微纳制造与生物制造

n 微纳制造微纳制造n 生物制造生物制造微纳制造n 微纳制造的开展微纳制造的开展 n 微系统的关键技术微系统的关键技术 n 纳米加工技术纳米加工技术n 微纳制造例子微纳制造例子微纳制造的概念微纳制造的概念 微纳制造技术是关于微系统和纳米技术的统称。微纳制造技术是关于微系统和纳米技术的统称。1 1微系统微系统 是指集成了微电子和微机械或光学、化学、是指集成了微电子和微机械或光学、化学、生物等方面微元件的系统。它以微米尺度理论为根底，用生物等方面微元件的系统。它以微米尺度理论为根底，用批量化的微电子技术和三维加工技术来完成信息获取、处理批量化的微电子技术和三维加工技术来完成信息获取、处理及执行等功能。微系统按特征尺寸范围可分为三类：及执行等功能。微系统按特征尺寸范围可分为三类：1mm-1mm-10mm10mm的微小机械，的微小机械，1m-1mm1m-1mm的微机械，的微机械，1n-10m1n-10m的纳米的纳米机械。机械。2 2纳米技术纳米技术 是指纳米级是指纳米级0.1nm-100nm0.1nm-100nm的材料、设计、的材料、设计、加工、测量、控制和产品的技术。加工、测量、控制和产品的技术。微纳制造的开展 2.2.微纳制造技术的应用微纳制造技术的应用 微型机械将逐步走向实用化，对工农业、信息、环境、生物医微型机械将逐步走向实用化，对工农业、信息、环境、生物医疗、空间、国防等领域的开展将产生重大影响。疗、空间、国防等领域的开展将产生重大影响。医学：微系统可用于视网膜手术、修补血管等。医学：微系统可用于视网膜手术、修补血管等。工业：微型机电产品可以在管路检修和飞机内部检修等狭窄空工业：微型机电产品可以在管路检修和飞机内部检修等狭窄空间和恶劣环境下进行诊断和修复工作。间和恶劣环境下进行诊断和修复工作。航空航天：制造自适应性蒙皮，用以改善气流特性；航空航天：制造自适应性蒙皮，用以改善气流特性；汽车：在轮胎内嵌入微型压力传感器用以保持适当充气，防止汽车：在轮胎内嵌入微型压力传感器用以保持适当充气，防止无气过量或缺乏，仅此一项就可节油无气过量或缺乏，仅此一项就可节油1010。微纳制造的开展 微系统的关键技术 微系统是一个新兴的、多学科交叉的高科技领域，其涉及许多关键技术。当一个系统的特征尺寸到达微米级和纳米级时，将会产生许多新的科学问题。微系统研究领域的前沿关键技术有：微系统设计技术 微细加工技术 微系统组装和封装技术 微系统的表征和测试技术微细加工技术 微细加工：微小尺寸几微米到几毫米工件的材料去除方法。微小尺寸加工和一般尺寸加工不同点：1精度的表示方法：公差、尺寸绝对值2微观机理：前者在晶粒几微米到几百微米内切削，后者吃刀量大，无视晶粒本身大小。3加工特征：前者以别离或结合原子、分子为加工对象，以电子束、离子束和激光束等为加工根底，采用刻蚀、层积、溅射和蒸镀等手段。微细加工技术分类 微细加工技术：微电子技术、传统机械加工技术和特种加工技术衍生而成。1微蚀刻加工：硅平面技术衍生，可批量制作、预组装及容易与微电子电路集成的技术特点，适宜微型传感器制作。2微细特种加工：设备昂贵、对环境要求高。3微细切削加工：微细车削、微细铣削、微细磨削等。纳米纳米NanometerNanometer,是一个长度单位，简写为是一个长度单位，简写为nmnm。纳米技术是纳米技术是2020世纪世纪8080年代末期诞生并在蓬勃开展的一种高新科学年代末期诞生并在蓬勃开展的一种高新科学技术。纳米不仅是一个空间尺度上的概念，而且是一种新的思维技术。纳米不仅是一个空间尺度上的概念，而且是一种新的思维方式，即生产过程越来越细，以至于在纳米尺度上直接由原子、方式，即生产过程越来越细，以至于在纳米尺度上直接由原子、分子的排布制造的具有特定功能的产品。分子的排布制造的具有特定功能的产品。1.1.纳米技术的含义纳米技术的含义 纳米技术是指纳米级纳米技术是指纳米级0.1100nm0.1100nm的材料、设计、制造、测的材料、设计、制造、测量、控制和产品的技术。它将加工和测量精度从微米级提高到纳量、控制和产品的技术。它将加工和测量精度从微米级提高到纳米级。米级。2.2.纳米技术的主要内容纳米技术的主要内容 纳米技术是一门多学科交叉的高新技术，从根底研究角度来看纳米技术是一门多学科交叉的高新技术，从根底研究角度来看，纳米技术包括：纳米生物学、纳米电子学、纳米化学、纳米材，纳米技术包括：纳米生物学、纳米电子学、纳米化学、纳米材料和纳米机械学等新学科。料和纳米机械学等新学科。纳米加工技术 纳米加工技术纳米级加工是指：加工精度高于纳米级加工是指：加工精度高于10-3m10-3m，外表粗糙度，外表粗糙度RaRa小于，到小于，到达纳米级精度。