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第1章 微流控芯片的设计和制作1

1.1引言1

1.2微流控芯片制作材料的发展4

1.2.1无机材料在芯片制作中的应用5

1.2.2硅弹性体材料8

1.2.3热固性与热塑性塑料9

1.2.4凝胶材料10

1.2.5纸基微流控芯片11

1.2.6杂化材料13

1.3芯片制作方法14

1.3.1软光刻法14

1.3.2广义纳米尺度通道技术15

1.3.3三维打印技术16

1.4微流控芯片功能结构单元的集成18

1.4.1流体操控：微泵、微阀和混合器19

1.4.2浓度梯度产生器20

1.4.3细胞培养单元22

1.4.4芯片集成生物传感器23

1.4.5微流控离心装置24

1.5总结与展望25

1.5.1床边诊断26

1.5.2可植入设备27

1.5.3智能移动设备28

参考文献30

第2章 微流控芯片上细胞分析的研究进展37

2.1引言37

2.2细胞培养38

2.2.1三维细胞培养38

2.2.2细胞共培养39

2.2.3芯片上的组织／器官41

2.3细胞操控42

2.3.1基于微结构的细胞操控42

2.3.2自由流细胞操控42

2.3.3电动力细胞操控43

2.4细胞刺激45

2.4.1流体控制45

2.4.2梯度产生46

2.4.3机械力刺激48

2.5细胞分析50

2.5.1样品准备50

2.5.2样品分析57

2.6结论与展望66

参考文献67

第3章 微流控细胞分选与识别技术在生物医学中的应用77

3.1引言77

3.2基于物理方法的微流控细胞分选技术78

3.2.1基于精细微结构的芯片用于细胞捕获78

3.2.2基于微流控芯片流体力学的细胞分离方法79

3.2.3基于表面声波的微流控细胞分选技术81

3.2.4基于介电电泳的微流控细胞分选技术82

3.3基于生物亲和的微流控细胞分选技术83

3.3.1基于抗体亲和识别的细胞分选技术83

3.3.2基于核酸适配体的特异性细胞捕获技术84

3.3.3基于生物纳米界面的细胞捕获技术85

3.4微流控细胞分选与识别在生物医学中的应用研究86

3.4.1血液循环肿瘤细胞分离、识别与分析86

3.4.2微流控细胞分选技术在细胞生化分析中的应用88

3.4.3微流控细胞分选技术在干细胞分离与纯化中的应用88

3.5结论与展望90

参考文献91

第4章 基于微流控芯片的细胞培养和观察95

4.1引言95

4.2细胞培养类型95

4.2.1二维培养95

4.2.2三维培养96

4.3细胞排布98

4.4细胞微环境的控制100

4.4.1物理因素梯度102

4.4.2化学因素梯度102

4.4.3细胞-细胞及细胞-细胞外基质间相互作用104

4.5适用于微流控装置的非破坏性观察方法105

4.5.1光学相关方法106

4.5.2电化学相关方法108

4.6微流控在细胞生物学中的应用109

4.6.1信号转导109

4.6.2基因表达110

4.6.3干细胞分化111

4.7展望112

参考文献113

第5章 微流控芯片上的细胞迁移研究119

5.1引言119

5.2基于微流控芯片的趋化性研究122

5.2.1基于微流控芯片的梯度发生器123

5.2.2基于对流和扩散的细胞趋化性研究131

5.3基于微流控芯片的趋电性研究134

5.3.1基于单电场微流控芯片的趋电性研究135

5.3.2基于多电场微流控芯片的趋电性研究136

5.4结论137

参考文献137

第6章 微流控芯片结合生物材料用于细胞培养和分析142

6.1引言142

6.2构建微流控芯片材料142

6.2.1无机材料142

6.2.2聚合物材料144

6.2.3凝胶和纸材料147

6.3细胞培养149

6.3.1平面细胞培养149

6.3.2三维细胞培养152

6.4器官芯片158

6.5芯片上细胞微环境的模拟和操控161

6.6芯片上的细胞观察162

6.6.1细胞富集163

6.6.2细胞成像164

6.7芯片上的细胞分析166

6.7.1群体细胞分析166

6.7.2单细胞分析168

6.7.3微流控-质谱联用技术169

6.8小结172

参考文献173

第7章 基于液滴的微流控细胞分析177

7.1引言177

7.2液滴生成原理180

7.2.1界面张力181

