生物领域知识激励的创新设计理论与方法研究

本项目围绕生物激励设计中的三个科学问题：创新源泉问题、双向类推问题和创新机制问题，研究了生物激励设计中关键技术：生物领域功能知识建模、生物领域-工程领域的知识类推、生物激励设计的创新机制。并在此基础上，提出了生物领域知识激励的创新设计理论与方法。 理论研究方面，一、针对生物激励设计的创新源泉问题，研究了生物领域的功能知识建模方法，包括：生物领域的功能知识元建模方法、生物领域的知识元耦合建模方法和生物领域与工程领域的关联建模方法，从而实现了生物领域与工程领域的一致性知识建模；二、针对生物激励设计的双向类推问题，研究了问题/解/混合驱动的生物-工程领域的知识类推方法，包括：解驱动的生物-工程领域的知识类推方法、问题驱动的生物-工程领域的知识类推方法和解/问题混合驱动的生物-工程领域的知识类推方法，实现了生物领域与工程领域之间的双向类推；三、针对生物激励设计的创新机制问题，研究了三种不同驱动模式下生物激励创新机制，包括：解驱动模式下基于知识融合的创新、问题驱动模式下基于Bio-TRIZ的创新和解/问题驱动模式下基于螺旋的创新，实现了生物激励的产品创新设计。 应用验证方面，根据理论研究成果，开发了生物激励设计原型系统，并把理论方法在制冷领域、汽车领域、航天领域和生机电领域产品开发中，协助企业设计了新型冷却管网散热器装置、新型汽车被动安全装置、新型发动机试验台通断装置和新型人工视觉假体视觉采集装置。 本项目相关研究成果包括发表国际期刊SCI论文17篇、EI论文7篇，国际会议论文4篇，授权发明专利5项，申请发明专利7项，获得软件著作权7项，培养博士生5名，硕士生3名，并参加了ASME、IEEE、ICED、ICDC等工程设计领域国际知名会议，进行了学术交流。本项目的研究初步实现了生物激励的产品创新设计，对于构建生物激励设计理论，提高工程领域的产品创新设计能力，具有重要的理论研究价值和实际意义。 2100433B

大自然是人类创新的源泉，生物激励设计（Biologically inspired design）可有效实现基于生物知识的工程领域的创新。本项目围绕生物激励设计中的三个科学问题：创新源泉问题、双向类推问题和创新机制问题，提出生物领域知识激励的创新设计理论与方法。研究生物领域功能知识元建模及耦合建模、生物与工程领域的关联建模方法；研究解驱动、问题驱动和混合驱动的生物领域-工程领域的类推方法；研究基于知识融合方法、Bio-TRIZ方法、设计螺旋方法的解驱动、问题驱动和混合驱动的生物激励设计的创新机制。建立具有典型范例的生物领域知识元模型库，开发生物激励设计软件系统工具集，以人造肌肉（解驱动）、汽车被动安全装置和航天**装置（问题驱动）、视觉假体和肌电假肢（混合驱动）三类典型产品设计为对象进行应用验证。本项目的实施，对于构建生物激励设计理论，提高工程领域的产品创新设计能力具有重要的理论与现实意义。

