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108年公務人員高等考試三級考試試題
類 科：醫學工程
科 目：生物輸送原理
考試時間：2小時 座號：
※注意： 禁止使用電子計算器。
不必抄題，作答時請將試題題號及答案依照順序寫在試卷上，於本試題上作答者，不予計分。
本科目除專門名詞或數理公式外，應使用本國文字作答。
代號：29460
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Patient-remaining body volume
Vb, distribution volume
Cb, solute concentration
Peritoneal cavity
Vp
Cp
Peritoneal membrane
一、當胰島素分泌細胞受到傷害時，由於細胞無法生長也無法自人體中進行
置換，因此將長期接受胰島素注射治療。一直以來想嘗試以微膠囊形式
包覆受贈的胰島素分泌細胞再植入體內，以輔助功能不全的胰臟，但挑
戰之一為培養來自捐贈者器官的細胞。由於組織必須高度含氧，可行的
方法之一為將組織切割為圓柱形（cylinder）並放入含全氟碳化物
（Perfluorocarbons，PFC 具高溶氧度）的培養液中培養，此方式可得較
高的氧氣濃度，其中細胞可利用的氧氣濃度為溶在培養液中與 PFC 中的
總和。若有一半徑為 R，長度為 L的圓柱型組織（L>>R），氧氣消耗率
為Q，組織表面的氧氣濃度為 C0。假設在穩態下（steady state）耗氧為
零級反應（zero-order reaction ），則徑向的氧氣濃度分布（radial
concentration profile）如何表示？（10 分）同時最大可能的組織圓柱半
徑（maximum radius）為何？（5分）
二、接受血液透析的病患通常一週內必須幾次與體外透析器連接3~4 小時進
行液體交換，而腹膜透析則是一種常用的替代方案。主要為將體積為
Vp且濃度與腹液相當的葡萄糖溶液注射至腹腔，約 5小時後再以同體積
（Vp）新鮮液體抽換體積，如下圖所示。假設 Cb為常數，剛開始時（t=0）
Cp=0 的狀況下，請寫出對固定體積 Vp，膜兩側均為混合液體，且薄
膜質傳係數為 k0，質傳交換面積為 Am狀況下的 mass balance 表示式。
（20 分）
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三、在一僅含細胞，胞外間質纖維及組織液的不含血管組織中（如下圖所
示），假設細胞及胞外間質纖維的直徑分別為 Dc及Df，單位體積內纖維
長度及細胞數分別為 L及n。假設纖維（圓柱型）與細胞（球型）皆為
均勻分布於組織內，同時纖維為互相平行。請問此組織的孔隙度
（porosity）為何（即細胞與纖維所占的總體積分率）？（15 分）
四、一般生物體內的反應無法得知反應速率常數，因此常以無因次反應摩數
（dimensionless reaction modules，ϕ）評估。例如細胞內粒腺體中富含許
多酵素用以代謝氧氣以提供細胞所需，依據下列數據請問肌肉細胞及肝
細胞在粒腺體內藉由酵素消耗氧氣反應是否為擴散限制
（diffusion-limited）反應？（10 分）
φ= "
Rc 細胞半徑（cell radius） 10
μ
m
Rm 粒腺體半徑（mitochondrion radius） 0.45
μ
m
Deff 氧氣擴散係數（diffusion coefficient of O2） 2×10-5 cm2 s-1
Muscle Cells under exercise
C0 細胞外氧氣濃度（extracellular concentration
of O2） 1.1×10-8 mol cm-3
R” 細胞吸收氧氣速率（observed rate of O2
uptake by cells） 2×10-6 mol cm -3 s-1
Liver cells
C0 細胞外氧氣濃度（extracellular concentration
of O2） 10×10-8 mol cm-3
R” 細胞吸收氧氣速率（observed rate of O2
uptake by cells） 7×10-8 mol cm -3 s-1
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五、請敘述下列問題：
當溶質（solute）半徑與薄膜孔洞半徑相去不大時，那兩種因素會特別
影響使得溶擴散速率降低。（10 分）
以「擴散（diffusion）」或「通透（permeability）」探討溶質在微血
管壁傳輸時，立論的最主要不同處為何？（10 分）
請寫出（或畫出）3種體內外連通醫材（extracorporeal device）如血液
透析器中，血液與流體接觸可產生物質交換的形式（fluid contacting
patterns）。（9分）
Thiele modulus？（請解釋其意涵）（4分）
對血液而言，如何定義降伏強度（yield stress）？（3分）又有那些因
子（factors）會影響血液降伏強度？（4分）