Basic Transport Phenomena in Biomedical Engineering（生体医工学における移動現象の基礎）

引用

Fournier, R. L. (2018). Basic Transport Phenomena in Biomedical Engineering (4th ed.). CRC Press.

章の要約

第4版は全11章で、カタログによって差はあるものの約630〜650ページである。目次から全体の流れは読み取りやすい。短い序章、物理的・生理学的な土台を整える3章（熱力学、体液と細胞膜、血液）、物質移動の2章、そして酸素輸送、薬物動態学、さらに装置と工学的組織を扱う3章である。出版社の紹介文は、本書が運動量輸送と物質輸送を扱い、医療機器の設計を到達点としていると説明している。

第1章：Introduction（序論）

最初の章が主題の枠組みを示す。出版社の紹介文は、単位と次元の復習や工学的な問題の解き方のヒントも内容として挙げており、工学的な問題解決の習慣をこれから身につける読者を想定した内容である。どの章に含まれるかは目次からは分からない。

第2章：A review of thermodynamic concepts（熱力学の概念の復習）

輸送を扱う前に熱力学が置かれている。出版社は、この部分を溶液の性質に重点を置いた熱力学概念の検討としており、次章の浸透や膜の挙動を理解するための背景となる。

第3章：Physical properties of the body fluids and the cell membrane（体液と細胞膜の物理的性質）

この章は体液と、区画を隔てる細胞膜に目を向ける。紹介文は、体液、浸透、膜ろ過を詳しく扱う主題として挙げている。

第4章：The physical and flow properties of blood and other fluids（血液およびその他の流体の物理的性質と流動特性）

流体の流れに関する内容はここに集められているようで、血液とその他の流体の物理的性質と流動特性が扱われる。

第5〜6章：Mass transfer fundamentals（物質移動の基礎）；Mass transfer in heterogeneous materials（不均質材料中の物質移動）

2章をかけて物質移動を展開する。まず基礎を、続いて不均質材料中の移動を扱う。出版社は溶質輸送を詳しく扱う主題の一つとして挙げている。

第7章：Oxygen transport in biological systems（生体系における酸素輸送）

酸素輸送は独立した章となり、2つの物質移動の章の後に、特定の一つの溶質を扱う。

第8章：Pharmacokinetic analysis（薬物動態解析）

薬物動態解析は、溶質輸送や酸素輸送とともに出版社が挙げている主題で、体内での薬物の移動とその行方を扱う。

第9〜11章：Extracorporeal devices（体外循環装置）；Tissue engineering and regenerative medicine（組織工学と再生医療）；Bioartificial organs（生体人工臓器）

最後の3章は、それまでの内容が目指してきた応用である。出版社によれば、これらの化学的・物理的輸送過程は人工臓器、生体人工臓器、徐放性薬物送達システム、組織工学の開発に用いられ、新版では特に組織工学と臓器再生に注意が払われている。

主要概念

第1〜4章：序論から血液まで

• 溶液の熱力学：溶液の性質。紹介文は、熱力学の復習の重点としている。
• 浸透と膜ろ過：流体と溶質が細胞膜を通して交換される仕組み。体液の章の主題である。
• 血液の流動特性：第4章の、血液およびその他の流体の物理的性質と流動特性。

第5〜8章：輸送と薬物動態学

• 不均質材料中の物質移動：複合媒体中での溶質の移動。第6章の題名である。
• 酸素輸送：生体系における酸素の輸送。第7章。
• 薬物動態解析：薬物の分布と消失の定量的記述。第8章。

第9〜11章：装置と工学的組織

• 体外循環装置：体外で働く装置。第9章。
• 組織工学と再生医療：第10章。
• 生体人工臓器：第11章。

批判的分析

長所

• 原理から装置への明快な道筋。 目次は熱力学と体液から出発し、物質移動、酸素と薬物の輸送を経て、最後に体外循環装置、組織工学、生体人工臓器へ進む。そのため、各応用章に必要な道具があらかじめ揃っている。
• 多様な背景の読者を想定している。 出版社は、生体医工学、化学工学、機械工学、バイオテクノロジー、生物工学、医学、生命科学の学生を読者として挙げ、単位と次元の復習や問題解決のヒントを加えている。これにより、化学工学以外の読者の入りやすさが高まる。
• 装置と組織への焦点。 人工臓器、生体人工臓器、徐放性薬物送達、組織工学を支える輸送過程が明示された目標であり、輸送論の授業に具体的な生体医工学上の目的を与える。
• この版での改訂。 Google Booksには、この版の刊行前の説明があり、組織工学と臓器再生への重点の強化、完全な解答を別冊ではなく本文中に置くこと、MATLABの初導入が予告されている。Routledgeのページは、組織工学の章題を確認している。

短所

• 熱輸送がない。 出版社は運動量輸送と物質輸送を扱う本としており、章題にもエネルギーや熱輸送の章は見当たらない。生体熱伝達を扱う授業では別の教科書が必要になる。
• 章題以外の詳細が乏しい。 公開されている目次は章題のみである。数学のレベル、問題数、MATLABの扱いの比重は、サンプル章や前書きで確認する必要がある。
• 章が長い。 11章で600ページ超だと、1章あたり平均約60ページとなる。1学期の授業では、応用章から取捨選択することになり、全体を網羅するのは難しい。

コースにおける位置づけ

Fournierは、生体医工学の立場から装置設計に至る輸送論への入口である。Bird、Stewart、Lightfoot、Klingenbergの Introductory Transport Phenomena は、運動量・熱・物質移動を並行して展開する化学工学の一般的な学部向け教科書で、収支の物理をより深く理解したいときの補完になる。Rubenstein、Yin、Frameの Biofluid Mechanics は循環系の流体力学をより詳しく扱っており、血液とその他の流体に関する1章以上の流体の内容を求める読者に向く。

Roselli と Diller の Biotransport は最も近い代替であり、流体・熱・物質輸送を並行して扱うので、熱輸送が必要ならこちらが適している。Fournierは薬物動態学、体外循環装置、生体人工臓器を提供する。細胞膜や興奮性細胞を大学院レベルで学ぶには、Friedmanの Principles and Models of Biological Transport がより専門的であり、Truskey、Yuan、Katzの Transport Phenomena in Biological Systems は、輸送理論と生理学をつなぐ定量的な橋渡しとして、流体の流れ、拡散、反応、動電現象を扱う。

本書の使い方

微積分、微分方程式、大学レベルの化学と物理を学んだ生体医工学・化学工学の学部上級生や大学院1年生に適しており、ある程度の定量的な素養のある機械工学、バイオテクノロジー、生命科学の学生にも使える。出版社は前提知識を示していない。微積分、微分方程式、基礎的な化学と物理が妥当な想定で、流体力学や物質移動の既習があれば助けになる。

実践的な進め方は次のとおり。第1〜4章を順に読んで土台とし、第5〜7章を輸送の中核として読む。第8章は薬物送達や薬理学に関心のある読者にとって特に重要である。第9〜11章は、プロジェクトや授業の重点に応じて選ぶ。透析や酸素化には体外循環装置、再生応用には組織工学、統合設計には生体人工臓器である。どの章でも、解答例を読む前に自分で収支式を立て、問題を使って仮定の選び方と単位の確認を練習するとよい。