先进制造工艺技术-生物制造技术ppt课件

1、2 生物制造 2.1 生物制造的开展 2.2 生物制造的概念与内容 2.3 生物制造运用案例日本三艰苦学和冈山大学率先开展了生物技术用于工程资料加工的研讨，并初步证明了微生物加工金属资料的可行性。目前已将快速成形制造技术人工骨研讨相结合，为颅骨、颚骨等骨骼的人工修复和康复医学提供了很好的技术手段。我国于1982年将生物技术列为八大重点技术之一。生物学科与制造学科这两个原来人们觉得毫不相关的学科，今天正在相互浸透、相互交叉，正在构成一个新的学科生物制造系统Biological Manufacturing System，BMS。我国在2003年3月和2004年7月，先后两次召开了全国生物制造工程学

2、术研讨会，专家们讨论的主要问题有：生物制造工程的定义、内涵及意义；生物医学工程与生物制造的联络；生物制造的研讨特点、方向及方法；生物制造的运用领域。 1. 生物制造系统正在构成2.1 生物制造的开展 在机器人、微机电系统、微型武器方面，将更多地运用生物动力、生物感知、生物智能，使机器人越来越像人或动物。 在纳米技术方面，实现纳米尺度上裁剪或衔接DNA双螺旋，改造生命特征;实现各种蛋白质分子和酶分子的组装，构造纳米人工生物膜，实现跨膜物质选择运输和电子传送。 在医疗方面，三维生物组织培育技术不断突破，人体各种器官将能得到复制，会大大延伸人类的生命。 在生物加工方面，经过生物方法制造纳米颗粒、纳米

3、功能涂层、纳米微管、功能资料、微器件、微动力、微传感器、微系统等。 2. 生物制造的开展前景 2.1 生物制造的开展1. 生物制造的概念清华大学颜永年教授等把生物制造定义为： 经过制造科学与生命科学相结合，在细胞和分子尺度的科学层次上，经过受控组装完成器官、组织和仿消费品的制造之科学和技术总称。 2.2 生物制造的概念与内容2. 生物制造的内容 生物制造工程的体系构造生长型制造原理自组织生长原理分布式制造原理分形实际其他实际仿生制造 生物组织和构造的仿生 生物遗传制造 生物控制的仿生生物成形制造其他方法产品制造科学生命科学资料科学信息技术制造原理生物制造技术生物制造的根底2.2 生物制造的概念

4、与内容 目前生物制造工程的研讨方向是如何把制造科学、生命科学、计算机技术、信息技术、资料科学各领域的最新成果组合起来，使其彼此沟通起来用于制造业，是生物制造工程的主要义务。归纳下来，目前有如下两方面6个研讨方向：1仿生制造 生物组织和构造的仿生 生物遗传制造 生物控制的仿生 3. 生物制造工程的研讨方向 2.2 生物制造的概念与内容 2生物成形制造 生物去除成形 生物约束成形 生物生长成形 包括生物活性组织的工程化制造和类生物智能体的制造。例如：生物活性组织的工程化制造：将组织工程资料与快速成形制造结合，采用生物相容性和生物可降解性资料，制造生长单元的框架，在生长单元内部注入生长因子，使各生长

5、单元并行生长，以处理与人体的相容性与个体的适配性，以及快速生成的需求，实现人体器官的人工制造。类生物智能体的制造：利用可以经过控制含水量来控制伸缩的高分子资料，可以制成人工肌肉。类生物智能体的最高开展是依托生物分子的生物化学作用，制造类人脑的生物计算机芯片，即生物存储体和逻辑安装。 1生物组织和构造的仿生 2.2 生物制造的概念与内容 随着DNA的内部构造和遗传机制的解密，自创基因技术的成果运用于制造领域，依托生物DNA的自我复制，如何利用转基因实现一定几何外形、各几何外形位置不同的物理力学性能、生物资料和非生物资料的有机结合，并根据生成物的各种特征，采用人工控制生长单元体内的遗传信息为手段，

