先進(jìn)制造工藝技術(shù)生物制造技術(shù)

先進(jìn)制造工藝技術(shù)生物制造技術(shù)

在機(jī)器人、微機(jī)電系統(tǒng)、微型武器方面,將更多地應(yīng)用生物動(dòng)力、生物感知、生物智能,使機(jī)器人越來(lái)越像人或動(dòng)物。在納米技術(shù)方面,實(shí)現(xiàn)納米尺度上裁剪或連接DNA雙螺旋,改造生命特征;實(shí)現(xiàn)各種蛋白質(zhì)分子和酶分子得組裝,構(gòu)造納米人工生物膜,實(shí)現(xiàn)跨膜物質(zhì)選擇運(yùn)輸和電子傳遞。在醫(yī)療方面,三維生物組織培養(yǎng)技術(shù)不斷突破,人體各種器官將能得到復(fù)制,會(huì)大大延長(zhǎng)人類得生命。在生物加工方面,通過(guò)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(dòng)力、微傳感器、微系統(tǒng)等。2、生物制造得發(fā)展前景

2、1生物制造得發(fā)展∨∧1、生物制造得概念清華大學(xué)顏永年教授等把生物制造定義為:通過(guò)制造科學(xué)與生命科學(xué)相結(jié)合,在細(xì)胞和分子尺度得科學(xué)層次上,通過(guò)受控組裝完成器官、組織和仿生產(chǎn)品得制造之科學(xué)和技術(shù)總稱。2、2生物制造得概念與內(nèi)容∨∧2、生物制造得內(nèi)容

生物制造工程得體系結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)型制造原理自組織生長(zhǎng)原理分布式制造原理分形理論其他理論⑴仿生制造生物組織和結(jié)構(gòu)的仿生生物遺傳制造生物控制的仿生⑵生物成形制造⑶其他方法產(chǎn)品制造科學(xué)生命科學(xué)材料科學(xué)信息技術(shù)制造原理生物制造技術(shù)生物制造的基礎(chǔ)2、2生物制造得概念與內(nèi)容∨∧

目前生物制造工程得研究方向就是如何把制造科學(xué)、生命科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)各領(lǐng)域得最新成果組合起來(lái),使其彼此溝通起來(lái)用于制造業(yè),就是生物制造工程得主要任務(wù)。歸納下來(lái),目前有如下兩方面6個(gè)研究方向:(1)仿生制造

生物組織和結(jié)構(gòu)得仿生生物遺傳制造

生物控制得仿生3、生物制造工程得研究方向

2、2生物制造得概念與內(nèi)容

(2)生物成形制造

生物去除成形生物約束成形生物生長(zhǎng)成形

∨∧包括生物活性組織得工程化制造和類生物智能體得制造。例如:①生物活性組織得工程化制造: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(zhǎng)單元得框架,在生長(zhǎng)單元內(nèi)部注入生長(zhǎng)因子,使各生長(zhǎng)單元并行生長(zhǎng),以解決與人體得相容性與個(gè)體得適配性,以及快速生成得需求,實(shí)現(xiàn)人體器官得人工制造。②類生物智能體得制造:利用可以通過(guò)控制含水量來(lái)控制伸縮得高分子材料,能夠制成人工肌肉。類生物智能體得最高發(fā)展就是依靠生物分子得生物化學(xué)作用,制造類人腦得生物計(jì)算機(jī)芯片,即生物存儲(chǔ)體和邏輯裝置。

1)生物組織和結(jié)構(gòu)得仿生2、2生物制造得概念與內(nèi)容

∨∧

隨著DNA得內(nèi)部結(jié)構(gòu)和遺傳機(jī)制得解密,借鑒基因技術(shù)得成果應(yīng)用于制造領(lǐng)域,依靠生物DNA得自我復(fù)制,如何利用轉(zhuǎn)基因?qū)崿F(xiàn)一定幾何形狀、各幾何形狀位置不同得物理力學(xué)性能、生物材料和非生物材料得有機(jī)結(jié)合,并根據(jù)生成物得各種特征,采用人工控制生長(zhǎng)單元體內(nèi)得遺傳信息為手段,直接生長(zhǎng)出任何人類所需要得產(chǎn)品,如人或動(dòng)物得骨骼、器官、肢體,以及生物材料結(jié)構(gòu)得機(jī)器零部件等,將就是這個(gè)方向得創(chuàng)新及前沿問(wèn)題。2)生物遺傳制造

2、2生物制造得概念與內(nèi)容

∨∧應(yīng)用生物控制原理來(lái)計(jì)算、分析和控制制造過(guò)程。例如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法仿生測(cè)量研究面向生物工程得微操作系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)與制造基礎(chǔ)3)生物控制得仿生

