先進制造技術(生物制造)

1、日本三重大學和岡山大學率先開展了生物技術用于工程材料加工的研究，日本三重大學和岡山大學率先開展了生物技術用于工程材料加工的研究，并初步證實了微生物加工金屬材料的可行性。并初步證實了微生物加工金屬材料的可行性。目前已將快速成形制造技術人工骨研究相結(jié)合，為顱骨、顎骨等骨骼的目前已將快速成形制造技術人工骨研究相結(jié)合，為顱骨、顎骨等骨骼的人工修復和康復醫(yī)學提供了很好的技術手段。人工修復和康復醫(yī)學提供了很好的技術手段。我國于我國于19821982年將生物技術列為八大重點技術之一。生物學科與制造學科年將生物技術列為八大重點技術之一。生物學科與制造學科這兩個原來人們覺得毫不相干的學科，今天正在相互滲透、相互

2、交叉，正這兩個原來人們覺得毫不相干的學科，今天正在相互滲透、相互交叉，正在形成一個新的學科在形成一個新的學科生物制造系統(tǒng)（生物制造系統(tǒng)（Biological Manufacturing Biological Manufacturing SystemSystem，BMSBMS）。）。我國在我國在20032003年年3 3月和月和20042004年年7 7月，先后兩次召開了全國生物制造工程學術月，先后兩次召開了全國生物制造工程學術研討會，專家們探討的主要問題有：研討會，專家們探討的主要問題有：生物制造工程的定義、內(nèi)涵及意義；生物制造工程的定義、內(nèi)涵及意義；生物醫(yī)學工程與生物制造的聯(lián)系；生物醫(yī)學工程

3、與生物制造的聯(lián)系；生物制造的研究特點、方向及方法；生物制造的研究特點、方向及方法；生物制造的應用領域。生物制造的應用領域。 1. 1. 生物制造系統(tǒng)正在形成生物制造系統(tǒng)正在形成6.6.1 生物制造的發(fā)展生物制造的發(fā)展 在機器人、微機電系統(tǒng)、微型武器方面，將更多地應用生物在機器人、微機電系統(tǒng)、微型武器方面，將更多地應用生物動力、生物感知、生物智能，使機器人越來越像人或動物。動力、生物感知、生物智能，使機器人越來越像人或動物。 在納米技術方面，實現(xiàn)納米尺度上裁剪或連接在納米技術方面，實現(xiàn)納米尺度上裁剪或連接DNADNA雙螺旋，雙螺旋，改造生命特征改造生命特征; ;實現(xiàn)各種蛋白質(zhì)分子和酶分子的組裝，

4、構(gòu)造納米實現(xiàn)各種蛋白質(zhì)分子和酶分子的組裝，構(gòu)造納米人工生物膜，實現(xiàn)跨膜物質(zhì)選擇運輸和電子傳遞。人工生物膜，實現(xiàn)跨膜物質(zhì)選擇運輸和電子傳遞。 在醫(yī)療方面，三維生物組織培養(yǎng)技術不斷突破，人體各種器在醫(yī)療方面，三維生物組織培養(yǎng)技術不斷突破，人體各種器官將能得到復制，會大大延長人類的生命。官將能得到復制，會大大延長人類的生命。 在生物加工方面，通過生物方法制造納米顆粒、納米功能涂在生物加工方面，通過生物方法制造納米顆粒、納米功能涂層、納米微管、功能材料、微器件、微動力、微傳感器、微系層、納米微管、功能材料、微器件、微動力、微傳感器、微系統(tǒng)等。統(tǒng)等。 2. 2. 生物制造的發(fā)展前景生物制造的發(fā)展前景6.

