對生物制造技術(shù)的認(rèn)識

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)對生物制造技術(shù)的認(rèn)識摘 要：生物制造是機(jī)械領(lǐng)域與生物領(lǐng)域交叉產(chǎn)生的新領(lǐng)域。生物制造技術(shù)今年來取得一系列顯著成果，在微納米制造技術(shù)也得到更深入的應(yīng)用與研究，貢獻(xiàn)著自己的力量，生物制造技術(shù)的特點、應(yīng)用和發(fā)展趨勢也需要我們有著清楚的認(rèn)識。關(guān)鍵詞：生物制造 微生物 微納米制造技術(shù) 生物成形 蛋白質(zhì)1.生物制造的定義及特點 生物制造工藝就是利用生物過程來制造所需產(chǎn)品的方法，是多學(xué)科科學(xué)知識的綜合集成，它對我們來說并不陌生，早在1970年人們便利用它制造胰島素，生物制造技術(shù)如今更是被認(rèn)為是工程領(lǐng)域中的第5根支柱，隨著近10年來科技的發(fā)展，對細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)的

2、認(rèn)識更是顯著提高，其知識正開啟廣泛的商機(jī)，并且為人們做出貢獻(xiàn)，如在緩解環(huán)境問題、增加全球食物量以及在機(jī)械加工方面貢獻(xiàn)者自己的力量，但是盡管知識進(jìn)步，然而生物制造技術(shù)從實驗室走向市場的道路仍然有很多障礙，畢竟用于此的研究是昂貴、費時的，且經(jīng)常是無成果的，還有，與化工業(yè)相比，因為其原材料與催化劑都是有生命的有機(jī)物，它們本身就是容易破壞的、變幻無常的，要求更為苛刻，所以，還不能大范圍投入應(yīng)用。2.生物制造的應(yīng)用生物約束成形和生物隱身 微納米制造技術(shù)以生物為對象的微納米生物制造方法是近幾年興起的，包括生物去除成形、生物約束成形等，目前已發(fā)現(xiàn)的微生物有十萬種左右，其中大部分細(xì)菌直徑只有1µm，

3、最小的病毒和納米微生物直徑只有50nm。菌體有各種各樣的標(biāo)準(zhǔn)幾何外形（如球狀、桿狀、絲狀、螺旋狀等）。用現(xiàn)有任何加工手段都很難加工出這么小的標(biāo)準(zhǔn)三維形狀。這些不同種類菌體的金屬化將會有如下一些微米/納米尺度的用途：1）構(gòu)造微管道、微電極、微導(dǎo)線等;2)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；3）對蜂窩結(jié)構(gòu)表面去除，構(gòu)造微孔過濾膜、光學(xué)衍射孔等；4）最具國防意義的是金屬化菌體可作為新型雷達(dá)波隱身材料吸收劑。 德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)成功進(jìn)行了人工蛋白質(zhì)微絲（直徑50nm）鍍鎳。美國海軍研究實驗室進(jìn)行了脂質(zhì)微管（直徑500nm）鍍鎳。首先，選擇細(xì)胞壁較厚的固囊酵母菌作為金屬化

4、試驗對象，參考細(xì)胞切片工藝和化學(xué)鍍鎳工藝，按圖1步驟實施菌體化學(xué)鍍鎳。其中菌體表面膠體鈀活這一步需要重視，因為直接影響到了菌體表面形成催化中心的多少、粒度大小、分布均勻性，從而最終關(guān)系到化學(xué)鍍鎳的鍍層質(zhì)量。圖2表示固囊酵母菌Ni-P化學(xué)鍍鎳的鎳層厚度約為80nm，首次實現(xiàn)了菌體化學(xué)鍍鎳。對鍍層進(jìn)行能譜分析的結(jié)果表明，鎳含量為10%為80%90%,磷含量為10%以上。為實現(xiàn)金屬化菌體的磁場排序，必須保證金屬化菌體具有磁鐵性。但是鍍鎳層含磷量大于7%就沒有磁鐵性。Ni-P化學(xué)鍍鎳不容易產(chǎn)生磁性，所以進(jìn)一步研究Ni-B、Co-P及Co-Ni-P等鍍鎳配方的磁性。試驗證明，鍍層磁性排序一般為Ni-B、

