先進制技術（三）

生物制造與微納制造12/14/20221先進制技術（三）

生物制造與微納制造12/11/2022生物制造

12/14/20222沈陽工業大學生物制造12/11/20222沈陽工業大學日本三重大學和岡山大學率先開展了生物技術用于工程材料加工的研究，并初步證實了微生物加工金屬材料的可行性。目前已將快速成形制造技術人工骨研究相結合，為顱骨、顎骨等骨骼的人工修復和康復醫學提供了很好的技術手段。我國于1982年將生物技術列為八大重點技術之一。生物學科與制造學科這兩個原來人們覺得毫不相干的學科，今天正在相互滲透、相互交叉，正在形成一個新的學科——生物制造系統（BiologicalManufacturingSystem，BMS）。我國在2003年3月和2004年7月，先后兩次召開了全國生物制造工程學術研討會，專家們探討的主要問題有：①生物制造工程的定義、內涵及意義；②生物醫學工程與生物制造的聯系；③生物制造的研究特點、方向及方法；④生物制造的應用領域。

1.生物制造系統正在形成生物制造的發展12/14/20223沈陽工業大學日本三重大學和岡山大學率先開展了生物技術用于工程材料加工的研在機器人、微機電系統、微型武器方面，將更多地應用生物動力、生物感知、生物智能，使機器人越來越像人或動物。

在納米技術方面，實現納米尺度上裁剪或連接DNA雙螺旋，改造生命特征;實現各種蛋白質分子和酶分子的組裝，構造納米人工生物膜，實現跨膜物質選擇運輸和電子傳遞。在醫療方面，三維生物組織培養技術不斷突破，人體各種器官將能得到復制，會大大延長人類的生命。

在生物加工方面，通過生物方法制造納米顆粒、納米功能涂層、納米微管、功能材料、微器件、微動力、微傳感器、微系統等。2.生物制造的發展前景

生物制造的發展12/14/20224沈陽工業大學在機器人、微機電系統、微型武器方面，將更多地應用生物動力、1.生物制造的概念生物制造？（清華大學顏永年教授）通過制造科學與生命科學相結合，在微滴、細胞和分子尺度的科學層次上，通過受控組裝完成器官、組織和仿生產品的制造之科學和技術總稱。

生物制造的概念與內容12/14/20225沈陽工業大學1.生物制造的概念生物制造？（清華大學顏永年教授）生物制造2.生物制造的內容

生物制造工程的體系結構生長型制造原理自組織生長原理分布式制造原理分形理論其他理論⑴仿生制造生物組織和結構的仿生生物遺傳制造生物控制的仿生⑵生物成形制造⑶其他方法產品制造科學生命科學材料科學信息技術制造原理生物制造技術生物制造的基礎生物制造的概念與內容12/14/20226沈陽工業大學2.生物制造的內容生物制造工程的體系結構生長型制造原理自

目前生物制造工程的研究方向是如何把制造科學、生命科學、計算機技術、信息技術、材料科學各領域的最新成果組合起來，使其彼此溝通起來用于制造業，是生物制造工程的主要任務。歸納下來，目前有如下兩方面6個研究方向：（1）仿生制造

生物組織和結構的仿生生物遺傳制造

生物控制的仿生3.生物制造工程的研究方向

生物制造的概念與內容

（2）生物成形制造

生物去除成形生物約束成形生物生長成形

12/14/20227沈陽工業大學目前生物制造工程的研究方向是如何把制造科學、生命科學生物活性組織的工程化制造和類生物智能體的制造。如：①生物活性組織的工程化制造：將組織工程材料與快速成形制造結合，采用生物相容性和生物可降解性材料，制造生長單元的框架，在生長單元內部注入生長因子，使各生長單元并行生長，以解決與人體的相容性與個體的適配性，以及快速生成的需求，實現人體器官的人工制造。②類生物智能體的制造：利用可以通過控制含水量來控制伸縮的高分子材料，能夠制成人工肌肉。類生物智能體的最高發展是依靠生物分子的生物化學作用，制造類人腦的生物計算機芯片，即生物存儲體和邏輯裝置。

1）生物組織和結構的仿生生物制造的概念與內容

12/14/20228沈陽工業大學生物活性組織的工程化制造和類生物智能體的制造。如：1）生物組依靠生物DNA的自我復制，利用轉基因實現一定幾何形狀、各幾何形狀位置不同的物理力學性能、生物材料和非生物材料的有機結合，并根據生成物的各種特征，采用人工控制生長單元體內的遺傳信息為手段，直接生長出任何人類所需要的產品，如人或動物的骨骼、器官、肢體，以及生物材料結構的機器零部件等。2）生物遺傳制造

生物制造的概念與內容

12/14/20229沈陽工業大學依靠生物DNA的自我復制，利用轉基因實現一定幾何形狀、各應用生物控制原理來計算、分析和控制制造過程。例如:人工神經網絡遺傳算法仿生測量研究面向生物工程的微操作系統原理設計與制造基礎3）生物控制的仿生

生物制造的概念與內容

12/14/202210沈陽工業大學應用生物控制原理來計算、分析和控制制造過程。例如:3）生物控找到“吃”某些工程材料的菌種，實現生物去除成形(Bioremovingforming)；復制或金屬化不同標準幾何外形與亞結構的菌體，再經排序或微操作，實現生物約束成形(Biolimitedforming)；甚至通過控制基因的遺傳形狀特征和遺傳生理特征，生長出所需的外形和生理功能，實現生物生長成形(Biogrowingforming)。

生物去除成形（BioremovingForming）

生物約束成形（BiolimitedForming）

生物生長成形（BiogrowingForming）

（2）生物成形制造

生物制造的概念與內容

12/14/202211沈陽工業大學找到“吃”某些工程材料的菌種，實現生物去除成形(Bior例：氧化亞鐵硫桿菌T—9菌株是中溫、好氧、嗜酸、專性無機化能自氧菌，其主要生物特性是將亞鐵離子氧化成高鐵離子以及將其他低價無機硫化物氧化成硫酸和硫酸鹽。加工時，可掩膜控制去除區域利用，利用細菌刻蝕達到成形的目的。

1）生物去除成形

a）b）生物去除成形實驗過程a）光刻工藝過程b）生物加工過程光繪底片貼抗蝕劑膜紫外線曝光顯影為試件金屬試件生物加工過程生物加工后試件去抗蝕劑膜生物制造的概念與內容

