1、第八章第八章 生命科学成为技术创新的源泉生命科学成为技术创新的源泉第一节 生物技术 21世纪的高新科技与支柱产业第二节 生物材料第三节 仿生学第四节 生物传感器第五节 生物能源第六节 海洋生物工程第七节 发酵工程第一节第一节 生物技术生物技术 2121世纪的高新科技与支柱产业世纪的高新科技与支柱产业 生物技术：生物技术：应用自然科学及工程学的原理，应用自然科学及工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器将依靠微生物、动物、植物体作为反应器将物料进行加工以提供产品来为社会服务的物料进行加工以提供产品来为社会服务的技术。技术。生物技术发展历程DNA双螺旋模型的建立双螺旋模型的建立分子生物学时
2、代的来临分子生物学时代的来临 DNA重组技术 克隆技术 工程菌 Genetech公司第二节 生物材料在分析天然生物材料的组装、生物功能及形成机制的基础上，发展新型医用材料及仿生高性能工程材料 一、天然生物材料一、天然生物材料二、生物医用材料二、生物医用材料生物材料用于人体组织和器官的诊断、生物材料用于人体组织和器官的诊断、修复或增进其功能的一类高技术材料，修复或增进其功能的一类高技术材料，即即用于取代、修复活组织的天然或人造用于取代、修复活组织的天然或人造材料材料，其作用药物不可替代。，其作用药物不可替代。生物材料能执行、增进或替换因疾病、损伤等失去的某种功能，而不能恢复缺陷部位。 指生物材料
3、具备或完成某种生物功能时应该具有的一系列性能。 根据用途主要分为: 承受或传递负载功能。如人造骨骼、关节和牙等，占主导地位 控制血液或体液流动功能。如人工瓣膜、血管等 电、光、声传导功能。如心脏起博器、人工晶状体、耳蜗等 填充功能。如整容手术用填充体等1. 生物功能性生物功能性 指生物材料有效和长期在生物体内或体指生物材料有效和长期在生物体内或体表行使其功能的能力。用于表征生物材料表行使其功能的能力。用于表征生物材料在生物体内与有机体相互作用的生物学行在生物体内与有机体相互作用的生物学行为。为。 根据材料与生物体接触部位分为：血液相容性。材料用于心血管系统与血液接触，主要考察与血液的相互作用与
4、心血管外的组织和器官接触。主要考察与组织的相互作用，也称一般生物相容性力学相容性。考察力学性能与生物体的一致性2. 生物相容性生物相容性 生物体对生物材料的响应宿主反应生物体对生物材料的响应宿主反应 A: 血液反应血液反应 1 1、血小板血栓；、血小板血栓； 2 2、凝血系统激活；、凝血系统激活； 3 3、纤溶系统激活；、纤溶系统激活； 4 4、溶血反应；、溶血反应； 5 5、白细胞反应；、白细胞反应； 6 6、细胞因子反应；、细胞因子反应； 7 7、蛋白粘附；、蛋白粘附； B: 免疫反应免疫反应 1 1、补体激活；、补体激活； 2 2、体液免疫反应、体液免疫反应（抗原抗体反（抗原抗体反应）；
5、应）； 3 3、细胞免疫反、细胞免疫反应。应。 C: 组织反应组织反应 1 1、炎症反应；、炎症反应； 2 2、细胞粘附、细胞粘附 3 3、细胞增殖、细胞增殖（异常分化）（异常分化） 4 4、形成蘘膜、形成蘘膜 5 5、细胞质的转、细胞质的转变变（1 1）生物学反应）生物学反应（2）生物体对生物反应的变化生物体对生物反应的变化 1.急性全身反应急性全身反应 过敏、毒性、溶血、发热、神经麻痹等过敏、毒性、溶血、发热、神经麻痹等2. 慢性全身反应慢性全身反应 毒性、致畸、免疫、功能障碍等毒性、致畸、免疫、功能障碍等3. 急性局部反应急性局部反应 炎症、血栓、坏死、排异等炎症、血栓、坏死、排异等4.
