1、中国农业大学12022-5-12生物制造的发展生物制造的发展1.1. 生物生物制造系统的制造系统的形成形成2.2. 生物制造的发展生物制造的发展前景前景生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容1.1. 生物制造的概念生物制造的概念2.2. 生物制造的内容生物制造的内容3. 3. 生物制造工程的研究方向生物制造工程的研究方向 生物生物制造的应用案例制造的应用案例1.1. 生物计算机生物计算机2.2.可可使盲人重见光明的使盲人重见光明的“眼睛芯片眼睛芯片” ” 3.3.个性化个性化人造器官人造器官2022-5-12生物制造的发展n1.生物制造系统的形成n2.生物制造的发展前景日本三重大学和冈山大学
2、率先开展了生物技术用于工程材料加工的研究，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，并初步证实了微生物加工金属材料的可行性。并初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目前已将快速成形制造技术与人工技术与人工骨研究相结合，为颅骨、颚骨等骨骼骨研究相结合，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。的人工修复和康复医学提供了很好的技术手段。我国于我国于19821982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，正这两个原来
3、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在形成一个新的学科生物制造系统（生物制造系统（Biological Manufacturing Biological Manufacturing SystemSystem，BMSBMS）。）。2121世纪，我国先后召开几次全国世纪，我国先后召开几次全国生物制造工程学术研讨会，专家们探讨生物制造工程学术研讨会，专家们探讨的主要问题有：的主要问题有：生物制造工程的定义、内涵及意义；生物制造工程的定义、内涵及意义；生物医学工程与生物医学工程与生物制造的联系；生物制造的联系；生物制造的研究特点、方向及方法；生物制造的研究特点、方向
4、及方法；生物制造的应生物制造的应用领域。用领域。 1. 生物制造系统的形成生物制造的发展生物制造的发展中国农业大学32022-5-12 在机器人、微机电系统、微型武器方面，将更多地应用生物在机器人、微机电系统、微型武器方面，将更多地应用生物动力、生物感知、生物智能，使机器人越来越像人或动物。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在纳米技术方面，实现纳米尺度上裁剪或连接DNADNA双螺旋，双螺旋，改造生命特征改造生命特征; ;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
5、和电子传递。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。官将能得到复制，会大大延长人类的生命。 在生物加工方面，通过生物方法制造纳米颗粒、纳米功能涂在生物加工方面，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、微系层、纳米微管、功能材料、微器件、微动力、微传感器、微系统等。统等。 2. 生物制造的发展前景生物制造的发展生物制造的发展中国农业大学42022-5-12生物制造的概念与内容n1. 生物制造的概念n2.
6、生物制造的内容n3. 生物制造工程的研究方向 2022-5-121. 生物制造的概念生物制造？（生物制造？（清华大学颜永年教授）清华大学颜永年教授） 通过制造科学与生命科学相结合，在微滴、通过制造科学与生命科学相结合，在微滴、细胞和分子尺度的科学层次上，通过受控组装细胞和分子尺度的科学层次上，通过受控组装完成器官、组织和仿生产品的制造之科学和技完成器官、组织和仿生产品的制造之科学和技术总称。术总称。 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容中国农业大学62022-5-122. 生物制造的内容 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
7、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生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容中国农业大学72022-5-12 目前生物制造工程的研究方向是如何把制造科学、生命科目前生物制造工程的研究方向是如何把制造科学、生命科学、计算机技术、信息技术、材料科学各领域的最新成果组合学、计算机技术
