工程科学与技术

BE.0102005春季

第一讲讲义

工程科学与技术

本讲概要：

-工程科学与技术组成的讨论

-生物医学工程师的职业路径和行业

-过去和现在的工程学与生物学交叉点的比较

讲师简介

生化工程教授Douglas uffenburger是生物工程与环境卫生系的联执主任。他的研究方向包括分子细胞生物工程和生物与生理系统的计算模型的建立。

工程科学与技术

工程化产品的过程通常由三部分组成：分析，综合与设计。分析即对系统进行研究以了解其功能。综合是在分析的基础上进行系统的实际构建。上述两步均有助于实现工程化的最终目标，通常就是产品的最终设计。

在麻省理工学院，在特定的纯科学领域，存在许多不同的工程学科。如物理学的不同分支是土木工程、机械工程和电子工程的基础。同样的，化学的不同分支是化学工程、核工程和材料科学与工程的基础。工程学科从传统科学出发，并以其研究、创新从而最终实现设计。

定量工程范例概述了一个产品工程化的典型步骤。它确立一个研究方向和研究范围。设想首先实验于计算模型，再在现实生活中测试。对于每个独立部件，均进行性能评估，如果必要的话，还要进行改进。

生物/医药工程前景

目前MIT的化学工程、电子工程、机械工程、材料科学与工程和即将成立的生物工程系，建基于MIT一般研究院对生物学、化学、物理学和数学的科研要求上。这些专业的学生被授予必要的背景知识以进入生物学相关学科。一边是生物技术，通常应用于各行各业以及健康相关设备和医药品的发展；另一边是生物医学工程，通常用于医疗设备研发。生物工程就应用于这两者之间。

生物医学工程的传统职业领域

传统的生物医学工程的工作事实上并不需要很深的生物知识。由于很多这样那样的原因，很长一段时间以来，生物学并没有展开工程分析与工程综合设计研究。

本节介绍了一些工程师依靠在他们自己的学科内掌握的设计和实施技能来解决生物学问题的例子。直到最近，诊断特殊医疗情况下的成像技术的发展，主要还是靠物理学。体结

构替换物的设计，义肢的制造与安装以及用于修复和/或替换身体部件的设备的制造都建立在机械与材料科学的知识上。而医药的加工和流入到生物系统则基于化学。

工程学和生物学的新接口

通常认为，人类基因组计划是生物学中基因与分子革命的标志，它使我们能够识别人类身上所有的26,000个基因，并确定了许多个人序列。蛋白质中氨基酸和核酸中碱基对的测序推动了生物信息学的发展，其主要依赖于使用电脑来对序列的模式和相似性进行分析。随后对序列背后信息的认识导致建立一套完备的“零件清单”。细胞的分子组成，现在可以很容易检测和调控。

这些在生物学认识上的进展丰富了我们原有的专业知识，也促进了生物学和工程学交叉领域的发展。第一次，我们可以从不同的角度并以更大的细节关注来看待生物学。生物功能的运作现在可以理解为复杂的“生物分子机器”。生物功能的调控可以看作是复杂的“生物分子途径”。

下面的几个章节展示了如今生物工程诸多领域的一些知识和实践技能。

1、在过去，在航空服的设计中，通常只会考虑机械方面的特性如灵活性、耐用性和对外界环境变化的适应性。现在，生物工程将人体生理学知识纳入航空服的最终设计中。

2、类似航空服的设计，髋关节植入物的设计与植入先前仅仅是机械工程的一个分支。对髋关节的构造和活动进行研究以生产最好的金属替代品。今天，更多的重点放在对骨骼的组成和移植组织的适宜性上。

3、核磁共振成像技术依靠一种强大的磁场和低能量的无线电波提供人体骨骼影像，而不需直接对骨骼进行干预。

4、像MIT Langer实验室开发的控释药物传送，主要基于人体内酶的认识以及某种聚合物/药物能否被这些酶所降解。

5、影像导航手术系统更详细地记录手术过程，并允许医生查阅过去操作，以作比较和完善。

6、寻找一个理想的人工心脏替代物一直困扰着科学界。在过去，工程师致力于基于非生物材料的设计。他们经历了多次失败，因为人体复杂的生物系统以形成血凝块为信号排斥外源物质如金属、塑料和聚酯。今天，生物工程师正在研究以生物材料及可能的其他组织去设计人工心脏。

7、生物加工是准备生物材料的方法/程序，特别是商用的基因工程产品。

8、人们越来越重视环境生物修复，保证所有的化学过程必须环境友好。