6、 慢性局部反应慢性局部反应 致癌、钙化、炎症、溃疡等致癌、钙化、炎症、溃疡等3. 材料在生物体内的响应材料反应材料在生物体内的响应材料反应金属腐蚀金属腐蚀聚合物降解聚合物降解磨损磨损 生物机体作用于生物材料材料反应，生物机体作用于生物材料材料反应，其结果可导致材料结构破坏和性质改变其结果可导致材料结构破坏和性质改变而丧失其功能。可分为如下三个方面：而丧失其功能。可分为如下三个方面：（1）金属腐蚀）金属腐蚀 生物体内的腐蚀性环境生物体内的腐蚀性环境：1）含盐的溶）含盐的溶液是极好的电解质，促进了电化学腐蚀和液是极好的电解质，促进了电化学腐蚀和水解；水解；2）组织中存在具有催化或迅速破）组织中存在
7、具有催化或迅速破坏外来成分能力的多种分子和细胞。将对坏外来成分能力的多种分子和细胞。将对生物金属材料产生腐蚀。生物金属材料产生腐蚀。 对于生物材料而言多为局部腐蚀，具体对于生物材料而言多为局部腐蚀，具体包括应力腐蚀开裂、点腐蚀、晶间腐蚀、包括应力腐蚀开裂、点腐蚀、晶间腐蚀、腐蚀疲劳以及缝隙腐蚀等，导致生物材腐蚀疲劳以及缝隙腐蚀等，导致生物材料整体破坏。料整体破坏。虽然金属材料在生物体内保持惰性状态，虽然金属材料在生物体内保持惰性状态，但仍然可能会有物质溶入生物组织中，但仍然可能会有物质溶入生物组织中，并对生物体组织产生毒性反应，造成组并对生物体组织产生毒性反应，造成组织的损害。如不锈钢中溶出的
8、织的损害。如不锈钢中溶出的Cr6 生生物组织的毒性。物组织的毒性。（2） 聚合物降解聚合物降解 聚合物在长期使用过程中，由于受到聚合物在长期使用过程中，由于受到氧、热、紫外线、机械、水蒸气、酸碱氧、热、紫外线、机械、水蒸气、酸碱及微生物等因素作用，逐渐失去弹性，及微生物等因素作用，逐渐失去弹性，出现裂纹，变硬、变脆或变软、发粘、出现裂纹，变硬、变脆或变软、发粘、变色等，从而使它的物理机械性能越来变色等，从而使它的物理机械性能越来越差的现象。越差的现象。 聚合物老化易形成的碎片、颗粒、小聚合物老化易形成的碎片、颗粒、小分子量单体物质，因此使用它时必须谨分子量单体物质，因此使用它时必须谨慎，对耐久
9、性器件，必须保持一定强度慎，对耐久性器件，必须保持一定强度和其它机械性能，老化产物不能对周围和其它机械性能，老化产物不能对周围组织有毒害作用。组织有毒害作用。 例如，医用缝合线降解时会产生酸性例如，医用缝合线降解时会产生酸性物质，如果量少，很容易被人体中的化物质，如果量少，很容易被人体中的化学物质中和，如果老化产物较大，则会学物质中和，如果老化产物较大，则会对周围组织产生损害。对周围组织产生损害。（3） 磨损磨损 人工关节常用材料为人工关节常用材料为Ti6Al4V，由于表面易氧化，由于表面易氧化生成生成TiO2，其耐磨性差，植入人体后，其耐磨性差，植入人体后，磨损磨损造成在造成在关节周围组织形
10、成黑褐色稠物，从而引起疼痛。关节周围组织形成黑褐色稠物，从而引起疼痛。钛合金人工全髋关节平均寿命一般都低于钛合金人工全髋关节平均寿命一般都低于10年。年。 目前，大量的人工髋关节是由坚硬的金属或陶瓷的股骨目前，大量的人工髋关节是由坚硬的金属或陶瓷的股骨头与超高分子聚乙烯的髋臼杯组合成，然而它的寿命也不头与超高分子聚乙烯的髋臼杯组合成，然而它的寿命也不超过超过25年。长期随访资料显示，假体失败的主要原因是超年。长期随访资料显示，假体失败的主要原因是超高分子聚乙烯高分子聚乙烯磨损颗粒磨损颗粒所造成的界面骨溶解，从而导致假体所造成的界面骨溶解，从而导致假体松动。这种磨损颗粒所导致的异物巨细胞反应，又
11、称颗松动。这种磨损颗粒所导致的异物巨细胞反应，又称颗粒病，是晚期失败的最主要原因。粒病，是晚期失败的最主要原因。 （1） 生物材料的一般性能要求生物材料的一般性能要求1）生物相容性）生物相容性 生物相容性主要包括血液相容性、组生物相容性主要包括血液相容性、组织相容性。材料在人体内要求无不良反织相容性。材料在人体内要求无不良反应，不引起凝血、溶血现象，活体组织应，不引起凝血、溶血现象，活体组织不发生炎症、排拒、致癌等。不发生炎症、排拒、致癌等。4、生物材料的应用及发展、生物材料的应用及发展2）力学性能）力学性能 材料要有合适的强度、硬度、韧性、材料要有合适的强度、硬度、韧性、塑性等力学性能以满足
12、耐磨、耐压、抗塑性等力学性能以满足耐磨、耐压、抗冲击、抗疲劳、弯曲等医用要求。冲击、抗疲劳、弯曲等医用要求。3）耐生物老化性能）耐生物老化性能 材料在活体内要有较好的化学稳定性，材料在活体内要有较好的化学稳定性，能够长期使用，即在发挥其医疗功能的能够长期使用，即在发挥其医疗功能的同时要耐生物腐蚀、耐生物老化。同时要耐生物腐蚀、耐生物老化。4）成形加工性能）成形加工性能 容易成形和加工，价格适中。容易成形和加工，价格适中。 较优秀的生物医用金属材料有，医较优秀的生物医用金属材料有，医 用不锈钢、钴基合金、钛及钛合金、镍用不锈钢、钴基合金、钛及钛合金、镍钛形状记忆合金、金银等贵重金属、银钛形状记忆