5、6.1 生物制造的發(fā)展生物制造的發(fā)展1. 生物制造的概念生物制造的概念生物制造？（生物制造？（清華大學顏永年教授）清華大學顏永年教授） 通過制造科學與生命科學相結(jié)合，在微滴、通過制造科學與生命科學相結(jié)合，在微滴、細胞和分子尺度的科學層次上，通過受控組裝細胞和分子尺度的科學層次上，通過受控組裝完成器官、組織和仿生產(chǎn)品的制造之科學和技完成器官、組織和仿生產(chǎn)品的制造之科學和技術總稱。術總稱。 6.6.2 生物制造的概念與內(nèi)容生物制造的概念與內(nèi)容2. 2. 生生物物制制造造的的內(nèi)內(nèi)容容 生物制造工程的體系結(jié)構(gòu)生物制造工程的體系結(jié)構(gòu)生長型制造原理生長型制造原理自組織生長原理自組織生長原理分布式制造原理分

6、布式制造原理分形理論分形理論其他理論其他理論仿生制造仿生制造 生物組織和結(jié)構(gòu)的仿生生物組織和結(jié)構(gòu)的仿生 生物遺傳制造生物遺傳制造 生物控制的仿生生物控制的仿生生物成形制造生物成形制造其他方法其他方法產(chǎn)產(chǎn)品品制造科學制造科學 生命科學生命科學 材料科學材料科學 信息技術信息技術制造原理制造原理生物制造技術生物制造技術生物制造的基礎生物制造的基礎6.6.2 生物制造的概念與內(nèi)容生物制造的概念與內(nèi)容 目前生物制造工程的研究方向是如何把制造科學、生命科目前生物制造工程的研究方向是如何把制造科學、生命科學、計算機技術、信息技術、材料科學各領域的最新成果組合學、計算機技術、信息技術、材料科學各領域的最新成

7、果組合起來，使其彼此溝通起來用于制造業(yè)，是生物制造工程的主要起來，使其彼此溝通起來用于制造業(yè)，是生物制造工程的主要任務。歸納下來，目前有如下兩方面任務。歸納下來，目前有如下兩方面6 6個研究方向：個研究方向：（1 1）仿生制造）仿生制造 生物組織和結(jié)構(gòu)的仿生生物組織和結(jié)構(gòu)的仿生 生物遺傳制造生物遺傳制造 生物控制的仿生生物控制的仿生 6.6.2 生物制造的概念與內(nèi)容生物制造的概念與內(nèi)容 （2 2）生物成形制造）生物成形制造 生物去除成形生物去除成形 生物約束成形生物約束成形 生物生長成形生物生長成形 生物活性組織的工程化制造生物活性組織的工程化制造和和類生物智能體的制造類生物智能體的制造。如：

8、如：生物活性組織的工程化制造生物活性組織的工程化制造：將組織工程材料與快速成形制將組織工程材料與快速成形制造結(jié)合，采用生物相容性和生物可降解性材料，制造生長單元造結(jié)合，采用生物相容性和生物可降解性材料，制造生長單元的框架，在生長單元內(nèi)部注入生長因子，使各生長單元并行生的框架，在生長單元內(nèi)部注入生長因子，使各生長單元并行生長，以解決與人體的相容性與個體的適配性，以及快速生成的長，以解決與人體的相容性與個體的適配性，以及快速生成的需求，實現(xiàn)人體器官的人工制造。需求，實現(xiàn)人體器官的人工制造。類生物智能體的制造類生物智能體的制造：利用可以通過控制含水量來控制伸縮利用可以通過控制含水量來控制伸縮的高分子

9、材料，能夠制成人工肌肉。類生物智能體的最高發(fā)展的高分子材料，能夠制成人工肌肉。類生物智能體的最高發(fā)展是依靠生物分子的生物化學作用，制造類人腦的生物計算機芯是依靠生物分子的生物化學作用，制造類人腦的生物計算機芯片，即生物存儲體和邏輯裝置。片，即生物存儲體和邏輯裝置。 1）生物組織和結(jié)構(gòu)的仿生生物組織和結(jié)構(gòu)的仿生 6.6.2 生物制造的概念與內(nèi)容生物制造的概念與內(nèi)容 依靠生物依靠生物DNADNA的自我復制，利用轉(zhuǎn)基的自我復制，利用轉(zhuǎn)基因?qū)崿F(xiàn)一定幾何形狀、各幾何形狀位置因?qū)崿F(xiàn)一定幾何形狀、各幾何形狀位置不同的物理力學性能、生物材料和非生不同的物理力學性能、生物材料和非生物材料的有機結(jié)合，并根據(jù)生成物

