生物制造介绍省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

报告人：XXX生物成形制造01月04日第1页College of Mechanical Engineering目录目录 背景背景 生物制造概念及内容生物制造概念及内容 生物成形制造方式及应用生物成形制造方式及应用 总结与展望总结与展望10月10日2第2页College of Mechanical Engineering背景背景310月10日90年代初，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研究，并初步证实了微生物加工金属材料可行性；1995年，清华大学教授颜永年将生长成形、去除成形、受迫成形、离散-堆积成形并列为四大成形工艺，从学科高度概括了当今和未来成形方法；在3月和年7月，我国先后两次召开了全国生物制造工程学术研讨会，教授们探讨主要问题有：生物制造工程定义、内涵及意义；生物医学工程与生物制造联络；生物制造研究特点、方向及方法；生物制造应用领域。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开始逐步形成一个新学科生物制造系统；第3页College of Mechanical Engineering生物制造定义与内容生物制造定义与内容410月10日包含仿生制造、生物质和生物体制造，包括生物学和医学制造科学和技术均可视为生物制造，用BMBio-Manufacturing表示；宽泛定义主要指生物体制造，是利用当代制造科学和生命科学原理和方法，经过单个细胞或细胞团簇直接和间接收控组装，完成含有新陈代谢特征生命体成形和制造，经培养和训练，完成用以修复或替换人体病损组织和器官；狭义定义生物制造仿生制造生物成形制造其它生物组织和结构仿生生物遗传制造生物控制仿生生物去除成形生物约束成形生物生长成形生物连接成形生物复制成形生物自组织成形第4页College of Mechanical Engineering生物去除成形生物去除成形510月10日关键找到适当菌种：生物去除成形：找到“吃”一些工程材料菌种，利用它们对材料腐蚀关系，加工时，可掩膜控制去除区域实现生物去除成形(Bioremoving forming)。氧化硫硫杆菌（T.t）；氧化亚铁硫杆菌(T.f)；氧化亚铁小螺旋菌；耐热硫化硫杆菌；加荣氏菌；氧化硫硫杆菌氧化硫硫杆菌氧化亚铁硫杆菌氧化亚铁硫杆菌氧化亚铁硫杆菌(T.f)工作原理；第5页College of Mechanical Engineering生物去除成形生物去除成形610月10日优点：生物去除成形：找到“吃”一些工程材料菌种，利用它们对材料腐蚀关系，加工时，可掩膜控制去除区域实现生物去除成形(Bioremoving forming)。a）b）图图 生物去除成形试验过程生物去除成形试验过程a a）光刻工艺过程）光刻工艺过程 b b）生物加工过程）生物加工过程加工材料种类广泛，可金属或非金属；所需设备简单、低廉；属于绿色加工，污染小；用于微加工，精度高，工件质量好；与化学腐蚀相比，更稳定；缺点：侧蚀问题不可控；生物去除加工出微小零件生物去除加工出微小零件第6页College of Mechanical Engineering生物约束成形生物约束成形710月10日利用背景：生物约束成形：利用化学镀、溶胶凝胶、电镀等约束成形工艺，将所需微生物金属化，从而到达所需功效。结构微管道、微电极、微导线等;菌体排序与固定，结构复合材料、多孔材料、磁性功效材料等；对蜂窝结构表面去除，结构微孔过滤膜、光学衍射孔等；作为新型雷达波隐身材料吸收剂；钝顶螺旋藻钝顶螺旋藻腊状芽孢杆菌腊状芽孢杆菌固囊酵母菌固囊酵母菌作为导弹涂层作为导弹涂层第7页College of Mechanical Engineering生物约束成形生物约束成形810月10日微生物细胞金属化工艺：生物约束成形：利用化学镀、溶胶凝胶、电镀等约束成形工艺，将所需微生物金属化，从而到达所需功效。腊状芽孢杆菌化学镀腊状芽孢杆菌化学镀Co-Ni-PCo-Ni-P切片切片钝顶螺旋藻化学镀钝顶螺旋藻化学镀Co-Ni-PCo-Ni-P后后SEMSEM图图第8页College of Mechanical Engineering生物生长成形生物生长成形910月10日1、铁细菌定向生长成形：生物生长成形：利用生物体和生物分子繁殖、代谢、生长、遗传、重组等特点，实现人工控制细胞团生长外形和生理功效生物生长成形技术。