先進制造工藝技術(shù)-生物制造技術(shù)ppt課件

1、2 生物制造 2.1 生物制造的開展 2.2 生物制造的概念與內(nèi)容 2.3 生物制造運用案例日本三艱苦學和岡山大學率先開展了生物技術(shù)用于工程資料加工的研討，并初步證明了微生物加工金屬資料的可行性。目前已將快速成形制造技術(shù)人工骨研討相結(jié)合，為顱骨、顎骨等骨骼的人工修復和康復醫(yī)學提供了很好的技術(shù)手段。我國于1982年將生物技術(shù)列為八大重點技術(shù)之一。生物學科與制造學科這兩個原來人們覺得毫不相關(guān)的學科，今天正在相互浸透、相互交叉，正在構(gòu)成一個新的學科生物制造系統(tǒng)Biological Manufacturing System，BMS。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

2、術(shù)研討會，專家們討論的主要問題有：生物制造工程的定義、內(nèi)涵及意義；生物醫(yī)學工程與生物制造的聯(lián)絡(luò)；生物制造的研討特點、方向及方法；生物制造的運用領(lǐng)域。 1. 生物制造系統(tǒng)正在構(gòu)成2.1 生物制造的開展 在機器人、微機電系統(tǒng)、微型武器方面，將更多地運用生物動力、生物感知、生物智能，使機器人越來越像人或動物。 在納米技術(shù)方面，實現(xiàn)納米尺度上裁剪或銜接DNA雙螺旋，改造生命特征;實現(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，實現(xiàn)跨膜物質(zhì)選擇運輸和電子傳送。 在醫(yī)療方面，三維生物組織培育技術(shù)不斷突破，人體各種器官將能得到復制，會大大延伸人類的生命。 在生物加工方面，經(jīng)過生物方法制造納米顆粒、納米

3、功能涂層、納米微管、功能資料、微器件、微動力、微傳感器、微系統(tǒng)等。 2. 生物制造的開展前景 2.1 生物制造的開展1. 生物制造的概念清華大學顏永年教授等把生物制造定義為： 經(jīng)過制造科學與生命科學相結(jié)合，在細胞和分子尺度的科學層次上，經(jīng)過受控組裝完成器官、組織和仿消費品的制造之科學和技術(shù)總稱。 2.2 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構(gòu)造生長型制造原理自組織生長原理分布式制造原理分形實際其他實際仿生制造 生物組織和構(gòu)造的仿生 生物遺傳制造 生物控制的仿生生物成形制造其他方法產(chǎn)品制造科學生命科學資料科學信息技術(shù)制造原理生物制造技術(shù)生物制造的根底2.2 生物制造的概念

4、與內(nèi)容 目前生物制造工程的研討方向是如何把制造科學、生命科學、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、資料科學各領(lǐng)域的最新成果組合起來，使其彼此溝通起來用于制造業(yè)，是生物制造工程的主要義務(wù)。歸納下來，目前有如下兩方面6個研討方向：1仿生制造 生物組織和構(gòu)造的仿生 生物遺傳制造 生物控制的仿生 3. 生物制造工程的研討方向 2.2 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 生物生長成形 包括生物活性組織的工程化制造和類生物智能體的制造。例如：生物活性組織的工程化制造：將組織工程資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資料，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

5、單元并行生長，以處理與人體的相容性與個體的適配性，以及快速生成的需求，實現(xiàn)人體器官的人工制造。類生物智能體的制造：利用可以經(jīng)過控制含水量來控制伸縮的高分子資料，可以制成人工肌肉。類生物智能體的最高開展是依托生物分子的生物化學作用，制造類人腦的生物計算機芯片，即生物存儲體和邏輯安裝。 1生物組織和構(gòu)造的仿生 2.2 生物制造的概念與內(nèi)容 隨著DNA的內(nèi)部構(gòu)造和遺傳機制的解密，自創(chuàng)基因技術(shù)的成果運用于制造領(lǐng)域，依托生物DNA的自我復制，如何利用轉(zhuǎn)基因?qū)崿F(xiàn)一定幾何外形、各幾何外形位置不同的物理力學性能、生物資料和非生物資料的有機結(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，

6、直接生長出任何人類所需求的產(chǎn)品，如人或動物的骨骼、器官、肢體，以及生物資料構(gòu)造的機器零部件等，將是這個方向的創(chuàng)新及前沿問題。 2生物遺傳制造 2.2 生物制造的概念與內(nèi)容 運用生物控制原理來計算、分析和控制制造過程。例如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法仿生丈量研討面向生物工程的微操作系統(tǒng)原理設(shè)計與制造根底3生物控制的仿生 2.2 生物制造的概念與內(nèi)容 目前已發(fā)現(xiàn)的微生物有10萬種左右，尺度絕大部分為微/納米級，具有不同的規(guī)范幾何外形與亞構(gòu)造、生理機能及遺傳特性。這就有能夠找到“吃某些工程資料的菌種，實現(xiàn)生物去除成形(Bioremoving forming)；復制或金屬化 不同規(guī)范幾何外形與亞構(gòu)造的菌體，再