包括纳米级尺寸精度、纳米级几何形状精度和纳达纳米级精度。包括纳米级尺寸精度、纳米级几何形状精度和纳米级外表质量。米级外表质量。纳米级加工方法包括：机械加工、化学腐蚀、能量束加工、复合纳米级加工方法包括：机械加工、化学腐蚀、能量束加工、复合加工、扫描隧道显微加工等。加工、扫描隧道显微加工等。纳米级机械加工方法包括：单晶金刚石刀具的超精密磨削；金刚纳米级机械加工方法包括：单晶金刚石刀具的超精密磨削；金刚石砂轮和立方氮化硼砂轮的超精密磨削及镜面磨削；衍磨和砂带石砂轮和立方氮化硼砂轮的超精密磨削及镜面磨削；衍磨和砂带抛光等固定磨料工具的加工；衍磨、抛光等自由磨料的加工等。抛光等固定磨料工具的加工；衍磨、抛光等自由磨料的加工等。纳米加工技术 纳米加工技术主要有纳米加工技术主要有5 5个方面：个方面：采用微化的定形整体刀具或非定形磨料工具进行机械加工：采用微化的定形整体刀具或非定形磨料工具进行机械加工：如车削、钻削、铣削和磨削。如车削、钻削、铣削和磨削。采用电加工或在其根底上的复合加工，如微细电火花加工、采用电加工或在其根底上的复合加工，如微细电火花加工、线放电磨削加工、线电化磨削、电化加工等。线放电磨削加工、线电化磨削、电化加工等。采用光、声等能量加工法，如微细激光束加工、微细超声采用光、声等能量加工法，如微细激光束加工、微细超声加工。加工。采用光化掩模加工法，如光刻法，采用光化掩模加工法，如光刻法，LIGALIGA法。法。采用层积增生法，如曲面的磁膜镀覆，多层薄膜镀覆和液采用层积增生法，如曲面的磁膜镀覆，多层薄膜镀覆和液滴层积。滴层积。1 1光刻电铸光刻电铸LIGALIGA技术工艺过程为：技术工艺过程为：采用深层同步辐射光刻，涂覆光致采用深层同步辐射光刻，涂覆光致抗蚀剂抗蚀剂a a，X X射线曝光蚀刻出图形射线曝光蚀刻出图形b b；电铸，以曝光蚀刻的图形实体作为电铸，以曝光蚀刻的图形实体作为电铸用胎模，用电沉积法在胎模上沉积电铸用胎模，用电沉积法在胎模上沉积金属金属c c，生成微铸件，生成微铸件d d 注射成形，以微铸件为模具，即可注射成形，以微铸件为模具，即可加工所要求的微零件加工所要求的微零件e e。图 LIGA法的工艺过程a）涂覆光致抗蚀剂 b）X射线曝光蚀刻c）电铸 d）微铸件 e）注射成形零件d）纳米加工技术2 2半导体加工技术半导体加工技术 半导体加工技术即半导体外表和立体的微细加工；半导体加工技术即半导体外表和立体的微细加工；指在以硅为主要材料的基片上进行沉积、光刻与蚀刻的工艺指在以硅为主要材料的基片上进行沉积、光刻与蚀刻的工艺过程。过程。半导体加工技术使微系统的制作具有低本钱、大批量生产的半导体加工技术使微系统的制作具有低本钱、大批量生产的潜力。潜力。纳米加工技术3 3集成电路集成电路ICIC技术技术 集成电路集成电路ICIC技术是一种开展十分迅速且较成熟的制作技术是一种开展十分迅速且较成熟的制作大规模电路的加工技术，在微机械加工中使用较为普遍，大规模电路的加工技术，在微机械加工中使用较为普遍，是一种平面加工技术。是一种平面加工技术。但该技术的刻蚀深度只有数百纳米，且只限于制作硅材料但该技术的刻蚀深度只有数百纳米，且只限于制作硅材料的零部件。的零部件。纳米加工技术4 4超微机械加工和电火花线切割加工超微机械加工和电火花线切割加工用小型精密金属切削机床及电火花、线切割等加工方法，制作用小型精密金属切削机床及电火花、线切割等加工方法，制作毫米级尺寸左右的微机械零件，是一种三维实体加工技术，加毫米级尺寸左右的微机械零件，是一种三维实体加工技术，加工材料广泛，但多是单件加工、单件装配，费用较高。工材料广泛，但多是单件加工、单件装配，费用较高。纳米加工技术5 5键合技术键合技术 键合技术是一种把两个固体部件在一定的温度与电压下键合技术是一种把两个固体部件在一定的温度与电压下直接键合在一起的封装技术，其间不用任何粘接剂，在直接键合在一起的封装技术，其间不用任何粘接剂，在键合过程中始终处于固相状态。键合过程中始终处于固相状态。纳米加工技术6 6分子装配技术分子装配技术 20 20世纪世纪8080年代初创造的扫描隧道显微镜年代初创造的扫描隧道显微镜Scanning Scanning Tunneling MicrosoftTunneling Microsoft，STMSTM以及后来在以及后来在STMSTM根底上派生出来根底上派生出来的原子力显微镜的原子力显微镜Atomic Force MicrosoftAtomic Force Microsoft，AFMAFM，使观察，使观察分子、原子的结构从宏观世界进入了微观世界。分子、原子的结构从宏观世界进入了微观世界。