生物医学工程学正在源源不断地将其他学科的先进科研成果快速引入到生物医学领域，并转化为先进的医学研究手段，更为精准和有效的临床诊疗方法，以及更为呵护周到的康复技术，有力推动着现代生物医学的发展。
本书在生物医学工程学科的知识体系框架下，扼要讲解生物医学工程学科若干分支学科的基本概念，结合研究和应用实例介绍其医学应用原理，主要包括生物材料的分类与医学应用概述、生物材料的力学特性、生物材料的宿主反应、植入物与假体、人工器官、组织工程与再生医学、药物递送系统、生物医学传感和纳米生物医学检测、电子医学、力学生物学和生物医学光学、医学图像及分子影像、生物医学信息学、医学大数据与智慧医学等内容。
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目录
第二版前言
第一版前言
第1章 绪论 1
1.1 什么是生物医学工程 1
1.2 生物医学工程学对现代医学的推动作用 1
1.3 生物医学工程的主要分支学科 2
1.4 生物医学工程的临床应用案例 3
1.5 生物医学工程教育 9
1.6 本书的框架结构和主要内容 9
参考文献 10
第2章 生物材料 11
2.1 生物材料的定义与演进 11
2.2 生物材料应用概述 12
2.3 生物材料的分类 15
2.4 各属性生物材料的特性 16
2.4.1 金属与合金类材料 16
2.4.2 高分子材料 17
2.4.3 陶瓷和碳素材料 18
2.4.4 复合材料 19
2.5 纳米生物材料 21
2.5.1 基础术语 21
2.5.2 为什么需要纳米生物材料 22
2.5.3 纳米颗粒的若干物理效应 23
2.5.4 纳米材料构建策略和常见种类 29
2.6 本章总结 30
参考文献 31
第3章 生物材料的力学特性 32
3.1 高分子材料的力学特性和重要指标 32
3.2 人体组织的力学性质 35
3.2.1 骨组织 36
3.2.2 软骨组织 37
3.2.3 骨骼肌 38
3.2.4 肌腱与韧带 39
3.2.5 血管 40
3.2.6 皮肤 42
3.3 生物组织与合成材料的力学性质对比 42
3.4 本章总结 44
参考文献 44
第4章 宿主对生物材料的反应 45
4.1 概述 45
4.2 血液与材料的相互作用 46
4.2.1 蛋白分子在材料表面的非特异性吸附 46
4.2.2 材料表面吸附的蛋白分子介导血液细胞的黏附和血栓形成 49
4.3 植入结缔组织的材料引发的宿主反应 52
4.3.1 概述 52
4.3.2 异物反应 53
4.3.3 组织植入物宿主反应的各个阶段 54
4.4 影响宿主反应的宿主自身因素 61
4.5 纳米生物材料的宿主反应(生物学特性) 62
4.5.1 蛋白质非特异性吸附与蛋白冠形成 62
4.5.2 跨越生物屏障与细胞内分布 63
4.5.3 纳米材料的共性异物反应——引起细胞内活性氧水平升高 64
4.5.4 纳米材料的类酶催化活性 66
4.6 生物相容性 68
4.6.1 定义 68
4.6.2 生物相容性的内涵 68
4.6.3 力学相容性与宿主反应的关系 69
4.6.4 生物相容性评价中的若干要点 71
4.6.5 纳米材料生物学效应评价/纳米毒理学 72
4.6.6 对生物材料和生物相容性的回顾和展望 75
4.7 本章总结 75
参考文献 76
第5章 植入性医疗器械 77
5.1 概述 77
5.2 以形状记忆材料为基础的管腔内支架 79
5.3 金属材料制作的植入式药物芯片 81
5.4 合成高分子材料制作的人工血管 83
5.4.1 概述 83
5.4.2 人工血管等血液接触性医疗器械的抗凝血和抗感染 85
5.5 神经引导导管 88
5.6 以聚丙烯酸酯类高分子材料为基础的眼科植入医疗器械 91
5.7 本章总结 91
参考文献 91
第6章 人工器官 93
6.1 定义和概述 93
6.2 人工肾 95
6.2.1 肾脏的功能 95
6.2.2 人工肾的基本构成和工作原理 97
6.2.3 人工肾的历史 99
6.2.4 透析膜材料及其研发进展 101
6.2.5 透析机的发展 105
6.2.6 血管通路的建立 105
6.2.7 对人工肾的总结与展望 106
6.3 体外循环支持系统 106
6.4 人工心脏和心室辅助循环装置 109
6.4.1 主动脉内气囊反搏技术 110