6、直接生长出任何人类所需求的产品，如人或动物的骨骼、器官、肢体，以及生物资料构造的机器零部件等，将是这个方向的创新及前沿问题。 2生物遗传制造 2.2 生物制造的概念与内容 运用生物控制原理来计算、分析和控制制造过程。例如人工神经网络遗传算法仿生丈量研讨面向生物工程的微操作系统原理设计与制造根底3生物控制的仿生 2.2 生物制造的概念与内容 目前已发现的微生物有10万种左右，尺度绝大部分为微/纳米级，具有不同的规范几何外形与亚构造、生理机能及遗传特性。这就有能够找到“吃某些工程资料的菌种，实现生物去除成形(Bioremoving forming)；复制或金属化 不同规范几何外形与亚构造的菌体，再

7、经排序或微操作，实现生物约束成形(Biolimited forming)；甚至经过控制基因的遗传外形特征和遗传生理特征，生长出所需的外形和生理功能，实现生物生长成形(Biogrowing forming)。 生物去除成形 Bioremoving Forming 生物约束成形 Biolimited Forming 生物生长成形 Biogrowing Forming 2生物成形制造 2.2 生物制造的概念与内容 以氧化亚铁硫杆菌T9菌株去除纯铜、纯铁和铜镍合金等资料为例，阐明生物去形的原理。氧化亚铁硫杆菌T9菌株是中温、好氧、嗜酸、专性无机化能自氧菌，其主要生物特性是将亚铁离子氧化成高铁离子以及将

8、其他低价无机硫化物氧化成硫酸和硫酸盐。加工时，可掩膜控制去除区域利用，利用细菌刻蚀到达成形的目的。 1生物去除成形 a b图 生物去除成形实验过程a光刻工艺过程 b生物加工过程光绘底片贴抗蚀剂膜紫外线曝光显影为试件金属试件生物加工过程生物加工后试件去抗蚀剂膜2.2 生物制造的概念与内容 2生物约束成形 目前已发现的微生物中大部分细菌直径只需1m左右，菌体有各种各样的规范几何外形，用如今加工手段很难加工除这么小的规范三维外形。这些菌体的金属化将会有以下用途： 构造微管道，微电极、微导线 菌体排序与固定，构造蜂窝构造、复合资料、多孔资料、 磁性功能资料等。 去除蜂窝构造外表，构造微孔过滤膜、光学衍

9、射孔等。 2.2 生物制造的概念与内容 有生命的生物体和生物分子与其他无生命的物质相比，具有繁衍、代谢、生长、遗传、重组等特点。随着人类对基因组方案的不断实施和深人研讨，将现实人工控制细胞团的生长外形和生理功能的生物生长成形技术。置信在不远的未来，可以利用生物生长技术控制基因的遗传外形特征和遗传生理特征，生长出所需外形和生理功能的人工器官，用于延伸人类生命或构造生物型微机电系统。 3生物生长成形2.2 生物制造的概念与内容 1.生物计算机2.可使盲人重见光明的“眼睛芯片 3.个性化人造器官2.3 生物制造的运用案例 作为计算机中心元件的大规模集成电路多以硅为资料。假设提高了集成度，电路密集引起

10、的散热问题又难于处理。因此，计算机的运算速度与才干就不能满足飞速开展的社会的要求了。 目前，科学家正在研制生物芯片，并已确定了以下的生物资料： (1)细胞色素C 它具有氧化和复原的两种形状，其导电率相差1000倍。这两种形状的转换可经过适当方式加上或撤去1.5伏电压来实现，它可作为记忆元件。 (2)细菌视紫红质 它是一种光驱动开关的原型。由光辐射启动的质子泵在膜两边构成的电位，经离子灵敏场效应放大后，可给出较好的开关信号。 (3)DNA分子 它以核苷酸碱基编码方式存储遗传信息，是一种存储器的分子模型。 (4)采用导电聚合物如聚乙炔与聚硫氮化物制造分子导线 它们传送信息速度与电子导电情况无多大差

11、别，但能耗极低。 1. 生物计算机2.3 生物制造的运用案例 2. 可使盲人重见光明的“眼睛芯片 美国约翰斯霍普金斯大学威尔默眼科研讨所的科学家和北卡罗来纳州立大学的机械工程师，共同研制胜利了可使盲人重见光明的“眼睛芯片。这种芯片是由一个无线录像安装和一个激光驱动的、固定在视网膜上的微型电脑芯片组成。 任务原理是:装在眼镜上的微型录像安装拍摄到图像，并把图像进展数字化处置之后发送到电脑芯片，电脑芯片上的电极构成的图像信号那么刺激视网膜神经细胞，使图像信号经过视神经传送到大脑，这样盲人就可以见到这些图像。 2.3 生物制造的运用案例 据统计，仅在美国每年有数百万的患者患有各种组织、器官的丧失或功

