浅谈生物制造技术.doc

浅谈生物制造技术Brief Introduction to Biological Manufacturing Technology专业：班级：学号：姓名：摘要：本文从生物制造技术的产生及含义谈起，介绍了生物制造技术的概念、内容及突破口。最后简述了生物制造技术的展望与前景。关键词：生物制造工程 仿生 制造技术Abstract：This paper summarizes the origination of biological manufacturing technology , introduces the concept , contents and features about the producing, and resumes that the new technologys future. Keyword: biological manufacturing engineering, simulate, manufacturing technology引言信息技术与制造技术的结合，带动了制造业的飞跃发展。21世纪，生命科学和生物技术将领导科技的潮流，改变人类的社会形态和生活方式。制造技术作为社会发展的基础支撑，必须面向未来，从过去的为工农业提供支持，转向与生命科学结合，为人类的生命质量的提高服务，同时借鉴生物生长规律发展制造科学与技术，使制造科学发生一场新的革命。生物制造工程（Bil-technology for Manufacturng）是近年来制造技术发展的新方向，其研究主要包含利用生物的机能进行制造及制造类生物或生物体，将生命科学，材料科学及生物技术的知识融入制造技术之中，为人类的健康、保护环境和可持续发展提供关键技术。一、生物制造的概念生物制造工程（biological manufacturing engineering）是指将生命科学和材料科学的知识融入到制造技术中，在各种交叉技术的支持下，运用先进的制造模式和方法来生产具有一定生物功能的组织和器官。生物制造与人民的生命及健康有着密切的关系。它是生命科学和制造科学相结合的新兴学科，它的研究以各类人工器官或组织的制造作为其最终目标，当前目标是提供具有一定生理、生化功能的功能体或仿生产品，并且能够初步用于医学临床。目前，发展到信息时代的现代制造时期，生物制造确实到了一个面临重大发展的前夜。当代生物技术特别是分子生物学的发展，使得对核酸、蛋白质、多糖、生物膜等大分子的研究已十分深入，随着人类基因组计划以及后基因组研究的开展，人们对生命的奥秘的了解已从朴素的生命机械观发展到分子和原子的层次。细胞分离和大量培养、生物大分子合成与改性、基因的切割与重组已具有比较成熟的技术。上述成果与制造科学中的离散/堆积成形原理与技术、微制造以及数字微滴喷射等使能技术结合起来，已将我们引导进入一个全新学科和工程领域，这就是生物制造。二、生物制造的主要研究内容（1）生物学研究。以包含活体细胞的“活”的微滴单元作为可控组装对象，必然涉及许多与活的细胞有关的基础性问题：细胞定向分化中关键基因的发现；细胞定向分化外部环境的设置；细胞/材料微滴单元的受控组装所需要的细胞培养及组装前细胞的预处理；细胞外基质的形成、功能及控制；细胞及细胞簇的性状保持及其环境控制等。 （2）生物建模研究。生物制造涉及的优化设计与建模问题有：人体器官建模理论及方法学；生物建模的处理及数据传输的研究以及相应的软件开发；人体组织及器官解剖学数据的压缩、处理与重构；生长成形和生物制造中的数据结构和数据通道；基于分形理论的几何建模、材料建模和功能建模的系统优化；基于复合材料元胞法的生物制造和生长成形过程模拟等。 （3）材料学研究。生物制造中加工的对象是各类生物材料，一方面需要通过合成和改性获得具备所需要的性能的生物材料，另一方面还需要研究成形过程对于生物材料性能的影响。具体的有：人工骨、人工软骨、抗生素缓释人工骨、带软骨半关节面的人工骨、软骨细胞活体构型和肝细胞活体构型的生物材料合成、成形性能和表面化学性能的改进；生物材料的组成、微观结构与其可成形性和生物学性能的关系；快速成形工艺对材料的生物学性能和力学性能的影响；植入体和活体构型的孔隙和介孔构型、分布以及孔隙率对其生物学性能的影响及作用机制；软骨细胞、肝细胞的细胞外基质的仿生合成及材料/细胞及材料/生长因子的相容性；生物降解材料对以BMP为主的生长因子的活性保护和控制释放等。 （4）微粒喷射沉积的研究。具体的有：兼顾功能梯度结构精确成形的要求和保持材料生物学特性的要求、开发材料微滴单元的受控组装工艺；根据材料微滴的不同尺度和粘度，选用不同的喷射使能技术，如螺杆挤出、低温喷射、压电喷头或磁致伸缩喷头和激光引导直写等；基于不同的精密加工技术，研制不同微滴单元的精密喷头；针对不同微滴组装工艺的装备和不同的成形工艺参数优化等。 （5）带软骨半关节面人工关节的生物制造。主要集中在制造带软骨半关节面的人工骨和软骨细胞活体构型，并对它们进行相应的生物学和生物力学评价：采用骨形态发生蛋白(BMP)、软骨源性形态发生蛋白(CDMP)、碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)及血管内皮细胞生长因子(VEGF)等生长因子，分别促进骨、软骨再生；再生骨组织的血管化的必要性、可行性和作用机理；MSCs和软骨细胞在体外的扩增培养技术以及它们对软骨再生的作用；带软骨半关节面的人工骨专用快速成形工艺与装置；带软骨半关节面的人工骨的体外构建；带软骨半关节面的人工骨的生物学及生物力学评价；抗生素缓释人工骨的成形工艺与药物缓释机理；软骨细胞活体构型的成形工艺与装置等。（6）具有生物活性的肝细胞组装体的生物制造。主要集中在制造复杂的肝血管网支架和肝细胞活体构型，并对它们进行相应的生物学和生物力学评价；肝脏数据采集与处理；符合肝脏组织学及生理学特点的微管网架构型设计；带微管网的肝组织工程支架的成形制造；体外进行微管网的管道内细胞灌注及培养的方法与生物学评价；细胞打印和细胞直写等技术在构建肝细胞活体构型中的应用；支架材料的细胞相容性和组织相容性；骨髓基质干细胞定向诱导肝细胞和血管内皮细胞的生物学研究。三、生物制造发的突破口 生物制造领域涉及面非常广，因此必须有选择、有重点地寻找突破口，以此带动生物制造的总体研究。1、构建生物制造平台2、微滴组装的原理及实现3、突出强调研究材料的可成形性4、细胞的堆积与组装应当充分利用微、纳制造的新成果5、生物制造应当充分考虑功能恢复四、结论 生物制造最大的挑战是必须是跨越生长和制造的鸿沟，强调制造科学特别是涉及材料微滴单元组装的现代成形学用于生命和医学领域，它和传统制造的区别在于所处理的对象不但是生物活性材料、生物相容性材料，还包括了具有生命的细胞或者细胞材料复合体，其科学问题涉及材料细胞单元的受控组装的机理、条件和功能实现。涉及细胞的组装又包括了间接组装和直接组装两类。基于离散/堆积原理的快速成形是材料细胞单元组装的技术与工艺前提，其工艺参数匹配、优化设计原理、系统控制方法与受控组装的假体、活体的生理、生化和相容、降解特性的基础性研究也是重要内容。生物制造的产品涉及四个层次：人工假体仿生产品层次、具有生物相容性的永久植入体层次、具有生命特征的材料细胞单元复合体三维结构层次，以及今后将发展的分子受控组装层次。生物制造在仿生制造、康复医学和其它生物工程领域有着广泛的应用前景。五、生物制造工程未来主要研究方向1、.生物活性组织和器官的工程化制造利用制造技术，制造咄宏观与微观组织支架，使细胞在支架上并行生长，加快人工与组织器官的生长速度，形成生物活体组织的工程化制造技术。研究组织创建的人工支架的设计与制造，构建非匀质材料三支架的的方法；设计构建适合干细胞向不同功能组织同期转化的异构制造环境；三维支架的力学性能和生物性能。研究人工活性器官外生物平台，包括多组织生物反应平台的构建；组织和器官培养生物与力学环境的仿真；支架材料降解转化、干细胞受激转化形成器官的各功能组织的机理，器官再造的环境构建与控制，器官活化进程及其监测等。2、仿生制造生物的自组织、自生长、自生成、遗传等许多智能特性，对制造技术的发展有启迪作用，这些仿生原理在制造技术上的应用促进制造技术的变革，其中生物生长的自组织规律、组织生长的人工控制方法等问题将形成新的制造技术原理。主要研究生命和生物的功能和材料特征，创新结构高计原理，在物种机器人、制造装备、航天航空航海器上开展应用研究。借鉴生命体的生长规律，研究控索新型制造方法，包括特种生物材料的成形，细胞堆积与定向繁殖生长的可控性，细胞和细菌吞噬材料成形及