近几十年来生物电化学发展非常迅速 ，其研究分别在分子、细胞和生物组织等三个不同层次上进行。目前的研究领域主要有以下几个方面：

1.生物膜与生物界面模拟研究

主要研究膜的电化学热力学性质、物质的跨膜传输和生物电的传递等现象。

(1)SAM膜模拟生物膜的电化学研究

SAM是基于长链有机分子在基底材料表面的强烈化学结合和有机分子链间相互作用自发吸附在固/液或气/固界面,形成的热力学稳定、能量最低的有序膜。在单分子层中分子定向、有序、紧密地排列在一起,并且膜的结构和性质可以通过改变分子的头基、尾基以及链的类型和长度来调节。因此，SAM成为研究各种复杂界面现象，如膜的渗透性、摩擦、磨损、湿润、粘结、腐蚀、生物发酵、表面电荷分布以及电子转移理论的理想模型体系。有关SAM的电化学主要是用电化学方法研究SAM的绝对覆盖量、缺陷分布、厚度、离子通透性、表面电势分布、电子转移等。利用SAM可研究溶液中的氧化还原物种与电极间的跨膜(跨SAM)电子转移,以及电活性SAM本身与电极间的电子转移。在膜电化学中，硫醇类化合物在金电极表面形成的SAM是最典型的和研究最多的体系。因为长链硫醇类化合物在分子尺寸、组织模型和膜的自然形成三方面很类似于天然的生物双层膜，同时它具有分子识别功能和选择性响应,且稳定性高。所以硫醇类化合物在金电极上形成的SAM对仿生研究有重要意义。例如可用SAM表面分子的选择性来研究蛋白质的吸附作用；以烷基硫醇化合物在金上的SAM膜为基体研究氧化还原蛋白质中电子的长程和界面转移机制等；在硫醇SAM上沉积磷脂可较容易地构造双层磷脂膜，以SAM来模拟双层磷脂膜的准生物环境和酶的固定化使酶进行直接电子转移已在生物传感器的研究中得到应用。如以胱氨酸或半胱氨酸为SAM,通过缩合反应键合上媒介体(如TCNQ、二茂铁、醌类等)和酶可构成测葡萄糖、谷胱甘肽、胆红素、苹果酸等的多种生物传感器。

(2)　液/液界面模拟生物膜的电化学研究

所谓液/液(L/L)界面是指在两种互不相溶的电解质溶液之间形成的界面,又称为油/水(O/W)界面。有关L/L界面电化学的研究范围很广,包括L/L界面双电层、L/L界面上的电荷转移机理及动力学、生物膜模拟、以及电化学分析应用等。L/L界面可以看作与周围电解质接触的半个生物膜模型。生物膜是一种极性端分别朝细胞内和细胞外水溶液的磷脂自组装结构,磷脂的亲脂链形成像油一样的膜内层。因此,从某种意义上来说,吸附着磷脂单分子层的L/L界面非常接近于生物膜/水溶液界面。磷脂是非常理想的实验材料,它能很好地吸附在L/L界面上。电荷或电势和磷脂单分子层表面张力之间的偶联作用被认为是细胞和细胞中类脂质运动的基本驱动力。可见,L/L界面生物电化学是一很有生命力的研究领域,将继续受到人们的广泛重视。

生物细胞膜是一种特殊类型的半透膜。

细胞膜对K Cl-Na 等离子的通透性也不相同。

细胞膜内外的K Cl-Na 等离子的浓度不同，因此产生的膜电势称为(细胞)生物膜电势。

不同的电流通过动物细胞膜，死的细胞和活的细胞的表现不同。

2.生物电化应用技术

由于生命现象与电化学过程密切相关,因此电化学方法在生命科学中得到广泛应用，主要有：电脉冲基因直接导入、电场加速作物生长、癌症的电化学疗法、电化学控制药物释放、在体研究的电化学方法、生物分子的电化学行为、血栓和心血管疾病的电化学研究、骨骼的电生长、心电图和脑电图的研究、生物电池等。

电脉冲基因直接导入是基于带负电的质粒DNA或基因片断在高压脉冲电场的作用下被加速“射”向受体细胞,同时在电场作用下细胞膜的渗透率增加(介电击穿效应),使基因能顺利导入受体细胞。由于细胞膜的电击穿的可逆性,除去电场,细胞膜及其所有的功能都能恢复。此法已在分子生物学中得到应用。细胞转化效率高，可达每微克DNA1010个转化体,是用化学方法制备的感受态细胞的转化率的10～20倍。

电场加速作物生长是很新的研究课题。Matsuzaki等报道过玉米和大豆苗在含0.5mmol/l K2SO4培养液中培养,同时加上20Hz,3V或4V(峰 峰)的电脉冲，6天后与对照组相比，秧苗根须发达，生长明显加速。其原因可能是电场激励了生长代谢的离子泵作用。

