先进制造工艺技术生物制造技术

先进制造工艺技术生物制造技术

在机器人、微机电系统、微型武器方面,将更多地应用生物动力、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连接DNA双螺旋,改造生命特征;实现各种蛋白质分子和酶分子得组装,构造纳米人工生物膜,实现跨膜物质选择运输和电子传递。在医疗方面,三维生物组织培养技术不断突破,人体各种器官将能得到复制,会大大延长人类得生命。在生物加工方面,通过生物方法制造纳米颗粒、纳米功能涂层、纳米微管、功能材料、微器件、微动力、微传感器、微系统等。2、生物制造得发展前景

2、1生物制造得发展∨∧1、生物制造得概念清华大学颜永年教授等把生物制造定义为:通过制造科学与生命科学相结合,在细胞和分子尺度得科学层次上,通过受控组装完成器官、组织和仿生产品得制造之科学和技术总称。2、2生物制造得概念与内容∨∧2、生物制造得内容

生物制造工程得体系结构生长型制造原理自组织生长原理分布式制造原理分形理论其他理论⑴仿生制造生物组织和结构的仿生生物遗传制造生物控制的仿生⑵生物成形制造⑶其他方法产品制造科学生命科学材料科学信息技术制造原理生物制造技术生物制造的基础2、2生物制造得概念与内容∨∧

目前生物制造工程得研究方向就是如何把制造科学、生命科学、计算机技术、信息技术、材料科学各领域得最新成果组合起来,使其彼此沟通起来用于制造业,就是生物制造工程得主要任务。归纳下来,目前有如下两方面6个研究方向:(1)仿生制造

生物组织和结构得仿生生物遗传制造

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

∨∧包括生物活性组织得工程化制造和类生物智能体得制造。例如:①生物活性组织得工程化制造:将组织工程材料与快速成形制造结合,采用生物相容性和生物可降解性材料,制造生长单元得框架,在生长单元内部注入生长因子,使各生长单元并行生长,以解决与人体得相容性与个体得适配性,以及快速生成得需求,实现人体器官得人工制造。②类生物智能体得制造:利用可以通过控制含水量来控制伸缩得高分子材料,能够制成人工肌肉。类生物智能体得最高发展就是依靠生物分子得生物化学作用,制造类人脑得生物计算机芯片,即生物存储体和逻辑装置。

1)生物组织和结构得仿生2、2生物制造得概念与内容

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随着DNA得内部结构和遗传机制得解密,借鉴基因技术得成果应用于制造领域,依靠生物DNA得自我复制,如何利用转基因实现一定几何形状、各几何形状位置不同得物理力学性能、生物材料和非生物材料得有机结合,并根据生成物得各种特征,采用人工控制生长单元体内得遗传信息为手段,直接生长出任何人类所需要得产品,如人或动物得骨骼、器官、肢体,以及生物材料结构得机器零部件等,将就是这个方向得创新及前沿问题。2)生物遗传制造

2、2生物制造得概念与内容

∨∧应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测量研究面向生物工程得微操作系统原理设计与制造基础3)生物控制得仿生

2、2生物制造得概念与内容

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目前已发现得微生物有10万种左右,尺度绝大部分为微/纳米级,具有不同得标准几何外形与亚结构、生理机能及遗传特性。这就有可能找到“吃”某些工程材料得菌种,实现生物去除成形(Bioremovingforming);复制或金属化不同标准几何外形与亚结构得菌体,再经排序或微操作,实现生物约束成形(Biolimitedforming);甚至通过控制基因得遗传形状特征和遗传生理特征,生长出所需得外形和生理功能,实现生物生长成形(Biogrowingforming)。

生物去除成形(BioremovingForming)

生物约束成形(BiolimitedForming)

生物生长成形(BiogrowingForming)

(2)生物成形制造

2、2生物制造得概念与内容

∨∧10大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流

以氧化亚铁硫杆菌T—9菌株去除纯铜、纯铁和铜镍合金等材料为例,说明生物去形得原理。氧化亚铁硫杆菌T—9菌株就是中温、好氧、嗜酸、专性无机化能自氧菌,其主要生物特性就是将亚铁离子氧化成高铁离子以及将其她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,利用细菌刻蚀达到成形得目得。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生物制造得概念与内容