10、的各物材料的有機結(jié)合，并根據(jù)生成物的各種特征，種特征，采用人工控制生長單元體內(nèi)的采用人工控制生長單元體內(nèi)的遺傳信息為手段遺傳信息為手段，直接生長出任何人類，直接生長出任何人類所需要的產(chǎn)品，如人或動物的骨骼、器所需要的產(chǎn)品，如人或動物的骨骼、器官、肢體，以及生物材料結(jié)構(gòu)的機器零官、肢體，以及生物材料結(jié)構(gòu)的機器零部件等。部件等。 生物遺傳制造生物遺傳制造 6.6.2 生物制造的概念與內(nèi)容生物制造的概念與內(nèi)容 應用生物控制原理來計算、分析和控制制造過程。應用生物控制原理來計算、分析和控制制造過程。例如例如: :人工神經(jīng)網(wǎng)絡人工神經(jīng)網(wǎng)絡遺傳算法遺傳算法仿生測量研究仿生測量研究面向生物工程的微操作系統(tǒng)原

11、理面向生物工程的微操作系統(tǒng)原理設計與制造基礎設計與制造基礎3 3）生物控制的仿生）生物控制的仿生 6.6.2 生物制造的概念與內(nèi)容生物制造的概念與內(nèi)容 找到找到“吃吃”某些工程材料的菌種，實現(xiàn)生物去除成形某些工程材料的菌種，實現(xiàn)生物去除成形(Bioremoving(Bioremoving forming) forming)；復制或金屬化；復制或金屬化 不同標準幾何外形與不同標準幾何外形與亞結(jié)構(gòu)的菌體，再經(jīng)排序或微操作，實現(xiàn)生物約束成形亞結(jié)構(gòu)的菌體，再經(jīng)排序或微操作，實現(xiàn)生物約束成形(Biolimited(Biolimited forming) forming)；甚至通過控制基因的遺傳形狀特征和

12、；甚至通過控制基因的遺傳形狀特征和遺傳生理特征，生長出所需的外形和生理功能，實現(xiàn)生物生長遺傳生理特征，生長出所需的外形和生理功能，實現(xiàn)生物生長成形成形(Biogrowing(Biogrowing forming) forming)。 生物去除成形生物去除成形 （Bioremoving Forming） 生物約束成形生物約束成形 （Biolimited Forming） 生物生長成形生物生長成形 （Biogrowing Forming） 6.6.2 生物制造的概念與內(nèi)容生物制造的概念與內(nèi)容 例：例： 氧化亞鐵硫桿菌氧化亞鐵硫桿菌T T9 9菌菌株是中溫、好氧、嗜酸、株是中溫、好氧、嗜酸、專性無機

13、化能自氧菌，其專性無機化能自氧菌，其主要生物特性是將亞鐵離主要生物特性是將亞鐵離子氧化成高鐵離子以及將子氧化成高鐵離子以及將其他低價無機硫化物氧化其他低價無機硫化物氧化成硫酸和硫酸鹽。加工時，成硫酸和硫酸鹽。加工時，可掩膜控制去除區(qū)域利用，可掩膜控制去除區(qū)域利用，利用細菌刻蝕達到成形的利用細菌刻蝕達到成形的目的。目的。 a） b）圖圖 生物去除成形實驗過程生物去除成形實驗過程a）光刻工藝過程）光刻工藝過程 b）生物加工過程）生物加工過程光繪底片貼抗蝕劑膜紫外線曝光顯影為試件金屬試件生物加工過程生物加工后試件去抗蝕劑膜6.6.2 生物制造的概念與內(nèi)容生物制造的概念與內(nèi)容 2 2）生物約束成形）生