13、合金、金银等贵重金属、银汞合金、钽、铌等金属和合金。汞合金、钽、铌等金属和合金。（2） 生物医用金属材料生物医用金属材料A 医用不锈钢医用不锈钢 具有一定的耐腐蚀性和良好的综合力学性能，具有一定的耐腐蚀性和良好的综合力学性能，且加工工艺简便，是生物医用金属材料中应用最且加工工艺简便，是生物医用金属材料中应用最多，最广的材料。多，最广的材料。 常用钢种有常用钢种有US304、316、316 L、317、317L等。等。 医用不锈钢植入活体后，可能发生点蚀，偶医用不锈钢植入活体后，可能发生点蚀，偶尔也产生应力腐蚀和腐蚀疲劳。医用不锈钢临床尔也产生应力腐蚀和腐蚀疲劳。医用不锈钢临床前消毒、电解抛光和
14、钝化处理，可提高耐蚀性。前消毒、电解抛光和钝化处理，可提高耐蚀性。 医用不锈钢在骨外科和齿科中应用较多。医用不锈钢在骨外科和齿科中应用较多。 B 钴基合金钴基合金 钴基合金人体内一般保持钝化状态，钴基合金人体内一般保持钝化状态，与不锈钢比较，钴基合金钝化膜更稳定，与不锈钢比较，钴基合金钝化膜更稳定，耐蚀性更好。在所有医用金属材料中，其耐蚀性更好。在所有医用金属材料中，其耐磨性最好，适合于制造体内承载苛大的耐磨性最好，适合于制造体内承载苛大的长期植入件。长期植入件。 在整形外科中，用于制造人工髋关节、在整形外科中，用于制造人工髋关节、膝关节以及接骨板、骨钉、关节扣钉和骨膝关节以及接骨板、骨钉、关
15、节扣钉和骨针等。在心脏外科中，用于制造人工心脏针等。在心脏外科中，用于制造人工心脏瓣膜等。瓣膜等。C 医用钛和钛合金医用钛和钛合金 不仅具有良好的力学性能，而且在生不仅具有良好的力学性能，而且在生理环境下具有良好的生物相容性。由于其理环境下具有良好的生物相容性。由于其比重小，弹性模量较其他金属更接近天然比重小，弹性模量较其他金属更接近天然骨，故广泛应用于制造各种髋、膝、肘、骨，故广泛应用于制造各种髋、膝、肘、肩等人造关节。此外，钛合金还用于心血肩等人造关节。此外，钛合金还用于心血管系统。钛合金耐磨性能不理想，且存在管系统。钛合金耐磨性能不理想，且存在咬合现象，限制了其使用范围。咬合现象，限制了
16、其使用范围。 图是镍钛形状记忆合金血管支架图是镍钛形状记忆合金血管支架Ti-Ni记忆合金血管支架记忆合金血管支架（3） 生物医用高分子生物医用高分子 按应用对象和材料物理性能分为软组织按应用对象和材料物理性能分为软组织材料、硬组织材料和生物降解材料。其可满材料、硬组织材料和生物降解材料。其可满足人体组织器官的部分要求，因而在医学上足人体组织器官的部分要求，因而在医学上受到广泛重视。目前已有数十种高分子材料受到广泛重视。目前已有数十种高分子材料适用于人体的植入材料。适用于人体的植入材料。 软组织材料：故主要用作为软组织材料，软组织材料：故主要用作为软组织材料，特别特别 是人工脏器的膜和管材。聚乙
17、烯膜、是人工脏器的膜和管材。聚乙烯膜、聚四氟乙烯膜、硅橡胶膜和管，可用于制聚四氟乙烯膜、硅橡胶膜和管，可用于制造人工肺、肾、心脏、喉头、气管、胆管、造人工肺、肾、心脏、喉头、气管、胆管、角膜。聚酯纤维可用于制造血管、腹膜等。角膜。聚酯纤维可用于制造血管、腹膜等。 硬组织材料：丙烯酸高分子硬组织材料：丙烯酸高分子(即骨水泥即骨水泥)、聚碳酸醋、超高分子量聚乙烯、聚甲基丙聚碳酸醋、超高分子量聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂（烯酸甲脂（PMMA）、尼龙、硅橡胶等可）、尼龙、硅橡胶等可用于制造人工骨和人工关节。用于制造人工骨和人工关节。 降解材料：脂肪族聚醋具有生物降解特降解材料：脂肪族聚醋具有生物降解特性，
18、已用于可接收性手术缝线。性，已用于可接收性手术缝线。（4）生物医用无机非金属材料生物医用无机非金属材料 生物无机材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃生物无机材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃和医用碳素材料。和医用碳素材料。 按植入生物活体内引起的组织与材料反应，按植入生物活体内引起的组织与材料反应，生物陶瓷分为生物陶瓷分为: (1)近于惰性的生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷、近于惰性的生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷、氧化锆生物陶瓷、硼硅酸玻璃；氧化锆生物陶瓷、硼硅酸玻璃； (2)表面活性生物陶瓷，如磷酸钙基生物陶瓷、表面活性生物陶瓷，如磷酸钙基生物陶瓷、生物活性玻璃陶瓷；生物活性玻璃陶瓷； (3)可吸收性生物陶瓷