利用其探针的尖端可以俘获和操纵分子和原子，并可以按照利用其探针的尖端可以俘获和操纵分子和原子，并可以按照需要拼成一定的结构，进行分子和原子的装配制作微机械。需要拼成一定的结构，进行分子和原子的装配制作微机械。纳米加工技术1.1.电子束光刻加工技术电子束光刻加工技术 集成电路已经从集成电路已经从2020世纪世纪6060年代的每个芯片上包含仅几十个器年代的每个芯片上包含仅几十个器件开展到现在的约件开展到现在的约1010亿个器件，其集成度每亿个器件，其集成度每3 3年提高年提高4 4倍。倍。这一增长速度导致了半导体市场在过去这一增长速度导致了半导体市场在过去3030年中以年均约年中以年均约15%15%的的速度增长，对现代经济、国防和社会产生了巨大的影响。速度增长，对现代经济、国防和社会产生了巨大的影响。集成电路之所以能飞速开展，光刻技术的支持起到了极为关集成电路之所以能飞速开展，光刻技术的支持起到了极为关键的作用。键的作用。微纳制造应用案例1.1.电子束光刻加工技术电子束光刻加工技术 电子束光刻是在由掩膜其上有电路图形、光致抗蚀剂涂电子束光刻是在由掩膜其上有电路图形、光致抗蚀剂涂层和半导体基片构成的三层材料上，利用电子束透射掩膜，照层和半导体基片构成的三层材料上，利用电子束透射掩膜，照射到光致抗蚀剂涂层上，由于化学反响，经显影后，在光致抗射到光致抗蚀剂涂层上，由于化学反响，经显影后，在光致抗蚀剂涂层上就形成与掩膜相同的所需线路图形。蚀剂涂层上就形成与掩膜相同的所需线路图形。在基片上形成电路有两种处理方法：在基片上形成电路有两种处理方法：用离子束溅射去除，可得到凹形电路。用离子束溅射去除，可得到凹形电路。用金属蒸镀方法，可形成凸形电路。用金属蒸镀方法，可形成凸形电路。微纳制造应用案例1.1.电子束光刻加工技术电子束光刻加工技术图 电子束光刻加工过程微纳制造应用案例2.2.微型机械昆虫微型机械昆虫n 加州大学布克莱分校的学者花了三年时间，研加州大学布克莱分校的学者花了三年时间，研究自然界昆虫的特别飞行方式，并根据非究自然界昆虫的特别飞行方式，并根据非稳定速稳定速度模式的气动学原理度模式的气动学原理，制造了只有，制造了只有 25 25 毫米宽毫米宽 的微型机械昆虫。的微型机械昆虫。n 机械昆虫有类似同类生物的灵活胸腔结构，并机械昆虫有类似同类生物的灵活胸腔结构，并在其中置有压电致动器，可作有力及高频率的振在其中置有压电致动器，可作有力及高频率的振翅动作，只要装上锂电池或太阳能充电电池，便翅动作，只要装上锂电池或太阳能充电电池，便能像自然界中的昆虫一样自动不停的飞翔。能像自然界中的昆虫一样自动不停的飞翔。微纳制造应用案例3.3.世界最小的微型机械人世界最小的微型机械人n 美国科学家成功研制了世界最小的微型机美国科学家成功研制了世界最小的微型机械人，其只有械人，其只有1/41/4立方寸，体重小於立方寸，体重小於1 1盎司。盎司。n 科学家希望利用这种微型机械人，帮助侦科学家希望利用这种微型机械人，帮助侦查地雷，化学及生物武器的所在；查地雷，化学及生物武器的所在；n 机械人体积细小，可爬进建筑物管道找出机械人体积细小，可爬进建筑物管道找出化学品等，并将有关信息传送到指挥中心；化学品等，并将有关信息传送到指挥中心；n 科学家还可以部署一群微型机械人，进行科学家还可以部署一群微型机械人，进行不同的任务。不同的任务。微纳制造应用案例4.4.以微型加工技术制造的机械耳蜗以微型加工技术制造的机械耳蜗 耳蜗里的听觉毛细胞可以感测到在淋巴液内移动的声波，并且耳蜗里的听觉毛细胞可以感测到在淋巴液内移动的声波，并且将声波转换为电子讯号，听神经再将此讯号传到达大脑。将声波转换为电子讯号，听神经再将此讯号传到达大脑。密西根大学研究人员研发出机械耳蜗。密西根大学研究人员研发出机械耳蜗。n 机械耳蜗的作用原理与生物耳蜗相同，机械耳蜗的作用原理与生物耳蜗相同，以薄膜结构模仿基底膜构造。以薄膜结构模仿基底膜构造。微纳制造应用案例5.5.微型机械零件微型机械零件“自组织化装配技术自组织化装配技术 东京大学山下勋教授利用自然界的东京大学山下勋教授利用自然界的“自组织化现象把散乱零件结合到一起，自组织化现象把散乱零件结合到一起，开发出微型机械零件开发出微型机械零件“自组织化自动装配技术。自组织化自动装配技术。原子在硅酸化物基片上可以自然成形，这种现象被称为原子在硅酸化物基片上可以自然成形，这种现象被称为“自组织化。自组织化。在微型零件外表涂上化学物质，让他们具有溶水性或排水性，然后放入溶液在微型零件外表涂上化学物质，让他们具有溶水性或排水性，然后放入溶液中。结果，排水性零件互相吸引，而与溶水性零件互相排斥。只要在零件外中。