生物系统中的传输现象

引用

Truskey, G. A., Yuan, F., & Katz, D. F. (2009). Transport Phenomena in Biological Systems (2nd ed.). Pearson. (First edition: Prentice Hall, 2003.)

章节概要

全书分为三个部分，前有绪论，后有一个数学附录。三位作者都是杜克大学生物医学工程系的教师，他们把本书定位为一学期的高年级本科或研究生生物传输课程的教材，在具体的生物学问题中发展工程基础。每一部分的开篇章节通过生物学背景引入相关的工程概念，全书的收尾章节则通过全身传输的实例把各部分联系起来。第二版新增了生物传热一章（第17章），下面列出的其余章节是两版共有的主体。

第1章：Introduction（绪论）

开篇一章界定生物传输的范围，以及全书如何在生物医学应用中把生物、化学和物理过程联系起来。

A部分：生理流体力学导论（第2–5章）

第2章 Conservation and Momentum Balances（守恒与动量衡算）列出流体流动的基本衡算方程。第3章 Conservation Relations for Fluid Transport, Dimensional Analysis and Scaling（流体传输的守恒关系、量纲分析与标度）对其加以扩展，并引入量纲分析作为判断哪些效应重要的工具。第4章 Macroscopic Form of Conservation Relations and Applications of Momentum Transport（守恒关系的宏观形式与动量传输的应用）使用积分衡算。第5章 Fluid Flow in the Circulation and Tissues（循环系统和组织中的流体流动）把这些内容应用于血流和组织中的流动。

B部分：质量传输的基础与应用（第6–10章）

第6章 Introduction to Mass Transport（质量传输导论）引入质量传输，开启这一部分。第7章 Diffusion with Convection or Electrical Potentials（伴有对流或电势的扩散）加入整体流动和电学效应。第8章 Transport in Porous Media（多孔介质中的传输）讨论穿过组织和其他多孔结构的传输。第9章 Transvascular Transport（跨血管传输）涉及穿过血管壁的运动，第10章 Solvent and Solute Transport across the Kidney Glomerulus（穿过肾小球的溶剂与溶质传输）则把这套方法用于一个具体的生理过滤器。

C部分：质量传输对生化相互作用的影响（第11–17章）

第11章 Mass Transport and Biochemical Interactions（质量传输与生化相互作用）把传输与反应结合起来，开启这一部分。第12章 Oxygen Transport from the Lungs to the Tissues（从肺到组织的氧传输）沿着氧在体内的路径展开。第13章 Ligand-Receptor Kinetics on the Cell Surface and Molecular Transport within Cells（细胞表面的配体—受体动力学与细胞内的分子传输）转向细胞尺度，第14章 Cell Adhesion and Cell Signaling（细胞黏附与细胞信号）把传输的思路用于黏附和信号。第15章 Transport of Drugs and Macromolecules in Tumors（药物和大分子在肿瘤中的传输）是药物递送方面的应用。第16章 Transport in Organs and Organisms（器官和机体中的传输）涉及出版社所说的全书收尾综合部分的全身实例。第17章 Heat Transfer in Biological Systems（生物系统中的传热）是第二版新增的生物传热一章。

附录：Relevant Mathematical Concepts（相关的数学概念）

附录汇集了各章用到的数学内容。

核心概念

A部分：流体力学（第1–5章）

• 守恒与动量衡算：支配流体运动的方程，在全书开头建立。
• 量纲分析与标度：把问题化简为起控制作用的无量纲数群。
• 宏观衡算：把守恒关系的积分形式应用于整个系统。

B部分：质量传输（第6–10章）

• 伴有对流或电势的扩散：溶质的传输由浓度以外的因素共同驱动。
• 多孔介质：把组织视为多孔结构来处理传输。
• 跨血管传输：溶质和溶剂穿过血管壁的运动，肾小球是其中一个实例。

C部分：传输与生物化学（第11–17章）

• 传输与反应耦合：质量传输与生化相互作用彼此影响。
• 配体—受体动力学：细胞表面的结合与细胞内的传输。
• 全身传输：器官和机体中的传输，是全书各部分汇合之处。
• 生物系统中的传热：第二版增加的生物传热内容。

评析

优点

• 通过生物学问题引入工程概念。 出版社强调，每一部分都以一章在具体的生物学背景下发展工程概念，并且概念一经建立就立即应用。
• 强调解析解。 其目标是获得物理洞察和一阶的理解，这适合希望建立并批判性分析模型、而不只是运行软件的读者。
• 全书都有例题和习题。 每章都有例题和同时含解析解与数值解的作业题；第二版约有25%的新题和约20%修订过的题。
• 结构清晰。 流体力学，然后是质量传输，再是与生物化学耦合的传输，最后是全身性的综合，为课程提供了自然的顺序，后面的部分用到前面的部分。

局限

• 数学要求较高。 本书面向高年级本科生和研究生，并附有数学概念的附录。没有传输或微分方程基础的读者需要更多准备。
• 覆盖有所取舍。 各章集中于循环、肾脏、氧输送、细胞尺度的结合、肿瘤和传热。穿过膜和上皮的分子传输没有出现在任何章节标题中，需要这方面内容的读者应另行补充专门的教材。
• 传热只在第二版中。 生物传热一章在2009年才加入，第一版（2003年）没有，因此需要传热内容的课程要注意版本。
• 超出一学期的容量。 十七章加一个附录，超过了一个学期通常能容纳的内容，所以教师需要取舍。

在课程中的定位

在生物传输书单中，这是进阶的、综合性的教材。Introductory Transport Phenomena 是Bird、Stewart和Lightfoot路线的本科改编本，并行讲授动量、热量和质量传递；Rubenstein、Yin和Frame的 Biofluid Mechanics 是讲循环系统中的流体力学与传输的入门教材；Basic Transport Phenomena in Biomedical Engineering 在本科层面把化学工程原理应用于生理系统和医疗器械。这些是自然的前置读物。

Roselli和Diller的 Biotransport 用一套一致的方法处理活体系统中的动量、热量和质量传输，位置与之相近；Friedman的 Principles and Models of Biological Transport 是研究生教材，侧重穿过膜和上皮的传输。如果课程希望在一本围绕生理问题组织的书中看到流体力学、质量传输和反应，就选Truskey、Yuan和Katz；Friedman则补充膜传输。

如何使用本书

本书用于一学期的高年级本科或研究生生物传输课程。开始之前，读者应具备微积分和微分方程，并对流体力学或传输有一定接触；数学概念附录涵盖各章用到的工具。

• 核心： 第1章；A部分的流体力学（第2–5章）；B部分的质量传输基础（第6–9章）；关于传输与生化相互作用的第11章。
• 按兴趣选读： 第10章（肾小球）、第12章（氧）、第13–14章（受体、黏附、信号）、第15章（肿瘤）、第17章（传热）。
• 最后读： 第16章，它用到全部三个部分。

请做章末习题，包括数值题，因为本书围绕模型的建立与分析而写。阅读每一部分的开篇章节时，注意它为工程概念提供的生物学背景，因为该部分后面的章节都建立在这一框架之上。