先進(jìn)制造技術(shù)生物制造

關(guān)于先進(jìn)制造技術(shù)生物制造第1頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月日本三重大學(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(zhuān)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)展第2頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在機(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(lèi)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)展第3頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(chēng)。

6.6.2生物制造的概念與內(nèi)容第4頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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)容第5頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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

第6頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月生物活性組織的工程化制造和類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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

第7頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月依靠生物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(lèi)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

第8頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月應(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

第9頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月找到“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

第10頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例：氧化亞鐵硫桿菌T—9菌株是中溫、好氧、嗜酸、專(zhuān)性無(wú)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(wú)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。

1）生物去除成形

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(xiàn)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生物制造的概念與內(nèi)容

第11頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）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1μm左右，菌體有各種各樣的標(biāo)準(zhǔn)幾何外形，用現(xiàn)在加工手段很難加工除這么小的標(biāo)準(zhǔn)三維形狀。這些菌體的金屬化將會(huì)有以下用途：

構(gòu)造微管道，微電極、微導(dǎo)線(xiàn)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)造微孔過(guò)濾膜、光學(xué)衍射孔等。

6.6.2生物制造的概念與內(nèi)容

第12頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月生物體和生物分子具有繁殖、代謝、生長(zhǎng)、遺傳、重組等特點(diǎn)。未來(lái)將現(xiàn)實(shí)人工控制細(xì)胞團(tuán)的生長(zhǎng)外形和生理功能的生物生長(zhǎng)成形技術(shù)?？梢岳蒙锷L(zhǎng)技術(shù)控制基因的遺傳形狀特征和遺傳生理特征，生長(zhǎng)出所需外形和生理功能的人工器官，用于延長(zhǎng)人類(lèi)生命或構(gòu)造生物型微機(jī)電系統(tǒng)。3）生物生長(zhǎng)成形6.6.2生物制造的概念與內(nèi)容

第13頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月大規(guī)模集成電路（計(jì)算機(jī)核心元件）材料為硅。提高了集成度，引起難于解決的散熱問(wèn)題。生物芯片可以解決類(lèi)似問(wèn)題，有以下生物材料：(1)細(xì)胞色素C它具有氧化和還原的兩種狀態(tài)，其導(dǎo)電率相差1000倍。這兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換可通過(guò)適當(dāng)方式加上或撤去1.5伏電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，它可作為記憶元件。(2)細(xì)菌視紫紅質(zhì)它是一種光驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)的原型。由光輻射啟動(dòng)的質(zhì)子泵在膜兩邊形成的電位，經(jīng)離子靈敏場(chǎng)效應(yīng)放大后，可給出較好的開(kāi)關(guān)信號(hào)。(3)DNA分子它以核苷酸堿基編碼方式存儲(chǔ)遺傳信息，是一種存儲(chǔ)器的分子模型。(4)采用導(dǎo)電聚合物如聚乙炔與聚硫氮化物制作分子導(dǎo)線(xiàn)它們傳遞信息速度與電子導(dǎo)電情況無(wú)多大差別，但能耗極低。1.生物計(jì)算機(jī)6.6.3生物制造的應(yīng)用案例

第14頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.可使盲人重見(jiàn)光明的“眼睛芯片”

美國(guó)研制成功了可使盲人重見(jiàn)光明的“眼睛芯片”。這種芯片是由一個(gè)無(wú)線(xiàn)錄像裝置和一個(gè)激光驅(qū)動(dòng)的、固定在視網(wǎng)膜上的微型電腦芯片組成。工作原理:裝在眼鏡上的微型錄像裝置拍攝到圖像，并把圖像進(jìn)行數(shù)字化處理之后發(fā)送到電腦芯片，電腦芯片上的電極構(gòu)成的圖像信號(hào)則刺激視網(wǎng)膜神經(jīng)細(xì)胞，使圖像信號(hào)通過(guò)視神經(jīng)傳送到大腦，這樣盲人就可以見(jiàn)到這些圖像。6.6.3生物制造的應(yīng)用案例第15頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月?lián)y(tǒng)計(jì)，僅在美國(guó)每年有數(shù)百萬(wàn)的患者患有各種組織、器官的喪失或功能障礙，每年需要進(jìn)行800萬(wàn)次手術(shù)，年耗資400億美元。我國(guó)目前有大約150萬(wàn)尿毒癥患者，每年卻僅能做3000例腎臟移植手術(shù)；有400萬(wàn)白血病患者在等待骨髓移植，而全國(guó)骨髓庫(kù)的資料才3萬(wàn)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(wèn)題。

