先進制造技術3(生物制造與微納制造)

1、沈陽工業(yè)大學22022-5-16沈陽工業(yè)大學32022-5-16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，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。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(yī)學提供了很好的技術手段。人工修復和康復醫(yī)學提供了很好的技術手段。我國于我國于19821982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年將生物技術列為八大重點技術之一。生物學科與

2、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在形成一個新的學科生物制造系統(tǒng)（生物制造系統(tǒng)（Biological Manufacturing Biological Manufacturing SystemSystem，BMSBMS）。）。我國在我國在20032003年年3 3月和月和20042004年年7 7月，先后兩次召開了全國生物制造工程學術月，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：研討會，專家們探討的主要問題有：生物制造工程的定義、內涵及意義；生物制造工

3、程的定義、內涵及意義；生物醫(yī)學工程與生物制造的聯(lián)系；生物醫(yī)學工程與生物制造的聯(lián)系；生物制造的研究特點、方向及方法；生物制造的研究特點、方向及方法；生物制造的應用領域。生物制造的應用領域。 1. 生物制造系統(tǒng)正在形成生物制造的發(fā)展生物制造的發(fā)展沈陽工業(yè)大學42022-5-16 在機器人、微機電系統(tǒng)、微型武器方面，將更多地應用生物在機器人、微機電系統(tǒng)、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。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(xiàn)納米尺度上裁剪或連接在納米技術方面，實現(xiàn)納米尺度上裁剪或連接DNADNA雙螺旋，雙螺旋，改造生

4、命特征改造生命特征; ;實現(xiàn)各種蛋白質分子和酶分子的組裝，構造納米實現(xiàn)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(xiàn)跨膜物質選擇運輸和電子傳遞。人工生物膜，實現(xiàn)跨膜物質選擇運輸和電子傳遞。 在醫(yī)療方面，三維生物組織培養(yǎng)技術不斷突破，人體各種器在醫(yī)療方面，三維生物組織培養(yǎng)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。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、微系層、納米微管、功能材料、微器件、微動力、微傳感器、微系統(tǒng)等。統(tǒng)

5、等。 2. 生物制造的發(fā)展前景生物制造的發(fā)展生物制造的發(fā)展沈陽工業(yè)大學52022-5-161. 生物制造的概念生物制造？（生物制造？（清華大學顏永年教授）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、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(chǎn)品的制造之科學和技完成器官、組織和仿生產(chǎn)品的制造之科學和技術總稱。術總稱。 生物制造的概念與內容生物制造的概念與內容沈陽工業(yè)大學62022-5-162. 生物制造的內容 生物制造工程的體系結構生物制造工程的體系結構生長型制造原理生長型制造原理自組

6、織生長原理自組織生長原理分布式制造原理分布式制造原理分形理論分形理論其他理論其他理論仿生制造仿生制造 生物組織和結構的仿生生物組織和結構的仿生 生物遺傳制造生物遺傳制造 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產(chǎn)產(chǎn)品品制造科學制造科學 生命科學生命科學 材料科學材料科學 信息技術信息技術制造原理制造原理生物制造技術生物制造技術生物制造的基礎生物制造的基礎生物制造的概念與內容生物制造的概念與內容沈陽工業(yè)大學72022-5-16 目前生物制造工程的研究方向是如何把制造科學、生命科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

7、最新成果組合學、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(yè)，是生物制造工程的主要起來，使其彼此溝通起來用于制造業(yè)，是生物制造工程的主要任務。歸納下來，目前有如下兩方面任務。歸納下來，目前有如下兩方面6 6個研究方向：個研究方向：（1 1）仿生制造）仿生制造 生物組織和結構的仿生生物組織和結構的仿生 生物遺傳制造生物遺傳制造 生物控制的仿生生物控制的仿生 生物制造的概念與內容生物制造的概念與內容 （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 生物約束成形生物約束成形 生物生長成形生物生長成形 沈陽工業(yè)大學82022-5-16生物活性組織的

8、工程化制造生物活性組織的工程化制造和和類生物智能體的制造類生物智能體的制造。如：如：生物活性組織的工程化制造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(xiàn)人體器官的人工制造。需求，實現(xiàn)人體器官的人工制造。類生物智能體的制造類生物智能體

9、的制造：利用可以通過控制含水量來控制伸縮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(fā)展的高分子材料，能夠制成人工肌肉。類生物智能體的最高發(fā)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。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生物制造的概念與內容 沈陽工業(yè)大學92022-5-16 依靠生物依靠生物DNADNA的自我復制，利用轉基的自我復制，利用轉基因實現(xiàn)一定幾何形狀、各幾何形狀位置因實現(xiàn)一定幾何形狀、各幾何形狀位置不同的物理力學性

