1、生物制造工程与生活应用 生物制造的概念与方法生物制造的概念与方法 生物制造工程的研究方向生物制造工程的研究方向 生物制造的应用案例生物制造的应用案例 生物制造的发展生物制造的发展1.1.背景背景一、生物制造的概念与方法一、生物制造的概念与方法 随着人们生活水平的不断提高，人们对自身的健康产生了极大的关注，随着人们生活水平的不断提高，人们对自身的健康产生了极大的关注，科技的发展使人们对生命的机理和结构有了更深入的认识。人们越来越认科技的发展使人们对生命的机理和结构有了更深入的认识。人们越来越认识到人类的制造过程与自然界的生命过程之间存在着深刻的内在相似性，识到人类的制造过程与自然界的生命过程之间
2、存在着深刻的内在相似性，在制造业日趋信息化，而生命科学走向工程化的今天，这种相似性更加显在制造业日趋信息化，而生命科学走向工程化的今天，这种相似性更加显得明显和突出。人作为一个生物体不可避免地要受到伤害，因此在体外构得明显和突出。人作为一个生物体不可避免地要受到伤害，因此在体外构建具有一定生物功能的组织和器官，用于病损组织和器官的修复替代成为建具有一定生物功能的组织和器官，用于病损组织和器官的修复替代成为了令人瞩目的科学前沿。在这样的背景和需求下，提出了生物制造工程的了令人瞩目的科学前沿。在这样的背景和需求下，提出了生物制造工程的概念，使其成为了科学界研究的热点，并得到了快速发展。概念，使其成
3、为了科学界研究的热点，并得到了快速发展。2.2.生物制造的概念生物制造的概念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，通过受控组装完成器官、组织和仿生产品的制造之科学和技术总次上，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。称。随着生命科学和制造科学的快速发展，尤其是快速成形技术在生命随着生命科学和制造科学的快速发展，尤其是快速成形技术在生命科学领域的日益广泛应用，其定义也逐渐清晰明确起来，我们可以通过科学领域的日益广泛应用，其定义也逐渐清晰明确起来，我们可以通过下面的式子来理解生物制造工程：下
4、面的式子来理解生物制造工程：制造科学制造科学+生命科学生命科学+材料科学材料科学生物制造生物制造交叉技术交叉技术 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起来，使其彼此机技术、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任务。归纳下来，目前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，目前有如下两方面有如下两方面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
5、制造生物遗传制造 生物控制的仿生生物控制的仿生（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 1 1）生物组织和结构的仿生）生物组织和结构的仿生生物活性组织的工程化制造和类生物智能体的制造。如：生物活性组织的工程化制造和类生物智能体的制造。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造结合，：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，制造生长单元的框架，在生长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长，以解
6、决与人体的相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，以及快速生成的需求，实现人体器官的人工制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。造。类生物智能体的制造类生物智能体的制造：利用可以通过控制含水量来控制伸缩的高分：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是依靠生物分子材料，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片，即生物存储体和子的生物化学作用，制造类人脑的生物计算机芯片，即生物存储体和逻辑装置。逻辑装置。（1 1）仿生制造）仿生
7、制造仿生制造是模拟生物形体与功能的结构制造，包括仿生材料结构、仿生制造是模拟生物形体与功能的结构制造，包括仿生材料结构、仿生表面结构、仿生运动结构等结构制造。仿生表面结构、仿生运动结构等结构制造。2 2）生物遗传制造）生物遗传制造依靠生物依靠生物DNA的自我复制，利的自我复制，利用转基因实现一定几何形状、各几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、何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生物材料和非生物材料的有机结合，并根据生成物的各种特征，采用，并根据生成物的各种特征，采用人工控制生长单元体内的遗传信息人工控制生长单元体内的遗传信息为手段，直接生长出任