14、物約束成形 目前已發(fā)現(xiàn)的微生物中大部分細菌直徑只有目前已發(fā)現(xiàn)的微生物中大部分細菌直徑只有1m1m左右，菌左右，菌體有各種各樣的標準幾何外形，用現(xiàn)在加工手段很難加工除這體有各種各樣的標準幾何外形，用現(xiàn)在加工手段很難加工除這么小的標準三維形狀。這些菌體的金屬化將會有以下用途：么小的標準三維形狀。這些菌體的金屬化將會有以下用途： 構(gòu)造微管道，微電極、微導線構(gòu)造微管道，微電極、微導線 菌體排序與固定，構(gòu)造蜂窩結(jié)構(gòu)、復合材料、多孔材料、磁性功能材料菌體排序與固定，構(gòu)造蜂窩結(jié)構(gòu)、復合材料、多孔材料、磁性功能材料等。等。 去除蜂窩結(jié)構(gòu)表面，構(gòu)造微孔過濾膜、光學衍射孔等。去除蜂窩結(jié)構(gòu)表面，構(gòu)造微孔過濾膜、光學

15、衍射孔等。 6.6.2 生物制造的概念與內(nèi)容生物制造的概念與內(nèi)容 生物體和生物分子具有繁殖、代謝、生物體和生物分子具有繁殖、代謝、生長、遺傳、重組等特點。生長、遺傳、重組等特點。 未來將現(xiàn)實人工控制細胞團的生長未來將現(xiàn)實人工控制細胞團的生長外形和生理功能的生物生長成形技術。外形和生理功能的生物生長成形技術?？梢岳蒙锷L技術控制基因的遺可以利用生物生長技術控制基因的遺傳形狀特征和遺傳生理特征，生長出傳形狀特征和遺傳生理特征，生長出所需外形和生理功能的人工器官，用所需外形和生理功能的人工器官，用于延長人類生命或構(gòu)造生物型微機電于延長人類生命或構(gòu)造生物型微機電系統(tǒng)。系統(tǒng)。 3 3）生物生長成形）

16、生物生長成形6.6.2 生物制造的概念與內(nèi)容生物制造的概念與內(nèi)容 大規(guī)模集成電路（計算機核心元件）材料為硅。提高了集成度，引起難于大規(guī)模集成電路（計算機核心元件）材料為硅。提高了集成度，引起難于解決的散熱問題。生物芯片可以解決類似問題，有以下生物材料：解決的散熱問題。生物芯片可以解決類似問題，有以下生物材料： (1)(1)細胞色素細胞色素C C 它具有氧化和還原的兩種狀態(tài)，其導電率相差它具有氧化和還原的兩種狀態(tài)，其導電率相差10001000倍。這倍。這兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換可通過適當方式加上或撤去兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換可通過適當方式加上或撤去1.51.5伏電壓來實現(xiàn)，它可作為記伏電壓來實現(xiàn)，它可作為記憶元件。

17、憶元件。 (2)(2)細菌視紫紅質(zhì)細菌視紫紅質(zhì) 它是一種光驅(qū)動開關的原型。由光輻射啟動的質(zhì)子泵在它是一種光驅(qū)動開關的原型。由光輻射啟動的質(zhì)子泵在膜兩邊形成的電位，經(jīng)離子靈敏場效應放大后，可給出較好的開關信號。膜兩邊形成的電位，經(jīng)離子靈敏場效應放大后，可給出較好的開關信號。 (3)DNA(3)DNA分子分子 它以核苷酸堿基編碼方式存儲遺傳信息，是一種存儲器的分它以核苷酸堿基編碼方式存儲遺傳信息，是一種存儲器的分子模型。子模型。 (4)(4)采用導電聚合物如聚乙炔與聚硫氮化物制作分子導線采用導電聚合物如聚乙炔與聚硫氮化物制作分子導線 它們傳遞信息速度它們傳遞信息速度與電子導電情況無多大差別，但能耗

