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出版者:科学出版社

作者:徐晓宙

出品人:

页数:224

译者:

出版时间:2006-5

价格:24.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787030167767

丛书系列:

图书标签:

• 生物材料学
• 生物材料
• 材料科学
• 生物医学工程
• 组织工程
• 再生医学
• 生物相容性
• 材料特性
• 医疗器械
• 生物材料应用
• 纳米生物材料

《纳米仿生学：结构、功能与应用》 导言： 生命，以其精妙绝伦的设计和无与伦比的效率，始终是人类智慧的终极灵感源泉。从单细胞生物的精巧运作，到复杂生物体的协同工作，自然界中蕴藏着无数令人惊叹的解决方案，它们在纳米尺度上实现着令人难以置信的功能。纳米仿生学，作为一门新兴的交叉学科，正是致力于深入理解这些生物学原理，并将其转化为先进技术和材料的学科。本书《纳米仿生学：结构、功能与应用》将带领读者踏上一段探索之旅，深入剖析生命体在纳米尺度上如何构建、如何运作，以及这些精妙设计如何被我们巧妙地借鉴和应用，以应对人类面临的诸多挑战，驱动科技的革新。 第一章：纳米尺度下的生命奇迹 本章将以宏观视角为基础，引导读者初步认识纳米尺度这一微观世界。我们将探讨原子和分子的尺度，以及在这个尺度上物质所表现出的独特性质。随后，我们将聚焦于生物体内普遍存在的纳米结构，例如构成细胞膜的脂质双层、DNA的螺旋结构、蛋白质的复杂折叠，以及病毒的纳米组装体等。我们将详细介绍这些生物纳米结构的形成机制，以及它们所具备的独特物理、化学和生物学特性，例如极高的比表面积、精确的分子识别能力、自组装能力等。 1.1 纳米世界的尺度与特性： 长度单位的定义与生物学相关性。 量子效应在纳米尺度下的体现。 表面能、范德华力等在纳米结构中的重要性。 1.2 生物体内普遍存在的纳米结构： 细胞膜的脂质双层及其功能。 DNA与RNA的分子结构与信息传递。 蛋白质的折叠与功能多样性。 细胞器内的微观组织与协同。 生物大分子的自组装现象。 1.3 生物纳米结构的形成机制： 模板合成与晶格匹配。 热力学与动力学驱动的自组装。 熵与自由能的变化在生物组装中的作用。 分子识别与相互作用在组装过程中的关键性。 1.4 生物纳米结构的独特性质： 高效的催化能力与酶的纳米反应器。 精确的分子选择性与分离功能。 超强的力学性能与仿生材料的启示。 光学、电学等特殊性质的生物起源。 第二章：结构决定功能：自然界的仿生设计 自然界在漫长的进化过程中，为各种功能找到了最优化、最经济的结构解决方案。本章将从结构与功能的角度出发，深入剖析一系列精妙的生物仿生设计。我们将以具体的生物实例为线索，揭示其独特的结构如何赋予其非凡的功能。例如，荷叶表面的超疏水性与其微纳米结构的关联，蝴蝶翅膀的结构色，鲨鱼皮肤的减阻特性，壁虎的爬行能力等。通过对这些案例的细致解读，读者将能够理解“结构决定功能”这一核心理念在自然界中的深刻体现。 2.1 表面结构与润湿性： 荷叶的超疏水表面：微纳米绒毛与表面张力的协同作用。 猪笼草的超亲水表面：黏附性与捕食机制。 水黾的疏水足：表面张力与疏水涂层的仿生。 2.2 结构色与光学现象： 蝴蝶翅膀的结构色：多层膜干涉与光衍射。 孔雀羽毛的结构色：光子晶体效应。 蓝色蝴蝶的结构色形成与颜色饱和度。 2.3 表面微结构与流体力学： 鲨鱼皮肤的皮齿结构：减缓湍流与提高泳速。 鲸鱼头部的结节：提高水翼效率。 仿生船体表面设计。 2.4 粘附结构与运动能力： 壁虎的足垫：范德华力与干性粘附。 某些昆虫的附着结构：毛发、爪钩等。 仿生粘附材料的设计与应用。 2.5 骨骼与材料力学： 骨骼的多孔结构与力学性能。 