納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用精選(九篇)

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第1篇：納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用范文

關(guān)鍵詞：納米金；生物醫(yī)學(xué)技術(shù)；應(yīng)用現(xiàn)狀；

1前言

如今納米技術(shù)隨著時(shí)代的發(fā)展已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，成為了科學(xué)研究的熱點(diǎn)，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(yīng)、量子效應(yīng)以及宏觀量子隧道效應(yīng)，它具有很多良好的化學(xué)特性，比如抗氧性和生物相容性。

2納米金在病原體檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

近些年來(lái)生物醫(yī)學(xué)界對(duì)于流行病學(xué)的研究和對(duì)病原微生物的診斷已有了不小的進(jìn)展，傳統(tǒng)的分離、培養(yǎng)及生化反應(yīng)逐漸被時(shí)代所淘汰，運(yùn)用納米金的免疫標(biāo)記技術(shù)作為新的高通量的、操作簡(jiǎn)單的檢測(cè)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于臨床病原體的檢測(cè)，這種檢測(cè)技術(shù)快速且準(zhǔn)確，十分適合在臨床上使用。1939年，兩位科學(xué)家Kausche和Ruska做了一個(gè)小小的納米金實(shí)驗(yàn)，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(fā)現(xiàn)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(yīng)用基礎(chǔ)。從1939年后生物醫(yī)學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，納米金標(biāo)記技術(shù)也廣受世人關(guān)注，成為了現(xiàn)代社會(huì)四大免疫標(biāo)記技術(shù)之一。作為一種特殊標(biāo)記技術(shù)，納米金在免疫檢測(cè)領(lǐng)域受到了廣泛的應(yīng)用，使用納米金粒子做探針，觀察抗原抗體的特異性反應(yīng)，放大檢測(cè)信號(hào)，由此檢測(cè)抗原的靈敏性。納米金技術(shù)具有良好的檢測(cè)靈敏性，在早期還支持診斷并監(jiān)控了急性傳染性病毒，根據(jù)這一特性，秦紅設(shè)計(jì)了快速檢測(cè)黃熱病病毒的技術(shù)，在納米金顆粒上標(biāo)記上金SPA-復(fù)合物的標(biāo)志，通過(guò)免疫反應(yīng)實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)病毒抗體與納米金顆粒結(jié)合，并形成了人眼可見(jiàn)的紅線。這種檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)有：不需要器材、簡(jiǎn)單、迅速、廉價(jià)、高效，極大地推動(dòng)了黃熱病病毒檢測(cè)技術(shù)的更新，在黃熱病的防控事業(yè)上有著深遠(yuǎn)意義。利用納米金作為免疫標(biāo)記物來(lái)檢測(cè)的除了黃熱病病毒，還有致病寄生蟲。我國(guó)的民族種類多樣，一些少數(shù)民族人民由于自身的文化特點(diǎn)，喜食生食或半生食物，這就形成了寄生蟲病的傳播，我國(guó)經(jīng)濟(jì)大發(fā)展后，人民的生活水平得到了提高，但還是喜食半生動(dòng)物肉或者內(nèi)臟，造成了食源性寄生蟲病發(fā)病率的上升，嚴(yán)重影響人民身體健康。目前我國(guó)的臨床診斷寄生蟲病技術(shù)包括三方面：病原學(xué)檢查、免疫學(xué)檢查以及影像學(xué)檢查。運(yùn)用納米金檢測(cè)技術(shù)，不僅縮短了取材時(shí)間、縮小了取材范圍，而且檢出率高、創(chuàng)傷性小，受到了患者的廣泛歡迎。

3納米金在核酸、蛋白質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

納米金粒子具有特殊的表面等離子體共振現(xiàn)象，被應(yīng)用在核酸構(gòu)建和分析檢測(cè)蛋白質(zhì)領(lǐng)域中，可以把生物識(shí)別反映轉(zhuǎn)換為光學(xué)或電學(xué)信號(hào)，因此人們將其與DNA、RNA和氨基酸相結(jié)合，在檢測(cè)核酸和蛋白質(zhì)方面收效頗豐，并且這種檢測(cè)方法制備簡(jiǎn)單，同時(shí)還具有很多優(yōu)點(diǎn)，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(cè)技術(shù)在核酸和蛋白質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用。首先是在核酸檢測(cè)中的應(yīng)用。美國(guó)首先利用納米金連接寡核苷酸制成探針檢測(cè)核酸，將納米金做標(biāo)記與靶核酸結(jié)合形成超分子結(jié)構(gòu)，由此來(lái)檢測(cè)核酸。利用納米金技術(shù)檢測(cè)特定病原體和遺傳疾病首先要做的就是檢測(cè)核酸的特定序列，在芯片點(diǎn)陣上整齊排列納米金顆粒，利用TaqDNA連接酶識(shí)別單堿基突變，等待連接后，就可以經(jīng)過(guò)一系列步驟得出單堿基突變結(jié)果，得到所需信息。在臨床應(yīng)用中使用納米金技術(shù)的表現(xiàn)有高靈敏檢測(cè)谷胱甘肽和半胱氨酸的新型電化學(xué)生物傳感器，這種機(jī)器對(duì)于谷胱甘肽和半胱氨酸的檢出限值更低，在檢測(cè)及預(yù)防糖尿病、艾滋病等疾病方面具有很大的臨床優(yōu)勢(shì)。其次是在蛋白質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用。納米金與蛋白質(zhì)的作用方式非常多樣，有物理吸附方式、化學(xué)共價(jià)結(jié)合方式以及非共價(jià)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(cè)并治療疾病和檢測(cè)環(huán)境污染。

4納米金在生物傳感器制備中的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前納米金在生物傳感器檢測(cè)中的應(yīng)用受到了人們的普遍關(guān)注，如上文所說(shuō)，納米金具有特殊的表面等離子體共振現(xiàn)象，這是制備生物傳感器的基礎(chǔ)。利用這種特性，科學(xué)家們做了許多實(shí)驗(yàn)，比如拉曼光譜試驗(yàn)，使用Uv-Vis光譜和拉曼光譜儀測(cè)試金納米顆粒的表征，得出結(jié)論是可以根據(jù)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(huán)境介電特性和顆粒尺寸大小的影響，納米金顆粒會(huì)表現(xiàn)出不同的形貌特征，比如吸收光譜、發(fā)生藍(lán)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(dǎo)電性能，利用納米金進(jìn)行免疫檢測(cè)時(shí)會(huì)大量聚集納米金，從而增強(qiáng)反應(yīng)體系的電導(dǎo)，順利通過(guò)電導(dǎo)檢測(cè)免疫反應(yīng)。利用納米金的高檢測(cè)靈敏性可以進(jìn)行電化學(xué)免疫傳感器的制備。

5其他領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前納米技術(shù)的研究中，納米金在生物醫(yī)學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用研究是重要研究課題，除了上文中說(shuō)到的病原體檢測(cè)、核酸以及蛋白質(zhì)檢測(cè)還有生物傳感器制備中的應(yīng)用，納米金技術(shù)同時(shí)也被廣泛應(yīng)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(jié)構(gòu)，它可以輕易被修飾并負(fù)載化合物，可以用于檢測(cè)并治療腫瘤，還可以被用于肺癌的檢測(cè)及治療，目前的大量數(shù)據(jù)都表明納米金技術(shù)在診斷并治療肺癌上有極大的優(yōu)勢(shì)。

6結(jié)語(yǔ)

第2篇：納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用范文

【關(guān)鍵詞】磁性納米藥物載體；系統(tǒng)構(gòu)建；藥物遞送；療效

納米技術(shù)是上個(gè)世紀(jì)80年代被研發(fā)的一種高新技術(shù)，其由多門學(xué)科交叉而形成的，在各個(gè)領(lǐng)域均有所應(yīng)用。磁性納米藥物也是由納米技術(shù)研制出來(lái)的，其具有磁學(xué)性能，在腫瘤的臨床治療上取得了可喜成果。該系統(tǒng)的構(gòu)建旨在使改性材料實(shí)現(xiàn)智能化與特異性的目標(biāo)，這在降低排斥反應(yīng)出現(xiàn)的概率，藥物順利遞送提供了正能量，基于此本文展開論述。

一、藥物釋放載體系統(tǒng)的構(gòu)建與生物評(píng)價(jià)學(xué)分析

智能納米材料主要包括傳感、處理、執(zhí)行這三大基本性能。智能化磁性納米藥物載體系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中需要對(duì)很多因素進(jìn)行綜合分析，而對(duì)智能納米材料的三大基本性質(zhì)進(jìn)行分析是基礎(chǔ)，例如執(zhí)行功能能夠定時(shí)、定點(diǎn)和定量地實(shí)現(xiàn)體內(nèi)生物功能。

藥物釋放載體系統(tǒng)作為智能化磁性納米藥物載體系統(tǒng)的一種類型，其在構(gòu)建之時(shí)將疾病診斷、藥物裝載、靶向遞送和執(zhí)行治療整合在一起，從而使該系統(tǒng)借助接枝診斷因子達(dá)到探測(cè)患者初始病癥的目標(biāo)。在抗體/配體或其他靶向因子的協(xié)助下，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)生物位置靶向運(yùn)輸和精準(zhǔn)定位的目標(biāo)；借用生物體內(nèi)包含的熒光物質(zhì)達(dá)到對(duì)體內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目標(biāo)；在聚乳酸、聚乙烯醇等聚合物的協(xié)助下，整個(gè)遞送系統(tǒng)與生物個(gè)體之間的相容性能被強(qiáng)化，在此過(guò)程中藥物的有效封裝不再是幻想；此外，該系統(tǒng)還可以將接枝所用的化學(xué)傳送給靶向因子或抗w。

該類型的智能化磁性納米藥物載體系統(tǒng)還能夠把藥物或治療基因強(qiáng)制性的封存在載體中，不僅僅能夠大幅度降低藥物對(duì)生物機(jī)體的毒性和副作用，也可以將特殊藥物或基因傳輸至機(jī)體靶細(xì)胞上，借助接枝其他功能型分子的途徑，使自體具備對(duì)光、電、磁、熱等刺激及時(shí)響應(yīng)的功能，繼而在將外界刺激作用于病區(qū)上，此時(shí)智能化磁性納米藥物載體系統(tǒng)遞送的智能化藥物控釋載體能夠精確的感知外界刺激信號(hào)，最后將預(yù)先設(shè)置的功能選項(xiàng)執(zhí)行出來(lái)，這樣藥物就可以依照預(yù)定方案實(shí)現(xiàn)控制性釋放的目標(biāo)，最終對(duì)病患細(xì)胞實(shí)現(xiàn)治療的目的。

