生物材料发展前景范文

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关键词：生物医学工程；医疗器械产业；发展

【中图分类号】

R195 【文献标识码】B 【文章编号】1002-3763（2014）08-0294-01

1 前言

生物医学工程（Biomedical Engineering，BME）主要是指结合了化学、物理、数学、计算机与工程学原理，从事医学、生物学、卫生学以及行为学等方面的一种研究。生物医学工程作为一门新兴的边缘学科，其应用工程技术手段，可以有效的解决目前医学中的一些问题，从而为各类疾病的诊断、治疗与预防，保障人们的健康起到积极的作用。而医疗器械产业主要是指在疾病预防、诊断与治疗中所应用的电子医疗设备、内外科器械、离体诊断设备、牙科器械、整形设备以及医院供应品等等。生物医学工程与医疗器械属于医院诊治疾病中不可或缺的一部分内容，也是现代医药产业发展的两大支柱。基于生物医学工程与医疗器械产业的重要性，本文就以我国的生物医学工程与医疗器械产业作为研究方向，论述其发展现状，并对生物医学工程与医疗器械产业的发展前景展开探讨。

2 生物医学工程与医疗器械产业的发展现状

2.1 生物医学工程的发展现状：

生物医学工程专业作为一项研究方向诸多、内容复杂、要求极高的专业，其在我国的发展已经经历了36年，但是，我国生物医学工程较国外相比，其起步还是较晚，综合来看，其与国外的发展还是具有一定的距离。而从我国生物医学工程的发展现状来看，其对于人才的培养目标及研究成果，主要体现在以下几个方面：

⑴人才的培养。其一，培养能从事医疗设备管理、医疗器械质量控制与管理、医药市场营销、医学技术服务等方面的人才；其二，将生物医学工程专业将医学技术与工程技术相结合，并以此为目标来培养高级临床医学工程技术型人才；其三，培养出综合能力较强，能够从事生物医学工程研究、开发与生产的高级人才。⑵研究成果。我国生物医学工程目前的研究成果主要有：人工关节、人工晶体等功能性假体；人工心脏瓣膜、人工心脏起搏器等人工器官；不同规格、不同种类的电磁与激光治疗设备；超声成像、磁共振成像、X射线计算机断层扫描、生化分析仪等新型临床诊断与监护技术、监护设备等。

2.2 医疗器械产业的发展现状：

生物医学工程在我国的发展，不仅促进了临床疾病的诊治效果，还推动了医疗器械产业的发展，而当前我国医疗器械产业的发展情况，主要体现在如下几方面：⑴医疗器械工业现状。由于国外医疗器械对国内医疗器械市场造成的冲击，近年来，我国已开始重视对医疗器械的自主研制与创新。例如，在“十二五”规划中，特别强调了我国自产医疗器械的应用与普及、产品创新。并在着力突破高端装备大多引进国外的问题。力求实现高端主流装备、医用高值材料、核心部件等医疗器械的自主制造，以实现降低医疗费用、打破进口垄断的问题。⑵医疗器械营销现状。我国的医疗器械生产销售企业诸多，尤其是近年来，在科技的快速发展下，使得我国医疗器械的营销势态良好，例如婴儿培养箱、心电图机、高压氧舱、磁共振成像系统、体外诊断试剂、各种敷料及卫生材料等数千种大小不一，规格不一的医疗器械在全国各医院的应用是非常广泛的。⑶医疗器械技术现状。在科技的快速发展下，医疗器械的性能与质量也得到了不断升级。而我国各大小型医院，在先进性医疗技术的驱动下，所应用的医疗器械也在不断升级和完善，例如，基层医疗卫生机械对采色超声成像仪、生化分析仪、免疫分析仪、多参数监护仪、心电图设备、耗材等医疗器械的配置与升级。一些大型、综合性医院对实时三维彩色超声成像仪、全自动生化分析仪、64排螺旋CT等先进性医疗器械的应用。