贝壳的层状结构与抗冲击性。 竹子的力学性能分析。 第三章：仿生材料的构建策略 理解了自然界的精妙设计后，本章将着眼于如何将这些原理转化为实际的材料。我们将介绍当前仿生材料的构建策略，包括但不限于模仿生物结构的物理化学方法，以及利用生物分子自身特性的技术。这部分内容将涵盖纳米制造技术、自组装技术、生物矿化等关键领域，并重点介绍如何实现生物材料在结构、性能上的模拟与超越。 3.1 模仿生物结构的制造技术： 纳米压印、电子束曝光等微纳加工技术。 模板辅助合成法：孔洞模板、生物模板。 3D打印技术在仿生结构制造中的应用。 3.2 生物分子自组装的驱动与控制： 利用蛋白质、核酸等构建纳米结构。 多级自组装的策略：从分子到宏观结构。 外部场（电、磁、光）对自组装的调控。 3.3 生物矿化与仿生无机材料： 壳质-碳酸钙复合材料的仿生。 仿生骨骼与牙齿材料。 生物矿化诱导的陶瓷与复合材料。 3.4 智能响应性仿生材料： pH、温度、光等刺激响应性材料。 仿生肌腱的柔韧性与可控形变。 模拟生物传感与信号传导的材料。 3.5 仿生复合材料设计： 多尺度、多组分协同设计的原则。 兼顾力学、光学、导电性等多种性能。 仿生材料的韧性与断裂韧性提升。 第四章：纳米仿生学的应用领域 纳米仿生学的潜力是巨大的，其应用已经渗透到各个领域，并在不断拓展人类的能力边界。本章将深入探讨纳米仿生学在各个前沿领域的具体应用，包括医疗健康、能源环境、信息技术、先进制造等。我们将通过具体的案例分析，展示仿生材料如何解决现实世界中的问题，并描绘其未来的发展前景。 4.1 医疗健康领域： 仿生药物递送系统：靶向性、缓释性。 仿生组织工程支架：促进细胞生长与组织再生。 仿生生物传感器：疾病早期诊断与监测。 仿生植入物与假肢：提高生物相容性与功能性。 仿生抗菌表面与抗污材料。 4.2 能源与环境领域： 仿生太阳能电池：提高光电转换效率。 仿生水处理膜：高效分离与净化。 仿生催化剂：提高反应效率与选择性。 仿生吸附材料：空气净化与污染物去除。 仿生固氮与二氧化碳捕获技术。 4.3 信息技术与电子学： 仿生传感器与显示器。 仿生存储器件。 仿生机器人与智能系统。 仿生光学器件与通信技术。 4.4 先进制造与航空航天： 仿生轻质高强材料。 仿生隔热与吸声材料。 仿生自修复材料。 仿生表面涂层与防护技术。 4.5 农业与食品科学： 仿生保鲜技术。 仿生传感器用于食品质量检测。 仿生农药载体。 第五章：挑战与未来展望 尽管纳米仿生学取得了令人瞩目的成就，但该领域的发展仍面临诸多挑战。本章将对当前技术瓶颈进行梳理，并对未来的研究方向进行展望。我们将探讨如何实现更复杂、更智能的仿生系统，如何降低仿生材料的生产成本，以及如何评估和管理仿生材料的环境和社会影响。最终，本书将强调纳米仿生学作为连接生命科学与工程科学的桥梁，将持续推动人类社会向更可持续、更智能的方向发展。 5.1 当前技术瓶颈与挑战： 从微观到宏观尺度的集成与放大。 大规模、低成本、可控性制造。 仿生系统的复杂性与稳定性。 生物安全与伦理考量。 性能的长期稳定性与可重复性。 5.2 未来研究方向与前沿探索： 人工生命系统与合成生物学的融合。 基于人工智能的仿生设计。 多功能、多尺度仿生材料的开发。 仿生机器人的智能化与自主性。 与自然生态系统协同的仿生技术。 5.3 纳米仿生学对社会的影响与展望： 推动科技革命与产业升级。 解决全球性挑战，如资源短缺、环境污染、疾病治疗。 人与自然和谐共生的新范式。 结语： 《纳米仿生学：结构、功能与应用》旨在为读者提供一个全面而深入的视角，理解生命体在纳米尺度上的智慧，并激发创造力，将这些智慧转化为解决现实问题的创新技术。通过本书的学习，我们希望读者能够深刻认识到，与自然的和谐共生，是科技进步最深刻的驱动力之一，而纳米仿生学，正引领我们走向一个更加美好的未来。