二、基于熱響應(yīng)性金納米粒子智能藥物遞送系統(tǒng)的研究

在該智能化磁性納米藥物載體系統(tǒng)內(nèi)，磁性納米顆粒主要作用被設(shè)定為定位與靶向，金納米粒子最大的功能就是成像。系統(tǒng)在構(gòu)建之時(shí)利用高分子聚合物材料有效的將上述兩類納米粒子囊括在一個(gè)體系中，在此過(guò)程中使其具有載運(yùn)藥物的功能，借此途徑去使該智能化系統(tǒng)有效應(yīng)用磁信號(hào)把復(fù)合納米藥物載體輸送至病患細(xì)胞處。在金納米粒子成像功能的輔助下，從而達(dá)到對(duì)藥物顆粒運(yùn)載情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目標(biāo)，具體是指粒子的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制、作用部位和藥物濃度。最后在pH等外界特性刺激信號(hào)的支配下，促使高分子聚合物對(duì)藥物定點(diǎn)、定量釋放進(jìn)行合理的降解，實(shí)現(xiàn)對(duì)病患根治的最終。該智能化磁性納米藥物載體體系作用于癌癥細(xì)胞，使其表現(xiàn)出弱酸性，從而促使聚合物解體快速將內(nèi)部包含的藥物遞送出來(lái)。該智能化系統(tǒng)的構(gòu)建能夠達(dá)到對(duì)癌變細(xì)胞智能化診斷和治療的目的，與此同時(shí)大幅度的提升藥劑遞送的精準(zhǔn)性，此時(shí)藥物的利用效率顯著的提升也是必然的事實(shí)，并且能夠有效的減輕藥物毒副作用，可見(jiàn)基于熱響應(yīng)性金納米粒子智能藥物遞送系統(tǒng)在臨床診斷與治療方面具有寬闊的應(yīng)用空間。

Conner等人利用一種以近似紅外光為刺激信號(hào)的智能藥物載體，構(gòu)建了熱響應(yīng)性金納米粒子智能藥物遞送系統(tǒng)，該治療系統(tǒng)最大的特色在于利用金納米顆粒有效的處理了近紅外光的產(chǎn)熱效應(yīng)。在對(duì)荷瘤小鼠實(shí)現(xiàn)進(jìn)行光熱療法時(shí)，抗癌藥物有效的被釋放出來(lái)，同時(shí)在Ce6所產(chǎn)生的活性氧輔助下達(dá)到殺滅癌細(xì)胞的目標(biāo)，取得的應(yīng)用效果是極為可觀的。

三、關(guān)于介孔硅納米智能藥物遞送系統(tǒng)的研究

介孔硅納藥物遞送材料（MSN）憑借自體較高比表面積、孔徑結(jié)構(gòu)的有序性、表面富含活性基團(tuán)羥基（-OH）的性能，在研發(fā)降解新藥物載體上具有較高頻率的應(yīng)用。介孔硅納米智能藥物遞送系統(tǒng)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，是基于介孔材料表面大批量被功能化修整基礎(chǔ)上的，這樣該智能化磁性納米藥物載體系統(tǒng)就能夠高效率的對(duì)各類外加刺激信號(hào)，以及對(duì)特質(zhì)生理環(huán)境形成的效應(yīng)進(jìn)行精確而刺激性的回應(yīng)。正因如此，MCM-41、MCM-48，、MCM-50等介孔硅結(jié)構(gòu)在化學(xué)催化、分離吸附、藥物遞送控釋等眾多領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用潛力。

磁性-介孔硅復(fù)合結(jié)構(gòu)的納米顆粒的構(gòu)建，可以將抗癌藥物精確的傳送至腫瘤并發(fā)部位。該體系在構(gòu)建之時(shí)，制備實(shí)心硅球是前提，繼而在堿腐蝕法的作用下雕刻出中空介孔硅，MnFe沉積的磁性表面層的構(gòu)建，為磁性熱響應(yīng)性控制釋放體系的完善奠定基礎(chǔ)，最后在外加磁場(chǎng)的輔助下，藥物載體向病灶位置遞送的目的得以實(shí)現(xiàn)。

四、結(jié)束語(yǔ)

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，智能化磁性納米藥物載體系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景，其借助材料自體物理、化學(xué)、生物性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)智能靶向與精確定位的目標(biāo)。當(dāng)然，其特質(zhì)性生物學(xué)用途為臨床疾患診斷與治療效果的提升注入了巨大的動(dòng)力。也就是說(shuō)，納米材料、生物醫(yī)學(xué)和信息技術(shù)有機(jī)整合，使生物材料在響應(yīng)、藥物遞送和疾病診療等方面體現(xiàn)智能化特色，從而使患者少受病痛的折磨，為人類健康做出貢獻(xiàn)。

【參考文獻(xiàn)】

第3篇：納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用范文

【關(guān)鍵詞】 光電子技術(shù) 光醫(yī)學(xué) 光保健 學(xué)科現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢(shì)

一 引言

生物醫(yī)學(xué)光學(xué)與光子學(xué)是光學(xué)或者說(shuō)光子學(xué)現(xiàn)展的一個(gè)分支學(xué)科。由于光學(xué)與光子學(xué)是具有極強(qiáng)應(yīng)用背景的學(xué)科，所以“生物醫(yī)學(xué)光子技術(shù)”這一多學(xué)科交叉的新興研究領(lǐng)域在20世紀(jì)末葉也隨之應(yīng)運(yùn)而生。

激光技術(shù)作為一項(xiàng)重大的科技成就，為研究生命科技和疾病的發(fā)生、發(fā)展開辟了新的途徑，為保健和臨床診療提供了嶄新的手段,推動(dòng)人類科學(xué)技術(shù)進(jìn)入新的發(fā)展階段。

可以把與光的產(chǎn)生、傳播、操縱、探測(cè)和利用有關(guān)的物理現(xiàn)象和技術(shù)包括在內(nèi)的科學(xué)及工程籠統(tǒng)地簡(jiǎn)稱為光學(xué)。用光學(xué)最廣的含義來(lái)概括各研究領(lǐng)域及其相關(guān)交叉分支時(shí)必然包括了激光和光電子技術(shù)。運(yùn)用光學(xué)及其技術(shù)研究光與人體組織的相互作用問(wèn)題可歸之于“組織光學(xué)”范疇。它是研究光輻射能量在生物組織體內(nèi)的傳播規(guī)律以及有關(guān)組織光學(xué)特性的測(cè)量方法的一門新興交叉學(xué)科，是光醫(yī)學(xué)（光診斷和光治療）的理論基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，激光與光電子技術(shù)在人類的保健、醫(yī)療以及生命科學(xué)中產(chǎn)生了很大影響。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，光電子技術(shù)使各種新療法，包括從激光心臟手術(shù)到用光學(xué)圖像系統(tǒng)的關(guān)節(jié)內(nèi)窺鏡進(jìn)行微損膝關(guān)節(jié)修復(fù)等，成為可能或得以實(shí)現(xiàn)。目前，科學(xué)家們正致力于研究光學(xué)技術(shù)在非侵入式診斷和檢測(cè)上的應(yīng)用，如乳腺癌的早期探查、糖尿病患者葡萄糖的“無(wú)針”監(jiān)控等。激光在醫(yī)學(xué)上的最早應(yīng)用雖然集中在治療方面，然而在80年代初期起便開始了光診斷技術(shù)的探索。指望無(wú)損害地獲得診斷信息是這些研究的驅(qū)動(dòng)力之一，其中在物理學(xué)中高度發(fā)展的光譜技術(shù)有望在診斷醫(yī)學(xué)中得到應(yīng)用。利用光纖把光傳輸?shù)缴眢w內(nèi)部的能力，可以完成膀胱、結(jié)腸和肺等器官的檢查。隨著醫(yī)學(xué)診斷方法向無(wú)損化方向發(fā)展，利用光電子學(xué)技術(shù)對(duì)組織體進(jìn)行鑒別和診斷，有可能更早期、更精確地診斷各種疾病。近年來(lái)，人們開始把這種診斷方法稱之為“光活檢”。

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)模式的轉(zhuǎn)變、健康概念的更新以及人民生活水平的提高，從20世紀(jì)80年代后期起，“激光美容術(shù)”在世界各地包括在我國(guó)各大城市逐漸地開展。保健美容是光電子技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越活躍的領(lǐng)域。激光技術(shù)應(yīng)用于美容外科的起步較早，使得一些在美容整形外科很棘手的疾病，如太田痣、血管瘤等治療變得簡(jiǎn)易有效。到20世紀(jì)末，人們又開發(fā)了一種稱為光子嫩膚術(shù)的新美容技術(shù)。它基于選擇性的光熱解作用，有效地改善肌膚的質(zhì)地和彈性，達(dá)到美容的效果。之所以用激光或強(qiáng)脈沖光進(jìn)行非消融性的嫩膚或治療越來(lái)越流行，是因?yàn)檫@類手術(shù)具有無(wú)損、不必住院、幾乎無(wú)副作用和無(wú)疼痛，從而使受術(shù)者容易接受的優(yōu)點(diǎn)。

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)先后二次在“光子學(xué)與光子技術(shù)”以及“生物醫(yī)學(xué)光學(xué)”優(yōu)先資助領(lǐng)域戰(zhàn)略研究報(bào)告中分別指出：近年來(lái)生物醫(yī)學(xué)光學(xué)與光子學(xué)的迅猛興起，令人矚目，并因而引發(fā)出一門新興的學(xué)科－生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)（Biomedophotonics）。研究報(bào)告選定了近期優(yōu)先研究領(lǐng)域包括生物光子學(xué)、醫(yī)學(xué)光子學(xué)基礎(chǔ)研究、醫(yī)學(xué)臨床的光學(xué)診斷和激光醫(yī)學(xué)中的重要課題等諸方面。

福建師范大學(xué)在1974年成立了“醫(yī)用激光及其應(yīng)用技術(shù)”研究組，以激光與光電子技術(shù)為基礎(chǔ)，圍繞激光醫(yī)學(xué)應(yīng)用的核心技術(shù)開展研究與開發(fā)。至二十世紀(jì)九十年代，跟隨該領(lǐng)域的國(guó)際走向，轉(zhuǎn)入激光醫(yī)學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究工作，在國(guó)內(nèi)率先開展了生物組織光學(xué)與光劑量學(xué)的研究。伴隨研究工作的深入開展，逐步形成了我們有特色的若干前沿研究方向，并于2005年獲準(zhǔn)立項(xiàng)建設(shè)醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