3 生物医学工程与医疗器械产业的发展前景

3.1 生物医学工程的发展前景：

虽然生物医学工程在我国的发展比较迅速，但其与国外的发展相比，还是存在一定的差距，基于这种现象，我国对于生物医学工程的持续发展也十分重视。而在分析目前我国生物医学工程的发展情况与研究成果之后，笔者认为，我国今后生物医学工程的发展前景，将会体现在以下几方面：⑴纳米技术、介入性微创技术、激光技术以及植入型超微机器人，将是未来生物医学工程的研究重点。⑵生物型人工器官、生物机械结合型将会有新的突破，各种高质量的人工器官将会广泛应用于临床。⑶药物与材料相结合的新型给药装置或技术将得到有效发展。⑷所应用的各种诊疗仪器与装置，将会逐渐朝着远程医疗信息网络化、智能化的方向转变，其诊疗所用机器人会在临床上得到广泛的应用。

3.2 医疗器械产业的发展前景：

我国目前的医疗器械市场规模占医药总市场规模的14%，这也表现出我国的医疗器械产业虽然发展迅速，但与全球水平比还相差甚远，不过，这种现象也给投资者们看到了该领域更大的发展空间。在技术的不断升级下，国产高端医疗器械将会逐渐替代国外进口器械，随着机械器智能与生物智能技术的发展，我国在未来必将不断研发高科技医疗器械。此外，由于国民生活水平的不断提高，之后的医疗器械产业还会以家庭会对象，研发生产出一系列适用于家庭自我监护、诊断的高科技医疗器械产品。

4 总结

通过以上分析可见，生物医学工程与医疗器械产业在医学领域占据着举足轻重的位置，而近年来在科技的快速发展下，我国对生物医学工程也越来越重视，且医疗器械产业也得到了长足的发展。相信在未来医学技术的不断完善下，我国生物医学工程与医疗器械产业也会有更加良好的发展前景。

参考文献

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一、纳米陶瓷

所谓纳米陶瓷 ,是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料 ,也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上。由于界面占有可与颗粒相比拟的体积百分比 ,小尺寸效应以及界面的无序性使它具有不同于传统陶瓷的独特性能。

二、纳米材料性能

1.纳米陶瓷材料具有极小的粒径、大的比表面积和高的化学性能，可以降低材料的烧结致密化程度，节约能源。

2．材料的组成结构致密化、均匀化，改善陶瓷材料的性能，提高其使用可靠性。

3.以从纳米材料的结构层次(1～100 nm)上控制材料的成分和结构，有利于充分发挥陶瓷材料的潜在性能，而使纳米材料的组织结构和性能的定向设计成为可能。

4.催化性：纳米粒子晶粒体积小，比表面积大，表面活性中心多，其催化活性和选择性大大高于传统催化剂。

三、纳米陶瓷的应用领域

（1）耐高温材料

纳米陶瓷粉末涂料在高温环境下具有优异的隔热保温效果，不脱落、耐水、防潮，无毒、对环境无污染。在汽车工业也有着广阔前景，如用纳米陶瓷作为气缸内衬材料，因耐高温可提高燃料燃烧温度，使燃料的热效率提高，涂覆于汽车玻璃表面可起到防污和防雾、隔热作用。

（2）催化方面

纳米粒子由于粒径小，比表面大，故表面活性中心数量多，其催化活性和选择性会加大，产物收率会增高。纳米粒子作为催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。

纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15 倍。

用纳米微粒作为催化剂提高反应效率、优化反应路径、提高反应速度、降低反应温度和光催化降解方面的研究，是未来催化科学不可忽视的重要研究课题， 很有可能给催化在工业上的应用带来革命性的变革。

（3）生物材料、临床方面

随着纳米材料研究的深入，纳米生物陶瓷材料的优势将逐步显现，其强度、韧性、硬度以及生物相容性都有显著提高，为临床制作人工关节、人工牙齿及牙种植体开辟了新途径。利用纳米微粒可在体内方便传输的特点，科学家开发出放射疗法用的羟基磷灰石复合陶瓷微粒。初步临床表明，采用这种材料治疗可以大大延长病人的寿命。

（4）涂料方面

纳米材料由于其表面和结构的特殊性， 具有一般材料难以获得的优异性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。