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从一个偏向**材料科学基础**角度来看待，这本书提供了异常清晰和系统的知识框架。它没有把**生物相容性**这个概念简单化，而是将其拆解为一系列可量化的指标和相互作用机制。书中对**表面能、润湿性与蛋白质吸附**之间复杂关系的阐述，非常具有启发性，它揭示了生物材料成功的核心往往在于其**表面的“对话”艺术**。我感觉这本书在强调**“设计先行”**的理念，即在材料合成之初，就必须将最终的生物学功能和环境反馈纳入考量，而非事后修补。特别是在讨论**生物活性涂层技术**时，作者对不同**偶联剂和接枝聚合方法**的优劣势对比分析，展现了极高的专业水准。这本书不仅是关于“做什么”的指南，更重要的是它回答了“为什么这样做”的内在逻辑，为后续的创新研究提供了坚实的理论基石和丰富的灵感源泉。

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这本书的叙事节奏把握得非常到位，它没有那种传统教科书的枯燥感，反而像是一部精心编排的**材料科学史诗**。从**早期生物材料的发现与应用**，到如今各种**纳米尺度的精密制造**，作者以时间为轴，清晰地勾勒出了该领域的发展脉络。我个人对其中关于**生物力学与界面反应**的论述印象尤深。它没有回避材料植入体内后可能出现的炎症反应或生物相容性挑战，反而直面这些难题，并展示了科学家们是如何通过**表面改性技术**来优化材料与宿主组织的和谐共存。书中对**金属、陶瓷以及复合材料**在骨科植入物中的应用对比分析得极其到位，数据翔实且论证有力。阅读过程中，我不断地在思考，究竟是哪种力量在驱动着材料从惰性物质转变为**具有生命活性的辅助工具**？这种哲学层面的思考，使得这本书的价值远超出了纯粹的技术手册范畴，它更像是一次对**人与非人造物之间关系**的深度探索。

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这份资料的详尽程度令人印象深刻，它简直就是一份**跨学科知识的超级集成包**。我尤其欣赏作者在介绍**可降解材料的动力学研究**时所采用的详尽建模方法。那种对**时间、浓度和pH值**如何影响材料结构稳定性的数学描述，虽然初看有些挑战性，但一旦理解了背后的逻辑，便会发现这是理解材料“生命周期”的关键。书中对**生物活性玻璃**的介绍部分，简直就是一篇精彩的案例研究，展示了如何设计一种材料，使其在完成使命后能够**无缝地被身体组织取代**，而非仅仅是作为一个被动的替代品。此外，对**组织工程支架的孔隙结构与细胞迁移**之间关系的探讨，也展现了作者在**微观尺度设计**上的深厚功底。读完这部分，我感觉自己仿佛亲身参与了一场关于如何“培育”新器官的复杂工程，那种**精细调控生物微环境**的艺术性，着实令人叹服。

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这本书读起来感觉就像是进入了一个全新的、充满可能性的世界。作者的笔触非常细腻，对材料的性质、结构的描述深入浅出，即便是我这种非科班出身的读者，也能大致理解其中的复杂概念。书中对不同类型材料的分类和特性讲解得非常透彻，尤其是那些关于**仿生设计与组织再生**的章节，读起来让人心潮澎湃。它不仅仅是罗列知识点，更像是娓侃道来一个关于如何用**工程学思维解决生物学难题**的故事。我特别喜欢作者在描述实验过程和最新研究进展时所展现出的那种严谨与热情并存的态度。比如，在谈到**高分子水凝胶**在药物递送方面的应用时，那种对材料**形变与环境响应**的精妙控制，简直让人叹为观止。总的来说，这本书极大地拓宽了我对**人造物质如何融入生命系统**的认知，它成功地架起了基础科学与实际应用之间的桥梁，是一本值得反复研读的佳作，让人在惊叹于科技进步的同时，也对未来医学的发展充满了期待。

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这是一本极具**前瞻性与实用性**的著作，它成功地将理论的深度与工程的广度完美结合。这本书的结构安排非常巧妙，总能在关键时刻引入一个**颠覆性的概念或应用实例**，从而保持读者的好奇心。例如，关于**智能释放系统**的章节，对我启发极大。作者详细阐述了如何通过**外部刺激（如光、磁场或温度）**来精确控制活性药物的释放时间点和剂量，这简直是**个性化医疗的终极体现**。书中对**材料的疲劳寿命和长期稳定性**的评估方法也写得十分细致，这对于任何希望将实验室成果转化为临床产品的工程师或研究者来说，都是不可或缺的宝贵经验。我特别喜欢它对**监管审批流程**的简要提及，这让读者意识到，从一块新材料到真正救死扶伤的植入物之间，还有漫长而严苛的“试炼之路”，使得整本书的视角更加**立体和成熟**。

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