醫學應用的案例
哈佛醫學院陶偉教授團隊《Acc. Mater. Res.》正封面論文：黑磷在生物醫學應用中的“進化史
二維納米材料因其具有良好的機械柔性、優異的導電性、廣譜光吸收、易功能化和大的比表面積體積比等特性，在基礎研究和實際應用中得到了廣泛的關注。黑磷（BP）作為后石墨烯時代典型的二維納米材料，自2014年首次剝離和“再發現”以來，以其獨特的結構和性能在各科學技術學科中占據突出地位。獨特的幾何結構和電子結構使BP具有不同于其他二維材料的優異的力學、電導率、光學、熱電和拓撲等性能，從而使BP在儲能、催化、光電子、生物醫學等領域得到廣泛應用。
在生物醫學的應用中，BP由于具備良好的體內生物相容性、高載藥能力、優異的光學性質、良好的表面活性以及無毒的生物降解性而備受關注（Chemical Society Reviews 2019, 48(11): 2891-2912; Matter 2020, 2(2): 297-322; Chemical Society Reviews 2021, 50(4): 2260-2279）。近年來，BP基復合材料在抗腫瘤、抗菌、成骨、生物傳感器、傷口愈合、生物催化以及其他一些特殊的生物成像等方面的應用也在迅速發展。與石墨烯類似，基于BP基材料同樣也是未來生物醫用領域的“明星”材料，但它們的實際應用性仍然極具挑戰。推進BP基材料實際應用的最為有效途徑是在BP上錨定功能化輔助劑，以提高其性能、滿足某些特定的要求。因此，系統地揭示BP從單元素材料到復合材料的發展歷程、充分了解BP的生物效應，將會有效地推進基于BP材料未來在生物醫學領域中的應用。
展開 科學家探索石墨烯在3D打印和生物醫學應用中的奇跡和毒性
雖然研究人員看到石墨烯在許多不同應用中的應用前景光明，包括生物醫學行業的應用，但科學家和醫療專業人員試圖幫助解決人類對人類的毒性仍有明顯的重大障礙需要克服。
“總之，石墨烯有望為生物醫學應用提供令人興奮的納米平臺，但仍有許多問題需要解決。建議石墨烯衍生物在進行生物醫學應用或臨床應用之前應進行廣泛的安全性評估或驗證。”
藥物和基因傳遞應用
a)使用胺類PEG功能化GO輸送阿霉素。 b）sirna的傳遞和使用pei-coorded go-for基因沉默技術（RISC-RNA誘導沉默復合物）的mRNA降解
來源：增材之光
展開 生物信息學與進化分析及其生物醫學應用
生物信息學與進化分析及其生物醫學應用2.pdf
生物信息學與進化分析及其生物醫學應用1.pdf
2006年會msc.fatigue論文--基于MSC.Software 的醫學臨床應用研究
基于MSC.Software 的醫學臨床應用研究
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基于MSC.Software 的醫學臨床應用研究.pdf
哈工大冷勁松教授團隊《中國科學》綜述：形狀記憶聚合物微納米纖維膜在生物醫學中的應用進展
基于靜電紡絲技術，將形狀記憶聚合物及其復合材料制備成纖維結構，實現熱、電、光、PH、水、磁及電效應等激勵變形過程，在生物醫療、智能紡織、傳感、驅動等方面應用廣泛。近年來，受到了國內外學者的廣泛研究和關注。