结果，排水性零件互相吸引，而与溶水性零件互相排斥。只要在零件外表涂料上下功夫，零件就会根据需要很好地结合在一起。表涂料上下功夫，零件就会根据需要很好地结合在一起。这种技术在超大规模集成电路微型装置镶嵌中大有用武之地。这种技术在超大规模集成电路微型装置镶嵌中大有用武之地。微纳制造应用案例6.6.纳米生物科技纳米生物科技-分子马达分子马达 美国康乃尔大学制造出与病毒差不多大的分子马达。美国康乃尔大学制造出与病毒差不多大的分子马达。该生物分子马达以该生物分子马达以200nm200nm长、长、80nm80nm直径宽的金属镍为轴，直径宽的金属镍为轴，以分子作为马达，以镍作为螺旋桨。以分子作为马达，以镍作为螺旋桨。该分子马达被浸泡至该分子马达被浸泡至ATPATP溶液中后，利用生物分子细胞溶液中后，利用生物分子细胞内的化学反响，以内的化学反响，以ATP ATP 作为能源，每秒转速可达作为能源，每秒转速可达8 8圈，圈，并可连续转动小时。并可连续转动小时。n 将来利用该马达所作成的潜艇就可进入人类的血管之中，不必藉由传统的将来利用该马达所作成的潜艇就可进入人类的血管之中，不必藉由传统的开刀方式，即可去除脑血管中的血块，清理血管壁上的沉积物质，以排除中开刀方式，即可去除脑血管中的血块，清理血管壁上的沉积物质，以排除中风的危机。风的危机。微纳制造应用案例n 科学家利用苯甲基与科学家利用苯甲基与C60C60的键结形成分子齿轮的雏型。因此，假设能将多的键结形成分子齿轮的雏型。因此，假设能将多个分子以准确的位置键结至纳米碳管上，这样所形成的分子齿轮，将成为组个分子以准确的位置键结至纳米碳管上，这样所形成的分子齿轮，将成为组成纳米机器非常有用的组件。成纳米机器非常有用的组件。7.7.纳米齿轮纳米齿轮 Nano GearNano Gear n 2002 2002年日本年日本Morinobu EndoMorinobu Endo教授利用纳米材教授利用纳米材料研制出世界上最小的齿轮。料研制出世界上最小的齿轮。n 该齿轮直径仅有，且具有良好的抗磨损、抗该齿轮直径仅有，且具有良好的抗磨损、抗热、滑动特性，为实现分子机器的实现又迈进热、滑动特性，为实现分子机器的实现又迈进了一大步。了一大步。微纳制造应用案例n 原子操纵术是原子操纵术是STM(STM(扫描穿透显微镜扫描穿透显微镜)的专长，具备微小且精密的操的专长，具备微小且精密的操控能力。控能力。n STM STM的主要构造局部有一根金属钨的主要构造局部有一根金属钨(W)(W)探针，针头仅有几个原子宽，探针，针头仅有几个原子宽，探针与被观测样品不接触，在其上方来回扫描，当距离很近约探针与被观测样品不接触，在其上方来回扫描，当距离很近约1010埃，针尖跟外表的偏压虽不大，但所产生的电场吸引从而把样品中埃，针尖跟外表的偏压虽不大，但所产生的电场吸引从而把样品中的原子拉离外表，并通过针头沿着外表移动到别处。的原子拉离外表，并通过针头沿着外表移动到别处。n 如果对这种现象善加利用，就能对单个原子进行操作，从而将它们如果对这种现象善加利用，就能对单个原子进行操作，从而将它们逐个按特定结构逐个按特定结构“组装成纳米机械。组装成纳米机械。8.8.原子操纵术原子操纵术 1990 1990年美国年美国IBMIBM的一群科学家，首度将的一群科学家，首度将一颗颗氙原子在镍外表上拖曳，逐颗将一颗颗氙原子在镍外表上拖曳，逐颗将3737颗原子排成颗原子排成“IBM“IBM三个英文字母。三个英文字母。微纳制造应用案例将一顆一顆的铁原子團,在Cu(111)外表上排列成“原子二字。将一顆一顆的一氧化碳原子團，在Pt(111)外表上排列成人的形狀。微纳制造应用案例n 莲花荷叶出污泥而不染，是运用自然纳米科技达成自我洁净的最正确实例。n n 科学家90年代发现荷叶叶面上存在着多重纳米和微米级的超微结构。n 莲花的叶面是由一层极细致的外表所组成，并非想象中的光滑，外表的结构与粗糙度达微米至纳米尺寸。叶面上布满细微的凸状物再加上外表所存在的蜡质，这使得在尺寸上远大于该结构的灰尘、雨水等降落在叶面上时，只能和叶面上凸状物形成点的接触。液滴在自身的外表张力作用下形成球状，藉由液滴在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这样的能力胜过人类的任何清洁科技。这就是莲花纳米外表“自我洁净的微妙所在。9.9.纳米材料的莲花效应纳米材料的莲花效应微纳制造应用案例9.9.纳米材料的莲花效应纳米材料的莲花效应微纳制造应用案例予独爱莲之出予独爱莲之出淤泥而不染淤泥而不染，濯清涟而不妖，濯清涟而不妖，中通外直，不蔓不枝，中通外直，不蔓不枝，香远益清，亭亭静植，香远益清，亭亭静植，可远观而不可亵玩焉。