生物制造技术(未完成版)

1、生工1402生物制造技术生物制造技术制作人：王敬文，孙亚武，杨泽林，贾雨辰主讲人：熊加松定义 主要指生物体制造，是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，完成用以修复或替代人体病损组织，器官和仿生产品的制造。狭义包括仿生制造、生物质和生物体制造，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。广义生物制造是指以生物体机能进行大规模物质加工与物质转化、为社会发展提供工业商品的新行业，是以微生物细胞或以酶蛋白为催化剂进行化学品合成、或以生物质为原料转化

2、合成能源化学品与材料，促使能源与化学品脱离石油化学工业路线的新模式。它以生命科学的最新发展为基础，以设计和改造生物体为核心，通过生物技术与制造技术的结合，以先进、高效、环境友好的方式规模化生产人类所需的能源与化学品。工业生物制造是生物经济发展的重要组成部工业生物制造是生物经济发展的重要组成部分分生物制造在经济发展中的战略地位l生物制造产业是生物产业重点行业之一，是关系国计民生的重要产业，已经渗透到几乎所有的工 业领域，在国民经济、社会发展和提供就业机会等方 面具有举足轻重的地位l同时，生物制造对于传统生产工艺进行绿色化学技 术改造，提升产品档次，建立清洁生产工艺，推动优 质、高效、环保等大宗产

3、品的发展，实现资源再利用， 转变高碳经济发展模式，从产业链的各个环节寻求 节能途径，具有重要的现实意义，是实现低碳经济目 标、促进经济可持续发展的有效途径 生物制造工程历史l早在1995年 , 生物制造的概念就被提出了l21世纪制造业挑战展望委员会”主席JBollinger博士于1998年提出了生物制造的概念。l中国学者也于2000年提到了生物制造。可见生物制造的概念早已备受关注。然而，由于概念的定义和内涵不够清晰，对于制造业的发展没有起到太多的指导作用。l真正意义上的生物制造工程的概念是随着制造业尤其是快速原型技术在生物医学中应用的日渐深入，而逐渐明确起来。前景 作为学科交叉的细胞簇的三维受

4、控组装技术已成为目前十分有希望的 内脏人工制造技术之一 , 如种类繁多的不同类型细胞的精确三 维排布 (输运 、 控制、连接和发育问题) ; 不同基因组在不同时间 、不同位置表达的诱导 问题等。这些间题在相当程度上涉及生命的形成和进化的本质 。预计到 2020年 ,随着生命科学与制造科学交叉发展 , 人工制造人体全功能内脏器官机理将能阐明。 根据人们的意愿创造出更多新生命体 生物制造与传统制造的区别就在于生物制造处理的对象不仅是具有生物活性、生物相容性的材料，而且还包括了具有特定生命力的细胞或组织材料复合体，这 其中涉及的科学问题除了基本的制造问题外还有更多材料 细胞单元的受控组装机理、条件和

5、功能实现等。生物制造经济社会发展的助力车 当前，我国处于工业化进程加速时期，面临着严峻的资源与环境压力，迫切需要推进温室气体减排，构建资源节约型和环境友好型社会 生物制造技术的进步，将有利于我国传统化工、医药等行业摆脱能耗高、物耗高、污染严重等困境，实现相关制造产业的 跨越式发展 生物制造产业立足于中国特色创新发 展，将成为拉动中国经济腾飞的重要引擎 抓住生物科技发展的机遇，把生物制造业作为重点战略性新兴产业加快发展，对缓解经济发展瓶颈制约，实现节能减排、低碳经济发展的目标具有重大战略意义生物制造技术人工器官制造的研究及应用8生物制造技术人工器官的种类 机械性人造器官是完全用没有生物活性的高分

6、子材料仿造一个器官，并借助电池作为器官的动力。目前，日本科学家已利用纳米技术研制出人造皮肤和血管。 半机械性半生物性人造器官将电子技术与生物技术结合起来。在德国，已经有8位肝功能衰竭的患者接受了人造肝脏的移植，这种人造肝脏将人体活组织、人造组织、芯片和微型马达奇妙地组合在一起。预计在今后十年内，这种仿生器官将得到广泛应用。 生物性人造器官则是利用动物身上的细胞或组织，“制造”出一些具有生物活性的器官或组织。生物性人造器官又分为异体人造器官和自体人造器官。比如，在猪、老鼠、狗等身上培育人体器官的试验已经获得成功；而自体人造器官是利用患者自身的细胞或组织来培育人体器官。生物制造技术1.1 生物制造

7、流程10 医用CT机扫描获取数据 CT数据预处理获取有用数据 CAD几何模型的建立 内部微细结构仿生建模 后处理技术和材料准备 快速成形技术生成实体模型 生物生长因子植入及其培养 具有生物活性的器官或组织生物制造技术1.2 数据模型的建立 它通过CAD系统的网格划分功能,将实体划分成许多子区域材料四面体单元,四面体单元内每一点的材料组成与子区域的各顶点的材料组成以及Bernstein多项式函数有关,而四面体单元顶点的材料组成是到模型边框的距离的函数。11生物制造技术1.3 细胞打印技术细胞,器官打印的概念首先由美国南卡罗来纳大学的研究者提出，Organovo公司在世界上首次开发出了商业化的细胞

8、,器官打印设备 ，并成功用于人工活性血管的打印成形，目前该公司正利用该技术进行复杂器官的立体成形研究国内清华大学采用微滴喷射工艺，将肝脏细胞与生物基质材料( 壳聚糖、明胶等) 混合物进行三维受控组装，形成具有简单结构的肝细胞L水凝胶复合体12生物制造技术1.4 生物材料的来源动物细胞体外培养形成的细胞株干细胞定向诱导分化形成的细胞组织细胞与凝胶类物质等复合而成的微滴单元13生物制造技术 生物材料的研究与开发对国民经济和社会的发展具有极其重要的意义,生物材料具有很高的附加值,每公斤达1200150000美元,而同期建筑材料仅为0.11.2美元,宇航材料也仅1001200美元14生物制造技术2.1

