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出版者:Springer

作者:Urban, Gerald A. 编

出品人:

页数:365

译者:

出版时间:2006-5-5

价格:USD 249.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780387287317

丛书系列:

图书标签:

• BioMEMS
• 微机电系统
• 生物医学工程
• 传感器
• 微流控
• 生物芯片
• 医疗器械
• MEMS技术
• 生物技术
• 纳米技术

探索生命科学的未来：微纳尺度下的工程创新 书名： 《超越微观：生命系统中的智能制造与感知技术》 书籍概述： 本书深入探讨了当前生命科学研究与工程技术交叉领域的前沿进展，重点聚焦于如何利用先进的微纳制造技术、先进材料科学以及智能传感系统，为生物医学研究和临床应用提供革命性的工具和平台。全书摒弃了传统的单一学科叙事方式，采用系统工程的视角，构建了一个从基础原理到实际应用的完整知识体系，旨在为跨学科研究人员、高级工程师及高年级学生提供一份全面、深入且具有前瞻性的参考指南。 第一部分：微纳加工与生物界面 本部分奠定了整个技术体系的物理基础，详细阐述了在微米和纳米尺度上构建具有生物相容性、高精度结构的制造工艺。 第一章：先进光刻与软光刻技术在生物集成电路中的应用 本章首先回顾了半导体工业中的经典光刻技术，随后重点剖析了软光刻（Soft Lithography）——特别是PDMS（聚二甲基硅氧烷）基微铸造技术——在快速原型制造和低成本生物芯片制作中的核心地位。详细讨论了PDMS的材料特性、脱模机制、表面改性技术（如等离子体激活键合）以实现对蛋白质和细胞的精确控制。内容涵盖了微流控芯片的基础几何设计原理，包括T型、H型和十字型混合器的流体力学特性分析，以及如何通过精确控制剪切力来影响细胞行为。此外，还介绍了电子束光刻（EBL）和聚焦离子束（FIB）在制造亚百纳米级特征结构，如纳米孔道和高分辨率传感器阵列中的关键作用。 第二章：生物材料与表面功能化 生物系统的复杂性要求我们设计的器件必须具备高度的生物相容性和特异性识别能力。本章详述了多种功能性聚合物和陶瓷材料在微器件制造中的选择标准。重点分析了如何通过化学“挂载”技术（如点击化学、巯基-烯点击反应）在器件表面固定生物分子，例如抗体、适体或核酸探针。内容延伸至表面粗糙度和润湿性对细胞粘附、迁移和分化的影响，并提供了定量表征表面能和接触角的方法学。深入探讨了梯度材料的设计，即如何通过物理或化学方法在同一基底上创建材料属性的连续变化区域，以模拟体内微环境的异质性。 第三章：三维（3D）微结构制造与类器官培养 传统二维（2D）培养体系已无法充分模拟体内环境。本章聚焦于先进的增材制造技术（Additive Manufacturing）如何革新生物支架的构建。详细介绍了基于光聚合的立体光刻（SLA）和数字光处理（DLP）技术在构建高孔隙率、互联的支架结构中的优势。对生物墨水（Bio-inks）的流变学特性进行了严格的力学分析，阐述了如何通过调节交联剂和细胞浓度来控制打印过程中的保真度和后期的机械稳定性。