先进制造技术(生物制造)课件.ppt
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- 先进 制造 技术 生物 课件
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1、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,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技术人工骨研究相结合,为颅骨、颚骨等骨骼的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。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
2、交叉,正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)。)。我国在我国在20032003年年3 3月和月和20042004年年7 7月,先后两次召开了全国生物制造工程学术月,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: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;生物制造工程的定义、内涵及意义;生物医学工程与生物制造的联系;生物医学工程
3、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6.6.1 生物制造的发展生物制造的发展 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
4、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。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。2.2.生物制造的发展前景生物制造的发展前景6.6.1 生物制造的发展
5、生物制造的发展1.生物制造的概念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。6.6.2 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容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
6、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6.6.2 生物制造的概念与内容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、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
7、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 6.6.2 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 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。如:如:生物活性组织的工程化制造生物
8、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
9、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)生物组织和结构的仿生生物组织和结构的仿生 6.6.2 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 依靠生物依靠生物DNADNA的自我复制,利用转基的自我复制,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,并根据生成物的各物材料的有机结合,并根据生成物
10、的各种特征,种特征,采用人工控制生长单元体内的采用人工控制生长单元体内的遗传信息为手段遗传信息为手段,直接生长出任何人类,直接生长出任何人类所需要的产品,如人或动物的骨骼、器所需要的产品,如人或动物的骨骼、器官、肢体,以及生物材料结构的机器零官、肢体,以及生物材料结构的机器零部件等。部件等。生物遗传制造生物遗传制造 6.6.2 生物制造的概念与内容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。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设计与制造
11、基础设计与制造基础3 3)生物控制的仿生)生物控制的仿生 6.6.2 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 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 forming)(Bioremoving forming);复制或金属化;复制或金属化 不同标准几何外形与不同标准几何外形与亚结构的菌体,再经排序或微操作,实现生物约束成形亚结构的菌体,再经排序或微操作,实现生物约束成形(Biolimited forming)(Biolimited forming);甚至通过控制基因的遗传形状特征和;甚至通过控制基因的遗传形状特征和遗传生
12、理特征,生长出所需的外形和生理功能,实现生物生长遗传生理特征,生长出所需的外形和生理功能,实现生物生长成形成形(Biogrowing forming)(Biogrowing forming)。生物去除成形生物去除成形 (Bioremoving Forming)生物约束成形生物约束成形 (Biolimited Forming)生物生长成形生物生长成形 (Biogrowing Forming)6.6.2 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 例:例:氧化亚铁硫杆菌氧化亚铁硫杆菌T T9 9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
13、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)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6.6.2 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 2 2)生物约束成形)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
14、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,构造蜂窝结构、复合材料、多孔材料、磁性功能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。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。6.6.2 生物制造的概念与内容生物制造的概念与
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