Microfluidic Applications in Biology pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Wiley-VCH

作者:Lion, Niels (EDT)/ Rossier, Joel S./ Girault, Hubert H.

出品人:

页数:340

译者:

出版时间:2006-12-15

价格:USD 200.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9783527317615

丛书系列:

图书标签:

• Microfluidics
• Biology
• Biotechnology
• Lab-on-a-Chip
• Bioengineering
• Biomedical Engineering
• Cell Biology
• Molecular Biology
• Diagnostics
• Analytical Chemistry

生物物理与细胞动力学：探索微观世界的复杂相互作用 本书聚焦于生命系统在物理尺度上的精妙调控与动态行为，深入剖析了细胞、分子以及组织层面上的物理学原理如何驱动生物学功能。全书结构严谨，内容涵盖了从基础物理模型到前沿实验技术的广泛领域，旨在为生物物理学家、生物工程师以及对生命科学交叉领域感兴趣的研究人员提供一个全面而深入的参考。 --- 第一部分：生物物理基础与尺度效应 本部分奠定了理解生命现象中物理作用力的基础。我们首先回顾了在微米到纳米尺度上支配物质行为的关键物理定律，特别是流体力学、热力学以及表面与界面现象在生物环境中的特殊表现。 第一章：生物环境中的流体动力学 本章详尽阐述了低雷诺数（Stokes流）在细胞尺度上如何成为主导，并探讨了粘弹性流体在细胞质和细胞外基质中的流动特性。重点分析了非牛顿流体行为在血液动力学、粘液渗透以及细胞迁移路径选择中的关键作用。我们引入了拉格朗日和欧拉描述方法，用于模拟细胞内外的物质输运和剪切应力分布。此外，本章还讨论了微弱的布朗运动与宏观对流运动之间的相互作用，及其对分子扩散过程的影响。 第二章：细胞力学与机械信号转导 细胞并非被动的结构，而是主动的机械传感器和效应器。本章深入研究了细胞骨架（肌动蛋白、微管和中间纤维）的力学特性，包括其刚度、粘弹性以及在应力下的重组机制。我们详细介绍了形变测量技术，如原子力显微镜（AFM）的应用，用以量化活细胞的表面模量和粘附强度。特别地，本章阐述了整合素介导的细胞外基质（ECM）相互作用如何将机械信号转化为生化信号，探讨了牵张力对基因表达、细胞分化乃至疾病（如纤维化）发生的影响。 第三章：分子间的非共价相互作用 生物过程的精确性往往依赖于一系列微弱的非共价力。本章系统梳理了范德华力、氢键、疏水作用力以及静电力在分子识别、蛋白质折叠和膜融合过程中的贡献。通过计算模拟和生物热力学分析，我们量化了这些力在确定特定结合亲和力和反应动力学中的相对重要性。此外，对水分子的“动态海洋”效应进行了深入探讨，阐明了溶剂结构如何调节生物大分子间的有效相互作用势。 --- 第二部分：细胞动力学与组织构建的物理模型 本部分将关注点从单个分子扩展到活的细胞群落和多细胞系统的动态行为，重点应用数学建模和成像技术来解析复杂的生命现象。 第四章：细胞迁移与趋化行为的物理驱动力 细胞迁移是组织发育、免疫应答和癌症转移的核心过程。本章将细胞运动视为一个受驱动的、自组织的过程。我们建立并分析了基于极性信号、肌动蛋白流驱动和牵引力产生/释放的数学模型。详细探讨了化学趋化（Chemotaxis）和导向趋化（Directotaxis）的物理机制，特别是细胞如何解析和整合空间梯度信息。对细胞“行走”的几何学和拓扑学进行了分析，解释了细胞如何克服阻力并实现定向移动。 第五章：细胞群落与组织形态发生 在多细胞组织中，细胞间的接触、通讯和集体运动共同决定了器官的最终形态。本章采用相场模型（Phase-Field Modeling）和元胞自动机（Cellular Automata）来模拟上皮层、间充质转变（EMT）以及胚胎发育中的组织重塑。讨论了细胞-细胞粘附分子（如钙粘蛋白）的力学作用，及其如何调节组织尺度的张力平衡。通过对软物质材料特性的理解，我们解释了组织硬度如何反馈调节细胞行为，形成发育的稳态或病理性的失控。 第六章：活细胞中的物质输运与代谢动力学 物质在细胞内部和细胞间的有效输运是维持生命活动的先决条件。本章研究了跨膜转运、细胞内囊泡运输（如驱动蛋白介导的运动）的动力学模型。重点分析了扩散受限（Diffusion Limitation）和对流辅助输运在营养物质分配和信号分子传递中的作用。此外，本章引入了代谢网络的耦合模型，探讨了物理约束（如细胞体积、膜曲率）如何影响酶促反应速率和能量代谢的稳态。 --- 第三部分：前沿技术与跨尺度测量 本部分侧重于当前用于解析生物物理现象的先进实验技术，强调了如何将多尺度信息整合起来构建统一的物理图景。 第七章：高分辨率力学成像与活细胞分析 本章系统介绍了用于测量活细胞和亚细胞结构机械性能的成像技术。除了更详细地介绍原子力显微镜（AFM）在活体环境下的操作和数据解释，我们还深入探讨了双光子激发显微镜（2PEF）结合荧光探针对细胞骨架张力的间接测量方法。重点介绍了“光镊技术”（Optical Tweezers）在单分子尺度上解析分子马达（如肌球蛋白和驱动蛋白）力输出和步长特性的应用，并讨论了其在测量DNA/RNA拓扑结构变化中的潜力。 第八章：微流控环境下的生物物理平台设计 本章介绍了工程化微环境（Microenvironments）在模拟体内生理条件中的关键作用。我们详细讨论了如何利用微流控芯片精确控制流体剪切力、化学梯度以及三维支架材料的物理性质。阐述了如何构建集成化的“器官芯片”（Organ-on-a-Chip）系统，用于研究药物在不同机械环境下（如肺部气流冲击、血管脉动）的吸收和毒性，以及细胞与基质的动态相互作用。 第九章：从单细胞到群体行为的数据分析与建模 生物物理实验产生的数据量庞大且具有高度的时空复杂性。本章专注于解析这些多尺度数据的统计物理方法。内容包括非线性动力学分析、时间序列分析在识别细胞周期和振荡行为中的应用。介绍如何利用贝叶斯推断和机器学习方法来校准和验证复杂的生物物理模型，从而从高维数据中提取出具有生物学意义的普适性物理参数。强调了模型-实验迭代循环在推动生物物理研究前进中的核心价值。 --- 结论：展望生物物理学的未来方向 本书最后总结了当前生物物理学面临的挑战，特别是在整合跨尺度信息和理解复杂系统涌现特性（Emergent Properties）方面的进展。我们预示了计算模拟与先进成像技术进一步融合的趋势，以及生物物理学在再生医学、精准诊断和新型生物材料开发中将扮演的关键角色。本书旨在激发读者以更具定量和机械性的视角，去探索和理解生命现象的深层物理机制。

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