10、能、生物材料和非生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(jù)生成物的各物材料的有機結合，并根據(jù)生成物的各種特征，種特征，采用人工控制生長單元體內的采用人工控制生長單元體內的遺傳信息為手段遺傳信息為手段，直接生長出任何人類，直接生長出任何人類所需要的產(chǎn)品，如人或動物的骨骼、器所需要的產(chǎn)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官、肢體，以及生物材料結構的機器零部件等。部件等。 生物遺傳制造 生物制造的概念與內容生物制造的概念與內容 沈陽工業(yè)大學102022-5-16應用生物控制原理來計算、分析和控制制造過程。應用生物控制原理來計算、分析和控制制造過程。例如例如:

11、:人工神經(jīng)網(wǎng)絡人工神經(jīng)網(wǎng)絡遺傳算法遺傳算法仿生測量研究仿生測量研究面向生物工程的微操作系統(tǒng)原理面向生物工程的微操作系統(tǒng)原理設計與制造基礎設計與制造基礎3）生物控制的仿生 生物制造的概念與內容生物制造的概念與內容 沈陽工業(yè)大學112022-5-16 找到找到“吃吃”某些工程材料的菌種，實現(xiàn)生物去除成形某些工程材料的菌種，實現(xiàn)生物去除成形(Bioremoving(Bioremoving forming) forming)；復制或金屬化；復制或金屬化 不同標準幾何外形與不同標準幾何外形與亞結構的菌體，再經(jīng)排序或微操作，實現(xiàn)生物約束成形亞結構的菌體，再經(jīng)排序或微操作，實現(xiàn)生物約束成形(Biolimit

12、ed(Biolimited forming) forming)；甚至通過控制基因的遺傳形狀特征和；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(xiàn)生物生長遺傳生理特征，生長出所需的外形和生理功能，實現(xiàn)生物生長成形成形(Biogrowing(Biogrowing forming) forming)。 生物去除成形生物去除成形 （Bioremoving Forming） 生物約束成形生物約束成形 （Biolimited Forming） 生物生長成形生物生長成形 （Biogrowing Forming） 生物制造的概念與內容生物制造的概念與內容 沈陽工業(yè)大學12202

13、2-5-16例：例： 氧化亞鐵硫桿菌氧化亞鐵硫桿菌T T9 9菌菌株是中溫、好氧、嗜酸、株是中溫、好氧、嗜酸、專性無機化能自氧菌，其專性無機化能自氧菌，其主要生物特性是將亞鐵離主要生物特性是將亞鐵離子氧化成高鐵離子以及將子氧化成高鐵離子以及將其他低價無機硫化物氧化其他低價無機硫化物氧化成硫酸和硫酸鹽。加工時，成硫酸和硫酸鹽。加工時，可掩膜控制去除區(qū)域利用，可掩膜控制去除區(qū)域利用，利用細菌刻蝕達到成形的利用細菌刻蝕達到成形的目的。目的。 a） b）生物去除成形實驗過程生物去除成形實驗過程a）光刻工藝過程）光刻工藝過程 b）生物加工過程）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

14、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生物制造的概念與內容 沈陽工業(yè)大學132022-5-162）生物約束成形 目前已發(fā)現(xiàn)的微生物中大部分細菌直徑只有目前已發(fā)現(xiàn)的微生物中大部分細菌直徑只有1m1m左右，菌左右，菌體有各種各樣的標準幾何外形，用現(xiàn)在加工手段很難加工除這體有各種各樣的標準幾何外形，用現(xiàn)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：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、磁性功能材料菌體排序與固定，構造蜂窩結構、復合材料、多

15、孔材料、磁性功能材料等。等。 去除蜂窩結構表面，構造微孔過濾膜、光學衍射孔等。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生物制造的概念與內容 沈陽工業(yè)大學142022-5-16 生物體和生物分子具有繁殖、代謝、生物體和生物分子具有繁殖、代謝、生長、遺傳、重組等特點。生長、遺傳、重組等特點。 未來將現(xiàn)實人工控制細胞團的生長未來將現(xiàn)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。外形和生理功能的生物生長成形技術?？梢岳蒙锷L技術控制基因的遺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