二 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

光學(xué)在生命科學(xué)中的應(yīng)用，在經(jīng)歷了一個(gè)緩慢的發(fā)展階段后，由于激光與新穎的光子技術(shù)的介入，進(jìn)入了一個(gè)迅速發(fā)展的新階段。與光學(xué)有關(guān)的技術(shù)沖擊著人類健康領(lǐng)域，正在改變著藥物療法和常規(guī)手術(shù)的實(shí)施手段，并為醫(yī)療診斷提供了革命性的新方法。特別在近十多年來(lái)，與蓬勃的學(xué)術(shù)研究活動(dòng)相對(duì)應(yīng)，國(guó)際上出現(xiàn)了專門的研究性學(xué)術(shù)雜志，如：Laurin 出版公司于1991年發(fā)行了“Bio-Photonics”新雜志。美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)重要的會(huì)刊之一“Applied Optics”也于1996年將其“Optical Technology”欄目擴(kuò)充為“ Optical Technology and Biomedical Optics”，并定期出版有關(guān)生物醫(yī)學(xué)光學(xué)的論文專集。SPIE亦于1996年創(chuàng)辦了期刊Journal of Biomedical Optics，且聲譽(yù)日隆。到2004年，該刊的SCI影響因子已達(dá)3.541。當(dāng)前，發(fā)達(dá)國(guó)家普遍對(duì)生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)學(xué)科給予了高度重視。例如，在美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院（NIH）新成立的國(guó)家生物醫(yī)學(xué)影像與生物工程研究所（NIBIB）中，生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)也成為其主要資助的領(lǐng)域。近三年中，美國(guó)NIH已經(jīng)召開過(guò)4次研討會(huì)，認(rèn)為新的在體生物光子學(xué)方法可用于癌癥和其它疾病的早期檢測(cè)、診斷和治療。新一代的在體光學(xué)成像技術(shù)正處在從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)向癌癥臨床應(yīng)用的重要時(shí)刻。在NIH的支持下，美國(guó)國(guó)家癌癥研究所（NCI）正在計(jì)劃5年投資1800萬(wàn)美元，招標(biāo)建立“在體光學(xué)成像和/或光譜技術(shù)轉(zhuǎn)化研究網(wǎng)絡(luò)（NTROI）”，其研究?jī)?nèi)容主要包括：光學(xué)成像對(duì)比度的產(chǎn)生機(jī)理、在體光學(xué)成像技術(shù)與方法、臨床監(jiān)測(cè)、新光學(xué)成像方法的驗(yàn)證、系統(tǒng)研制與集成等五個(gè)方面。2000年底，在美國(guó)NIBIB的首批支持項(xiàng)目中，光學(xué)成像方法約占30%。2000年7月，美國(guó)NIH投資2000萬(wàn)美元，開展小動(dòng)物成像方法項(xiàng)目（SAIRPs）研究，受到生命科學(xué)界的高度關(guān)注，其中光學(xué)成像方法是研究重點(diǎn)之一。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）在2000-2002年了4次關(guān)于生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)研究（Biophotonics Partnership Initiative）的招標(biāo)指南?！?.11”事件后，美國(guó)國(guó)防部啟動(dòng)了“應(yīng)激狀態(tài)下的認(rèn)知活動(dòng)”(Cognition under stress)項(xiàng)目，采用的研究方法就是光學(xué)成像技術(shù)。美國(guó)加州大學(xué)Davis分校于2002年10月宣布：未來(lái)10年內(nèi)，將投資5200萬(wàn)美元建立生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)科學(xué)技術(shù)中心（The Center for Biophotonics Science and Technology），其中4000萬(wàn)美元由NSF支持。在學(xué)術(shù)交流活動(dòng)方面，國(guó)際光學(xué)界規(guī)模最大西部光子學(xué)會(huì)議（Photonics West）上，每年的四個(gè)大分會(huì)之一即是生物醫(yī)學(xué)光學(xué)會(huì)議（BiOS），論文均超過(guò)大會(huì)總數(shù)的三分之一，如，2003年關(guān)于BiOS的專題為19個(gè)，占整個(gè)會(huì)議的19/52=36.5%；2004年，IBOS會(huì)議專題為20個(gè)，占整個(gè)會(huì)議的20/55=36.4%。另外，每年還召開歐洲生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)會(huì)議。除疾病早期診斷、生理參數(shù)監(jiān)測(cè)外，在基因表達(dá)、蛋白質(zhì)―蛋白質(zhì)相互作用、新藥研發(fā)和藥效評(píng)價(jià)等研究中，特別是近年來(lái)的Science, Nature, PNAS等國(guó)際權(quán)威刊物發(fā)表的論文表明，光子學(xué)技術(shù)也正在發(fā)揮至關(guān)重要的作用。在某些領(lǐng)域，如眼科，光學(xué)和激光技術(shù)已成熟地應(yīng)用于臨床實(shí)踐。激光還使治療腎結(jié)石和皮膚病的新療法得以實(shí)現(xiàn)，并以最小的無(wú)損或微損療法代替外科手術(shù)，如膝關(guān)節(jié)的修復(fù)?，F(xiàn)在，用激光技術(shù)和光激勵(lì)的藥物相結(jié)合可治好某些癌癥。以光學(xué)診斷技術(shù)為基礎(chǔ)的流動(dòng)血細(xì)胞測(cè)量?jī)x可用于監(jiān)測(cè)愛(ài)滋病患者體內(nèi)的病毒攜帶量。還有一些光學(xué)技術(shù)正處于無(wú)損醫(yī)學(xué)應(yīng)用的試驗(yàn)階段，包括控制糖尿病所進(jìn)行的無(wú)損血糖監(jiān)測(cè)和乳腺癌的早期診斷等。光學(xué)技術(shù)還為生物學(xué)研究提供了新的手段，如人體內(nèi)部造影、測(cè)量、分析和處理等。共焦激光掃描顯微鏡能將詳細(xì)的生物結(jié)構(gòu)的三維圖象展現(xiàn)出來(lái)，在亞細(xì)胞層次監(jiān)測(cè)化學(xué)組成和蛋白質(zhì)相互作用空間和時(shí)間特征。以雙光子激發(fā)熒光技術(shù)為代表的非線性成像方法，不僅可以改善熒光成像方法的探測(cè)深度、降低對(duì)生物體的損傷，而且還開辟了在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行高度定位的光化學(xué)療法。近場(chǎng)技術(shù)將分辨率提高到衍射極限以上，可以探測(cè)細(xì)胞膜上生物分子的相互作用、離子通道等等。激光器已成為確定DNA化學(xué)結(jié)構(gòu)排序系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。光學(xué)在生物技術(shù)方面的其它應(yīng)用還包括采用“DNA芯片”的高級(jí)復(fù)雜系統(tǒng)，和采用傳輸探針的簡(jiǎn)單系統(tǒng)。激光鉗提供了一種在顯微鏡下方能看見(jiàn)的一種新奇的、前所未有的操作方法，能夠在生物環(huán)境中實(shí)現(xiàn)細(xì)胞或微觀粒子的操縱與控制，或在10-12m范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)力學(xué)參數(shù)的測(cè)量。結(jié)合光子學(xué)和納米技術(shù)已經(jīng)可以探測(cè)細(xì)胞機(jī)械活動(dòng)，揭示細(xì)胞水平上隱秘的生命過(guò)程，利用納米器件甚至可以檢測(cè)和操縱原子和分子，這可以應(yīng)用在細(xì)胞水平的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。高技術(shù)的進(jìn)步，如：微芯片極大地加速了生物光子學(xué)的發(fā)展進(jìn)程。集成電路、傳感器元件和相連電路的小型化、集成化促使在體和體外測(cè)量分子、組織和器官圖像成為可能。許多生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)技術(shù)已經(jīng)在臨床上應(yīng)用于早期疾病監(jiān)測(cè)或生理參量的測(cè)量，如血壓，血液化學(xué)，pH，溫度，或測(cè)量病理生物體或臨床上有重要意義的生化物種的存在與否。描述不同光譜特性（如熒光，散射，反射和光學(xué)相干成像）的各種光學(xué)概念出現(xiàn)在功能成像的重要領(lǐng)域。從大腦到竇體再到腹部，精確導(dǎo)位和追蹤，對(duì)于精確定位醫(yī)療儀器在三維手術(shù)空間的位置具有重要的作用。基于分子探針的光子技術(shù)可以識(shí)別發(fā)生疾病時(shí)產(chǎn)生的分子報(bào)警，將真正實(shí)現(xiàn)令人激動(dòng)的、個(gè)人的、分子水平的醫(yī)學(xué)。

我國(guó)的研究基礎(chǔ)與條件雖然相對(duì)落后，研究投入不足，但生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)是一門正在興起和不斷發(fā)展的學(xué)科，在這一新興交叉學(xué)科上國(guó)內(nèi)外處于一個(gè)起跑線上。近年來(lái)，在國(guó)家自然科學(xué)基金委、省部委以及其它基金項(xiàng)目的資助下，我國(guó)在生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的研究中取得了很大的進(jìn)展，尤其是2000年第152次主題為 “生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)與醫(yī)學(xué)成像若干前沿問(wèn)題”、第217次主題為“生物分子光子學(xué)”的香山會(huì)議后，有許多學(xué)校和科研單位開展了生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的研究工作，并初步建成了幾個(gè)具有代表性的、具有自己研究特色和明確科研方向的研究機(jī)構(gòu)或?qū)嶒?yàn)室，并在生物醫(yī)學(xué)光學(xué)成像（如OCT、光聲光譜成像、雙光子激發(fā)熒光成像、二次諧波成像、光學(xué)層析成像等）、組織光學(xué)理論及光子醫(yī)學(xué)診斷、分子光子學(xué)（包括成像與分析）、生物醫(yī)學(xué)光譜、X射線相襯成像、光學(xué)功能成像、認(rèn)知光學(xué)成像、PDT光劑量學(xué)、高時(shí)空譜探測(cè)技術(shù)及儀器研究等方面取得了顯著的研究成果。發(fā)表了許多研究論文，申請(qǐng)了許多發(fā)明專利，有些已經(jīng)獲得產(chǎn)業(yè)化。國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)生命科學(xué)部與信息科學(xué)部聯(lián)合發(fā)起并承辦的全國(guó)光子生物學(xué)與光子醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)研討會(huì)已經(jīng)舉辦了六屆。這對(duì)我國(guó)生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)學(xué)科的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用。在我國(guó)近年所召開的亞太地區(qū)光子學(xué)會(huì)議中，有關(guān)生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的內(nèi)容已大幅增加，成為主要的研討專題。我國(guó)的生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)研究和學(xué)術(shù)活動(dòng)也方興未艾，呈現(xiàn)與國(guó)際同步的態(tài)勢(shì)。在基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究以及對(duì)新技術(shù)的掌握方面跟蹤國(guó)際先進(jìn)水平，但國(guó)內(nèi)科研經(jīng)費(fèi)的投入相對(duì)較小，科研隊(duì)伍規(guī)模不大，原創(chuàng)性的科研成果與國(guó)外有較大差距。和國(guó)外的發(fā)展水平相比，我國(guó)的生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)發(fā)展還存在以下問(wèn)題：

（1）盡管從事生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的科研單位很多，但取得突破性、創(chuàng)新性的研究成果很少，主要是由于我們的科研隊(duì)伍在組織、組成上還不合理，過(guò)于分散、開展的內(nèi)容繁雜，難以將有限的資金投入到一些有利于國(guó)計(jì)民生的及上水平的研究方向上；另外許多單位的研究重復(fù)，缺乏合作，導(dǎo)致水平低下；

