走向有机结合 乃至融合的特点，逐步具备了从不同学科角度提出生命科学和医学重要科学问 题和关键技术，并采用自身学科特有的理论、方法和技术予以解决的综合能力，出现诸如力学生物学、物理生物学、化学生物学、数学生物学以及组织工程、再生医学、介入医学、手术规划等新的学科分支。
(四)生物医学工程具有工程化的简约特征
生物医学工程在作为生命科学和医学不可或缺的组成部分的同时，仍保持 着工程科学的特征。以解决实际问题为目的，在有限目标范围内寻求规律，并 以最简约方法实现既定 (有限 )目标。因此，生物医学工程不仅应满足医学进 步的需要，而且作为整个社会健康保障系统的一个重要环节，还应该也必须有 助于医疗费用的控制和健康与医疗事业的可持续发展。
第二节 生物医学工程学的发展规律与发展态势
当前，生物医学工程学科的研究主要包括生物力学、生物材料、组织工程、生物医学影像、生物电子学等分支，其主要发展趋势可概括如下。
一、生物力学
生物力学是研究生物与力学有关问题的科学，即运用力学原理、理论和方 法深化对生物学和医学问题的定量认识，从而理解生命体的运动与变化规律，量化生命介质的结构 功能关系。其内容包括 ： ① 分子 细胞生物力学 ； ② 力学 生物学 ； ③ 骨骼 肌肉生物力学 ； ④ 血流动力学 ； ⑤ 生物流变学 ； ⑥ 组织工程与 再生医学中的生物力学 ； ⑦ 临床医学与康复工程中的生物力学 ； ⑧ 生物材料力 学与仿生力学等主要内容。生物体的一个重要特征是时时处于运动和变化之中，而阐明力学环境对此过程的影响是生物力学研究的基本目标。目前生物力学的 研究内容已经由传统的组织 /器官水平的力学描述向细胞 /分子水平的力学 生物 学耦合研究深化，并发展出大量独特的实验技术。在基础研究层面，已在 DNA 和蛋白质的力学行为、分子马达动力学机制、受体 配体相互作用、细胞力学行 为、细胞与基质或细胞间相互作用等诸多方面取得了重要进展 ； 在应用研究层 面，组织工程与再生医学、临床医学与康复工程的生物力学研究也在不断深入，并促进了许多临床应用新技术的发展，逐渐成为保障人类健康的有力手段。目 前在力学环境对生物体的耦合效应方面已积累了大量知识和数据，迫切需要定 量化、模型化的研究对之进行总结、归纳和提炼，进而为此学科的持续发展奠 定坚实的研究基础。
二、生物材料
生物材料是一类用于对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能，而不对生物体产生不良影响的材料。近 20 年间，材料设 计、机械加工、纳米科学、医学等相关领域的新技术带动了生物材料研究的发 展。生物材料的研究范畴更为宽泛和深入，基本上涵盖了传统的人工器官的研 究范畴。其中植入生物材料的研究更加关注材料的生物活性及其与周围组织的 结合 ； 药物控释系统在肿瘤靶向治疗、基因治疗方面的应用获得了巨大成功 ； 生物识别器件的新技术为生物传感器的研究和应用带来了变化 ； 纳米生物材料 与药物控释系统、生物传感器以及植入生物材料的密切结合，极大地促进了相 关生物材料研究的发展 ； 而微流控芯片和表面图案化是最近几年刚刚发展起来 的研究方向，势必为生物医学工程的发展带来重要的变革。以上方面的共性科 学问题是材料与生物体相互作用的表面与界面问题。因此，目前生物材料研究 的主要内容包括 ： ① 生物活性材料 ； ② 生物材料的表面与界面问题 ； ③ 药物控 释系统 ； ④ 生物识别器件 ； ⑤ 纳米生物材料 ； ⑥ 微流控芯片和表面图案化等方 面。生物材料的研究一直是从初级到高级、从简单到复杂的发展过程。以组织 修复材料为例，由于生物体的复杂性，生物组织的修复过程涉及多种生命物质 的共同作用。针对传统的人工生物材料普遍没有生物响应能力这一问题，人们 正在试图借鉴环境敏感材料的特点，设计对体内微环境具有响应特性的生物活 性材料，使其在进入体内后能在较短时间内与周围组织、细胞建立信号联系，并构建出有利于新生组织生长的局部环境。
