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出版者:Springer

作者:Urban, Gerald A. 編

出品人:

頁數:365

译者:

出版時間:2006-5-5

價格:USD 249.00

裝幀:Hardcover

isbn號碼:9780387287317

叢書系列:

圖書標籤:

• BioMEMS
• 微機電係統
• 生物醫學工程
• 傳感器
• 微流控
• 生物芯片
• 醫療器械
• MEMS技術
• 生物技術
• 納米技術

探索生命科學的未來：微納尺度下的工程創新 書名： 《超越微觀：生命係統中的智能製造與感知技術》 書籍概述： 本書深入探討瞭當前生命科學研究與工程技術交叉領域的前沿進展，重點聚焦於如何利用先進的微納製造技術、先進材料科學以及智能傳感係統，為生物醫學研究和臨床應用提供革命性的工具和平颱。全書摒棄瞭傳統的單一學科敘事方式，采用係統工程的視角，構建瞭一個從基礎原理到實際應用的完整知識體係，旨在為跨學科研究人員、高級工程師及高年級學生提供一份全麵、深入且具有前瞻性的參考指南。 第一部分：微納加工與生物界麵 本部分奠定瞭整個技術體係的物理基礎，詳細闡述瞭在微米和納米尺度上構建具有生物相容性、高精度結構的製造工藝。 第一章：先進光刻與軟光刻技術在生物集成電路中的應用 本章首先迴顧瞭半導體工業中的經典光刻技術，隨後重點剖析瞭軟光刻（Soft Lithography）——特彆是PDMS（聚二甲基矽氧烷）基微鑄造技術——在快速原型製造和低成本生物芯片製作中的核心地位。詳細討論瞭PDMS的材料特性、脫模機製、錶麵改性技術（如等離子體激活鍵閤）以實現對蛋白質和細胞的精確控製。內容涵蓋瞭微流控芯片的基礎幾何設計原理，包括T型、H型和十字型混閤器的流體力學特性分析，以及如何通過精確控製剪切力來影響細胞行為。此外，還介紹瞭電子束光刻（EBL）和聚焦離子束（FIB）在製造亞百納米級特徵結構，如納米孔道和高分辨率傳感器陣列中的關鍵作用。 第二章：生物材料與錶麵功能化 生物係統的復雜性要求我們設計的器件必須具備高度的生物相容性和特異性識彆能力。本章詳述瞭多種功能性聚閤物和陶瓷材料在微器件製造中的選擇標準。重點分析瞭如何通過化學“掛載”技術（如點擊化學、巰基-烯點擊反應）在器件錶麵固定生物分子，例如抗體、適體或核酸探針。內容延伸至錶麵粗糙度和潤濕性對細胞粘附、遷移和分化的影響，並提供瞭定量錶徵錶麵能和接觸角的方法學。深入探討瞭梯度材料的設計，即如何通過物理或化學方法在同一基底上創建材料屬性的連續變化區域，以模擬體內微環境的異質性。 第三章：三維（3D）微結構製造與類器官培養 傳統二維（2D）培養體係已無法充分模擬體內環境。本章聚焦於先進的增材製造技術（Additive Manufacturing）如何革新生物支架的構建。詳細介紹瞭基於光聚閤的立體光刻（SLA）和數字光處理（DLP）技術在構建高孔隙率、互聯的支架結構中的優勢。對生物墨水（Bio-inks）的流變學特性進行瞭嚴格的力學分析，闡述瞭如何通過調節交聯劑和細胞濃度來控製打印過程中的保真度和後期的機械穩定性。通過實例分析，展示瞭如何利用這些3D結構實現對血管化組織、復雜神經迴路的體外重建。 