先进制造技术（生物制造）

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1、6.6生物制造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。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。我国于1982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，正在形成一个新的学科——生物制造系统（BiologicalManufacturingSystem，BMS）。我国在2003年3月和2004年7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

2、主要问题有：①生物制造工程的定义、内涵及意义；②生物医学工程与生物制造的联系；③生物制造的研究特点、方向及方法；④生物制造的应用领域。1.生物制造系统正在形成6.6.1生物制造的发展在机器人、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。在纳米技术方面，实现纳米尺度上裁剪或连接DNA双螺旋，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

3、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。2.生物制造的发展前景6.6.1生物制造的发展1.生物制造的概念生物制造？（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、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称。6.6.2生物制造的概念与内容2.生物制造的内容生物制造工程的体系结构生长型制造原理自组织生长原理分布式制造原理分形理论其他理论⑴仿生制造生物组织和结构的仿生生物遗传制造生物控制的仿生⑵生物成形制造⑶其他方法产品制造科学生命科学材料

4、科学信息技术制造原理生物制造技术生物制造的基础6.6.2生物制造的概念与内容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6个研究方向：（1）仿生制造生物组织和结构的仿生生物遗传制造生物控制的仿生3.生物制造工程的研究方向6.6.2生物制造的概念与内容（2）生物成形制造生物去除成形生物约束成形生物生长成形生物活性组织的工程化制造和类生物智能体的制造。如：①生物活性组织的工程化制造：将组织工程材料与快速

5、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造。②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，即生物存储体和逻辑装置。1）生物组织和结构的仿生6.6.2生物制造的概念与内容依靠生物DNA的自我复制，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、生物材料和非生物材

6、料的有机结合，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、器官、肢体，以及生物材料结构的机器零部件等。2）生物遗传制造6.6.2生物制造的概念与内容应用生物控制原理来计算、分析和控制制造过程。例如:人工神经网络遗传算法仿生测量研究面向生物工程的微操作系统原理设计与制造基础3）生物控制的仿生6.6.2生物制造的概念与内容找到“吃”某些工程材料的菌种，实现生物去除成形(Bioremovingforming)；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

7、物约束成形(Biolimitedforming)；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，实现生物生长成形(Biogrowingforming)。生物去除成形（BioremovingForming）生物约束成形（BiolimitedForming）生物生长成形（BiogrowingForming）（2）生物成形制造6.6.2生物制造的概念与内容例：氧化亚铁硫杆菌T—9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无机硫化物氧化成硫酸和硫酸盐。加工时，可掩膜控

8、制去除区域利用，利用细菌刻蚀达到成形的目的。1）生物去除成形a）b）图生物去除成形实验过程a）光刻工艺过程b）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