哈爾濱工業大學冷勁松教授團隊就近10年形狀記憶聚合物微納米纖維膜的制備技術、結構形貌、驅動方法及其生物醫學應用進行了系統論述。文章總結了由靜電紡絲技術制備的形狀記憶聚合物微納米纖維膜的多種結構，包括無紡、核殼、中空、取向纖維等結構（Fig3）及其不同的驅動方式，包括熱驅動、磁驅動、水驅動等驅動方法。隨后，文章對形狀記憶聚合物微納米纖維膜在骨組織支架、骨組織修復、神經支架（Fig10）及細胞培養等方面的應用進行了系統總結。最后，該團隊對目前形狀記憶聚合物材料其他結構在血管直接、氣管支架、骨修復藥物及細胞載體、動脈瘤、血栓和心臟貼片等醫學領域中的應用進行了概括，并對形狀記憶聚合物微納米纖維膜未來的發展方向進行了展望。
圖文速遞
圖3 不同結構的纖維無紡結構（a）[30]；核殼結構（b）[33]；中空結構（c）[34]和取向纖維（d）[37]
圖10 在第9天，在（A）P5，（B）P5C0.5，（C）P5C1和（D）P5C2納米纖維上培養PC12細胞表達的NF200[45]
形狀記憶聚合物微納米纖維膜在生物醫學中的應用進展相應文章發表于《中國科學：技術科學》雜志上，相信這篇綜述對相關領域的研究者具有重要的參考價值。
全文連接：
https://doi.org/10.1360/N092018-00126
來源：高分子科學前沿
展開 Rev.》綜述：結構動態水凝膠及其生物醫學應用 – 追求宏觀穩定性與微觀動態性之間的良好平衡
本文總結了動態水凝膠設計與制備方式的最新進展，包括從降解依賴性策略到降解非依賴性策略的發展、不同凝膠體系的特性及其在生物醫學領域的應用，并在此基礎上討論了動態水凝膠研發與應用中尚存的挑戰與新趨勢。
首先，軟組織ECM的微觀動態性是細胞鋪展、遷移、增殖、分化等正常生命活動的基礎。在人體中，包括腦、肝臟在內的許多重要器官與組織在力學上都表現出應力松弛、蠕變等動態特性。從微觀角度來看，不同聚合物鏈之間可逆相互作用的瞬時破壞與重建通常被認為是ECM重組和產生粘彈性行為的物質基礎。ECM這些微觀結構的動態性質對所包含細胞的增殖、遷移、分化、發育等各項細胞行為有重要的調控作用。因此，利用動態水凝膠中重現這種動態微觀結構對于模擬 ECM的功能至關重要。同時，很多軟組織（如軟骨、皮膚、韌帶等）的ECM都具有非常優良的力學性質，可以承擔高強度的反復生物力學載荷。從水凝膠功能的角度來講，動態水凝膠在體外培養或植入體內后，需要在一定時間內保持整體結構的穩定性及一定的力學強度以維持其特定功能。材料的宏觀整體穩定性與微觀結構動態性這一對看似矛盾的特性卻在軟骨、皮膚等軟組織的天然ECM中同時得到了完美的呈現。因此，這也是以生物醫學應用為導向的動態水凝膠仿生設計的重要目標。此外，動態水凝膠應具有明確定義的化學成分，以提供穩定、可重現的性質。為確保水凝膠的安全應用，相應成分應具有最小的細胞毒性和良好的生物相容性。此外，為應對轉化應用的需求，動態水凝膠制備的成本、效益、以及規模化生產的可行性亦應該得到考慮。
近年來，隨著對水凝膠動態行為分子機制的不斷了解，研究者們開發了許多有前途的方法來制造水凝膠并調節其動態特性，例如，通過調整聚合物結構或交聯方法。根據水凝膠動態性的來源不同，這些方法可以分為兩大類：降解依賴性策略以及降解非依賴性策略。
展開 仿真技術在生物醫學領域的應用
有限元法是研究人體組織損傷機理的重要方法，由于人體組織結構的復雜性，如何建立高生物仿真度的有限元模型以及如何解決數值模擬中的高度非線性、流固耦合問題是仿真技術在生物醫學領域應用需要解決的關鍵問題。
此外，生物力學仿真分析涉及到的軟件包括:逆向處理軟件：Imageware，Mimics，Geomagic等；網格劃分軟件：Ansa，Hypermesh等；有限元分析軟件：Ansys，Abaqus，Fluent等。