7、經(jīng)排序或微操作，實現(xiàn)生物約束成形(Biolimited forming)；甚至經(jīng)過控制基因的遺傳外形特征和遺傳生理特征，生長出所需的外形和生理功能，實現(xiàn)生物生長成形(Biogrowing forming)。 生物去除成形 Bioremoving Forming 生物約束成形 Biolimited Forming 生物生長成形 Biogrowing Forming 2生物成形制造 2.2 生物制造的概念與內(nèi)容 以氧化亞鐵硫桿菌T9菌株去除純銅、純鐵和銅鎳合金等資料為例，闡明生物去形的原理。氧化亞鐵硫桿菌T9菌株是中溫、好氧、嗜酸、專性無機化能自氧菌，其主要生物特性是將亞鐵離子氧化成高鐵離子以及將

8、其他低價無機硫化物氧化成硫酸和硫酸鹽。加工時，可掩膜控制去除區(qū)域利用，利用細菌刻蝕到達成形的目的。 1生物去除成形 a b圖 生物去除成形實驗過程a光刻工藝過程 b生物加工過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程生物加工后試件去抗蝕劑膜2.2 生物制造的概念與內(nèi)容 2生物約束成形 目前已發(fā)現(xiàn)的微生物中大部分細菌直徑只需1m左右，菌體有各種各樣的規(guī)范幾何外形，用如今加工手段很難加工除這么小的規(guī)范三維外形。這些菌體的金屬化將會有以下用途： 構(gòu)造微管道，微電極、微導線 菌體排序與固定，構(gòu)造蜂窩構(gòu)造、復合資料、多孔資料、 磁性功能資料等。 去除蜂窩構(gòu)造外表，構(gòu)造微孔過濾膜、光學衍

9、射孔等。 2.2 生物制造的概念與內(nèi)容 有生命的生物體和生物分子與其他無生命的物質(zhì)相比，具有繁衍、代謝、生長、遺傳、重組等特點。隨著人類對基因組方案的不斷實施和深人研討，將現(xiàn)實人工控制細胞團的生長外形和生理功能的生物生長成形技術(shù)。置信在不遠的未來，可以利用生物生長技術(shù)控制基因的遺傳外形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，用于延伸人類生命或構(gòu)造生物型微機電系統(tǒng)。 3生物生長成形2.2 生物制造的概念與內(nèi)容 1.生物計算機2.可使盲人重見光明的“眼睛芯片 3.個性化人造器官2.3 生物制造的運用案例 作為計算機中心元件的大規(guī)模集成電路多以硅為資料。假設(shè)提高了集成度，電路密集引起

10、的散熱問題又難于處理。因此，計算機的運算速度與才干就不能滿足飛速開展的社會的要求了。 目前，科學家正在研制生物芯片，并已確定了以下的生物資料： (1)細胞色素C 它具有氧化和復原的兩種形狀，其導電率相差1000倍。這兩種形狀的轉(zhuǎn)換可經(jīng)過適當方式加上或撤去1.5伏電壓來實現(xiàn)，它可作為記憶元件。 (2)細菌視紫紅質(zhì) 它是一種光驅(qū)動開關(guān)的原型。由光輻射啟動的質(zhì)子泵在膜兩邊構(gòu)成的電位，經(jīng)離子靈敏場效應(yīng)放大后，可給出較好的開關(guān)信號。 (3)DNA分子 它以核苷酸堿基編碼方式存儲遺傳信息，是一種存儲器的分子模型。 (4)采用導電聚合物如聚乙炔與聚硫氮化物制造分子導線 它們傳送信息速度與電子導電情況無多大差

11、別，但能耗極低。 1. 生物計算機2.3 生物制造的運用案例 2. 可使盲人重見光明的“眼睛芯片 美國約翰斯霍普金斯大學威爾默眼科研討所的科學家和北卡羅來納州立大學的機械工程師，共同研制勝利了可使盲人重見光明的“眼睛芯片。這種芯片是由一個無線錄像安裝和一個激光驅(qū)動的、固定在視網(wǎng)膜上的微型電腦芯片組成。 任務(wù)原理是:裝在眼鏡上的微型錄像安裝拍攝到圖像，并把圖像進展數(shù)字化處置之后發(fā)送到電腦芯片，電腦芯片上的電極構(gòu)成的圖像信號那么刺激視網(wǎng)膜神經(jīng)細胞，使圖像信號經(jīng)過視神經(jīng)傳送到大腦，這樣盲人就可以見到這些圖像。 2.3 生物制造的運用案例 據(jù)統(tǒng)計，僅在美國每年有數(shù)百萬的患者患有各種組織、器官的喪失或功

