生物制造課件

生物制造

中國農業(yè)大學12023/10/5生物制造的發(fā)展生物制造系統(tǒng)的形成生物制造的發(fā)展前景生物制造的概念與內容生物制造的概念生物制造的內容3.生物制造工程的研究方向生物制造的應用案例生物計算機2.可使盲人重見光明的“眼睛芯片”3.個性化人造器官生物制造中國農業(yè)大學12023/7/31生物制造的發(fā)展2023/10/5生物制造的發(fā)展1.生物制造系統(tǒng)的形成2.生物制造的發(fā)展前景2023/7/31生物制造的發(fā)展1.生物制造系統(tǒng)的形成日本三重大學和岡山大學率先開展了生物技術用于工程材料加工的研究，并初步證實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與人工骨研究相結合，為顱骨、顎骨等骨骼的人工修復和康復醫(yī)學提供了很好的技術手段。我國于1982年將生物技術列為八大重點技術之一。生物學科與制造學科這兩個原來人們覺得毫不相干的學科，今天正在相互滲透、相互交叉，正在形成一個新的學科——生物制造系統(tǒng)（BiologicalManufacturingSystem，BMS）。21世紀，我國先后召開幾次全國生物制造工程學術研討會，專家們探討的主要問題有：①生物制造工程的定義、內涵及意義；②生物醫(yī)學工程與生物制造的聯(lián)系；③生物制造的研究特點、方向及方法；④生物制造的應用領域。

1.生物制造系統(tǒng)的形成生物制造的發(fā)展中國農業(yè)大學32023/10/5日本三重大學和岡山大學率先開展了生物技術用于工程材料加工的研

在機器人、微機電系統(tǒng)、微型武器方面，將更多地應用生物動力、生物感知、生物智能，使機器人越來越像人或動物。

在納米技術方面，實現(xiàn)納米尺度上裁剪或連接DNA雙螺旋，改造生命特征;實現(xiàn)各種蛋白質分子和酶分子的組裝，構造納米人工生物膜，實現(xiàn)跨膜物質選擇運輸和電子傳遞。在醫(yī)療方面，三維生物組織培養(yǎng)技術不斷突破，人體各種器官將能得到復制，會大大延長人類的生命。

在生物加工方面，通過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、微動力、微傳感器、微系統(tǒng)等。2.生物制造的發(fā)展前景

生物制造的發(fā)展中國農業(yè)大學42023/10/5在機器人、微機電系統(tǒng)、微型武器方面，將更多地應用生物動力、生物制造的概念與內容1.生物制造的概念2.生物制造的內容3.生物制造工程的研究方向2023/10/5生物制造的概念與內容1.生物制造的概念2023/7/311.生物制造的概念生物制造？（清華大學顏永年教授）通過制造科學與生命科學相結合，在微滴、細胞和分子尺度的科學層次上，通過受控組裝完成器官、組織和仿生產品的制造之科學和技術總稱。

生物制造的概念與內容中國農業(yè)大學62023/10/51.生物制造的概念生物制造？（清華大學顏永年教授）生物制造2.生物制造的內容

生物制造工程的體系結構生長型制造原理自組織生長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構的仿生生物遺傳制造生物控制的仿生⑵生物成形制造⑶其他方法產品制造科學生命科學材料科學信息技術制造原理生物制造技術生物制造的基礎生物制造的概念與內容中國農業(yè)大學72023/10/52.生物制造的內容生物制造工程的體系結構生長型制造原理自

目前生物制造工程的研究方向是如何把制造科學、生命科學、計算機技術、信息技術、材料科學各領域的最新成果組合起來，使其彼此溝通起來用于制造業(yè)，是生物制造工程的主要任務。歸納下來，目前有如下兩方面6個研究方向：（1）仿生制造生物組織和結構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生物制造的概念與內容

（2）生物成形制造

生物去除成形生物約束成形生物生長成形中國農業(yè)大學82023/10/5目前生物制造工程的研究方向是如何把制造科學、生命科學生物活性組織的工程化制造和類生物智能體的制造。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合，采用生物相容性和生物可降解性材料，制造生長單元的框架，在生長單元內部注入生長因子，使各生長單元并行生長，以解決與人體的相容性與個體的適配性，以及快速生成的需求，實現(xiàn)人體器官的人工制造。②類生物智能體的制造：利用可以通過控制含水量來控制伸縮的高分子材料，能夠制成人工肌肉。類生物智能體的最高發(fā)展是依靠生物分子的生物化學作用，制造類人腦的生物計算機芯片，即生物存儲體和邏輯裝置。

1）生物組織和結構的仿生生物制造的概念與內容

中國農業(yè)大學92023/10/5生物活性組織的工程化制造和類生物智能體的制造。如：1）生物組

依靠生物DNA的自我復制，利用轉基因實現(xiàn)一定幾何形狀、各幾何形狀位置不同的物理力學性能、生物材料和非生物材料的有機結合，并根據(jù)生成物的各種特征，采用人工控制生長單元體內的遺傳信息為手段，直接生長出任何人類所需要的產品，如人或動物的骨骼、器官、肢體，以及生物材料結構的機器零部件等。2）生物遺傳制造

