應用型本科課外探究性實驗的開展

孫懷遠 廖躍華 楊麗英

摘? 要：探究性實驗旨在提高學生的自主學習能力、科學思維與創新能力。結合“醫用材料”課程具有知識覆蓋面廣、內容與醫學領域緊密聯系的特點以及課程學習中主要存在的問題，以醫用金屬材料表面涂層為研究目標，開展“學研結合”型探究性實驗，以培養本科學生的專業興趣、獨立實驗和實施研究的能力。介紹了探究性實驗的內容設計、技術路線、實施過程及結果分析，總結了實驗研究在課程、教學、科研方面的創新特色。

關鍵詞：學研結合;探究性實驗;醫用材料;涂層

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：2096-000X（2019）08-0059-03

Abstract： The exploratory experiment aims atimprovingstudents' independent learning ability， scientific thinking and innovation ability." Medical materials" course has the characteristics of extensive knowledge coverage and content closely linked to the medical field， to combine with the characteristics and the main problems existed in learning the course， taking the surface coating of medical metal material as the research objective， the exploratory experiment of "combination of study and research" was carried out to cultivate students' professional interest， independent experiment skills and the abilityto conduct research. The content design， technical route， implementation process and result analysis of exploratory experiment were introduced and the innovative features of experimental study in curriculum， teaching and research were summarized.

Keywords： combination of study and research; innovative experiment; medical material; coating

大學生創新能力培養的研究和探索一直是被高等教育管理者和教師普遍關注的主題[1]。實驗教學是增強應用型本科專業學生的實踐動手能力、創新能力非常重要的環節和手段，對提高學生綜合素質具有特殊作用，是高校人才培養的重要組成部分[2]。然而，目前高校教育中普遍存在課程設計重“學”輕“術”、畢業生不能很好掌握科學思維方法，理論知識的遷移與運用能力不強，這使得人才培養并沒有很好地符合“新工科”建設意識對新型工程科技人才培養的宗旨[3，4]。解決上述問題的有效途徑之一就是開展各類實踐教學，培養學生實際操作、獨立實驗及研究的能力[5，6]。而應用型本科學生探究性實驗的目的就是培養學生的探索精神和創新能力，是提高學生的綜合素質、培養高素質復合型人才的重要手段[7]，也是高等學校本科教學質量與教學改革工程中的重點和難點。在此背景下，針對上海健康醫學院生物醫學工程專業“醫用材料”課程具有知識覆蓋面廣、內容呈現醫工結合的特點以及課程學習中主要存在的問題，我們開展了“學研結合”型探究性實驗項目，即在教師指導下，以學生為主體，對“醫用金屬材料”表面進行涂層實驗研究，自主進行實驗方法的設計、組織實施、結果分析、撰寫實驗報告等。

一、實驗研究內容

“醫用材料”涉及的內容很多，如生物醫用金屬、陶瓷、聚合物的特性及材料表面修飾與表征等。醫用金屬材料又稱作植入類金屬材料，由于其引發的細菌感染即生物材料相關感染問題一直存在，這使得材料表面抗菌改性研究成為當前熱點之一[8]。隨著對生物材料相關感染問題研究的深入，人們認識到在植入類金屬材料表面進行藥物涂層是實施醫用金屬材料表面抗菌改性、解決金屬內植物表面感染問題的重要方式之一[9]。基于微系統理論的微量噴射技術是近幾年發展起來的一種新型工藝方法，具有高精度、微量化、可控性好等特點，可實現定點、定量、定向及精細圖形化噴射，目前已在生物工程、心臟支架表面涂覆等方面得到應用[10，11]。“醫用金屬材料”表面涂層實驗就是基于微量噴射技術、結合“醫用材料”課程教學開展的探究性實驗研究。

探究性實驗是第二課堂教學，是學生在掌握一定專業知識的基礎上、綜合運用已學知識和實驗方法所進行的一種學習活動，旨在提高學生的自主學習能力，這不僅要求學生按部就班完成實驗，更要求學生能對實驗設計、實驗過程、實驗結果進行思考，理解實驗的內在邏輯[12]。基于此，“醫用金屬材料”表面涂層實驗研究應使學生達到如下目標：