（2）和國(guó)外相比，研究經(jīng)費(fèi)無(wú)論在絕對(duì)值還是相對(duì)值上均投入十分不夠；

（3）缺乏研究成果產(chǎn)業(yè)化的引導(dǎo)機(jī)制。

三 醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)（福建師范大學(xué)）教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室概況

“醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)立于福建師范大學(xué)物理與光電信息科技學(xué)院（激光與光電子技術(shù)研究所）內(nèi)，作為本學(xué)科開展科研研究和實(shí)施建設(shè)與發(fā)展的一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)室已有30年發(fā)展歷史，1973年成立福建師范學(xué)院物理系激光實(shí)驗(yàn)室，1984年成為福建師范大學(xué)激光研究所實(shí)驗(yàn)室，1995年為福建省首期211重點(diǎn)學(xué)科《應(yīng)用光子學(xué)》學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，2003年5月26日經(jīng)福建省科技廳批準(zhǔn)成立“光子技術(shù)福建省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”，2005年7月28日經(jīng)教育部批準(zhǔn)立項(xiàng)建設(shè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室座落于福建師范大學(xué)長(zhǎng)安山校園內(nèi)。

30年多來(lái)，實(shí)驗(yàn)室在生物組織光學(xué)、醫(yī)學(xué)光譜與光學(xué)成像技術(shù)、光診斷及光診療技術(shù)、信息技術(shù)光學(xué)及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等四個(gè)主要方向上努力開拓，承擔(dān)并完成了數(shù)十項(xiàng)國(guó)家與省部重點(diǎn)、重大項(xiàng)目課題，取得一批代表我國(guó)本領(lǐng)域研究水平的科研成果，其中十五以來(lái)獲省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，三等獎(jiǎng)2項(xiàng)，其它省級(jí)以上獎(jiǎng)勵(lì)12項(xiàng)。在國(guó)內(nèi)外重要刊物發(fā)表的論文以及被SCI、EI收錄的論文均超過(guò)100篇。

實(shí)驗(yàn)室目前承擔(dān)著國(guó)家與省級(jí)重要課題50余項(xiàng)，科研經(jīng)費(fèi)超過(guò)2000萬(wàn)元。其中國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目11項(xiàng)，國(guó)家教育部、科技部、衛(wèi)生部項(xiàng)目9項(xiàng)，福建省科技重大專項(xiàng)1項(xiàng)，其它省級(jí)重要項(xiàng)目近30項(xiàng)。

中科院半導(dǎo)體研究所原所長(zhǎng)王啟明院士任重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)主任，副主任由黃尚廉院士和謝樹森教授擔(dān)任。另有九位國(guó)內(nèi)外著名的激光、光電子與醫(yī)學(xué)學(xué)科交叉的院士、專家或資深教授擔(dān)任委員，其中海外委員兩人。他們規(guī)劃、指導(dǎo)并檢查本學(xué)科實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與發(fā)展。

重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主要學(xué)術(shù)帶頭人、實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)常務(wù)副主任謝樹森教授是中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、福建省光學(xué)學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)、國(guó)家有突出貢獻(xiàn)的中青年專家、光學(xué)工程專業(yè)博導(dǎo)、全國(guó)勞動(dòng)模范，是我國(guó)醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)帶頭人與開拓者。實(shí)驗(yàn)室主任陳榮教授、副主任李暉教授均為國(guó)務(wù)院特殊津貼專家，實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任陳建新教授來(lái)自于北京大學(xué)的優(yōu)秀博士后研究員。重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室擁有穩(wěn)定的可持續(xù)開展高水平科研的學(xué)術(shù)梯隊(duì)，其中的中青年學(xué)術(shù)帶頭人或?qū)W術(shù)骨干包括1位閩江學(xué)者特聘教授、1位福建師范大學(xué)特聘教授、3位國(guó)務(wù)院特殊津貼專家、2位全國(guó)優(yōu)秀教師、2位福建省優(yōu)秀教師和15位博士。

重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界建立了并保持著廣泛的聯(lián)系。重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已設(shè)立面向國(guó)內(nèi)外的開放課題基金。已批準(zhǔn)并實(shí)施來(lái)自浙江大學(xué)、廈門大學(xué)、上海光機(jī)所、西安交通大學(xué)、華南師范大學(xué)、天津醫(yī)科大學(xué)、上海市激光醫(yī)學(xué)研究中心等單位知名學(xué)者的開放課題。

重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已具備良好的科研軟硬件環(huán)境?，F(xiàn)有面積近5000平方米，儀器設(shè)備原值2500多萬(wàn)元。重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室各項(xiàng)管理制度健全。

“醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在我國(guó)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域特色鮮明，在我國(guó)相關(guān)學(xué)科處于領(lǐng)頭地位，有較大影響。重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)將有力促進(jìn)福建省科技創(chuàng)新能力建設(shè)，促使福建師范大學(xué)迅速向高水平、有特色、開放型的綜合性大學(xué)邁進(jìn)。同時(shí)，重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與發(fā)展將有力促進(jìn)我國(guó)醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，為廣大民眾的身心健康，為海峽西岸的科技、社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)。

四 發(fā)展趨勢(shì)和展望

光子學(xué)及其技術(shù)已廣泛應(yīng)用或滲透到生物科學(xué)和醫(yī)學(xué)的諸多方面，被科學(xué)界所認(rèn)同和重視。生物醫(yī)學(xué)光學(xué)已經(jīng)成為國(guó)際光學(xué)學(xué)科重要發(fā)展方向之一。生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的發(fā)展，將為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)帶進(jìn)嶄新的時(shí)代。本學(xué)科的發(fā)展將繼續(xù)體現(xiàn)了多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，研究領(lǐng)域涉及到了生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、和光學(xué)，還有化學(xué)等不同大學(xué)科的方方面面。技術(shù)開發(fā)與臨床應(yīng)用研究的結(jié)合將越來(lái)越密切。一般認(rèn)為，光學(xué)領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)是將各種復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)和技術(shù)更加廣泛地應(yīng)用于保健和醫(yī)療。當(dāng)今世界中,與光子學(xué)有關(guān)的技術(shù)沖擊著人類對(duì)生命體的認(rèn)知及人類健康領(lǐng)域?；诂F(xiàn)代激光與光電子技術(shù)的生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)技術(shù)將為生命科學(xué)研究帶來(lái)具有原始性創(chuàng)新的重要科研成果，并可望形成有重大社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)效益的產(chǎn)業(yè)。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，光子學(xué)技術(shù)正在改變著藥物療法和常規(guī)手術(shù)的實(shí)施手段,并為醫(yī)療診斷提供了新方法。在某些領(lǐng)域,如眼科,光學(xué)和激光技術(shù)已成熟地應(yīng)用于臨床實(shí)踐。激光還使治療腎結(jié)石和皮膚病的新療法得以實(shí)現(xiàn),并以無(wú)損或微損療法代替外科手術(shù),如膝關(guān)節(jié)的修復(fù)?，F(xiàn)在,用激光技術(shù)和光激勵(lì)的藥物相結(jié)合可治好某些癌癥。以光學(xué)診斷技術(shù)為基礎(chǔ)的流動(dòng)血細(xì)胞測(cè)量?jī)x可用于監(jiān)測(cè)愛(ài)滋病患者體內(nèi)的病毒攜帶量。還有一些光學(xué)技術(shù)正處于無(wú)損醫(yī)學(xué)應(yīng)用的試驗(yàn)階段,包括控制糖尿病所進(jìn)行的無(wú)損血糖監(jiān)測(cè)和乳腺癌的早期診斷等。

在基礎(chǔ)研究方面，研究重點(diǎn)在于從細(xì)胞，甚至是亞細(xì)胞尺度層次揭示病變組織與正常組織之間的差異，為新技術(shù)開發(fā)以及應(yīng)用提供理論依據(jù)。另一方面，研究光與人體組織之間的相互作用以及所產(chǎn)生的光化學(xué)、光熱和光機(jī)械效應(yīng)。在技術(shù)的應(yīng)用方面，研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向比較各種技術(shù)中光源（相干光源/非相干光源、波長(zhǎng)、功率密度、偏振性、連續(xù)/脈沖光源、脈沖持續(xù)時(shí)間等）和個(gè)體差異（年齡、性別、臨床癥狀、發(fā)病史、發(fā)病時(shí)間等）對(duì)診斷或治療結(jié)果的影響，在確定各種技術(shù)臨床適應(yīng)癥的同時(shí)，進(jìn)一步實(shí)用化各種技術(shù)。此外，還在不斷開發(fā)新的實(shí)用于不同疾病的診斷、治療和監(jiān)測(cè)技術(shù)。

值得關(guān)注的是，國(guó)外從事“生物醫(yī)學(xué)光學(xué)”領(lǐng)域研究的高?；蜓芯繖C(jī)構(gòu)中，來(lái)自大陸的中國(guó)學(xué)者的數(shù)量越來(lái)越多。這有助于使國(guó)內(nèi)外的學(xué)術(shù)交流更加有效，并可以預(yù)期國(guó)內(nèi)與國(guó)外在該領(lǐng)域的研究水平差距將不斷縮小。

今后若干年內(nèi)醫(yī)學(xué)光電科技學(xué)科需關(guān)注的重大科學(xué)問(wèn)題和優(yōu)先研究領(lǐng)域如下：

（一）醫(yī)學(xué)光子學(xué)基礎(chǔ)

在組織光學(xué)方面，其中最主要的有光在組織體內(nèi)傳播的特殊方式、組織光學(xué)性質(zhì)的描述以及有關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的開發(fā)和完善等。組織光學(xué)是醫(yī)學(xué)光子技術(shù)的理論基礎(chǔ)。光在生物組織中的運(yùn)動(dòng)學(xué)（如光的傳播）問(wèn)題和動(dòng)力學(xué)（如光的探測(cè)）問(wèn)題是研究的主要內(nèi)容，目的是要研究生物組織的光學(xué)性質(zhì)和確定某靶位單位面積上的光能流率。應(yīng)優(yōu)先解決測(cè)量技術(shù)和實(shí)驗(yàn)精度的問(wèn)題，利用近場(chǎng)光學(xué)顯微技術(shù)、光鑷技術(shù)測(cè)量活體組織的光學(xué)參量。在理論建模方面，建立生物組織中光的傳輸理論和數(shù)值模擬方法。具體開展的研究工作應(yīng)包括：1）光在生物組織中傳輸理論：要用更復(fù)雜的理論來(lái)描述生物組織的光學(xué)性質(zhì)以及光在其中的傳播行為。建立準(zhǔn)確的組織光學(xué)模型，使之能反映生物組織空間結(jié)構(gòu)及其尺寸分布情況、組織各個(gè)部分的散射與吸收特性以及折射率在一定條件下的變化情況；改造傳輸方程，使之適應(yīng)新的條件，并能在某些情況下求出光在生物組織中傳輸?shù)幕拘再|(zhì)。2）光傳輸?shù)拿商乜_模擬：繼續(xù)開發(fā)新的更為有效的算法以適應(yīng)生物組織的多樣性和復(fù)雜性的要求。除了了解光在組織中的分布，還在探索從大量數(shù)字模擬中得到生物組織中光的宏觀分布與其光學(xué)性質(zhì)基本參量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。另外，發(fā)展非穩(wěn)態(tài)的光傳輸?shù)拿商乜_模擬方法也是一個(gè)重要的研究方向，從中可以獲得比穩(wěn)態(tài)條件下更多的信息。