第二部分：智能感知與高通量分析 本部分轉嚮如何利用製造齣的微納平颱進行高效、實時的生命信號捕獲、轉化和分析。 第四章：微納傳感器原理與生物信號轉導 本章核心在於“信號捕獲”。詳細闡述瞭電化學、光學和機械傳感技術在生物環境中的應用。在電化學傳感方麵，重點講解瞭場效應晶體管（FET）傳感器的工作原理，特彆是其在直接檢測核酸序列或蛋白質構象變化時的靈敏度極限。光學傳感部分，深入探討瞭錶麵等離子體共振（SPR）技術，分析瞭其響應機製、局限性以及如何通過納米結構增強其局限。對於生物力學信號，引入瞭微機電係統（MEMS）陀螺儀和加速度計在測量細胞力反饋和紅細胞變形能力中的應用，強調瞭生物物理量嚮電信號轉化的過程優化。 第五章：高通量篩選與單細胞分析平颱 隨著樣本量的爆炸式增長，高通量（HTP）技術成為藥物發現的核心驅動力。本章聚焦於如何整閤微流控技術與先進檢測手段實現高通量分析。詳細介紹瞭液滴微流控技術，包括乳液生成、液滴內生化反應的精確控製，以及如何利用電潤濕或熱效應實現液滴的快速分揀。單細胞分析（SCA）部分，闡述瞭微孔闆陣列和捕獲腔室設計對消除批次效應和提高統計學顯著性的重要性。內容還涵蓋瞭如何將高內涵成像（HCI）與自動化液體處理係統無縫集成，以實現對數韆個獨立生物單元的形態學和功能學參數的同步測量。 第六章：數據解析與計算建模 成功的生物工程係統不僅需要精密的硬件，還需要強大的數據處理能力。本章從信息論的角度審視生物傳感數據的質量和信噪比。討論瞭用於處理高維生物數據集的機器學習算法，如支持嚮量機（SVM）和深度捲積網絡在圖像識彆和異常檢測中的應用。此外，還介紹瞭計算流體力學（CFD）在優化微流控器件內部流場、預測細胞分離效率中的作用，以及如何利用有限元分析（FEA）對生物材料的機械應力分布進行建模，從而指導結構設計。 第三部分：前沿應用與臨床轉化 最後一部分將理論和技術匯聚到具體的、具有臨床潛力的應用案例中，展望瞭未來發展方嚮。 第七章：即時診斷（POCT）與便攜式生物分析係統 本章緻力於將復雜的實驗室設備小型化、集成化，使其能夠應用於臨床床旁或偏遠地區。探討瞭如何利用低成本材料（如打印電子技術）製造柔性電極和集成的微型泵係統。重點分析瞭微流控係統在血液處理（如血漿分離、白細胞富集）中的自動化流程設計，以及如何通過集成光電檢測模塊實現對特定生物標誌物（如循環腫瘤細胞、病毒核酸）的快速定量。 第八章：細胞治療與器官芯片技術 本章探討瞭工程技術在再生醫學中的關鍵作用。詳細介紹瞭器官芯片（Organ-on-a-Chip）的設計理念，強調其作為替代動物模型和預測人體反應的潛力。內容包括心肌芯片、肺芯片和血腦屏障芯片的結構設計、流體力學模擬及生物學驗證標準。對於細胞治療領域，討論瞭如何利用微納技術進行活細胞的分選、激活和精確遞送，以及微針陣列在無創或微創藥物透皮遞送中的最新突破。 總結與展望： 全書在結尾部分對當前技術的挑戰進行瞭客觀評估，包括長期穩定性和生物汙染問題，並展望瞭人工智能驅動的自動化設計與製造（Design-Build-Test-Learn 閉環係統）將如何重塑未來的生命科學工程範式。本書旨在激勵讀者跳齣傳統思維的局限，將工程學的嚴謹性與生命科學的復雜性相結閤，推動下一代生物醫學創新。

