学科交叉型实验室的运行与管理

朴 莹, 唐建斌, 刘祥瑞, 周珠贤, 段 真, 申有青

(浙江大学 化学工程与生物工程学院, 浙江 杭州 310012)

学科间知识体系的交叉融合是科技创新的重要途径,已经成为科学发展的必然趋势[1]。在近百年的诺贝尔自然科学奖中跨学科交叉的研究成果有近半之多,近年来的许多重大科技突破发生在学科交叉领域。基于此,许多国家都在积极布局学科交叉型研究,美国国家科学院协会2004年发表了《促进交叉学科研究》的报告[2]。哈佛大学在2006年成立的大学科学与工程规划委员会指出:“塑造一个激励和推进跨学科研究与合作的环境对于保持哈佛大学在科学技术研究与教学中的领先地位极其重要”[3],并于2007年成立了建校以来第一个跨学科院系—干细胞与再生生物学系来推动跨学科院系的发展。与此同时,麻省理工学院、斯坦福大学、剑桥大学等世界著名学府也相继成立了跨学科研究中心和研究组织。

交叉学科研究的多学科融合性往往需要建立较大的研究团队,以浙江大学生物纳米工程中心(简称中心)为例,团队有近50人的规模,在人员、设施、仪器等方面的数量与复杂程度是单一学科实验室无法比拟的。交叉学科实验室比起传统学科实验室在管理上存在共性也存在其特殊性。本文结合该中心在实验室建设与管理方面的实践经验,从安全管理、实验室运营成本、仪器管理三方面加以阐述,总结学科交叉型实验室管理现状以及面临的问题与挑战,为更多新兴的交叉学科实验室的管理提供借鉴。

1 生物纳米工程中心组成与特点

(1) 研究方向。中心的主要研究内容是以新功能材料的设计与合成为基础的生物纳米材料在生物、医学上的应用,研究方向包括纳米药物载体的设计与合成、高效非病毒基因输送载体的设计、肿瘤微环境响应材料、用于肿瘤早期诊断的MRI造影剂、生物荧光成像、分子药剂学等。这些研究工作无疑是需要研究者具有化学、材料、高分子、化学工程、生物工程、细胞生物学、药学、肿瘤医学、临床医学等学科知识,是典型的多学科交叉研究。

(2) 人员与合作团队的学科背景。中心拥有一支包括教授、副教授、讲师和技术员的不同职级、不同知识背景结构的教师队伍。他们的教育背景包含化学工程、化学、材料、高分子、生物工程、药学和医学。中心在读学生的学科专业也各不相同,来自于化工、生物化工、化学、高分子、药剂、制药工程、药理等。中心同时与相关学院、系及多家医院的不同科室开展合作,这些合作团队有药学院、医学院、高分子系以及附属医院肝胆科、肿瘤科、呼吸科、血液科、影像科、眼科、药剂科等科室。因此,其人员学科背景具有多样性。

(3) 人才培养理念。中心的人才培养理念是在尊重学生原学科背景的基础上,培养其跨学科的综合能力,使学生成为能够融会贯通本研究领域所需要的多学科知识的复合交叉型人才。例如,化学专业背景学生的研究工作以本专业为主、重点培养其材料合成的能力,但同时也要做生物或医学相关的性能评价实验；生物或医学专业学生主要以生物医学研究为主,但也要求做一些材料的设计并从事化学合成方面的实验。

(4) 实验室区域。实验室主要由生物实验区域与化学实验区域组成。生物实验区域包括细胞操作室、动物操作室、大型生物仪器操作室、光学仪器使用区和普通实验区；化学实验区域包括通风操作区、实验区、药品区、废弃物放置区构成。这些区域的设置目的是避免实验干扰。

(5) 仪器设施。中心用到的实验仪器包括搅拌器、旋蒸仪、冷冻干燥机、酶标仪、细胞培养箱等一系列化学合成及生物实验相关仪器,以及一些大型精密仪器,如激光共聚焦显微镜、小动物活体成像仪、流式细胞仪等,多样的仪器基本满足了交叉学科研究需求。同时,中心正联手其他仪器平台展开更深入的交叉合作研究。

2 交叉型研究实验室及团队的特点

将该中心与传统实验室相比较可以发现,交叉型研究实验室及团队有以下特点:

(1) 研究方向的多样性。科研人员会结合自己学科背景提出自己的研究课题,因此,研究人员学科背景多样性决定了学科交叉型实验室研究方向多样性。

(2) 研究人员学科背景的多样性。从团队及合作团队的人员所受培养(本科、博士)的学科上看,中心人员的学科非常多元化、跨度也非常大。不同专业背景的人员所学专业知识不同,其学术思维方式、甚至学术表达方式也有很大不同,合作工作期间的有效沟通是一大挑战。