可远观而不可亵玩焉。微纳制造应用案例生物制造生物制造n 生物制造的开展生物制造的开展 n 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 n 生物制造应用案例生物制造应用案例1.1.生物制造系统正在形成生物制造系统正在形成 日本三重大学和冈山大学初步证实了微生物加工金属材料的可行性。日本三重大学和冈山大学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与人工骨研究相结合，为颅骨、颚骨等目前已将快速成形制造技术与人工骨研究相结合，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。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相互渗透、相互交叉，形成生物制造系统学科学科相互渗透、相互交叉，形成生物制造系统学科Biological Biological Manufacturing SystemManufacturing System，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；生物医学工程与生物制造的联系；生物制造的研究特涵及意义；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。点、方向及方法；生物制造的应用领域。生物制造的开展生物制造的开展2.2.生物制造的开展前景生物制造的开展前景 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。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，改造双螺旋，改造生命特征生命特征;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。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。生物制造的开展生物制造的开展1.1.生物制造的概念生物制造的概念生物制造清华大学颜永年教授等：生物制造清华大学颜永年教授等：通过制造科学与生命科学相结合，在微滴、细胞和分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。生产品的制造之科学和技术总称。生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容生物制造工程的体系结构生物制造工程的体系结构生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容3.3.生物制造工程的研究方向生物制造工程的研究方向 研究方向：如何把制造科学、生命科学、计算机技术、信研究方向：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。起来用于制造业，是生物制造工程的主要任务。两方面两方面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 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容1 1生物组织和结构的仿生生物组织和结构的仿生 包括生物活性组织的工程化制造和类生物智能体的制造。包括生物活性组织的工程化制造和类生物智能体的制造。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，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，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：利用可以通过控制含水量来控制伸缩的高分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开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开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。