癌症的电化学疗法是瑞典放射医学家Nordenstrom开创的治疗癌症的新方法。其原理是:在直流电场作用下，引起癌灶内一系列生化变化,使其组织代谢发生紊乱，蛋白质变性、沉淀坏死，导致癌细胞破灭。一般是将铂电极正极置于癌灶中心部位，周围扎上1～5根铂电极作负极，加上6～10V的电压，控制电流为30～100mA，治疗时间2～6小时，电量为每厘米直径癌灶100～150库仑。此疗法已推广用于肝癌、皮肤癌等的治疗。对体表肿瘤的治疗尤为简便、有效。

控制药物释放技术是指在一定时间内控制药物的释放速度、释放地点，以获得最佳药效，同时缓慢释放有利于降低药物毒性。电化学控制药物释放是一种新的释放药物的方法，这种方法是把药物分子或离子结合到聚合物载体上，使聚合物载体固定在电极表面，构成化学修饰电极，再通过控制电极的氧化还原过程使药物分子或离子释放到溶液中。药物在载体聚合物上的负载方式分为共价键合型和离子键合型负载两类。共价键合负载是通过化学合成将药物分子以共价键方式键合到聚合物骨架上，然后利用涂层法将聚合物固定在固体电极表面形成聚合物膜修饰电极，在氧化或还原过程中药物分子与聚合物之间的共价键断裂，使得药物分子从膜中释放出来。离子键合负载是利用电活性导电聚合物如聚吡咯、聚苯胺等在氧化或还原过程中伴随有作为平衡离子的对离子的嵌入将药物离子负载到聚合物膜中，再通过还原或氧化使药物离子从膜中释放出来。

在体研究是生理学研究的重要方法，其目的在于从整体水平上认识细胞、组织、器官的功能机制及其生理活动规律。由于一些神经活性物质(神经递质)具有电化学活性,因此电化学方法首先被用于脑神经系统的在体研究。当采用微电极插入动物脑内进行活体伏安法测定获得成功后，立即引起了人们的极大兴趣。该技术经过不断的改善,被公认为在正常生理状态下跟踪监测动物大脑神经活动最有效的方法。通常可检测的神经递质有多巴胺、去甲肾上腺素、5-羟色胺及其代谢产物。微电极伏安法成为连续监测进入细胞间液中原生性神经递质的有力工具。在体研究一般采用快速循环伏安法(每秒上千伏)和快速计时安培法。快速循环伏安法还被用于研究单个神经细胞神经递质释放的研究,发展成为所谓的“细胞电化学”。

生物分子的电化学行为的研究是生物电化学的一个基础研究领域,其研究目的在于获取生物分子氧化还原电子转移反应的机理,以及生物分子电催化反应机理,为正确了解生物活性分子的生物功能提供基础数据。所研究的生物分子包括小分子如氨基酸、生物碱、辅酶、糖类等和生物大分子如氧化还原蛋白、RNA、DNA、多糖等。

3.电化学生物传感器和生物分子器件 传感器与通信系统和计算机共同构成现代信息处理系统。传感器相当于人的感官,是计算机与自然界及社会的接口,是为计算机提供信息的工具。

传感器通常由敏感(识别)元件、转换元件、电子线路及相应结构附件组成。生物传感器是指用固定化的生物体成分(酶、抗原、抗体、激素等)或生物体本身(细胞、细胞器、组织等)作为感元件的传感器。电化学生物传感器则是指由生物材料作为敏感元件，电极(固体电极、离子选择性电极、气敏电极等)作为转换元件，以电势或电流为特征检测信号的传感器。由于使用生物材料作为传感器的敏感元件，所以电化学生物传感器具有高度选择性，是快速、直接获取复杂体系组成信息的理想分析工具。一些研究成果已在生物技术、食品工业、临床检测、医药工业、生物医学、环境分析等领域获得实际应用。