全反射X射線熒光分析在生物醫學中的應用
介紹了利用北京同步輻射實驗室的全反射ｘ射線熒光譜儀測量生物細胞 樣品的可行性．并用此譜儀測量了正常的和受輻照的小白鼠小腸細胞的痕量元 素含量，發現Ｋ、Ｃａ、Ｆｅ等元素含量有明顯的提高，Ｃｕ元素含量明顯降低，Ｍｎ元 素含量變化不大，ｚｎ元素含量基本穩定，并討論了其在臨床醫學上的重要價值．
全反射X射線熒光分析在生物醫學中的應用.pdf
COMSOL在生物醫學數值模擬中的應用
目前，計算機仿真模擬方法已經被廣泛應用于生物醫學的各個領域，它替代了大部分的實驗研究，不但幫助科研人員大大的節省了實驗研究所需的時間和經費，而且在一定程度上解決了生物醫學（尤其是醫學實驗）材料數量嚴重不足的情況。
COMSOL Multiphysics作為全球第一款真正的多物理場耦合分析軟件，被廣泛適用于生物醫學研究的各個領域。由于其具有多場問題全耦合分析的強大功能，能夠幫助科研人員得到更精確地模擬結果。COMSOL軟件在生物醫學領域的應用主要集中在以下幾個方面：
一、 生物力學
生物力學是應用力學原理和方法對生物體中的力學問題定量研究的生物物理學分支。其基礎是能量守恒、動量定律、質量守恒三定律并加上描寫物性的本構方程。生物力學研究的重點是與生理學、醫學有關的力學問題。依研究對象的不同可分為生物流體力學、生物固體力學和運動生物力學等。
1、血管血流問題模擬
血液在血管中的流動情況模擬
血流引起的血管變形情況的模擬
模擬動脈粥樣硬化斑塊與血流間的相互影響情況
2、骨骼模擬
脊椎關節所受表面應力的模擬
Von Mises應力分布
3、其它
腦室擴張術過程中腦室的彈性模型
二、圖像處理
心臟周圍的電勢分布情況模擬
利用COMSOL進行醫學圖像的配準
前列腺的連續波射線斷層光學擴散的影像再現
三、電磁與微波領域
由國內外目前研究結果可見微波治療疾病主要是通過熱效應和生物效應來實現的。用微波治療腫瘤的方式有二種，一種是微波從體外照射進去，另一種是把微波送到患部直接照射腫瘤，這二種治療方式可根據病變部位來選擇。
展開 Sci.》綜述:層狀高分子刷設計及其生物醫學應用研究新進展
Interfaces, 2020, 12: 425761），總結了近年來層狀高分子刷的最新研究進展，尤其在層狀高分子刷體系的創新設計、功能拓展、性能優化及其生物醫學應用方面進行了系統綜述與展望。
圖1. 層狀高分子刷的典型結構及優勢
高分子刷接枝是一類重要的表面改性技術。其中層狀高分子刷將不同性質接枝鏈段分布在不同空間層中，是一類具有層次化結構特征的獨特高分子刷體系。該綜述系統地比較了構建層狀高分子刷的可控活性聚合技術，評述了典型的雙層結構及其表征方法。層狀高分子刷呈現的精細結構及獨特的性能，可實現多功能的集成和協同、性能的提升以及刺激響應轉變等特點，在抗菌、生物傳感、再生醫學、腫瘤診斷和治療等生物醫學領域得到了重要應用。
圖2. 層狀高分子刷表面在生物醫用領域應用
為了快速拓展層狀高分子刷在生物醫用領域應用，該綜述最后強調應加強如下四個方面的研究工作。（1）創新并簡化層狀刷構建技術，重點解決接枝密度低、接枝層厚度薄和、接枝條件苛刻等問題；（2）推進雙層刷原位表征技術，提高其空間表征的可行性及準確性；（3）加強在交聯、支化、瓶狀刷和水凝膠等特殊結構的雙層高分子刷的研究，加深對分層刷的理論探索和理解；（4）巧妙協同各層高分子刷功能，拓展層狀高分子刷的功能與應用，挖掘其獨特性質。
