定 價:99 元
叢書名:微米納米技術叢書·MEMS與微系統(tǒng)系列
- 作者:王化平 著
- 出版時間:2019/9/1
- ISBN:9787118120233
- 出 版 社:國防工業(yè)出版社
- 中圖法分類:R318.08
- 頁碼:277
- 紙張:膠版紙
- 版次:1
- 開本:16開
《機器人微納生物組裝與生物制造》介紹了微納機器人技術在生物操作與生物制造中的應用,重點闡述了生物細胞與人工組織的機器人化微納操作與微納加工方面的原創(chuàng)性研究成果。全書共9章,有關機器人微納生物操作基本概念、基礎理論、發(fā)展概況與研究方案的內容為前4章,是全書的基礎;第5章~第9章重點闡述著者基于跨尺度機器人協(xié)同生物組裝、光致電沉積生物組裝、流體動力學交互生物組裝、微纖維加工以及磁控微操作生物組裝等5類技術在人工組織制造中取得的原創(chuàng)性成果與關鍵技術。
《機器人微納生物組裝與生物制造》緊密結合組織工程與再生醫(yī)療國際前沿研究,不僅系統(tǒng)性地介紹了機器人微納生物操作相關理論,更對機器人化人工組織制造研究方案與典型案例進行了深入分析。因此,不論是對初次涉足微納機器人與生物制造領域的大專院校研究生,還是對已經(jīng)有一定工作經(jīng)驗的專業(yè)科技人員,都具有很好的參考價值。
人工組織與器官制造技術作為當前多學科交叉的新興研究領域,以構建與人體真實組織具有相似結構與功能的替代品為目標,在器官衰竭、失效、癌變等重大疾病的治療、新藥研發(fā)與篩選中潛力巨大,并有望從根本上解決器官移植中供源不足、免疫排斥等問題。
傳統(tǒng)的組織工程技術以生物兼容或生物可降解材料為原料,通過構建具有特定三維形貌的細胞支架并實現(xiàn)種子細胞的著床生長,已能夠構建一批應用于臨床的人體組織替代品。然而,受細胞支架制備精度、生物材料降解速率與細胞生長速度可控性限制,現(xiàn)有技術仍難以構建從宏觀形貌到微觀特性均能模擬人體真實結構的人工組織。模塊化組織工程技術作為近年來快速興起的研究分支,通過將種子細胞封裝入具有特定微結構特性的微模塊中,并按人體組織、器官形貌進行三維組裝,實現(xiàn)了更為精密且兼顧生理學特性的人工組織制造。然而,該類方法的研究在國際上仍處于探索階段,開發(fā)高精度、穩(wěn)定、高效的生物操作與生物制造技術,實現(xiàn)模塊化組織工程對復合型高精密人工組織的高通量、自動化制造,是未來人工組織走出實驗室投入臨床應用的關鍵。
本書基于著者長期在微納操作機器人與微納生物制造領域的理論與技術積累,提煉凝聚多年來在機器人與微納制造領域國際期刊發(fā)表的系列成果,介紹了本人在生物細胞與人工組織的機器人化微納操作與生物制造方面的原創(chuàng)性研究成果。從基本概念、基礎理論、發(fā)展概況、研究方案與實踐等,開展對細胞的機器人化三維組裝與人工組織生物制造等方面理論與實踐的系統(tǒng)論述。內容可歸納為兩部分:前4章,針對人工組織與器官的機器人化微納生物制造這一新興多學科交叉技術,全面闡述機器人化細胞組裝與生物制造總體方法、生物微納操作中涉及的物理理論、細胞化組裝模塊的加工方法和生物微納操作方法;后5章,重點闡述著者基于跨尺度機器人協(xié)同生物組裝、光致電沉積生物組裝、流體動力學交互生物組裝、微纖維加工以及磁控微操作生物組裝等5類技術在人工微組織制造方面取得的原創(chuàng)性研究成果與關鍵技術。全書既涵蓋人工組織、器官的生物制造及應用、典型機器人化生物制造技術的基本概念與研究進展,更重點突出了著者研究團隊在該領域的多年經(jīng)驗積累,其主要創(chuàng)新點如下:
。1)首次開展了基于多機器人跨尺度協(xié)同的人工微血管制造研究,成功制造了200μm尺度人工微血管,為復雜人工組織內部營養(yǎng)供給提供了解決方法(見第3、5章);
。2)在國內首次開展了三維肝小葉人工組織生理學、藥理學測試模型的機器人化微納生物制造,實現(xiàn)了具有生物功能的微尺度肝模型的離體構建,為未來新藥測試與篩選開辟了新的途徑(見第6、7章);
。3)創(chuàng)新性地提出了具有磁性的可降解微纖維片上封裝與磁控組裝方法,通過磁性納米顆粒封裝與微纖維三維引導組裝,突破了機械特性可控的三維人工微組織制造模式(第8、9章)。
綜上,本書全面、系統(tǒng)地論述并總結了微納機器人生物操作與生物制造及其在組織工程與再生醫(yī)療中的應用,展示了著者及其團隊在生物醫(yī)學微納機器人領域的原創(chuàng)成果,為未來生物制造技術全面投入應用奠定了堅實的理論與工程基礎。
第1章 機器人化微納生物制造技術
1.1 組織工程中的生物制造技術
1.1.1 組織工程研究進展
1.1.2 生物制造技術概述
1.2 自上而下型生物制造方法
1.2.1 基于細胞支架的生物制造技術
1.2.2 免細胞支架的生物制造技術
1.3 自下而上型生物制造方法
1.3.1 細胞化模塊制造技術
1.3.2 細胞化模塊組裝技術
1.4 機器人化細胞組裝方法
1.4.1 細胞組裝概述
1.4.2 微納生物操作技術研究進展
1.4.3 微納操作機器人研究進展
參考文獻
第2章 生物微納操作中的物理體系
2.1 微納尺度效應
2.2 微納尺度下的材料與力學性能
2.2.1 材料的基本力學特性
2.2.2 彈塑性變形
2.2.3 疲勞與斷裂
2.3 微納尺度下的流體力學
2.3.1 流體力學基本假設
2.3.2 流體力學基本方程組
2.3.3 納維一斯托克斯方程
2.3.4 雷諾數(shù)
2.3.5 黏性不可壓縮流體運動
2.3.6 擴散現(xiàn)象
2.3.7 表面張力與親疏水性
2.4 微納尺度下的電磁現(xiàn)象
2.4.1 靜電作用
2.4.2 范德華力
2.4.3 介電力
2.4.4 電泳現(xiàn)象
2.4.5 電磁場理論與應用
2.5 微納尺度下的光學技術
2.5.1 顯微成像
2.5.2 激光捕獲
參考文獻
第3章 細胞化微模塊加工技術
3.1 光固化技術
3.1.1 基于掩膜版的光固化加工工藝
3.1.2 立體光刻技術
3.2 微流控法
3.2.1 點狀細胞化微模塊
3.2.2 線狀細胞化微模塊
3.2.3 平面狀細胞化微模塊
3.3 生物打印
3.3.1 基本原則
3.3.2 細胞3D生物打印
3.3.3 基于細胞液滴的生物打印技術
3.3.4 基于擠壓的細胞生物打印
3.3.5 基于立體光刻的細胞生物打印
參考文獻
第4章 生物微納操作方法
4.1 機械微納操作
4.1.1 機械微納操作原理
4.1.2 機械微納操作機器人系統(tǒng)
4.1.3 機械力生物微納操作應用
4.2 磁驅動微納操作
4.2.1 磁驅動原理
4.2.2 磁驅動微納操作機器人系統(tǒng)
4.2.3 磁驅動生物微納操作應用
4.3 光驅動微納操作
4.3.1 光鑷原理
4.3.2 光鑷微納操作系統(tǒng)
4.3.3 光鑷生物微納操作
4.4 電場驅動微納操作
4.4.1 介電泳原理
4.4.2 介電泳微納操作機器人系統(tǒng)
4.4.3 光誘導介電泳微納操作機器人系統(tǒng)
4.4.4 介電泳生物微納操作應用
4.5 聲場驅動微納操作
4.5.1 聲場驅動原理
4.5.2 聲場驅動微納操作機器人系統(tǒng)
4.5.3 聲場驅動生物微納操作應用
參考文獻
第5章 基于多機器人協(xié)同的血管化人工微組織組裝技術
