Microdrop Generation (Nano- and Microscience, Engineering, Technology and Medicine)

Microdrop Generation (Nano- and Microscience, Engineering, Technology and Medicine) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:CRC Press
作者:Eric R. Lee
出品人:
页数:272
译者:
出版时间:2002-12-10
价格:USD 185.95
装帧:Hardcover
isbn号码:9780849315596
丛书系列:
图书标签:
  • 资料
  • Microfluidics
  • Droplet Microfluidics
  • Lab-on-a-Chip
  • Microdrop Technology
  • Nanotechnology
  • Biotechnology
  • Chemical Engineering
  • Materials Science
  • Microscience
  • Medical Applications
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具体描述

The applications and use of inkjet-like microfluidic drop ejectors have grown rapidly in many fields, including biotechnology, drug discovery, combinatorial chemistry, and microfabrication. Yet to date, end users and even designers of microdrop systems for scientific applications have had no books to reference on the subject. Microdrop Generation meets the needs of all those who need to understand the physics and engineering behind microdrop technology. It also contains detailed, how-to information on the practical construction, operation, troubleshooting, and fluid formulation for microdrop ejection systems. Written by a highly experienced practitioner of the art, the book is organized as a self-contained tutorial of microdrop technology ideal for those new to the field.

精密流体控制与应用前沿:从宏观到纳米尺度的技术革新 本书涵盖了流体动力学在微纳尺度下的基础理论、前沿实验技术及其在生物医学、材料科学和工程制造等领域的颠覆性应用。本书旨在为从事微流控芯片设计、生物传感器开发、药物递送系统构建以及精密喷墨打印等领域的研究人员和工程师提供一套全面、深入的技术图谱和实践指导。 第一部分:微纳尺度流体力学基础与控制原理 本部分深入探讨了在微米和纳米尺度下流体行为的独特性质,这与经典宏观流体力学存在显著差异。我们将详细解析雷诺数($Re$)、毛细数($Ca$)和斯托克斯数($Stk$)在极小尺度下的物理意义及其对流体运动的决定性影响。 1. 粘性主导的流动范式: 重点分析了普朗特数($Pr$)和韦伯数($We$)在低$Re$环境下的重要性。详细介绍了牛顿流体和非牛顿流体(如聚合物溶液、生物体液)在微通道内的流动特性,包括剪切速率对粘度和非线性行为的影响。讨论了界面张力在微通道内驱动流体运动(如毛细驱动)的机制,并阐述了润湿性(接触角)如何调控微结构表面的流体行为。 2. 