生物塑化標本在解剖實驗教學中的應用

王潤景

廈門醫學院解剖學教研室,福建省廈門市 361023

人體解剖學作為一門研究人體形態結構的學科,實驗課除了需要融入思政教育和生命教育[1-2],教師還應該通過不同的教學方式相結合,讓學生減少對解剖學的畏懼感,激發學生的求知欲。現有的解剖學實驗教學方式主要包括福爾馬林標本示教、教具模型展示、畫圖板書、視頻投影和數字人科技等方式,其中以福爾馬林標本示教在解剖實驗教學中最普及。隨著科學技術的不斷發展,生物塑化技術誕生,它也被應用于人體解剖學,生物塑化技術制作的人體標本大大改善了解剖學工作者的教學環境。該技術在解剖實驗教學中具有諸多優勢,彌補了現有教學方式的不足。

1 使用福爾馬林標本在教學和實驗室維護方面遇到的困難

福爾馬林標本示教作為最古老、最常用的解剖實驗教學方式,各大醫學院校一直沿用至今。雖然其解決了標本的保存問題,但福爾馬林標本有諸多缺點(見表1)。

表1 使用福爾馬林標本的缺點

1.1 教學過程方面 福爾馬林為甲醛的水溶液,具有致畸性,揮發性極強,可以通過皮膚或呼吸道黏膜,產生急性的刺激作用,對師生的健康構成威脅。在解剖實驗教學過程中,學生通常圍繞福爾馬林浸泡的人體標本,需長時間近距離解剖或觀察某些結構。但由于氣味刺鼻難聞,特別是對呼吸道和眼的刺激,使學生出現淚流、胸悶等不適癥狀。學生經常因無法繼續忍受而被迫遠離標本,暫停實驗。這種情況嚴重影響解剖實驗教學進度,一般教師只有通過另行補課來解決。

1.2 教學內容方面 大體解剖福爾馬林浸泡的人體標本,該方法具有破壞性,有些軟組織或內部結構不易被觀察。在某些福爾馬林瓶裝標本中,由于標本長期浸泡,會出現一定的變形,比如結構發生膨脹、移位等情況;或因為搬移不當,瓶中溶液過度沖擊導致標本結構撕裂。這樣的瓶裝標本并不能代表結構比鄰的真實性,在示教過程中經常被忽略,容易誤導學生和教師。而且標本因玻璃容器盛裝和液體浸泡,會出現反光,不適合進行拍照研究。

1.3 實驗室維護方面 福爾馬林溶液浸泡的標本需要長期保養,根據容器內液體揮發或渾濁情況,進行定期補液或換液;有的標本因長期浸泡結構發生變化,或因為觀察、搬移,器皿內福爾馬林漏出,使得容器外表面浸濕,標簽脫落。而且每個整體標本和局部標本都需要一定大小的容器盛裝,使得解剖實驗室的空間利用率并不高。此外,從學生角度來看,每次實驗課都需要自行購買一次性醫用口罩和手套,由于學生眾多,所有實驗課下來,使得醫療資源極度浪費。

2 生物塑化技術的誕生及倫理問題

2.1 生物塑化技術的發明及發展 生物塑化技術最早由德國海德堡大學Hagens教授于1978年發明,該技術將高分子材料學、物理學及生物學相結合,通過塑化劑置換標本中的水和脂肪,達到長期保存生物標本的目的[3]。后來國內部分單位及個人對該技術進行了引進,包括大連醫科大學、第三軍醫大學等[4-6],其中大連醫科大學于1997年與Hagens合作,成立了大連醫科大學生物塑化研究所,后來又單獨成立了大連鴻峰生物科技有限公司,大連鴻峰現已成為世界最大的人體塑化標本工廠[7],為我國醫學院校提供了大批用于教學的高質量人體生物塑化標本。

2.2 生物塑化技術應用于人體標本 生物塑化技術從發明到實踐,曾飽受爭議,非醫學人士認為,該技術應用于人體標本上,是對死者的不尊重。爭議的焦點主要是人體塑化標本的倫理問題。首先,我們要分清“尸體”和“人體標本”的區別,“尸體”具有社會屬性,而“人體標本”沒有。然后要確定尸體的使用目的,從醫學倫理學角度來看,當應用于科研、教學、法學等領域的那一刻起,尸體即轉變成“人體標本”喪失社會屬性,可以用于解剖或塑化[8-9]。為什么普通群眾,特別是非醫學專業的人對人體塑化標本感到恐懼,主要還是受到當地傳統文化、民族習慣及宗教信仰的影響。