12/14/202212沈陽工業大學例：1）生物去除成形a）2）生物約束成形

目前已發現的微生物中大部分細菌直徑只有1μm左右，菌體有各種各樣的標準幾何外形，用現在加工手段很難加工除這么小的標準三維形狀。這些菌體的金屬化將會有以下用途：

構造微管道，微電極、微導線菌體排序與固定，構造蜂窩結構、復合材料、多孔材料、磁性功能材料等。去除蜂窩結構表面，構造微孔過濾膜、光學衍射孔等。

生物制造的概念與內容

12/14/202213沈陽工業大學2）生物約束成形目前已發現的微生物中大部分細菌直徑只生物體和生物分子具有繁殖、代謝、生長、遺傳、重組等特點。未來將現實人工控制細胞團的生長外形和生理功能的生物生長成形技術。可以利用生物生長技術控制基因的遺傳形狀特征和遺傳生理特征，生長出所需外形和生理功能的人工器官，用于延長人類生命或構造生物型微機電系統。3）生物生長成形生物制造的概念與內容

12/14/202214沈陽工業大學生物體和生物分子具有繁殖、代謝、生長、遺傳、重組等特點。大規模集成電路（計算機核心元件）材料為硅。提高了集成度，引起難于解決的散熱問題。生物芯片可以解決類似問題，有以下生物材料：(1)細胞色素C它具有氧化和還原的兩種狀態，其導電率相差1000倍。這兩種狀態的轉換可通過適當方式加上或撤去1.5伏電壓來實現，它可作為記憶元件。(2)細菌視紫紅質它是一種光驅動開關的原型。由光輻射啟動的質子泵在膜兩邊形成的電位，經離子靈敏場效應放大后，可給出較好的開關信號。(3)DNA分子它以核苷酸堿基編碼方式存儲遺傳信息，是一種存儲器的分子模型。(4)采用導電聚合物如聚乙炔與聚硫氮化物制作分子導線它們傳遞信息速度與電子導電情況無多大差別，但能耗極低。1.生物計算機生物制造的應用案例

12/14/202215沈陽工業大學大規模集成電路（計算機核心元件）材料為硅。提高了集成度，2.可使盲人重見光明的“眼睛芯片”

美國研制成功了可使盲人重見光明的“眼睛芯片”。這種芯片是由一個無線錄像裝置和一個激光驅動的、固定在視網膜上的微型電腦芯片組成。工作原理:裝在眼鏡上的微型錄像裝置拍攝到圖像，并把圖像進行數字化處理之后發送到電腦芯片，電腦芯片上的電極構成的圖像信號則刺激視網膜神經細胞，使圖像信號通過視神經傳送到大腦，這樣盲人就可以見到這些圖像。生物制造的應用案例12/14/202216沈陽工業大學2.可使盲人重見光明的“眼睛芯片”美國研制成功了可使據統計，僅在美國每年有數百萬的患者患有各種組織、器官的喪失或功能障礙，每年需要進行800萬次手術，年耗資400億美元。我國目前有大約150萬尿毒癥患者，每年卻僅能做3000例腎臟移植手術；有400萬白血病患者在等待骨髓移植，而全國骨髓庫的資料才3萬份，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，成活率很低的問題。

怎么解決這個困難？生物制造的應用案例3.個性化人造器官12/14/202217沈陽工業大學據統計，僅在美國每年有數百萬的患者患有各種組織、器官的喪(1)個性化人造器官的構想生物醫學專家希望用人工培養的辦法培養出人體需要的正常組織。在將來，醫院就能像工廠生產零部件一樣，根據患者的缺失情況，需要什么培養什么，需要多少做多少，量體裁衣，做好了安裝上就能發揮作用。而且可以結合先進的電腦技術，為每一個患者提供與他原器官特別相似的人造器官。簡單地說，個性化人造器官就是利用患者自身的局部組織或細胞，再利用外來的一些高分子材料，在身體的相關部位“長”出一個最“貼己”的器官。生物制造的應用案例3.個性化人造器官12/14/202218沈陽工業大學(1)個性化人造器官的構想生物制造的應用案例3.個性化人造3.個性化人造器官(1)個性化人造器官的構想生物學家首先制定構建某種組織或器官的設計圖，并按照圖紙要求制備一種特殊的骨架，這種骨架要具有降解特性，降解后對人體無害，并能提供細胞生長場所。生物學家將患者殘余器官的少量正常細胞作為“種子細胞”，“種”在人造骨架上，并提供合適的生長因子，讓細胞分泌出建造組織或器官所需的細胞間質，最后作為骨架的生物材料在細胞培育過程中，逐漸降解而消失。整個器官在完全無菌的生物反應器里培養，等到整個器官在體外“長”好之后，再移植到患者體內，由于是他自身細胞“長”成的器官，患者就不會產生排斥反應。生物制造的應用案例12/14/202219沈陽工業大學3.個性化人造器官(1)個性化人造器官的構想生物制造的應用生物可吸收性PLGA原料生物可吸收性PLGA骨螺絲成品生物可吸收性PLGA骨板成品生物可吸收性PLGA多孔性基材生物制造的應用案例3.個性化人造器官12/14/202220沈陽工業大學生物可吸收性PLGA原料生物可吸收性PLGA骨螺絲成品生物可

一種更簡單的人造器官方法:把作為支架的高分子材料、細胞和生長因子混合在一起，注射到患者體內需要修復的部位，讓這些原料“長”出一個完整的器官來。到時，去醫院修補器官就像現在打針一樣方便。這種新的方法叫做“可注射工程”。注射能促進牙齦組織再生的生物材料

可注射組織工程示意圖生物制造的應用案例3.個性化人造器官(1)個性化人造器官的構想12/14/202221沈陽工業大學一種更簡單的人造器官方法:把作為支架的高分子材料、細(2)個性化人造器官的研究進展1997年，美國南加州的ATS公司首次由包皮細胞長成了人造皮膚，移植在病人身上后，人工皮膚細胞即使已經死亡，其所含的生長因子，仍能夠促進傷口周圍的組織再生。這是最先面世的個性化人造器官產品。目前，人造皮膚已經成為個性化人造器官中最成熟的一個品種。

