Sculptured Surfaces in Engineering and Medicine pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Cambridge University Press

作者:J. P. Duncan

出品人:

页数:386

译者:

出版时间:1983-6-30

价格:USD 120.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780521234504

丛书系列:

图书标签:

• 工程学
• 医学
• 表面工程
• 生物医学工程
• 材料科学
• 计算机辅助设计
• 建模
• 仿真
• 生物材料
• 形状记忆合金

《雕塑般的表面：工程与医学中的精密塑造》 引言 在现代科学与技术的宏伟图景中，表面的重要性正以前所未有的深度和广度显现。无论是工程领域中对材料性能的极致追求，还是医学领域中对生命过程的精细调控，精心设计的表面都扮演着至关重要的角色。本书《雕塑般的表面：工程与医学中的精密塑造》旨在深入探讨如何在工程和医学这两个关键领域中，通过精密的表面设计与制造，实现前所未有的功能提升和应用突破。我们将跳出传统的材料科学和制造工艺的窠臼，聚焦于“表面”这一独特的维度，揭示其蕴含的巨大潜力，以及如何通过“雕塑”般的手法，赋予物体和系统全新的生命力。 本书并非简单罗列现有技术，而是着眼于未来的发展趋势，强调跨学科的融合与创新。我们相信，工程与医学的交叉点，特别是对表面的深入理解和精准控制，将成为下一轮技术革命的核心驱动力。通过对“雕塑般的表面”这一概念的深入剖析，我们期望能够激发读者对这一前沿领域的兴趣，并为科研人员、工程师和临床医生提供一套全新的思考框架和技术启示。 第一篇：工程领域的表面精密塑造 工程领域，对材料和结构的性能要求极为严苛。而表面的性质，往往是决定一个产品能否在极端环境下工作、能否具备独特功能、能否延长使用寿命的关键。本篇将从宏观到微观，系统地阐述工程领域中表面精密塑造的理论基础、技术手段以及典型应用。 第一章：表面性能的维度与挑战 表面并非仅仅是材料的边界，它拥有独立的物理、化学和生物学特性。本章将首先界定“表面”的概念，并从多个维度详细阐述表面性能的关键要素，包括： 力学性能： 表面硬度、耐磨性、抗疲劳性、摩擦系数等。例如，在航空航天领域，涡轮叶片的表面耐高温、抗冲刷能力直接影响其工作效率和寿命；在汽车工业中，传动部件的表面耐磨性决定了其可靠性。 物理性能： 表面粗糙度、润湿性、导电性、导热性、光学特性（如反射率、透射率、散射性）等。例如，微电子器件的表面平整度和导电性是保证芯片性能的基础；太阳能电池的表面纹理设计能有效提高光能吸收效率。 化学性能： 表面化学活性、催化性能、抗腐蚀性、生物相容性等。例如，在化工生产中，催化剂载体的表面结构决定了其催化效率；在海洋工程中，船体表面的防腐涂层是抵御海水侵蚀的关键。 热学性能： 表面发射率、吸热率、热阻等。例如，建筑材料的表面热工性能直接关系到节能效果；航天器表面的热控涂层是抵御太空极端温差的重要手段。 本章还将深入探讨在工程应用中，如何克服现有表面处理技术的局限性，例如传统涂层易脱落、微纳结构易磨损、表面功能单一等问题，为后续的精密塑造技术奠定理论基础。 第二章：微纳尺度下的表面构筑技术 “雕塑”一词暗示着对材料进行精细的塑形。在微观和纳米尺度，我们能够以前所未有的精度来构筑和调控表面结构，从而赋予材料全新的功能。本章将重点介绍以下关键技术： 光刻与刻蚀技术： 作为微电子工业的核心技术，光刻和干/湿法刻蚀能够精确地在基底表面形成复杂的图案和三维结构。我们将探讨其在MEMS（微机电系统）、NEMS（纳机电系统）以及功能性表面开发中的应用，例如制造微透镜阵列、微流控芯片、传感器等。 自组装技术： 利用分子间的相互作用力，在基底表面自发形成有序的结构。这包括表面自组装单分子膜（SAMs）、胶体自组装、DNA折纸等技术。这些技术能够实现极高的精度和可重复性，为制备超疏水表面、生物传感界面、纳米电子器件等提供了可能。 原子层沉积（ALD）与化学气相沉积（CVD）： 这些薄膜沉积技术能够实现原子级别的薄膜厚度和成分控制，从而构筑具有特定化学和物理性质的功能性表面。例如，ALD可用于制备高密度、均匀的催化涂层，或具有优异阻挡性能的保护层。 增材制造（3D打印）的表面成形： 尽管增材制造常用于整体结构的成形，但其高精度打印技术也为直接在零件表面构筑复杂的三维微纳结构提供了新途径。我们将探讨激光熔覆、选择性激光烧结等在表面改性、修复和功能化方面的潜力。 精密机械加工与表面抛光： 传统但仍至关重要的技术，通过超精密车削、磨削、抛光等方法，能够获得极低的表面粗糙度，满足光学、半导体等行业的严苛要求。 第三章：功能性表面的工程应用 本章将结合具体工程案例，展示精密表面塑造如何解决实际问题，并推动技术革新。 减摩与耐磨表面： 通过在材料表面构筑微观纹理（如沟槽、凹坑）或沉积超硬薄膜，显著降低摩擦系数，提高耐磨性。这将极大地延长机械零件、轴承、密封件等的使用寿命，并减少能量损耗。 