跨尺度传热传质: 深入剖析了在微纳尺度下,热量和物质(溶质)的输运机制。由于高比表面积的特点,热边界层和浓度边界层显著变薄,导致传热和传质效率空前提高。探讨了对流-扩散混合模型在微通道中的应用,以及如何利用电场(如电渗流)或磁场精确控制溶质的迁移路径和分离效率。 3. 微结构对流场的影响: 详细考察了微通道几何形状(如弯曲、分叉、收缩段)对局部流场的影响,包括涡流的产生与抑制、二次流动的演化以及流体混合的效率。引入了数值模拟技术(如有限元法/有限体积法)在预测复杂微尺度流动结构中的应用。 第二部分:微纳液滴的产生与操控技术 本部分聚焦于现代流体工程的核心技术——如何精确地生成、捕获、转移和融合微米至纳米尺度的液滴(包括单相和多相体系)。 1. 传统与新型液滴生成方法: T型/阻流式(Flow-Focusing)微流控技术: 详细解析了通过剪切力精确控制液滴尺寸的机理,包括囊泡(Droplet)与膜(Film)的稳定性分析。 油墨喷射技术(Inkjet Printing): 区别于传统的宏观喷墨,本章侧重于压电式(Piezoelectric)和热泡式(Thermal Bubble)驱动器在微升/纳升级分辨率下的响应特性,以及喷射稳定性对粘度、表面张力和驱动脉冲形状的敏感性。 离心/旋转微流控技术: 讨论了如何利用旋转产生的科里奥利力和离心力实现无泵驱动的流体操作,尤其在即时检验(POC)设备中的潜力。 2. 液滴的精确操控与集成: 阐述了将生成的液滴集成到功能性平台上的关键技术。包括电润湿效应(Electrowetting)驱动的液滴移动、声波捕获与排序(Acoustophoresis)以及利用磁性颗粒对液滴内部进行定向修饰的技术。重点分析了液滴合并(Coalescence)和分裂(Splitting)的能量学控制。 第三部分:生物医学与材料科学中的前沿应用 本部分将前述的流体控制原理与工程技术,应用于解决当前生物、材料和工程领域中的重大挑战。 1. 单细胞分析与高通量筛选: 细胞分选与捕获: 探讨了如何利用微流控平台实现对单个细胞的活体分选,包括基于电泳(Electrophoresis)、介电泳(Dielectrophoresis)以及声场梯度的细胞分离技术。 单细胞反应器: 描述了利用微滴作为微型反应釜进行基因表达分析(如scRNA-seq的液滴化平台)、药物敏感性测试和蛋白质组学研究的方法论。 2. 先进生物材料与组织工程: 水凝胶微球制备: 详细介绍了通过油水乳化和光聚合(Photopolymerization)技术,制备具有精确尺寸和特定孔隙结构的生物相容性微球,用于细胞封装和药物缓释载体。 生物墨水与3D生物打印: 探讨了生物墨水的流变学特性要求,以及如何利用挤出式(Extrusion-based)或喷射式(Inkjet-based)技术,构建具有特定血管化结构的功能性组织支架。 3. 精密化学合成与催化: 微反应器: 论述了在微通道内进行快速混合和精确温度控制,如何显著加速化学反应速率并提高产物选择性(例如,用于精细化学品和燃料的快速合成)。 界面催化: 分析了利用液滴或气泡作为移动的反应界面,实现高效异相催化反应的策略和设备设计。 第四部分:集成化与未来挑战 本部分展望了微纳流体技术的未来发展方向,特别关注系统集成化和自动化的趋势。 1. 芯片上的实验室(Lab-on-a-Chip, LOC)与微全分析系统(Micro Total Analysis System, $mu$TAS): 讨论了如何将取样、处理、分离、检测等多个生化分析步骤集成到一块微型芯片上,实现快速、低试剂消耗的自动化分析。重点分析了微型光学、电化学和基于微机电系统(MEMS)的传感器的集成技术。 2. 制造工艺与材料科学: 比较了软光刻(Soft Lithography, PDMS)、玻璃蚀刻、3D打印和薄膜沉积等主流制造技术在实现高精度微结构方面的优缺点。讨论了新型功能化聚合物和生物惰性材料在微流控器件构建中的应用潜力。 3. 开放性问题与新兴领域: 讨论了当前该领域面临的关键挑战,例如,如何在纳米尺度实现流体的可靠控制(如单分子输运)、如何应对生物样本在微通道中的堵塞问题、以及如何将AI和机器学习引入到流场优化和自动诊断流程中。 本书的深度与广度,确保了读者不仅能掌握基础的物理和工程原理,更能洞悉如何将这些技术转化为具有实际影响力的工程解决方案和科学发现工具。