美國馬薩諸塞大學的查爾斯·瓦坎蒂教授在生物反應器里為兩位切掉拇指的機械師培育了拇指的指骨。與此同時，安東尼·阿塔拉領導的一個由波士頓兒童醫院的醫生組成的小組正計劃把用胎兒細胞培育的膀胱植入人體。美國阿特麗克斯公司生產了一種摻有生長激素和療效藥物的可吸收生物材料，它能促進牙齦組織再生。生物制造的應用案例3.個性化人造器官12/14/202222沈陽工業大學(2)個性化人造器官的研究進展生物制造的應用案例3.個性化(2)個性化人造器官的研究進展

德國漢諾威醫學高等專科學校的赫爾穆特·德雷克斯勒教授首先從心肌梗塞患者的骨髓中提取出干細胞，經過一系列特殊處理后，這些病人的自體干細胞通過特制導管被植入發生梗塞的心臟動脈中。試驗結果顯示，接受新療法的病人心臟能夠自行康復，并可以再生心臟肌肉組織。生物制造的應用案例3.個性化人造器官12/14/202223沈陽工業大學(2)個性化人造器官的研究進展生物制造的應用案例3.個性化(2)個性化人造器官的研究進展我國的曹誼林教授在裸鼠身上移植了世界上第一個個性化人造耳：先用高分子化學材料聚羥基乙酸做成人造耳的模型支架，然后讓細胞在這個支架上繁殖生長。支架最后會自己降解消失。將裸鼠的背上割開一個口子，然后將已經培養好的人造耳植入后縫合。該技術已經開始用于臨床實驗。

2001年，曹教授利用個性化人造顱骨技術為顱骨破損達6×6cm的患者成功修補了顱骨。生物制造的應用案例3.個性化人造器官12/14/202224沈陽工業大學(2)個性化人造器官的研究進展生物制造的應用案例3.個性化復習思考題1.在目前條件下，普通加工、精密加工和超精密加工是如何劃分的？2.超精密加工的發展趨勢如何？有哪些主要的技術？3.分析微系統的基本特征和關鍵技術。4.目前有哪些納米加工技術？5.根據制造模式的概念出發，試說明微納制造是一種新的制造模式。6.你對生物制造有何認識？試用制造系統和制造模式的概念加以說明。7.生物加工的原理是什么？有何應用？

12/14/202225沈陽工業大學復習思考題1.在目前條件下，普通加工、精密加工和超精密加工是微納制造

12/14/202226沈陽工業大學微納制造12/11/202226沈陽工業大學微納制造技術是關于微系統和納米技術的統稱。

1）微系統

是指集成了微電子和微機械（或光學、化學、生物等方面微元件）的系統。它以微米尺度理論為基礎，用批量化的微電子技術和三維加工技術來完成信息獲取、處理及執行等功能。微系統按特征尺寸范圍可分為三類：1mm~10mm的微小機械，1μm~1mm的微機械，1n~10μm的納米機械。

2）納米技術是指納米級0.1nm~100nm的材料、設計、加工、測量、控制和產品相關的技術。微納制造的發展

1.

微納制造的概念

12/14/202227沈陽工業大學微納制造技術是關于微系統和納米技術的統稱。微納制造的微型機械將逐步走向適用化，對工農業、信息、環境、生物醫療、空間、國防等領域的發展將產生重大影響。如把傳感器和調配藥劑量的“藥劑師”集于一身，制成微型“智能藥丸”，通過口服或皮下注射進入人體，用以探測和清除人體內的癌細胞。微系統可用于視網膜手術、修補血管等。在工業領域，微型機電產品可以在管路檢修和飛機內部檢修等狹窄空間和惡劣環境下進行診斷和修復工作。在航空航天領域，可以制造自適應性蒙皮，用以改善氣流特性；在汽車輪胎內嵌入微型壓力傳感器用以保持適當充氣，避免無氣過量或不足，僅此一項就可節油10％，僅美國國防部系統就能節省幾十億美元的汽油費。微納制造的發展

2.納制造技術的應用12/14/202228沈陽工業大學微型機械將逐步走向適用化，對工農業、信息、環境、生物微系統的關鍵技術

微系統是一個新興的、多學科交叉的高科技領域，其涉及許多關鍵技術。當一個系統的特征尺寸達到微米級和納米級時，將會產生許多新的科學問題。微系統研究領域的前沿關鍵技術有：

微系統設計技術微細加工技術微系統組裝和封裝技術微系統的表征和測試技術12/14/202229沈陽工業大學微系統的關鍵技術微系統是一個新興的、多學科交叉的高納米加工技術

納米加工技術主要有5個方面：

①采用微化的定形整體刀具或非定形磨料工具進行機械加工：如車削、鉆削、銑削和磨削。②采用電加工或在其基礎上的復合加工，如微細電火花加工、線放電磨削加工、線電化磨削、電化加工等。③采用光、聲等能量加工法，如微細激光束加工、微細超聲加工。④采用光化掩模加工法，如光刻法，LIGA法。⑤采用層積增生法，如曲面的磁膜鍍覆，多層薄膜鍍覆和液滴層積。

12/14/202230沈陽工業大學納米加工技術納米加工技術主要有5個方面：12/11/21）光刻電鑄（LIGA）技術

工藝過程：

①采用深層同步輻射光刻，涂覆光致抗蝕劑（圖a），經X射線曝光蝕刻出圖形（圖b）；②電鑄，以曝光蝕刻的圖形實體作為電鑄用胎模，用電沉積法在胎模上沉積金屬（圖c），生成微鑄件（圖d）③注射成形，以微鑄件為模具，即可加工所要求的微零件（圖e）。納米加工技術LIGA法的工藝過程a）涂覆光致抗蝕劑b）X射線曝光蝕刻c）電鑄d）微鑄件e）注射成形零件d）12/14/202231沈陽工業大學1）光刻電鑄（LIGA）技術工藝過程：納米加工技術L2）半導體加工技術