16、器官，用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于延長人類生命或構造生物型微機電系統(tǒng)。系統(tǒng)。 3）生物生長成形生物制造的概念與內容生物制造的概念與內容 沈陽工業(yè)大學152022-5-16 大規(guī)模集成電路（計算機核心元件）材料為硅。提高了集成度，引起難于大規(guī)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：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)(1)細胞色素細胞色素C C 它具有氧化和還原的兩種狀態(tài)，其導電率相差它具有氧化和還原的兩種狀態(tài)，其導電率相差10001000倍。這倍。

17、這兩種狀態(tài)的轉換可通過適當方式加上或撤去兩種狀態(tài)的轉換可通過適當方式加上或撤去1.51.5伏電壓來實現(xiàn)，它可作為記伏電壓來實現(xiàn)，它可作為記憶元件。憶元件。 (2)(2)細菌視紫紅質細菌視紫紅質 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(jīng)離子靈敏場效應放大后，可給出較好的開關信號。膜兩邊形成的電位，經(jīng)離子靈敏場效應放大后，可給出較好的開關信號。 (3)DNA(3)DNA分子分子 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。子模型。 (4)(4)采用導電聚合

18、物如聚乙炔與聚硫氮化物制作分子導線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。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生物制造的應用案例 沈陽工業(yè)大學162022-5-162. 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美國研制成功了可使盲人重見光明的“眼眼睛芯片睛芯片”。這種芯片是由一個。這種芯片是由一個無線錄像裝置無線錄像裝置和一個和一個激光驅動的、固定在視網(wǎng)膜上的微型激光驅動的、固定在視網(wǎng)膜上的微型電腦芯片電腦芯片組成。組成。 工作原理工作原理: :裝在眼鏡上

19、的微型錄像裝置拍攝到圖像，并裝在眼鏡上的微型錄像裝置拍攝到圖像，并把圖像進行數(shù)字化處理之后發(fā)送到電腦芯片，把圖像進行數(shù)字化處理之后發(fā)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電腦芯片上的電極構成的圖像信號則刺激視網(wǎng)膜神經(jīng)細胞，使圖像信號通過視神經(jīng)傳送網(wǎng)膜神經(jīng)細胞，使圖像信號通過視神經(jīng)傳送到大腦，這樣盲人就可以見到這些圖像。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生物制造的應用案例沈陽工業(yè)大學172022-5-16 據(jù)統(tǒng)計，僅在美國每年有數(shù)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，年耗資。我國目前有大約，每年卻僅能做；有在等待骨髓移植，而全國骨髓庫的資

20、料才，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。 生物制造的應用案例生物制造的應用案例沈陽工業(yè)大學182022-5-16 生物醫(yī)學專家希望用人工培養(yǎng)的辦法培養(yǎng)出人體需要的正生物醫(yī)學專家希望用人工培養(yǎng)的辦法培養(yǎng)出人體需要的正常組織。在將來，醫(yī)院就能像工廠生產(chǎn)零部件一樣，根據(jù)患者常組織。在將來，醫(yī)院就能像工廠生產(chǎn)零部件一樣，根據(jù)患者的缺失情況，需要什么培養(yǎng)什么，需要多少做多少，量體裁衣，的缺失情況，需要什么培養(yǎng)什么，需要多少做多少，量體裁衣，做好了安裝上就能發(fā)揮作用。而且可以結合先進的電腦技術，做好了安裝上就能發(fā)揮作用。而且可以結合先進的電腦技術，為每一個患者提供

21、與他原器官特別相似的人造器官。簡單地說，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，在身體的相關部位外來的一些高分子材料，在身體的相關部位“長長”出一個最出一個最“貼己貼己”的器官的器官。生物制造的應用案例生物制造的應用案例沈陽工業(yè)大學192022-5-16 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，降解后對人要求制備一種特殊的骨架，這種骨架

22、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正常細胞作為“種子細胞種子細胞”，“種種”在人造骨架上，并提供合適的在人造骨架上，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(yǎng)，等到整個器官在體外在完全無菌的生物反應器里培養(yǎng)，等到整個器官在體外“長長”好之好之后，再移

23、植到患者體內，由于是他自身細胞后，再移植到患者體內，由于是他自身細胞“長長”成的器官，患者成的器官，患者就不會產(chǎn)生排斥反應。就不會產(chǎn)生排斥反應。生物制造的應用案例生物制造的應用案例沈陽工業(yè)大學202022-5-16生物可吸收性生物可吸收性PLGAPLGA原料原料生物可吸收性生物可吸收性PLGAPLGA骨螺絲成品骨螺絲成品生物可吸收性生物可吸收性PLGAPLGA骨板成品骨板成品生物可吸收性生物可吸收性PLGAPLGA多孔性基材多孔性基材生物制造的應用案例生物制造的應用案例沈陽工業(yè)大學212022-5-16 一種更簡單的人造器官方法一種更簡單的人造器官方法: :把作為支架的高分子材料、細胞和生把作