怎么解決這個(gè)困難？6.6.3生物制造的應(yīng)用案例3.個(gè)性化人造器官第16頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(1)個(gè)性化人造器官的構(gòu)想生物醫(yī)學(xué)專(zhuān)家希望用人工培養(yǎng)的辦法培養(yǎng)出人體需要的正常組織。在將來(lái)，醫(yī)院就能像工廠(chǎng)生產(chǎn)零部件一樣，根據(jù)患者的缺失情況，需要什么培養(yǎng)什么，需要多少做多少，量體裁衣，做好了安裝上就能發(fā)揮作用。而且可以結(jié)合先進(jìn)的電腦技術(shù)，為每一個(gè)患者提供與他原器官特別相似的人造器官。簡(jiǎn)單地說(shuō)，個(gè)性化人造器官就是利用患者自身的局部組織或細(xì)胞，再利用外來(lái)的一些高分子材料，在身體的相關(guān)部位“長(zhǎng)”出一個(gè)最“貼己”的器官。6.6.3生物制造的應(yīng)用案例3.個(gè)性化人造器官第17頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.個(gè)性化人造器官(1)個(gè)性化人造器官的構(gòu)想生物學(xué)家首先制定構(gòu)建某種組織或器官的設(shè)計(jì)圖，并按照?qǐng)D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(duì)人體無(wú)害，并能提供細(xì)胞生長(zhǎng)場(chǎng)所。生物學(xué)家將患者殘余器官的少量正常細(xì)胞作為“種子細(xì)胞”，“種”在人造骨架上，并提供合適的生長(zhǎng)因子，讓細(xì)胞分泌出建造組織或器官所需的細(xì)胞間質(zhì)，最后作為骨架的生物材料在細(xì)胞培育過(guò)程中，逐漸降解而消失。整個(gè)器官在完全無(wú)菌的生物反應(yīng)器里培養(yǎng)，等到整個(gè)器官在體外“長(zhǎng)”好之后，再移植到患者體內(nèi)，由于是他自身細(xì)胞“長(zhǎng)”成的器官，患者就不會(huì)產(chǎn)生排斥反應(yīng)。6.6.3生物制造的應(yīng)用案例第18頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月生物可吸收性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生物制造的應(yīng)用案例3.個(gè)性化人造器官第19頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

一種更簡(jiǎn)單的人造器官方法:把作為支架的高分子材料、細(xì)胞和生長(zhǎng)因子混合在一起，注射到患者體內(nèi)需要修復(fù)的部位，讓這些原料“長(zhǎng)”出一個(gè)完整的器官來(lái)。到時(shí)，去醫(yī)院修補(bǔ)器官就像現(xiàn)在打針一樣方便。這種新的方法叫做“可注射工程”。注射能促進(jìn)牙齦組織再生的生物材料

可注射組織工程示意圖6.6.3生物制造的應(yīng)用案例3.個(gè)性化人造器官(1)個(gè)性化人造器官的構(gòu)想第20頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)個(gè)性化人造器官的研究進(jìn)展1997年，美國(guó)南加州的ATS公司首次由包皮細(xì)胞長(zhǎng)成了人造皮膚，移植在病人身上后，人工皮膚細(xì)胞即使已經(jīng)死亡，其所含的生長(zhǎng)因子，仍能夠促進(jìn)傷口周?chē)慕M織再生。這是最先面世的個(gè)性化人造器官產(chǎn)品。目前，人造皮膚已經(jīng)成為個(gè)性化人造器官中最成熟的一個(gè)品種。

美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)的查爾斯·瓦坎蒂教授在生物反應(yīng)器里為兩位切掉拇指的機(jī)械師培育了拇指的指骨。與此同時(shí)，安東尼·阿塔拉領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)由波士頓兒童醫(yī)院的醫(yī)生組成的小組正計(jì)劃把用胎兒細(xì)胞培育的膀胱植入人體。美國(guó)阿特麗克斯公司生產(chǎn)了一種摻有生長(zhǎng)激素和療效藥物的可吸收生物材料，它能促進(jìn)牙齦組織再生。6.6.3生物制造的應(yīng)用案例3.個(gè)性化人造器官第21頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)個(gè)性化人造器官的研究進(jìn)展

德國(guó)漢諾威醫(yī)學(xué)高等專(zhuān)科學(xué)校的赫爾穆特·德雷克斯勒教授首先從心肌梗塞患者的骨髓中提取出干細(xì)胞，經(jīng)過(guò)一系列特殊處理后，這些病人的自體干細(xì)胞通過(guò)特制導(dǎo)管被植入發(fā)生梗塞的心臟動(dòng)脈中。試驗(yàn)結(jié)果顯示，接受新療法的病人心臟能夠自行康復(fù)，并可以再生心臟肌肉組織。6.6.3生物制造的應(yīng)用案例3.個(gè)性化人造器官第22頁(yè)，課件共24頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2