生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容2 2生物遗传制造生物遗传制造 DNA DNA的内部结构和遗传机制的不断解密的内部结构和遗传机制的不断解密;基因技术应用于制造领域，依靠生物基因技术应用于制造领域，依靠生物DNADNA的自的自我复制我复制;利用转基因实现生物材料和非生物材料的有利用转基因实现生物材料和非生物材料的有机结合；机结合；根据生成物的特征，人工控制生长单元体内根据生成物的特征，人工控制生长单元体内的遗传信息，直接生长出所需要产品的遗传信息，直接生长出所需要产品;典型如骨骼、器官、肢体以及生物材料结构典型如骨骼、器官、肢体以及生物材料结构的机器零部件等。的机器零部件等。生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容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设计与制造根底设计与制造根底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 目前已发现的微生物有目前已发现的微生物有1010万种左右，尺度绝大局部为微万种左右，尺度绝大局部为微/纳米纳米级，具有不同的标准几何外形与亚结构、生理机能及遗传特性。级，具有不同的标准几何外形与亚结构、生理机能及遗传特性。可能找到可能找到“吃某些工程材料的菌种，实现生物去除成形吃某些工程材料的菌种，实现生物去除成形(Bioremoving forming)(Bioremoving forming)；复制或金属化不同标准几何外形与亚结构的菌体，再经排序或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遗传生理特征，生长出所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，实现生物生长成形需的外形和生理功能，实现生物生长成形(Biogrowing(Biogrowing forming)forming)。生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容1 1生物去除成形生物去除成形 生物去形的原理生物去形的原理:氧化亚铁硫杆菌氧化亚铁硫杆菌T9T9菌株是中菌株是中温、好氧、嗜酸、专性无机化能温、好氧、嗜酸、专性无机化能自氧菌自氧菌;其主要生物特性是将亚铁离子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无机硫化物氧化成硫酸和硫酸盐;加工时掩膜控制去除区域，利加工时掩膜控制去除区域，利用细菌刻蚀到达成形的目的。用细菌刻蚀到达成形的目的。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试件生物加工过程生物加工后试件去抗蚀剂膜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局部细菌直径只有目前已发现的微生物中大局部细菌直径只有1m1m左右，菌体有各左右，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出这么小的标种各样的标准几何外形，用现在加工手段很难加工出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：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、多孔、磁性材料等。菌体排序与固定，构造蜂窝结构、复合、多孔、磁性材料等。去除蜂窝结构外表，构造微孔过滤膜、光学衍射孔等。去除蜂窝结构外表，构造微孔过滤膜、光学衍射孔等。生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容3 3生物生长成形生物生长成形与无生命的物质相比，有生命的生物体和生物分子与无生命的物质相比，有生命的生物体和生物分子具有繁殖、代谢、生长、遗传、重组等特点。具有繁殖、代谢、生长、遗传、重组等特点。对基因组方案的实施和研究，将实现人工控制细对基因组方案的实施和研究，将实现人工控制细胞团的生长外形和生理功能的生物生长成形技术。胞团的生长外形和生理功能的生物生长成形技术。将来利用生物生长技术控制基因的遗传形状和遗传将来利用生物生长技术控制基因的遗传形状和遗传生理特征，生长出所需外形和生理功能的人工器官，生理特征，生长出所需外形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系统。用于延长人类生命或构造生物型微机电系统。