組織光學(xué)參數(shù)的測(cè)量方法和技術(shù)方面，尚未獲得人體各種組織的可靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。發(fā)展和完善活體的無(wú)損檢測(cè)尤為重要。在這方面，時(shí)間分辨率與頻率分辨率的測(cè)量方法引人注目。

（二）醫(yī)學(xué)光子學(xué)光譜診斷技術(shù)

醫(yī)學(xué)光子學(xué)光譜（非成像）診斷技術(shù)實(shí)質(zhì)上是利用從組織體反射、散射、發(fā)射出來(lái)的光，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)姆糯?、探測(cè)以及信號(hào)處理，來(lái)獲取組織內(nèi)部的病變信息，從而達(dá)到診斷疾病的目的。

生物組織的自體熒光與藥物熒光光譜技術(shù)，內(nèi)容涉及光敏劑的吸收譜、激發(fā)與發(fā)射熒光譜以及各種波長(zhǎng)激光激發(fā)下正常組織與病變組織內(nèi)源性熒光基團(tuán)特征光譜等?，F(xiàn)在人們所謂的特征熒光峰實(shí)際上只是卟啉分子的熒光峰?？陀^和科學(xué)地判斷激光熒光光譜對(duì)腫瘤的診斷標(biāo)準(zhǔn)是十分必要的。目前，某些癌瘤的藥物熒光診斷已進(jìn)入臨床試用，自體熒光的應(yīng)用尚處于摸索之中。需要開展激光激發(fā)生物組織和細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的機(jī)理研究，探討激光誘發(fā)組織自體熒光與癌組織病理類型的相關(guān)性以及新型光敏劑的熒光譜、熒光產(chǎn)額和最佳激發(fā)波長(zhǎng)等方面的研究，以期獲得極其穩(wěn)定、可靠的特征數(shù)據(jù)，為診斷技術(shù)的發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

近年來(lái)，拉曼光譜技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)中已顯示出它在靈敏度、分辨率、無(wú)損傷等方面的優(yōu)勢(shì)。應(yīng)開發(fā)并完善重要醫(yī)學(xué)物質(zhì)拉曼光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，并使基于拉曼光譜分析的小型、高效、適用于體表與體內(nèi)的醫(yī)用拉曼光譜儀和診斷儀將在醫(yī)學(xué)臨床獲得更廣泛的應(yīng)用。

超快時(shí)間分辨光譜比穩(wěn)態(tài)光譜在技術(shù)上更靈敏、更客觀和更具有選擇性。因此，將脈寬為ps、fs量級(jí)的超短激光脈沖光源用于醫(yī)學(xué)受到廣泛重視，其一，應(yīng)發(fā)展超快時(shí)間分辨熒光光譜技術(shù)，用于測(cè)量生物組織及生物分子的熒光衰變時(shí)間，分析癌組織分子馳豫動(dòng)力學(xué)性質(zhì)等，為進(jìn)一步研究自體熒光法診斷惡性腫瘤提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；其二，應(yīng)發(fā)展超快時(shí)間分辨漫反射（透射）光譜技術(shù)。以時(shí)域的角度測(cè)量組織的漫反射，從而間接確定組織的光學(xué)特征。這是一種全新的、適用于活體的、無(wú)損和實(shí)時(shí)的測(cè)量方法，為確知光與生物組織的相互作用，解決醫(yī)學(xué)光子學(xué)中基礎(chǔ)測(cè)量問(wèn)題開辟一條新徑。

（三）醫(yī)學(xué)光子學(xué)成像診斷技術(shù)

發(fā)展出具有無(wú)輻射損傷、高分辨率、非侵入、實(shí)時(shí)、安全的光子學(xué)成像診斷技術(shù)，并具有經(jīng)濟(jì)、小型、且能監(jiān)測(cè)活體組織內(nèi)部處于自然狀態(tài)化學(xué)成分等特點(diǎn)的醫(yī)療診斷設(shè)備。主要的醫(yī)學(xué)光子學(xué)成像診斷技術(shù)包括：

超快時(shí)間分辨成像技術(shù)：以超短脈沖激光作為光源，根據(jù)光脈沖在組織內(nèi)傳播時(shí)的時(shí)間分辨特性，使用門控技術(shù)分離出漫反射脈沖中未被散射的所謂早期光，進(jìn)行成像。正在研究的典型時(shí)間門有條紋照相機(jī)、克爾門、電子全息等。

散射成像技術(shù)：包括光子密度波散射層析成像、組織深度光譜測(cè)量以及復(fù)合成像等，利用紅外光源，光子密度波在生物組織中的穿透深度可達(dá)幾個(gè)毫米，在低散射的人腦組織中甚至可達(dá)30mm。

紅外熱成像：紅外熱成像是利用紅外探測(cè)器測(cè)量人體和動(dòng)物的正常與病變組織的溫度差異來(lái)診斷病變及其位置，現(xiàn)已在醫(yī)學(xué)診斷中得到廣泛的應(yīng)用，如乳腺腫瘤的診斷。

光學(xué)相干層析成像技術(shù)：一種非侵入式無(wú)損成像技術(shù)，并且可以與顯微鏡、手持探針、內(nèi)窺鏡、醫(yī)用導(dǎo)管、腹腔鏡等相結(jié)合使用，從而具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。而且，OCT能進(jìn)行眾多功能成像，如分光鏡OCT、多普勒OCT、偏振OCT：也可以與眾多成像技術(shù)結(jié)合使用，如熒光、雙光子、二次諧波成像等技術(shù)。

熒光壽命成像：受超短光脈沖激發(fā)后，熒光團(tuán)，包括自體熒光團(tuán)如NADH、FAD等和外源熒光團(tuán)，如有機(jī)熒光染料、熒光蛋白等，所發(fā)出熒光的壽命取決于熒光團(tuán)的分子種類及其所處的微環(huán)境，如pH、離子濃度（如Ca2+、Na+等）、氧壓等，因此熒光壽命的測(cè)量和成像，有助于提供生物組織的功能信息。和內(nèi)窺鏡結(jié)合，可用于胃癌、食道癌等疾病的早期診斷，是一種很有前途的具有高靈敏度、高特異性以及高診斷準(zhǔn)確性的早期癌癥診斷方法。

光聲作用成像：利用超聲場(chǎng)在生物組織中的優(yōu)良傳輸特性和激光在生物組織中的選擇性吸收特性,將超聲定位技術(shù)和光學(xué)高靈敏度檢測(cè)技術(shù)結(jié)合,以實(shí)現(xiàn)無(wú)損傷臨床醫(yī)學(xué)的結(jié)構(gòu)和功能層析診斷。預(yù)期成像深度遠(yuǎn)好于目前的光學(xué)成像方法,對(duì)于較厚生物組織成像及臨床應(yīng)用特別具有吸引力,可為及早發(fā)現(xiàn)一些特殊病變提供一種無(wú)損、有效、高準(zhǔn)確度的方法。

非線性光學(xué)成像：雙光子激發(fā)熒光顯微成像、二次諧波等成像技術(shù)由于具有三維高空間分辨率，對(duì)比度高、對(duì)生物組織的損傷小等優(yōu)點(diǎn)，研究工作重點(diǎn)是擴(kuò)展成像技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，重點(diǎn)解決研制小型化內(nèi)窺型診斷設(shè)備所面臨的相關(guān)技術(shù)問(wèn)題。

人體經(jīng)絡(luò)的光學(xué)表征及其調(diào)控功能：已經(jīng)用不少事實(shí)證明了經(jīng)脈循行路線的現(xiàn)象，也初步顯示了人體體表沿十四經(jīng)脈路線存在的紅外輻射軌跡。然而，至今未能用西醫(yī)的形態(tài)學(xué)或生理學(xué)方法證明它的存在，也不能明晰地闡明“經(jīng)絡(luò)”的實(shí)質(zhì)。可以利用已發(fā)展的生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)諸多成像技術(shù)為工具，研究這個(gè)具有中國(guó)特色的中醫(yī)學(xué)中的重大問(wèn)題。

4.醫(yī)用激光治療技術(shù)（激光醫(yī)學(xué)）

強(qiáng)激光治療：是當(dāng)前激光醫(yī)學(xué)中最成熟和最重要的領(lǐng)域。隨著新型醫(yī)用激光器的不時(shí)出現(xiàn)，如：鈦激光、鉺激光、準(zhǔn)分子激光等，強(qiáng)激光治療技術(shù)的臨床用途也逐漸增多，提出一些新的問(wèn)題。關(guān)于這些新型激光器及新的工作方式對(duì)人體組織的作用特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)還相對(duì)不足，基本沒(méi)有適合國(guó)人組織特性的治療參數(shù)。為此需加強(qiáng)研究激光與生物組織間的作用關(guān)系，特別是在諸多有效療法中已獲得重要應(yīng)用的激光與生物組織間的作用關(guān)系；研究不同激光參數(shù)（包括波長(zhǎng)、功率密度、能量密度與運(yùn)轉(zhuǎn)方式等）對(duì)不同生物組織、人體器官組織及病變組織的作用關(guān)系，取得系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，同時(shí)也有必要加強(qiáng)新型激光器及新的工作方式的臨床適應(yīng)證的研究。

低強(qiáng)度激光治療：非熱或低強(qiáng)度激光輻射可作為一種輔助治療手段，其作用機(jī)理尚不清楚。對(duì)弱激光治療機(jī)理的認(rèn)識(shí)有待于整個(gè)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的提高，如充分認(rèn)識(shí)細(xì)胞基因表達(dá)與調(diào)控、細(xì)胞代謝的調(diào)控、免疫反應(yīng)的調(diào)控等，同時(shí)還需研究不同弱激光劑量對(duì)這些調(diào)控的影響，這才能提高弱激光治療的針對(duì)性和療效。針對(duì)目前臨床上盲目夸大療效、照射劑量嚴(yán)重混亂的局面，建議重點(diǎn)扶持2-3個(gè)弱激光研究中心，集中財(cái)力與人力進(jìn)行弱激光的細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)研究；弱激光生物調(diào)節(jié)作用和細(xì)胞生物學(xué)現(xiàn)象（基因調(diào)控和細(xì)胞凋亡）的量效關(guān)系、弱激光鎮(zhèn)痛的分子生物學(xué)機(jī)制以及弱激光與細(xì)胞免疫（抗菌、抗毒素、抗病毒等）的關(guān)系及其機(jī)制。尋求弱激光生物刺激效應(yīng)的可能機(jī)制與量效關(guān)系；規(guī)范臨床治療參數(shù)與操作等。