18、極低。與電子導電情況無多大差別，但能耗極低。 1. 1. 生物計算機生物計算機6.6.3 生物制造的應用案例生物制造的應用案例 2. 2. 可使盲人重見光明的可使盲人重見光明的“眼睛芯片眼睛芯片” 美國研制成功了可使盲人重見光明的美國研制成功了可使盲人重見光明的“眼眼睛芯片睛芯片”。這種芯片是由一個。這種芯片是由一個無線錄像裝置無線錄像裝置和一個和一個激光驅(qū)動的、固定在視網(wǎng)膜上的微型激光驅(qū)動的、固定在視網(wǎng)膜上的微型電腦芯片電腦芯片組成。組成。 工作原理工作原理: :裝在眼鏡上的微型錄像裝置拍攝到圖像，并裝在眼鏡上的微型錄像裝置拍攝到圖像，并把圖像進行數(shù)字化處理之后發(fā)送到電腦芯片，把圖像進行數(shù)字

19、化處理之后發(fā)送到電腦芯片，電腦芯片上的電極構(gòu)成的圖像信號則刺激視電腦芯片上的電極構(gòu)成的圖像信號則刺激視網(wǎng)膜神經(jīng)細胞，使圖像信號通過視神經(jīng)傳送網(wǎng)膜神經(jīng)細胞，使圖像信號通過視神經(jīng)傳送到大腦，這樣盲人就可以見到這些圖像。到大腦，這樣盲人就可以見到這些圖像。 6.6.3 生物制造的應用案例生物制造的應用案例 據(jù)統(tǒng)計，僅在美國每年有數(shù)百萬的患者患有各種組織、器官的喪失或功能障礙，每年需要進行，年耗資。我國目前有大約，每年卻僅能做；有在等待骨髓移植，而全國骨髓庫的資料才，大量的患者都因等不到器官而死亡，而且器官移植存在排斥作用，成活率很低的問題。 6.6.3 生物制造的應用案例生物制造的應用案例 生物醫(yī)學

20、專家希望用人工培養(yǎng)的辦法培養(yǎng)出人體需要的正生物醫(yī)學專家希望用人工培養(yǎng)的辦法培養(yǎng)出人體需要的正常組織。在將來，醫(yī)院就能像工廠生產(chǎn)零部件一樣，根據(jù)患者常組織。在將來，醫(yī)院就能像工廠生產(chǎn)零部件一樣，根據(jù)患者的缺失情況，需要什么培養(yǎng)什么，需要多少做多少，量體裁衣，的缺失情況，需要什么培養(yǎng)什么，需要多少做多少，量體裁衣，做好了安裝上就能發(fā)揮作用。而且可以結(jié)合先進的電腦技術，做好了安裝上就能發(fā)揮作用。而且可以結(jié)合先進的電腦技術，為每一個患者提供與他原器官特別相似的人造器官。簡單地說，為每一個患者提供與他原器官特別相似的人造器官。簡單地說，個性化人造器官就是利用患者自身的局部組織或細胞，再利用個性化人造器官

21、就是利用患者自身的局部組織或細胞，再利用外來的一些高分子材料，在身體的相關部位外來的一些高分子材料，在身體的相關部位“長長”出一個最出一個最“貼己貼己”的器官的器官。6.6.3 生物制造的應用案例生物制造的應用案例 生物學家首先制定構(gòu)建某種組織或器官的設計圖，并按照圖紙生物學家首先制定構(gòu)建某種組織或器官的設計圖，并按照圖紙要求制備一種特殊的骨架，這種骨架要具有降解特性，降解后對人要求制備一種特殊的骨架，這種骨架要具有降解特性，降解后對人體無害，并能提供細胞生長場所。生物學家將患者殘余器官的少量體無害，并能提供細胞生長場所。生物學家將患者殘余器官的少量正常細胞作為正常細胞作為“種子細胞種子細胞”

22、，“種種”在人造骨架上，并提供合適的在人造骨架上，并提供合適的生長因子，讓細胞分泌出建造組織或器官所需的細胞間質(zhì)，最后作生長因子，讓細胞分泌出建造組織或器官所需的細胞間質(zhì)，最后作為骨架的生物材料在細胞培育過程中，逐漸降解而消失。整個器官為骨架的生物材料在細胞培育過程中，逐漸降解而消失。整個器官在完全無菌的生物反應器里培養(yǎng)，等到整個器官在體外在完全無菌的生物反應器里培養(yǎng)，等到整個器官在體外“長長”好之好之后，再移植到患者體內(nèi)，由于是他自身細胞后，再移植到患者體內(nèi)，由于是他自身細胞“長長”成的器官，患者成的器官，患者就不會產(chǎn)生排斥反應。就不會產(chǎn)生排斥反應。6.6.3 生物制造的應用案例生物制造的應