2、2生物制造得概念與內(nèi)容

∨∧

目前已發(fā)現(xiàn)得微生物有10萬(wàn)種左右,尺度絕大部分為微/納米級(jí),具有不同得標(biāo)準(zhǔn)幾何外形與亞結(jié)構(gòu)、生理機(jī)能及遺傳特性。這就有可能找到“吃”某些工程材料得菌種,實(shí)現(xiàn)生物去除成形(Bioremovingforming);復(fù)制或金屬化不同標(biāo)準(zhǔn)幾何外形與亞結(jié)構(gòu)得菌體,再經(jīng)排序或微操作,實(shí)現(xiàn)生物約束成形(Biolimitedforming);甚至通過(guò)控制基因得遺傳形狀特征和遺傳生理特征,生長(zhǎng)出所需得外形和生理功能,實(shí)現(xiàn)生物生長(zhǎng)成形(Biogrowingforming)。

生物去除成形(BioremovingForming)

生物約束成形(BiolimitedForming)

生物生長(zhǎng)成形(BiogrowingForming)

(2)生物成形制造

2、2生物制造得概念與內(nèi)容

∨∧10大家應(yīng)該也有點(diǎn)累了，稍作休息大家有疑問(wèn)的，可以詢問(wèn)和交流

以氧化亞鐵硫桿菌T—9菌株去除純銅、純鐵和銅鎳合金等材料為例,說(shuō)明生物去形得原理。氧化亞鐵硫桿菌T—9菌株就是中溫、好氧、嗜酸、專性無(wú)機(jī)化能自氧菌,其主要生物特性就是將亞鐵離子氧化成高鐵離子以及將其她低價(jià)無(wú)機(jī)硫化物氧化成硫酸和硫酸鹽。加工時(shí),可掩膜控制去除區(qū)域利用,利用細(xì)菌刻蝕達(dá)到成形得目得。1)生物去除成形

a）b）圖生物去除成形實(shí)驗(yàn)過(guò)程a）光刻工藝過(guò)程b）生物加工過(guò)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(guò)程生物加工后試件去抗蝕劑膜2、2生物制造得概念與內(nèi)容

∨∧2)生物約束成形

目前已發(fā)現(xiàn)得微生物中大部分細(xì)菌直徑只有1μm左右,菌體有各種各樣得標(biāo)準(zhǔn)幾何外形,用現(xiàn)在加工手段很難加工除這么小得標(biāo)準(zhǔn)三維形狀。這些菌體得金屬化將會(huì)有以下用途:

構(gòu)造微管道,微電極、微導(dǎo)線菌體排序與固定,構(gòu)造蜂窩結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料、多孔材料、磁性功能材料等。去除蜂窩結(jié)構(gòu)表面,構(gòu)造微孔過(guò)濾膜、光學(xué)衍射孔等。

2、2生物制造得概念與內(nèi)容

∨∧

有生命得生物體和生物分子與其她無(wú)生命得物質(zhì)相比,具有繁殖、代謝、生長(zhǎng)、遺傳、重組等特點(diǎn)。隨著人類對(duì)基因組計(jì)劃得不斷實(shí)施和深人研究,將現(xiàn)實(shí)人工控制細(xì)胞團(tuán)得生長(zhǎng)外形和生理功能得生物生長(zhǎng)成形技術(shù)。相信在不遠(yuǎn)得將來(lái),可以利用生物生長(zhǎng)技術(shù)控制基因得遺傳形狀特征和遺傳生理特征,生長(zhǎng)出所需外形和生理功能得人工器官,用于延長(zhǎng)人類生命或構(gòu)造生物型微機(jī)電系統(tǒng)。3)生物生長(zhǎng)成形2、2生物制造得概念與內(nèi)容

∨∧1、生物計(jì)算機(jī)2、可使盲人重見(jiàn)光明得“眼睛芯片”