8、何人类所需为手段，直接生长出任何人类所需要的产品，如人或动物的骨骼、器要的产品，如人或动物的骨骼、器官、肢体，以及生物材料结构的机官、肢体，以及生物材料结构的机器零部件等。器零部件等。3 3）生物控制的仿生）生物控制的仿生 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 （2 2）生物成形制造）生物成形制造找到找到“吃吃”某些工程材料的菌种，实现生物去除成形某些工程材料的菌种，实现生物去除成形(Bioremoving
9、forming)；复制或金属化不同标准几何外形与亚；复制或金属化不同标准几何外形与亚结 构 的 菌 体，再 经 排 序 或 微 操 作，实 现 生 物 约 束 成 形结 构 的 菌 体，再 经 排 序 或 微 操 作，实 现 生 物 约 束 成 形(Biolimited forming)；甚至通过控制基因的遗传形状特征和遗；甚至通过控制基因的遗传形状特征和遗传生理特征，生长出所需的外形和生理功能，实现生物生长成传生理特征，生长出所需的外形和生理功能，实现生物生长成形形(Biogrowing forming)。1 1）生物去除成形）生物去除成形 生物去除法是利用微生物代谢过程中一些复杂的生物化学
10、反应达到去生物去除法是利用微生物代谢过程中一些复杂的生物化学反应达到去除多余材料除多余材料,加工出其他微细加工方法不能加工的微小零件。通常对应的是加工出其他微细加工方法不能加工的微小零件。通常对应的是材料的切削加工。材料的切削加工。例：氧化亚铁硫杆菌例：氧化亚铁硫杆菌T9菌株是中温、好氧、嗜酸、专性无机化能菌株是中温、好氧、嗜酸、专性无机化能自氧菌，其主要生物特性是将亚铁离子氧化成高铁离子以及将其他低价自氧菌，其主要生物特性是将亚铁离子氧化成高铁离子以及将其他低价无机硫化物氧化成硫酸和硫酸盐。加工时，可掩膜控制去除区域利用，无机硫化物氧化成硫酸和硫酸盐。加工时，可掩膜控制去除区域利用，利用细菌
11、刻蚀达到成形的目的。利用细菌刻蚀达到成形的目的。生物去除成型加工工艺生物去除成型加工工艺 可加工材料可加工材料：根据氧化亚铁硫杆菌刻蚀金属的原理，它可以加工多种：根据氧化亚铁硫杆菌刻蚀金属的原理，它可以加工多种金属材料：纯金属如铝、镁、铁、铜；合金如铜镍合金、铝合金及镁金属材料：纯金属如铝、镁、铁、铜；合金如铜镍合金、铝合金及镁合金等。合金等。优点优点：1 1）加工工件的材料种类非常广泛、不受到限制）加工工件的材料种类非常广泛、不受到限制,既可以是金属既可以是金属也可以是非金属；也可以是非金属；2)2)采用微生物进行加工的设备简单、低廉；采用微生物进行加工的设备简单、低廉；3)3)这种加工方法
12、对环境没有太大的污染这种加工方法对环境没有太大的污染,基本属于绿色加工。基本属于绿色加工。缺点缺点：加工过程中侧蚀仍是一个影响加工质量的重要因素，尤其是加：加工过程中侧蚀仍是一个影响加工质量的重要因素，尤其是加工深宽比较大时，侧蚀更加严重。对于侧蚀造成的加工误差目前还没工深宽比较大时，侧蚀更加严重。对于侧蚀造成的加工误差目前还没有很好的解决办法。这种方法局限于平面图形的深度延伸有很好的解决办法。这种方法局限于平面图形的深度延伸,不能制作不能制作连续复杂的三维结构。连续复杂的三维结构。2 2）生物约束成形）生物约束成形 生物约束成型加工时利用生物体为模板制备材料，与其它方法相比具生物约束成型加工
13、时利用生物体为模板制备材料，与其它方法相比具有原料来源广、成本低、形状规则以及多样等特点。有原料来源广、成本低、形状规则以及多样等特点。目前已发现的微生物中大部分细菌直径只有1m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么小的标准三维形状。这些菌体的金属化将会有以下用途：a.构造微管道，微电极、微导线构造微管道，微电极、微导线 b.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。材料等。c.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。d.金属化菌体
14、可作为新型雷达波隐身材料吸收剂。金属化菌体可作为新型雷达波隐身材料吸收剂。生物约束成型电磁吸收微粒3 3）生物生长成）生物生长成型型利用生物体和生物分子具有利用生物体和生物分子具有繁殖、代谢、生长、遗传、重组繁殖、代谢、生长、遗传、重组等特点，高效生产用于机械构形等特点，高效生产用于机械构形的生物微形体。的生物微形体。未来将实现人工控制细胞团未来将实现人工控制细胞团的生长外形和生理功能的生物生的生长外形和生理功能的生物生长成形技术。可以利用生物生长长成形技术。可以利用生物生长技术控制基因的遗传形状特征和技术控制基因的遗传形状特征和遗传生理特征，生长出所需外形遗传生理特征，生长出所需外形和生理功
15、能的人工器官，用于延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长人类生命或构造生物型微机电系统。系统。三、生物制造的应用案例三、生物制造的应用案例大规模集成电路（计算机核心元件）材料为硅。提高了集成度，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：材料：(1)细胞色素细胞色素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1000倍。这两种状态的转换可通过适当方式加上或撤去倍。这两种状态的转换可通过适当方式加上