23、用案例生物可吸收性生物可吸收性PLGAPLGA原料原料生物可吸收性生物可吸收性PLGAPLGA骨螺絲成品骨螺絲成品生物可吸收性生物可吸收性PLGAPLGA骨板成品骨板成品生物可吸收性生物可吸收性PLGAPLGA多孔性基材多孔性基材6.6.3 生物制造的應用案例生物制造的應用案例 一種更簡單的人造器官方法一種更簡單的人造器官方法: :把作為支架的高分子材料、細胞和生把作為支架的高分子材料、細胞和生長因子混合在一起，注射到患者體內(nèi)需要修復的部位，讓這些原料長因子混合在一起，注射到患者體內(nèi)需要修復的部位，讓這些原料“長長”出一個完整的器官來。到時，去醫(yī)院修補器官就像現(xiàn)在打針一出一個完整的器官來。到時

24、，去醫(yī)院修補器官就像現(xiàn)在打針一樣方便。這種新的方法叫做樣方便。這種新的方法叫做“可注射工程可注射工程”。注射能促進牙齦組注射能促進牙齦組織再生的生物材料織再生的生物材料 可注射組織工程示意圖可注射組織工程示意圖6.6.3 生物制造的應用案例生物制造的應用案例(2)(2)個性化人造器官的研究進展個性化人造器官的研究進展 19971997年，美國南加州的年，美國南加州的ATSATS公司首次由包皮細胞長成了人造皮膚，公司首次由包皮細胞長成了人造皮膚，移植在病人身上后，人工皮膚細胞即使已經(jīng)死亡，其所含的生長因子，移植在病人身上后，人工皮膚細胞即使已經(jīng)死亡，其所含的生長因子，仍能夠促進傷口周圍的組織再生

25、。這是最先面世的個性化人造器官產(chǎn)仍能夠促進傷口周圍的組織再生。這是最先面世的個性化人造器官產(chǎn)品。目前，人造皮膚已經(jīng)成為個性化人造器官中最成熟的一個品種。品。目前，人造皮膚已經(jīng)成為個性化人造器官中最成熟的一個品種。 美國馬薩諸塞大學的查爾斯美國馬薩諸塞大學的查爾斯瓦坎蒂教授在生物反應器里為兩位瓦坎蒂教授在生物反應器里為兩位切掉拇指的機械師培育了拇指的指骨。與此同時，安東尼切掉拇指的機械師培育了拇指的指骨。與此同時，安東尼阿塔拉領阿塔拉領導的一個由波士頓兒童醫(yī)院的醫(yī)生組成的小組正計劃把用胎兒細胞培導的一個由波士頓兒童醫(yī)院的醫(yī)生組成的小組正計劃把用胎兒細胞培育的膀胱植入人體。美國阿特麗克斯公司生產(chǎn)了

26、一種摻有生長激素和育的膀胱植入人體。美國阿特麗克斯公司生產(chǎn)了一種摻有生長激素和療效藥物的可吸收生物材料，它能促進牙齦組織再生。療效藥物的可吸收生物材料，它能促進牙齦組織再生。6.6.3 生物制造的應用案例生物制造的應用案例(2)(2)個性化人造器官的研究進展個性化人造器官的研究進展 德國漢諾威醫(yī)學高等?？茖W校的赫爾穆特德國漢諾威醫(yī)學高等?？茖W校的赫爾穆特德德雷克斯勒教授首先從心肌梗塞患者的骨髓中提取出雷克斯勒教授首先從心肌梗塞患者的骨髓中提取出干細胞，經(jīng)過一系列特殊處理后，這些病人的自體干細胞，經(jīng)過一系列特殊處理后，這些病人的自體干細胞通過特制導管被植入發(fā)生梗塞的心臟動脈中。干細胞通過特制導管被植入發(fā)生梗塞的心臟動脈