1. 通過自主學習和實驗系統操作，熟悉微量噴射技術，了解其在生物工程和醫學領域的應用，尤其是在植入類金屬材料表面抗菌涂層改性方面的應用;

2. 掌握植入類金屬材料的要求與特點，了解金屬材料表面進行抗菌改性和涂層的工藝措施與方法;

3. 實現“學研結合”，將“醫用材料”課程理論知識與實踐有機結合，并通過科學實驗與研究，努力提升動手與創新、交流與協調、分析問題與解決問題等多方面能力，以成為社會需求的技術應用型表1。

二、實驗技術路線

實施“醫用金屬材料”表面涂層探究性實驗之前，必須制定完整的實驗方案和技術路線，做到有的放矢和目標明確。具體的技術路線概括如表1。

三、實驗實施過程

（一）掌握技術

實現材料涂層制備的微量噴射技術有：壓電式微噴技術、超聲霧化微噴技術、空氣霧化微噴技術等。基于實驗操作條件和實施實驗的主體，本項目選用基于壓電控制的微量噴射實驗系統作為“醫用金屬材料”涂層探究性實驗主體設備，該系統由電控制模塊、氣控制模塊、微量噴射模塊、視覺觀測模塊及運動平臺模塊構成。其原理是：在氣控制模塊作用下，噴頭腔體內的液體平衡于噴嘴位置，由電控制模塊使壓電陶瓷材料產生伸縮形變，從而使噴嘴處的液體噴射出去而形成液滴[13]。整個系統的操作控制通過觸摸屏進行，寫入的程序可以精密控制噴頭與運動平臺在X、Y、Z三軸方向上的運動;電控制模塊每施加一次電壓脈沖就會使噴頭產生微小液滴，液滴的噴射時間、大小和體積都與驅動電壓、噴射頻率有關;液滴及其噴射狀態可以通過視覺觀測模塊展示于操作界面。學生通過查閱資料自學、技術培訓、操作練習等手段，掌握基于壓電控制的微量噴射技術及其應用，熟悉微量噴射實驗系統的噴涂參數設置與調節、實時監測等，為噴涂實驗奠定技術基礎。

（二）材料選型

實驗材料分為涂層基材和噴涂材料。涂層基材是植入人體內醫療器件的主體，噴涂材料是植入材料表面修飾與改性的輔助。

如前所述，現代醫學用植入材料主要有鈦合金、鎂合金等。其中鈦合金具有密度小、強度等力學性能優異、耐腐蝕性強、生物相容性良好等優點，可大幅減輕植入物對人體的負荷量、對人體生理環境不產生污染、無毒副作用，是目前已知的生物親和性最好的金屬之一，已成為全球人體植入物及假肢矯形產品生產所需的主要金屬材料[14]。根據“醫用金屬材料”涂層實驗研究設計思想和“醫用材料”課程教學目標，本研究利用微量噴射技術對鈦合金進行表面涂層，以改變其表面特性和探索微噴參數對鈦合金植入物的影響。

鈦合金表面修飾與改性的噴涂材料必須滿足安全無毒、生物相容性好、可降解、能載藥等要求。目前已在醫學領域應用的此類材料主要有海藻酸鈉、纖維素、膠原蛋白、明膠、聚乳酸等[15]。聚乳酸-羥基乙酸共聚物（poly lactic-co-glycolic acid，PLGA）是一種有機高分子聚合物，可降解、無毒、抗腐蝕、生物相容性和成囊成膜性良好，廣泛用于醫用工程材料、制藥等領域[16]。所以，本研究選用PLGA作為載藥用噴涂材料對鈦合金表面進行涂層，并通過該基礎研究，摸索噴涂參數與修飾改性的關系。