通过实例分析，展示了如何利用这些3D结构实现对血管化组织、复杂神经回路的体外重建。 第二部分：智能感知与高通量分析 本部分转向如何利用制造出的微纳平台进行高效、实时的生命信号捕获、转化和分析。 第四章：微纳传感器原理与生物信号转导 本章核心在于“信号捕获”。详细阐述了电化学、光学和机械传感技术在生物环境中的应用。在电化学传感方面，重点讲解了场效应晶体管（FET）传感器的工作原理，特别是其在直接检测核酸序列或蛋白质构象变化时的灵敏度极限。光学传感部分，深入探讨了表面等离子体共振（SPR）技术，分析了其响应机制、局限性以及如何通过纳米结构增强其局限。对于生物力学信号，引入了微机电系统（MEMS）陀螺仪和加速度计在测量细胞力反馈和红细胞变形能力中的应用，强调了生物物理量向电信号转化的过程优化。 第五章：高通量筛选与单细胞分析平台 随着样本量的爆炸式增长，高通量（HTP）技术成为药物发现的核心驱动力。本章聚焦于如何整合微流控技术与先进检测手段实现高通量分析。详细介绍了液滴微流控技术，包括乳液生成、液滴内生化反应的精确控制，以及如何利用电润湿或热效应实现液滴的快速分拣。单细胞分析（SCA）部分，阐述了微孔板阵列和捕获腔室设计对消除批次效应和提高统计学显著性的重要性。内容还涵盖了如何将高内涵成像（HCI）与自动化液体处理系统无缝集成，以实现对数千个独立生物单元的形态学和功能学参数的同步测量。 第六章：数据解析与计算建模 成功的生物工程系统不仅需要精密的硬件，还需要强大的数据处理能力。本章从信息论的角度审视生物传感数据的质量和信噪比。讨论了用于处理高维生物数据集的机器学习算法，如支持向量机（SVM）和深度卷积网络在图像识别和异常检测中的应用。此外，还介绍了计算流体力学（CFD）在优化微流控器件内部流场、预测细胞分离效率中的作用，以及如何利用有限元分析（FEA）对生物材料的机械应力分布进行建模，从而指导结构设计。 第三部分：前沿应用与临床转化 最后一部分将理论和技术汇聚到具体的、具有临床潜力的应用案例中，展望了未来发展方向。 第七章：即时诊断（POCT）与便携式生物分析系统 本章致力于将复杂的实验室设备小型化、集成化，使其能够应用于临床床旁或偏远地区。探讨了如何利用低成本材料（如打印电子技术）制造柔性电极和集成的微型泵系统。重点分析了微流控系统在血液处理（如血浆分离、白细胞富集）中的自动化流程设计，以及如何通过集成光电检测模块实现对特定生物标志物（如循环肿瘤细胞、病毒核酸）的快速定量。 第八章：细胞治疗与器官芯片技术 本章探讨了工程技术在再生医学中的关键作用。详细介绍了器官芯片（Organ-on-a-Chip）的设计理念，强调其作为替代动物模型和预测人体反应的潜力。内容包括心肌芯片、肺芯片和血脑屏障芯片的结构设计、流体力学模拟及生物学验证标准。对于细胞治疗领域，讨论了如何利用微纳技术进行活细胞的分选、激活和精确递送，以及微针阵列在无创或微创药物透皮递送中的最新突破。 总结与展望： 全书在结尾部分对当前技术的挑战进行了客观评估，包括长期稳定性和生物污染问题，并展望了人工智能驱动的自动化设计与制造（Design-Build-Test-Learn 闭环系统）将如何重塑未来的生命科学工程范式。本书旨在激励读者跳出传统思维的局限，将工程学的严谨性与生命科学的复杂性相结合，推动下一代生物医学创新。