16、或撤去1.5伏的电压伏的电压来实现，它可作为记忆元件。来实现，它可作为记忆元件。(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。的开关信号。(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。存储器的分子模型。(4)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，它们传递信息速度
17、与电子导电情况无多大差别，但能耗极低。传递信息速度与电子导电情况无多大差别，但能耗极低。1.1.生物计算机生物计算机美国研制成功了可使盲人重见光明的美国研制成功了可使盲人重见光明的“眼睛芯片眼睛芯片”。这种芯片是由一个无线录像。这种芯片是由一个无线录像装置和一个激光驱动的、固定在视网膜上的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。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，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并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片，电脑芯片上的电极构成的图像信
18、号则刺激视网膜神经细胞，使图像信号通过视神经激视网膜神经细胞，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。传送到大脑，这样盲人就可以见到这些图像。2.2.可使盲人重见光明的可使盲人重见光明的“眼睛芯片眼睛芯片”3.3.个性化人造器官个性化人造器官据统计，仅在美国每年有数百万的患者患有各种组织、器官的丧据统计，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，每年需要进行失或功能障碍，每年需要进行800万次手术，年耗资万次手术，年耗资400亿美元。亿美元。我国目前有大约我国目前有大约150万尿毒症患者，每年却仅能做万尿毒症患者，每年却仅能做3000例肾脏移例肾脏移植手
19、术；有植手术；有400万白血病患者在等待骨髓移植，而全国骨髓库的资料万白血病患者在等待骨髓移植，而全国骨髓库的资料才才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。斥作用，成活率很低的问题。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，医院就能像工厂生产零部件一样，根据患者的缺失情织。在将来，医院就能像工厂生产零部件一样，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，做好了安装况，需要什么培养什么，需要多少做多
20、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，为每一个患者提上就能发挥作用。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，个性化人造器官就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，再利用外来的一些高分子材料，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。生物学家首先制定构建某种组织或器官的设计图，并按照图纸要生物学家首先制定构建某种组织或器官的设计图，并按照图纸要求制备一种特殊的骨架，这种骨
21、架要具有降解特性，降解后对人体求制备一种特殊的骨架，这种骨架要具有降解特性，降解后对人体无害，并能提供细胞生长场所。生物学家将患者残余器官的少量正无害，并能提供细胞生长场所。生物学家将患者残余器官的少量正常细胞作为常细胞作为“种子细胞种子细胞”，“种种”在人造骨架上，并提供合适的生在人造骨架上，并提供合适的生长因子，让细胞分泌出建造组织或器官所需的细胞间质，最后作为长因子，让细胞分泌出建造组织或器官所需的细胞间质，最后作为骨架的生物的生物反应器里培养，等到整个器官在体外骨架的生物的生物反应器里培养，等到整个器官在体外“长长”好之好之后，再移植到材料在细胞培育过程中，逐渐降解而消失。整个器官后，
22、再移植到材料在细胞培育过程中，逐渐降解而消失。整个器官在完全无菌患者体内，由于是他自身细胞在完全无菌患者体内，由于是他自身细胞“长长”成的器官，患者就成的器官，患者就不会产生排斥反应。不会产生排斥反应。生物可吸收性生物可吸收性PLGAPLGA骨螺丝成品骨螺丝成品生物可吸收性生物可吸收性PLGAPLGA骨板成品骨板成品生物可吸收性生物可吸收性PLGAPLGA多孔性基材多孔性基材一种更简单的人造器官方法一种更简单的人造器官方法:把作为支架的高分子材料、细胞和生把作为支架的高分子材料、细胞和生长因子混合在一起，注射到患者体内需要修复的部位，让这些原料长因子混合在一起，注射到患者体内需要修复的部位，让
