生物制造技术

1、生物制造技术 概述先进制造技术论坛姜力埔08102100232霍明明08102100220岳龙洋08102100224张航军08102100207前言 在1920世纪，人类的化学工业文明取得了辉煌成就，其主要特征是以化石资源为物质基础。化石资源是储量有限的不可再生资源，正走向衰竭。据估计，可开采石油储量仅可供人类使用约50年，天然气约75年，煤炭200300年。进入21世纪，面临化石资源不断枯竭、环境污染日益加剧的严重局面，转向以可再生生物资源为原料，可再生生物能源为能源，环境友好、过程高效的新一代物质加工模式是必然趋势，这种加工模式的核心技术就是工业生物技术(Industrial biote

2、chnology)。 1生物制造技术生物制造技术2生物制造技术的发展生物制造技术的发展3仿生制造技术仿生制造技术4生物制造与生物加工制造技术生物制造与生物加工制造技术(一一)生物制造技术生物制造技术 （1）概念概念 生物制造技术是将生命科学、材料科学以及生物技术融入制造学科中，由微纳制造技术和生命科学交叉而产生的一门新兴学科。 它是指运用现代制造科学和生命科学的原理和方法，通过细胞或微生物的受控三维加工和组装、制造新材料、器件及生物系统。5Copyright 2012 Andy Guo. All rights reserved。 http:/ 广义广义的生物制造。包括仿生制造、生物质和生物体制

3、造，凡涉及生物学和医学的制造科学和技术均可视为生物制造，用BM（bio-manufacturing）表示。狭义狭义的生物制造主要是指生物体制造（organism manufacturing,OM），它是指运用现代制造科学和生命科学的原理与方法，通过单个细胞或细胞团的直接或简介受控组装，完成具有新陈代谢特征的生命体成形和制造。 生物制造技术的应用生物制造技术的应用生活中的生物制造技术 胰岛素、人体生长激素胰岛素、人体生长激素艾滋病、癌症、硬化症艾滋病、癌症、硬化症缓解环境问题缓解环境问题增加全球食品供应增加全球食品供应工程微生物工程微生物可降解塑料、杀虫剂可降解塑料、杀虫剂7Copyright

4、2012 Andy Guo. All rights reserved。 http:/ （2）生物制造技术和生物工程生物制造技术和生物工程l 生物制造技术、生物工程、和医学工程三个领域有明显重叠。l 生物工程可以定义为使用工程分析工具来设计制造装置以改善或增强人体，如人造膝关节、心脏瓣膜、组织工程支架等。生物制造工程（Bil-technology for Manufacturng）是近年来制造技术发展的新方向,美国在2020年制造技术的挑战中将其列为11个主要方向之一 其研究主要包含利用生物的机能进行制造（基因复制、生物去除或生物生长）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

5、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他山之石（二）生物制造技术的发展（二）生物制造技术的发展1进化、遗传、生物化学2人工器官的生物制造3人工骨和视网膜的生物制造里程碑生物制造技术已经成为世界各经济强国的战略重点，工业生物技术正在育成一场新的产业革命随着人类生命的延长和对生活健康品质的个性化需求，制造业正在从以满足人类对交通和能源的需求向满足人类对生命健康的需求拓展，人工关节、人工肝脏等的成功正是其中的典型代表。但是不可否认，人工关节等产品仍然存在着不可解决的缺陷，人类期待着制造出人造组织甚至人造器官，用以替换受损组织或器官.（1）定制化人工假体 人体骨骼是维持人类身体

6、结构与运动的物质基础，一旦发生大面积的缺失，例如由于肿瘤或车祸等造成的截肢或颜面部的缺陷等，如果没有相应的骨骼替代物进行补充修复，会造成畸形甚至残疾。1. 颜面部骨骼替代物 2.髋膝关节 3.人工椎体与脊柱侧弯矫正例如（2）组织工程化人工肝脏 组织工程化人工肝脏通过人为地将肝细胞培养出具有一定器官功能的组织，从而替代肝脏供体植入体内，维持肝脏功能。该技术也为以透析为主的人工肝技术发展提供新的手段。（3）活性人工骨与关节 以金属、陶瓷、聚乙烯为材料的人工关节假体被植入人体后，将出现不可克服的松动等问题，开发人造组织，即具有生物活性的人工骨与关节是人工关节的发展趋势，也是制造技术与生物医学的交叉研