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这本被誉为“领域内里程碑式”的著作，**《BioMEMS》**，着实让我这个初涉生物微机电系统领域的研究者感到既兴奋又有些许手足无措。首先，它在基础理论的阐述上达到了一个极高的水准。书中对于微纳加工技术在生物兼容性材料上的应用，以及如何实现亚微米尺度的结构精确制造，都有着非常详尽的数学模型和实验验证。特别是关于流体力学在微流控芯片设计中的耦合效应分析部分，作者似乎没有放过任何一个可以深入探讨的细节，从牛顿流体到非牛顿流体在微通道内的特殊行为，再到电渗流的理论推导，都以一种近乎教科书式的严谨态度呈现出来。我花了整整一个周末来消化其中关于杨氏模量和泊松比在微结构疲劳分析中的修正方法，那种感觉就像是重新上了一遍高级材料力学。不过，话说回来，这种深度对于资深工程师来说或许是福音，但对于我这样的新手，初次接触时，某些章节的跳跃性确实让人需要反复查阅更多的参考资料才能跟上作者的思路。整体而言，这本书的理论深度是毋庸置疑的，它为我们构建更复杂、更精密的生物传感平台奠定了坚实的理论基石，是案头常备的工具书。

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翻阅这本书时，我最大的直观感受是其**极强的跨学科融合能力**，简直是不同学科知识的“熔炉”。它巧妙地将生物化学、精密工程、光学传感以及半导体制造工艺串联起来，构建了一个完整的知识体系。我特别欣赏其中关于“活细胞捕获与实时成像”模块的论述。作者没有停留在简单的结构设计层面，而是深入探讨了如何利用表面等离子体制备技术（SPR）来修饰芯片表面，以提高特定生物标志物的亲和力。书中详细对比了不同官能团在固定酶和抗体时的稳定性差异，并配有大量的扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）图像作为佐证。这些图像的清晰度和代表性令人印象深刻，它们不仅仅是插图，更像是实验结果的直接呈现。我注意到，作者在讨论微流控芯片与光学读取模块集成时，引入了基于有限元分析（FEA）的模拟结果，直观展示了外部环境温度波动对芯片内微环境温度梯度的影响，这对于需要进行高精度生化反应的实验设计者来说，是极其宝贵的经验教训。这本书真正做到了将“工程”的精确性与“生物”的复杂性进行了富有成效的对话。

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从**视角的前瞻性**来看，这本《BioMEMS》展现了作者对未来十年技术发展趋势的深刻洞察。书中专门用了一章来探讨“类器官芯片”（Organ-on-a-Chip）的最新进展，并着重分析了实现多器官系统互联的挑战，这正是当前生物医学工程领域最炙手可热的方向之一。作者并没有盲目鼓吹新兴技术，而是务实地指出了当前在细胞间信号传递模拟、营养液循环速率控制以及废物代谢模拟等方面存在的瓶颈。例如，关于“血液屏障”的模拟，书中探讨了使用电沉积技术构建具有精确孔径的膜的潜力，并结合了高通量筛选（HTS）平台对药物毒性的实时监测模型。这种将前沿概念与现有技术局限性进行平衡的叙述方式，让我对未来研究方向的取舍有了更清晰的判断。它没有给我空泛的希望，而是指明了需要攻克的“硬骨头”，这种务实的乐观主义非常具有感染力。

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然而，尽管这本书的优点众多，我依然认为它在**面向特定应用领域读者**的友好性上可以进一步提升。这本书的广度令人称赞，但对于专注于某一狭窄细分领域的研究人员来说，信息密度可能稍显过载。比如，对于专注于“即时诊断（POCT）”设备开发的读者而言，书中关于超低成本材料替代方案和可弃式流控系统的介绍略显单薄，更多篇幅还是集中在实验室级的精密制造上。如果能在材料选择和制造工艺上增加针对非专业背景研究人员（如临床医生或生物学家）的快速原型设计流程，或许会更具吸引力。总的来说，这本书更像是一部面向“系统架构师”或“设备开发团队领导者”的综合性参考书，它为你描绘了整个生态系统的蓝图和核心技术原理，但如果你只是想快速搭建一个验证特定生物反应的简单微流控装置，你可能需要花时间去“筛选”书中信息，过滤掉那些与你当前目标不直接相关的、更偏向于基础物理或高级半导体工艺的内容。总体而言，它是一部令人敬佩的重量级作品，但其“全景式”的覆盖面也意味着它难以成为一本针对性极强的快速上手指南。

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如果要用一个词来形容这本书的**可操作性**，那一定是“详尽入微”。它不像某些学术专著那样只停留在高屋建瓴的理论层面，而是深入到了实验室操作的每一个关键步骤。例如，在介绍“软光刻技术”时，书中不仅给出了PDMS预聚物与固化剂的精确配比（甚至提到了不同批次固化剂的粘度差异对脱模时间的影响），还详细说明了脱模过程中需要施加的最小分离力阈值，这在实际操作中极易被忽略。更让我眼前一亮的是关于**质量控制与可靠性评估**的部分。作者清晰地列出了不同生物传感器的关键性能指标（KPIs），并提供了标准化的测试流程，包括长期存储稳定性、重复加样误差分析等。我个人过去在搭建微流控芯片时经常为批次间的一致性问题困扰，这本书提供的故障排除指南，从刻蚀液的浓度校准到掩膜版的对准精度要求，都提供了一套可量化的解决方案，极大地缩短了我的调试时间。这使得这本书不仅仅是知识的载体，更像是每一个微纳生物芯片制造工程师的“操作手册”。

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