先进制造技术（生物制造）课件.ppt

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1、6.6 6.6 生物制造生物制造 日日本本三三重重大大学学和和冈冈山山大大学学率率先先开开展展了了生生物物技技术术用用于于工工程程材材料料加加工工的的研研究究，并初步证实了微生物加工金属材料的可行性。并初步证实了微生物加工金属材料的可行性。目目前前已已将将快快速速成成形形制制造造技技术术人人工工骨骨研研究究相相结结合合，为为颅颅骨骨、颚颚骨骨等等骨骨骼骼的的人工修复和康复医学提供了很好的技术手段。人工修复和康复医学提供了很好的技术手段。我我国国于于19821982年年将将生生物物技技术术列列为为八八大大重重点点技技术术之之一一。生生物物学学科科与与制制造造学学科科这这两两个个原原来来人人们们觉

2、觉得得毫毫不不相相干干的的学学科科，今今天天正正在在相相互互渗渗透透、相相互互交交叉叉，正正在在形形成成一一个个新新的的学学科科生生物物制制造造系系统统（Biological Biological Manufacturing Manufacturing SystemSystem，BMSBMS）。）。我我国国在在20032003年年3 3月月和和20042004年年7 7月月，先先后后两两次次召召开开了了全全国国生生物物制制造造工工程程学学术术研研讨讨会会，专专家家们们探探讨讨的的主主要要问问题题有有：生生物物制制造造工工程程的的定定义义、内内涵涵及及意意义义；生生物物医医学学工工程程与与生生物

3、物制制造造的的联联系系；生生物物制制造造的的研研究究特特点点、方方向向及及方方法法；生物制造的应用领域。生物制造的应用领域。1.1.生物制造系统正在形成生物制造系统正在形成6.6.1 生物制造的发展生物制造的发展 在在机机器器人人、微微机机电电系系统统、微微型型武武器器方方面面，将将更更多多地地应应用用生生物物动力、生物感知、生物智能，使机器人越来越像人或动物。动力、生物感知、生物智能，使机器人越来越像人或动物。在在纳纳米米技技术术方方面面，实实现现纳纳米米尺尺度度上上裁裁剪剪或或连连接接DNADNA双双螺螺旋旋，改改造造生生命命特特征征;实实现现各各种种蛋蛋白白质质分分子子和和酶酶分分子子的

4、的组组装装，构构造造纳纳米米人人工生物膜，实现跨膜物质选择运输和电子传递。工生物膜，实现跨膜物质选择运输和电子传递。在在医医疗疗方方面面，三三维维生生物物组组织织培培养养技技术术不不断断突突破破，人人体体各各种种器器官将能得到复制，会大大延长人类的生命。官将能得到复制，会大大延长人类的生命。在在生生物物加加工工方方面面，通通过过生生物物方方法法制制造造纳纳米米颗颗粒粒、纳纳米米功功能能涂涂层层、纳纳米米微微管管、功功能能材材料料、微微器器件件、微微动动力力、微微传传感感器器、微微系系统等。统等。2.2.生物制造的发展前景生物制造的发展前景 6.6.1 生物制造的发展生物制造的发展1.生物制造的

5、概念生物制造的概念生物制造？（生物制造？（清华大学颜永年教授）清华大学颜永年教授）通过制造科学与生命科学相结合，在微滴、通过制造科学与生命科学相结合，在微滴、细胞和分子尺度的科学层次上，通过受控组装细胞和分子尺度的科学层次上，通过受控组装完成器官、组织和仿生产品的制造之科学和技完成器官、组织和仿生产品的制造之科学和技术总称。术总称。6.6.2 6.6.2 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容2.2.生生物物制制造造的的内内容容 生物制造工程的体系结构生物制造工程的体系结构生长型制造原理生长型制造原理自组织生长原理自组织生长原理分布式制造原理分布式制造

6、原理分形理论分形理论其他理论其他理论仿生制造仿生制造 生物组织和结构的仿生生物组织和结构的仿生 生物遗传制造生物遗传制造 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产产品品制造科学制造科学 生命科学生命科学 材料科学材料科学 信息技术信息技术制造原理制造原理生物制造技术生物制造技术生物制造的基础生物制造的基础6.6.2 6.6.2 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 目目前前生生物物制制造造工工程程的的研研究究方方向向是是如如何何把把制制造造科科学学、生生命命科科学学、计计算算机机技技术术、信信息息技技术术、材材料料科科学