根据敏感元件所用生物材料的不同，电化学生物传感器分为酶电极传感器、微生物电极传感器、电化学免疫传感器、组织电极与细胞器电极传感器、电化学DNA传感器等。

(1)酶电极传感器

以葡萄糖氧化酶(GOD)电极为例简述其工作原理。在GOD的催化下，葡萄糖(C6H12O6)被氧氧化生成葡萄糖酸(C6H12O6)和过氧化氢。根据上述反应,显然可通过氧电极(测氧的消耗)、过氧化氢电极(测H2O2的产生)和PH电极(测酸度变化)来间接测定葡萄糖的含量。因此只要将GOD固定在上述电极表面即可构成测葡萄糖的GOD传感器。这便是所谓的第一代酶电极传感器。这种传感器由于是间接测定法,故干扰因素较多。第二代酶电极传感器是采用氧化还原电子媒介体在酶的氧化还原活性中心与电极之间传递电子。第二代酶电极传感器可不受测定体系的限制,测量浓度线性范围较宽,干扰少。现在不少研究者又在努力发展第三代酶电极传感器,即酶的氧化还原活性中心直接和电极表面交换电子的酶电极传感器。

目前已有的商品酶电极传感器包括:GOD电极传感器、L-乳酸单氧化酶电极传感器、尿酸酶电极传感器等。 (2)微生物电极传感器

将微生物(常用的主要是细菌和酵母菌)作为敏感材料固定在电极表面构成的电化学生物传感器称为微生物电极传感器。其工作原理大致可分为三种类型：其一，利用微生物体内含有的酶(单一酶或复合酶)系来识别分子，这种类型与酶电极类似；其二，利用微生物对有机物的同化作用，通过检测其呼吸活性(摄氧量)的提高，即通过氧电极测量体系中氧的减少间接测定有机物的浓度；其三，通过测定电极敏感的代谢产物间接测定一些能被厌氧微生物所同化的有机物。

微生物电极传感器在发酵工业、食品检验、医疗卫生等领域都有应用。例如；在食品发酵过程中测定葡萄糖的佛鲁奥森假单胞菌电极；测定甲烷的鞭毛甲基单胞菌电极；测定抗生素头孢菌素的Citrobacterfreudii菌电极等等。微生物电极传感器由于价廉、使用寿命长而具有很好的应用前景,然而它的选择性和长期稳定性等还有待进一步提高。

(3)电化学免疫传感器

抗体对相应抗原具有唯一性识别和结合功能。电化学免疫传感器就是利用这种识别和结合功能将抗体或抗原和电极组合而成的检测装置。电化学免疫传感器从结构上可分为直接型和间接型两类。直接型的特点是在抗体与其相应抗原识别结合的同时将其免疫反应的信息直接转变成电信号。这类传感器在结构上可进一步分为结合型和分离型两种。前者是将抗体或抗原直接固定在电极表面上，传感器与相应的抗体或抗原发生结合的同时产生电势改变；后者是用抗体或抗原制作抗体膜或抗原膜，当其与相应的配基反应时，膜电势发生变化，测定膜电势的电极与膜是分开的。间接型的特点是将抗原和抗体结合的信息转变成另一种中间信息,然后再把这个中间信息转变成电信号。这类传感器在结构上也可进一步分为两种类型：结合型和分离型。前者是将抗体或抗原固定在电极上；而后者抗体或抗原和电极是完全分开的。间接型电化学免疫传感器通常是采用酶或其他电活性化合物进行标记，将被测抗体或抗原的浓度信息加以化学放大，从而达到极高的灵敏度。

电化学免疫传感器的例子有：诊断早期妊娠的HCG免疫传感器；诊断原发性肝癌的甲胎蛋白(AFP)免疫传感器；测定人血清蛋白(HSA)免疫传感器；还有IgG免疫传感器、胰岛素免疫传感器等等。