三、组织工程
组织工程是指应用生命科学与工程学的原理与技术，在正确认识哺乳动物 的正常及病理状态下组织结构与功能关系的基础上，研究和开发适用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态的生物替代物。其内容包 括 ： ① 种子细胞 ； ② 信号分子 ； ③ 支架材料 ； ④ 工程化组织构建与生物反应器 等主要内容。生命科学研究与材料科学研究的紧密结合产生了组织工程学，人 们利用工程学和生命科学的原理和方法，对细胞在体外进行定向诱导，使其分 化为具有特定功能的特定细胞，将其种植于天然或人工合成的具有良好生物相 容性和可降解性的聚合物支架上，复合移植于体内组织器官缺损部位，达到重 建、维持或改善因疾病或创伤引起的组织结构或功能丧失的目的。通过广泛吸 收现代科学的新发现，充分利用现代高科技技术，组织工程正在以极其令人瞩 目的速度强有力地推动着现代医学科学迈向另一个巅峰。目前，软骨、骨、皮 肤、角膜、血管、肌腱、心脏、乳腺、肝脏、胰腺等领域的组织工程学研究已 取得了初步成就，有些产品已开始临床应用。
四、生物医学影像
生物医学影像是利用影像设备获取生物体的形态、生理、功能和代谢等信 息的科学。它的发展取决于数据获取手段 (成像设备 )的发展和数据分析方法 的发展，两者之间为相互促进的关系。当今的生物医学影像技术主要分为 X 射 线成像、X 射线计算机断层成像 (CT )、 磁共振成像 (MRI)、 超声成像、单光 子发射计算机断层成像 (SPECT )、 正电子发射计算机断层成像 (PET )、 光学 成像等。目前，图像和信号等原始数据的获取手段以及数据分析与处理方法已 经取得了长足的进步，开始从单纯提供生物体的形态信息向同时提供生物体的 形态、生理、功能和代谢等信息转变，从单一模态成像向多模态信息融合转变，从宏观成像向宏观与微观融合的多尺度成像转变。生物医学影像学的各学科之 间，特别是放射医学和核医学之间的交叉渗透越来越多，相互之间的依赖性逐 步加强，多学科的相互合作正在促进更多新的生物医学成像技术和新兴领域出 现，其中包括分子影像学、脑 机接口、脑连接组学等。
五、生物电子学
生物电子学研究生命体相关的各种电磁现象及其机制、生物医学信息获取 和处理方法、生物电子器件、生物医学系统建模和分析以及各种生物电相关的 应用。其内容包括 ： ① 生物信息传感和分析 ； ② 生物医学植入器件 ； ③ 生物电 现象及其应用等。当前，随着基因组与蛋白质组等组学的迅速发展、生物信息 学与系统生物学的不断深化以及大规模计算技术的不断成熟，生物电子学研究 在分子、蛋白质、细胞、功能组织和整体等各个层面上展开，研究内容较广，热点更新较快 ； 集成电路技术、微机电系统 (MEMS)技术的发展使得各种新 型的生物传感器、植入式生物电子器件开始应用于临床实践 ； 而现代无线通信 技术和计算机网络技术将有可能使目前的医疗模式产生巨大的变化。同时，工 程化集成是生物电子学的重要发展趋势。例如，植入式电子器件，包括可植入 信号探测与激励微电极阵列的设计与实现、信号再生芯片的设计与制造、可长 期连续工作的无线供电子系统的设计与实现、专用芯片与神经微电极和无线供 能子系统等单元的混合集成、体内可植入器件相关材料的表面改性及生物相容 性、密封封装材料的制备及生物学评价、信号分析与处理等多个方面。此外，单分子晶体管、分子导线、分子存储、分子开关等新型分子器件的研发将推动 生物芯片的微纳制备技术、新型分子器件的建模和分析、脱氧核糖核酸 (DNA)计算的生物芯片、生物芯片的功能集成系统以及各类仿生芯片技术的发展，并 将在信息器件、能源和环境等方面发挥重要的作用。