2.纳米陶瓷与传统陶瓷相比

传统陶瓷材料质地较脆、韧性及强度较低，因而使其应用范围收到了较大的限制。随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷克服了传统陶瓷的脆性，使陶瓷具有类似金属柔韧性和可加工性。

四、发展前景

纳米陶瓷与普通陶瓷材料相比，在力学性能、表面光洁度、耐磨性以及高温性能诸方面都有明显的改善。目前，纳米陶瓷材料的研究已涉及到有机和无机材料。由于纳米陶瓷具有不同传统陶瓷的独特性能，纳米陶瓷材料制成的烧结体可作为储气材料、热交换器、微孔过滤器以及检测气体温度的多功能传感器，它的发展使陶瓷材料跨人了一个新的历史时期。

正因为纳米陶瓷具有优良力学性能和某些特殊的功能，使纳米陶瓷在多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用，具有广阔的应用前景。

五、结语

纳米陶瓷作为一种新型高性能陶瓷，将越来越受到世界各国科学家的关注。纳米陶瓷材料的发展起来的一门全新的科学技术，他将成为新世纪最重要的该技术之一。纳米陶瓷的研究发展，必将引起陶瓷工业的发展与革命，引起陶瓷学理论的发展乃至新的理论的建立，以适应纳米尺度的研究需要从而使纳米材料具有更佳的性能，使其在工程领域乃至日常生活中得到广泛的应用。

总之，要做到充分开发新型材料的性能和应用领域，做到早开发早受益，为我所用，服务于国家，服务于人民，服务于国防建设，是每一位材料科学工作者应尽的责任和义务。

参考文献：

[1]Herr U. Gleiter H.Tran［J］. Jpn.Inst.Meta1.Supp1.，1986,27:43.

[2].纳米材料在化工生产中的应用[J].科学前沿科学思考.

[3]武利民.材料导报[J]，2001，5.

[4]陈拥军,魏强民,李建保.世界科技研究与发展[J].2000,22(1):57～60.

[5]徐国财,邢宏飞,闽凡飞.[J].涂料工业,1999,(7):3～5.

[6]邱星林,徐安武.中国涂料[J].2000,(4):30～32.

[7]Dai Z R,Gole J L,Stout J D,Wang Z L.Tin Oxide Nanowires,

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非生物3D打印

非生物3D打印的原理相对较为简单，所需材料也相对易得，因此在医疗领域的应用已经比较广泛。大多产品可归于医疗器械的范畴，多数应用于个性化假体的制造、复杂结构以及难以加工的医疗器械制品等。非生物3D打印发展过程中所存在的问题有：

(1)材料的缺乏与医疗设备技术的落后；

(2)打印精度与速度存在冲突；

(3)3D建模技术与医学知识的分离。

生物3D打印

生物3D打印是基于活性生物材料、细胞组织工程、MRI与CT技术以及3D重构技术等而进行的活体3D打印，其目标是打印活体器官。目前的生物3D打印大多处于实验室阶段，且国内外已经有了一些研究成果，大多现有成果都是关于简单生命体或是细胞组织的打印。目前来看生物3D打印仍处于研究初期，目前对于材料、打印方法、组织结构、基因科学等的研究还远远不能支撑活体生物器官的打印，上述各技术组成部分基本都处于独立研究阶段，尚未呈现一个产业链条的研究机制。

医疗3D打印的产业化之路

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随着社会的进步和人们生活水平的提高，食品安全问题越来越受到重视。为保障食品质量和食品的安全性，必须采取有效方法对食品进行检验、检测。生物检测技术作为食品检验的重要方法，具有显著的优点，主要体现在特异性强、灵敏度高、简便快捷等方面。近年来，生物检测技术在食品检验中发挥着越来越重要的作用，具有广阔的发展前景。

1、在食品检验中常见的几种生物检测技术

1.1免疫技术

免疫技术作为生物检测技术之一，具有显著的特点，主要体现在特异性强、灵敏度高、操作简单、再现性较好等方面，具有广阔的应用前景。该技术主要用于分析蛋白质结构，鉴于蛋白质间存在的物理、化学性质基本相同，一般常采用免疫检测法或标记探针法来进行分辨，具体应用手段主要包括放射免疫法、沉淀反应法、免疫电泳法等。