第9页College of Mechanical Engineering生物生长成形生物生长成形1010月10日2、个性化人造器官：生物生长成形：利用生物体和生物分子繁殖、代谢、生长、遗传、重组等特点，实现人工控制细胞团生长外形和生理功效生物生长成形技术。我国当前有大约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候骨髓移植，而全国骨髓库资料才3万份，大量患者都因等不到器官而死亡，而且器官移植存在排斥作用，成活率很低问题。曹谊林：第一个个性化人造耳：人造耳模型支架（聚羟基乙酸）细胞生长繁殖（最终支架降解）移植到裸鼠背部该技术已经开始用于临床试验。第10页College of Mechanical Engineering生物生长成形生物生长成形1110月10日2、个性化人造器官：生物生长成形：利用生物体和生物分子繁殖、代谢、生长、遗传、重组等特点，实现人工控制细胞团生长外形和生理功效生物生长成形技术。一个更简单人造器官方法:把作为支架高分子材料、细胞和生长因子混合在一起，注射到患者体内需要修复部位，让这些原料“长”出一个完整器官来。到时，去医院修补器官就像现在打针一样方便。这种新方法叫做“可注射工程”。注射能促进牙龈组织再生生物材料注射能促进牙龈组织再生生物材料可注射组织工程示意图可注射组织工程示意图第11页College of Mechanical Engineering生物连接成形生物连接成形1210月10日硅藻连接成形：生物连接成形：利用生物分子连接活体与非活体结构生物器件。第12页College of Mechanical Engineering生物复制成形生物复制成形1310月10日以仿鲨鱼皮表面为例：生物复制成形：直接以生物为模板复制逼真形貌特征，如减阻生物复制成形，就是以减阻生物为模板复制其减阻外形、减阻形貌、减阻界面。基板加热 样本叠放与施等静压 弹性脱模 复型翻模工艺流程：基板：聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)，加热到105；静压：压力视面积而定，30min；脱模：保压降温至70；复型：双组份模具硅橡胶RTV-II 5230；第13页College of Mechanical Engineering生物复制成形生物复制成形1410月10日以仿鲨鱼皮表面为例：生物复制成形：直接以生物为模板复制逼真形貌特征，如减阻生物复制成形，就是以减阻生物为模板复制其减阻外形、减阻形貌、减阻界面。减阻效果：仿鲨鱼皮表面最大减阻率到达8.25，最小减阻率为5.28，平均减阻率为6.91在输油、输气、输水管道减阻内衬制造方面含有主要应用价值；在飞机、船舶、车辆等交通工具减阻蒙皮制造方面一样含有主要应用价值；仿生减阻表面生物复制成形技术应用前景鲨鱼皮鲨鱼皮微复制模板微复制模板仿生鲨鱼皮仿生鲨鱼皮第14页College of Mechanical Engineering生物自组织成形生物自组织成形1510月10日生物自组织成形：直接利用单细胞生物自组织成形群体、单体及亚结构来结构微纳米功效器件。生物计算机：细胞色素细胞色素C CDNADNA分子结构分子结构 大规模集成电路（计算机关键元件）材料为硅。提升了集成度，引发难于处理散热问题。生物芯片能够处理类似问题，有以下生物材料：细胞色素C 它含有氧化和还原两种状态，其导电率相差1000倍。这两种状态转换可经过适当方式加上或撤去1.5伏电压来实现，它可作为记忆元件；细菌视紫红质 它是一个光驱动开关原型。由光辐射开启质子泵在膜两边形成电位，经离子灵敏场效应放大后，可给出很好开关信号。DNA分子 它以核苷酸碱基编码方式存放遗传信息，是一个存放器分子模型。第15页College of Mechanical Engineering总结与展望总结与展望1610月10日二十一世纪被称为生命科学和生物技术时代，生物技术在改善人类健康状况及生存环境、提高农牧业以及工业产量与质量都正在发挥着越来越重要作用。生物成形制造为微纳尺度制造引入了一种全新方式，产生了许多新研究方向，今后将在以下几个方面有更多研究：生物活性组织和器官工程化制造；仿生制造；生物芯片制造；第16页College of Mechanical Engineering10月10日17谢谢谢谢 第17页