5.1 跨尺度細胞組裝機器人系統(tǒng)
5.1.1 導軌微操作機器人系統(tǒng)設計
5.1.2 微納操作機器人末端執(zhí)行加工
5.2 細胞微結構的協(xié)同微組裝方法
5.2.1 二維細胞微結構設計與片上加工
5.2.2 微納操作機器人二維細胞結構拾取策略
5.2.3 多操作器協(xié)同組裝策略設計
5.3 面向多探針協(xié)同操作的顯微視覺反饋
5.3.1 二維微結構組裝單元識別與過濾
5.3.2 微納操作機器人末端探針三維定位
5.3.3 微操作器視覺跟蹤
5.3.4 微納操作機器人多操作器識別與跟蹤
5.4 血管化人工微組織的自動化三維組裝
5.4.1 微納操作導軌機器人視覺反饋系統(tǒng)評估
5.4.2 類血管三維細胞微結構協(xié)同組裝
參考文獻
第6章 基于光致電沉積的人工微組織組裝技術
6.1 介紹
6.2 細胞化微膠囊設計與制造
6.2.1 海藻酸水凝膠材料
6.2.2 海藻酸一聚賴氨酸微膠囊的制備
6.2.3 海藻酸一聚賴氨酸微膠囊結構和形狀的優(yōu)化
6.2.4 海藻酸一聚賴氨酸微膠囊的肝細胞嵌入式生長
6.3 表面處理及共培養(yǎng)
6.4 微組織的組裝和自黏合
6.5 總結
參考文獻
第7章 基于流體動力學交互的人工微組織組裝與功能評估
7.1 薄片狀仿肝小葉微單元結構制作
7.1.1 微流道芯片設計
7.1.2 水凝膠選擇
7.2 基于表面張力驅動的微機器人三維組裝
7.3 細胞化二維仿肝小葉微單元制作加工
7.4 多細胞化六邊形微單元的體外共培養(yǎng)
7.4.1 PEGDA光固化對細胞活性的影響
7.4.2 六邊形微單元的多細胞共培養(yǎng)
7.5 細胞化六邊形微單元的三維組裝
7.5.1 三維拾取操作
7.5.2 基于流體動力學交互的對齊組裝
7.6 仿肝小葉三維微組織的體外培養(yǎng)
7.6.1 仿肝小葉三維微組織的細胞活性評估
7.6.2 仿肝小葉三維微組織的肝功能評估
參考文獻
第8章 海藻酸鈣水凝膠微纖維片上加工與應用
8.1 概述
8.2 基于微流控芯片的微流體紡絲方法
8.2.1 平行層流
8.2.2 同軸層流
8.2.3 與閥門相關的紡織方法
8.3 海藻酸鈣水凝膠微纖維作為細胞培養(yǎng)的支架
8.3.1 三維細胞培養(yǎng)
8.3.2 仿生微結構
8.3.3 細胞向導
8.4 “豆莢狀”微纖維加工與磁力評估系統(tǒng)設計
8.4.1 加工微流控平臺設計
8.4.2 基于微流道的微油滴磁力測試方法
8.4.3 片上加工“豆莢狀”微纖維的微流體操作
8.5 基于微流體流速的“豆莢狀”微纖維成形控制方程建立
8.5.1 各溶液流速對微纖維結構影響分析
8.5.2 數(shù)據(jù)擬合及成形控制方程建立
8.6 片上微油滴磁力測試與磁性纖維磁力評估
參考文獻
第9章 基于磁引導的人工微組織組裝技術
9.1 基于磁引導的微組織組裝的發(fā)展現(xiàn)狀
9.2 基于尖端電磁鑷引導的纏繞式細胞三維微組裝方法
9.2.1 概述
9.2.2 尖端電磁鑷引導微操作的必要性分析
9.2.3 微組裝系統(tǒng)設計
9.2.4 微機器人操作系統(tǒng)
9.2.5 微纖維纏繞長度優(yōu)化
9.2.6 磁鑷尖端與微纖維相互作用分析
9.2.7 尖端電磁鑷運動軌跡規(guī)劃
9.3 基于永磁引導沉淀的流道打印式細胞三維組裝方法
9.3.1 組裝系統(tǒng)設計
9.3.2 PDMS微流道噴頭微纖維噴射控制
9.3.3 磁引導系統(tǒng)的優(yōu)化
9.3.4 磁性納米粒子濃度優(yōu)化
9.3.5 打印操作與體內組織形狀模擬
9.3.6 三維體內組織形狀模擬
參考文獻