5、Ni-P、Co-P、Co-Ni-P。菌體磁性鍍鎳成功后，進(jìn)一步實現(xiàn)了臘狀芽孢桿菌的磁性金屬化，并嘗試了菌體的磁場排序問題。圖3所示為分散的金屬化菌體在箭頭所示方向磁場作用下的定向作用。背景大的黑點為顯微鏡內(nèi)部霉變造成的干擾圖像。金屬化臘狀芽孢桿菌與環(huán)氧樹脂混合后，對其介電常數(shù)進(jìn)行測量。圖所示是通過HP8510矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量的廣域頻帶（218GHZ）下的材料介電常數(shù)，菌體體積占15%菌體Co-Ni-P涂層厚度為0.2m。介電常數(shù)實部（）和虛部（”）均接近于常數(shù)，實部接近于9，虛部很低屬正常。當(dāng)金屬化菌體濃度進(jìn)一步增大到20%時，介電常數(shù)實部可以增大到20.用此濃度作為平板試樣，涂層厚度為2m

6、m時，涂層密度約為0.31103kg/m2,在11.8418GHz頻段內(nèi)反射率小于3dB，峰值發(fā)生在14.36GHz，反射率為-4.27dB。表明所得隱身涂層比重較輕、吸收頻帶較寬，在隱身領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。這種生物隱身技術(shù)的最大優(yōu)勢在于菌體培養(yǎng)成本極低，形狀多樣，具備絲狀和螺旋狀等隱身優(yōu)良形體。生物隱身材料為國際首創(chuàng)，具備知識創(chuàng)新與高科技含量，對提高我國的國防裝備水平意義重大。生物聚合成形脂質(zhì)作為細(xì)胞壁的主要成分之一，是一種天然具有親水基和親油基的雙親表面活性劑，從微生物或動物細(xì)胞中提取后，聚合可生成納米/微米級球形脂質(zhì)體/脂質(zhì)雙層膜/脂質(zhì)單層膜。脂質(zhì)爭座位生物分子器件研究的基質(zhì)和載體得到

7、廣泛的應(yīng)用，特別是對以下兩項重要前沿技術(shù)的實用化將起到?jīng)Q定性作用。第一項是生物馬達(dá)。中科院生物物理所試驗的光能F0-ATP酶生物分子馬達(dá)在脂質(zhì)體上安裝并驅(qū)動負(fù)載回轉(zhuǎn)，它比目前國際上提出的F1-ATP水解酶分子馬達(dá)更容易實用化。水解馬達(dá)的能量供給十分不便，孤立系統(tǒng)的能量很快消耗殆盡，而光能F0馬達(dá)在普通光下即可長時間旋轉(zhuǎn)，并且可以方便的通過光強(qiáng)調(diào)整轉(zhuǎn)速和停轉(zhuǎn)。如果光能F0馬達(dá)從目前的隨機(jī)裝配發(fā)展為陣列化脂質(zhì)體上精密定向裝配，將會產(chǎn)生新型機(jī)電系統(tǒng)，如陣列式納米紀(jì)錄、微系統(tǒng)動力、馬達(dá)式生物芯片等，并具備芯片式批量化生產(chǎn)的特征。第二項是脂質(zhì)芯片。目前絕大部分生物芯片的研究是基因芯片或水溶性蛋白質(zhì)芯片，

8、而對于占蛋白質(zhì)總量約1/3的非水溶性膜蛋白的芯片化幾乎無人問津。脂質(zhì)體對綁定和檢測各類蛋白，特別是非水溶性膜蛋白具有獨特的能力，所以必須抓住機(jī)遇率先開展“脂質(zhì)芯片”的研究。脂質(zhì)體具有與細(xì)胞膜相似的結(jié)構(gòu)，但比活細(xì)胞結(jié)構(gòu)與成分簡單，且能夠重組，容易控制、操作及保存，在其上可裝配各種功能蛋白質(zhì),是一種理想的蛋白質(zhì)工程的載體。可利用這種機(jī)械面脂質(zhì)體功能蛋白質(zhì)之間的有良好界面，在一定形體與功能的硅片上構(gòu)造脂質(zhì)體陣列，在脂質(zhì)體上部裝配功能蛋白質(zhì)（如馬達(dá)蛋白、膜蛋白、抗體/抗原、配體/受體等），來形成一種構(gòu)造光能生物馬達(dá)芯片和脂質(zhì)基芯片等生物機(jī)電系統(tǒng)的新型制造方法。圖示使用自行研制的微噴系統(tǒng)噴制的脂質(zhì)體基生