3、個(gè)性化人造器官2、3生物制造得應(yīng)用案例

∨∧

作為計(jì)算機(jī)核心元件得大規(guī)模集成電路多以硅為材料。如果提高了集成度,電路密集引起得散熱問(wèn)題又難于解決。因此,計(jì)算機(jī)得運(yùn)算速度與能力就不能滿足飛速發(fā)展得社會(huì)得要求了。目前,科學(xué)家正在研制生物芯片,并已確定了以下得生物材料:(1)細(xì)胞色素C她具有氧化和還原得兩種狀態(tài),其導(dǎo)電率相差1000倍。這兩種狀態(tài)得轉(zhuǎn)換可通過(guò)適當(dāng)方式加上或撤去1、5伏電壓來(lái)實(shí)現(xiàn),她可作為記憶元件。(2)細(xì)菌視紫紅質(zhì)她就是一種光驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)得原型。由光輻射啟動(dòng)得質(zhì)子泵在膜兩邊形成得電位,經(jīng)離子靈敏場(chǎng)效應(yīng)放大后,可給出較好得開(kāi)關(guān)信號(hào)。(3)DNA分子她以核苷酸堿基編碼方式存儲(chǔ)遺傳信息,就是一種存儲(chǔ)器得分子模型。(4)采用導(dǎo)電聚合物如聚乙炔與聚硫氮化物制作分子導(dǎo)線她們傳遞信息速度與電子導(dǎo)電情況無(wú)多大差別,但能耗極低。1、生物計(jì)算機(jī)2、3生物制造得應(yīng)用案例

∨∧2、可使盲人重見(jiàn)光明得“眼睛芯片”

美國(guó)約翰斯·霍普金斯大學(xué)威爾默眼科研究所得科學(xué)家和北卡羅來(lái)納州立大學(xué)得機(jī)械工程師,共同研制成功了可使盲人重見(jiàn)光明得“眼睛芯片”。這種芯片就是由一個(gè)無(wú)線錄像裝置和一個(gè)激光驅(qū)動(dòng)得、固定在視網(wǎng)膜上得微型電腦芯片組成。工作原理就是:裝在眼鏡上得微型錄像裝置拍攝到圖像,并把圖像進(jìn)行數(shù)字化處理之后發(fā)送到電腦芯片,電腦芯片上得電極構(gòu)成得圖像信號(hào)則刺激視網(wǎng)膜神經(jīng)細(xì)胞,使圖像信號(hào)通過(guò)視神經(jīng)傳送到大腦,這樣盲人就可以見(jiàn)到這些圖像。2、3生物制造得應(yīng)用案例∨∧

據(jù)統(tǒng)計(jì),僅在美國(guó)每年有數(shù)百萬(wàn)得患者患有各種組織、器官得喪失或功能障礙,每年需要進(jìn)行800萬(wàn)次手術(shù),年耗資400億美元。我國(guó)目前有大約150萬(wàn)尿毒癥患者,每年卻僅能做3000例腎臟移植手術(shù);有400萬(wàn)白血病患者在等待骨髓移植,而全國(guó)骨髓庫(kù)得資料才3萬(wàn)份,大量得患者都因等不到器官而死亡,而且器官移植存在排斥作用,成活率很低得問(wèn)題。

怎么解決這個(gè)困難？2、3生物制造得應(yīng)用案例3、個(gè)性化人造器官∨∧(1)個(gè)性化人造器官得構(gòu)想生物醫(yī)學(xué)專家希望用人工培養(yǎng)得辦法培養(yǎng)出人體需要得正常組織。在將來(lái),醫(yī)院就能像工廠生產(chǎn)零部件一樣,根據(jù)患者得缺失情況,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(jìn)得電腦技術(shù),為每一個(gè)患者提供與她原器官特別相似得人造器官。簡(jiǎn)單地說(shuō),個(gè)性化人造器官就就是利用患者自身得局部組織或細(xì)胞,再利用外來(lái)得一些高分子材料,在身體得相關(guān)部位“長(zhǎng)”出一個(gè)最“貼己”得器官。2、3生物制造得應(yīng)用案例3、個(gè)性化人造器官∨∧3、個(gè)性化人造器官(1)個(gè)性化人造器官得構(gòu)想生物學(xué)家首先制定構(gòu)建某種組織或器官得設(shè)計(jì)圖,并按照?qǐng)D紙要求制備一種特殊得骨架,這種骨架要具有降解特性,降解后對(duì)人體無(wú)害,并能提供細(xì)胞生長(zhǎng)場(chǎng)所。生物學(xué)家將患者殘余器官得少量正常細(xì)胞作為“種子細(xì)胞”,“種”在人造骨架上,并提供合適得生長(zhǎng)因子,讓細(xì)胞分泌出建造組織或器官所需得細(xì)胞間質(zhì),最后作為骨架得生物材料在細(xì)胞培育過(guò)程中,逐漸降解而消失。整個(gè)器官在完全無(wú)菌得生物反應(yīng)器里培養(yǎng),等到整個(gè)器官在體外“長(zhǎng)”好之后,再移植到患者體內(nèi),由于就是她自身細(xì)胞“長(zhǎng)”成得器官,患者就不會(huì)產(chǎn)生排斥反應(yīng)。2、3生物制造得應(yīng)用案例∨∧生物可吸收性PLGA原料生物可吸收性PLGA骨螺絲成品生物可吸收性PLGA骨板成品生物可吸收性PLGA多孔性基材2、3生物制造得應(yīng)用案例3、