光動(dòng)力學(xué)治療（PDT）是當(dāng)前激光醫(yī)學(xué)中最具活力且發(fā)展迅速的領(lǐng)域。光動(dòng)力療法具備了診斷和治療腫瘤、心腦血管病等人類重大疾病的潛力。光動(dòng)力療法在鮮紅斑痣、老年性眼底黃斑病變、某些頑固性皮膚病、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等常規(guī)手段難以奏效的良性疾病的治療研究中取得一系列進(jìn)展，并結(jié)合內(nèi)鏡技術(shù)的發(fā)展等，其應(yīng)用領(lǐng)域得到很大的延伸和擴(kuò)展。這些都說(shuō)明發(fā)展光動(dòng)力療法具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)資助PDT相關(guān)產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化，扶持新一代國(guó)產(chǎn)光敏劑的開發(fā)及相應(yīng)激光器的產(chǎn)業(yè)化，資助新一代光敏劑光動(dòng)力學(xué)治療的機(jī)理研究。作用機(jī)理、光動(dòng)力療法各要素對(duì)光動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的影響、建立數(shù)學(xué)模型、新型光敏劑光動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的研究，為開拓光動(dòng)力療法新的應(yīng)用領(lǐng)域取得系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

激光美容與光子嫩膚術(shù)：利用激光或強(qiáng)脈沖光照射皮膚后的選擇性光熱解效應(yīng)，即靶組織（病灶）和正常組織對(duì)光的吸收率的差別，使激光在損傷靶組織的同時(shí)避免正常組織的損傷這一原則，達(dá)到去皺、去文身、脫毛和治療各種皮膚病或達(dá)到美容的效果。

五 結(jié)論

醫(yī)學(xué)光子學(xué)及其技術(shù)的學(xué)科發(fā)展，對(duì)生命科學(xué)有重要且積極的意義。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，將為解決長(zhǎng)期困擾人類的疑難頑疾如心血管疾病和癌癥的早期診治提供可能性，從而提高人類的生存價(jià)值和意義，其中的重大突破將起到類似X射線和CT技術(shù)在人類文明進(jìn)步史上的重要推動(dòng)作用，在知識(shí)經(jīng)濟(jì)崛起的時(shí)代還可能產(chǎn)生和帶動(dòng)一批高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

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課題組成員：

1.謝樹森：教授、博士導(dǎo)師，中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)，福建省光學(xué)學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)

2.李 暉：福建師范大學(xué) 醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3.陳 榮：福建師范大學(xué) 醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

第4篇：納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用范文

復(fù)雜系統(tǒng)具有多極結(jié)構(gòu)。西蒙（H.A.Simon）基于自然（和人工）進(jìn)化的變異-選擇觀，解釋復(fù)雜系統(tǒng)的層級(jí)架構(gòu)，即組成部分以自然的交互作用結(jié)合在一起，進(jìn)而創(chuàng)造出各種集合。在這些集合中，穩(wěn)定的集合“存活”了下來(lái)，而其他集合需要繼續(xù)進(jìn)化。穩(wěn)定的集合形成了“自然選擇的整體”，它們不把功能作為建筑模塊，而是結(jié)合到高階的集合中，然后再重復(fù)同樣的過(guò)程，從而形成了分級(jí)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。西蒙用這個(gè)模型想表明，突現(xiàn)的多級(jí)系統(tǒng)比復(fù)雜性的兩極系統(tǒng)的概率更大，即在兩極系統(tǒng)中，所有組成部分必須“井井有條”，否則在自然變異機(jī)制增加缺失的組件之前，集合將變得不穩(wěn)定。在多極系統(tǒng)中，只需要少數(shù)成份“井井有條”就能形成穩(wěn)定的模塊，這些模塊的一部分再次遞歸組合，形成更高級(jí)的模塊。很顯然，井井有條的成份越小，隨機(jī)組合的概率越大。然而，也有一些例外的情況，不分等級(jí)的復(fù)雜系統(tǒng)仍然可能。例如，大部分高分子化合物由簡(jiǎn)單、線性的多分子兩極集合形成。自組織模型能解釋這種非模塊的、兩極系統(tǒng)的突現(xiàn)，這樣的過(guò)程通常有非線性、自催化機(jī)制的特征，不怎么穩(wěn)定的集合增加了讓其他成份加入集合的可能性，從而使其變得更加穩(wěn)定。正反饋的過(guò)程不需要模塊的中間層。突現(xiàn)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)就像“吸引子（attractor）”，能夠影響相鄰的結(jié)構(gòu)，使它逐漸走向穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。顯然，西蒙的分級(jí)模型和自組織的“非線性”模型，只能描述突現(xiàn)的部分特征。真實(shí)的復(fù)雜系統(tǒng)，同樣有經(jīng)過(guò)分級(jí)的多極層面，也有非線性的二級(jí)層面。然而，這樣的系統(tǒng)中不只包括整體的層級(jí)或非線性的組織，還有子組織和子系統(tǒng)。理解這樣的復(fù)雜性架構(gòu)，需要說(shuō)明在什么規(guī)則的作用下，新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從復(fù)雜性的層級(jí)中突現(xiàn)。

一、復(fù)雜性科學(xué)解釋突現(xiàn)的變異-選擇原則

描述生物進(jìn)化的自然選擇理論，可以簡(jiǎn)單地視作系統(tǒng)的進(jìn)化。它探討的是系統(tǒng)的變異和環(huán)境給系統(tǒng)的“選擇壓力”，即系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)只有適應(yīng)環(huán)境才得以維持。進(jìn)化系統(tǒng)類似于問(wèn)題解決者，通過(guò)嘗試（或變異）尋找問(wèn)題的答案，只要系統(tǒng)的適應(yīng)性不是最佳的，就需要解決問(wèn)題。不穩(wěn)定性越大，問(wèn)題也越大，在獲得新的平衡之前，系統(tǒng)將發(fā)生變異。在自然選擇過(guò)程中，只能通過(guò)中間階段解決問(wèn)題。與問(wèn)題求解相比，進(jìn)化不是最終的解決方案，當(dāng)系統(tǒng)的進(jìn)化過(guò)程改變了環(huán)境，它就無(wú)法以最佳的方式適應(yīng)環(huán)境，需要進(jìn)行重新適應(yīng)。在進(jìn)化過(guò)程中，每個(gè)過(guò)程的目標(biāo)都是另外過(guò)程的子目標(biāo)，以此類推，子目標(biāo)就成為進(jìn)化過(guò)程的重要特征，相當(dāng)于穩(wěn)定的突現(xiàn)系統(tǒng)。另外，進(jìn)化一般是并行或分布式的，這樣的結(jié)構(gòu)限定了系統(tǒng)與環(huán)境之間沒(méi)有絕對(duì)的區(qū)分。由此產(chǎn)生的后果是，自然選擇不再是環(huán)境的選擇。要規(guī)避這個(gè)問(wèn)題，可以考慮把以并行方式進(jìn)化的整個(gè)系統(tǒng)，看作整體化的系統(tǒng)。在這種情況下，自然選擇就是整體系統(tǒng)的變異產(chǎn)生的整體上穩(wěn)定的配置。這樣一來(lái)，就用內(nèi)在的選擇替換了外在的選擇，即內(nèi)在結(jié)構(gòu)只要穩(wěn)定就能維持系統(tǒng)，不需要考慮它對(duì)外在環(huán)境的適應(yīng)性。雖然，實(shí)踐中不存在絕對(duì)整體化的系統(tǒng)，每個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)仍然包含內(nèi)在選擇與外在選擇，但是我們可以通過(guò)更大的、更加整體化的系統(tǒng)，把外在選擇還原為內(nèi)在選擇。適應(yīng)性可以還原為一個(gè)子系統(tǒng)（初始系統(tǒng)）和另一個(gè)子系統(tǒng)（初始環(huán)境）之間的穩(wěn)定關(guān)系。例如，影響植物自然選擇的外因是維持生存的二氧化碳的數(shù)量。這個(gè)因素可以看作“邊界條件”——對(duì)植物自組織過(guò)程的環(huán)境限定。從整體的視角來(lái)看，二氧化碳不是已知外在條件，而是其他系統(tǒng)（動(dòng)物和細(xì)菌）適應(yīng)環(huán)境的產(chǎn)物。這樣的系統(tǒng)取決于其他的選擇因素——植物產(chǎn)生的氧氣。由此，這樣的適應(yīng)過(guò)程，可以視為整體化的生態(tài)通過(guò)內(nèi)在的自組織，導(dǎo)致的對(duì)穩(wěn)定循環(huán)的選擇，即二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣又產(chǎn)生二氧化碳。我們還可以用內(nèi)在選擇與外在選擇解釋變異。內(nèi)在的變異是系統(tǒng)的內(nèi)在部分變化的過(guò)程，如基因染色體中的突變。外在的變異是系統(tǒng)與環(huán)境之間關(guān)系的變化，如有性生殖中染色體的重組。總之，從外在視角觀察的事物，也可以用內(nèi)在視角來(lái)看，反之亦然。這種解釋策略需要整合突現(xiàn)和自組織，強(qiáng)調(diào)自組織作為設(shè)計(jì)規(guī)則的作用。