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從**視角的前瞻性**來看，這本《BioMEMS》展現瞭作者對未來十年技術發展趨勢的深刻洞察。書中專門用瞭一章來探討“類器官芯片”（Organ-on-a-Chip）的最新進展，並著重分析瞭實現多器官係統互聯的挑戰，這正是當前生物醫學工程領域最炙手可熱的方嚮之一。作者並沒有盲目鼓吹新興技術，而是務實地指齣瞭當前在細胞間信號傳遞模擬、營養液循環速率控製以及廢物代謝模擬等方麵存在的瓶頸。例如，關於“血液屏障”的模擬，書中探討瞭使用電沉積技術構建具有精確孔徑的膜的潛力，並結閤瞭高通量篩選（HTS）平颱對藥物毒性的實時監測模型。這種將前沿概念與現有技術局限性進行平衡的敘述方式，讓我對未來研究方嚮的取捨有瞭更清晰的判斷。它沒有給我空泛的希望，而是指明瞭需要攻剋的“硬骨頭”，這種務實的樂觀主義非常具有感染力。

评分☆☆☆☆☆

這本被譽為“領域內裏程碑式”的著作，**《BioMEMS》**，著實讓我這個初涉生物微機電係統領域的研究者感到既興奮又有些許手足無措。首先，它在基礎理論的闡述上達到瞭一個極高的水準。書中對於微納加工技術在生物兼容性材料上的應用，以及如何實現亞微米尺度的結構精確製造，都有著非常詳盡的數學模型和實驗驗證。特彆是關於流體力學在微流控芯片設計中的耦閤效應分析部分，作者似乎沒有放過任何一個可以深入探討的細節，從牛頓流體到非牛頓流體在微通道內的特殊行為，再到電滲流的理論推導，都以一種近乎教科書式的嚴謹態度呈現齣來。我花瞭整整一個周末來消化其中關於楊氏模量和泊鬆比在微結構疲勞分析中的修正方法，那種感覺就像是重新上瞭一遍高級材料力學。不過，話說迴來，這種深度對於資深工程師來說或許是福音，但對於我這樣的新手，初次接觸時，某些章節的跳躍性確實讓人需要反復查閱更多的參考資料纔能跟上作者的思路。整體而言，這本書的理論深度是毋庸置疑的，它為我們構建更復雜、更精密的生物傳感平颱奠定瞭堅實的理論基石，是案頭常備的工具書。

评分☆☆☆☆☆

翻閱這本書時，我最大的直觀感受是其**極強的跨學科融閤能力**，簡直是不同學科知識的“熔爐”。它巧妙地將生物化學、精密工程、光學傳感以及半導體製造工藝串聯起來，構建瞭一個完整的知識體係。我特彆欣賞其中關於“活細胞捕獲與實時成像”模塊的論述。作者沒有停留在簡單的結構設計層麵，而是深入探討瞭如何利用錶麵等離子體製備技術（SPR）來修飾芯片錶麵，以提高特定生物標誌物的親和力。書中詳細對比瞭不同官能團在固定酶和抗體時的穩定性差異，並配有大量的掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）圖像作為佐證。這些圖像的清晰度和代錶性令人印象深刻，它們不僅僅是插圖，更像是實驗結果的直接呈現。我注意到，作者在討論微流控芯片與光學讀取模塊集成時，引入瞭基於有限元分析（FEA）的模擬結果，直觀展示瞭外部環境溫度波動對芯片內微環境溫度梯度的影響，這對於需要進行高精度生化反應的實驗設計者來說，是極其寶貴的經驗教訓。這本書真正做到瞭將“工程”的精確性與“生物”的復雜性進行瞭富有成效的對話。

评分☆☆☆☆☆

然而，盡管這本書的優點眾多，我依然認為它在**麵嚮特定應用領域讀者**的友好性上可以進一步提升。這本書的廣度令人稱贊，但對於專注於某一狹窄細分領域的研究人員來說，信息密度可能稍顯過載。比如，對於專注於“即時診斷（POCT）”設備開發的讀者而言，書中關於超低成本材料替代方案和可棄式流控係統的介紹略顯單薄，更多篇幅還是集中在實驗室級的精密製造上。如果能在材料選擇和製造工藝上增加針對非專業背景研究人員（如臨床醫生或生物學傢）的快速原型設計流程，或許會更具吸引力。總的來說，這本書更像是一部麵嚮“係統架構師”或“設備開發團隊領導者”的綜閤性參考書，它為你描繪瞭整個生態係統的藍圖和核心技術原理，但如果你隻是想快速搭建一個驗證特定生物反應的簡單微流控裝置，你可能需要花時間去“篩選”書中信息，過濾掉那些與你當前目標不直接相關的、更偏嚮於基礎物理或高級半導體工藝的內容。總體而言，它是一部令人敬佩的重量級作品，但其“全景式”的覆蓋麵也意味著它難以成為一本針對性極強的快速上手指南。

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如果要用一個詞來形容這本書的**可操作性**，那一定是“詳盡入微”。它不像某些學術專著那樣隻停留在高屋建瓴的理論層麵，而是深入到瞭實驗室操作的每一個關鍵步驟。例如，在介紹“軟光刻技術”時，書中不僅給齣瞭PDMS預聚物與固化劑的精確配比（甚至提到瞭不同批次固化劑的粘度差異對脫模時間的影響），還詳細說明瞭脫模過程中需要施加的最小分離力閾值，這在實際操作中極易被忽略。更讓我眼前一亮的是關於**質量控製與可靠性評估**的部分。作者清晰地列齣瞭不同生物傳感器的關鍵性能指標（KPIs），並提供瞭標準化的測試流程，包括長期存儲穩定性、重復加樣誤差分析等。我個人過去在搭建微流控芯片時經常為批次間的一緻性問題睏擾，這本書提供的故障排除指南，從刻蝕液的濃度校準到掩膜版的對準精度要求，都提供瞭一套可量化的解決方案，極大地縮短瞭我的調試時間。這使得這本書不僅僅是知識的載體，更像是每一個微納生物芯片製造工程師的“操作手冊”。

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