半導體加工技術即半導體表面和立體的微細加工，指在以硅為主要材料的基片上進行沉積、光刻與蝕刻的工藝過程。半導體加工技術使微系統的制作具有低成本、大批量生產的潛力。

納米加工技術12/14/202232沈陽工業大學2）半導體加工技術半導體加工技術即半導體表面和立體3）集成電路（IC）技術

集成電路（IC）技術是一種發展十分迅速且較成熟的制作大規模電路的加工技術，在微機械加工中使用較為普遍，是一種平面加工技術。但該技術的刻蝕深度只有數百納米，且只限于制作硅材料的零部件。納米加工技術12/14/202233沈陽工業大學3）集成電路（IC）技術集成電路（IC）技術是一種4）超微機械加工和電火花線切割加工用小型精密金屬切削機床及電火花、線切割等加工方法，制作毫米級尺寸左右的微機械零件，是一種三維實體加工技術，加工材料廣泛，但多是單件加工、單件裝配，費用較高。納米加工技術12/14/202234沈陽工業大學4）超微機械加工和電火花線切割加工用小型精密金屬切削5）鍵合技術

鍵合技術是一種把兩個固體部件在一定的溫度與電壓下直接鍵合在一起的封裝技術，其間不用任何粘接劑，在鍵合過程中始終處于固相狀態。納米加工技術12/14/202235沈陽工業大學5）鍵合技術鍵合技術是一種把兩個固體部件在一定的6）分子裝配技術

20世紀80年代初發明的掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnelingMicrosoft，STM）以及后來在STM基礎上派生出來的原子力顯微鏡（AtomicForceMicrosoft，AFM），使觀察分子、原子的結構從宏觀世界進入了微觀世界。利用其探針的尖端可以俘獲和操縱分子和原子，并可以按照需要拼成一定的結構，進行分子和原子的裝配制作微機械。納米加工技術12/14/202236沈陽工業大學6）分子裝配技術20世紀80年代初發明的掃描隧道顯目前，集成電路已經從20世紀60年代的每個芯片上僅幾十個器件發展到現在的每個芯片上可包含約10億個器件，其集成度每3年提高4倍。這一增長速度不僅導致了半導體市場在過去30年中以平均每年約15%的速度增長，而且對現代經濟、國防和社會也產生了巨大的影響。集成電路之所以能飛速發展，光刻技術的支持起到了極為關鍵的作用。

微納制造應用案例1.電子束光刻加工技術12/14/202237沈陽工業大學目前，集成電路已經從20世紀60年代的每個芯片上僅幾十個電子束光刻的原理如圖所示，在由掩膜（其上有所需集成電路圖形）、光致抗蝕劑涂層和半導體基片構成的三層材料上，利用電子束透射掩膜，照射到光致抗蝕劑涂層上，由于化學反應，經顯影后，在光致抗蝕劑涂層上就形成與掩膜相同的所需線路圖形。隨之，在基片上形成電路有兩種處理辦法：①用離子束濺射去除，可得到凹形電路。②用金屬蒸鍍方法，可形成凸形電路。

微納制造應用案例1.電子束光刻加工技術12/14/202238沈陽工業大學電子束光刻的原理如圖所示，在由掩膜（其上有所需集成電路圖1.電子束光刻加工技術微納制造應用案例電子束光刻加工過程12/14/202239沈陽工業大學1.電子束光刻加工技術微納制造應用案例電子束光刻加工過程12.微型機械昆蟲根據非穩定速度模式的氣動學原理，制造了只有25毫米寬(從一翼端至另一翼端)的微型機械昆蟲。這機械昆蟲有類似同類生物的靈活胸腔結構，并在其中置有壓電致動器，可作有力及高頻率的振翅動作，只要裝上鋰電池或太陽能充電電池，便能像自然界中的昆蟲一樣自動不停的飛翔。微納制造應用案例12/14/202240沈陽工業大學2.微型機械昆蟲根據非穩定速度模式的氣動學原理，制造了只有3.世界最小的微型機械人世界最小的微型機械人，其只有1/4立方寸，體重小於1盎司。利用這種微型機械人幫助偵查地雷、化學及生物武器的所在；可爬進建筑物的管道，找出化學品甚至人類所在，并將有關信息傳送到指揮中心；科學家還可以部署一群微型機械人，進行不同的任務，比體積大的機械人更靈活和有彈性。微納制造應用案例12/14/202241沈陽工業大學3.世界最小的微型機械人世界最小的微型機械人，其只有1耳蝸里的聽覺毛細胞可以感測到在淋巴液內移動的聲波，并且將聲波轉換為電子訊號，聽神經再將此訊號傳達到大腦。但不幸的是很多人甚至是一出生就沒有機會傾聽大自然美妙的聲音，但是密西根大學研究人員研發的機械耳蝸他們帶來了希望。4.以微型加工技術制造的機械耳蝸微納制造應用案例機械耳蝸的作用原理與生物耳蝸相同，以薄膜結構模仿基底膜構造。密大的機械耳蝸有三個優點，首先是其尺寸大小如實體，其次是適合大量生產，最后是能以低功率機械方式進行聲學信號處理。12/14/202242沈陽工業大學耳蝸里的聽覺毛細胞可以感測到在淋巴液內移動的聲波，并且將5.微型機械零件“自組織化”裝配技術

東京大學開發出一種微型機械零件“自組織化”自動裝配技術，利用自然界的“自組織化”現象把散亂零件結合到一起，對提高工作效率、增加微型機械產量大有幫助。原子在硅酸化物基片上可以自然成形，這種現象被稱為“自組織化”。受此啟發，先在微型零件表面涂上化學物質，讓他們具有溶水性或排水性，然后放入溶液中。結果，排水性零件互相吸引，而與溶水性零件互相排斥。只要在零件表面涂料上下功夫，零件就會根據需要很好地結合在一起。研究人員把直徑僅為10微米的硅粒作為零件進行實驗，硅粒排成一列，連成微小柱形，再在基片表面進行化學處理，成功地把硅粒柱敷設在基片上。這種技術在超大規模集成電路微型裝置鑲嵌中大有用武之地。微納制造應用案例12/14/202243沈陽工業大學5.微型機械零件“自組織化”裝配技術東京大學開發出一種微美國已成功地制造出與病毒大小差不多的分子馬達。該生物分子馬達是以200nm長、80nm直徑寬的金屬鎳為軸，并以分子(F1-腺嘌呤核甘三磷酸合成酵素)作為馬達，而以長750nm、直徑為150nm的鎳作為螺旋槳。據研究人員的觀察，該分子馬達被浸泡至ATP溶液中后，利用生物分子細胞內的化學反應，以ATP作為能源，每秒轉速可達8圈，并可連續轉動2.5小時。研究人員相信，像這樣的微型分子馬達可作為納米機器人或其它納米組件零件的一部分，它的潛在應用價值是非常之大的。將來利用該馬達所作成的潛艇就可進入人類的血管之中，不必藉由傳統的開刀方式，即可清除腦血管中的血塊，清理血管壁上的沉積物質，以排除中風的危機。6.納米生物科技-分子馬達微納制造應用案例12/14/202244沈陽工業大學美國已成功地制造出與病毒大小差不多的分子馬達。該生物分子7.納米齒輪NanoGear科學家利用苯甲基與C60的鍵結形成分子齒輪的雛型。因此，若能將多個分子以準確的位置鍵結至納米碳管上，這樣所形成的分子齒輪，將成為組成納米機器非常有用的組件。微納制造應用案例