1.2生物酶技术

生物酶技术是一种常见的生物检测方法，具有较强的特异性，能用于分辨结构、性质差别很小的物质，可用于检测食品中残余农药的含量以及微生物污染等。该方法与免疫法联合构成的酶联免疫分析检测技术，已经广泛应用于食品检验中的各个领域，其最大的优点是准确灵敏，尤其适合用于检测蔬菜和水果中的杀菌剂噻菌灵，此外也可用于检测牛奶中的除草剂津玛的，该技术在国外得到了广泛的推广，我国在这方面的起步较晚，但是也取得了一定的进步。

1.3 PCR技术

PCR技术是聚合酶链式反应技术的简称，可以在生物体外快速扩增指定基因或DNA序列，所以又称之为基因体外扩增法。PCR技术起初应用在基因克隆和转基因技术方面，由于具有显著的特点表现在精度和微量方面，其应用范围得到了拓展，逐渐延伸到其他领域。随着对食品中微生物的遗传性质以及致病菌的遗传背景的深入研究得出：食品是否受到污染，关键在于能否对基因序列和遗传背景进行准确检测。PCR技术正是基于这一机理来判断食品是否受到微生物的污染。

近年来，PCR技术广泛的应用于食品中病原菌微生物的检测，在国外采用该方法已成功的检测出牛肉中的大肠杆菌污染；在国内已采用该技术对水产品、肉制品以及奶制品中的小肠耶尔森氏菌进行检测。随着PCR技术的日益发展，对其灵敏性和准确性要求越来越高。在实际应用中，PCR技术也存在一定的不足，只有将PCR技术与其他技术有机结合，才能更好的进行食品检测，以弥补自身的缺陷。相信在不久的将来，PCR技术会具有更为广阔的发展前景。

1.4生物芯片

生物芯片技术是一种食品检验中最适用的高新技术，其工作原理是通过光导原位合成或者微量点样，将大量的生物分子在载体表面进行有序地固化，形成密集的二维分子排列，进而与已标记的待测样品分子进行杂交，然后通过特定的仪器对杂交分子的信号强度进行快速、高效的测定，通过分析确定样品中品靶分子的含量。通过生物芯片技术，人们对食品安全状态有了科学的了解，能够很好的确定食源性疾病的阂值，并且有利于建立用于进出口食品监管方面的预警及反应系统。但就当前来看，该技术的成本较高，再加上其应用性能还达不到要求，严重制约了其在食品检测中的应用。但是鉴于该技术具有较大发展潜力以及商业前景，各国及地区已投入大量的人力和财力相继开展了研究工作，相信，随着生物技术的快速发展，生物芯片技术在食品工业领域的应用会日益广泛。

1.5生物传感器技术

生物传感器是一种新型的生物检测技术，该技术的工作原理是通过选用良好的活性物质，如酶、抗体、抗原、DNA等进行处理作为分子识别元件，当这种分子识别元件与待测物进行特异性结合后，会产生光、热等复合物，经由信号转换器来传播信息并放大输出，进而得到相应的检测结果。生物传感器具有显著的优势，主要体现在灵敏度高、特异性强、使用微量、操作简便、检测速度快等方面，具有广阔的发展前景。

基于生物传感器自身的优势，广泛应用于食品残余农药检测、病原菌检测等多个领域，并取得了不少突破性的进展。但是，生物传感器也存在一些缺陷，表现在稳定性、重现性以及使用寿命的限制，从很大程度上制约了在食品检测领域的发展。不过，随着生物微材料技术的不断发展，生物传感器必定会在食品工业领域得到广泛的采用。

1.6核酸探针技术

核酸探针技术又称基因探针技术或核酸分子杂交技术，对不同的基因链可以进行敏感的鉴别。对来源不同的两条核酸链所含的互补碱基序列，能够通过特异性的结合而成为分子杂交链。根据这一特性，可以将可识别的标记加到已知的DNA或RN段上，形成探针，可以对未知样品中是否具有相同的序列进行检测。目前，核酸探针技术已经在进出口动植物及其产品的检验方面得到广泛应用，多用于常见的致病菌和毒素菌的检验，尤其是产肠毒素性大肠杆菌的检测。