24、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“長長”出一個完整的器官來。到時，去醫(yī)院修補器官就像現(xiàn)在打針一出一個完整的器官來。到時，去醫(yī)院修補器官就像現(xiàn)在打針一樣方便。這種新的方法叫做樣方便。這種新的方法叫做“可注射工程可注射工程”。注射能促進牙齦組注射能促進牙齦組織再生的生物材料織再生的生物材料 可注射組織工程示意圖可注射組織工程示意圖生物制造的應用案例生物制造的應用案例沈陽工業(yè)大學222022-5-16(2)(2)個性化人造器官的研究進展個性化人造器官的研究進展 19971997年，美國南加

25、州的年，美國南加州的ATSATS公司首次由包皮細胞長成了人造皮膚，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(jīng)死亡，其所含的生長因子，移植在病人身上后，人工皮膚細胞即使已經(jīng)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(chǎn)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(chǎn)品。目前，人造皮膚已經(jīng)成為個性化人造器官中最成熟的一個品種。品。目前，人造皮膚已經(jīng)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

26、指的指骨。與此同時，安東尼掉拇指的機械師培育了拇指的指骨。與此同時，安東尼阿塔拉領導阿塔拉領導的一個由波士頓兒童醫(yī)院的醫(yī)生組成的小組正計劃把用胎兒細胞培育的一個由波士頓兒童醫(yī)院的醫(yī)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(chǎn)了一種摻有生長激素和療的膀胱植入人體。美國阿特麗克斯公司生產(chǎn)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。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生物制造的應用案例沈陽工業(yè)大學232022-5-16(2)(2)個性化人造器官的研究進展個性化人造器官的研究進展 德國漢諾威醫(yī)學高等專科學校的赫爾穆特德國漢

27、諾威醫(yī)學高等?？茖W校的赫爾穆特德德雷克斯勒教授首先從心肌梗塞患者的骨髓中提取出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(jīng)過一系列特殊處理后，這些病人的自體干細胞，經(jīng)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(fā)生梗塞的心臟動脈中。干細胞通過特制導管被植入發(fā)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。復，并可以再生心臟肌肉組織。生物制造的應用案例生物制造的應用案例沈陽工業(yè)大學242022-5-16(2)(2)個性化人造器官的研究進展個性化人造器官的研究進展 我國的曹誼林教授在裸鼠

28、身上移植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，消失。將裸鼠的背上割開一個口子，然后將已經(jīng)培養(yǎng)好的人造耳植入后縫然后將已經(jīng)培養(yǎng)好的人造耳植入后縫合。合。 該技術已經(jīng)開始用于臨床實驗。該技術已經(jīng)開始用于臨床實驗。 20012001年，曹教授利用個性化人造顱年，曹教授利用個性化人造顱骨技術為顱骨破損達骨技術為顱骨破損達6 6

29、6cm6cm的患者成的患者成功修補了顱骨。功修補了顱骨。生物制造的應用案例生物制造的應用案例沈陽工業(yè)大學252022-5-16復習思考題1.1.在目前條件下，普通加工、精密加工和超精密加工是如何在目前條件下，普通加工、精密加工和超精密加工是如何劃分的？劃分的？ 2.2.超精密加工的發(fā)展趨勢如何？有哪些主要的技術？超精密加工的發(fā)展趨勢如何？有哪些主要的技術？3.3.分析微系統(tǒng)的基本特征和關鍵技術。分析微系統(tǒng)的基本特征和關鍵技術。4.4.目前有哪些納米加工技術？目前有哪些納米加工技術？5.5.根據(jù)制造模式的概念出發(fā)，試說明微納制造是一種新的制根據(jù)制造模式的概念出發(fā)，試說明微納制造是一種新的制造模式