(3) 实验室设施与仪器的多样性。为满足不同研究方向研究的需求,中心相继购置了化学、生物及医学方面的多种实验仪器。随着仪器使用频率增加,仪器布局混乱、零部件故障等一系列问题涌现,这对交叉学科实验室的仪器管理提出了更高的要求[4]。

(4) 实验室安全防护的多样性。各个学科对安全的定义和要求上存在差异。以本中心为例,生物与化学安全的定义、特点、安全要点不同。实验室的生物危害主要指微生物和生物因子对人、环境和社会造成的危害或潜在危害[4-5],具有潜在性和累加性；化学危害一般是化学品的毒性、易燃和易爆性、易制毒等[6],具有即时性与突发性。这些特点要求实验人员在安全学习上填补跨学科安全知识的盲点,进行多种实验安全培训,从而做好对不同危险因子的防护。在安全设施上,学科交叉型实验室应兼顾交叉学科需求，调整实验室设施,在做好基础防护如排风系统、区域隔断、温湿度调控、防火、防爆、防腐蚀、应急喷淋等设施的基础上,完善安全设施[7]。

(5) 实验耗材和药品多样性。中心的实验室有生物和化学相关试剂药品,其种类、性质、用途、保存方法各不相同,很容易在储存、取用上出现问题。特别是药品的管理上,在传统单一学科或体量较小的实验室,试剂药品数量少、种类有限,尚可做到人工记录、专人专管。交叉学科实验室的特点决定了药品试剂的种类更加繁杂,人工管理已经不能满足便捷高效的试剂管理需求[6, 8]。除此之外,实验相关试剂耗材的采购数量多、成本高、经费压力大的问题日渐凸显,由此可见,交叉学科实验室在药品管理方式和运行成本控制上的问题亟待解决。

3 学科交叉型实验室的运行管理

交叉实验室管理的关键在于沟通效率。在中心,所有相关实验人员都纳入实验室微信群,以方便信息沟通。微信群的存在打破了地域与时间的限制,提高了沟通效率,但对于长期适用的规定性文件则没有很好的分类保存和便于查阅的功能。学科交叉型实验室在仪器、耗材等方面的多样性特别要求管理者对大量繁杂的相关信息可以分门别类地归纳整理和查阅。企业微信平台拥有适合实验室管理的多种应用,其个性化设置可实现为实验室量身打造管理方案,能够很好地适应交叉学科实验室不断发展的广度与深度需求。企业微信在隐私保护方面的安全性大大优于同类的订阅号与服务号,免费注册的优势也让其与实验室管理方法相结合变得更加便捷[9-10]。以本中心为例,其实验室管理围绕化学与生物交叉研究的核心展开,主要包括三个方面,即安全、试剂耗材与仪器,其分支组成如下图所示:

图1 生物纳米工程中心实验室管理构架图

3.1 安全管理

学科交叉型实验室的特性决定了其在安全管理的内容与形式上比传统学科要更加丰富、全面。本中心实验室管理人员以人工教授与网络工具相结合的方法传达安全知识、执行安全监督。在安全学习的初始阶段,人工教授的方式易于达到启发、警醒的效果,引起学习者对安全问题的重视,这种方式必不可少，也无法被替代。网络工具提高了信息传达效率和学习者的接受度,也便于将安全问题制度化、规范化,在安全秩序的巩固与完善阶段能够发挥持久长效的效果,是安全监管日常化的重要辅助手段[11]。我们将安全学习分为安全知识学习和安全操作培训两方面内容。

(1) 安全知识学习模块。通过普及法律法规和急救常识来说明安全问题的严肃性和遇到危险时的自救措施,强调实验人员有义务配合学校、学院做好实验废弃物的处理和实验室安全值班工作。

(2) 安全操作模块。实验人员须通过实践操作培训来加深对安全知识的理解,切身体会不同学科安全防护要点及仪器安全操作规范,同时可在软件客户端复习培训内容,巩固和加强知识点。

以上两个安全模块详细介绍了实验室安全相关要求,在学习过后经过管理员考核才可以获得实验操作资格。此外,微信端安全模块的相应资料也方便了全体中心相关科研人员随时随地进行查阅学习。

3.2 实验用试剂耗材管理

在面临学科交叉型实验室试剂耗材多样性的情况下,如果按照详细的试剂药品分类法来一一对应人工管理试剂药品,显然是低效落后的。中心管理员将采购的试剂、耗材及药品的库存数量整理成为电子版并不断更新,对其中危险试剂药品加以标注,发布于本中心企业微信平台上,方便了实验人员查询相关信息。这种方式极大提高了信息同步化效率,也有效杜绝了重复采购的浪费现象。将试剂药品按照价格和危险性分为两个区间,对价格高的(例如蛋白质免疫印迹等免疫相关实验用抗体)和危险性大的由技术员统一管理,对价格低、无毒无害的普通试剂药品实行个人管理或团体管理方式,个人管理即实验者自行存放使用,团体管理是指由若干小课题组的组长监督组员管理。这种复合管理模式在方便使用者随时取用药品的同时有利于管理员把精力主要放在昂贵和危险试剂的管理上来,在实践中取得了较好的效果。