2、生物检测技术在食品检测中的应用领域

生物检测技术基于自身的独特优势，在食品检测领域发挥着越来越重要的作用，接下来就该技术在食品检测中的具体应用进行分析：

2.1有害微生物的检测

有害微生物的检测是生物检测所研究的热点。食品中有害微生物的存在会给人类的健康带来巨大伤害，为此，迫切需要找到快速有效的食品检测方法来控制有害微生物的传播。生物检测技术基于自身显著的优势，在这一方面已取得了可喜的成绩。目前，针对有害微生物的检测，常采用PCR 技术、酶联免疫技术以及生物传感器技术。

2.2食品中残余农药的检测

近年来，由于食品中残余农药而引发的毒性问题日益突出，残余农药的分析方法和技术越来越受到人们的重视。酶技术和生物传感器技术已经应用到残余农药的检测中来。

2.3食品成分和品质的检测

食品成分和品质检测常采用的方法是生物感应器法，这一方法在很早的时候就已经得到采纳。葡萄糖传感器就是最早的生物传感器，其主要作用是对食品中的含糖量进行检测。早在20世纪90年代，国外开发了介体酶传感器，用于测定食品原料中的谷氨酸的含量。在日本，生物传感器广泛的应用于鱼类鲜度的测定。此外，可以将某种气味与蛋白进行结合作为生物敏感材料，进而制成气味生物传感器，专门针对食品中的香味物质进行测定。

2.4转基因食品的测试

随着基因工程的不断发展，转基因食品越来越受到人们的关注。转基因食品对人类健康和生态环境是否存在不利影响，对于这一热点问题，可谓是仁者见仁智者见智。对转基因食品进行准确检测是解决这一问题的有效措施。目前，多采用酸检测法、蛋白质检测法以及酶活性检测法对转基因食品进行检测。

3、结语

生物检测技术基于自身独特的优势，在食品检验领域已取得了可观的成绩，发展前景极为广阔。随着生物技术的快速发展，生物检测方法将会不断的完善和补充。相信，在不久的将来，生物检测技术在食品检验领域中将会得到越来越广泛的应用。

参考文献：

[1]陈运如.食品检验中生物检测技术应用的分析[J].新农村（黑龙江），2011（3）.

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中图分类号：Q819 文献标识码：A 文章编号：1672-5336（2015）02-0080-01

微生物传感器是由固定化微生物、换能器和信号输出装置组成，以微生物活体作为分子识别敏感材料固定于电极表面构成的一种生物传感器。微生物传感器是使用微生物活细胞或细胞碎片作为敏感元件与电化学换能器来制备的生物传感器。由于微生物传感器的核心部分是具有生物活性的微生物细胞，与基于酶的生物传感器相比，微生物传感器不需要昂贵的纯化过程，微生物在其数量、大小、繁殖、遗传改造等方面均具有独特的优势，因此可以满足环境监测中快速简单、原位、低成本的要求。

随着微生物固定化技术的发展，微生物传感器是生物学研究的一个重要突破，因为其不仅为微生物细胞中的酶提供了自然环境以提高酶的活性及稳定性，还减免了酶纯化以及辅助因素再生的步骤，也就进一步的降低了生物学研究的成本；另一方面微生物传感器的生物学成分还可通过浸入生长基内使之实现再生。现今，微生物传感器已经能广泛的应用于地表水、生活污水以及部分工业废水的检测以及其他领域，具有较大运用空间。

1 微生物传感器的构造及工作原理

1.1 微生物传感器的构造

微生物传感器是由固定化微生物、信号转换器（换能器和信号输出装置）两部分组成。固定化微生物是对微生物进行信息捕捉的元件，同时也能影响到传感器的整体性能。固体化微生物的使用前提是要将微生物限制在一定的空间使微生物的成分不至于流失，还要求微生物的活性及机械性能保持良好的状态。总之，固体化技术是影响传感器的稳定度、灵敏度及使用寿命的核心部件。而换能器则包括O2电极、CO2电极（均为电化学电极）以及离子选择电波等。现今的换能器如离子敏场效应管可谓是发展新型微生物传感器的有效手段。