9、物芯片，其中噴點直徑180m，間距300m。這種基于脂質(zhì)體的生物制造新技術(shù)，與以往物理和化學(xué)形式的制造方法相比，在形成與裝配方面有很大不同，是通過控制脂質(zhì)分子群的自聚合來構(gòu)造納米/微米球形脂質(zhì)體，通過精密微噴與微電子工藝來定位與固定脂質(zhì)體在硅基片上的位置與信息/能量通道，通過功能蛋白質(zhì)對脂質(zhì)體雙層膜的親和力來實現(xiàn)自組裝，是一種自成形、自組裝、生命體與非生命體融合的多界面制造方法。該領(lǐng)域的確立與發(fā)展將導(dǎo)致傳統(tǒng)方式成形與組裝的機(jī)電系統(tǒng)向自成形與自組裝的生物機(jī)電系統(tǒng)發(fā)展，對相關(guān)學(xué)科的融合與發(fā)展將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，特別是對生物醫(yī)藥篩選、疑難病的診斷、微能源/微動力/微傳感/微構(gòu)件/微信息記錄的一體化等具

10、有重要的應(yīng)用價值。生物結(jié)晶成形與生物生長成形生命是物質(zhì)的最高形式，有生命的生命體和生物分子與其他無生命的物質(zhì)相比，具有繁殖、代謝、生長、遺傳、重組等特點。隨著人類對基因組計劃的不斷實施和深入研究，人工控制細(xì)胞團(tuán)的生長外形和生理功能已逐步變?yōu)楝F(xiàn)實。目前，國際上利用蛋白質(zhì)晶體重組和細(xì)胞生長做了許多有意義的探索性研究。英國Bach大學(xué)和奧地利Bodenkultur Wien大學(xué)合作研究了古細(xì)菌外膜和蛋白質(zhì)重組，在電鏡格柵上自組裝出具有5nm直徑孔有序陣列的二維蛋白質(zhì)膜，在膜的兩側(cè)分別是Cdcl2和H2s，結(jié)果在納米孔口處形成了5nm左右的CdS納米顆粒，有望成為納米存儲單元。日本國立循環(huán)器官病中心利

11、用表面細(xì)胞修飾技術(shù)，在一定活性修飾表面上接種神經(jīng)細(xì)胞，結(jié)果生長出了微米級六邊形陣列的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，有可能實現(xiàn)活體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的0/1控制。細(xì)胞團(tuán)的三維生長控制，一般采用凝膠狀或海綿狀三維培養(yǎng)框架結(jié)構(gòu)，在一定的外形約束、一定的培養(yǎng)介質(zhì)、一定的培養(yǎng)條件（壓力、溫度、刺激因子等）下，對接種細(xì)胞進(jìn)行三維組織培養(yǎng)。目前國際上已成功的實現(xiàn)了皮膚細(xì)胞的二維生物組織構(gòu)造，正處于產(chǎn)品開發(fā)化階段。軟骨、血管、肝臟等細(xì)胞的三維生物組織構(gòu)造技術(shù)正處于研究階段。目前人類已能控制老鼠身上某個部位長出耳朵。相信在不遠(yuǎn)的將來，一定可以通過控制基因的遺傳形狀特征和遺傳生理特征，生長出所需外形和生理功能的人工器官，用于延長人類生命或

12、構(gòu)造生物型微機(jī)電系統(tǒng)。3.生物制造技術(shù)的發(fā)展趨勢21世紀(jì)是生物制造技術(shù)及生物制造產(chǎn)品蓬勃發(fā)展的世紀(jì)，它將對人類的日常生活、能源、交通、資源、勞動力等產(chǎn)生巨大影響。在未來50年內(nèi)，現(xiàn)在廣泛使用的電子顯示屏、顯示技術(shù)將由不昂貴的、分布式生物制造的產(chǎn)品與技術(shù)所替代；在未來10年內(nèi)，人工肌肉，人工心臟肌肉、甚至整個人的心臟都可以實現(xiàn)生物工程制造。許多生物組織的基因測序?qū)⑻峁┑鞍踪|(zhì)組成部件系列，用來改善人類的健康，延長人的壽命；從自然界、生物界的結(jié)構(gòu)與美學(xué)方面汲取經(jīng)驗，將改變當(dāng)今工業(yè)中的一些不正確的設(shè)計方法和結(jié)構(gòu)，增加資源的效率和制造生物材料，邁出制造革命的第一步；隨著生物編碼技術(shù)的進(jìn)步，DNA的測序與合成將變得便宜、快速且易于使用；分布式生物制造將更具柔性。生物學(xué)將不再神秘，它將作為一種生物工