(4)组织电极与细胞器电极传感器

直接采用动植物组织薄片作为敏感元件的电化学传感器称组织电极传感器，其原理是利用动植物组织中的酶，优点是酶活性及其稳定性均比离析酶高，材料易于获取，制备简单，使用寿命长等。但在选择性、灵敏度、响应时间等方面还存在不足。

动物组织电极主要有：肾组织电极、肝组织电极、肠组织电极、肌肉组织电极、胸腺组织电极等。 植物组织电极敏感元件的选材范围很广，包括不同植物的根、茎、叶、花、果等。植物组织电极制备比动物组织电极更简单，成本更低并易于保存。 细胞器电极传感器是利用动植物细胞器作为敏感元件的传感器。细胞器是指存在于细胞内的被膜包围起来的微小“器官”，如线粒体、微粒体、溶酶体、过氧化氢体、叶绿体、氢化酶颗粒、磁粒体等等。其原理是利用细胞器内所含的酶(往往是多酶体系)。

(5)电化学DNA传感器

电化学DNA传感器是近几年迅速发展起来的一种全新思想的生物传感器。其用途是检测基因及一些能与DNA发生特殊相互作用的物质。电化学DNA传感器是利用单链DNA(ssDNA)或基因探针作为敏感元件固定在固体电极表面，加上识别杂交信息的电活性指示剂(称为杂交指示剂)共同构成的检测特定基因的装置。其工作原理是利用固定在电极表面的某一特定序列的ssDNA与溶液中的同源序列的特异识别作用(分子杂交)形成双链DNA(dsDNA)(电极表面性质改变)，同时借助一能识ssDNA和dsDNA的杂交指示剂的电流响应信号的改变来达到检测基因的目的。

4.生物能学和代谢过程

包括酶催化的氧化还原反应的力能学、线粒体呼吸链、光氧化还原反应和光合作用。光合作用作为整个过程，包括了吸收光子后的电子激发过程、膜电位的产生、电子和质子的转移过程，以及随后的一系列代谢反应。

生物电化学研究手段目前除了采用传统的电化学方法外，电化学紫外可见光谱、电化学现场红外光谱、电化学现场拉曼光谱、X射线衍射、扫描探针技术、电化学石英晶体微天平等方法得到广泛应用。

生物材料敏感元件 电极转换元件

例如：酶电极传感器

以葡萄糖氧化酶(GOD)电极为例

其工作原理为:在GOD的催化下，葡萄糖(C6H12O6)

被氧氧化，生成葡萄糖酸(C6H12O7)和过氧化氢。

反应式

根据上述反应,可以通过测量氧的消耗(氧电极),或者过氧化氢的产生(过氧化氢电极)等,间接测量葡萄糖的含量。

这就是所谓的第一代酶电极传感器，目前种类很多，包括用于检测司机是否饮酒的。乙醇氧化酶电极传感器。

专利技术：将乙醇氧化酶电极传感器与汽车的点火装置相连

细胞膜水通道，以及离子通道结构和机理 2003年的NOBEL化学奖介绍

彼得·阿格雷：美国科学家。1949年生于美国明尼苏达州小城诺斯菲尔德，1974年在巴尔的摩约翰斯·霍普金斯大学医学院获医学博士学位，现为该学院生物化学教授和医学教授。 罗德里克·麦金农：美国科学家。1956年出生，在美国波士顿附近的小镇伯灵顿长大，1982年在塔夫茨医学院获医学博士学位，现为洛克菲勒大学分子神经生物学和生物物理学教授。

生物电化学

科学贡献

他们发现了细胞膜水通道，以及对离子通道结构和机理研究作出了开创性贡献。这是个重大发现，开启了细菌、植物和哺乳动物水通道的生物化学、生理学和遗传学研究之门。

对生活的影响

水溶液占人体重量的70%。生物体内的水溶液主要由水分子和各种离子组成。它们在细胞膜通道中的进进出出可以实现细胞的很多功能。水分子是如何进出人体的细胞的？了解这一机理将极大地帮助人们更好地认识许多疾病，比如心脏病、神经系统疾病等。他们的发现阐明了盐分和水如何进出组成活体的细胞。比如，肾脏怎么从原尿中重新吸收水分，以及电信号怎么在细胞中产生并传递等等，这对人类探索肾脏、心脏、肌肉和神经系统等方面的诸多疾病具有极其重要的意义。