7、究方向。 随着活性人工骨性能的稳定，结合定制化关节假体技术，设计并完成了金属/陶瓷复合结构人工关节，目前已经被应用于临床治疗青少年保肢手术。（三）仿生制造技术（三）仿生制造技术 仿生机械是模仿生物的形态、结构和控制原理而设计制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械。 仿生机械学研究的主要领域有生物力学、控制体和机器人。目前的仿生制造技术大多还处于仿生机械的水平。Chapter 3（1 1）仿生制造的概念）仿生制造的概念仿生机械的一些例子 还有？比如壁虎、蜘蛛的干黏附作用原理是基于范德华力比如壁虎、蜘蛛的干黏附作用原理是基于范德华力(Vander Waals force)且要求动物柔顺结

8、构与被黏附表面之间存在大面积的紧密接且要求动物柔顺结构与被黏附表面之间存在大面积的紧密接触。范德华力是存在于分子之间一种吸引力，它比化学键弱得多。触。范德华力是存在于分子之间一种吸引力，它比化学键弱得多。壁虎的黏附结构是有方向的，只有的那个某一特定方向牵引时才壁虎的黏附结构是有方向的，只有的那个某一特定方向牵引时才能才能黏附住，故它们的黏附力与该方向的切向力成正比，这一能才能黏附住，故它们的黏附力与该方向的切向力成正比，这一特征使得壁虎的黏附力是可控的特征使得壁虎的黏附力是可控的。（2）壁虎的秘密）壁虎的秘密18Copyright 2012 Andy Guo. All rights reser

9、ved。 http:/ 经过经过35亿年进化的生物世界是技术创新不可替代、取之不竭的知识宝库亿年进化的生物世界是技术创新不可替代、取之不竭的知识宝库和学习源泉。仿生科学有无止境的前沿，正向着微观、系统、智能、精细、和学习源泉。仿生科学有无止境的前沿，正向着微观、系统、智能、精细、洁净方向发展。洁净方向发展。 人类进化只有人类进化只有500万年的历史，而生命进化已经历了万年的历史，而生命进化已经历了35亿年亿年的历史。模仿人的创造固然重要，模仿自然更有无限的潜力和机会！更有可的历史。模仿人的创造固然重要，模仿自然更有无限的潜力和机会！更有可能提升原始创新的能力！能提升原始创新的能力！ （3 3）

10、仿生技术的重要性仿生技术的重要性19（四）生物制造与生物加工制造技术（四）生物制造与生物加工制造技术（1）生物反应处理制造生物反应器生物反应器 生物反应器（bioreactor)是一个能产生生物反应的容器。例如：发酵在生物反应器中进行，它是一个生长微生物的过程，在培育基上，提供有机体所需的“食物”如碳和氮，微生物即可成长起来。后处理工艺后处理工艺 生物反应器的相态是生物工艺的核心。产品回收与浓缩的工艺方法包括过滤、结晶化、干燥技术，当然还有包装运输等。21（2）生物加工制造技术 1）生物去除成形 例如，采用氧化亚铁硫杆菌T-9菌株，去除纯铜、纯铁等材料。用掩膜控制去除区域，实现生物去除成形。其

11、工艺特点：侧向钻蚀量是化学加工的一半；加工过程反应物和生成物通过氧化亚铁硫杆菌的生理代谢过程达到平衡；可通过不同微生物的材料选择性加工不同的材料；生物刻蚀速度取决于细菌浓度和材料性质。22生物约束成形生物约束成形请在此处输入可选副标题23Copyright 2012 Andy Guo. All rights reserved。 http:/ （3）活体制造）活体制造l 人体组织器官（即活体）的缺损或功能障碍是人类健康所面临的主要危害之一，也是引起生病、死亡的最主要原因l 目前的临床上的组织修复途径大致有三种：自体组织移植、异体组织移植和应用人工代用品1）概念活体制造的两大难题活体制造的两大难题： 细胞与支架的培养与制造 利用组织工程学方法，可通过种子细胞培养和生物材料的研制在体外利用组织工程学方法，可通过种子细胞培养和生物材料的研制在体外构建一个有生物活性的种植体，并植入