7.2.2无量纲数182

7.3液滴生成方法182

7.3.1 T形交叉结构法183

7.3.2聚焦流结构法184

7.3.3同流结构法184

7.3.4其他方法184

7.4液滴微流控分析方法185

7.4.1荧光法185

7.4.2质谱法187

7.4.3电化学检测法和毛细管电泳法189

7.4.4其他检测方法189

7.5单细胞分析190

7.5.1单细胞包裹190

7.5.2液滴分选192

7.5.3单细胞蛋白分析194

7.5.4单细胞PCR195

7.6细胞操控197

7.7结论与展望200

参考文献200

第8章 微流控技术下的单细胞分析207

8.1引言207

8.1.1芯片实验室的诞生207

8.1.2单细胞分析与微流控技术207

8.2生物组织解离208

8.2.1传统生物组织解离方法208

8.2.2基于微流控芯片的生物组织解离方法209

8.3细胞分选210

8.3.1传统细胞分选方法210

8.3.2基于微流控技术的细胞分选方法211

8.3.3微流控细胞分选的未来展望216

8.4单细胞提取217

8.4.1传统方法217

8.4.2基于微流控系统的方法218

8.5单细胞裂解221

8.5.1传统方法221

8.5.2基于微流控系统的方法222

8.6单细胞分析检测225

8.6.1单细胞荧光成像225

8.6.2单细胞电化学分析226

8.6.3单细胞质谱分析226

8.7展望226

参考文献227

第9章 微流控芯片-质谱在细胞分析中的应用231

9.1引言231

9.2质谱仪接口232

9.2.1 ESI接口232

9.2.2 MALDI接口235

9.3芯片中细胞的样品处理236

9.3.1细胞样品预浓缩236

9.3.2细胞样品分离237

9.4细胞分析中的应用238

9.4.1蛋白质组学238

9.4.2代谢组学239

9.4.3糖组学240

9.4.4单细胞分析241

9.5结论与展望242

参考文献243

第10章 微流控芯片上的生化分析技术及其应用247

10.1引言247

10.2微流控芯片上的生化分析技术247

10.2.1光学检测247

10.2.2电力控制250

10.2.3磁力操控252

10.2.4表面声波254

10.3应用256

10.3.1基因分析256

10.3.2蛋白质检测259

10.4结论与展望261

参考文献262

第11章 微流控芯片上药物研究进展266

11.1引言266

11.2微流控芯片266

11.2.1基于细胞的微流体模型系统267

11.2.2微流控芯片3D细胞培养268

11.2.3器官芯片270

11.2.4全组织芯片278

11.3芯片-质谱平台280

11.4药物研究中的应用281

11.4.1药物递送281

11.4.2药物代谢与毒性281

11.4.3口服药物药代动力学系统282

11.4.4药物-液滴技术283

11.5挑战与前景285

参考文献286

第12章 微流控芯片上细胞代谢物的研究290

12.1引言290

12.2微流控平台上细胞的培养292

12.2.1微流控技术在细胞培养中的应用292

12.2.2微流控技术在细胞微环境研究中的应用297

12.3基于微流控技术的细胞代谢物分离和检测方法301

12.3.1基于微流控技术的细胞代谢物分离方法301

12.3.2细胞代谢物检测系统304

12.4应用309

12.4.1临床诊断309

12.4.2药物研究和开发310

12.4.3毒理学研究311

12.5展望312

参考文献312

第13章 基于微流控技术的微生物学研究315

13.1微生物与微流控技术的前世今生315

13.2微生物及其培养方式的特点317

13.2.1传统的研究分析方法317

13.2.2微流控培养的新方法317

13.3基于微流控技术研究细菌的基本方法319

13.3.1通道内培养319

13.3.2微室内培养321

13.3.3琼脂包裹321

13.4单细胞研究322

13.5微生物与微流控技术联用的应用324

13.5.1基础科学324

13.5.2抗药性检测325

13.5.3毒性检测327

13.5.4癌症监测与治疗327

13.5.5微生物燃料电池328

13.5.6食品安全330

13.6机遇与挑战331

参考文献332