生物制造的概念與內容

中國農業(yè)大學102023/10/5依靠生物DNA的自我復制，利用轉基因實現(xiàn)一定幾何形狀應用生物控制原理來計算、分析和控制制造過程。例如:人工神經網絡遺傳算法仿生測量研究面向生物工程的微操作系統(tǒng)原理設計與制造基礎3）生物控制的仿生

生物制造的概念與內容

中國農業(yè)大學112023/10/5應用生物控制原理來計算、分析和控制制造過程。例如:3）生物控THANKYOUSUCCESS2023/10/512可編輯THANKYOUSUCCESS2023/7/311

生物去除成形（BioremovingForming）

生物約束成形（BiolimitedForming）

生物生長成形（BiogrowingForming）

（2）生物成形制造

生物制造的概念與內容

中國農業(yè)大學132023/10/5（2）生物成形制造生物制造的概念與內容中國農業(yè)大學13例：氧化亞鐵硫桿菌T—9菌株是中溫、好氧、嗜酸、專性無機化能自氧菌，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無機硫化物氧化成硫酸和硫酸鹽。加工時，可掩膜控制去除區(qū)域利用，利用細菌刻蝕達到成形的目的。

1）生物去除成形

a）b）生物去除成形實驗過程a）光刻工藝過程b）生物加工過程光繪底片貼抗蝕劑膜紫外線曝光顯影為試件金屬試件生物加工過程生物加工后試件去抗蝕劑膜生物制造的概念與內容

中國農業(yè)大學142023/10/5例：1）生物去除成形a）2）生物約束成形

目前已發(fā)現(xiàn)的微生物中大部分細菌直徑只有1μm左右，菌體有各種各樣的標準幾何外形，用現(xiàn)在加工手段很難加工除這么小的標準三維形狀。這些菌體的金屬化將會有以下用途：

構造微管道，微電極、微導線菌體排序與固定，構造蜂窩結構、復合材料、多孔材料、磁性功能材料等。去除蜂窩結構表面，構造微孔過濾膜、光學衍射孔等。生物制造的概念與內容

中國農業(yè)大學152023/10/52）生物約束成形目前已發(fā)現(xiàn)的微生物中大部分細菌直徑只

生物體和生物分子具有繁殖、代謝、生長、遺傳、重組等特點。未來將現(xiàn)實人工控制細胞團的生長外形和生理功能的生物生長成形技術。可以利用生物生長技術控制基因的遺傳形狀特征和遺傳生理特征，生長出所需外形和生理功能的人工器官，用于延長人類生命或構造生物型微機電系統(tǒng)。3）生物生長成形生物制造的概念與內容

中國農業(yè)大學162023/10/5生物體和生物分子具有繁殖、代謝、生長、遺傳、重組等特點。生物制造的應用案例

1.生物計算機2.可使盲人重見光明的“眼睛芯片”3.個性化人造器官2023/10/5生物制造的應用案例

1.生物計算機2023/7/31

大規(guī)模集成電路（計算機核心元件）材料為硅。提高了集成度，引起難于解決的散熱問題。生物芯片可以解決類似問題，有以下生物材料：

(1)細胞色素C

它具有氧化和還原的兩種狀態(tài)，其導電率相差1000倍。這兩種狀態(tài)的轉換可通過適當方式加上或撤去1.5伏電壓來實現(xiàn)，它可作為記憶元件。

(2)細菌視紫紅質它是一種光驅動開關的原型。由光輻射啟動的質子泵在膜兩邊形成的電位，經離子靈敏場效應放大后，可給出較好的開關信號。

(3)DNA分子它以核苷酸堿基編碼方式存儲遺傳信息，是一種存儲器的分子模型。

(4)采用導電聚合物如聚乙炔與聚硫氮化物制作分子導線它們傳遞信息速度與電子導電情況無多大差別，但能耗極低。1.生物計算機生物制造的應用案例

中國農業(yè)大學182023/10/5大規(guī)模集成電路（計算機核心元件）材料為硅。提高了集成度，2.可使盲人重見光明的“眼睛芯片”

可使盲人重見光明的“眼睛芯片”是由一個無線錄像裝置和一個激光驅動的、固定在視網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成的圖像信號則刺激視網膜神經細胞，使圖像信號通過視神經傳送到大腦，這樣盲人就可以見到這些圖像。生物制造的應用案例中國農業(yè)大學192023/10/52.可使盲人重見光明的“眼睛芯片”可使盲人重見光明的

據(jù)統(tǒng)計，僅在美國每年有數(shù)百萬的患者患有各種組織、器官的喪失或功能障礙，每年需要進行800萬次手術，年耗資400億美元。我國目前有大約150萬尿毒癥患者，每年卻僅能做3000例腎臟移植手術；有400萬白血病患者在等待骨髓移植，而全國骨髓庫的資料才3萬份。

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，成活率很低的問題。

生物制造的應用案例3.個性化人造器官中國農業(yè)大學202023/10/5據(jù)統(tǒng)計，僅在美國每年有數(shù)百萬的患者患有各種組織、器官的喪(1)個性化人造器官的構想生物醫(yī)學專家希望用人工培養(yǎng)的辦法培養(yǎng)出人體需要的正常組織。在將來，醫(yī)院就能像工廠生產零部件一樣，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。而且可以結合先進的電腦技術，為每一個患者提供與他原器官特別相似的人造器官。簡單地說，個性化人造器官就是利用患者自身的局部