生物制造技術(shù)

1、生物制造 2016目錄1概念2發(fā)展3特點(diǎn)概述4與傳統(tǒng)制造對(duì)比5生物制造具體內(nèi)容7前景6主要涉及領(lǐng)域指運(yùn)用現(xiàn)代制造科學(xué)和生命科學(xué)的原理和方法，通過單個(gè)細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)簇的直接和間接受控組裝，完成具有新陳代謝特征的生命體成形和制造，經(jīng)培養(yǎng)和訓(xùn)練，用以修復(fù)或替代人體病損組織和器官。 它直接以生物的手段，利用生物的生理特征、形體特征、材質(zhì)特征、成形特征、組織特征、遺傳特征等， 實(shí)現(xiàn)像物理方式、化學(xué)方式一樣的去除加工、約束成形、生長成形、復(fù)制加工等生物方式制造，其技術(shù)包括生物方式制造工藝、生物方式制品、生物方式制造設(shè)備等。一.概念二.發(fā)展1日本三重大學(xué)和岡山大學(xué)率先開展了生物技術(shù)用于工程材料加工的研究，并初

2、步證實(shí)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(shù)人工骨研究相結(jié)合，為顱骨、顎骨等骨骼的人工修復(fù)和康復(fù)醫(yī)學(xué)提供了很好的技術(shù)手段。3我國在2003年3月和2004年7月，先后兩次召開了全國生物制造工程學(xué)術(shù)研討會(huì)，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；生物醫(yī)學(xué)工程與生物制造的聯(lián)系；生物制造的研究特點(diǎn)、方向及方法；生物制造的應(yīng)用領(lǐng)域。我國于1982年將生物技術(shù)列為八大重點(diǎn)技術(shù)之一。生物學(xué)科與制造學(xué)科這兩個(gè)原來人們覺得毫不相干的學(xué)科，今天正在相互滲透、相互交叉，正在形成一個(gè)新的學(xué)科生物制造系統(tǒng)2具體體現(xiàn)123打破傳統(tǒng)物理化學(xué)方式制造的界限，實(shí)現(xiàn)了自然物質(zhì)制造產(chǎn)品的能力；打破

3、生命體與非生命體的界限，實(shí)現(xiàn)生物體與機(jī)械結(jié)構(gòu)的融合與交叉應(yīng)用；打破制造工藝與裝備形式的界限，實(shí)現(xiàn)生物制造工藝與機(jī)械制造工藝的交叉。三.特點(diǎn)生物制造技術(shù)應(yīng)用各種生物制造方法，可以快速制造復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)，從加工能力、加工效率、加工成本以及產(chǎn)品功能等不同角度解決常規(guī)微納制造的“瓶頸性” 制造難題。四.與傳統(tǒng)加工對(duì)比五.具體內(nèi)容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)

4、品品制造科學(xué)制造科學(xué) 生命科學(xué)生命科學(xué) 材料科學(xué)材料科學(xué) 信息技術(shù)信息技術(shù)制造原理制造原理生物制造技術(shù)生物制造技術(shù)生物制造的基礎(chǔ)生物制造的基礎(chǔ)生物制造是建立在分形理論、分布式制造、自組織生長、生長型制造等原理上的一種新的加工成形方式，其基礎(chǔ)是制造科學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)和信息技術(shù)1 仿生制造 1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長，以解決與人體的相容性與個(gè)體的適配性，以及快速生成的需求，實(shí)現(xiàn)人體器官的人工制造。2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的高分

5、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(xué)作用，制造類人腦的生物計(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)的仿生 1 仿生制造 （2）生物遺傳制造 依靠生物DNA的自我復(fù)制，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的物理力學(xué)性能、生物材料和非生物材料的有機(jī)結(jié)合，并根據(jù)生成物的各種特征，采用人工控制生長單元體內(nèi)的遺傳信息為手段，直接生長出任何人類所需要的產(chǎn)品，如人或動(dòng)物的骨骼、器官、肢體，以及生物材料結(jié)構(gòu)的機(jī)器零部件等。 1 仿生制造 01020304人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法仿生測量研究面向生物工程的微操作系統(tǒng)原理（3）生物控制的仿生 應(yīng)用生物控

6、制原理來計(jì)算、分析和控制制造過程，例如:05設(shè)計(jì)與制造基礎(chǔ)2 生物成型制造 （1）生物去除成形 找到“吃”某些工程材料的菌種，實(shí)現(xiàn)生物去除成形。例如：氧化亞鐵硫桿菌T9菌株是中溫、好氧、嗜酸、專性無機(jī)化能自氧菌，其主要生物特性是將亞鐵離子氧化成高鐵離子以及將其他低價(jià)無機(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)到成形的目的。 a） b）圖圖 生物去除成形實(shí)驗(yàn)過程生物去除成形實(shí)驗(yàn)過程a）光刻工藝過程）光刻工藝過程 b）生物加工過程）生物加工過程用途123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)

7、造微孔過濾膜、光學(xué)衍射孔等2 生物成型制造 復(fù)制或金屬化不同標(biāo)準(zhǔn)幾何外形與亞結(jié)構(gòu)的菌體，再經(jīng)排序或微操作，實(shí)現(xiàn)生物約束成形。目前已發(fā)現(xiàn)的微生物中大部分細(xì)菌直徑只有1m左右，菌體有各種各樣的標(biāo)準(zhǔn)幾何外形，這些菌體的金屬化將會(huì)有以下用途：2 生物成型制造 （3）生物生長成形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(shí)現(xiàn)生物生長成形。生物體和生物分子具有繁殖、代謝、生長、遺傳、重組等特點(diǎn)，可以利用生長出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(jī)電系統(tǒng)。 六.主要涉及的方向3材料學(xué)研究生物制造中加工的對(duì)象是各類生物材料4微粒噴射沉積的研究以包含活體細(xì)胞的