日本科技研究小組，于2002年2月初發表，利用納米材料的組成，于現有的制作技術，已成功研制出世界上最小的齒輪。該齒輪直徑僅有0.2mm，且具有良好的抗磨損、抗熱、滑動特性，這無非為實現分子機器的實現又邁進了一大步。12/14/202245沈陽工業大學7.納米齒輪NanoGear科學家利用苯甲基與C608.原子操縱術

原子操縱術可說是STM(掃描穿透顯微鏡)的專長，該工具具備微小且精密的操控能力。掃描穿透顯微鏡的主要構造部分有一根金屬鎢(W)至的探針針頭僅有幾個原子寬，探針針頭僅有幾個原子那么寬。探針與被觀測樣品并不接觸，而是在其上方來回掃描，當距離很近（約10埃），針尖跟表面的偏壓雖不大，但所產生的電場可不容忽視。藉由針頭和樣品之間電場的吸引從而把樣品中的原子拉離表面，并通過針頭沿著表面移動到別處。如果對這種現象善加利用，就能對單個原子進行操作，從而將它們逐個按特定結構“組裝”成納米機械。

微納制造應用案例1990年美國IBM的一群科學家，首度將一顆顆氙原子在鎳表面上拖曳，逐顆將37顆原子排成“IBM”三個英文字母，相當引人注目(如圖)。12/14/202246沈陽工業大學8.原子操縱術原子操縱術可說是STM(掃描穿透顯微鏡8.原子操縱術微納制造應用案例將一顆一顆的鐵原子團,在Cu(111)表面上排列成“原子”二字。將一顆一顆的一氧化碳原子團，在Pt(111)表面上排列成人的形狀。12/14/202247沈陽工業大學8.原子操縱術微納制造應用案例將一顆一顆的鐵原子團,在Cu9.納米材料的蓮花效應微納制造應用案例12/14/202248沈陽工業大學9.納米材料的蓮花效應微納制造應用案例12/11/2022微納加工例子予獨愛蓮之出淤泥而不染，濯清漣而不妖，中通外直，不蔓不枝，香遠益清，亭亭靜植，可遠觀而不可褻玩焉。9.納米材料的蓮花效應12/14/202249沈陽工業大學微納加工例子予獨愛蓮之出淤泥而不染，9.納米材料的蓮花先進制技術（三）

生物制造與微納制造12/14/202250先進制技術（三）

生物制造與微納制造12/11/2022生物制造

12/14/202251沈陽工業大學生物制造12/11/20222沈陽工業大學日本三重大學和岡山大學率先開展了生物技術用于工程材料加工的研究，并初步證實了微生物加工金屬材料的可行性。目前已將快速成形制造技術人工骨研究相結合，為顱骨、顎骨等骨骼的人工修復和康復醫學提供了很好的技術手段。我國于1982年將生物技術列為八大重點技術之一。生物學科與制造學科這兩個原來人們覺得毫不相干的學科，今天正在相互滲透、相互交叉，正在形成一個新的學科——生物制造系統（BiologicalManufacturingSystem，BMS）。我國在2003年3月和2004年7月，先后兩次召開了全國生物制造工程學術研討會，專家們探討的主要問題有：①生物制造工程的定義、內涵及意義；②生物醫學工程與生物制造的聯系；③生物制造的研究特點、方向及方法；④生物制造的應用領域。

1.生物制造系統正在形成生物制造的發展12/14/202252沈陽工業大學日本三重大學和岡山大學率先開展了生物技術用于工程材料加工的研在機器人、微機電系統、微型武器方面，將更多地應用生物動力、生物感知、生物智能，使機器人越來越像人或動物。

在納米技術方面，實現納米尺度上裁剪或連接DNA雙螺旋，改造生命特征;實現各種蛋白質分子和酶分子的組裝，構造納米人工生物膜，實現跨膜物質選擇運輸和電子傳遞。在醫療方面，三維生物組織培養技術不斷突破，人體各種器官將能得到復制，會大大延長人類的生命。

在生物加工方面，通過生物方法制造納米顆粒、納米功能涂層、納米微管、功能材料、微器件、微動力、微傳感器、微系統等。2.生物制造的發展前景

生物制造的發展12/14/202253沈陽工業大學在機器人、微機電系統、微型武器方面，將更多地應用生物動力、1.生物制造的概念生物制造？（清華大學顏永年教授）通過制造科學與生命科學相結合，在微滴、細胞和分子尺度的科學層次上，通過受控組裝完成器官、組織和仿生產品的制造之科學和技術總稱。

生物制造的概念與內容12/14/202254沈陽工業大學1.生物制造的概念生物制造？（清華大學顏永年教授）生物制造2.生物制造的內容

生物制造工程的體系結構生長型制造原理自組織生長原理分布式制造原理分形理論其他理論⑴仿生制造生物組織和結構的仿生生物遺傳制造生物控制的仿生⑵生物成形制造⑶其他方法產品制造科學生命科學材料科學信息技術制造原理生物制造技術生物制造的基礎生物制造的概念與內容12/14/202255沈陽工業大學2.生物制造的內容生物制造工程的體系結構生長型制造原理自

目前生物制造工程的研究方向是如何把制造科學、生命科學、計算機技術、信息技術、材料科學各領域的最新成果組合起來，使其彼此溝通起來用于制造業，是生物制造工程的主要任務。歸納下來，目前有如下兩方面6個研究方向：（1）仿生制造