19、，如偏磷酸三钙生物陶瓷、可吸收性生物陶瓷，如偏磷酸三钙生物陶瓷、硫酸钙生物陶瓷。硫酸钙生物陶瓷。 生物活性玻璃陶瓷植入活体后，能够与生物活性玻璃陶瓷植入活体后，能够与体液发生化学反应，并在组织表面生成羚体液发生化学反应，并在组织表面生成羚基磷灰石层，故可用于人工种植牙根、牙基磷灰石层，故可用于人工种植牙根、牙冠、骨充填料和涂层材料。冠、骨充填料和涂层材料。 与自然骨比较，生物活性玻璃陶瓷虽然与自然骨比较，生物活性玻璃陶瓷虽然具有较高的强度，但韧性较差，弹性模量具有较高的强度，但韧性较差，弹性模量过高，易脆断，在生理环境中抗疲劳性能过高，易脆断，在生理环境中抗疲劳性能较差，目前还不能直接用于承力
20、较大的人较差，目前还不能直接用于承力较大的人工骨。工骨。 医用碳素材料：具有接近于自医用碳素材料：具有接近于自然骨的弹性模量。然骨的弹性模量。 医用碳素材料疲劳性能最优，医用碳素材料疲劳性能最优，强度不随循环载荷作用而下降。强度不随循环载荷作用而下降。无序堆垛的碳材料耐磨性理想。无序堆垛的碳材料耐磨性理想。 医用碳素材料在生理环境中较医用碳素材料在生理环境中较稳定，近于惰性，具有较好的生稳定，近于惰性，具有较好的生物相容性，不会引起凝血和溶血物相容性，不会引起凝血和溶血反应，特别适合于在生理环境中反应，特别适合于在生理环境中使用。使用。 医用碳材料已大量用于心血管医用碳材料已大量用于心血管系统
21、的修复，如人工心脏瓣膜、系统的修复，如人工心脏瓣膜、人工血管。还可作为金属和聚合人工血管。还可作为金属和聚合物的涂层材料。物的涂层材料。（5）生物医用复合材料）生物医用复合材料 生物医用复合材料是由二种或二生物医用复合材料是由二种或二种以上不同材料复合而成的。种以上不同材料复合而成的。 按基材分为：高分子基、陶瓷按基材分为：高分子基、陶瓷基、金属基等生物医用复合材料。基、金属基等生物医用复合材料。 按增强体形态和性质分为纤维按增强体形态和性质分为纤维增强、颗粒增强、生物活性物质增强、颗粒增强、生物活性物质充填生物医用复合材料。充填生物医用复合材料。 按材料植入体内后引起的组织按材料植入体内后引
22、起的组织与材料反应分为：生物惰性、生与材料反应分为：生物惰性、生物活性和可吸收性生物医用复合物活性和可吸收性生物医用复合材料。材料。 右为具有活性涂层的钛合金人右为具有活性涂层的钛合金人工齿示意图工齿示意图Fig. Schematic diagram of the screw-shaped artificial tooth.锯锯-草草你知道草和锯有什么联系呢你知道草和锯有什么联系呢?第三节第三节 仿生学仿生学开启新技术的钥匙开启新技术的钥匙利用自然物进行了模仿设计利用自然物进行了模仿设计,像这种设像这种设计称为计称为仿生设计仿生设计。刚才的刚才的锯锯模仿模仿草草身上的什么特征呢身上的什么特征呢
23、?鱼尾鱼尾 船橹船橹人眼晶状体人眼晶状体 透镜透镜生物电生物电 电池电池鸟鸟 飞机飞机生活中的仿生学生活中的仿生学仿生学仿生学(Bionics) 模仿生物系统的原理以建造技术系模仿生物系统的原理以建造技术系统，或者使人造技术系统具有生物系统统，或者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学特征或类似特征的科学一、仿生学的概念一、仿生学的概念前言二二. .仿生学研究仿生学研究仿生学仿生学是一门建立在多学科边缘上的综合是一门建立在多学科边缘上的综合性学科，包括生理学、神经学、医学、化性学科，包括生理学、神经学、医学、化学、数学、电子学、信息学等学科。学、数学、电子学、信息学等学科。仿生学的相关
24、领域仿生学的相关领域前言生物体生物体生物模型生物模型数学模型数学模型技术模型技术模型技术装置技术装置仿生学的研究方法仿生学的研究方法数学数学生物生物电烙铁电烙铁前言仿生学符号仿生学符号信息仿生青蛙与电子蛙眼青蛙与电子蛙眼神经节细胞有神经节细胞有4种：种：“边缘侦察器边缘侦察器”“”“昆昆虫侦察器虫侦察器”、“事件事件侦察器侦察器”、“光强减光强减弱感受器弱感受器”青蛙的视觉系青蛙的视觉系统统信息仿生青蛙与电子蛙眼青蛙与电子蛙眼由透镜（晶状体）由透镜（晶状体）在视网膜上形成光在视网膜上形成光学图像后，经过视学图像后，经过视细胞、双极细胞、细胞、双极细胞、输出细胞（神经节输出细胞（神经节细胞）而送
