大学专业-生物电子学

生物电子学（Bioelectronics） 是一门交叉学科，它结合了生物学、医学和工程学的原理，专注于研究生物体的电现象以及如何利用这些现象来开发新的医疗技术和治疗方法。

在生物电子学领域，科学家们研究如何利用电子技术来监测和干预生物体内的电活动。这包括对心脏、大脑和其他器官的电信号进行记录和分析，以及设计和制造能够与生物组织相互作用的电子设备，如心脏起搏器、神经刺激器和人工耳蜗。

生物电子学的关键技术之一是生物传感器，它们能够检测生物体内的化学物质、蛋白质或细胞活性，并将这些信息转化为可读取的电信号。这些传感器在疾病诊断、环境监测和农业管理等领域有着广泛的应用。

生物电子学还涉及到生物材料的开发，这些材料能够与生物体内的细胞和组织兼容，并且具有良好的导电性和生物降解性。这些材料的应用包括制造可植入的医疗设备、药物递送系统和组织工程。

生物电子学的一个重要目标是创建更智能、更适应性强的医疗设备，这些设备能够更好地与人体的自然系统相互作用，提供个性化的治疗方案，并促进患者的康复。随着纳米技术和人工智能的进步，生物电子学领域有望实现更多创新，为医疗保健带来革命性的变革。

生物电子学的主要课程：

1. 基础生物学课程：

- 分子生物学：介绍生物体内分子的结构和功能，包括蛋白质、核酸、酶等。

- 细胞生物学：探讨细胞的结构、功能和生命过程。

- 生物化学：研究生物体内化学物质的性质、代谢和相互作用。

- 遗传学：讲解基因的传递、变异和进化。

2. 基础物理学课程：

- 物理学基础：提供力学、热学、电磁学和量子力学等基础知识。

- 材料科学：介绍不同材料的性质和应用，特别是生物相容材料。

3. 基础工程学课程：

- 电路分析：教授电路理论、分析方法和电路设计。

- 信号处理：介绍信号的采集、分析和处理技术。

- 微纳加工技术：讲解微纳米尺度下的加工技术和工艺。

4. 生物电子学专业课程：

- 生物电子接口：探讨生物信号与电子设备之间的接口技术。

- 生物传感器原理：介绍生物传感器的工作原理和应用。

- 生物电子系统设计：教授如何设计和构建生物电子系统。

- 生物医学成像：介绍医学成像技术，如X射线、CT、MRI等。

5. 高级选修课程：

- 生物信息学：学习如何使用计算工具处理和分析生物数据。

- 神经工程：研究神经系统的工作原理和相关工程应用。

- 生物机械工程：探讨机械系统在生物医学中的应用。

- 人工智能在生物医学中的应用：介绍AI技术在医疗诊断、治疗和健康管理中的应用。

6. 实验课程：

- 生物电子学实验：提供实践操作机会，学习如何使用生物电子设备进行实验。

- 生物传感器实验：设计和测试生物传感器，验证其性能。

- 生物医学成像实验：使用医学成像设备进行实际操作和数据分析。

7. 实习和毕业设计：

- 实验室实习：在导师指导下进行科研项目，积累实践经验。

- 毕业设计/论文：完成一个综合性的研究项目，撰写并答辩毕业论文。

这些课程旨在为学生提供坚实的理论基础和实践技能，使他们能够在生物电子学领域进行创新研究和应用开发。

15年的酝酿 科学家发明可治疗皮肤的"活生物电子学"

研究人员创造出了"活体生物电子学"，这是一种将细胞、凝胶和电子学结合在一起的装置，灵活、适应性强、可储存，可与人体连接，用于监测和治疗皮肤病。在小鼠身上进行的试验表明，这种装置可以减轻炎症，并具有更广泛的医疗应用潜力。该团队正致力于将这项技术商业化。

史久云（Jiuyun Shi）拿着他和芝加哥大学科学家团队发明的一个小型装置，该装置将活细胞、凝胶和传感器整合在一起，创造出"活的生物电子学"来治疗皮肤。图片来源：Jiuyun Shi 和 Bozhi 田/芝加哥大学