（三）涂層實驗

根據“醫用金屬材料”表面涂層實驗研究的技術路線，在掌握微量噴射實驗技術、確定實驗材料的基礎上，進行PLGA材料噴涂可行性測試，摸索噴頭驅動電壓、噴射頻率、PLGA濃度及運動控制參數對涂層的影響并對相關參數進行優化;采用單因素控制法、以不同微噴技術參數對鈦合金片進行噴涂，并記錄實驗數據、觀察形貌特征。具體過程如下：

材料準備：對將要噴涂的10mm×10mm×1mm鈦合金片進行砂紙打磨處理至表面光滑，然后除油、超聲波清洗5分鐘（清洗液為無水乙醇），最后取出并貯存、以備后用。

噴射系統調試：對壓電微噴實驗系統的微量噴射模塊、視覺觀測模塊、電控制模塊、氣控制模塊、運動平臺模塊等進行調整，使各模塊能協調地進行工作、實施液滴噴射。

噴射成型：在實驗系統視覺觀測模塊的輔助下，通過調節噴頭驅動電壓、噴射頻率、PLGA溶液濃度等微噴參數，獲得穩定的液滴噴射狀態和理想的液滴大小;再調用預設的噴涂程序，設置坐標參數后進行噴涂。

（四）結果分析

對噴涂實驗的數據進行歸納分析，對觀察和掃描電鏡等儀器檢測的液滴大小、涂層表征等結果進行比較，得出噴頭驅動電壓、噴射頻率以及PLGA溶液濃度對涂層形貌特征的影響關系：

1. 驅動電壓對液滴直徑的影響呈現類拋物線變化，即液滴直徑隨驅動電壓的增大而呈“小-大-小”趨勢，其原因是：驅動電壓較小時，液體運動能隨壓電信號增大而增大，使液滴以較大體積噴出;當驅動電壓增大到一定值后，產生的更大壓電信號使液滴克服表面張力被擠出而以較小體積噴射;但由于噴射速率等因素的影響，過低或過高的驅動電壓會使液滴狀態不穩定，從而使涂層出現凹坑或凸起的形貌。

2. 在驅動電壓一定的情況下，噴射頻率增大會使液滴直徑減小，其原因是：驅動電壓一定時，噴頭內液體運動動能不變，頻率增大則會使液滴噴射間隔縮短，從而使每個液滴體積變小;但頻率過高會使液滴產生漂移并分散形成衛星滴，從而使涂層形貌特征變得不均勻、不平整。

3. 在驅動電壓、噴射頻率一定時，噴頭噴出的液滴直徑將隨PLGA溶液濃度的增大而減小，這是因為液滴表面張力隨溶液濃度增大而減小，從而使液滴不易凝聚而呈較小體積噴射;但根據掃描電鏡觀察結果可以確定，適中的PLGA溶液濃度方可獲得較好的涂層效果。

四、結束語

“醫用金屬材料”表面涂層探究性實驗是應用微量噴射技術進行鈦合金材料表面PLGA涂層的基礎研究，是結合“醫用材料”課程知識特點而開展的“學研結合”型實驗探索。它是在老師指導下，以本科學生為實驗和研究主體，完成了實驗項目的申報、實驗技術路線的擬定、實驗過程的實施等;學生通過參與項目，對醫用金屬材料的特性有了更深的理解;同時，也提升了學生對科研的興趣及自主學習、獨立思考、數據分析處理、解決問題的能力，培養了團隊協作、和諧溝通、努力創新的意識。

實踐證明，本探究性實驗研究具有如下特色：

1. 課程方面：與“醫用材料”課程理實結合，促進學生學習課程的興趣和提高學習效果。

2. 教學方面：將科學研究與實踐教學有機融合，實現以科研促教學的“教研結合”和“學研結合”的思路，探索培養具有分析能力、動手能力和創新能力的技術應用型人才的有效手段。

3. 研究方面：應用壓電微噴技術這一新型工藝方法實施植入性金屬材料鈦合金涂層，是融生物醫學、藥學、機電工程學、計算機應用等多學科的協同研究，是醫工結合的典型體現，能有效促進學生的知識遷移與綜合運用能力以及科研能力。

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