25、往大脑细胞）而送往大脑中枢中枢青蛙的视觉系青蛙的视觉系统统信息仿生“水母耳水母耳”风暴预测仪风暴预测仪水母耳与电子耳水母耳与电子耳控制仿生蛇蛇田鼠田鼠热血动物身体热血动物身体向外散热向外散热蛇通过感受器蛇通过感受器探测到热源探测到热源蛇的红外探测蛇的红外探测控制仿生颊窝颊窝颊窝颊窝是一个红外感受器，是一个红外感受器，对周围温度变化极为敏感，对周围温度变化极为敏感，能感受能感受0.001的温度变化。的温度变化。这类蛇能在夜间准确判断这类蛇能在夜间准确判断周围恒温动物的位置周围恒温动物的位置蛇的红外探测蛇的红外探测控制仿生飞行中的蝙蝠飞行中的蝙蝠超声波超声波声音反射波声音反射波蛾蛾蝙蝠的捕食蝙蝠的
26、捕食蝙蝠与超声波蝙蝠与超声波控制仿生蝙蝠的回声定位蝙蝠的回声定位超声信号被反射超声信号被反射蝙蝠与超声波蝙蝠与超声波脑脑控制仿生蝙蝠与超声波蝙蝠与超声波蝙蝠的声纳处理蝙蝠的声纳处理参考波刺激参考波刺激接受器接受器载有信息载有信息的超声波的超声波发出的发出的超声波超声波控制仿生夜蛾的反雷达技术夜蛾的反雷达技术反雷达技术使夜蛾死里逃生反雷达技术使夜蛾死里逃生控制仿生夜蛾的反雷达技术夜蛾的反雷达技术鼓膜器鼓膜器鼓膜器鼓膜器 振动器振动器胸神经节胸神经节神经纤维神经纤维 气囊气囊听觉听觉细胞细胞感受器感受器鼓膜鼓膜角质皱折角质皱折非听觉非听觉细胞细胞听觉系统听觉系统控制仿生千里迁徙千里迁徙万里洄游万里
27、洄游动物的天然导航动物的天然导航控制仿生动物的天然导航动物的天然导航一些动物利用日月星辰一些动物利用日月星辰导航，也有些动物利用导航，也有些动物利用海流、海水成分、地磁海流、海水成分、地磁场、重力场等进行导航，场、重力场等进行导航，为研制通讯设备和新型为研制通讯设备和新型导航仪器提供启迪导航仪器提供启迪定义定义 生物界中普遍存在着拟态，现将生物界中普遍存在着拟态，现将拟态用于工程技术中去就叫拟态用于工程技术中去就叫拟态仿生拟态仿生拟态仿生动物的拟态与保护动物的拟态与保护色色拟态仿生拟态仿生拟态仿生坦克的迷彩着装坦克的迷彩着装三色迷彩的德国三色迷彩的德国“豹豹”I I坦克在电视成像下的效果坦克在
28、电视成像下的效果拟态仿生拟态仿生拟态仿生坦克的迷彩着装坦克的迷彩着装力学仿生生物与造船生物与造船模仿鳕鱼、鲇鱼外形建造的模仿鳕鱼、鲇鱼外形建造的“复仇号复仇号”帆船帆船体形的模仿体形的模仿力学仿生生物与造船生物与造船体形的模仿体形的模仿力学仿生生物与造船生物与造船体形的模仿体形的模仿俄罗斯海军新型核潜艇俄罗斯海军新型核潜艇力学仿生生物与造船生物与造船模仿鲸的胸鳍给船装上了船鳍模仿鲸的胸鳍给船装上了船鳍结构的模仿结构的模仿力学仿生生物与造船生物与造船结构的模仿结构的模仿模仿鱼和鲸体表粘液合成了几模仿鱼和鲸体表粘液合成了几种人工粘液，以减小湍流种人工粘液，以减小湍流力学仿生生物与造船生物与造船结构
29、的模仿结构的模仿潜水艇在航行时会潜水艇在航行时会造成巨大的湍流造成巨大的湍流海豚游泳时身海豚游泳时身边的水流很小边的水流很小力学仿生鹰击长空鹰击长空啸傲云天啸傲云天生物与飞机力学仿生生物与飞机达芬奇设计的扑翼飞机达芬奇设计的扑翼飞机飞鸟与飞机飞鸟与飞机力学仿生生物与飞机飞鸟与飞机飞鸟与飞机飞鸟的体形和翅膀飞鸟的体形和翅膀在滑进飞行时与飞在滑进飞行时与飞机的飞行极为相似机的飞行极为相似力学仿生生物与飞机现代先进的飞机能够现代先进的飞机能够模仿昆虫在空中作各模仿昆虫在空中作各种花样演习种花样演习昆虫与飞机昆虫与飞机力学仿生生物与飞机昆虫与飞机昆虫与飞机昆虫翅膀的运动昆虫翅膀的运动昆虫飞行时翅膀的运
30、动昆虫飞行时翅膀的运动很复杂，其角度的变化很复杂，其角度的变化控制比目前的飞行自动控制比目前的飞行自动驾驶仪还好驾驶仪还好力学仿生生物与飞机昆虫与飞机昆虫与飞机飞机仿造蜻蜓的翅膀配重防止振颤飞机仿造蜻蜓的翅膀配重防止振颤力学仿生薄壳结构薄壳结构艺术珍品艺术珍品澳大利亚悉尼歌剧院澳大利亚悉尼歌剧院生物与建筑东京中银舱体楼东京中银舱体楼力学仿生生物与建筑舱体结构舱体结构力学仿生生物与建筑圆顶屋圆顶屋 美国佛罗里达的美国佛罗里达的 未来世界博物馆未来世界博物馆化学仿生狗的嗅觉过程狗的嗅觉过程狗的嗅觉狗的嗅觉 狗的鼻子里的雾受一种蛋狗的鼻子里的雾受一种蛋白质的控制，将气味分子浓缩后传送给鼻白质的控制，
31、将气味分子浓缩后传送给鼻子里的气味感受器上的气味辨别蛋白，当子里的气味感受器上的气味辨别蛋白，当气味辨别蛋白将不同的气味辨别后，被辨气味辨别蛋白将不同的气味辨别后，被辨别出的特定的气味信号，立即被嗅觉细胞别出的特定的气味信号，立即被嗅觉细胞传递给大脑，大脑便知道了所闻到的是一传递给大脑，大脑便知道了所闻到的是一种什么气味种什么气味人工嗅觉化学仿生人工嗅觉嗅敏检测仪嗅敏检测仪采集采集系统系统嗅敏嗅敏元件元件放大放大系统系统报警系统报警系统报警系统报警系统电源电源嗅敏电阻嗅敏电阻是一类以是一类以SnO2为主体的金属半为主体的金属半导体，它是一种表面效应很强的材料导体，它是一种表面效应很强的材料化学