第三节 我国生物医学工程学的发展现状
我国生物医学工程研究源于 20 世纪 70 年代，经过 30 余年的快速发展，已 在学术方向、研究内容和人才队伍等诸多方面呈现出日渐繁荣的趋势，并在生 物力学、生物材料、组织工程、生物医学影像和生物电子学等领域取得了重要 进展，迄今已在 30 多所大学设立了生物医学工程一级学科博士点和 8 个生物医 学工程国家重点学科，而设立生物医学工程本科专业的院校已超过 100 所。
我国生物力学领域研究发展起步较早，发展很快。近 10 年来，在受体 配体相 互作用动力学与生物大分子力学 化学耦合、血管以及骨 关节力学生物学、人体骨 骼 肌肉系统计算机建模、个体化心血管介入治疗的手术规划、胆道及肝脏流变学与 中药药理的血液流变学等基础研究及其在组织工程与再生医学、临床医学与康复工 程中的应用方面取得了原创性进展，同时在生物材料力学、生物黏附及仿生材料、动物运动生物力学等方面开展了卓有成效的工作。一批重要成果发表在 N ature、N ature M ater.、PNA S、Biophys. J.、J. Biol. Chem.、Cardiov as. Res. 等 国 际 生 物力学领域主流期刊和生物医学领域 重 要期 刊 上。同 时，国 际合 作 和交 流日 益活跃，青年人才不断涌现，已有 4 人获国家杰出青年科学基金资助。
我国生物材料领域研究发展迅速，开始跨入国际先进水平，成功地登上了 国际舞台。特别是经过 10 余年的努力，我国生物材料研究已从较为分散和重复 发展成为相对集中于 21 世纪生物材料科学与工程发展的方向和前沿，从单纯的 跟踪、模拟发展到了原始创新。例如，在硬组织修复材料、材料的表面修饰、抗凝血高分子材料、血液净化材料、新型医用金属材料以及生物活性物质控释 载体和系统等方面，我国原创性的工作已受到国际瞩目。在多次具有影响力的 生物材料 国 际大 会 上，上 述工 作 均被 邀请 作 大会 报 告。在 论 文 方 面，2003～2007 年全球 17 个生物医学工程学科发表论文共 16 142 篇，其中材料科学和生 物材料占 22. 8 %，我国学者发表论文 276 篇，数量名列全球第三。我国组织工程领域研究正式起步于 1994 年，进展顺利，在组织工程肌腱构 建、组织工程皮肤制备、组织工程骨构建与材料结合、亚全能干细胞可塑性、干细胞分离纯化技术、新型血液调控因子、种子细胞扩增技术、血液代用品制 备工艺、神经损伤再生套管等项目中均有明显的原始创新。组织工程相关支撑 技术，如产品的低温保存技术、生物反应器技术、种子细胞库建立等均有突破。多种干细胞分离纯化、大规模扩增、定向诱导技术也取得明显突破，相关的产 品研发有 4 项已通过中国药品生物制品检定所认证，其中 “原始间充质干细胞 治疗血液肿瘤注射液” 已获得临床批文，并已开始 Ⅰ 期临床试验。组织工程皮 肤获得了我国第一个由国家食品药品监督管理局 (SFDA)颁发的组织工程产品 注册证书，这标志着我国组织工程产品开始进入产业化阶段。
我国生物医学影像领域研究近年来取得了长足的进步。在 MRI、光学成像 和分子影像等方面初步建立了成像设备研制、理论算法研究和活体动物实验等 一支较为完整的学术和科研队伍。MRI 方面，磁共振影像的后处理研究 (如分 割、配准技术)已经达到了国际领先水平。光学成像方面，已在生物芯片成像、光学相干层析成像、声光谱成像、双光子激发荧光成像、二次谐波成像、光学 层析成像、相干光谱成像、扩散光学成像、光学分子成像、光学功能成像、认 知光学成像、高光谱成像等方面取得了系统性的研究成果，开发研制了具有自
|
|
|