1.2 微生物传感器的工作原理

微生物在利用物质进行呼吸或代谢的过程时，将会消耗溶液中的溶解氧或者产生电活性物质。在微生物数量及活性未产生变动的情况下，其所消耗的物质的量能够反映出被检测物质的含量，然后再用气体敏感膜电极或离子选择电极、微生物燃料电池检测溶解氧和电活性物质的变化量。一般情况下，微生物电极可分为电流型微生物电极和电位型微生物电极两种类型，但根据微生物与底物的作用原理，又可分为测定呼吸活性型微生物电极和测定代谢物质型微生物电极。

2 微生物传感器的发展及应用

2.1 微生物传感器的应用实例简述

（1）应用于生物工业（发酵工程、酶工程、细胞培养、食品检测等），微生物传感器已用检测于原材料、代谢产物。并且，微生物传感器不会受到外界环境或者是工作过程中常有的干扰物质的影响，也不会收到发酵液浑浊程度的限制。自1975年Devis制成了第一支微生物传感器以来，微生物传感器研制的关键技术在于微生物的固定，传统的生物材料固定方法包括物理吸附、共价键合、交联到一定的载体基质上或包埋于有机聚合物的基质中，然而这些方法都存在稳定期短和固定时引起微生物的损伤等缺陷，从而限制了微生物传感器的发展。纳米技术的出现提供另一种更好的固定方法，纳米材料特有的光、电、磁、催化等性能，引起了凝聚态物理界、化学界及材料科学界的科学工作者的极大关注，这些进步推动了微生物传感器的发展。HIikuma于1979年使用固定化毛孢菌制作而成的醇电极完成了对发酵罐中醇的测定；1989年，张先恩等人实现了对蔗糖低分子糖的测定―通过将酿酒酵母菌固定在氧电极表面；等等案例都可以说明其在生物工业中的运用之广。

（2）微生物传感器还能对环境进行监测，其工作原理就是将活细胞作为探测单元，利用微生物的新陈代谢特点对污染物进行检测分析。早在1977年，Karube就用骨胶原将土壤中的微生物固定在氧电极上以检测污水的生化耗氧量，而现今，微生物传感器的研究主要是利用基因工程的方法和技术来检测污染物。

（3）在临床医学研究中，就有许春向运用过半微分循环伏安法进行了白血病人身上的白细胞与正常者的白细胞进行了识别，而后可以利用微生物传感器来对病变细胞进行筛选达到治疗检查的效果，这是医学史上的一次重大突破，也运用了微生物传感器原理来实施的。

2.2 微生物传感器的发展前景

现今，微生物传感器还存在两大阻碍发展因素：（1）细胞的电化学响应信号较为微弱，仪器设备精确度以及灵敏度不高以至于细胞检测难以实行，（2）大部分的细胞电化学响应机理不明确，目前仅能通过使用电子传递媒介或修饰电极来使电化学响应信号增强。不过，近年来，微生物传感器已在各个领域得到广泛的运用，主要是因其检测能力被大家所认同。许多传感器目前还是处在研究阶段，而微生物传感器的稳定性及使用期限又是收到检测对象所含重金属或是有毒有机物体的影响，这也是微生物传感器研究制作时所需考虑的因素。另外，在研究传感器时还需考虑到的因素有固体化技术的创新、微生物育种、基因工程以及细胞融合技术等。随着科学经济的快速发展，微生物传感器的研究与发展也必定会随着新型技术的发展而趋于高科技、高效耐毒、微型智能化。

3 结语

微生物传感器的发展和广泛应用将能够在实际生活中发挥很重要的作用，但前提是，需要不断地加强微生物传感器的性能及检测结果的精准度。微生物传感器成为大众普及的仪器设备，就因为微生物传感器具有足够的敏感度和精确度、操作简单便捷、性价比高、构造简单。目前，微生物传感器的应用空间广泛，多重领域的涉及，也就势必会需要其长久耐用，符合生物工程、环境监测及临床医学使用规范。

参考文献