疏水与超疏水表面： 受自然界（如荷叶）启发，通过微纳结构和低表面能材料的组合，可以实现强大的自清洁、防结冰、防污损功能。这在建筑、汽车、纺织、电子产品等领域具有广泛应用前景。 催化与传感表面： 精密设计的表面结构和化学成分能够显著提高催化剂的活性和选择性，或增强传感器的灵敏度和响应速度。例如，多相催化剂、气敏传感器、生物传感器等。 生物相容性与抗菌表面： 在植入物、医疗器械等领域，表面改性能够提高材料的生物相容性，减少排斥反应，甚至赋予其抗菌性能，降低感染风险。 结构颜色与光学表面： 利用微纳结构的衍射、干涉效应，可以制造出无需染料即可呈现丰富色彩的表面，或具有特定光学响应的表面，应用于显示、防伪、装饰等领域。 第二篇：医学领域的表面精密塑造 在医学领域，“表面”往往意味着生物体与外界的接触界面，是物质交换、信息传递和细胞相互作用的场所。对这些界面的精准调控，是实现疾病诊断、治疗、组织修复乃至再生医学的关键。本篇将深入探讨表面精密塑造在医学领域的独特挑战与无限可能。 第四章：生命科学中的表面界面挑战 人体是一个极其复杂的生物系统，其内部环境对进入的材料或设备提出了极高的要求。本章将从生物学和医学的角度，阐述表面在生命活动中的关键作用，以及在医学应用中面临的挑战： 生物相容性（Biocompatibility）： 这是医学表面设计最核心的要求。材料表面必须能够与生物组织和平共处，不引起强烈的免疫反应、炎症或毒性。 生物活性（Bioactivity）： 理想的医学表面能够主动与生物体进行积极的相互作用，促进细胞的粘附、生长、分化，或诱导特定的生物学响应。 界面问题： 血液与材料表面的接触（血栓形成）、细菌与表面的吸附（感染）、细胞与支架的相互作用（组织工程）等，都是至关重要的界面问题。 药物输送与控制释放： 表面可以被设计成药物的载体，通过调控表面结构和化学性质，实现靶向、缓释或按需释放药物。 诊断与传感界面： 在体外诊断和体内监测中，生物传感器表面的设计是实现高灵敏度、高特异性检测的基础。 第五章：生物医学表面的精密构建 本章将介绍一系列用于构建生物医学功能性表面的先进技术，强调其在精密度、可控性和生物安全性方面的要求。 等离子体处理与表面化学修饰： 等离子体技术能够温和地改性材料表面，引入活性官能团，提高表面能，促进生物分子（如蛋白质、细胞）的吸附和结合。 生物分子固定化技术： 将具有特定生物功能的分子（如抗体、酶、生长因子、DNA）精确地固定在材料表面，赋予表面识别、捕获或信号传导的能力。例如，ELISA、免疫层析等诊断平台。 微纳加工与仿生表面： 利用光刻、微流控、纳米压印等技术，模仿天然生物表面的微纳结构，例如模仿细胞外基质的纹理，以引导细胞行为，促进组织再生。 水凝胶与生物材料界面： 水凝胶因其良好的生物相容性和水合特性，常被用作生物材料的表面涂层或载体。精确调控其交联密度、孔隙结构和表面化学性质，是实现药物缓释和组织工程的关键。 3D生物打印的界面控制： 3D生物打印技术能够精确地构建具有复杂三维结构的生物支架，并在其表面集成药物释放系统或引导生长因子，为组织工程和药物筛选提供平台。 第六章：生物医学领域的表面应用典范 本章将通过具体的医学应用案例，展示精密表面塑造如何为疾病的诊断、治疗和康复带来革命性的变化。 植入物与医疗器械的表面工程： 骨科植入物： 表面涂层（如羟基磷灰石）可以促进骨细胞的整合，提高植入物的骨整合能力，减少假体松动。 心血管支架： 药物洗脱支架通过在表面固定抗增殖药物，有效预防血管再狭窄。 人工关节： 采用低摩擦系数的表面材料和精密的表面处理，提高人工关节的耐磨性和使用寿命。 导管与手术器械： 抗菌表面涂层可以显著降低医源性感染的风险。 药物递送系统： 纳米粒与微球： 通过表面功能化，实现药物的靶向递送，提高疗效，降低副作用。 微针阵列： 表面设计的微针能够实现无痛、高效的药物透皮递送。 组织工程与再生医学： 细胞支架： 表面微纳结构和生物活性分子能够引导干细胞的分化和组织再生。 皮肤修复： 功能化的伤口敷料可以促进伤口愈合，减少疤痕。 体外诊断与生物传感： 生物传感器： 表面修饰的电极、芯片能够实现对特定生物标志物的快速、灵敏检测，用于疾病的早期诊断和监测。 微流控芯片： 精密的表面处理能够控制微流体通道内的细胞行为和反应，为高通量药物筛选和诊断提供平台。 结论 《雕塑般的表面：工程与医学中的精密塑造》一书，通过深入的理论探讨和丰富的应用实例，展示了“表面”这一被忽视却又至关重要的维度所蕴含的巨大潜能。从工程领域的性能提升到医学领域的生命救助，精密表面塑造正以前所未有的力量，推动着科学技术的边界不断拓展。 本书强调的是一种“雕塑”的思维模式——即通过对材料的精雕细琢，赋予其超越材料本身属性的功能。这种思维模式要求我们不仅要理解材料的本质，更要洞察其界面的奥秘。工程与医学的交叉融合，将为表面科学带来新的灵感与挑战，而精准的表面构筑技术，将成为连接这两个领域、实现技术突破的关键桥梁。 我们希望本书能够启发读者，在各自的研究和实践中，重新审视“表面”的价值，并运用“雕塑”般的智慧，创造出更多具有突破性功能的产品和解决方案，为人类社会的进步贡献力量。

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