先进制造工艺技术-生物制造技术.ppt

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1之之先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统2222生物制造生物制造生物制造生物制造2.1生物制造的发展生物制造的发展2.2生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容2.3生物制造应用案例生物制造应用案例2之之先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统日日本本三三重重大大学学和和冈冈山山大大学学率率先先开开展展了了生生物物技技术术用用于于工工程程材材料料加工的研究，并初步证实了微生物加工金属材料的可行性。

加工的研究，并初步证实了微生物加工金属材料的可行性。

目目前前已已将将快快速速成成形形制制造造技技术术人人工工骨骨研研究究相相结结合合，为为颅颅骨骨、颚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。

骨等骨骼的人工修复和康复医学提供了很好的技术手段。

我我国国于于19821982年年将将生生物物技技术术列列为为八八大大重重点点技技术术之之一一。

生生物物学学科科与与制制造造学学科科这这两两个个原原来来人人们们觉觉得得毫毫不不相相干干的的学学科科，今今天天正正在在相相互互渗渗透透、相相互互交交叉叉，正正在在形形成成一一个个新新的的学学科科生生物物制制造造系系统统（BiologicalManufacturingSystemBiologicalManufacturingSystem，BMSBMS）。

）。

我我国国在在20032003年年33月月和和20042004年年77月月，先先后后两两次次召召开开了了全全国国生生物物制制造造工工程程学学术术研研讨讨会会，专专家家们们探探讨讨的的主主要要问问题题有有：

生生物物制制造造工工程程的的定定义义、内内涵涵及及意意义义；生生物物医医学学工工程程与与生生物物制制造造的的联联系系；生物制造的研究特点、方向及方法；生物制造的研究特点、方向及方法；生物制造的应用领域。

生物制造的应用领域。

1.1.生物制造系统正在形成生物制造系统正在形成2.1生物制造的发展生物制造的发展3之之先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统在在机机器器人人、微微机机电电系系统统、微微型型武武器器方方面面，将将更更多多地地应应用用生生物动力、生物感知、生物智能，使机器人越来越像人或动物。

物动力、生物感知、生物智能，使机器人越来越像人或动物。

在在纳纳米米技技术术方方面面，实实现现纳纳米米尺尺度度上上裁裁剪剪或或连连接接DNADNA双双螺螺旋旋，改改造造生生命命特特征征;实实现现各各种种蛋蛋白白质质分分子子和和酶酶分分子子的的组组装装，构构造造纳米人工生物膜，实现跨膜物质选择运输和电子传递。

纳米人工生物膜，实现跨膜物质选择运输和电子传递。

在在医医疗疗方方面面，三三维维生生物物组组织织培培养养技技术术不不断断突突破破，人人体体各各种种器官将能得到复制，会大大延长人类的生命。

器官将能得到复制，会大大延长人类的生命。

在在生生物物加加工工方方面面，通通过过生生物物方方法法制制造造纳纳米米颗颗粒粒、纳纳米米功功能能涂涂层层、纳纳米米微微管管、功功能能材材料料、微微器器件件、微微动动力力、微微传传感感器器、微系统等。

微系统等。

2.2.生物制造的发展前景生物制造的发展前景2.1生物制造的发展生物制造的发展4之之先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统1.生物制造的概念生物制造的概念清华大学颜永年教授等把清华大学颜永年教授等把生物制造定义生物制造定义为：

为：

通过制造科学与生命科学相结合，在细胞和分子尺度通过制造科学与生命科学相结合，在细胞和分子尺度的科学层次上，通过受控组装完成器官、组织和仿生产品的科学层次上，通过受控组装完成器官、组织和仿生产品的制造之科学和技术总称。

的制造之科学和技术总称。

2.22.2生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容5之之先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统2.2.生生物物制制造造的的内内容容生物制造工程的体系结构生物制造工程的体系结构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2.22.2生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容6之之先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统目目前前生生物物制制造造工工程程的的研研究究方方向向是是如如何何把把制制造造科科学学、生生命命科科学学、计计算算机机技技术术、信信息息技技术术、材材料料科科学学各各领领域域的的最最新新成成果果组组合合起起来来，使使其其彼彼此此沟沟通通起起来来用用于于制制造造业业，是是生生物物制制造造工工程程的主要任务。

归纳下来，目前有如下两方面的主要任务。

归纳下来，目前有如下两方面66个研究方向：

个研究方向：

（11）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3.3.生物制造工程的研究方向生物制造工程的研究方向2.2生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容（22）生物成形制造）生物成形制造生物去除成形生物去除成形生物约束成形生物约束成形生物生长成形生物生长成形7之之先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统包括包括生物活性组织的工程化制造生物活性组织的工程化制造和和类生物智能体的制造类生物智能体的制造。

例如：

例如：

生生物物活活性性组组织织的的工工程程化化制制造造：

将将组组织织工工程程材材料料与与快快速速成成形形制制造造结结合合，采采用用生生物物相相容容性性和和生生物物可可降降解解性性材材料料，制制造造生生长长单单元元的的框框架架，在在生生长长单单元元内内部部注注入入生生长长因因子子，使使各各生生长长单单元元并并行行生生长长，以以解解决决与与人人体体的的相相容容性性与与个个体体的的适适配配性性，以以及及快快速速生生成成的的需求，实现人体器官的人工制造。