二、人工生命解釋突現(xiàn)的變異-穩(wěn)定原則

1.自組織繁衍是人工生命的基本屬性在第二次世界大戰(zhàn)期間，羅伯特•奧本海默、恩里科•費(fèi)米、漢斯•貝特、理查德•費(fèi)曼、尤金•維格納、馮•諾伊曼等科學(xué)家，在進(jìn)行“曼哈頓計(jì)劃”的過(guò)程中，開始探討復(fù)雜性問(wèn)題，使用計(jì)算機(jī)模擬復(fù)雜系統(tǒng)。馮•諾伊曼親自設(shè)計(jì)出計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問(wèn)題，研究細(xì)胞自動(dòng)機(jī)和自我繁衍（self-reproduce）的機(jī)器。雖然在20世紀(jì)50年代早期，他就提出了形式化細(xì)胞自動(dòng)機(jī)的設(shè)想，但數(shù)學(xué)家斯塔尼斯拉夫•烏拉姆，最早開展了設(shè)計(jì)存儲(chǔ)程序的計(jì)算機(jī)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，探索遵循遞歸規(guī)則、具有二維和三維幾何特性的生長(zhǎng)模式。因而，我們通常把烏拉姆看作人工生命研究的真正奠基者。復(fù)雜性是人工生命的核心概念。在烏拉姆的啟發(fā)下，馮•諾伊曼設(shè)計(jì)出第一個(gè)細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模型。他主要研究人工生命的繁衍過(guò)程，尋找非平凡的（non-trivial）自我繁衍所需的充分的邏輯條件。在他所描述的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型中，在水中的機(jī)器人通過(guò)組合全部構(gòu)件來(lái)摹仿自身的浮動(dòng)。馮•諾伊曼成功地說(shuō)明了繁衍的方式，卻無(wú)法解釋機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的原因。于是，他放棄基因?qū)用娴哪M，而是采用烏拉姆的方法，只從中提取自我繁衍的邏輯形式，即首先把自我繁衍描述為邏輯序列，再用通用圖林機(jī)進(jìn)行自我繁衍的操作。馮•諾伊曼構(gòu)想的二維的細(xì)胞自動(dòng)機(jī)，帶有29種可能的狀態(tài)。當(dāng)前的細(xì)胞與毗鄰的4個(gè)正交的細(xì)胞之間的規(guī)則轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生出每個(gè)細(xì)胞的狀態(tài)。根據(jù)這種情況，他提出了4條非平凡解的自我繁衍的原則：第一，系統(tǒng)的自我描述不涉及自身。這條原則避免了執(zhí)行自我描述時(shí)，無(wú)限的“回歸”。按照這條原則，自我描述可以是未解釋的系統(tǒng)模型，也可以是對(duì)系統(tǒng)的編碼。第二，系統(tǒng)只要有管理單元（supervisoryunit），就能執(zhí)行任何計(jì)算。這條原則用于解釋繁衍過(guò)程中，自我描述的兩個(gè)方面。第三，系統(tǒng)只要有通用構(gòu)造器（universalconstructor），就可以在細(xì)胞空間中構(gòu)造已描述的對(duì)象。第四，通用構(gòu)造器按照管理單元的指令，構(gòu)造系統(tǒng)的新副本，自我繁衍包含系統(tǒng)的自我描述。[1]馮•諾伊曼用邏輯原則解釋生命的主要特征，而阿瑟•勃克斯則對(duì)電子離散變量自動(dòng)計(jì)算機(jī)EDVAC進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)。馮•諾伊曼從自然的自我繁衍中提取邏輯形式，自然成為了人工生命研究的先驅(qū)者。在20世紀(jì)70年代，約翰•康維基于細(xì)胞自動(dòng)機(jī)改造烏拉姆和馮•諾伊曼的方法，設(shè)計(jì)出“生命游戲”，說(shuō)明復(fù)雜世界如何從簡(jiǎn)單規(guī)則中突現(xiàn)。在他看來(lái)，當(dāng)前的細(xì)胞和相鄰的8個(gè)細(xì)胞使用兩種規(guī)則，是產(chǎn)生細(xì)胞狀態(tài)的原因。生命的規(guī)則很簡(jiǎn)單。只要“活”細(xì)胞的數(shù)目為3，當(dāng)前的細(xì)胞在下代細(xì)胞中“存活”；而“活”細(xì)胞的數(shù)目為0、1、4、5、6、7、8中的任意一個(gè)，當(dāng)?shù)那凹?xì)胞就無(wú)法在下代細(xì)胞中存活。1965年，勃克斯的學(xué)生埃德加•科德簡(jiǎn)化了馮•諾伊曼的細(xì)胞模型。1984年，勃克斯的另一個(gè)學(xué)生克里斯多夫•蘭頓，在科德的“周期性發(fā)射器”（periodicemitter）基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)自我繁衍模式，證明了通用的構(gòu)造能力不是自我繁衍的必要條件。他的自動(dòng)機(jī)只有8種細(xì)胞狀態(tài)，這些細(xì)胞是細(xì)胞空間中繁衍的復(fù)制數(shù)據(jù)，也是依據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)則進(jìn)行操作的指令。初始結(jié)構(gòu)只需要151個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)就能成功地繁衍自身。另外，每個(gè)“回路”都以類似的方式繁衍自身，擴(kuò)展“回路”的集群。這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，細(xì)胞的動(dòng)態(tài)過(guò)程的成分依據(jù)基因特征編碼，而動(dòng)態(tài)過(guò)程是“計(jì)算”發(fā)展過(guò)程中遺傳表達(dá)的原因。從復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)的視角看，使用計(jì)算機(jī)模擬復(fù)雜系統(tǒng)，研究細(xì)胞自動(dòng)機(jī)和自我繁衍的機(jī)器，實(shí)際上是一種人工生命的自組織繁衍研究，從這個(gè)意義上看，自組織繁衍是人工生命的基本屬性。

2.人工生命是突現(xiàn)的科學(xué)傳統(tǒng)科學(xué)的基礎(chǔ)是還原論的分析方法，按照這種方法，系統(tǒng)是由簡(jiǎn)單部分組成的結(jié)構(gòu)，任何事物都可以分解為更小的部分。但是，這種方法無(wú)法解釋復(fù)雜系統(tǒng)，由于復(fù)雜系統(tǒng)具有突現(xiàn)屬性，一旦分解系統(tǒng)就會(huì)喪失突現(xiàn)屬性。突現(xiàn)現(xiàn)象在科學(xué)中隨處可見(jiàn)，在寬泛的意義上，任何系統(tǒng)都有突現(xiàn)屬性。解釋這些科學(xué)現(xiàn)象需要新的研究框架，綜合方法恰好可以作為分解方法的補(bǔ)充。人工生命的綜合方法包含兩個(gè)方面：（1）提取生物體的邏輯規(guī)則；（2）用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)這些規(guī)則。經(jīng)過(guò)這兩個(gè)階段，就可以得到有類生命屬性的人工系統(tǒng)模型。這種研究方法有兩個(gè)基本的假設(shè)（：1）把生命看作物質(zhì)的組織屬性?；蛘哒f(shuō)，生命是形式屬性，而不是物質(zhì)本身；（2）復(fù)雜的屬性從簡(jiǎn)單過(guò)程的交互作用中突現(xiàn)。從形式上可以將人工生命劃分為平凡的（trivial）與非平凡的（non-trivial）兩種系統(tǒng)。[2]具體來(lái)說(shuō)，第一種系統(tǒng)包含所有人工模擬的生物體；第二種系統(tǒng)包括數(shù)學(xué)模型、概念模型和物理模型。第二種系統(tǒng)還可以進(jìn)一步分為三種類型：（1）用生物化學(xué)合成技術(shù)獲取物質(zhì)系統(tǒng)的類生命特征；（2）是一種研究機(jī)器人的新方法；（3）虛擬的生命，即有突現(xiàn)屬性的計(jì)算機(jī)程序。這些形式的可能性取決于解決弱人工生命-強(qiáng)人工生命，或者說(shuō)生命-身體的類比問(wèn)題。[3]功能論者從人工生命的角度看自然生命。在解釋心理時(shí)，通常不考慮思維系統(tǒng)的物理細(xì)節(jié)，把生命屬性看作多重實(shí)現(xiàn)。然而，多重實(shí)現(xiàn)也有缺陷，只要減少實(shí)現(xiàn)的數(shù)量，功能論就會(huì)導(dǎo)向同一論；而生命的概念過(guò)于抽象，也會(huì)導(dǎo)致二元論或活力論。最好的方法是采用適度的功能主義。從方法論上來(lái)看，這些研究主要涉及這些方面[4]：（1）細(xì)胞自動(dòng)機(jī)。主要研究復(fù)雜性的建模問(wèn)題。細(xì)胞自動(dòng)機(jī)實(shí)質(zhì)上是一些具有離散狀態(tài)的細(xì)胞。細(xì)胞狀態(tài)根據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)則，經(jīng)過(guò)離散時(shí)間產(chǎn)生變化。轉(zhuǎn)換規(guī)則把當(dāng)前的細(xì)胞狀態(tài)與最親近的細(xì)胞狀態(tài)結(jié)合起來(lái)。多數(shù)情況下，所有的細(xì)胞使用平行和同步的迭代算法（iterationalgorithm），或使用隨機(jī)和非同步的迭代算法同時(shí)更新。自我繁衍是細(xì)胞自動(dòng)機(jī)最重要的研究問(wèn)題，涉及馮•諾依曼、蘭頓和沃爾弗拉姆（S.Wolfram）的研究。（2）人工胚胎學(xué)。主要研究生命系統(tǒng)從單細(xì)胞發(fā)展為完整組織的能力。這項(xiàng)研究的基礎(chǔ)是分形幾何，通過(guò)這個(gè)工具說(shuō)明復(fù)雜的類生命形式如何從簡(jiǎn)單的遞歸過(guò)程中突現(xiàn)，典型的研究有林登麥伊爾（A.Lindenmayer）與普魯辛凱維奇（P.Prusinkiewicz）的L系統(tǒng)、道金斯（R.Dawkins）的生物形態(tài)。（3）進(jìn)化計(jì)算。主要研究自然選擇的進(jìn)化規(guī)則的計(jì)算問(wèn)題。這項(xiàng)研究中應(yīng)用的主要是霍蘭德（J.Holland）的遺傳算法。遺傳算法用于解釋，如何從母體（parentpopulation）中生成適應(yīng)環(huán)境的變體。通過(guò)使用遺傳算子生成變體，能夠解釋遺傳表型的基因特征的突變與互換。如果按照基因分類器（GeneticClassifiers）使用遺傳算法，還可以解決機(jī)器學(xué)習(xí)的問(wèn)題。另外，使用遺傳編程，還可以解釋自我完善的計(jì)算機(jī)程序如何突現(xiàn)，即依據(jù)自然選擇編寫計(jì)算機(jī)程序。（4）自催化網(wǎng)絡(luò)。主要研究生命的可能起源與原始生命的進(jìn)化模型。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)被看作特定的RNA序列，把弧定位為催化的交互作用。相關(guān)的研究有超循環(huán)理論。（5）計(jì)算的生命。主要研究計(jì)算機(jī)程序的設(shè)計(jì)。這項(xiàng)研究只展現(xiàn)類生命的行為，不模擬已有的生物有機(jī)體。盡管計(jì)算機(jī)的處理方式與自然生命的不同，它也有繁衍、與環(huán)境交互作用及進(jìn)化的能力。如，Tierra程序以及計(jì)算機(jī)病毒。（6）集體智能。主要研究分布式人工智能和多主體系統(tǒng)。這項(xiàng)研究并不遵循自下而上的方式。典型的研究涉及蜂群網(wǎng)絡(luò)、蟻群算法以及進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。（7）進(jìn)化的機(jī)器人。主要研究自主機(jī)器人的設(shè)計(jì)。例如，用有反應(yīng)能力的分層體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)器昆蟲、小規(guī)模的機(jī)器人群體的集體行為、使用進(jìn)化規(guī)則分析機(jī)器人的控制結(jié)構(gòu)。（8）可發(fā)展的硬件設(shè)備。主要研究硬件進(jìn)化的實(shí)現(xiàn)。這項(xiàng)研究涉及硬件的自我修復(fù)和自我繁衍、新傳感器的設(shè)計(jì)等。由于硅元素缺少某些用于進(jìn)化的基本特征，要獲得自適應(yīng)性，只有采用類似于FPGA（Field-ProgrammableGateArray）的技術(shù)，或是采用遺傳編程的方法。（9）納米技術(shù)。主要研究自然生命或新有機(jī)體相關(guān)的合成過(guò)程。費(fèi)曼（R.Feynman）開創(chuàng)了這項(xiàng)研究，他在1959年主張?jiān)诜肿訉用嫖⒖s和擴(kuò)展工業(yè)制造能力，以此創(chuàng)造人工生命。（10）生物化學(xué)合成技術(shù)。主要研究RNA繁殖的體外實(shí)驗(yàn)、原始人工生命形式、RNA鏈的合成和進(jìn)化、自催化的反應(yīng)以及滲透性的生長(zhǎng)等。[5]這些研究都強(qiáng)調(diào)“突現(xiàn)”這個(gè)核心概念，即整體性的行為和結(jié)構(gòu)通過(guò)各個(gè)組成部分的交互作用產(chǎn)生，但不作為組成部分的行為和組織的原因。在這個(gè)意義上，人工生命就是突現(xiàn)的科學(xué)。