生物組織和結構的仿生生物遺傳制造

生物控制的仿生3.生物制造工程的研究方向

生物制造的概念與內容

（2）生物成形制造

生物去除成形生物約束成形生物生長成形

12/14/202256沈陽工業大學目前生物制造工程的研究方向是如何把制造科學、生命科學生物活性組織的工程化制造和類生物智能體的制造。如：①生物活性組織的工程化制造：將組織工程材料與快速成形制造結合，采用生物相容性和生物可降解性材料，制造生長單元的框架，在生長單元內部注入生長因子，使各生長單元并行生長，以解決與人體的相容性與個體的適配性，以及快速生成的需求，實現人體器官的人工制造。②類生物智能體的制造：利用可以通過控制含水量來控制伸縮的高分子材料，能夠制成人工肌肉。類生物智能體的最高發展是依靠生物分子的生物化學作用，制造類人腦的生物計算機芯片，即生物存儲體和邏輯裝置。

1）生物組織和結構的仿生生物制造的概念與內容

12/14/202257沈陽工業大學生物活性組織的工程化制造和類生物智能體的制造。如：1）生物組依靠生物DNA的自我復制，利用轉基因實現一定幾何形狀、各幾何形狀位置不同的物理力學性能、生物材料和非生物材料的有機結合，并根據生成物的各種特征，采用人工控制生長單元體內的遺傳信息為手段，直接生長出任何人類所需要的產品，如人或動物的骨骼、器官、肢體，以及生物材料結構的機器零部件等。2）生物遺傳制造

生物制造的概念與內容

12/14/202258沈陽工業大學依靠生物DNA的自我復制，利用轉基因實現一定幾何形狀、各應用生物控制原理來計算、分析和控制制造過程。例如:人工神經網絡遺傳算法仿生測量研究面向生物工程的微操作系統原理設計與制造基礎3）生物控制的仿生

生物制造的概念與內容

12/14/202259沈陽工業大學應用生物控制原理來計算、分析和控制制造過程。例如:3）生物控找到“吃”某些工程材料的菌種，實現生物去除成形(Bioremovingforming)；復制或金屬化不同標準幾何外形與亞結構的菌體，再經排序或微操作，實現生物約束成形(Biolimitedforming)；甚至通過控制基因的遺傳形狀特征和遺傳生理特征，生長出所需的外形和生理功能，實現生物生長成形(Biogrowingforming)。

生物去除成形（BioremovingForming）

生物約束成形（BiolimitedForming）

生物生長成形（BiogrowingForming）

（2）生物成形制造

生物制造的概念與內容

12/14/202260沈陽工業大學找到“吃”某些工程材料的菌種，實現生物去除成形(Bior例：氧化亞鐵硫桿菌T—9菌株是中溫、好氧、嗜酸、專性無機化能自氧菌，其主要生物特性是將亞鐵離子氧化成高鐵離子以及將其他低價無機硫化物氧化成硫酸和硫酸鹽。加工時，可掩膜控制去除區域利用，利用細菌刻蝕達到成形的目的。

1）生物去除成形

a）b）生物去除成形實驗過程a）光刻工藝過程b）生物加工過程光繪底片貼抗蝕劑膜紫外線曝光顯影為試件金屬試件生物加工過程生物加工后試件去抗蝕劑膜生物制造的概念與內容

12/14/202261沈陽工業大學例：1）生物去除成形a）2）生物約束成形

目前已發現的微生物中大部分細菌直徑只有1μm左右，菌體有各種各樣的標準幾何外形，用現在加工手段很難加工除這么小的標準三維形狀。這些菌體的金屬化將會有以下用途：

構造微管道，微電極、微導線菌體排序與固定，構造蜂窩結構、復合材料、多孔材料、磁性功能材料等。去除蜂窩結構表面，構造微孔過濾膜、光學衍射孔等。

生物制造的概念與內容

12/14/202262沈陽工業大學2）生物約束成形目前已發現的微生物中大部分細菌直徑只生物體和生物分子具有繁殖、代謝、生長、遺傳、重組等特點。未來將現實人工控制細胞團的生長外形和生理功能的生物生長成形技術。可以利用生物生長技術控制基因的遺傳形狀特征和遺傳生理特征，生長出所需外形和生理功能的人工器官，用于延長人類生命或構造生物型微機電系統。3）生物生長成形生物制造的概念與內容

12/14/202263沈陽工業大學生物體和生物分子具有繁殖、代謝、生長、遺傳、重組等特點。大規模集成電路（計算機核心元件）材料為硅。提高了集成度，引起難于解決的散熱問題。生物芯片可以解決類似問題，有以下生物材料：(1)細胞色素C它具有氧化和還原的兩種狀態，其導電率相差1000倍。這兩種狀態的轉換可通過適當方式加上或撤去1.5伏電壓來實現，它可作為記憶元件。(2)細菌視紫紅質它是一種光驅動開關的原型。由光輻射啟動的質子泵在膜兩邊形成的電位，經離子靈敏場效應放大后，可給出較好的開關信號。(3)DNA分子它以核苷酸堿基編碼方式存儲遺傳信息，是一種存儲器的分子模型。(4)采用導電聚合物如聚乙炔與聚硫氮化物制作分子導線它們傳遞信息速度與電子導電情況無多大差別，但能耗極低。1.生物計算機生物制造的應用案例

12/14/202264沈陽工業大學大規模集成電路（計算機核心元件）材料為硅。提高了集成度，2.可使盲人重見光明的“眼睛芯片”

美國研制成功了可使盲人重見光明的“眼睛芯片”。這種芯片是由一個無線錄像裝置和一個激光驅動的、固定在視網膜上的微型電腦芯片組成。工作原理:裝在眼鏡上的微型錄像裝置拍攝到圖像，并把圖像進行數字化處理之后發送到電腦芯片，電腦芯片上的電極構成的圖像信號則刺激視網膜神經細胞，使圖像信號通過視神經傳送到大腦，這樣盲人就可以見到這些圖像。生物制造的應用案例12/14/202265沈陽工業大學2.可使盲人重見光明的“眼睛芯片”美國研制成功了可使據統計，僅在美國每年有數百萬的患者患有各種組織、器官的喪失或功能障礙，每年需要進行800萬次手術，年耗資400億美元。我國目前有大約150萬尿毒癥患者，每年卻僅能做3000例腎臟移植手術；有400萬白血病患者在等待骨髓移植，而全國骨髓庫的資料才3萬份，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，成活率很低的問題。