6.4.2 心室辅助循环装置 110
6.4.3 全人工心脏 111
6.5 本章总结 112
参考文献 113
第7章 组织工程与再生医学 114
7.1 基本概念 114
7.2 种子细胞 117
7.3 生物材料支架 119
7.4 生物材料支架的常用制备方法 121
7.4.1 高压静电纺丝法制备纳米纤维结构支架 121
7.4.2 水凝胶 125
7.5 生物反应器 127
7.5.1 机体内部的动态环境 127
7.5.2 动态培养条件的产生方法及其重要性 128
7.6 组织工程研究中多要素的综合应用举例 133
7.6.1 磁性纳米复合材料支架的运用 133
7.6.2 导电性复合材料支架的运用 136
7.6.3 全器官脱细胞支架 141
7.7 临床应用案例 143
7.8 本章总结 144
参考文献 144
第8章 药物递送系统 146
8.1 药物递送系统的基本概念 146
8.2 药物的体内过程与药物动力学 148
8.2.1 药物剂量与效应的关系 148
8.2.2 药物的体内过程 149
8.2.3 药物动力学的基本概念 149
8.3 药物递送系统的目的与作用 151
8.3.1 药物缓/控释概述 151
8.3.2 药物缓/控释的实现方式 153
8.3.3 增强药物的稳定性，延长代谢时间 160
8.3.4 改变药物亲疏水性及穿透生物屏障的能力 163
8.3.5 增强药物的靶向性 167
8.4 用于基因治疗的DDS 172
8.4.1 基因治疗技术及核酸药物 172
8.4.2 核酸药物的载体及其分类 174
8.4.3 阳离子型核酸载体及其转染机理 175
8.4.4 其他非病毒核酸载体 178
8.5 本章总结 179
参考文献 179
第9章 生物医学传感与检测 181
9.1 生物医学传感技术 181
9.1.1 生物医学传感器概述 181
9.1.2 各类传感器介绍 182
9.1.3 生物传感器的主要组成元件 185
9.2 生物医学信号 186
9.2.1 生物医学信号的种类 186
9.2.2 生物医学信号的特点 188
9.2.3 生物医学信号的检测原理 190
9.2.4 生物医学信号传感检测举例 192
9.2.5 生物医学传感器设计中需要考虑的因素 194
9.3 纳米生物传感技术 195
9.3.1 纳米生物传感技术的特点和优势 195
9.3.2 典型纳米生物传感检测系统 196
9.4 基于生物传感技术的生物医学检测系统与医学仪器 205
9.4.1 生物医学检测系统分类与特点 205
9.4.2 生物芯片系统及应用概述 207
9.4.3 微流控芯片 209
9.4.4 生物微机电系统 210
9.4.5 生物医学仪器简述 210
9.4.6 可穿戴设备 212
9.5 本章总结 213
参考文献 213
第10章 生物电子技术及电子医学 215
10.1 引言 215
10.2 生物电及电生理学基础 215
10.2.1 生物电现象 216
10.2.2 心电现象与心电图 217
10.2.3 脑电现象与脑电图 218
10.2.4 生物电现象的机理 219
10.2.5 细胞生物电测量技术 221
10.3 人体的电特性 222
10.3.1 生物组织的电特性 222
10.3.2 细胞膜的结构和电特性 223
10.3.3 生物组织的阻抗特性 224
10.3.4 人体的电阻抗特性 225
10.3.5 电阻抗测量的生物医学应用 226
10.4 电磁能/场的生物效应 228
10.4.1 电场对细胞的作用 228
10.4.2 电流对组织及生物体的效应 230
10.4.3 电磁场对生物分子的作用 231
10.5 电子医学 232
10.5.1 电刺激系统的基本构成 232
10.5.2 组织消融技术 233
10.5.3 心脏起搏及除颤 235
10.6 神经调节 237
10.6.1 侵入式神经调控技术 237
10.6.2 非侵入式神经调控技术 243
10.6.3 功能性电刺激 245
10.6.4 脑机接口概述 246
10.7 本章总结 248
参考文献 248
第11章 生物医学光学 251
11.1 生物医学光学简介 251
11.2 生物医学光学中的光源 251
11.3 光与组织的相互作用 253