尽管如此,在对试剂药品的管理过程中,还是会时常发生记录与实际不相符的现象,导致人力、物力与时间的浪费。对于这种现象,可以考虑改善实验室设施,设置专门的房间作为重点试剂药品仓库,设有动态密码门禁,同时在房间内配备一台登记试剂领取相关信息的电脑,实验者只需在电脑上按要求扫描,药品相关信息便可自动录入系统,同时实验者可获取动态密码走出门禁。这样能够在一定程度上保障药品信息与实际库存的同步更新,也能够在很大程度上节省管理人员的时间精力。这种管理系统一旦实现并与学校平台对接,有望进一步提高生化试剂药品的管理效率。

3.3 交叉学科实验室运行成本的控制

学科交叉型实验室的采购费用占整个实验室运营成本的绝大部分。为控制采购成本,大多数实验室一般采取审批采购的制度。传统人工审批模式在地域与时间上存在局限性,企业微信平台上的采购审批模块有效规避了这些因素对采购的影响,实验人员只需在审批模块当中的采购审批菜单里填写相应需求,并注明价格与危险性等关键信息,提交后由负责人进行审批,审批结果由系统自动发送给采购负责人和申请人(见图2)。中心在采购审批上实行多人合作式审批,这样做可以提高质量、加快效率,能够有效节约采购成本。

图2 采购审批模块示意图

采购供应链的管理应遵循6R(right product, right time, right quantity, right quality, right status, right place)原则来达到成本最小化的目的,即做好市场供应链的调研[12]。生物实验与化学实验所用耗材大致分为普通级耗材和高级耗材,普通级耗材使用要求相对较低,一般不做无菌要求,采购途径单一,方式为批发零售；高级耗材多用于生物实验,使用要求较高,多数要求无菌,且不被建议重复使用。采购者应整合供应商资源,减少供应环节[13],尤其对于价格昂贵利润高的高级耗材,更要做到多家比价,选择性价比高、信誉度好的供应商,保证质量并有效节约采购成本。合理的实验规划是控制科研成本的根本,在学科交叉型实验室则更是要在全面考虑交叉领域研究内容的前提下完善实验计划,少走弯路,节约科研成本。

3.4 仪器管理

企业微信平台支持添加个性化应用,这个功能为仪器的使用管理提供了很大帮助,管理员可以在平台上设置实验应用模块,在其中设置主菜单与子菜单,按照仪器大小和贵重程度分为大型仪器和中小型仪器。在子菜单中添加链接来预约及查看各台仪器在学校大仪平台的信息,还可以添加图文注明该仪器的开关机顺序及操作注意事项(见图3)。这方便了仪器操作者随时随地查看规范,有助于降低仪器故障率。企业微信平台的信息存储容量大、方式多样的特点，便于发布交叉学科仪器相关各项规章、培训考核要求、操作经验等各种素材,其菜单分类层次清晰、内容易懂、操作便捷，能够很好地整合学科交叉型实验室仪器相关信息。

图3 仪器模块示意图

学科交叉型实验室人员复杂且流动性大,操作仪器不规范、忘记登记使用信息的现象时有发生,不利于明确仪器故障责任,是交叉学科实验室仪器管理的一大弊病。

仪器使用登录系统的应用能够在很大程度上改善这个问题,使用仪器前使用者必须通过登录认证才能进入操作界面,使用人信息自动被保存下来。这种方式能够有效督促使用者爱惜仪器,养成规范化操作仪器的科研习惯,提高责任心,也方便管理者规范仪器使用秩序[14]。交叉学科实验室相关合作团队的人员也应被纳入规范化使用仪器的行列,一同接受培训考核,这对保障交叉研究相关仪器的长期运行有重要意义。

4 结语

学科交叉型实验室大团队的管理主要是从安全、仪器、试剂耗材三个方面入手，针对交叉学科特点进行实验规范化的过程,具有复杂性、多样性的特点。在传统实验室管理方法的基础上,结合现代通信手段,探索交叉学科实验室高效监管的方法,已在实践中初现成效。但交叉学科本身具有复杂性,在不断发展中产生的新的问题还需要我们继续探讨。越来越多的交叉学科实验研究机构的建立,需要实验室管理者不断探索更加科学的管理制度和先进的管理理念。