怎么解決這個困難？生物制造的應用案例3.個性化人造器官12/14/202266沈陽工業大學據統計，僅在美國每年有數百萬的患者患有各種組織、器官的喪(1)個性化人造器官的構想生物醫學專家希望用人工培養的辦法培養出人體需要的正常組織。在將來，醫院就能像工廠生產零部件一樣，根據患者的缺失情況，需要什么培養什么，需要多少做多少，量體裁衣，做好了安裝上就能發揮作用。而且可以結合先進的電腦技術，為每一個患者提供與他原器官特別相似的人造器官。簡單地說，個性化人造器官就是利用患者自身的局部組織或細胞，再利用外來的一些高分子材料，在身體的相關部位“長”出一個最“貼己”的器官。生物制造的應用案例3.個性化人造器官12/14/202267沈陽工業大學(1)個性化人造器官的構想生物制造的應用案例3.個性化人造3.個性化人造器官(1)個性化人造器官的構想生物學家首先制定構建某種組織或器官的設計圖，并按照圖紙要求制備一種特殊的骨架，這種骨架要具有降解特性，降解后對人體無害，并能提供細胞生長場所。生物學家將患者殘余器官的少量正常細胞作為“種子細胞”，“種”在人造骨架上，并提供合適的生長因子，讓細胞分泌出建造組織或器官所需的細胞間質，最后作為骨架的生物材料在細胞培育過程中，逐漸降解而消失。整個器官在完全無菌的生物反應器里培養，等到整個器官在體外“長”好之后，再移植到患者體內，由于是他自身細胞“長”成的器官，患者就不會產生排斥反應。生物制造的應用案例12/14/202268沈陽工業大學3.個性化人造器官(1)個性化人造器官的構想生物制造的應用生物可吸收性PLGA原料生物可吸收性PLGA骨螺絲成品生物可吸收性PLGA骨板成品生物可吸收性PLGA多孔性基材生物制造的應用案例3.個性化人造器官12/14/202269沈陽工業大學生物可吸收性PLGA原料生物可吸收性PLGA骨螺絲成品生物可

一種更簡單的人造器官方法:把作為支架的高分子材料、細胞和生長因子混合在一起，注射到患者體內需要修復的部位，讓這些原料“長”出一個完整的器官來。到時，去醫院修補器官就像現在打針一樣方便。這種新的方法叫做“可注射工程”。注射能促進牙齦組織再生的生物材料

可注射組織工程示意圖生物制造的應用案例3.個性化人造器官(1)個性化人造器官的構想12/14/202270沈陽工業大學一種更簡單的人造器官方法:把作為支架的高分子材料、細(2)個性化人造器官的研究進展1997年，美國南加州的ATS公司首次由包皮細胞長成了人造皮膚，移植在病人身上后，人工皮膚細胞即使已經死亡，其所含的生長因子，仍能夠促進傷口周圍的組織再生。這是最先面世的個性化人造器官產品。目前，人造皮膚已經成為個性化人造器官中最成熟的一個品種。

美國馬薩諸塞大學的查爾斯·瓦坎蒂教授在生物反應器里為兩位切掉拇指的機械師培育了拇指的指骨。與此同時，安東尼·阿塔拉領導的一個由波士頓兒童醫院的醫生組成的小組正計劃把用胎兒細胞培育的膀胱植入人體。美國阿特麗克斯公司生產了一種摻有生長激素和療效藥物的可吸收生物材料，它能促進牙齦組織再生。生物制造的應用案例3.個性化人造器官12/14/202271沈陽工業大學(2)個性化人造器官的研究進展生物制造的應用案例3.個性化(2)個性化人造器官的研究進展

德國漢諾威醫學高等專科學校的赫爾穆特·德雷克斯勒教授首先從心肌梗塞患者的骨髓中提取出干細胞，經過一系列特殊處理后，這些病人的自體干細胞通過特制導管被植入發生梗塞的心臟動脈中。試驗結果顯示，接受新療法的病人心臟能夠自行康復，并可以再生心臟肌肉組織。生物制造的應用案例3.個性化人造器官12/14/202272沈陽工業大學(2)個性化人造器官的研究進展生物制造的應用案例3.個性化(2)個性化人造器官的研究進展我國的曹誼林教授在裸鼠身上移植了世界上第一個個性化人造耳：先用高分子化學材料聚羥基乙酸做成人造耳的模型支架，然后讓細胞在這個支架上繁殖生長。支架最后會自己降解消失。將裸鼠的背上割開一個口子，然后將已經培養好的人造耳植入后縫合。該技術已經開始用于臨床實驗。

2001年，曹教授利用個性化人造顱骨技術為顱骨破損達6×6cm的患者成功修補了顱骨。生物制造的應用案例3.個性化人造器官12/14/202273沈陽工業大學(2)個性化人造器官的研究進展生物制造的應用案例3.個性化復習思考題1.在目前條件下，普通加工、精密加工和超精密加工是如何劃分的？2.超精密加工的發展趨勢如何？有哪些主要的技術？3.分析微系統的基本特征和關鍵技術。4.目前有哪些納米加工技術？5.根據制造模式的概念出發，試說明微納制造是一種新的制造模式。6.你對生物制造有何認識？試用制造系統和制造模式的概念加以說明。7.生物加工的原理是什么？有何應用？

12/14/202274沈陽工業大學復習思考題1.在目前條件下，普通加工、精密加工和超精密加工是微納制造

12/14/202275沈陽工業大學微納制造12/11/202226沈陽工業大學微納制造技術是關于微系統和納米技術的統稱。

1）微系統

是指集成了微電子和微機械（或光學、化學、生物等方面微元件）的系統。它以微米尺度理論為基礎，用批量化的微電子技術和三維加工技術來完成信息獲取、處理及執行等功能。微系統按特征尺寸范圍可分為三類：1mm~10mm的微小機械，1μm~1mm的微機械，1n~10μm的納米機械。

2）納米技術是指納米級0.1nm~100nm的材料、設計、加工、測量、控制和產品相關的技術。微納制造的發展

1.