9、 器官芯片什么是器官芯片器官芯片应用实例器官芯片发展前景15生物制造技术2.11 什么是器官芯片动物实验在现代医学与生物学中占据了极为重要的位置，但是经费以及动物伦理也成了难以回避的问题。哈佛大学韦斯研究所的生物工程师们试图减少甚至取代昂贵而耗时的动物实验他们结合电子技术与生物科学技术，创造出了一种“器官芯片”，希望能够用微芯片复制人体器官的功能，使医学实验变得更为简便。16生物制造技术2.12 器官芯片应用实例 美国哈佛大学 WYSS研究所的 Ingher 课题组通过模拟自然肺的微观结构与作用机理，成功开发出了人工肺芯片( lung-on-a-chip) ，并通过实验证明了该芯片可对肺炎及肺

10、感染等疾病产生相应的生理反应，也验证了采用该芯片进行新药毒性检测的可行性17生物制造技术2.13 器官芯片发展前景 这些芯片的制作与最近兴起的“芯片实验室”（LoC）技术息息相关，结合了微流体技术和硅芯片技术，大大加速了生物系统的分析过程。 在药物测试方面，“器官芯片”的优点显而易见：他们可以极高程度地模拟真正的人体测试，同时透明的芯片能让观测变得非常容易。 更重要的是，这些“器官芯片”可以帮助人们更好地了解和处理疾病。很多种人类疾病是没有动物模型可供测试的。 如果我们能够完美模拟内脏的运作，那么是不是可以将这些芯片植入人体来增强甚至替代现有器官呢？又或者，未来的某一天我们可以将一大堆“器官芯

11、片”组装到一起，创造出一个完整“人体芯片”？18http:/ 单细胞硅藻, 广泛分布于地球的江河湖海等水域, 繁殖速度快(呈指数生长)其细胞壁为透明的氧化硅外壳这种壳体结构机械强度良好, 形体丰富, 具有多级微纳米孔隙和微结构、巨大比较面积和多种光学特性, 是生物制造的新素材利用生物制造方法加工硅藻壳体并实现功能可控, 其中的理论与制造问题亟待研究. 硅藻的特性与硅藻壳体结构生物制造技术1.1硅藻土 硅藻土质轻 、多孔 、相对密度小 ，纯净干燥的硅藻土相对密度仅为 0.4-0.9g/cm3 孔径分布范围大，空隙率高 ，吸附液体的能力强 能吸附自身质量的1.5 -4倍的液体 对声 、热、 电的传

12、导性能都极差 所以具有强吸附、 隔音隔热 、漂白及高熔点 （1600-1750）的特性，其化学稳定性高 ，除溶于氢氟酸外不溶于任何强酸，易溶于碱 2.1 硅藻壳体的微器件应用潜力一些现有工业产品利用了壳体结构和固有功能, 如硅藻土建材因其优秀的孔容而具有保温、隔音、调湿作用; 硅藻土助滤剂可利用其微孔滤去水中杂质、细菌, 同时利用其表面电性和材质特性吸附去除金属离子、氟离子和染料基团.新开展的一类研究是将壳体用于染料敏化太阳能电池、锂电池电极、电致发光显示器件.提高了光子的捕获率, 因此需要的染料更少, 光电阳极厚度减小，减少制造成本, 而且缩减了染料和传导玻璃间的电子扩散距离, 从而提高了电

13、池效率.2.2 硅藻微纳结构的现状硅藻壳体作为一种新型功能材料受到各学科的广泛关注(生物、材料、微纳、化学、物理、机械、医学等), 在十余年期间, 其研究成果已初步应用于医学、微纳制造、光机电器件、半导体、计算机等学科行业, 获得了丰富的科技成果和一定的商业利益. Gordon 在专著 Diatom Nanotechnology: Special Issue 的序言中列举了硅藻纳米技术关注的七项热点问题, 其中许多研究与应用仍处在探索和发展阶段, 大多成果仍未走出实验室. 生物制造技术24疫苗的生物制造我国生物制药的发展史2011 年，首个拥有自主知识产权的小分子抗肿瘤药凯美纳（盐酸埃克替尼片

14、）成功上市，实现了中国新药创制零突破。2012 年4 月18 日中科院成都地奥制药集团有限公司研制生产的地奥心血康胶囊获准欧盟注册上市，实现了中国具有自主知识产权治疗性药品进入发达国家主流市场零的突破。2011 年3 月，中国疫苗监管体系通过了世界卫生组织（WHO）的评估。2012 年11 月，中国食品药品检定研究院生物制品检定所正式获得WHO 批准，成为WHO生物制品标准化和评价合作中心。细菌性疫苗的制备工艺1.菌种：弱毒菌种多系冻干品，使用前应按规程规定进行复壮、挑选，并做形态、特性、抗原性和免疫原性鉴定。将鉴定合格的菌种接种于规定的培养基按规定的条件增值培养，经检查合格者即可作为种子液。2.菌液培养：按1%3%量将种子液接种于培养基，然后依不同菌苗要求进行培养。3灭活：4.浓缩：以吸附沉降法和离心机沉降法等方法提高单位活菌数。5.配苗与冻干：经检验合格的菌液，按规定比例加入保护剂配苗，充分摇匀后随即进行分装并迅速送入冻干柜进