展開 切削仿真技術在生物醫學領域的應用
切削仿真技術源于金屬切削領域，但實際上該技術不僅可以服務于切削加工領域，而且可以服務于汽車制造、農業開采以及油田鉆井等行業，今天我們對切削仿真技術在生物醫學領域的應用做一個簡單的介紹，希望能對大家有所啟示。
眾所周知，在進行組織切削的外科手術時，必須要保證其達到理想的精度。所以，我們在進行外科手術的工具開發和分析中，細致的建模尤為重要。本文主要對軟組織和骨骼切削這兩大類常見的建模問題進行了總結，同時以切削力、切屑形態、切削溫度等物理量作為評價標準對切削過程進行分析。
由于骨骼具有各向異性、準脆性和不均勻性的特點，所以它的切削加工過程是一個相對復雜的過程，同時這些特點會增加對切削力預測以及刀具優化的難度。隨著金屬切削技術的發展，相關專家使用解析或模擬方法對骨骼切削進行了探索，并且已經取得一定的成果。
以下是骨骼切削的解析模型。
圖.1銑刀 （a）骨加工工具，（b）工具和切削力的示意圖；（c）正交切削（d）斜切削
在脆性斷裂、延性破壞的過程中，單一的數學模型很難全面的預測切削過程中的各物理量變化。同時，隨著計算機技術的發展，人們開始采用計算仿真的方法來模擬骨骼切削過程。以下是用有限元分析軟件得到的仿真模型。
圖.2 由各向同性模型獲得的切屑形態以及包括縱向、橫向界面的各向幾何模型。
圖.3 骨骼鉆削的熱固耦合有限元模擬（a）網格劃分（b）溫度分布
雖然有限元分析在切削仿真中得到了廣泛的應用，但是有限元分析模型經常會遇到單元過度變形和元件穿透等問題。
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FRED在生物醫學的應用（二）
通過展示幾個熟悉而創新的應用，如前房角鏡、毛細管中的激光誘導熒光和人類皮膚模型，FRED和生物醫療產業的相關性能得到最好的表達。
激光誘導熒光-毛細管電泳
毛細管電泳是一個在遺傳分析和蛋白質表征中使用的技術。準直激光束聚焦到一個玻璃毛細管柱上，其中物質在一個電勢的作用下流動。當粒子通過受照射的區域，它們發出具有特征光譜的熒光。
在圖1中，代表一個紫外激光束的準直光線集通過物鏡聚焦到一個充滿液體的玻璃毛細管中。通過反射沒被使用的光重新回到毛細管中，右上角的反射鏡擴大了受照明的體積。較大的照明體積增大了熒光信號。垂直于照明路徑的導向光學器件采集熒光來進行分析。
圖1.毛細管電泳系統中采集光學器件FRED模型
FRED可以通過其散射庫一個專門的功能實現熒光現象。通過在概率統計方面演繹發射曲線，可以創建腳本化散射模型來重新指定光線波長。在本例中，將會使用一個廣泛使用的有機染料-羅丹明6G。使用FRED數字化工具采樣發射光譜，并將結果放置在腳本化散射模型中。
為了節省仿真時間，只有到達探測器的散射光線才應該被追跡。FRED中的重要采樣特性就提供這個功能。要設置它，用戶需要選擇模型中的熒光實體，并點擊散射標簽。指定好熒光的腳本化散射屬性到該元件后，將“Scatter Direction Region(s) of interest” 設置為 “Toward an Entity”，此時探測器表面作為選中目標。
完成仿真的圖示如圖7所示。紫色代表照明路徑，橙色代表熒光路徑。
圖2.具有照明和熒光路徑的毛細管電泳仿真
展開 FRED在生物醫學的應用（一）
