先進(jìn)制造技術(shù)生物制造

6.6生物制造

日本三重大學(xué)和岡山大學(xué)率先開(kāi)展了生物技術(shù)用于工程材料加工的研究，并初步證實(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。我國(guó)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(lái)人們覺(jué)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)（BiologicalManufacturingSystem，BMS）。我國(guó)在2003年3月和2004年7月，先后兩次召開(kāi)了全國(guó)生物制造工程學(xué)術(shù)研討會(huì)，專家們探討的主要問(wèn)題有：①生物制造工程的定義、內(nèi)涵及意義；②生物醫(yī)學(xué)工程與生物制造的聯(lián)系；③生物制造的研究特點(diǎn)、方向及方法；④生物制造的應(yīng)用領(lǐng)域。

1.生物制造系統(tǒng)正在形成6.6.1生物制造的發(fā)展在機(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(zhǎng)人類的生命。

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.生物制造的發(fā)展前景

6.6.1生物制造的發(fā)展1.生物制造的概念生物制造？（清華大學(xué)顏永年教授）通過(guò)制造科學(xué)與生命科學(xué)相結(jié)合，在微滴、細(xì)胞和分子尺度的科學(xué)層次上，通過(guò)受控組裝完成器官、組織和仿生產(chǎn)品的制造之科學(xué)和技術(shù)總稱。

6.6.2生物制造的概念與內(nèi)容2.生物制造的內(nèi)容

生物制造工程的體系結(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)6.6.2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(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)域的最新成果組合起來(lái)，使其彼此溝通起來(lái)用于制造業(yè)，是生物制造工程的主要任務(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)的仿生生物遺傳制造

生物控制的仿生3.生物制造工程的研究方向

6.6.2生物制造的概念與內(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

生物活性組織的工程化制造和類生物智能體的制造。如：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(zhǎng)單元的框架，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(guò)控制含水量來(lái)控制伸縮的高分子材料，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(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6.6.2生物制造的概念與內(nèi)容

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(zhǎng)單元體內(nèi)的遺傳信息為手段，直接生長(zhǎng)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。2）生物遺傳制造

6.6.2生物制造的概念與內(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的微操作系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)與制造基礎(chǔ)3）生物控制的仿生

6.6.2生物制造的概念與內(nèi)容

找到“吃”某些工程材料的菌種，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)的菌體，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)控制基因的遺傳形狀特征和遺傳生理特征，生長(zhǎng)出所需的外形和生理功能，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

