第1章 生物材料：历史回顾与当今的发展方向 1
引言 1
历史背景 2
第一代生物材料（1950～1960年） 3
通用特征 3
天然生物材料 5
金属和合金 6
陶瓷 7
聚合物 8
复合材料 9
第二代生物材料（1970～2000年） 10
通用特征 10
生物降解聚合物 11
水凝胶 12
生物活性和生物降解陶瓷 14
第三代生物材料（2000年以来） 14
组织工程中的生物材料 14
微/纳米技术和生物材料 15
总结 18
参考文献 18
第2章 植入装置引起的宿主免疫应答 22
免疫系统概述 22
宿主对植入装置引起的免疫应答 25
纳米科技和免疫系统 29
结论 30
参考文献 30
第3章 纳米生物技术 33
引言 33
以自然为师 35
线性和旋转分子马达 35
鲍鱼壳 36
DNA纳米技术 36
结构性DNA组装 37
纳米孔DNA测序 37
DNA和碳纳米管的耦合 37
DNA修饰的表面 38
纳米颗粒 38
纳米颗粒用于生物测定 39
纳米颗粒作为药物输送的载体 40
纳米颗粒作为造影剂 41
未来之路和商业思考 41
参考文献 43
第4章测量活细胞内跨膜离子流的下一代传感器 47
引言 47
背景 47
纳米探针和纳米尖表征 48
探针阵列 54
单尖和尖阵氮化硅悬臂阵列 54
超锐高长径比硅尖多重阵列 54
硅通孔结构的制备 55
纳米探针测量的潜在影响 56
中性粒细胞 57
软骨细胞 58
总结和展望 58
参考文献 59
第5章 细胞结构的合成 63
引言 63
组织和器官的多维结构 63
胰腺 64
肝脏 65
软骨 65
细胞图案成形 66
细胞图案成形方法 66
纳米细胞图案成形技术 67
人工生物装置 67
高级细胞共培养体系的微加工 68
硅显微机械加工 69
生物降解材料加工 70
图案成形细胞降解聚合物结构合成 73
包含细胞的聚合物薄膜 74
包含细胞的硅薄膜 77
包含图案成形细胞的互连硅结构 78
图案成形细胞复合层：基于模块化的平板人工生物肝脏 83
结论 84
参考文献 84
第6章 细胞机械传导 89
引言 89
细胞的机械刺激 90
压力 90
应变 91
流体流动——导致的剪切力 94
流动电位 97
化学传递 99
细胞探测机械刺激 100
机械敏感通道/机械门控通道 100
机械敏感受体 101
细胞外基质、整合素蛋白和细胞骨架复合体 101
细胞对机械刺激的回应 104
第二信使的激活 104
细胞骨架重组 106
细胞间信号蛋白 106
基因转录 107
自分泌/旁分泌因子的释放 108
基质蛋白生成 110
间隙连接 110
总结 111
参考文献 111
第7章 纳米构筑、纳米计算、纳米技术和DNA结构 125
引言和背景 125
DNA及其相关结构 127
DNA规则 128
DNA网络构造 129
动力学和计算系统概览 132
可微分的不变流形 132
偶合混沌系统为一同步过程 134
作为网络构筑的流体拓扑 134
作为基础流动的手性拓扑学：DNA连接器 135
数据表示法，流动模型和生物系统里的动力学 140
信号编码：流动模型里的数据表示法和Riccati方程式 141
从Xmoz门到“生命游戏” 141
生物稳健设计 143
结论和展望 146
参考文献 147
第8章 单分子光阱研究和分子马达中的肌球蛋白家族 151
引言 151
肌球蛋白 151
肌球蛋白家族概述 151
肌球蛋白Ⅱ 153
肌球蛋白V 154
肌球蛋白Ⅵ 155
肌球蛋白的早期研究 155
系统的最简化 155
离体的机动性试验：意义和局限性 157
单马达光阱试验 158
单分子实验 158
光阱 158
三珠试验 159
单珠试验 159
光阱实验的注意事项 159
反馈光阱试验 161
肌球蛋白Ⅱ 162
工作行程测量法 162
行程力测量：位置钳再思考 164
位移持续时间和肌动肌球蛋白相互作用之动力学 165
耦合与效率 166
肌球蛋白V 168
演示持续性：回归滑丝试验 168
演示持续性：光阱 169
行程和步长 169
驻留时间测量 172
解决杠杆臂争论 173
肌球蛋白Ⅵ 176
杠杆臂模型的缺陷 176
受负荷影响的步进行为 177
负荷对肌球蛋白Ⅵ的影响：步进模型简述 180
负荷对核苷酸结合的影响：锚定模型简述 183
结论 184
参考文献 185
第9章 生物矿化：纳米技术中的物理化学与生物学过程 190
引言 190
晶体形核 191
晶体生长 192
结论 196
参考文献 196
第10章DNA中高分子电解质的行为——自组装的环形纳米颗粒 198
引言 198
环形DNA纳米颗粒：实验观察 199
“反荷离子凝聚”与“凝聚” 202
什么是“半柔性高分子电解质”，它们是如何成环的 203
颗粒团聚 205
总结及生物纳米技术的意义 208
参考文献 209
第11章 医学与外科中的微米和纳米机电系统 214
引言 214
材料科学 214
特殊疾病的显微技术 218
糖尿病 218
心血管疾病 223
远程遥感 225
消化道 226
肿瘤学 227
癫痫症、脑积水及神经创伤中的应用 228
外科技术 230
结论 232
参考文献 232
第12章 活体中的分子和细胞过程的成像 237
引言 237
