应用型本科课外探究性实验的开展

孙怀远 廖跃华 杨丽英

摘  要：探究性实验旨在提高学生的自主学习能力、科学思维与创新能力。结合“医用材料”课程具有知识覆盖面广、内容与医学领域紧密联系的特点以及课程学习中主要存在的问题，以医用金属材料表面涂层为研究目标，开展“学研结合”型探究性实验，以培养本科学生的专业兴趣、独立实验和实施研究的能力。介绍了探究性实验的内容设计、技术路线、实施过程及结果分析，总结了实验研究在课程、教学、科研方面的创新特色。

关键词：学研结合;探究性实验;医用材料;涂层

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：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

大学生创新能力培养的研究和探索一直是被高等教育管理者和教师普遍关注的主题[1]。实验教学是增强应用型本科专业学生的实践动手能力、创新能力非常重要的环节和手段，对提高学生综合素质具有特殊作用，是高校人才培养的重要组成部分[2]。然而，目前高校教育中普遍存在课程设计重“学”轻“术”、毕业生不能很好掌握科学思维方法，理论知识的迁移与运用能力不强，这使得人才培养并没有很好地符合“新工科”建设意识对新型工程科技人才培养的宗旨[3，4]。解决上述问题的有效途径之一就是开展各类实践教学，培养学生实际操作、独立实验及研究的能力[5，6]。而应用型本科学生探究性实验的目的就是培养学生的探索精神和创新能力，是提高学生的综合素质、培养高素质复合型人才的重要手段[7]，也是高等学校本科教学质量与教学改革工程中的重点和难点。在此背景下，针对上海健康医学院生物医学工程专业“医用材料”课程具有知识覆盖面广、内容呈现医工结合的特点以及课程学习中主要存在的问题，我们开展了“学研结合”型探究性实验项目，即在教师指导下，以学生为主体，对“医用金属材料”表面进行涂层实验研究，自主进行实验方法的设计、组织实施、结果分析、撰写实验报告等。

一、实验研究内容

“医用材料”涉及的内容很多，如生物医用金属、陶瓷、聚合物的特性及材料表面修饰与表征等。医用金属材料又称作植入类金属材料，由于其引发的细菌感染即生物材料相关感染问题一直存在，这使得材料表面抗菌改性研究成为当前热点之一[8]。随着对生物材料相关感染问题研究的深入，人们认识到在植入类金属材料表面进行药物涂层是实施医用金属材料表面抗菌改性、解决金属内植物表面感染问题的重要方式之一[9]。基于微系统理论的微量喷射技术是近几年发展起来的一种新型工艺方法，具有高精度、微量化、可控性好等特点，可实现定点、定量、定向及精细图形化喷射，目前已在生物工程、心脏支架表面涂覆等方面得到应用[10，11]。“医用金属材料”表面涂层实验就是基于微量喷射技术、结合“医用材料”课程教学开展的探究性实验研究。

探究性实验是第二课堂教学，是学生在掌握一定专业知识的基础上、综合运用已学知识和实验方法所进行的一种学习活动，旨在提高学生的自主学习能力，这不仅要求学生按部就班完成实验，更要求学生能对实验设计、实验过程、实验结果进行思考，理解实验的内在逻辑[12]。基于此，“医用金属材料”表面涂层实验研究应使学生达到如下目标：

1. 通过自主学习和实验系统操作，熟悉微量噴射技术，了解其在生物工程和医学领域的应用，尤其是在植入类金属材料表面抗菌涂层改性方面的应用;

2. 掌握植入类金属材料的要求与特点，了解金属材料表面进行抗菌改性和涂层的工艺措施与方法;

3. 实现“学研结合”，将“医用材料”课程理论知识与实践有机结合，并通过科学实验与研究，努力提升动手与创新、交流与协调、分析问题与解决问题等多方面能力，以成为社会需求的技术应用型表1。

二、实验技术路线

实施“医用金属材料”表面涂层探究性实验之前，必须制定完整的实验方案和技术路线，做到有的放矢和目标明确。具体的技术路线概括如表1。

三、实验实施过程

（一）掌握技术

实现材料涂层制备的微量喷射技术有：压电式微喷技术、超声雾化微喷技术、空气雾化微喷技术等。基于实验操作条件和实施实验的主体，本项目选用基于压电控制的微量喷射实验系统作为“医用金属材料”涂层探究性实验主体设备，该系统由电控制模块、气控制模块、微量喷射模块、视觉观测模块及运动平台模块构成。其原理是：在气控制模块作用下，喷头腔体内的液体平衡于喷嘴位置，由电控制模块使压电陶瓷材料产生伸缩形变，从而使喷嘴处的液体喷射出去而形成液滴[13]。整个系统的操作控制通过触摸屏进行，写入的程序可以精密控制喷头与运动平台在X、Y、Z三轴方向上的运动;电控制模块每施加一次电压脉冲就会使喷头产生微小液滴，液滴的喷射时间、大小和体积都与驱动电压、喷射频率有关;液滴及其喷射状态可以通过视觉观测模块展示于操作界面。学生通过查阅资料自学、技术培训、操作练习等手段，掌握基于压电控制的微量喷射技术及其应用，熟悉微量喷射实验系统的喷涂参数设置与调节、实时监测等，为喷涂实验奠定技术基础。