12、能妨礙，每年需求進展800萬次手術(shù)，年耗資400億美圓。我國目前有大約150萬尿毒癥患者，每年卻僅能做3000例腎臟移植手術(shù)；有400萬白血病患者在等待骨髓移植，而全國骨髓庫的資料才3萬份，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，成活率很低的問題。 怎樣處理這個困難？2.3 生物制造的運用案例3. 個性化人造器官(1)個性化人造器官的想象 生物醫(yī)學專家希望用人工培育的方法培育出人體需求的正常組織。在未來，醫(yī)院就能像工廠消費零部件一樣，根據(jù)患者的缺失情況，需求什么培育什么，需求多少做多少，量體裁衣，做好了安裝上就能發(fā)揚作用。而且可以結(jié)合先進的電腦技術(shù)，為每一個患者提供與他原器官

13、特別類似的人造器官。簡單地說，個性化人造器官就是利用患者本身的部分組織或細胞，再利用外來的一些高分子資料，在身體的相關(guān)部位“長出一個最“貼己的器官。2.3 生物制造的運用案例3. 個性化人造器官3. 個性化人造器官(1)個性化人造器官的想象 生物學家首先制定構(gòu)建某種組織或器官的設(shè)計圖，并按照圖紙要求制備一種特殊的骨架，這種骨架要具有降解特性，降解后對人體無害，并能提供細胞生長場所。生物學家將患者剩余器官的少量正常細胞作為“種子細胞，“種在人造骨架上，并提供適宜的生長因子，讓細胞分泌出建造組織或器官所需的細胞間質(zhì)，最后作為骨架的生物資料在細胞培育過程中，逐漸降解而消逝。整個器官在完全無菌的生物反

14、響器里培育，等到整個器官在體外“長好之后，再移植到患者體內(nèi)，由于是他本身細胞“長成的器官，患者就不會產(chǎn)生排斥反響。2.3 生物制造的運用案例生物可吸收性PLGA原料生物可吸收性PLGA骨螺絲廢品生物可吸收性PLGA骨板廢品生物可吸收性PLGA多孔性基材2.3 生物制造的運用案例3. 個性化人造器官 科學家還開展出一種更簡單的人造器官方法，就是把作為支架的高分子資料、細胞和生長因子混合在一同，注射到患者體內(nèi)需求修復的部位，讓這些原料“長出一個完好的器官來。到時，去醫(yī)院修補器官就像如今打針一樣方便。這種新的方法叫做“可注射工程。注射能促進牙齦組織再生的生物資料可注射組織工程表示圖2.3 生物制造的

15、運用案例3. 個性化人造器官(1)個性化人造器官的想象(2)個性化人造器官的研討進展 1997年，美國南加州的ATS公司初次由包皮細胞長成了人造皮膚，移植在病人身上后，人工皮膚細胞即使曾經(jīng)死亡，其所含的生長因子，仍可以促進傷口周圍的組織再生。這是最先面世的個性化人造器官產(chǎn)品。目前，人造皮膚曾經(jīng)成為個性化人造器官中最成熟的一個種類。 美國馬薩諸塞大學的查爾斯瓦坎蒂教授在生物反響器里為兩位切掉拇指的機械師培育了拇指的指骨。與此同時，安東尼阿塔拉指點的一個由波士頓兒童醫(yī)院的醫(yī)生組成的小組正方案把用胎兒細胞培育的膀胱植入人體。美國阿特麗克斯公司消費了一種摻有生長激素和療效藥物的可吸收生物資料，它能促進

16、牙齦組織再生。2.3 生物制造的運用案例3. 個性化人造器官(2)個性化人造器官的研討進展 德國漢諾威醫(yī)學高等專科學校的赫爾穆特德雷克斯勒教授首先從心肌堵塞患者的骨髓中提取出干細胞，經(jīng)過一系列特殊處置后，這些病人的自體干細胞經(jīng)過特制導管被植入發(fā)生堵塞的心臟動脈中。實驗結(jié)果顯示，接受新療法的病人心臟可以自行康復，并可以再生心臟肌肉組織。2.3 生物制造的運用案例3. 個性化人造器官(2)個性化人造器官的研討進展我國的曹誼林教授曾勝利地在裸鼠身上移植勝利了世界上第一個個性化人造耳。曹教授先用高分子化學資料聚羥基乙酸做成人造耳的模型支架，然后讓細胞在這個支架上繁衍生長。支架最后會本人降解消逝。將裸鼠的背上