基于细胞分子生物学的成像技术的进展 239
整体化方法的简述 239
结构与功能 239
相关细胞培养试验 240
已有的和新兴的活体分子分析技术 240
临床的成像设备 241
最适合动物模型成像的技术 242
用于活体基因表达模式成像的报告基因 244
PET报告基因 244
SPECT报告基因（NIS） 245
荧光蛋白 245
萤光素酶和相关蛋白 245
Lac Z和含钆化合物的激活 247
多功能报告基因 247
染色剂和试剂：量子点 248
结论与展望 249
参考文献 249
第13章 组织工程和人造细胞 257
引言 257
人造细胞作为单元结构 258
细胞膜 258
膜转运 259
原型祖细胞 260
人造细胞原型和设计思路 261
细胞内膜和酶系统 261
通道蛋白 262
离子转运 262
人造细胞作为脂质体 263
核功能 264
酶活性 264
免疫识别 265
人造细胞和纳米结构膜体系 265
红细胞替代品 265
安全性 266
总结和未来发展方向 266
参考文献 267
第14章 人造器官和干细胞生物学 274
引言 274
定义 274
需求 275
可得性 275
干细胞能力 276
多潜能性 276
全能性 276
无限增殖 277
胚胎干细胞 277
胚芽层 277
神经嵴 277
成体干细胞 278
间质细胞 278
造血干细胞 278
神经中枢 279
间质干细胞 279
软骨 279
骨 279
肌腱 280
造血干细胞 280
识别 280
分离 281
骨髓 281
神经干细胞 281
内生细胞 281
血-脑屏障 282
干细胞微生态环境和组织修复 282
肝脏再生 283
肌肉修复 284
胰腺β细胞 284
基体材料依赖性的分化 284
天然产物 284
聚合物 285
生物玻璃和陶瓷 285
纳米技术和支架结构 285
固定的表面黏附 286
可降解的表面 286
微流体力学 286
总结及展望 287
参考文献 287
第15章 微生物膜 297
引言 297
微生物膜的普遍特性 298
人体环境中的生物膜 298
自然环境中的生物膜 300
微生物膜的性质 300
生长的差异性 301
功能的异质性 301
新陈代谢的相互作用 304
信号传导的相互作用 305
相变异和表型适应 307
结论 309
参考文献 309
第16章 应用于心脏病学与心脏外科术中的纳米生物学 313
第一部分：应用于诊断的纳米技术与纳米生物学 314
血管形成的分子成像 314
细胞的成像 314
人造分子受体 314
流动加速度传感器 315
在治疗学上的应用 315
抗增生药靶向传输/预防经皮肤血管再形成后的再狭窄 315
智能药物 315
纳米机器人 316
基于DNA的纳米机器人 316
血管形成辅助设备 316
呼吸细胞 317
凝血细胞 317
第二部分：纳米生物学与纳米技术在心脏和心脏外科术中的应用 318
应用在心肌缺血治疗中的技术 318
体外循环/冠状流的恢复/再灌注、游离基、有毒氧以及有前途的纳米技术的应用 319
纳米技术在外伤/出血/心脏手术后的伤口愈合中的应用 320
纳米技术与大动脉手术 321
人造心肌的组织工程/心肌恢复的干细胞移植与纳米生物学 322
参考文献 324
第17章 纳米技术应用于血管病研究 328
引言 328
血管病的基因组学和蛋白质组学 328
基因组学 328
DNA微阵列 329
血管病基因表达 331
基因组学应用于治疗 331
后基因组学——蛋白质组学，下一个前沿 332
蛋白质组学应用于血管病研究 333
血管生物传感器 334
光学传感器 334
纳米颗粒和纳米孔 335
纳米线和纳米管 336
血管病纳米治疗传递系统 338
引导性重塑：动脉血管工程实例 340
从血管生成到脉管生成 343
生物活性血管内支架 343
结束语 346
参考文献 346
第18章 纳米技术和癌症 354
引言和定义 354
细胞的研究 355
诊断 358
成像 360
脑瘤 361
前列腺癌 362
量子点 363
治疗 363
参考文献 368
第19章 器官移植中的纳米技术 370
引言 370
移植微阵列 370
DNA阵列 371
实体器官移植中微序列的应用 371
微阵列分析的局限性 373
人造器官 374
肾脏 374
肝脏 376
胰腺 377
结束语 379
参考文献 379
第20章 跨越鸿沟：新纳米技术医疗设备的普及 383
引言 383
新技术普及的阶梯 383
普及 384
新技术的接受者 384
知识产权界 384
临床及科学界 384
医疗保健的输送者 387
医疗保健的提供者 388
医疗保健的支付者 388
患者 389
销售商 389
流通 390
专业团体 390
监管机构 391
质量控制 391
生产 392
投资者 392
金融机构 392
公司合作伙伴 393
竞争者 393
Norian公司 393
综述 393
萌芽期（1987～1989年） 394
发展期（1990～1991年） 395
临床验证期（1993～1994年） 396
商业化（1995年以来） 397
普及（1996年以来） 398
总结 399
参考文献 399
第21章 通向无限小的路 400
参考文献 403