国之重器出版工程 微流控芯片技术与建模分析

本书基于作者近几年在北京理工大学的工科研究生教学经验，并结合工科的实际需求而编写。全书分为5章。第1章，简要介绍微流控芯片技术的应用前景和常见的建模方法。第2章，主要介绍微流控芯片的制作材料、制作工艺、功能单元等知识。第3章，主要介绍微流控芯片技术的应用。第4章，介绍如何采用有限元方法建立微流控芯片设计模型，重点介绍偏微分方程、有限差分思想、有限元法原理等基本的知识，并结合COMSOL Multiphysics软件对微流控芯片中的流动、通道设计、微混合、样品操控、液滴操控、微泵等常见微流控芯片功能单元进行建模示范。第5章，针对现有软件在模拟微流控芯片中颗粒操控能力的不足，主要介绍浸入边界-格子Boltzmann方法的基本原理和在细胞分离中的应用，并采用MATLAB进行程序实现。 本书可作为化工、生物、医学工科的研究生教材。

徐远清，男，重庆人，1978年8月出生，现为北京理工大学生命学院副教授，硕士生导师；任中国电子学会生物医学电子学分会委员，广东省院士专家工作站专家组成员，中华医学百科全书生物医学工程编委。在生物医学工程学科开展生物医学建模与仿真及生物医学信号处理等方面的研究工作。主持国家自然科学基金2项（面上、青年各1项），承担国家重点研发计划子课题1项，北京市自然科学基金（重点）子课题1项；主持横向课题三项。获北京市高校教师青年英才计划项目支持。目前发表科研论文20余篇，他引次数200余次。其中，以第一作者和通信作者发表论文18篇；SCI期刊论文14篇，EI论文3篇。主编、参编教材各1部。 耿利娜，女，1973年7月出生，北京大学化学与分子工程学院博士，美国加州理工大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院访问学者。现为北京理工大学生命学院副教授，硕士生导师。目前主要开展通过微流控芯片、纳米材料、生物信息学以及计算机模拟辅助等多学科融合建立生物与医学分离检测新技术新方法，以及适配体核酸药物筛选等研究工作。主持或参加了国家自然基金、国家重大仪器专项、“十一五”科技支撑专项、国家科技支撑计划项目和国家“863”重大专项等多项课题。目前以第一作者和通信作者发表SCI期刊科研论文十余篇，其中一区文章3篇，二区文章5篇，受邀封面文章3篇，受二区刊物邀请撰写综述文章。

第 1章绪论 11微流控芯片及应用领域 12微流控芯片的设计制造 13微流控芯片技术的优点 14微流控芯片技术的不足 15微流控建模设计的必要性 16微流控建模方法 参考文献 第 2章微流控芯片技术基础 21微流控芯片制作材料 211无机材料 212聚合物材料 213水凝胶 214纸基芯片 215混合材料和复合材料 22微流控芯片制作工艺 221硅和玻璃微流控芯片制作 222聚合物材料微流控芯片制作 223微流控芯片键合技术 23微流控芯片的功能单元 231微阀 232微流控芯片的流体驱动功能单元 233微通道 234微混合器 235微分离技术 236微流控芯片样品处理单元 237微流控芯片生物和化学反应单元 238微流控芯片检测技术 目录参考文献 第3章微流控芯片技术的应用 31生化反应芯片 311聚合酶链式反应 312免疫检测 32细胞和器官芯片 33液滴微流控芯片 34药物筛选 35生物和化工合成 36食品和农业应用 37环境检测 38医学应用 381POCT 382可穿戴医疗器械 39空间生命科学应用 参考文献 第4章基于有限元法的微流控建模 41偏微分方程及重要性 411偏微分方程的概念 412对偏微分方程的研究要重视其个性 413偏微分方程是打开自然界未知领域大门的金钥匙 414偏微分方程研究的未来 42偏微分方程及发展历史 421偏微分方程的发展简史 422三种典型的偏微分方程类型 423边界条件 43偏微分方程及数值解法 431有限差分法的原理及应用 432有限元法的原理及应用 44基于COMSOL Multiphysics的有限元建模 441COMSOL Multiphysics简介 442COMSOL Multiphysics发展历史 443微流控芯片模拟所需的主要功能模块1 444COMSOL Multiphysics的软件开发界面与功能区 445COMSOL Multiphysics建立仿真模型的主要流程 446建模设计案例分析 参考文献 第5章基于浸入边界-格子Boltzmann方法的建模 51引言 52格子Boltzmann方法的发展历史 53格子Boltzmann方法的基本原理 531概率密度函数 532格子模型 533宏观量计算方法 534平衡态分布函数 535碰撞 536迁移 537边界条件 538LBM计算步骤与数学框架 54采用LBM模拟微通道流动 541微通道流动 542微通道流动的LBM程序实现 543计算结果分析 544量纲转化问题 55采用LBM模拟不规则通道中的流动 551不规则通道流动模型 552雷诺数与流动状态 553运行结果与分析 554代码分析 56应用IB-LBM模拟不规则通道中的细胞运动 561流体力学与计算流体力学概念 562流固耦合 563欧拉网格与拉格朗日网格 564浸入边界法 565细胞力学模型 566IB-LBM流固耦合框架209 57一种基于IB-LBM的细胞微流控分离方案设计210 571模型介绍210 572程序框架210 573程序代码211 574结果分析223 58应用IB-LBM进行细胞分选的案例224 581错流法分离不同体积的细胞224 582夹流法分离不同体积的细胞225 583U形筛捕获细胞系统优化设计226 59学习LBM的策略229 参考文献232