实际上，早在十九世纪中期，人们就猜想人体细胞一定存在用以传输水分的特别的通道。然而，直到1988年，才由阿格雷在分离一种膜蛋白上获得成功，约一年后，他明白了这个蛋白一定就是长期以来所寻求的水通道。这一决定性的发现打开了通向细菌、植物及哺乳动物体内水通道的生物化学、生理学以及遗传学等完整的系列研究之门。今天，学者们详知水分子通过细胞膜的方式并了解为何只有水分子能穿过而不是其他更小的分子或离子。

现代生物化学在求解生命过程的基本原理方面已经深入到了原子的水平。 另一种类型的膜通道是离子通道。离子通道在神经和肌肉应激系统中具有重要意义。当位于神经细胞表面的离子通道在来自邻近的神经细胞的化学信号的作用下而开启时，会产生一种被称为神经细胞电压的作用，于是，一种电脉冲信号就会通过在数毫秒之内开启和关闭的离子通道而沿着神经细胞的表面传递。麦金农在1998年确定了钾离子通道的空间结构(高分辨率电子显微镜)而使整个学术界震惊。这项贡献，使我们现在知道离子可以通过由不同的细胞信号控制其开启和关闭的通道而流动。

知识信息处理的过程及有关技术.“知识工程”这个术语是由美国斯坦福大学的费根鲍姆(Feigenbaum，E.A.)在1977年于麻省理工学院召开的人工智能国际会议上提出的.它是从人工智能派生出来的一个研究领域.知识工程的研究促进了人工智能从单纯的理论研究走向实用化，并向计算机科学以及其他学科的许多研究领域中渗透，所以有时又把知识工程称为应用人工智能。

知识工程把有关知识库系统、专家系统等的构造技术作为主要课题.其研究的主要领域包括以下三个方面：

1.知识获取.研究知识处理系统如何从系统外部获得知识、充实知识库，包括对外部的数据进行知识化.

2.知识表示.研究怎样对知识进行形式化地描述，以便让计算机能合理地存贮和使用知识.

3.知识使用.研究在知识处理系统中应如何组织和利用知识，使用怎样的推理方法，以达到所希望的目标.

本课组主要研究领域涉及微生物酶学、固态发酵理论研究、海洋天然产物研究和环境生物工程研究四大领域。自1995年以来，课题组先后承担国家、省、市科研项目25项，其中教育部留学回国人员科研启动基金1项，“海洋863课题—从海洋微生物发现活性先导化合物”子课题1项；中科院实验海洋生物学重点开放室项目1项；德国BMBF（科学教育部）重点项目“海洋功能性物质研究”子课题1项；安徽省优秀青年基金1项，安徽省自然科学基金项目4项；安徽省教育厅自然科学基金项目4项；安徽省重点攻关项目1项目；安徽省科技厅重点科研项目1项；安徽省国际科技合作项目1项，合肥市重点攻关项目1项；校级科研项目多项。在微生物酶的研究方面，本课组研制了微生物木聚糖酶、淀粉酶、几丁质酶和脂肪酶、岩藻多糖酶、β-葡聚糖酶等酶制剂，在酶制剂研究方面已积累了大量经验，已获得了2项专利，成功筛选了具有工业应用前景的木聚糖酶高产菌株，并成功地生产出了粗制酶粉、冻干酶粉和液体酶制剂。酶制剂生产及寡木糖生产工艺处于技术转让阶段。共培养研究生11名，其中3人已毕业（与德国哥廷根应用科学大学联合培养研究生2名，与兰州大学、中科院海洋所合作培养研究生1名），与合肥工业大学、安徽农业大学联合培养的7名研究生在读。