8、、信息技术、材料科学各领域的最新成果组合起来，使其彼此沟通起来用于制造业，是生物制造工程的主要起来，使其彼此沟通起来用于制造业，是生物制造工程的主要任务。归纳下来，目前有如下两方面任务。归纳下来，目前有如下两方面6 6个研究方向：个研究方向：（1 1）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. 生物制造工程的研究方向 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 （2 2）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 中国农业大学82022-5-12生物活性组
9、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。如：如：生物活性组织的工程化制造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。需求，实现人体器官的人工制造。类生物智能体的制造类生物智
10、能体的制造：利用可以通过控制含水量来控制伸缩：利用可以通过控制含水量来控制伸缩的高分子材料，能够制成人工肌肉。类生物智能体的最高发展的高分子材料，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。片，即生物存储体和逻辑装置。 1 1）生物组织和结构的仿生 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 中国农业大学92022-5-12 依靠依靠生物生物DNADNA的自我复制，利用转的自我复制，利用转基因实现一定几何形状、各几何形状位基因实现一定几何形状、各几何形状位置不同的物
11、理力学性能、生物材料和非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，并根据生成物的生物材料的有机结合，并根据生成物的各种特征，各种特征，采用人工控制生长单元体内采用人工控制生长单元体内的遗传信息为手段的遗传信息为手段，直接生长出任何人，直接生长出任何人类所需要的产品，如人或动物的骨骼、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器官、肢体，以及生物材料结构的机器零部件等。零部件等。 生物遗传制造 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 中国农业大学102022-5-12应用生物控制原理来计算、分析和控制制造过程。应用生物控制原理来计算、分析和控制制造过程。例
12、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3）生物控制的仿生 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 中国农业大学112022-5-12THANK YOUSUCCESS2022-5-12 生物去除成形生物去除成形 （BioremovingBioremoving Forming Forming） 生物约束成形生物约束成形 （BiolimitedBiolimited Forming Forming） 生物生长成形生物生长成形 （BiogrowingBiogrowing Formi
13、ng Forming） 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 中国农业大学132022-5-12例：例： 氧化亚铁硫杆菌氧化亚铁硫杆菌T9T9菌菌株是中温、好氧、嗜酸、株是中温、好氧、嗜酸、专性无机化能自氧菌，其专性无机化能自氧菌，其主要生物特性是将亚铁离主要生物特性是将亚铁离子氧化成高铁离子以及将子氧化成高铁离子以及将其他低价无机硫化物氧化其他低价无机硫化物氧化成硫酸和硫酸盐。加工时，成硫酸和硫酸盐。加工时，可掩膜控制去除区域利用，可掩膜控制去除区域利用，利用细菌刻蚀达到成形的利用细菌刻蚀达到成形的目的。目的。 a） b）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
14、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生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 中国农业大学142022-5-122）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目前已发现的微生物中大部分细菌直径只有1m1m左右，菌左右，菌体有各种各样的标准几何外形，用现在加工手段很难加工除这体有各种各样的标准几何外形，用现在加工手段很难加工除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