3 結合生物塑化標本在解剖實驗教學中的實踐——以肌學為例

選取本校2022級藥學專業學生為觀察對象,隨機抽取一個班為實驗組,另一個班為對照組。對照組采取傳統的實驗教學方法,先PPT講授,然后進行福爾馬林標本示教。實驗組通過生物塑化標本與現有的解剖實驗教學方法相結合進行授課,下面以肌學為例,方法匯報如下。

3.1 課前準備 實驗課前,在學習通上發布由生物塑化標本處理的海洋及陸地動物照片,通過照片讓學生觀察動物的骨骼肌特點,根據骨骼肌特點推測其生活習性,然后在學習平臺上進行討論。該環節可激發學生對生命科學的興趣,同時讓學生對生物塑化標本有基本的感官認識,為學習人體骨骼肌的內容做好鋪墊。

3.2 課堂學習

3.2.1 課程導入。實驗課上,教師結合PPT簡單介紹生物塑化技術的基本原理和主要步驟,時間控制在3min之內。然后結合社會熱點,比如“劉畊宏男孩”,要求2名同學上講臺前,一人做“毽子操”,另一人觀察并回答“毽子操”動作由哪些肌肉參與完成。并根據學生作答情況,隨時調整實驗課進度,分配好講解重難點所花費的時間。

3.2.2 把握重點。實驗課上,將學生分為4個組,每組8人左右,學生以教師和塑化標本為中心而坐。教師可以結合硅橡膠處理的人整體塑化標本和人體骨架模型,用于講授人體淺層的骨骼肌。比如學習肱二頭肌的時候,首先在人體骨架模型上確認肱二頭肌的起止點,包括盂上結節、喙突和橈骨粗隆。再通過人整體塑化標本指出肱二頭肌的具體位置,讓學生辨識和觸摸肱二頭肌的長頭及短頭,觀察肱二頭肌肌腹和肌腱。要求學生在人體骨架模型上演示肱二頭肌收縮時關節的運動形式,并對該運動形式提問,是否存在肱二頭肌的協同肌或拮抗肌,引出需要講解的肱三頭肌、喙肱肌和肱肌。教學中將人整體塑化標本和人體骨架模型相結合,通過直觀的視、觸覺,增強學生實驗課的體驗感,激發學習主動性。

3.2.3 突破難點。對于人體深層的骨骼肌,教師可以使用P45斷層塑化標本結合“數字人科技”進行教學,P45斷層塑化技術處理的切片標本半透明,方便不同平面呈現深面骨骼肌的特點。比如講解背區豎脊肌的時候,教師可先通過虛擬的數字人科技展示豎脊肌的三個縱行肌束和形態。然后使用不同斷面(矢狀面、冠狀面或水平面)的P45斷層塑化標本,要求學生找出豎脊肌,并觀察該斷面上的形態,這樣將虛擬仿真的數字人科技和實體塑化標本相結合。學生通過在P45斷層塑化標本上識別結構,強化了解剖學的基礎知識,也為今后專業課打下堅實的基礎。

3.2.4 擴展延伸。學完肌學的重難點內容后,教師可以選擇一具保持運動姿勢的人整體塑化標本,從骨骼肌合成或重塑的角度對知識進行擴展?，F階段國家提倡全民健身,增肌、減脂成了熱門話題。對于肌肉的重塑來說,需要3個必備的條件,包括力量訓練、蛋白質的攝入和充足的睡眠。力量訓練可使骨骼肌的肌絲出現細小的損傷,攝入蛋白質能為肌纖維的合成和重塑提供主要的營養物質,充足的睡眠可促進蛋白質合成。不管是從醫學還是運動學的角度,解剖和我們的生活都密切相關。

3.3 課后作業 實驗課結束后,通過塑化標本,布置課后作業。選擇人整體塑化標本和P45斷層塑化標本,對不同部位或斷面用數碼相機進行拍攝,一般選取10張照片放入同一個Word文件中,將每一張照片依次進行編號,例如1～10。然后在每張照片中用紅色箭頭標出需要考核的骨骼肌,下方輸入相關問題,例如:該肌肉的名稱、起止點和運動形式等,讓學生識別照片中的骨骼肌后進行回答。使用塑化標本照片進行課后考察比用傳統模擬圖更具有真實性,而且比福爾馬林浸泡標本的照片結構更清晰準確,福爾馬林浸泡的標本濕潤反光,因長期浸泡組織結構會出現膨脹或位移,這些都會影響照片質量。P45斷層塑化標本的照片在課后作業布置以及PPT制作方面,是很好的教學資源。