7、学各各领领域域的的最最新新成成果果组组合合起起来来，使使其其彼彼此此沟沟通通起起来来用用于于制制造造业业，是是生生物物制制造造工工程程的的主主要要任务。归纳下来，目前有如下两方面任务。归纳下来，目前有如下两方面6 6个研究方向：个研究方向：（1 1）仿生制造）仿生制造 生物组织和结构的仿生生物组织和结构的仿生 生物遗传制造生物遗传制造 生物控制的仿生生物控制的仿生 3.3.生物制造工程的研究方向生物制造工程的研究方向 6.6.2 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 （2 2）生物成形制造）生物成形制造 生物去除成形生物去除成形 生物约束成形生物约束成形 生物生长成形生物生长成形 生物活性

8、组织的工程化制造生物活性组织的工程化制造和和类生物智能体的制造类生物智能体的制造。如：如：生生物物活活性性组组织织的的工工程程化化制制造造：将将组组织织工工程程材材料料与与快快速速成成形形制制造造结结合合，采采用用生生物物相相容容性性和和生生物物可可降降解解性性材材料料，制制造造生生长长单单元元的的框框架架，在在生生长长单单元元内内部部注注入入生生长长因因子子，使使各各生生长长单单元元并并行行生生长长，以以解解决决与与人人体体的的相相容容性性与与个个体体的的适适配配性性，以以及及快快速速生生成成的的需求，实现人体器官的人工制造。需求，实现人体器官的人工制造。类类生生物物智智能能体体的的制制造造

9、：利利用用可可以以通通过过控控制制含含水水量量来来控控制制伸伸缩缩的的高高分分子子材材料料，能能够够制制成成人人工工肌肌肉肉。类类生生物物智智能能体体的的最最高高发发展展是是依依靠靠生生物物分分子子的的生生物物化化学学作作用用，制制造造类类人人脑脑的的生生物物计计算算机机芯芯片，即生物存储体和逻辑装置。片，即生物存储体和逻辑装置。1）生物组织和结构的仿生生物组织和结构的仿生 6.6.2 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 依靠生物依靠生物DNADNA的自我复制，利用转基的自我复制，利用转基因实现一定几何形状、各几何形状位置因实现一定几何形状、各几何形状位置不同的物理力学性能、生物材料和非

10、生不同的物理力学性能、生物材料和非生物材料的有机结合，并根据生成物的各物材料的有机结合，并根据生成物的各种特征，种特征，采用人工控制生长单元体内的采用人工控制生长单元体内的遗传信息为手段遗传信息为手段，直接生长出任何人类，直接生长出任何人类所需要的产品，如人或动物的骨骼、器所需要的产品，如人或动物的骨骼、器官、肢体，以及生物材料结构的机器零官、肢体，以及生物材料结构的机器零部件等。部件等。2 2 2 2）生物遗传制造生物遗传制造 6.6.2 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 应应用用生生物物控控制制原原理理来来计计算算、分分析析和和控控制制制制造造过过程程。例如例如:人工神经网络人工神

11、经网络遗传算法遗传算法仿生测量研究仿生测量研究面向生物工程的微操作系统原理面向生物工程的微操作系统原理设计与制造基础设计与制造基础3 3）生物控制的仿生）生物控制的仿生 6.6.2 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 找找到到“吃吃”某某些些工工程程材材料料的的菌菌种种，实实现现生生物物去去除除成成形形(BioremovingBioremoving forming)forming)；复复制制或或金金属属化化 不不同同标标准准几几何何外外形形与与亚亚结结构构的的菌菌体体，再再经经排排序序或或微微操操作作，实实现现生生物物约约束束成成形形(BiolimitedBiolimited formi

12、ng)forming)；甚甚至至通通过过控控制制基基因因的的遗遗传传形形状状特特征征和和遗遗传传生生理理特特征征，生生长长出出所所需需的的外外形形和和生生理理功功能能，实实现现生生物物生生长长成形成形(BiogrowingBiogrowing forming)forming)。生物去除成形生物去除成形 （Bioremoving Forming）生物约束成形生物约束成形 （Biolimited Forming）生物生长成形生物生长成形 （Biogrowing Forming）（2 2）生物成形制造）生物成形制造 6.6.2 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 例：例：氧氧化化亚亚铁铁硫硫杆