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读后感

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这本书的标题让我联想到近期非常热门的3D生物打印技术,特别是那些能够构建复杂三维组织和器官的先进方法。我知道,在3D生物打印过程中,精确地控制细胞悬浮液的沉积和成型至关重要,微滴技术在这方面有着独特的优势。我曾经阅读过一些关于利用微滴进行细胞封装和组装的研究,它们能够为细胞提供一个微环境,模拟体内细胞外基质,从而促进细胞的存活和增殖。我原以为这本书会深入探讨微滴技术如何与3D打印技术相结合,例如如何利用微滴作为构建单元,逐层打印出具有特定结构和功能的生物组织,或者如何利用微滴技术实现细胞的精确排列和图案化。我也对利用微滴技术进行组织工程支架的制备有所期待,希望看到如何通过控制微滴的大小、形状和组成,来构建具有优良力学性能和生物相容性的支架材料。然而,在我的阅读过程中,我发现书中关于3D生物打印应用方面的讨论相对较少,更多的是围绕微滴生成本身的原理和方法。我希望能够看到更多关于如何利用微滴技术解决3D生物打印中的关键技术难题,例如细胞团聚、打印精度和组织集成等问题。

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我一直对微流控在材料科学领域的应用非常着迷,尤其是那些能够实现新材料制备和性能调控的前沿技术。我最近正在关注的功能材料,如智能响应性聚合物、纳米复合材料等,它们的性能往往与材料的微观结构和组分紧密相关。我曾经了解到,微滴生成技术可以作为一种有效的工具,用于精确控制纳米颗粒的尺寸、形貌和分散状态,或者用于制备具有特定内部结构的微球和微胶囊。我原以为这本书会详细介绍如何利用微滴技术来设计和合成新型功能材料,例如如何通过微滴反应器控制聚合物的聚合过程,制备具有特定分子量分布和链结构的功能聚合物,或者如何利用微滴技术将不同组分的纳米颗粒均匀地分散在基质中,制备高性能的纳米复合材料。我也对微滴在微纳器件制造方面的应用很感兴趣,例如如何利用微滴模板来制备微通道、微传感器等。然而,在我的阅读过程中,我发现书中关于材料科学应用方面的具体案例和技术细节相对较少,更多的是对微滴生成原理的介绍。我希望能够看到更多关于如何利用微滴技术实现材料性能的定向调控,以及如何开发具有创新应用前景的新型功能材料。

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我一直对生物医学工程的前沿技术充满好奇,特别是那些能够带来革命性变化的创新。我最近正在研究一种名为“液体活检”的技术,它能够通过分析体液(如血液、尿液)中的生物标志物来诊断疾病,甚至预测疾病复发。这种技术的核心挑战之一是如何在高灵敏度地检测极低浓度的生物分子,例如ctDNA、外泌体等。我之前接触过一些关于纳米颗粒在生物成像和药物输送方面的研究,它们在增强信号和靶向性方面表现出色。我原本以为这本书会详细介绍微滴技术如何被用于构建微型反应器,实现高通量、高灵敏度的生物分子检测,例如将液体活检样本中的细胞或游离DNA包裹在微滴中进行扩增和测序。我也关注过微流控在单细胞分析领域的应用,期待能看到微滴如何实现单细胞的分离、培养和分析,为肿瘤免疫治疗、基因编辑等研究提供平台。然而,在阅读过程中,我发现书中关于这些具体应用场景的论述相对比较概括,缺乏足够的深度和细节。我希望能够看到更多关于微滴生成与生物传感器集成的具体方案,以及如何利用微滴技术提高液体活检的灵敏度和特异性的案例。

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这本书,老实说,我翻看了好几遍,但总觉得好像少了点什么。我一直对微流控技术在药物递送方面的应用非常感兴趣,尤其是如何精确控制液滴的大小和形状,以便将药物有效地靶向病变部位。我曾经阅读过一些关于微针阵列的文章,它们在穿透皮肤屏障以实现无痛给药方面表现出巨大的潜力,并且在控制释放速率上有着天然的优势。我原本期待这本书能深入探讨微针阵列与微滴生成技术的结合,例如如何通过微针通道输出微滴,或者微滴如何填充微针的空腔,从而实现更高效、更可控的药物释放。我也对微流控芯片的设计有很高的期望,特别是那些能够模拟体内生理环境的芯片,它们在药物筛选和毒性评估方面具有重要意义。然而,在我的阅读过程中,我并没有找到太多关于这方面的具体技术细节和案例研究。虽然书名提到了“微滴生成”,但我感觉这部分内容并没有得到足够充分的展开,更多的是停留在理论层面,而缺乏实际应用的深入分析。我更希望看到的是一些具体的实验设计、数据分析方法,以及在不同应用场景下,如何优化微滴生成参数以达到最佳效果的指导。

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最近,我一直在关注微流控在环境监测和污染物处理方面的潜力。尤其是对于那些难以直接检测或处理的微量污染物,例如环境中的微塑料、重金属离子或者持久性有机污染物,如何利用先进的技术进行高灵敏度的检测和高效的去除一直是一个挑战。我曾经阅读过一些关于微滴技术在微区反应和分离方面的研究,它们能够为这些微量物质提供一个高度集中的反应环境,从而提高检测的灵敏度和反应效率。我原本以为这本书会深入探讨如何利用微滴技术构建微型化的环境传感器,用于实时监测水质、空气质量等,或者如何利用微滴反应器来实现对污染物的催化降解、吸附分离等处理过程。我也对微滴技术在环境样品前处理方面的应用抱有期待,例如如何利用微滴技术对复杂的环境样品进行预浓缩和净化,以减少后续分析的干扰。然而,在我的阅读过程中,我发现书中关于环境科学与工程应用方面的讨论并不突出,更多的是聚焦于微滴生成的基本原理和装置。我希望能够看到更多关于如何将微滴技术应用于解决实际环境问题,例如开发更灵敏、更经济的环境检测方法,或者设计更高效、更绿色的污染物处理技术。

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