生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容1.1.生物计算机生物计算机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生物制造的应用案例 生物计算机生物计算机 大规模集成电路多以硅为材料。但集成度过高，电路密集引起的散热大规模集成电路多以硅为材料。但集成度过高，电路密集引起的散热问题，影响计算机的运算速度提高。问题，影响计算机的运算速度提高。目前，科学家确定了以下的生物材料研制生物芯片：目前，科学家确定了以下的生物材料研制生物芯片：(1)(1)细胞色素细胞色素C C：具有氧化和复原的两种状态，导电率相差：具有氧化和复原的两种状态，导电率相差10001000倍。两种状倍。两种状态的转换通过适当方式加上或撤去伏电压来实现，可作为记忆元件。态的转换通过适当方式加上或撤去伏电压来实现，可作为记忆元件。(2)(2)细菌视紫红质：是一种光驱动开关的原型。由光辐射启动的质子泵在细菌视紫红质：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，可给出较好的开关信号。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。(3)DNA(3)DNA分子：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分子：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。模型。(4)(4)采用导电聚合物如聚乙炔与聚硫氮化物制作分子导线采用导电聚合物如聚乙炔与聚硫氮化物制作分子导线 它们传递信息速度与电子导电情况无多大差异，但能耗极低。它们传递信息速度与电子导电情况无多大差异，但能耗极低。生物制造的应用案例 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 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装置和一个激光。这种芯片是由一个无线录像装置和一个激光驱动的、固定在视网膜上的微型电脑芯片组成。驱动的、固定在视网膜上的微型电脑芯片组成。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片，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那么刺激视网电脑芯片上的电极构成的图像信号那么刺激视网膜神经细胞，使图像信号通过视神经传送到大脑，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。这样盲人就可以见到这些图像。生物制造的应用案例 3.3.个性化人造器官个性化人造器官n 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，每年需要进行碍，每年需要进行800800万次手术，年耗资万次手术，年耗资400400亿美元。亿美元。n 我国约有我国约有150150万尿毒症患者，每年仅能做万尿毒症患者，每年仅能做30003000例肾脏移植手术；例肾脏移植手术；n 有有400400万白血病患者在等待骨髓移植，而全国骨髓库才万白血病患者在等待骨髓移植，而全国骨髓库才3 3万份万份;n 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。用，成活率很低的问题。生物制造的应用案例(1)(1)个性化人造器官的设想个性化人造器官的设想 个性化人造器官是利用患者自身的局部组织或细胞，再利用外个性化人造器官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，在身体相关部位来的一些高分子材料，在身体相关部位“长出一个最长出一个最“贴己贴己的器官。的器官。生物医学专家希望用人工培养出人体需要的正常组织。生物医学专家希望用人工培养出人体需要的正常组织。医院像工厂生产零部件一样，根据患者的缺失情况，需要什么医院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，做好了安装上就能发挥作用。培养什么，做好了安装上就能发挥作用。还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还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。