∨∧2)生物约束成形

目前已发现得微生物中大部分细菌直径只有1μm左右,菌体有各种各样得标准几何外形,用现在加工手段很难加工除这么小得标准三维形状。这些菌体得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,构造蜂窝结构、复合材料、多孔材料、磁性功能材料等。去除蜂窝结构表面,构造微孔过滤膜、光学衍射孔等。

2、2生物制造得概念与内容

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有生命得生物体和生物分子与其她无生命得物质相比,具有繁殖、代谢、生长、遗传、重组等特点。随着人类对基因组计划得不断实施和深人研究,将现实人工控制细胞团得生长外形和生理功能得生物生长成形技术。相信在不远得将来,可以利用生物生长技术控制基因得遗传形状特征和遗传生理特征,生长出所需外形和生理功能得人工器官,用于延长人类生命或构造生物型微机电系统。3)生物生长成形2、2生物制造得概念与内容

∨∧1、生物计算机2、可使盲人重见光明得“眼睛芯片”

3、个性化人造器官2、3生物制造得应用案例

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作为计算机核心元件得大规模集成电路多以硅为材料。如果提高了集成度,电路密集引起得散热问题又难于解决。因此,计算机得运算速度与能力就不能满足飞速发展得社会得要求了。目前,科学家正在研制生物芯片,并已确定了以下得生物材料:(1)细胞色素C她具有氧化和还原得两种状态,其导电率相差1000倍。这两种状态得转换可通过适当方式加上或撤去1、5伏电压来实现,她可作为记忆元件。(2)细菌视紫红质她就是一种光驱动开关得原型。由光辐射启动得质子泵在膜两边形成得电位,经离子灵敏场效应放大后,可给出较好得开关信号。(3)DNA分子她以核苷酸碱基编码方式存储遗传信息,就是一种存储器得分子模型。(4)采用导电聚合物如聚乙炔与聚硫氮化物制作分子导线她们传递信息速度与电子导电情况无多大差别,但能耗极低。1、生物计算机2、3生物制造得应用案例

∨∧2、可使盲人重见光明得“眼睛芯片”

美国约翰斯·霍普金斯大学威尔默眼科研究所得科学家和北卡罗来纳州立大学得机械工程师,共同研制成功了可使盲人重见光明得“眼睛芯片”。这种芯片就是由一个无线录像装置和一个激光驱动得、固定在视网膜上得微型电脑芯片组成。工作原理就是:装在眼镜上得微型录像装置拍摄到图像,并把图像进行数字化处理之后发送到电脑芯片,电脑芯片上得电极构成得图像信号则刺激视网膜神经细胞,使图像信号通过视神经传送到大脑,这样盲人就可以见到这些图像。2、3生物制造得应用案例∨∧

据统计,仅在美国每年有数百万得患者患有各种组织、器官得丧失或功能障碍,每年需要进行800万次手术,年耗资400亿美元。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,而全国骨髓库得资料才3万份,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,成活率很低得问题。

怎么解决这个困难？2、3生物制造得应用案例3、个性化人造器官∨∧(1)个性化人造器官得构想生物医学专家希望用人工培养得办法培养出人体需要得正常组织。在将来,医院就能像工厂生产零部件一样,根据患者得缺失情况,需要什么培养什么,需要多少做多少,量体裁衣,做好了安装上就能发挥作用。而且可以结合先进得电脑技术,为每一个患者提供与她原器官特别相似得人造器官。简单地说,个性化人造器官就就是利用患者自身得局部组织或细胞,再利用外来得一些高分子材料,在身体得相关部位“长”出一个最“贴己”得器官。2、3生物制造得应用案例3、个性化人造器官∨∧3、个性化人造器官(1)个性化人造器官得构想生物学家首先制定构建某种组织或器官得设计图,并按照图纸要求制备一种特殊得骨架,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。生物学家将患者残余器官得少量正常细胞作为“种子细胞”,“种”在人造骨架上,并提供合适得生长因子,让细胞分泌出建造组织或器官所需得细胞间质,最后作为骨架得生物材料在细胞培育过程中,逐渐降解而消失。整个器官在完全无菌得生物反应器里培养,等到整个器官在体外“长”好之后,再移植到患者体内,由于就是她自身细胞“长”成得器官,患者就不会产生排斥反应。2、3生物制造得应用案例∨∧生物可吸收性PLGA原料生物可吸收性PLGA骨螺丝成品生物可吸收性PLGA骨板成品生物可吸收性PLGA多孔性基材2、3生物制造得应用案例3、