15、蜂窝结构、复合材料、多孔材料、磁性功能材菌体排序与固定，构造蜂窝结构、复合材料、多孔材料、磁性功能材料等。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。 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 中国农业大学152022-5-12 生物体和生物分子具有繁殖、代谢、生物体和生物分子具有繁殖、代谢、生长、遗传、重组等特点。生长、遗传、重组等特点。 未来将现实人工控制细胞团的生长未来将现实人工控制细胞团的生长外形和生理功能的生物生长成形技术。外形和生理功能的生物生长成形技术。可以利用生物生长技术控制基因的遗可以利用生物生长技术控制基因的遗传形
16、状特征和遗传生理特征，生长出传形状特征和遗传生理特征，生长出所需外形和生理功能的人工器官，用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于延长人类生命或构造生物型微机电系统。系统。 3）生物生长成形生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 中国农业大学162022-5-12生物制造的应用案例 n1. 生物计算机n2. 可使盲人重见光明的“眼睛芯片”n3. 个性化人造器官2022-5-12 大规模集成电路（计算机核心元件）材料为硅。提高了集成度，引起难于大规模集成电路（计算机核心元件）材料为硅。提高了集成度，引起难于解决的散热问题。生物芯片可以解决类似问题，有以下生物材料：解
17、决的散热问题。生物芯片可以解决类似问题，有以下生物材料： (1)(1)细胞色素细胞色素C C 它具有氧化和还原的两种状态，其导电率相差它具有氧化和还原的两种状态，其导电率相差10001000倍。倍。这两种状态的转换可通过适当方式加上或撤去这两种状态的转换可通过适当方式加上或撤去1.51.5伏电压来实现，它可作为伏电压来实现，它可作为记忆元件。记忆元件。 (2)(2)细菌视紫红质细菌视紫红质 它是一种光驱动开关的原型。由光辐射启动的质子泵它是一种光驱动开关的原型。由光辐射启动的质子泵在膜两边形成的电位，经离子灵敏场效应放大后，可给出较好的开关信号。在膜两边形成的电位，经离子灵敏场效应放大后，可给
18、出较好的开关信号。 (3)DNA(3)DNA分子分子 它以核苷酸碱基编码方式存储遗传信息，是一种存储器的它以核苷酸碱基编码方式存储遗传信息，是一种存储器的分子模型。分子模型。 (4)(4)采用导电聚合物如聚乙炔与聚硫氮化物制作分子导线采用导电聚合物如聚乙炔与聚硫氮化物制作分子导线 它们传递信息它们传递信息速度与电子导电情况无多大差别，但能耗极低。速度与电子导电情况无多大差别，但能耗极低。 1. 生物计算机生物制造的应用案例生物制造的应用案例 中国农业大学182022-5-122. 可使盲人重见光明的“眼睛芯片” 可可使盲人重见光明的使盲人重见光明的“眼睛芯片眼睛芯片”是是由一由一个无线录像装置
19、和一个激光驱动的、固定在个无线录像装置和一个激光驱动的、固定在视网膜上的微型电脑芯片组成。视网膜上的微型电脑芯片组成。 工作原理工作原理: :装在眼镜上的微型录像装置拍摄到图像，并装在眼镜上的微型录像装置拍摄到图像，并把图像进行数字化处理之后发送到电脑芯片，把图像进行数字化处理之后发送到电脑芯片，电脑芯片上的电极构成的图像信号则刺激视电脑芯片上的电极构成的图像信号则刺激视网膜神经细胞，使图像信号通过视神经传送网膜神经细胞，使图像信号通过视神经传送到大脑，这样盲人就可以见到这些图像。到大脑，这样盲人就可以见到这些图像。 生物制造的应用案例生物制造的应用案例中国农业大学192022-5-12 据统
20、计，仅在美国每年有数百万的患者患有各种组织、器官的丧失或功能障碍，每年需要进行800万次手术，年耗资400亿美元。我国目前有大约150万尿毒症患者，每年却仅能做3000例肾脏移植手术；有400万白血病患者在等待骨髓移植，而全国骨髓库的资料才3万份。 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，成活率很低的问题。 生物制造的应用案例生物制造的应用案例3. 个性化人造器官中国农业大学202022-5-12 生物医学专家希望用人工培养的办法培养出人体需要的正生物医学专家希望用人工培养的办法培养出人体需要的正常组织。在将来，医院就能常组织。在将来，医院就能像工厂生产零部件像工厂生产零部件
21、一样，根据患者一样，根据患者的缺失情况，需要什么培养什么，需要多少做多少，量体裁衣，的缺失情况，需要什么培养什么，需要多少做多少，量体裁衣，做好了安装上就能发挥作用。而且可以结合先进的电脑技术，做好了安装上就能发挥作用。而且可以结合先进的电脑技术，为每一个患者提供与他原器官特别相似的人造器官。简单地说，为每一个患者提供与他原器官特别相似的人造器官。简单地说，个性化人造器官就是利用患者自身的局部组织或细胞，再利用个性化人造器官就是利用患者自身的局部组织或细胞，再利用外来的一些高分子材料，在身体的相关部位外来的一些高分子材料，在身体的相关部位“长长”出一个最出一个最“贴己贴己”的器官的器官。生物制造的应用案例生物制造的应用案例3. 个性化人造器官中国农业大学212022-5-12THANK YOU2022-5-12沈阳工业大学22THANK YOUSUCCESS2022-5-12