需求，实现人体器官的人工制造。

类类生生物物智智能能体体的的制制造造：

利利用用可可以以通通过过控控制制含含水水量量来来控控制制伸伸缩缩的的高高分分子子材材料料，能能够够制制成成人人工工肌肌肉肉。

类类生生物物智智能能体体的的最最高高发发展展是是依依靠靠生生物物分分子子的的生生物化学作用，制造类人脑的生物计算机芯片，即生物存储体和逻辑装置。

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生物组织和结构的仿生2.2生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容8之之先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统随着随着DNADNA的内部结构和遗传机制的的内部结构和遗传机制的解密，借鉴基因技术的成果应用于制造解密，借鉴基因技术的成果应用于制造领域，依靠生物领域，依靠生物DNADNA的自我复制，如何的自我复制，如何利用转基因实现一定几何形状、各几何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，并根据生料和非生物材料的有机结合，并根据生成物的各种特征，成物的各种特征，采用人工控制生长单采用人工控制生长单元体内的遗传信息为手段元体内的遗传信息为手段，直接生长出，直接生长出任何人类所需要的产品，如人或动物的任何人类所需要的产品，如人或动物的骨骼、器官、肢体，以及生物材料结构骨骼、器官、肢体，以及生物材料结构的机器零部件等，将是这个方向的创新的机器零部件等，将是这个方向的创新及前沿问题。

及前沿问题。

2222）生物遗传制造生物遗传制造2.2生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容9之之先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统应应用用生生物物控控制制原原理理来来计计算算、分分析析和和控控制制制制造造过过程程。

例如例如人工神经网络人工神经网络遗传算法遗传算法仿生测量研究仿生测量研究面向生物工程的微操作系统原理面向生物工程的微操作系统原理设计与制造基础设计与制造基础33）生物控制的仿生）生物控制的仿生2.2生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容10之之先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统目目前前已已发发现现的的微微生生物物有有1010万万种种左左右右，尺尺度度绝绝大大部部分分为为微微/纳纳米米级级，具具有有不不同同的的标标准准几几何何外外形形与与亚亚结结构构、生生理理机机能能及及遗遗传传特特性性。

这这就就有有可可能能找找到到“吃吃”某某些些工工程程材材料料的的菌菌种种，实实现现生生物物去去除除成成形形（BioremovingBioremovingforming）forming）；复复制制或或金金属属化化不不同同标标准准几几何何外外形形与与亚亚结结构构的的菌菌体体，再再经经排排序序或或微微操操作作，实实现现生生物物约约束束成成形形（BiolimitedBiolimitedforming）forming）；甚甚至至通通过过控控制制基基因因的的遗遗传传形形状状特特征征和和遗遗传传生生理理特特征征，生生长长出出所所需需的的外外形形和生理功能，实现生物生长成形和生理功能，实现生物生长成形（BiogrowingBiogrowingforming）forming）。

生物去除成形生物去除成形（BioremovingForming）生物约束成形生物约束成形（BiolimitedForming）生物生长成形生物生长成形（BiogrowingForming）（22）生物成形制造）生物成形制造2.2生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容11之之先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统以以氧氧化化亚亚铁铁硫硫杆杆菌菌TT99菌菌株株去去除除纯纯铜铜、纯纯铁铁和和铜铜镍镍合合金金等等材材料料为为例例，说说明明生生物物去去形形的的原原理理。

氧氧化化亚亚铁铁硫硫杆杆菌菌TT99菌菌株株是是中中温温、好好氧氧、嗜嗜酸酸、专专性性无无机机化化能能自自氧氧菌菌，其其主主要要生生物物特特性性是是将将亚亚铁铁离离子子氧氧化化成成高高铁铁离离子子以以及及将将其其他他低低价价无无机机硫硫化化物物氧氧化化成成硫硫酸酸和和硫硫酸酸盐盐。

加加工工时时，可可掩掩膜膜控控制制去去除除区区域域利利用用，利用细菌刻蚀达到成形的目的。

利用细菌刻蚀达到成形的目的。

11）生物去除成形）生物去除成形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）生物加工过程光绘底片贴抗蚀剂膜紫外线曝光显影为试件金属试件生物加工过程生物加工后试件去抗蚀剂膜2.2生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容12之之先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统22）生物约束成形）生物约束成形目目前前已已发发现现的的微微生生物物中中大大部部分分细细菌菌直直径径只只有有1m1m左左右右，菌菌体体有有各各种种各各样样的的标标准准几几何何外外形形，用用现现在在加加工工手手段段很很难难加加工工除除这这么小的标准三维形状。

这些菌体的金属化将会有以下用途：

么小的标准三维形状。

这些菌体的金属化将会有以下用途：

构造微管道，微电极、微导线构造微管道，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、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。

磁性功能材料等。

去除蜂窝结构表面，构造微孔过滤膜、光学衍射孔等。

去除蜂窝结构表面，构造微孔过滤膜、光学衍射孔等。

2.2生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容13之之先进制造工艺技术先进制