11.3.1 组织的光吸收 254
11.3.2 组织的光散射 254
11.3.3 光与组织的相互作用的类型 255
11.4 生物组织的发光效应 257
11.5 生物医学光学应用 258
11.5.1 光学成像 258
11.5.2 光学治疗 260
11.5.3 光学操控 263
11.6 本章总结 265
参考文献 266
第12章 力学生物学 268
12.1 概述 268
12.2 力学生物学中的力学测量 270
12.3 机械力信号转导 272
12.4 发育以及生理活动中的力学生物学 276
12.5 力学生物学与疾病及其治疗应用 277
12.6 本章总结 281
参考文献 281
第13章 生物医学成像 284
13.1 概述 284
13.2 X射线和计算机断层扫描 285
13.2.1 传统的X射线成像 285
13.2.2 计算机断层扫描 286
13.3 磁共振成像 287
13.3.1 核磁共振现象 287
13.3.2 MRI仪器的基本原理 287
13.3.3 MRI的发展趋势 289
13.4 超声成像 290
13.4.1 超声图像的产生原理 290
13.4.2 多普勒超声成像 291
13.5 核医学 293
13.5.1 核医学成像的方法 293
13.5.2 核医学成像的临床应用 293
13.5.3 伽马相机的操作 295
13.6 医学影像在阿尔茨海默病中的应用 296
13.6.1 阿尔茨海默病及临床诊断现状 296
13.6.2 神经影像学在阿尔茨海默病临床诊断中的应用 297
参考文献 300
第14章 分子影像学基础与应用 301
14.1 分子影像学概念和发展简史 301
14.1.1 基本概念 301
14.1.2 发展简史 301
14.1.3 实现分子影像的基本要素 303
14.2 分子成像探针 304
14.2.1 分子成像探针的结构与组成 304
14.2.2 分子成像探针与靶标结合的生物学基础 306
14.2.3 分子成像探针的构建流程及主要方法 307
14.2.4 分子成像探针的体内成像基础 308
14.2.5 分子成像探针应具备的性能 311
14.3 增强成像信号 311
14.3.1 成像信号放大技术 312
14.3.2 降低非特异性成像信号 314
14.3.3 外场促进分子成像探针的体内成像 316
14.4 分子成像在手术导航中的应用进展 317
14.4.1 背景 317
14.4.2 近红外荧光分子的应用 317
14.4.3 靶向型分子成像探针术中导航的应用研究 318
14.4.4 多模式分子成像探针成像 320
14.5 本章总结 321
参考文献 322
第15章 生物信息学 324
15.1 生物信息学的概念及发展简史 324
15.2 数据驱动的现代生物学 326
15.2.1 序列数据 326
15.2.2 结构数据 327
15.2.3 基因表达数据 328
15.2.4 表观遗传学数据 329
15.2.5 系统生物学数据 329
15.3 关键生物信息学算法概述 330
15.3.1 生物序列比对分析 330
15.3.2 基因表达数据的聚类 334
15.3.3 分类和预测 335
15.3.4 维数灾难 337
15.4 生物信息学数据管理与数据库 338
15.4.1 FAIR准则与数据标准 338
15.4.2 生物信息数据库 339
15.5 转化生物信息学 341
15.6 本章总结 344
参考文献 344
第16章 医学大数据与智慧医疗 346
16.1 概述 346
16.2 医学数据管理 348
16.2.1 医学信息化系统 348
16.2.2 医学数据的标准化 349
16.2.3 医学信息安全与隐私保护 350
16.3 医学大数据分析的常用技术 352
16.3.1 建模仿真 352
16.3.2 机器学习/人工智能算法 353
16.3.3 自然语言处理与大语言模型 355
16.4 智慧医疗的典型应用示例 357
16.4.1 智能预测模型示例—青少年近视进展预测 357
16.4.2 自然语言处理示例—医学智能对话机器人 359
16.5 本章总结 361
参考文献 362
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