（二）材料选型

实验材料分为涂层基材和喷涂材料。涂层基材是植入人体内医疗器件的主体，喷涂材料是植入材料表面修饰与改性的辅助。

如前所述，现代医学用植入材料主要有钛合金、镁合金等。其中钛合金具有密度小、强度等力学性能优异、耐腐蚀性强、生物相容性良好等优点，可大幅减轻植入物对人体的负荷量、对人体生理环境不产生污染、无毒副作用，是目前已知的生物亲和性最好的金属之一，已成为全球人体植入物及假肢矫形产品生产所需的主要金属材料[14]。根据“医用金属材料”涂层实验研究设计思想和“医用材料”课程教学目标，本研究利用微量喷射技术对钛合金进行表面涂层，以改变其表面特性和探索微喷参数对钛合金植入物的影响。

钛合金表面修饰与改性的喷涂材料必须满足安全无毒、生物相容性好、可降解、能载药等要求。目前已在医学领域应用的此类材料主要有海藻酸钠、纤维素、胶原蛋白、明胶、聚乳酸等[15]。聚乳酸-羟基乙酸共聚物（poly lactic-co-glycolic acid，PLGA）是一种有机高分子聚合物，可降解、无毒、抗腐蚀、生物相容性和成囊成膜性良好，广泛用于医用工程材料、制药等领域[16]。所以，本研究选用PLGA作为载药用喷涂材料对钛合金表面进行涂层，并通过该基础研究，摸索喷涂参数与修饰改性的关系。

（三）涂层实验

根据“医用金属材料”表面涂层实验研究的技术路线，在掌握微量喷射实验技术、确定实验材料的基础上，进行PLGA材料喷涂可行性测试，摸索喷头驱动电压、喷射频率、PLGA浓度及运动控制参数对涂层的影响并对相关参数进行优化;采用单因素控制法、以不同微喷技术参数对钛合金片进行喷涂，并记录实验数据、观察形貌特征。具体过程如下：

材料准备：对将要喷涂的10mm×10mm×1mm钛合金片进行砂纸打磨处理至表面光滑，然后除油、超声波清洗5分钟（清洗液为无水乙醇），最后取出并贮存、以备后用。

喷射系统调试：对压电微喷实验系统的微量喷射模块、视觉观测模块、电控制模块、气控制模块、运动平台模块等进行调整，使各模块能协调地进行工作、实施液滴喷射。

喷射成型：在实验系统视觉观测模块的辅助下，通过调节喷头驱动电压、喷射频率、PLGA溶液浓度等微喷参数，获得稳定的液滴喷射状态和理想的液滴大小;再调用预设的喷涂程序，设置坐标参数后进行喷涂。

（四）结果分析

对喷涂实验的数据进行归纳分析，对观察和扫描电镜等仪器检测的液滴大小、涂层表征等结果进行比较，得出喷头驱动电压、喷射频率以及PLGA溶液浓度对涂层形貌特征的影响关系：

1. 驱动电压对液滴直径的影响呈现类抛物线变化，即液滴直径随驱动电压的增大而呈“小-大-小”趋势，其原因是：驱动电压较小时，液体运动能随压电信号增大而增大，使液滴以较大体积喷出;当驱动电压增大到一定值后，产生的更大压电信号使液滴克服表面张力被挤出而以较小体积喷射;但由于喷射速率等因素的影响，过低或过高的驱动电压会使液滴状态不稳定，从而使涂层出现凹坑或凸起的形貌。

2. 在驱动电压一定的情况下，喷射频率增大会使液滴直径减小，其原因是：驱动电压一定时，喷头内液体运动动能不变，频率增大则会使液滴喷射间隔缩短，从而使每个液滴体积变小;但频率过高会使液滴产生漂移并分散形成卫星滴，从而使涂层形貌特征变得不均匀、不平整。

3. 在驱动电压、喷射频率一定时，喷头喷出的液滴直径将随PLGA溶液浓度的增大而减小，这是因为液滴表面张力随溶液浓度增大而减小，从而使液滴不易凝聚而呈较小体积喷射;但根据扫描电镜观察结果可以确定，适中的PLGA溶液浓度方可获得较好的涂层效果。

四、结束语

“医用金属材料”表面涂层探究性实验是应用微量喷射技术进行钛合金材料表面PLGA涂层的基础研究，是结合“医用材料”课程知识特点而开展的“学研结合”型实验探索。它是在老师指导下，以本科学生为实验和研究主体，完成了实验项目的申报、实验技术路线的拟定、实验过程的实施等;学生通过参与项目，对医用金属材料的特性有了更深的理解;同时，也提升了学生对科研的兴趣及自主学习、独立思考、數据分析处理、解决问题的能力，培养了团队协作、和谐沟通、努力创新的意识。

实践证明，本探究性实验研究具有如下特色：

1. 课程方面：与“医用材料”课程理实结合，促进学生学习课程的兴趣和提高学习效果。

2. 教学方面：将科学研究与实践教学有机融合，实现以科研促教学的“教研结合”和“学研结合”的思路，探索培养具有分析能力、动手能力和创新能力的技术应用型人才的有效手段。

3. 研究方面：应用压电微喷技术这一新型工艺方法实施植入性金属材料钛合金涂层，是融生物医学、药学、机电工程学、计算机应用等多学科的协同研究，是医工结合的典型体现，能有效促进学生的知识迁移与综合运用能力以及科研能力。

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