3.從“變異-選擇原則”走向“變異-穩(wěn)定原則”“我們可以用不同的尺度觀察系統(tǒng)，這些尺度就像是抽象的層級(jí)，只要知道系統(tǒng)的某個(gè)層次，就可以把系統(tǒng)想象為某個(gè)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而推導(dǎo)出下級(jí)層次。比較這兩個(gè)層次，低級(jí)層次的結(jié)構(gòu)眾多，但類型很少，而高級(jí)層次的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，類型也很多。所有的層次組合在一起構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜性的層級(jí)。在這個(gè)抽象的模型中，可以把系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)理解為粒子、分子、生物體、信息、符號(hào)等。同一層次上的結(jié)構(gòu)，通過(guò)與其它結(jié)構(gòu)的連接獲得自己的屬性，它們之間的動(dòng)態(tài)交互作用產(chǎn)生了新的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。這些新結(jié)構(gòu)，再以同樣的方式獲得新屬性。由此，我們可以在一個(gè)虛構(gòu)的附屬層次上定義突現(xiàn)屬性，這樣一來(lái)，就可以把這些屬性還原為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的局部組合，進(jìn)而用更形式化的方式定義它。我們還可以用這樣的模型描述比較大的系統(tǒng)，如宇宙?！盵6]把夸克、粒子、原子、分子、生物大分子、細(xì)胞、生物體看作不同層次中的元素，某個(gè)層次中的元素都可以通過(guò)組合構(gòu)成上級(jí)層次中的新元素。這里面也有特殊的情況，如氦原子非常穩(wěn)定，它沒(méi)有與其它原子的“鏈接”，而碳原子卻有四種“鏈接”。由于碳有較強(qiáng)的交互能力，它是每個(gè)大分子結(jié)構(gòu)都不可或缺的元素，并成為生命的物質(zhì)基礎(chǔ)。既然如此，在什么規(guī)則的作用下，新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從復(fù)雜性的層級(jí)中突現(xiàn)？“這樣的規(guī)則包含變異和穩(wěn)定的系統(tǒng)過(guò)程。這些過(guò)程在所有層次上并行發(fā)生。在任何層次上，結(jié)構(gòu)單元都有許多不同的配置。在產(chǎn)生熱力學(xué)變動(dòng)的時(shí)候，確定的描述開始遠(yuǎn)離平衡的過(guò)程。這些變動(dòng)致使結(jié)構(gòu)單元的配置發(fā)生隨機(jī)變異，而變異形成了許多瞬態(tài)的結(jié)構(gòu)，它們與更高的組織層次相關(guān)聯(lián)。某些瞬態(tài)的結(jié)構(gòu)之所以穩(wěn)定，是因?yàn)樗鼈冞m應(yīng)了環(huán)境，并且它們的結(jié)構(gòu)屬性就包含在穩(wěn)定的過(guò)程中。這些新結(jié)構(gòu)形成了新的復(fù)雜性層次?！盵6]穩(wěn)定的過(guò)程演變?yōu)樗念愊嘧兊男袨椋阂皇枪潭ê屯|(zhì)的狀態(tài)；二是簡(jiǎn)單的周期結(jié)構(gòu)；三是無(wú)序的周期結(jié)構(gòu)；四是復(fù)雜結(jié)構(gòu)。[7]蘭頓認(rèn)為像生命系統(tǒng)這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，應(yīng)該維持在有序與無(wú)序的相變“臨界點(diǎn)”上，避免任何一種最終結(jié)果。

穩(wěn)定過(guò)程的基礎(chǔ)是生物細(xì)胞的自組織，如自創(chuàng)生（autopoiesis）。在自創(chuàng)生的基礎(chǔ)之上，我們能以組織導(dǎo)向（organization-oriented）定義極小生命。在這種情況中，達(dá)爾文的“自然選擇”的變異-選擇原則，只是變異-穩(wěn)定原則的特例。這兩個(gè)原則之間有兩個(gè)重要的差異（：1）穩(wěn)定過(guò)程不是優(yōu)化方案。自然選擇優(yōu)化了生物的適應(yīng)功能，使其在競(jìng)爭(zhēng)資源中占據(jù)優(yōu)勢(shì)，但結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的過(guò)程，從整體上滿足環(huán)境的約束條件。例如，瓦雷拉等人提出的自然漂變命題（naturaldriftproposition）就是一個(gè)滿足過(guò)程，而不是優(yōu)化過(guò)程。（2）所有層次在分級(jí)模型中交織在一起。環(huán)境由所有層次的所有結(jié)構(gòu)組成。從局部到整體，再到局部的內(nèi)在層次，這樣的反饋回路對(duì)生命至關(guān)重要。

三、匯聚技術(shù)的啟示：弱化自組織的作用

人工生命系統(tǒng)展示了生命開放式進(jìn)化的發(fā)展方式，但Tierra世界中的數(shù)字進(jìn)化卻不是開放式的，因?yàn)門ierra生物的復(fù)雜性低，進(jìn)化的變化不多。對(duì)此，湯姆•雷（T.S.Ray）試圖擴(kuò)大Tierra的環(huán)境來(lái)增加異質(zhì)性。他發(fā)現(xiàn)Tierra生物通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，從一臺(tái)計(jì)算機(jī)遷移到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，尋找未使用的資源及局部的生態(tài)位，從而進(jìn)化為新細(xì)胞。在執(zhí)行復(fù)雜的環(huán)境計(jì)算時(shí)，改良Tierra將增加預(yù)期的遺傳復(fù)雜性。然而，對(duì)于原始版本的Tierra來(lái)說(shuō)，這樣的進(jìn)化是有限的。按照希利斯（W.D.Hillis）的觀點(diǎn)，協(xié)同進(jìn)化能推動(dòng)進(jìn)化性進(jìn)步。協(xié)同進(jìn)化的“演化軍備競(jìng)賽”通過(guò)改變環(huán)境來(lái)推動(dòng)進(jìn)化。即使這樣，原始的Tierra與改良的Tierra都需要協(xié)同進(jìn)化。發(fā)展開放式進(jìn)化，需要對(duì)人工和自然的進(jìn)化系統(tǒng)作定量比較。從貝多（M.A.Bedau）和帕卡德（N.H.Packard）的數(shù)據(jù)來(lái)看，存在不同性質(zhì)的進(jìn)化動(dòng)態(tài)，未知的人工系統(tǒng)生成了生物圈所展現(xiàn)的進(jìn)化動(dòng)態(tài)。

總之，生命的進(jìn)化不斷地創(chuàng)造出新的環(huán)境，而這些環(huán)境又賦予生命新的適應(yīng)性。然而，目前用變異-穩(wěn)定原則解釋復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)化機(jī)制仍有局限。匯聚技術(shù)的出現(xiàn)為我們提供了新的視角，即把自組織看作是一個(gè)建構(gòu)的過(guò)程。按照迪皮伊（J.P.Dupuy）的觀點(diǎn)，認(rèn)知科學(xué)引導(dǎo)匯聚技術(shù)定位失控的程序。[8]自組織作為自發(fā)過(guò)程，也涉及控制問(wèn)題。雖然自我復(fù)制的機(jī)器不會(huì)有真正的危險(xiǎn)，但自組織是一個(gè)建構(gòu)的過(guò)程。長(zhǎng)期以來(lái)，自組織只是委托（delegation）人工任務(wù)的一個(gè)步驟，但在授權(quán)機(jī)器的邏輯運(yùn)算之后，應(yīng)該授權(quán)機(jī)器的自我建構(gòu)。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)有三種自組織的策略：（1）混合化（Hybridization）的策略，即使用生命系統(tǒng)的建筑模塊（buildingblocks）制造設(shè)備和機(jī)器。（2）仿生（Biomimetics）的策略，即賦予人造物模仿的性能。（3）整合（Integration）的策略，這個(gè)策略是對(duì)前面兩種策略的綜合。這三個(gè)策略假設(shè)人造物與自然系統(tǒng)有某些相同的特征，可以用機(jī)器隱喻描述生命系統(tǒng)。但是這樣的隱喻操作有兩種不同的方式：（1）使用技術(shù)詞匯表，把生物體描述為機(jī)器；（2）把設(shè)備和機(jī)器描述為有機(jī)物。在20世紀(jì)70年代，法國(guó)哲學(xué)家康吉蘭（G.Canguilhem）就發(fā)現(xiàn)，生物與機(jī)器的類比總是用技術(shù)術(shù)語(yǔ)描述生物體。[9]現(xiàn)在的問(wèn)題是，機(jī)器能否像人類那樣進(jìn)入生活世界？第一種策略：機(jī)器的自組織以生物進(jìn)化的選擇方式使用結(jié)構(gòu)和設(shè)備，反過(guò)來(lái)可以把生物細(xì)胞視為分子機(jī)器（Molecularmachine），如分子生物學(xué)家把DNA、RNA、酶、蛋白質(zhì)描述為納米機(jī)器，材料化學(xué)家建設(shè)分子發(fā)動(dòng)機(jī)和分子轉(zhuǎn)子。生命系統(tǒng)也被看作分子的制成品。我們期望通過(guò)模仿自然，設(shè)計(jì)出維持生命的高性能結(jié)構(gòu)，但是成功的概率很低，更可行的方式是設(shè)計(jì)自然提供的建筑模塊——蛋白質(zhì)、細(xì)菌、微膠粒（micelles）或膠質(zhì)。合成生物學(xué)通過(guò)應(yīng)用工程學(xué)的方法，發(fā)展出混合的對(duì)稱策略：把生物過(guò)程分解為它的元素，基因片段被當(dāng)作操作單元，把這些元素裝配為模塊。