6.6.2生物制造的概念與內(nèi)容

例：氧化亞鐵鐵硫桿菌菌T—9菌株是是中溫、、好氧、、嗜酸、、專性無(wú)無(wú)機(jī)化能能自氧菌菌，其主主要生物物特性是是將亞鐵鐵離子氧氧化成高高鐵離子子以及將將其他低低價(jià)無(wú)機(jī)機(jī)硫化物物氧化成成硫酸和和硫酸鹽鹽。加工工時(shí)，可可掩膜控控制去除除區(qū)域利利用，利利用細(xì)菌菌刻蝕達(dá)達(dá)到成形形的目的的。1）生物物去除成成形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6.6.2生生物制制造的概概念與內(nèi)內(nèi)容2）生物物約束成成形目前已發(fā)發(fā)現(xiàn)的微微生物中中大部分分細(xì)菌直直徑只有有1μm左右，，菌體有有各種各各樣的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)幾何何外形，，用現(xiàn)在在加工手手段很難難加工除除這么小小的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)三維形形狀。這這些菌體體的金屬屬化將會(huì)會(huì)有以下下用途：：構(gòu)造微管管道，微微電極、、微導(dǎo)線線菌體排序序與固定定，構(gòu)造造蜂窩結(jié)結(jié)構(gòu)、復(fù)復(fù)合材料料、多孔孔材料、、磁性功功能材料料等。去除蜂窩窩結(jié)構(gòu)表表面，構(gòu)構(gòu)造微孔孔過(guò)濾膜膜、光學(xué)學(xué)衍射孔孔等。6.6.2生生物制制造的概概念與內(nèi)內(nèi)容生物體和和生物分分子具有有繁殖、、代謝、、生長(zhǎng)、、遺傳、、重組等等特點(diǎn)。。未來(lái)將現(xiàn)現(xiàn)實(shí)人工工控制細(xì)細(xì)胞團(tuán)的的生長(zhǎng)外外形和生生理功能能的生物物生長(zhǎng)成成形技術(shù)術(shù)?？梢砸岳蒙锷L(zhǎng)長(zhǎng)技術(shù)控控制基因因的遺傳傳形狀特特征和遺遺傳生理理特征，，生長(zhǎng)出出所需外外形和生生理功能能的人工工器官，，用于延延長(zhǎng)人類類生命或或構(gòu)造生生物型微微機(jī)電系系統(tǒng)。3）生物物生長(zhǎng)成成形6.6.2生生物制制造的概概念與內(nèi)內(nèi)容大規(guī)模集成電電路（計(jì)算機(jī)機(jī)核心元件））材料為硅。。提高了集成成度，引起難難于解決的散散熱問(wèn)題。生生物芯片可以以解決類似問(wèn)問(wèn)題，有以下下生物材料：：(1)細(xì)胞色色素C它具有氧化和和還原的兩種種狀態(tài)，其導(dǎo)導(dǎo)電率相差1000倍。。這兩種狀態(tài)態(tài)的轉(zhuǎn)換可通通過(guò)適當(dāng)方式式加上或撤去去1.5伏電電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，，它可作為記記憶元件。(2)細(xì)菌視視紫紅質(zhì)它是一種光驅(qū)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)的原原型。由光輻輻射啟動(dòng)的質(zhì)質(zhì)子泵在膜兩兩邊形成的電電位，經(jīng)離子子靈敏場(chǎng)效應(yīng)應(yīng)放大后，可可給出較好的的開(kāi)關(guān)信號(hào)。。(3)DNA分子它以核苷酸堿堿基編碼方式式存儲(chǔ)遺傳信信息，是一種種存儲(chǔ)器的分分子模型。(4)采用導(dǎo)導(dǎo)電聚合物如如聚乙炔與聚聚硫氮化物制制作分子導(dǎo)線線它們傳遞信息息速度與電子子導(dǎo)電情況無(wú)無(wú)多大差別，，但能耗極低低。1.生物計(jì)計(jì)算機(jī)6.6.3生生物制造造的應(yīng)用案例例2.可使盲盲人重見(jiàn)光明明的“眼睛芯芯片”美國(guó)研制成功功了可使盲人人重見(jiàn)光明的的“眼睛芯片片”。這種芯芯片是由一個(gè)個(gè)無(wú)線錄像裝置置和一個(gè)激光驅(qū)動(dòng)的、、固定在視網(wǎng)網(wǎng)膜上的微型型電腦芯片組成。工作原理:裝在眼鏡上的的微型錄像裝裝置拍攝到圖圖像，并把圖圖像進(jìn)行數(shù)字字化處理之后后發(fā)送到電腦腦芯片，電腦腦芯片上的電電極構(gòu)成的圖圖像信號(hào)則刺刺激視網(wǎng)膜神神經(jīng)細(xì)胞，使使圖像信號(hào)通通過(guò)視神經(jīng)傳傳送到大腦，，這樣盲人就就可以見(jiàn)到這這些圖像。6.6.3生生物制造造的應(yīng)用案例例據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅僅在美國(guó)每每年有數(shù)百百萬(wàn)的患者者患有各種種組織、器器官的喪失失或功能障障礙，每年年需要進(jìn)行行800萬(wàn)次次手術(shù)，年耗資400億美美元。我國(guó)目前前有大約150萬(wàn)尿尿毒癥患者者，每年卻僅僅能做3000例例腎臟移植植手術(shù)；有400萬(wàn)白白血病患者者在等待骨髓髓移植，而而全國(guó)骨髓髓庫(kù)的資料料才3萬(wàn)份，大量的患患者都因等等不到器官官而死亡，，而且器官官移植存在在排斥作用用，成活率率很低的問(wèn)問(wèn)題。怎么解決這這個(gè)困難？？6.6.3生物物制造的應(yīng)應(yīng)用案例3.