3.4 教學評價 所有課程結束后,兩個班同時進行標本考試,結果顯示:實驗組平均分為89分,高于對照組的78分;實驗組優秀率為68%,高于對照組的33%。

人整體塑化標本姿勢各異、栩栩如生。學生可以通過觸摸,不同角度觀察,感受各結構的大小、形態等特征;P45斷層塑化標本還可以使用數碼相機或體視顯微鏡拍攝后進行觀察,為大體解剖學和組織學搭建了橋梁,將二維和三維有機統一。塑化標本和現有解剖實驗教學方式相結合,可以活躍課堂氣氛,激發學生的探索欲。在美國得克薩斯大學健康科學中心休斯敦牙科學校(UTSD)有人分別用塑化標本和傳統尸體標本進行解剖授課試驗,通過對比兩種方式下學生過去6年的實驗考試成績,發現塑化標本教學明顯提高了學生實驗考試成績以及對解剖教學的滿意度[10]。

3.5 注意事項 人體塑化標本應用于解剖實驗教學的過程中,應與其他現有的教學方式相結合。結合種類不宜過多,要取長補短,根據具體內容或章節,生物塑化標本與現有的教學方式相結合,主要包括“人整體塑化標本”和“人體骨架模型”結合,適用于骨學、肌學的講授;“人整體塑化標本”和“人體器官模型”結合,適用于內臟學和脈管學的講授;“P45斷層塑化標本”與“數字人科技”結合,適用于肌學、神經系統的講授(見圖1)。在課前、課中以及課后可多使用塑化標本,讓真實性、實踐性貫穿解剖實驗教學的始終。

圖1 塑化標本結合其他教學方式示意圖

4 生物塑化標本應用于解剖實驗教學的優勢

4.1 對比現有實驗教學方式 人體塑化標本改善了解剖學教師的工作環境,讓教師和學生避免了福爾馬林的毒害。它作為解剖教學方式的一種,彌補了“數字人科技”和“教具模型”的缺點,即通過最真實的方式,呈現人體形態結構的大小、比鄰、薄厚等特征。同時也彌補了“畫圖板書”和“視頻投影”的弊處,由于這兩種教學方式都是二維平面的,很難顯示人體結構的多個面。人整體塑化標本通常是站立或坐位;同時P45斷層塑化標本具有半透明的特點,可以拿在手上或透過光線對內部結構多角度進行觀察。

4.2 該技術對顯示不同組織的優勢 生物塑化技術可以通過在標本固化步驟前進行染色,幫助學生分辨不同的組織結構,相比福爾馬林浸泡的標本更容易對結構進行區分[11]。還可以根據標本的用途和顯示特征不同,用不同的塑化劑制作不同的人體標本。生物塑化技術包括硅橡膠技術、環氧樹脂技術、聚酯乳膠技術以及聚酯樹脂技術。其中硅橡膠技術制作的標本柔韌有彈性,適合用于系統解剖的實驗教學;環氧樹脂技術制作的斷層標本透明度好,可用于影像解剖學的教學;聚酯乳膠技術制作的斷層標本使不同組織顏色對比顯著,常用于陳列室展示;聚酯樹脂技術對灰質和白質有明顯的區分,用于制備腦組織的切片標本。所以在解剖實驗教學過程中,根據課程內容和教學對象不同,可合理地選擇不同塑化劑處理的標本。

4.3 標本維護和使用方面 人體塑化標本相比于福爾馬林固定的尸體標本,明顯地降低了各醫學院校標本的維護和運輸成本。傳統使用福爾馬林固定尸體標本的醫學院校,會在每個解剖實驗室裝上抽風設備或空調,大大增加了實驗室的維護成本。浸潤濕透的福爾馬林整體標本濕潤冰冷,搬移起來十分沉重。傳統瓶裝的局部標本一般使用裝有福爾馬林的玻璃容器,需要較大的儲存場地,容易摔碎,固定液還需要定期更換或補液;若標本長期浸泡,很容易在搬移過程中造成人為的結構移位,需要專業技術人員進行修復,加大了實驗教師的工作量。而人體塑化標本無毒干燥、輕巧便攜,利于搬運。各大醫學院校解剖實驗室模型、教具眾多,塑化標本可為實驗室節省大量存放空間。相比福爾馬林浸泡的標本可以反復使用、拍照研究,照片質量更為清晰,結構、比鄰關系更加精確,在標本保養方面,只需要避免磨損即可。

5 小結

總體來看,人體塑化標本的出現,解決了長期困擾解剖學界標本保存的難題,提高了學生的實驗成績,改善了師生的學習環境,豐富了現有的解剖學實驗教學方式。但是現階段學生對于生物塑化標本的了解較少,因此需要教師對生物塑化標本進行更多的推廣[12]。生物塑化標本應用于解剖教學,希望能為解剖教學方式的多樣化提供參考。