微納制造的概念

12/14/202276沈陽工業大學微納制造技術是關于微系統和納米技術的統稱。微納制造的微型機械將逐步走向適用化，對工農業、信息、環境、生物醫療、空間、國防等領域的發展將產生重大影響。如把傳感器和調配藥劑量的“藥劑師”集于一身，制成微型“智能藥丸”，通過口服或皮下注射進入人體，用以探測和清除人體內的癌細胞。微系統可用于視網膜手術、修補血管等。在工業領域，微型機電產品可以在管路檢修和飛機內部檢修等狹窄空間和惡劣環境下進行診斷和修復工作。在航空航天領域，可以制造自適應性蒙皮，用以改善氣流特性；在汽車輪胎內嵌入微型壓力傳感器用以保持適當充氣，避免無氣過量或不足，僅此一項就可節油10％，僅美國國防部系統就能節省幾十億美元的汽油費。微納制造的發展

2.納制造技術的應用12/14/202277沈陽工業大學微型機械將逐步走向適用化，對工農業、信息、環境、生物微系統的關鍵技術

微系統是一個新興的、多學科交叉的高科技領域，其涉及許多關鍵技術。當一個系統的特征尺寸達到微米級和納米級時，將會產生許多新的科學問題。微系統研究領域的前沿關鍵技術有：

微系統設計技術微細加工技術微系統組裝和封裝技術微系統的表征和測試技術12/14/202278沈陽工業大學微系統的關鍵技術微系統是一個新興的、多學科交叉的高納米加工技術

納米加工技術主要有5個方面：

①采用微化的定形整體刀具或非定形磨料工具進行機械加工：如車削、鉆削、銑削和磨削。②采用電加工或在其基礎上的復合加工，如微細電火花加工、線放電磨削加工、線電化磨削、電化加工等。③采用光、聲等能量加工法，如微細激光束加工、微細超聲加工。④采用光化掩模加工法，如光刻法，LIGA法。⑤采用層積增生法，如曲面的磁膜鍍覆，多層薄膜鍍覆和液滴層積。

12/14/202279沈陽工業大學納米加工技術納米加工技術主要有5個方面：12/11/21）光刻電鑄（LIGA）技術

工藝過程：

①采用深層同步輻射光刻，涂覆光致抗蝕劑（圖a），經X射線曝光蝕刻出圖形（圖b）；②電鑄，以曝光蝕刻的圖形實體作為電鑄用胎模，用電沉積法在胎模上沉積金屬（圖c），生成微鑄件（圖d）③注射成形，以微鑄件為模具，即可加工所要求的微零件（圖e）。納米加工技術LIGA法的工藝過程a）涂覆光致抗蝕劑b）X射線曝光蝕刻c）電鑄d）微鑄件e）注射成形零件d）12/14/202280沈陽工業大學1）光刻電鑄（LIGA）技術工藝過程：納米加工技術L2）半導體加工技術

半導體加工技術即半導體表面和立體的微細加工，指在以硅為主要材料的基片上進行沉積、光刻與蝕刻的工藝過程。半導體加工技術使微系統的制作具有低成本、大批量生產的潛力。

納米加工技術12/14/202281沈陽工業大學2）半導體加工技術半導體加工技術即半導體表面和立體3）集成電路（IC）技術

集成電路（IC）技術是一種發展十分迅速且較成熟的制作大規模電路的加工技術，在微機械加工中使用較為普遍，是一種平面加工技術。但該技術的刻蝕深度只有數百納米，且只限于制作硅材料的零部件。納米加工技術12/14/202282沈陽工業大學3）集成電路（IC）技術集成電路（IC）技術是一種4）超微機械加工和電火花線切割加工用小型精密金屬切削機床及電火花、線切割等加工方法，制作毫米級尺寸左右的微機械零件，是一種三維實體加工技術，加工材料廣泛，但多是單件加工、單件裝配，費用較高。納米加工技術12/14/202283沈陽工業大學4）超微機械加工和電火花線切割加工用小型精密金屬切削5）鍵合技術

鍵合技術是一種把兩個固體部件在一定的溫度與電壓下直接鍵合在一起的封裝技術，其間不用任何粘接劑，在鍵合過程中始終處于固相狀態。納米加工技術12/14/202284沈陽工業大學5）鍵合技術鍵合技術是一種把兩個固體部件在一定的6）分子裝配技術

20世紀80年代初發明的掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnelingMicrosoft，STM）以及后來在STM基礎上派生出來的原子力顯微鏡（AtomicForceMicrosoft，AFM），使觀察分子、原子的結構從宏觀世界進入了微觀世界。利用其探針的尖端可以俘獲和操縱分子和原子，并可以按照需要拼成一定的結構，進行分子和原子的裝配制作微機械。納米加工技術12/14/202285沈陽工業大學6）分子裝配技術20世紀80年代初發明的掃描隧道顯目前，集成電路已經從20世紀60年代的每個芯片上僅幾十個器件發展到現在的每個芯片上可包含約10億個器件，其集成度每3年提高4倍。這一增長速度不僅導致了半導體市場在過去30年中以平均每年約15%的速度增長，而且對現代經濟、國防和社會也產生了巨大的影響。集成電路之所以能飛速發展，光刻技術的支持起到了極為關鍵的作用。

微納制造應用案例1.電子束光刻加工技術12/14/202286沈陽工業大學目前，集成電路已經從20世紀60年代的每個芯片上僅幾十個電子束光刻的原理如圖所示，在由掩膜（其上有所需集成電路圖形）、光致抗蝕劑涂層和半導體基片構成的三層材料上，利用電子束透射掩膜，照射到光致抗蝕劑涂層上，由于化學反應，經顯影后，在光致抗蝕劑涂層上就形成與掩膜相同的所需線路圖形。隨之，在基片上形成電路有兩種處理辦法：①用離子束濺射去除，可得到凹形電路。②用金屬蒸鍍方法，可形成凸形電路。

微納制造應用案例1.電子束光刻加工技術12/14/202287沈陽工業大學電子束光刻的原理如圖所示，在由掩膜（其上有所需集成電路圖1.電子束光刻加工技術微納制造應用案例電子束光刻加工過程12/14/202288沈陽工業大學1.電子束光刻加工技術微納制造應用案例電子束光刻加工過程12.微型機械昆蟲根據非穩定速度模式的氣動學原理，制造了只有25毫米寬(從一翼端至另一翼端)的微型機械昆蟲。這機械昆蟲有類似同類生物的靈活胸腔結構，并在其中置有壓電致動器，可作有力及高頻率的振翅動作，只要裝上鋰電池或太陽能充電電池，便