13、杆菌菌T9T9菌菌株株是是中中温温、好好氧氧、嗜嗜酸酸、专专性性无无机机化化能能自自氧氧菌菌，其其主主要要生生物物特特性性是是将将亚亚铁铁离离子子氧氧化化成成高高铁铁离离子子以以及及将将其其他他低低价价无无机机硫硫化化物物氧氧化化成成硫硫酸酸和和硫硫酸酸盐盐。加加工工时时，可可掩掩膜膜控控制制去去除除区区域域利利用用，利利用用细细菌菌刻刻蚀蚀达达到到成成形形的的目的。目的。1 1）生物去除成形）生物去除成形 a）b）图图 生物去除成形实验过程生物去除成形实验过程a）光刻工艺过程光刻工艺过程 b）生物加工过程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

14、蚀剂膜6.6.2 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 2 2）生物约束成形）生物约束成形 目目前前已已发发现现的的微微生生物物中中大大部部分分细细菌菌直直径径只只有有1m1m左左右右，菌菌体体有有各各种种各各样样的的标标准准几几何何外外形形，用用现现在在加加工工手手段段很很难难加加工工除除这这么小的标准三维形状。这些菌体的金属化将会有以下用途：么小的标准三维形状。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。等。去除蜂窝结

15、构表面，构造微孔过滤膜、光学衍射孔等。去除蜂窝结构表面，构造微孔过滤膜、光学衍射孔等。6.6.2 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 生生物物体体和和生生物物分分子子具具有有繁繁殖殖、代代谢谢、生长、遗传、重组等特点。生长、遗传、重组等特点。未未来来将将现现实实人人工工控控制制细细胞胞团团的的生生长长外外形形和和生生理理功功能能的的生生物物生生长长成成形形技技术术。可可以以利利用用生生物物生生长长技技术术控控制制基基因因的的遗遗传传形形状状特特征征和和遗遗传传生生理理特特征征，生生长长出出所所需需外外形形和和生生理理功功能能的的人人工工器器官官，用用于于延延长长人人类类生生命命或或构构造

16、造生生物物型型微微机机电电系统。系统。3 3）生物生长成形）生物生长成形6.6.2 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 大规模集成电路（计算机核心元件）材料为硅。提高了集成度，引起难于大规模集成电路（计算机核心元件）材料为硅。提高了集成度，引起难于解决的散热问题。生物芯片可以解决类似问题，有以下生物材料：解决的散热问题。生物芯片可以解决类似问题，有以下生物材料：(1)(1)细胞色素细胞色素C C 它具有氧化和还原的两种状态，其导电率相差它具有氧化和还原的两种状态，其导电率相差10001000倍。这倍。这两种状态的转换可通过适当方式加上或撤去两种状态的转换可通过适当方式加上或撤去1.51.

17、5伏电压来实现，它可作为记忆伏电压来实现，它可作为记忆元件。元件。(2)(2)细菌视紫红质细菌视紫红质 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形成的电位，经离子灵敏场效应放大后，可给出较好的开关信号。膜两边形成的电位，经离子灵敏场效应放大后，可给出较好的开关信号。(3)DNA(3)DNA分子分子 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。子模型。(4)(4)采用导电聚合物如聚乙炔与聚硫氮化物制作分子导线采用导电聚合物如聚乙炔与聚硫氮化物制作分子导线 它们传递信息

18、速度它们传递信息速度与电子导电情况无多大差别，但能耗极低。与电子导电情况无多大差别，但能耗极低。1.1.生物计算机生物计算机6.6.3 生物制造的应用案例生物制造的应用案例 2.2.可使盲人重见光明的可使盲人重见光明的“眼睛芯片眼睛芯片”美美国国研研制制成成功功了了可可使使盲盲人人重重见见光光明明的的“眼眼睛睛芯芯片片”。这这种种芯芯片片是是由由一一个个无无线线录录像像装装置置和和一一个个激激光光驱驱动动的的、固固定定在在视视网网膜膜上上的的微微型型电脑芯片电脑芯片组成。组成。工作原理工作原理:装装在在眼眼镜镜上上的的微微型型录录像像装装置置拍拍摄摄到到图图像像，并并把把图图像像进进行行数数字

19、字化化处处理理之之后后发发送送到到电电脑脑芯芯片片，电电脑脑芯芯片片上上的的电电极极构构成成的的图图像像信信号号则则刺刺激激视视网网膜膜神神经经细细胞胞，使使图图像像信信号号通通过过视视神神经经传传送送到大脑，这样盲人就可以见到这些图像。到大脑，这样盲人就可以见到这些图像。6.6.3 生物制造的应用案例生物制造的应用案例 据统计，仅在美国每年有数百万的患者患有各种组织、器官的丧失或功能障碍，每年需要进行800800800800万次手万次手万次手万次手术术术术，年耗资400400400400亿美元亿美元亿美元亿美元。我国目前有大约150150150150万尿毒症万尿毒症万尿毒症万尿毒症患者患者患