12、能妨碍，每年需求进展800万次手术，年耗资400亿美圆。我国目前有大约150万尿毒症患者，每年却仅能做3000例肾脏移植手术；有400万白血病患者在等待骨髓移植，而全国骨髓库的资料才3万份，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，成活率很低的问题。 怎样处理这个困难？2.3 生物制造的运用案例3. 个性化人造器官(1)个性化人造器官的想象 生物医学专家希望用人工培育的方法培育出人体需求的正常组织。在未来，医院就能像工厂消费零部件一样，根据患者的缺失情况，需求什么培育什么，需求多少做多少，量体裁衣，做好了安装上就能发扬作用。而且可以结合先进的电脑技术，为每一个患者提供与他原器官

13、特别类似的人造器官。简单地说，个性化人造器官就是利用患者本身的部分组织或细胞，再利用外来的一些高分子资料，在身体的相关部位“长出一个最“贴己的器官。2.3 生物制造的运用案例3. 个性化人造器官3. 个性化人造器官(1)个性化人造器官的想象 生物学家首先制定构建某种组织或器官的设计图，并按照图纸要求制备一种特殊的骨架，这种骨架要具有降解特性，降解后对人体无害，并能提供细胞生长场所。生物学家将患者剩余器官的少量正常细胞作为“种子细胞，“种在人造骨架上，并提供适宜的生长因子，让细胞分泌出建造组织或器官所需的细胞间质，最后作为骨架的生物资料在细胞培育过程中，逐渐降解而消逝。整个器官在完全无菌的生物反

14、响器里培育，等到整个器官在体外“长好之后，再移植到患者体内，由于是他本身细胞“长成的器官，患者就不会产生排斥反响。2.3 生物制造的运用案例生物可吸收性PLGA原料生物可吸收性PLGA骨螺丝废品生物可吸收性PLGA骨板废品生物可吸收性PLGA多孔性基材2.3 生物制造的运用案例3. 个性化人造器官 科学家还开展出一种更简单的人造器官方法，就是把作为支架的高分子资料、细胞和生长因子混合在一同，注射到患者体内需求修复的部位，让这些原料“长出一个完好的器官来。到时，去医院修补器官就像如今打针一样方便。这种新的方法叫做“可注射工程。注射能促进牙龈组织再生的生物资料可注射组织工程表示图2.3 生物制造的

15、运用案例3. 个性化人造器官(1)个性化人造器官的想象(2)个性化人造器官的研讨进展 1997年，美国南加州的ATS公司初次由包皮细胞长成了人造皮肤，移植在病人身上后，人工皮肤细胞即使曾经死亡，其所含的生长因子，仍可以促进伤口周围的组织再生。这是最先面世的个性化人造器官产品。目前，人造皮肤曾经成为个性化人造器官中最成熟的一个种类。 美国马萨诸塞大学的查尔斯瓦坎蒂教授在生物反响器里为两位切掉拇指的机械师培育了拇指的指骨。与此同时，安东尼阿塔拉指点的一个由波士顿儿童医院的医生组成的小组正方案把用胎儿细胞培育的膀胱植入人体。美国阿特丽克斯公司消费了一种掺有生长激素和疗效药物的可吸收生物资料，它能促进

16、牙龈组织再生。2.3 生物制造的运用案例3. 个性化人造器官(2)个性化人造器官的研讨进展 德国汉诺威医学高等专科学校的赫尔穆特德雷克斯勒教授首先从心肌堵塞患者的骨髓中提取出干细胞，经过一系列特殊处置后，这些病人的自体干细胞经过特制导管被植入发生堵塞的心脏动脉中。实验结果显示，接受新疗法的病人心脏可以自行康复，并可以再生心脏肌肉组织。2.3 生物制造的运用案例3. 个性化人造器官(2)个性化人造器官的研讨进展我国的曹谊林教授曾胜利地在裸鼠身上移植胜利了世界上第一个个性化人造耳。曹教授先用高分子化学资料聚羟基乙酸做成人造耳的模型支架，然后让细胞在这个支架上繁衍生长。支架最后会本人降解消逝。将裸鼠的背上