生物制造技术

1、生物制造 2016目录1概念2发展3特点概述4与传统制造对比5生物制造具体内容7前景6主要涉及领域指运用现代制造科学和生命科学的原理和方法，通过单个细胞或细胞团簇的直接和间接受控组装，完成具有新陈代谢特征的生命体成形和制造，经培养和训练，用以修复或替代人体病损组织和器官。 它直接以生物的手段，利用生物的生理特征、形体特征、材质特征、成形特征、组织特征、遗传特征等， 实现像物理方式、化学方式一样的去除加工、约束成形、生长成形、复制加工等生物方式制造，其技术包括生物方式制造工艺、生物方式制品、生物方式制造设备等。一.概念二.发展1日本三重大学和冈山大学率先开展了生物技术用于工程材料加工的研究，并初

2、步证实了微生物加工金属材料的可行性。目前已将快速成形制造技术人工骨研究相结合，为颅骨、颚骨等骨骼的人工修复和康复医学提供了很好的技术手段。3我国在2003年3月和2004年7月，先后两次召开了全国生物制造工程学术研讨会，专家们探讨的主要问题有：生物制造工程的定义、内涵及意义；生物医学工程与生物制造的联系；生物制造的研究特点、方向及方法；生物制造的应用领域。我国于1982年将生物技术列为八大重点技术之一。生物学科与制造学科这两个原来人们觉得毫不相干的学科，今天正在相互渗透、相互交叉，正在形成一个新的学科生物制造系统2具体体现123打破传统物理化学方式制造的界限，实现了自然物质制造产品的能力；打破

3、生命体与非生命体的界限，实现生物体与机械结构的融合与交叉应用；打破制造工艺与装备形式的界限，实现生物制造工艺与机械制造工艺的交叉。三.特点生物制造技术应用各种生物制造方法，可以快速制造复杂的表面结构，从加工能力、加工效率、加工成本以及产品功能等不同角度解决常规微纳制造的“瓶颈性” 制造难题。四.与传统加工对比五.具体内容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

4、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生物制造是建立在分形理论、分布式制造、自组织生长、生长型制造等原理上的一种新的加工成形方式，其基础是制造科学、生命科学、材料科学和信息技术1 仿生制造 1生物活性组织的工程化制造：将组织工程材料与快速成形制造结合，采用生物相容性和生物可降解性材料，制造生长单元的框架，在生长单元内部注入生长因子，使各生长单元并行生长，以解决与人体的相容性与个体的适配性，以及快速生成的需求，实现人体器官的人工制造。2类生物智能体的制造：利用可以通过控制含水量来控制伸缩的高分

5、子材料，能够制成人工肌肉。类生物智能体的最高发展是依靠生物分子的生物化学作用，制造类人脑的生物计算机芯片，即生物存储体和逻辑装置。 （1） 生物组织和结构的仿生 1 仿生制造 （2）生物遗传制造 依靠生物DNA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，并根据生成物的各种特征，采用人工控制生长单元体内的遗传信息为手段，直接生长出任何人类所需要的产品，如人或动物的骨骼、器官、肢体，以及生物材料结构的机器零部件等。 1 仿生制造 01020304人工神经网络遗传算法仿生测量研究面向生物工程的微操作系统原理（3）生物控制的仿生 应用生物控

6、制原理来计算、分析和控制制造过程，例如:05设计与制造基础2 生物成型制造 （1）生物去除成形 找到“吃”某些工程材料的菌种，实现生物去除成形。例如：氧化亚铁硫杆菌T9菌株是中温、好氧、嗜酸、专性无机化能自氧菌，其主要生物特性是将亚铁离子氧化成高铁离子以及将其他低价无机硫化物氧化成硫酸和硫酸盐。加工时，可掩膜控制去除区域利用，利用细菌刻蚀达到成形的目的。 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）生物加工过程用途123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、磁性功能材料等。去除蜂窝结构表面，构

7、造微孔过滤膜、光学衍射孔等2 生物成型制造 复制或金属化不同标准几何外形与亚结构的菌体，再经排序或微操作，实现生物约束成形。目前已发现的微生物中大部分细菌直径只有1m左右，菌体有各种各样的标准几何外形，这些菌体的金属化将会有以下用途：2 生物成型制造 （3）生物生长成形通过控制基因的遗传形状特征和遗传生理特征，生长出所需的外形和生理功能，实现生物生长成形。生物体和生物分子具有繁殖、代谢、生长、遗传、重组等特点，可以利用生长出所需外形和生理功能的人工器官，用于延长人类生命或构造生物型微机电系统。 六.主要涉及的方向3材料学研究生物制造中加工的对象是各类生物材料4微粒喷射沉积的研究以包含活体细胞的

8、“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。举例来说：l 细胞定向分化中关键基因的发现；l 细胞定向分化外部环境的设置；l 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；l 细胞外基质的形成、功能及控制；l 细胞及细胞簇的性状保持及其环境控制等。1生物学研究必然涉及许多与活的细胞有关的基础性问题生物制造涉及的优化设计与建模问题有：l 人体器官建模理论及方法学；l 生物建模的处理及数据传输的研究以及相应的软件开发；l 人体组织及器官解剖学数据的压缩、处理与重构；l 生长成形和生物制造中的数据结构和数据通道；l 基于分形理论的几何建模、材料建模和功

9、能建模的系统优化；l 基于复合材料元胞法的生物制造和生长成形过程模拟等。2生物建模研究生物建模的理论也是很重要的部分六.主要涉及的方向所涉及的材料学问题具体的有：l 人工骨、人工软骨、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；l 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；l 快速成形工艺对材料的生物学性能和力学性能的影响；l 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；l 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；l 生物降解材料对以BMP为主的生长因

10、子的活性保护和控制释放等。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。六.主要涉及的方向具体的有：l 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；l 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；l 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。4微粒喷射沉积的研究123在机器人、微机电系统、微型武器方面，将更多

11、地应用生物动力、生物感知、生物智能，使机器人越来越像人或动物。在纳米技术方面，实现纳米尺度上裁剪或连接DNA双螺旋，改造生命特征;实现各种蛋白质分子和酶分子的组装，构造纳米人工生物膜，实现跨膜物质选择运输和电子传递。在医疗方面，三维生物组织培养技术不断突破，人体各种器官将能得到复制，会大大延长人类的生命。七.前景4在生物加工方面，通过生物方法制造纳米颗粒、纳米功能涂层、纳米微管、功能材料、微器件、微动力、微传感器、微系统等。生物制造工程未来主要研究方向010203生物活性组织和器官的工程化制造仿生制造生物芯片的制造利用制造技术，制造出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

12、官的生长速度，形成生物活体组织的工程化制造技术。u 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；u 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；u 三维支架的力学性能和生物性能u 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；u 组织和器官培养生物与力学环境的仿真；u 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。生物制造工程未来主要研究方向0203仿生制造生物芯片的制造生物芯片是以生物特性为基础的机电一体化产品。其设计与制造技术直接决定了其工作性能，其制造技术是其中关键问题。该方向研究芯片拓扑结构与功能关系、生物材料与结构的匹配性、生物芯片的植入结构与方法、微结构设计与制造工艺等问题。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