多年来，田博智教授的实验室一直在探索如何将电子领域（通常是刚性、金属和笨重的领域）与人体的柔软、灵活和微妙特性相结合。在最近的研究中，他们创建了一个所谓"活体生物电子学"的原型：活细胞、凝胶和电子学的结合体，可以与活体组织融为一体。

这种贴片由传感器、细菌细胞以及由淀粉和明胶制成的凝胶组成。在小鼠身上进行的试验发现，这种装置可以持续监测和改善类似牛皮癣的症状，而且不会刺激皮肤。

"这是与传统生物电子学的桥梁，传统生物电子学将活细胞作为治疗的一部分，"该论文的共同第一作者、曾在田的实验室（现为斯坦福大学）攻读博士学位的Jiuyun Shi说。

田说："我们非常激动，因为这已经酝酿了十多年。"

研究人员希望这些原理也能应用于身体的其他部位，如心脏或神经刺激。这项研究发表在5月30日的《科学》杂志上。

将电子设备与人体配对一直是个难题。虽然心脏起搏器等设备改善了无数人的生活，但它们也有自己的缺点：电子设备往往笨重而僵硬，可能会引起刺激。

但田的实验室擅长揭示活细胞和组织与合成材料相互作用背后的基本原理；他们以前的工作包括可以用光控制的微小起搏器，以及可以构成骨植入基础的坚固而柔韧的材料。在这项研究中，他们采用了一种新方法。通常情况下，生物电子学由电子元件本身和一个软层组成，软层的作用是减少电子元件对人体的刺激。

但是，田的研究小组想知道，他们是否能通过整合第三个组件（活细胞本身）来增加新的功能。研究小组对某些细菌（如表皮葡萄球菌）的治疗特性很感兴趣，表皮葡萄球菌是一种天然生活在人体皮肤上的微生物，已被证明可以减轻炎症。

薄如蝉翼的贴片集成了柔性电子电路、木薯淀粉和明胶制成的凝胶以及有助于治疗皮肤病的友好细菌。图片来源：Jiuyun Shi 和 Bozhi Tian/芝加哥大学

他们创造了一种由三个部件组成的装置。框架是一个带有传感器的薄而柔韧的电子电路。它上面覆盖着由木薯淀粉和明胶制成的凝胶，这种凝胶非常柔软，可以模拟组织本身的构成。最后，表皮葡萄球菌微生物被塞进凝胶中。当把设备放在皮肤上时，细菌会分泌能减轻炎症的化合物，而传感器则会监测皮肤的温度和湿度等信号。

在对易患牛皮癣样皮肤病的小鼠进行的试验中，症状明显减轻。

他们的初步测试持续了一周，但研究人员希望该系统--他们称之为ABLE平台（Active Biointegrated Living Electronics）--可以使用半年或更长时间。他们说，为了使治疗更方便，该装置可以冻干储存，需要时也可以轻松补水。

论文的另一位共同第一作者、实验室的在读博士生 Saehyun Kim 说："由于治疗效果是由微生物提供的，因此它就像一种活的药物--不必再给它加药。"

更广泛的应用和未来目标

除了治疗牛皮癣，科学家们还设想了一些应用，比如用贴片来加速糖尿病患者的伤口愈合。

他们还希望将这种方法推广到其他组织类型和细胞类型。田说："例如，这能创造出一种胰岛素分泌装置，或者一种与神经元连接的装置吗？有很多潜在的应用。"

田说，这是他从近 15 年前担任博士后研究员时就一直怀有的目标，当时他第一次开始试验"义体组织"。他说："从那时起，我们已经了解了很多基本问题，例如细胞如何与材料对接以及水凝胶的化学和物理，这让我们能够实现这一飞跃。看到它成为现实，我感到非常高兴。"

史久云说："我一直热衷于挑战科学的极限。"我希望我们的工作能为下一代电子设计带来灵感。"

编译来源：ScitechDaily

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