32、仿生细胞膜的结构特点细胞膜的结构特点仿生物膜蛋白分子蛋白分子磷脂分子磷脂分子镶嵌蛋白镶嵌蛋白跨膜蛋白跨膜蛋白(形成通道形成通道)跨膜蛋白跨膜蛋白细胞膜的细胞膜的流动镶嵌流动镶嵌模型：模型：(1)脂双层形脂双层形成框架；成框架；(2)蛋白质蛋白质镶嵌其中；镶嵌其中；(3)具有动具有动态特点态特点化学仿生仿生物膜人工膜人工膜人工膜的特点人工膜的特点 化学组成和厚度与天化学组成和厚度与天然膜相似：能有效地分开两种不同的水相；然膜相似：能有效地分开两种不同的水相；具有结构和化学两侧不对称性，易于操作，具有结构和化学两侧不对称性，易于操作，能用来研究膜的向量功能（如传递等）能用来研究膜的向量功能（如传递
33、等）机器人检修宇宙飞船机器人检修宇宙飞船整体仿生整体仿生自动化机器自动化机器自动化机器人从月球土壤中提取气体自动化机器人从月球土壤中提取气体智能机器人整体仿生智能机器人自然语言自然语言语音语音图形图形图像信息图像信息知识库知识库管理软件管理软件求解问题求解问题推理软件推理软件智能智能接口软件接口软件内核软件（智能操作系统、内核软件（智能操作系统、 编译系统等）编译系统等） 并行处理体系结构并行处理体系结构知识库知识库硬件硬件推理机推理机硬件硬件智能接智能接口硬件口硬件智能计算机组成智能计算机组成人机接口人机接口软件软件硬件硬件整体仿生智能机器人生物计算机生物计算机生物计算机的特点生物计算机的特
34、点 能制成超高密度的线路能制成超高密度的线路能使生物本身固有的自我修复机能得到发挥能使生物本身固有的自我修复机能得到发挥 ， 即使芯片中出了故障本身也能修复即使芯片中出了故障本身也能修复 ，从而使它，从而使它 成为一种具有永久性的不出故障元件成为一种具有永久性的不出故障元件只要用少量的能量就能工作只要用少量的能量就能工作 ，不存在发热问题，不存在发热问题你还知道哪些类似仿生设计呢你还知道哪些类似仿生设计呢?这是什么？这是什么？叫什么名字叫什么名字?为什么取这个名字？为什么取这个名字？“鸟巢鸟巢”你们觉的贝壳会给你什么灵感你们觉的贝壳会给你什么灵感?来看看世界级的设计大师们来看看世界级的设计大师
35、们是怎样仿生贝壳设计的？是怎样仿生贝壳设计的？悉尼歌剧院悉尼歌剧院杭州大剧院杭州大剧院2004年年7月完工月完工这两个建筑仿生设计这两个建筑仿生设计风格有什么异同风格有什么异同? ?迷彩服迷彩服迷彩服花纹是怎样设计出来的呢？迷彩服花纹是怎样设计出来的呢？在二战期间，德军包围了列宁格勒，企图用在二战期间，德军包围了列宁格勒，企图用轰炸机摧毁其军事目标和其他防御设施。眼轰炸机摧毁其军事目标和其他防御设施。眼看就要全军覆灭，有一位名叫看就要全军覆灭，有一位名叫施万维奇施万维奇的昆的昆虫学家也被困在其中。这天，他看到不远处虫学家也被困在其中。这天，他看到不远处的树枝上停着一只蝴蝶的树枝上停着一只蝴蝶
36、，受了伤，受了伤 ，施万维奇，施万维奇给它上药后，两天后蝴蝶渐渐地康复了。施给它上药后，两天后蝴蝶渐渐地康复了。施万维奇依依不舍地将它放回了大自然。第二万维奇依依不舍地将它放回了大自然。第二天一早，奇迹出现了，天一早，奇迹出现了， 他们的门前停满了蝴他们的门前停满了蝴蝶，如果用这些蝴蝶将军事基地伪装起来，蝶，如果用这些蝴蝶将军事基地伪装起来，那么德军的飞机不就发现不了他们了吗？但那么德军的飞机不就发现不了他们了吗？但是，对于整个军事基地来说，这些蝴蝶还是是，对于整个军事基地来说，这些蝴蝶还是不够呀。他想出了用不够呀。他想出了用黄、红、绿黄、红、绿三种颜三种颜色涂在军事基地上的方法，将军事基地装
37、扮色涂在军事基地上的方法，将军事基地装扮成了一件大大的迷彩服。因此，德军在飞机成了一件大大的迷彩服。因此，德军在飞机上看到的只是一片花草蝴蝶的海洋。尽管德上看到的只是一片花草蝴蝶的海洋。尽管德军费尽心机，列宁格勒的军事基地仍安然无军费尽心机，列宁格勒的军事基地仍安然无恙，为赢得最后的胜利奠定了坚实的基础。恙，为赢得最后的胜利奠定了坚实的基础。 仿生设计应用的范围：仿生设计应用的范围： 仿生设计仿自然物的仿生设计仿自然物的 外形、结构、色彩、功能等外形、结构、色彩、功能等 日用品设计、日用品设计、 玩具设计、服装设计、玩具设计、服装设计、 图案设计等图案设计等建筑设计、建筑设计、洗脸盆塞：溺水的