8、“活”的微滴單元作為可控組裝對(duì)象，必然涉及許多與活的細(xì)胞有關(guān)的基礎(chǔ)性問題。舉例來說：l 細(xì)胞定向分化中關(guān)鍵基因的發(fā)現(xiàn)；l 細(xì)胞定向分化外部環(huán)境的設(shè)置；l 細(xì)胞/材料微滴單元的受控組裝所需要的細(xì)胞培養(yǎng)及組裝前細(xì)胞的預(yù)處理；l 細(xì)胞外基質(zhì)的形成、功能及控制；l 細(xì)胞及細(xì)胞簇的性狀保持及其環(huán)境控制等。1生物學(xué)研究必然涉及許多與活的細(xì)胞有關(guān)的基礎(chǔ)性問題生物制造涉及的優(yōu)化設(shè)計(jì)與建模問題有：l 人體器官建模理論及方法學(xué)；l 生物建模的處理及數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯恳约跋鄳?yīng)的軟件開發(fā)；l 人體組織及器官解剖學(xué)數(shù)據(jù)的壓縮、處理與重構(gòu)；l 生長成形和生物制造中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通道；l 基于分形理論的幾何建模、材料建模和功

9、能建模的系統(tǒng)優(yōu)化；l 基于復(fù)合材料元胞法的生物制造和生長成形過程模擬等。2生物建模研究生物建模的理論也是很重要的部分六.主要涉及的方向所涉及的材料學(xué)問題具體的有：l 人工骨、人工軟骨、帶軟骨半關(guān)節(jié)面的人工骨、軟骨細(xì)胞活體構(gòu)型和肝細(xì)胞活體構(gòu)型的生物材料合成、成形性能和表面化學(xué)性能的改進(jìn)；l 生物材料的組成、微觀結(jié)構(gòu)與其可成形性和生物學(xué)性能的關(guān)系；l 快速成形工藝對(duì)材料的生物學(xué)性能和力學(xué)性能的影響；l 植入體和活體構(gòu)型的孔隙和介孔構(gòu)型、分布以及孔隙率對(duì)其生物學(xué)性能的影響及作用機(jī)制；l 軟骨細(xì)胞、肝細(xì)胞的細(xì)胞外基質(zhì)的仿生合成及材料/細(xì)胞及材料/生長因子的相容性；l 生物降解材料對(duì)以BMP為主的生長因

10、子的活性保護(hù)和控制釋放等。3材料學(xué)研究生物制造中加工的對(duì)象是各類生物材料，一方面需要通過合成和改性獲得具備所需要的性能的生物材料，另一方面還需要研究成形過程對(duì)于生物材料性能的影響。六.主要涉及的方向具體的有：l 兼顧功能梯度結(jié)構(gòu)精確成形的要求和保持材料生物學(xué)特性的要求、開發(fā)材料微滴單元的受控組裝工藝；l 根據(jù)材料微滴的不同尺度和粘度，選用不同的噴射使能技術(shù)，如螺桿擠出、低溫噴射、壓電噴頭或磁致伸縮噴頭和激光引導(dǎo)直寫等；基于不同的精密加工技術(shù)，研制不同微滴單元的精密噴頭；l 針對(duì)不同微滴組裝工藝的裝備和不同的成形工藝參數(shù)優(yōu)化等。4微粒噴射沉積的研究123在機(jī)器人、微機(jī)電系統(tǒng)、微型武器方面，將更多

11、地應(yīng)用生物動(dòng)力、生物感知、生物智能，使機(jī)器人越來越像人或動(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)分子和酶分子的組裝，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)大大延長人類的生命。七.前景4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(dòng)力、微傳感器、微系統(tǒng)等。生物制造工程未來主要研究方向010203生物活性組織和器官的工程化制造仿生制造生物芯片的制造利用制造技術(shù)，制造出宏觀與微觀組織支架，使細(xì)胞在支架上并行生長，加快人工與組織器

12、官的生長速度，形成生物活體組織的工程化制造技術(shù)。u 研究組織創(chuàng)建的人工支架的設(shè)計(jì)與制造，構(gòu)建非勻質(zhì)材料三支架的的方法；u 設(shè)計(jì)構(gòu)建適合干細(xì)胞向不同功能組織同期轉(zhuǎn)化的異構(gòu)制造環(huán)境；u 三維支架的力學(xué)性能和生物性能u 研究人工活性器官外生物平臺(tái)，包括多組織生物反應(yīng)平臺(tái)的構(gòu)建；u 組織和器官培養(yǎng)生物與力學(xué)環(huán)境的仿真；u 支架材料降解轉(zhuǎn)化、干細(xì)胞受激轉(zhuǎn)化形成器官的各功能組織的機(jī)理，器官再造的環(huán)境構(gòu)建與控制，器官活化進(jìn)程及其監(jiān)測等。生物制造工程未來主要研究方向0203仿生制造生物芯片的制造生物芯片是以生物特性為基礎(chǔ)的機(jī)電一體化產(chǎn)品。其設(shè)計(jì)與制造技術(shù)直接決定了其工作性能，其制造技術(shù)是其中關(guān)鍵問題。該方向研究芯片拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與功能關(guān)系、生物材料與結(jié)構(gòu)的匹配性、生物芯片的植入結(jié)構(gòu)與方法、微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工藝等問題。生物的自組織、自生長、自生成、遺傳等許多智能特性，對(duì)制造技術(shù)的發(fā)展有啟迪作用，這些仿生原理在制造技術(shù)上的應(yīng)用促進(jìn)制造技術(shù)