30、。造模式。6.6.你對生物制造有何認識？試用制造系統(tǒng)和制造模式的概念你對生物制造有何認識？試用制造系統(tǒng)和制造模式的概念加以說明。加以說明。7.7.生物加工的原理是什么？有何應用？生物加工的原理是什么？有何應用？ 沈陽工業(yè)大學262022-5-16沈陽工業(yè)大學272022-5-16 微納制造技術是關于微系統(tǒng)和納米技術的統(tǒng)稱。微納制造技術是關于微系統(tǒng)和納米技術的統(tǒng)稱。 1 1）微系統(tǒng)）微系統(tǒng) 是指集成了微電子和微機械（或光學、化學、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(tǒng)。它以微米尺度理論為基礎，用批生物等方面微元件）的系統(tǒng)。它以微米尺度理論為基礎，用批量化的微電子技術和三

31、維加工技術來完成信息獲取、處理及執(zhí)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(zhí)行等功能。微系統(tǒng)按特征尺寸范圍可分為三類：行等功能。微系統(tǒng)按特征尺寸范圍可分為三類：1mm1mm 10mm 10mm的的微小機械，微小機械，1m1m1mm1mm的微機械，的微機械，1n1n10m10m的納米機械的納米機械。 2 2）納米技術）納米技術 是指納米級是指納米級0.1nm0.1nm100nm100nm的材料、設計、加工、的材料、設計、加工、測量、控制和產(chǎn)品相關的技術。測量、控制和產(chǎn)品相關的技術。微納制造的發(fā)展 1. 微納制造的概念微納制造的概念 沈陽工業(yè)大學282022-5-16 微型機械將逐步走

32、向適用化，對工農業(yè)、信息、環(huán)境、生微型機械將逐步走向適用化，對工農業(yè)、信息、環(huán)境、生物醫(yī)療、空間、國防等領域的發(fā)展將產(chǎn)生重大影響。如把傳感物醫(yī)療、空間、國防等領域的發(fā)展將產(chǎn)生重大影響。如把傳感器和調配藥劑量的器和調配藥劑量的“藥劑師藥劑師”集于一身，制成微型集于一身，制成微型“智能藥智能藥丸丸”，通過口服或皮下注射進入人體，用以探測和清除人體內，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(tǒng)可用于視網(wǎng)膜手術、修補血管等。在工業(yè)領的癌細胞。微系統(tǒng)可用于視網(wǎng)膜手術、修補血管等。在工業(yè)領域，微型機電產(chǎn)品可以在管路檢修和飛機內部檢修等狹窄空間域，微型機電產(chǎn)品可以在管路檢修和飛機內部檢

33、修等狹窄空間和惡劣環(huán)境下進行診斷和修復工作。在航空航天領域，可以制和惡劣環(huán)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(jié)油項就可節(jié)油1010，僅美國國防部系統(tǒng)就能節(jié)省幾十億美元的汽，僅美國國防部系統(tǒng)就能節(jié)省幾十億美元的汽油費。油費。微納制造的發(fā)展 2.2.納制造技術的應用納制造技術的應用沈陽工業(yè)大學292022-5-16微系統(tǒng)的關鍵技術微系統(tǒng)的關鍵技術 微系統(tǒng)設計技術微系統(tǒng)

34、設計技術 微細加工技術微細加工技術 微系統(tǒng)組裝和封裝技術微系統(tǒng)組裝和封裝技術 微系統(tǒng)的表征和測試技術微系統(tǒng)的表征和測試技術沈陽工業(yè)大學302022-5-16納米加工技術納米加工技術 納米加工技術主要有納米加工技術主要有5 5個方面?zhèn)€方面： 沈陽工業(yè)大學312022-5-16 工藝過程：工藝過程： 采用深層同步輻射光刻，涂覆光致抗蝕采用深層同步輻射光刻，涂覆光致抗蝕劑（圖劑（圖a a），經(jīng)），經(jīng)X X射線曝光蝕刻出圖形（圖射線曝光蝕刻出圖形（圖b b）；）； 電鑄，以曝光蝕刻的圖形實體作為電鑄電鑄，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（圖用胎模，用電沉積法在胎模上沉積金

35、屬（圖c c），生成微鑄件（圖），生成微鑄件（圖d d） 注射成形，以微鑄件為模具，即可加工注射成形，以微鑄件為模具，即可加工所要求的微零件（圖所要求的微零件（圖e e）。）。納米加工技術納米加工技術LIGA法的工藝過程法的工藝過程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）沈陽工業(yè)大學322022-5-16納米加工技術納米加工技術沈陽工業(yè)大學332022-5-16納米加工技術納米加工技術沈陽工業(yè)大學342022-5-16納米加工技術納米加工技術沈陽工業(yè)大學352022-5-16納米加工技術納米加工技術沈陽工業(yè)大學362022-5-16納米加工技術納米加工技