38、人。牙签盒：跳芭蕾的小人。蜗牛沙发蜗牛沙发“叶子叶子”沙发沙发灯具灯具猪笼草猪笼草利用喜欢的自然物某种特征利用喜欢的自然物某种特征进行一件或多件日用品设计进行一件或多件日用品设计（1）确定设计的主题）确定设计的主题: 仿什么仿什么 自然物的外形、色彩、结构、功能？自然物的外形、色彩、结构、功能？（2）确定设计的方案）确定设计的方案: 仿在哪里仿在哪里日用品、日用品、建筑、服装、建筑、服装、 玩具、图案？玩具、图案？（3）设计草图、修改确定）设计草图、修改确定 制作完成制作完成尝试尝试: 利用喜欢的自然物某种特征利用喜欢的自然物某种特征 进行一件或多件日用品设计进行一件或多件日用品设计在在20世
39、纪世纪60年代时正式成立为年代时正式成立为仿生学仿生学,模仿生物建造技术装置的科学。模仿生物建造技术装置的科学。仿自然物的仿自然物的外形、结构、色彩、外形、结构、色彩、功能功能等等进行仿生设计。进行仿生设计。仿生学就是要在工程上实现并有效仿生学就是要在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科地应用生物功能的一门学科 第四节第四节 生物传感器生物传感器转换器转换器敏感元件敏感元件待测物待测物生物传感器的模型生物传感器的模型是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术。应用领域：环境监测、食品分析、生物医学一、概述一、概述1. 定义 能感受（或响应）各种被测的物理的
40、、化学的和生物的信息，并按照一定规律转换成可用信号（一般转换为易于加工、处理和观察的电学量）输出的器件或装置。敏感元件：酶、抗体、核酸、细胞等。转换器：电化学电极、光学检测元件、场效应晶体管、压电石英晶体、表面等离子共振。酶酶 (Enzyme)抗体抗体(Antibody)DNA 2. 分类 根据输出信号产生的方式根据输出信号产生的方式 生物亲和型、代谢型、催化型 根据生物分子识别元件上的敏感物质根据生物分子识别元件上的敏感物质 酶传感器、组织传感器、微生物传感器、免疫传感器、基因传感器等 根据信号转化器根据信号转化器 电化学生物传感器、半导体生物传感器等 其他分类其他分类 被测对象、大小、功能
41、3. 3. 生物传感器的特点生物传感器的特点 高选择性。生物传感器是由选择性好的主体材料构成的分子一识别元件，因此，一般不需进行样品的预处理。测定时一般不需另加其它试剂。 体积小、可以实现连续在位监测。 响应快、样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复多次使用。 传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，因而便于推广普及。二、酶电极和酶传感器二、酶电极和酶传感器1.概述 2.酶及酶促反应酶：由生物体产生的具有催化能力的蛋白质特性：高效，条件温和，高度专一，（酶原激活）酶的活力单位：提高反应速度的能力（初速度） 标准酶单位、比活力酶（酶（Enzyme）酶的专一性：锁和钥匙的关系。这种关系
42、在生物大分子的相互作用中具有普遍性对底物选择性地结合，避免其它物质干扰。酶的固定化技术酶的固定化技术固定化技术的重要性固定化技术的重要性三代生物传感器三代生物传感器（1）非活性基质膜和化学电极）非活性基质膜和化学电极（2）生物成分结合转换器表面）生物成分结合转换器表面（3）生物成分直接固定于电子元件）生物成分直接固定于电子元件 各种固定化方法介绍各种固定化方法介绍（1）共价键结合）共价键结合 ：牢固，易失活，单层：牢固，易失活，单层（2）交联固定：固定量大，部分失活）交联固定：固定量大，部分失活（3）包埋：多样，失活小，影响因素多）包埋：多样，失活小，影响因素多（4）吸附：简单，失活小，牢固性
43、差）吸附：简单，失活小，牢固性差（5）夹心：简单）夹心：简单（6）LB膜等新技术膜等新技术一种葡萄糖传感器-GlucowatchGlucose pulled through the skin by charged molecules The ions migrate to the anode (+) and cathode (-) Glucose reacts with glucose oxidase to form hydrogen peroxideThe reaction produces an electrochemical measured by the AutoSensor乙醇传感器
44、乙醇传感器乙醇泄漏报警器 乙醇探测器GPT传感器传感器 GPT-100便携式可燃气体检漏仪便携式可燃气体检漏仪二、免疫传感器二、免疫传感器 利用生物体内抗原-抗体之间特异性反应来实施微量物质的测定，是一种高灵敏度、搞选择性生物传感器。 非标记免疫传感器非标记免疫传感器 无需对抗原或抗体进行标记，固定在传感器上的抗体可与待测物质中抗原直接结合，并产生可测信号 免疫标记传感器免疫标记传感器 在检测过程中，除了固定化的抗体和待测物质中的抗原发生作用外，还需要加入定量的已经标记的物质来实现可测信号转换非标记免疫传感器的应用免疫传感器受体和电极测定方法糖传感器刀豆球蛋白A/PVC/Pt电极电极电位测量梅