然而Photon Engineering公司堅信其光學工程軟件產品FRED，可以幫助并加快創新的步伐，使生物醫學界的成員，更能直接、充分地參與這一進步的過程。FRED結合人機界面(GUI)，可任意建構幾何圖形，并可直接由此接口中獲得其對象外觀，并擁有可滿足此一精密設計需求的強大計算引擎之能力。而最能表達呈現FRED與生物醫藥產業相關性的幾個熟悉但創新的應用范例：諸如前房視鏡、激光誘導熒光毛細管、以及人體皮膚模型。
生醫光學組件 范例 1：前房角鏡
在診斷和治療青光眼的過程中，能否監測虹膜和角膜角度是一個關鍵因素。要量測這個虹膜和角膜內表面的夾角，必須使用前房角鏡，通由眼睛的入口處，照亮這些表面，并且能高效率的收集返回的光線。
一個精確的人眼模型，是進行前房角鏡模擬運算中不可或缺的組件。以下圖1所顯示的是以FRED建構的人眼前庭部份的構造。此一特定的人眼模型，是根據Smith & Atchison以及Schwiergling所提出的人眼參考模型。此人眼模型的材料性質，則取材自Tuchin。而所有眼睛的主要組件，也都包含于此模型中，包括：角膜的前方和后方表面、虹膜、晶狀體和水漾液。數種完整的人眼模型可于FRED安裝后目錄的范例數據夾下獲得。
如果有需要對人眼模型的組件進行修改一完整的多參數匯集的輸入對話窗口能給予使用者有效的定義其特性，如圖2 所示。
使用者可以直接在FRED人機化界面中存取曲率、孔徑、微調、定位、材質，散射，鍍膜與中心位置上可視化的對象特性。
圖1. LED 模型：人眼的前房部位
圖2. FRED的表面特性對話窗口
在人眼模型能使用的情況下，下一步將要建構前房角鏡頭的模擬。
展開 Mimics在醫學測量中的應用
二維測量
三維測量
骨科測量
血管外科測量
集成多組學數據的機器學習在生物醫學中的應用
高維組學數據的預處理框架
常用數據預處理方法：缺失值填補，標準化，歸一化，對數轉化
常用的降維方法，PCA，tSNE等
數據探索分析（EDA）
2 案例實踐教學二：利用Python讀取組學CSV數據并進行數據探索可視化分析（Exploratory data analysis,EDA）
經典機器學習模型及多組學應用
目標：對在多組學整合分析中最常使用的幾種機器學習模型進行介紹，總結它們的優缺點及適用范圍，通過動手實踐快速掌握幾種方法
線性模型（線性回歸、梯度下降、正則化、回歸的評價指標）
決策樹（決策樹原理、ID3算法、C4.5算法、CART算法）
支持向量機（線性支持向量機、可分、不可分支持向量機）
集成學習（AdaBoost和GBDT算法、XGBoost算法、LightGBM算法）
模型選擇與性能優化（數據清洗、特征工程、數據建模）
Scikit-learn機器學習庫的使用
2 案例實踐三：基于轉錄組學數據進行端到端的機器學習項目泛癌預測（數據預處理，數據建模，模型評估）
2 案例實踐四：基于蛋白組學-代謝組學在COVID-19中生物標志物的發現
深度學習在組學數據的應用 (入門及實踐)
目標：隨著高通量組學平臺的發展，生物醫學研究大多采取了多組學技術結合的方法，不同組學來源（如轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學）的數據可以通過基于深度學習的預測算法進行整合，以揭示系統生物學的復雜工作。在這一部分我們會重點對基于深度學習的神經網絡進行系統的講解，學習常見的神經網絡架構在多組學分析的應用。
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