20、者患者，每年却仅能做3000300030003000例肾脏移植手术例肾脏移植手术例肾脏移植手术例肾脏移植手术；有400400400400万白万白万白万白血病患者血病患者血病患者血病患者在等待骨髓移植，而全国骨髓库的资料才3 3 3 3万万万万份份份份，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。怎么解决这个困难？怎么解决这个困难？6.6.3 生物制造的应用案例生物制造的应用案例3.3.3.3.个性化人造器官个性化人造器官个性化人造器官个性化人造器官(1)(1)(1)(1)个性化人造器官的构想个性化人造器官的构想个性化人造器官的构想个性化人造器官的构想 生物医学专

21、家希望用人工培养的办法培养出人体需要的正生物医学专家希望用人工培养的办法培养出人体需要的正常组织。在将来，医院就能像工厂生产零部件一样，根据患者常组织。在将来，医院就能像工厂生产零部件一样，根据患者的缺失情况，需要什么培养什么，需要多少做多少，量体裁衣，的缺失情况，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。而且可以结合先进的电脑技术，做好了安装上就能发挥作用。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特别相似的人造器官。简单地说，为每一个患者提供与他原器官特别相似的人造器官。简单地说，个性化人造器官就是利用患者自身的局部组织或细胞，再利用个性化人造器官就

22、是利用患者自身的局部组织或细胞，再利用外来的一些高分子材料，在身体的相关部位外来的一些高分子材料，在身体的相关部位“长长”出一个最出一个最“贴己贴己”的器官的器官。6.6.3 生物制造的应用案例生物制造的应用案例3.3.3.3.个性化人造器官个性化人造器官个性化人造器官个性化人造器官3.3.3.3.个性化人造器官个性化人造器官个性化人造器官个性化人造器官(1)(1)(1)(1)个性化人造器官的构想个性化人造器官的构想个性化人造器官的构想个性化人造器官的构想 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

23、架要具有降解特性，降解后对人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。生物学家将患者残余器官的少量体无害，并能提供细胞生长场所。生物学家将患者残余器官的少量正常细胞作为正常细胞作为“种子细胞种子细胞”，“种种”在人造骨架上，并提供合适的在人造骨架上，并提供合适的生长因子，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材料在细胞培育过程中，逐渐降解而消失。整个器官为骨架的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的生物反应器里培养，等到整个器官在体外在完全无菌的

24、生物反应器里培养，等到整个器官在体外“长长”好之好之后，再移植到患者体内，由于是他自身细胞后，再移植到患者体内，由于是他自身细胞“长长”成的器官，患者成的器官，患者就不会产生排斥反应。就不会产生排斥反应。6.6.3 生物制造的应用案例生物制造的应用案例生物可吸收性生物可吸收性PLGAPLGA原料原料生物可吸收性生物可吸收性PLGAPLGA骨螺丝成品骨螺丝成品生物可吸收性生物可吸收性PLGAPLGA骨板成品骨板成品生物可吸收性生物可吸收性PLGAPLGA多孔性基材多孔性基材6.6.3 生物制造的应用案例生物制造的应用案例3.3.3.3.个个个个性性性性化化化化人人人人造造造造器器器器官官官官 一

25、种更简单的人造器官方法一种更简单的人造器官方法:把作为支架的高分子材料、细胞和生把作为支架的高分子材料、细胞和生长因子混合在一起，注射到患者体内需要修复的部位，让这些原料长因子混合在一起，注射到患者体内需要修复的部位，让这些原料“长长”出一个完整的器官来。到时，去医院修补器官就像现在打针一样出一个完整的器官来。到时，去医院修补器官就像现在打针一样方便。这种新的方法叫做方便。这种新的方法叫做“可注射工程可注射工程”。注射能促进牙龈组注射能促进牙龈组织再生的生物材料织再生的生物材料可注射组织工程示意图可注射组织工程示意图6.6.3 生物制造的应用案例生物制造的应用案例3.3.3.3.个性化人造器官

26、个性化人造器官个性化人造器官个性化人造器官(1)(1)(1)(1)(1)(1)个性化人造器官的构想个性化人造器官的构想个性化人造器官的构想个性化人造器官的构想个性化人造器官的构想个性化人造器官的构想(2)(2)个性化人造器官的研究进展个性化人造器官的研究进展 19971997年，美国南加州的年，美国南加州的ATSATS公司首次由包皮细胞长成了人造皮肤，公司首次由包皮细胞长成了人造皮肤，移植在病人身上后，人工皮肤细胞即使已经死亡，其所含的生长因子，移植在病人身上后，人工皮肤细胞即使已经死亡，其所含的生长因子，仍能够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仍能够促进伤口周围的组织再生