個(gè)性性化人造器器官(1)個(gè)性性化人造器器官的構(gòu)想想生物醫(yī)學(xué)專專家希望用用人工培養(yǎng)養(yǎng)的辦法培培養(yǎng)出人體體需要的正正常組織。。在將來(lái)，，醫(yī)院就能能像工廠生生產(chǎn)零部件件一樣，根根據(jù)患者的的缺失情況況，需要什什么培養(yǎng)什什么，需要要多少做多多少，量體體裁衣，做做好了安裝裝上就能發(fā)發(fā)揮作用。。而且可以以結(jié)合先進(jìn)進(jìn)的電腦技技術(shù)，為每每一個(gè)患者者提供與他他原器官特特別相似的的人造器官官。簡(jiǎn)單地地說(shuō)，個(gè)性化人造造器官就是是利用患者者自身的局局部組織或或細(xì)胞，再再利用外來(lái)來(lái)的一些高高分子材料料，在身體體的相關(guān)部部位“長(zhǎng)””出一個(gè)最最“貼己””的器官。6.6.3生物物制造的應(yīng)應(yīng)用案例3.個(gè)性性化人造器器官3.個(gè)性性化人造器器官(1)個(gè)性性化人造器器官的構(gòu)想想生物學(xué)家首首先制定構(gòu)構(gòu)建某種組組織或器官官的設(shè)計(jì)圖圖，并按照照?qǐng)D紙要求求制備一種種特殊的骨骨架，這種種骨架要具具有降解特特性，降解解后對(duì)人體體無(wú)害，并并能提供細(xì)細(xì)胞生長(zhǎng)場(chǎng)場(chǎng)所。生物物學(xué)家將患患者殘余器器官的少量量正常細(xì)胞胞作為“種種子細(xì)胞””，“種””在人造骨骨架上，并并提供合適適的生長(zhǎng)因因子，讓細(xì)細(xì)胞分泌出出建造組織織或器官所所需的細(xì)胞胞間質(zhì)，最最后作為骨骨架的生物物材料在細(xì)細(xì)胞培育過(guò)過(guò)程中，逐逐漸降解而而消失。整整個(gè)器官在在完全無(wú)菌菌的生物反反應(yīng)器里培培養(yǎng)，等到到整個(gè)器官官在體外““長(zhǎng)”好之之后，再移移植到患者者體內(nèi)，由由于是他自自身細(xì)胞““長(zhǎng)”成的的器官，患患者就不會(huì)會(huì)產(chǎn)生排斥斥反應(yīng)。6.6.3生物物制造的應(yīng)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6.6.3生物物制造的應(yīng)應(yīng)用案例3.個(gè)性性化人造器器官一種更簡(jiǎn)單單的人造器器官方法:把作為支支架的高分分子材料、、細(xì)胞和生生長(zhǎng)因子混混合在一起起，注射到到患者體內(nèi)內(nèi)需要修復(fù)復(fù)的部位，，讓這些原原料“長(zhǎng)””出一個(gè)完完整的器官官來(lái)。到時(shí)時(shí)，去醫(yī)院院修補(bǔ)器官官就像現(xiàn)在在打針一樣樣方便。這這種新的方方法叫做““可注射工程程”。注射能促進(jìn)進(jìn)牙齦組織織再生的生生物材料可注射組織織工程示意意圖6.6.3生物物制造的應(yīng)應(yīng)用案例3.個(gè)性性化人造器器官(1)個(gè)性性化人造器器官的構(gòu)想想(2)個(gè)性性化人造器器官的研究究進(jìn)展1997年年，美國(guó)南南加州的ATS公司司首次由包包皮細(xì)胞長(zhǎng)長(zhǎng)成了人造造皮膚，移移植在病人人身上后，，人工皮膚膚細(xì)胞即使使已經(jīng)死亡亡，其所含含的生長(zhǎng)因因子，仍能能夠促進(jìn)傷傷口周圍的的組織再生生。這是最最先面世的的個(gè)性化人人造器官產(chǎn)產(chǎn)品。目前前，人造皮皮膚已經(jīng)成成為個(gè)性化化人造器官官中最成熟熟的一個(gè)品品種。美國(guó)馬薩諸諸塞大學(xué)的的查爾斯··瓦坎蒂教教授在生物物反應(yīng)器里里為兩位切切掉拇指的的機(jī)械師培培育了拇指指的指骨。。與此同時(shí)時(shí)，安東尼尼·阿塔拉拉領(lǐng)導(dǎo)的一一個(gè)由波士士頓兒童醫(yī)醫(yī)院的醫(yī)生生組成的小小組正計(jì)劃劃把用胎兒兒細(xì)胞培育育的膀胱植植入人體。。美國(guó)阿特特麗克斯公公司生產(chǎn)了了一種摻有有生長(zhǎng)激素素和療效藥藥物的可吸吸收生物材材料，它能能促進(jìn)牙齦齦組織再生生。6.6.3生物物制造的應(yīng)應(yīng)用案例3.個(gè)性性化人造器器官(2)個(gè)性性化人造器器官的研究究進(jìn)展德國(guó)漢諾威威醫(yī)學(xué)高等等?？茖W(xué)校校的赫爾穆穆特·德雷雷克斯勒教教授首先從從心肌梗塞塞患者的骨骨髓中提取取出干細(xì)胞胞，經(jīng)過(guò)一一系列特殊殊處理后，，這些病人人的自體干干細(xì)胞通過(guò)過(guò)特制導(dǎo)管管被植入發(fā)發(fā)生梗塞的的心臟動(dòng)脈脈中。試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果顯示示，接受新新療法的病病人心臟能能夠自行康康復(fù)，并可可以再生心心臟肌肉組組織。6.6.3生物物制造的應(yīng)應(yīng)用案例3.個(gè)性性化人造器器官(2)個(gè)性性化人造器器官的研究究進(jìn)展我國(guó)的曹誼誼林教授在在裸鼠身上上移植了世世界上第一一個(gè)個(gè)性化化人造耳：：先用高分分子化學(xué)材材料聚羥基基乙酸做成成人造耳的的模型支架架，然后讓