45、毒传感器心肌磷脂/乙基纤维素膜电位测量白蛋白传感器抗白蛋白抗体/乙基纤维素复合膜 膜电位测量血型传感器血型物质/乙基纤维素膜膜电位测量hCG传感器抗hCG抗体/TiO2电极电位测量标记免疫传感器标记免疫传感器的应用免疫传感器受体和电极测定方法IgG传感器抗IgG膜（过氧化氢酶标记）竞争法，夹心法IgM传感器抗IgM膜（过氧化氢酶标记）夹心法白蛋白传感器抗白蛋白膜（过氧化氢酶标记）夹心法hCG传感器抗hCG （过氧化氢酶标记）竞争法，夹心法生物传感器的发展方向集成化与功能化提高灵敏度智能化第五节 生物能源 生物能源:（又名生物质能）是利用有机质作为燃料，通过气体收集、气化（化固体为气体）、燃烧和
46、消化作用（只限湿润废物）等技术产生能源。只要适当地执行，生物质能也是一种宝贵的可再生能源。但要看生物质能燃料是如何产生出来。 生物质能：将树木、农作物秸秆、林业加工残余物和各类有机垃圾等生物质所蕴藏的能量，转化为常规的固态、液态和气态燃料的可再生能源。燃料乙醇、沼气、固体成型燃料、生物柴油等就是生物质能产品。新能源可再生能源生物能源一、植物能源二、沼气 （一）沼气发酵过程 液化期：发酵原料有机质的微生物降解 产酸期：产酸菌分解糖类化合物产酸 产气期：厌氧条件下，有机酸分解为甲烷等 （二）提高沼气产率的关键 搅拌 有毒物质 温度 pH 营养液 活性污泥 压力 检修三、微生物在能源开发中的应用 乙
47、醇发酵微生物制氢微生物电池微生物在石油勘探和开发中应用第六节第六节 海洋生物工程海洋生物工程第七节 发酵工程 发酵已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包发展到今天成为生物工程的一个极其重要的分支，成为一个包括了微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。 现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。 FERMENTATIONProcess ControlF
48、ermentation engineering上游工程上游工程UPSTREAM PROCESSES下游工程下游工程DOWNSTREAM PROCESSES发酵工程组成从广义上讲，由三部分组成：从广义上讲，由三部分组成： 上游工程、发酵工程、下游工程UPSTREAM PROCESSES- genetics, cell - inoculum development- media formulation- sterilization- inoculationFERMENTATIONProcess Control上游工程上游工程Fermentation engineeringDOWNSTREAM PR
49、OCESSES- product extraction, purification & assay- waste treatment-by product recoveryFERMENTATIONProcess Control下游工程 The ratio of recovery to fermentation costs for L-asparaginase: 3.0 ethanol: 0.16Fermentation engineering发酵工程主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术(1) 有严格的无菌生长环境： 包括发酵开始前采用高温高压对发酵原料和发酵罐以
50、及各种连接管道进行灭菌的技术； 在发酵过程中不断向发酵罐中通入干燥无菌空气的空气过滤技术；(2)在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速 度的计算机控制技术；(3)种子培养和生产培养的不同的工艺技术。(4)在进行任何大规模工业发酵前，必须在实验 室规模的小发酵罐进行大量的实验，得到产物形成的动力学模型，并根据这个模型设计中试的发酵要求，最后从中试数据再设计更大规模生产的动力学模型。(5)由于生物反应的复杂性，在从实验室到中试，从中试到大规模生产过程中会出现许多问题，这就是发酵工程工艺放大问题。 微生物发酵技术 1857年法国化学家、微生物家巴斯德提出了著名的发酵理论：“一切发酵过程都是微生物作用