27、。这是最先面世的个性化人造器官产品。目前，人造皮肤已经成为个性化人造器官中最成熟的一个品种。品。目前，人造皮肤已经成为个性化人造器官中最成熟的一个品种。美国马萨诸塞大学的查尔斯美国马萨诸塞大学的查尔斯瓦坎蒂教授在生物反应器里为瓦坎蒂教授在生物反应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，安东尼阿塔阿塔拉领导的一个由波士顿儿童医院的医生组成的小组正计划把用胎儿细拉领导的一个由波士顿儿童医院的医生组成的小组正计划把用胎儿细胞培育的膀胱植入人体。美国阿特丽克斯公司生产了一种掺有生长激胞培育的膀胱植入人体。美国阿特丽克斯公司生产了一种掺

28、有生长激素和疗效药物的可吸收生物材料，它能促进牙龈组织再生。素和疗效药物的可吸收生物材料，它能促进牙龈组织再生。6.6.3 生物制造的应用案例生物制造的应用案例3.3.3.3.个性化人造器官个性化人造器官个性化人造器官个性化人造器官(2)(2)个性化人造器官的研究进展个性化人造器官的研究进展 德国汉诺威医学高等专科学校的赫尔穆特德国汉诺威医学高等专科学校的赫尔穆特德德雷克斯勒教授首先从心肌梗塞患者的骨髓中提取出雷克斯勒教授首先从心肌梗塞患者的骨髓中提取出干细胞，经过一系列特殊处理后，这些病人的自体干细胞，经过一系列特殊处理后，这些病人的自体干细胞通过特制导管被植入发生梗塞的心脏动脉中。干细胞通

29、过特制导管被植入发生梗塞的心脏动脉中。试验结果显示，接受新疗法的病人心脏能够自行康试验结果显示，接受新疗法的病人心脏能够自行康复，并可以再生心脏肌肉组织。复，并可以再生心脏肌肉组织。6.6.3 生物制造的应用案例生物制造的应用案例3.3.3.3.个性化人造器官个性化人造器官个性化人造器官个性化人造器官(2)(2)个性化人造器官的研究进展个性化人造器官的研究进展 我国的曹谊林教授在裸鼠身上移植了我国的曹谊林教授在裸鼠身上移植了世界上第一个个性化人造耳：先用高分世界上第一个个性化人造耳：先用高分子化学材料聚羟基乙酸做成人造耳的模子化学材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殖型

30、支架，然后让细胞在这个支架上繁殖生长。支架最后会自己降解消失。将裸生长。支架最后会自己降解消失。将裸鼠的背上割开一个口子，然后将已经培鼠的背上割开一个口子，然后将已经培养好的人造耳植入后缝合。养好的人造耳植入后缝合。该技术已该技术已经开始用于临床实验。经开始用于临床实验。20012001年，曹教授利用个性化人造颅骨年，曹教授利用个性化人造颅骨技术为颅骨破损达技术为颅骨破损达66cm66cm的患者成功修的患者成功修补了颅骨。补了颅骨。6.6.3 生物制造的应用案例生物制造的应用案例3.3.3.3.个性化人造器官个性化人造器官个性化人造器官个性化人造器官第第第第6 6章复习思考题章复习思考题章复习

31、思考题章复习思考题 (6.46.6)(6.46.6)16.16.在在目目前前条条件件下下，普普通通加加工工、精精密密加加工工和和超超精精密密加加工工是是如如何何划分的？划分的？17.17.超精密加工的发展趋势如何？有哪些主要的技术？超精密加工的发展趋势如何？有哪些主要的技术？18.18.分析微系统的基本特征和关键技术。分析微系统的基本特征和关键技术。19.19.目前有哪些纳米加工技术？目前有哪些纳米加工技术？20.20.根根据据制制造造模模式式的的概概念念出出发发，试试说说明明微微纳纳制制造造是是一一种种新新的的制制造模式。造模式。21.21.你你对对生生物物制制造造有有何何认认识识？试试用用制制造造系系统统和和制制造造模模式式的的概概念念加以说明。加以说明。22.22.生物加工的原理是什么？有何应用？生物加工的原理是什么？有何应用？