23、这些原料“长长”出一个完整的器官来。到时，去医院修补器官就像现在打针一出一个完整的器官来。到时，去医院修补器官就像现在打针一样方便。这种新的方法叫做样方便。这种新的方法叫做“可注射工程可注射工程”。注射能促进牙龈组织再注射能促进牙龈组织再生的生物材料生的生物材料 可注射组织工程示意图可注射组织工程示意图 美国马萨诸塞大学的查尔斯美国马萨诸塞大学的查尔斯瓦坎蒂教授在生物反应器里为两位瓦坎蒂教授在生物反应器里为两位切掉拇指的机械师培育了拇指的指骨。与此同时，安东尼切掉拇指的机械师培育了拇指的指骨。与此同时，安东尼阿塔拉领阿塔拉领导的一个由波士顿儿童医院的医生组成的小组正计划把用胎儿细胞培导的一个由
24、波士顿儿童医院的医生组成的小组正计划把用胎儿细胞培育的膀胱植入人体。美国阿特丽克斯公司生产了一种掺有生长激素和育的膀胱植入人体。美国阿特丽克斯公司生产了一种掺有生长激素和疗效药物的可吸收生物材料，它能促进牙龈组织再生。疗效药物的可吸收生物材料，它能促进牙龈组织再生。德国汉诺威医学高等专科学校的赫尔穆特德国汉诺威医学高等专科学校的赫尔穆特德雷克斯勒教授首先德雷克斯勒教授首先从心肌梗塞患者的骨髓中提取出干细胞，经过一系列特殊处理后，这从心肌梗塞患者的骨髓中提取出干细胞，经过一系列特殊处理后，这些病人的自体干细胞通过特制导管被植入发生梗塞的心脏动脉中。试些病人的自体干细胞通过特制导管被植入发生梗塞的
25、心脏动脉中。试验结果显示，接受新疗法的病人心脏能够自行康复，并可以再生心脏验结果显示，接受新疗法的病人心脏能够自行康复，并可以再生心脏肌肉组织。肌肉组织。(2)(2)个性化人造器官的研究进展个性化人造器官的研究进展 我国的曹谊林教授在裸鼠身上移我国的曹谊林教授在裸鼠身上移植了世界上第一个个性化人造耳：先植了世界上第一个个性化人造耳：先用高分子化学材料聚羟基乙酸做成人用高分子化学材料聚羟基乙酸做成人造耳的模型支架，然后让细胞在这个造耳的模型支架，然后让细胞在这个支架上繁殖生长。支架最后会自己降支架上繁殖生长。支架最后会自己降解消失。将裸鼠的背上割开一个口子，解消失。将裸鼠的背上割开一个口子，然后
26、将已经培养好的人造耳植入后缝然后将已经培养好的人造耳植入后缝合。合。该技术已经开始用于临床实验。该技术已经开始用于临床实验。2001年，曹教授利用个性化人造颅骨技术为颅骨破损达年，曹教授利用个性化人造颅骨技术为颅骨破损达66cm的患的患者成功修补了颅骨。者成功修补了颅骨。1.1.生物制造系统正在形成生物制造系统正在形成四、生物制造发展四、生物制造发展目前已将快速成形制造技术人工骨研究相结合，为颅骨、颚骨等骨目前已将快速成形制造技术人工骨研究相结合，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。骼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1982年将生物技术列为八大重点
27、技术之一。生物学科与制造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，正在形成一个新的学科叉，正在形成一个新的学科生物制造系统（生物制造系统（Biological Manufacturing System，BMS）。）。我国在我国在2003年年3月和月和2004年年7月，先后两次召开了全国生物制造工月，先后两次召开了全国生物制造工程学术研讨会，专家们探讨的主要问题有：生物制造工程的定义、内程学术研讨会，专家们探讨的主要问题有：生物制造工程的定义、内涵及意义；生物医学
28、工程与生物制造的联系；生物制造的研究特点、涵及意义；生物医学工程与生物制造的联系；生物制造的研究特点、方向及方法；生物制造的应用领域。方向及方法；生物制造的应用领域。2.2.生物制造的发展前景生物制造的发展前景在机器人、微机电系统、微型武器方面，将更多地应用生物动力、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。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DNA双螺旋，改双螺旋，改造生命特征造生命特征;实现各种蛋白质分子和酶分子的组装，构造纳米人工生实现各
29、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和电子传递。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，人体各种器官在医疗方面，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。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、纳米功能涂层、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、微系统等。纳米微管、功能材料、微器件、微动力、微传感器、微系统等。参考文献【1】生物制造制造技术和生命科学的完美组合（林岗、许家民、马莉）机械制造44卷，第500期。【2】张世琪、李迎、孙宇等，现代制造引论，北京科学技术出版社，2003.【3】张德远，蔡军，李翔等，仿生制造的生物成型方法，机械工程学报，第46卷，第5期。【4】王西彬，金属的生物去除加工法，新技术新工艺，材料与表面处理，2003年第5期。【5】颜永年，张婷，王小红，细胞及生物材料的成型制造技术，机械工程学报，第46卷第5期。THANK YOU!