别相似的人造器官。生物制造的应用案例(1)(1)个性化人造器官的设想个性化人造器官的设想 生物学家制定构建某种组织或器官的设计图，制备特殊的骨架，这生物学家制定构建某种组织或器官的设计图，制备特殊的骨架，这种骨架具有降解特性，降解后对人体无害，并能提供细胞生长场所；种骨架具有降解特性，降解后对人体无害，并能提供细胞生长场所；生物学家将患者剩余器官的少量正常细胞作为生物学家将患者剩余器官的少量正常细胞作为“种子细胞，种子细胞，“种种在人造骨架上，并提供适宜的生长因子，让细胞分泌出建造组织或在人造骨架上，并提供适宜的生长因子，让细胞分泌出建造组织或器官所需的细胞间质，作为骨架的生物材料逐渐降解而消失；器官所需的细胞间质，作为骨架的生物材料逐渐降解而消失；整个器官在完全无菌的生物反响器里培养，整个器官在完全无菌的生物反响器里培养，“长好后移植到患者长好后移植到患者体内，由于是自身细胞体内，由于是自身细胞“长成的器官，患者不会产生排斥反响。长成的器官，患者不会产生排斥反响。生物制造的应用案例 生物可吸收性PLGA原料生物可吸收性PLGA骨螺丝成品生物可吸收性PLGA骨板成品生物可吸收性PLGA多孔性基材3.3.个性化人造器官个性化人造器官生物制造的应用案例 可注射工程可注射工程:科学家还开展出一种更简单的人造器官方法，就科学家还开展出一种更简单的人造器官方法，就是把作为支架的高分子材料、细胞和生长因子混合在一起，注是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，让这些原料射到患者体内需要修复的部位，让这些原料“长出一个完整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样方便。这的器官来。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生的生物材料 可注射组织工程示意图生物制造的应用案例(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 1997 1997年，美国南加州的年，美国南加州的ATSATS公司首次长成了人造皮肤移植在病人身上公司首次长成了人造皮肤移植在病人身上,这是最先面世的个性化人造器官产品最成熟。这是最先面世的个性化人造器官产品最成熟。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响器里为两位切瓦坎蒂教授在生物反响器里为两位切掉拇指的机械师培育了拇指的指骨。掉拇指的机械师培育了拇指的指骨。波士顿儿童医院的医生们方案把用胎儿细胞培育的膀胱植入人体。波士顿儿童医院的医生们方案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疗效药物的可吸收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。生物材料，它能促进牙龈组织再生。生物制造的应用案例(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 德国教授从心肌堵塞患者的骨髓中提取出干细胞；德国教授从心肌堵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堵塞的心脏动脉中；导管被植入发生堵塞的心脏动脉中；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，并可以再生心脏肌肉组织。可以再生心脏肌肉组织。生物制造的应用案例(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n 我国曹谊林教授在裸鼠身上成功移植了世界我国曹谊林教授在裸鼠身上成功移植了世界上第一个个性化人造耳。上第一个个性化人造耳。n 曹教授先用高分子化学材料聚羟基乙酸做成曹教授先用高分子化学材料聚羟基乙酸做成人造耳的模型支架，然后让细胞在这个支架上人造耳的模型支架，然后让细胞在这个支架上繁殖生长繁殖生长,支架最后降解消失。支架最后降解消失。n 将裸鼠的背上割开一个口子，将人造耳植入将裸鼠的背上割开一个口子，将人造耳植入后缝合。后缝合。n 这种器官再造技术已经开始用于临床实验。这种器官再造技术已经开始用于临床实验。20012001年，一个颅骨破损达年，一个颅骨破损达6 66 6厘米的男孩在上厘米的男孩在上海求医，曹谊林教授利用个性化人造颅骨技术海求医，曹谊林教授利用个性化人造颅骨技术为患者成功修补了颅骨。为患者成功修补了颅骨。生物制造的应用案例