36、術沈陽工業(yè)大學372022-5-16 目前，集成電路已經(jīng)從目前，集成電路已經(jīng)從2020世紀世紀6060年代的每個芯片年代的每個芯片上僅幾十個器件發(fā)展到現(xiàn)在的每個芯片上可包含約上僅幾十個器件發(fā)展到現(xiàn)在的每個芯片上可包含約1010億個器件，億個器件，其集成度每其集成度每3 3年提高年提高4 4倍倍。這一增長速。這一增長速度不僅導致了半導體市場在過去度不僅導致了半導體市場在過去3030年中以平均每年年中以平均每年約約15%15%的速度增長，而且對現(xiàn)代經(jīng)濟、國防和社會的速度增長，而且對現(xiàn)代經(jīng)濟、國防和社會也產(chǎn)生了巨大的影響。集成電路之所以能飛速發(fā)展，也產(chǎn)生了巨大的影響。集成電路之所以能飛速發(fā)展，光刻技

37、術的支持起到了極為關鍵的作用。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1.1.電子束光刻加工技術電子束光刻加工技術沈陽工業(yè)大學382022-5-16 電子束光刻的電子束光刻的原理如圖所示，原理如圖所示，在由掩膜（其上有所在由掩膜（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，抗蝕劑涂層上，由于化學反應，經(jīng)顯影后，在光致抗由于化學反應，經(jīng)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蝕劑涂層上就形成與掩膜相同的所需

38、線路圖形。隨之，。隨之，在基片上形成電路在基片上形成電路有兩種處理辦法：有兩種處理辦法：用離子束濺射用離子束濺射去除，可得到凹形電路。去除，可得到凹形電路。用金屬蒸鍍方法，可形成用金屬蒸鍍方法，可形成凸形電路。凸形電路。 微納制造應用案例1.1.電子束光刻加工技術電子束光刻加工技術沈陽工業(yè)大學392022-5-161. 電子束光刻加工技術微納制造應用案例微納制造應用案例電子束光刻加工過程電子束光刻加工過程沈陽工業(yè)大學402022-5-162. 微型機械昆蟲微型機械昆蟲根據(jù)非穩(wěn)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

39、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。微納制造應用案例微納制造應用案例沈陽工業(yè)大學412022-5-163. 世界最小的微型機械人 世界最小的微型機械人，其只有世界最小的微型機械人，其只有1/41/4立方寸，體重小於立方寸，體重小於1 1盎司。利用盎司。利用這種微型機械人幫助偵查地雷、化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在，并將有關信息傳送到指揮中心；科

40、學家還可以部署一群微型機械；科學家還可以部署一群微型機械人，進行不同的任務，比體積大的人，進行不同的任務，比體積大的機械人更靈活和有彈性。機械人更靈活和有彈性。微納制造應用案例微納制造應用案例沈陽工業(yè)大學422022-5-16 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(jīng)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(fā)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(yōu)點，首

41、先是其尺寸大小如實體，其次是適合大量生產(chǎn)，最后是能以低功率機械方式進行聲學信號處理。沈陽工業(yè)大學432022-5-165. 微型機械零件“自組織化”裝配技術東京大學開發(fā)出一種微型機械零件東京大學開發(fā)出一種微型機械零件“自組織化自組織化”自動裝配技術，利用自然自動裝配技術，利用自然界的界的“自組織化自組織化”現(xiàn)象把散亂零件結合到一起，對提高工作效率、增加微型現(xiàn)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(chǎn)量大有幫助。機械產(chǎn)量大有幫助。原子在硅酸化物基片上可以自然成形，這種現(xiàn)象被稱為原子在硅酸化物基片上可以自然成形，這種現(xiàn)象被稱為“自組織化自組織化”。受此啟發(fā)，先在微型零件表面涂上化學物質

42、，讓他們具有溶水性或排水性，受此啟發(fā)，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。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(jù)需要很好地結合在一起。研究只要在零件表面涂料上下功夫，零件就會根據(jù)需要很好地結合在一起。研究人員把直徑僅為人員把直徑僅為1010微米的硅粒作為零件進行實驗，硅粒排成一列，連成微小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。這種技柱形，再在基片表面進行化學處理，成功地把

43、硅粒柱敷設在基片上。這種技術在超大規(guī)模集成電路微型裝置鑲嵌中大有用武之地。術在超大規(guī)模集成電路微型裝置鑲嵌中大有用武之地。微納制造應用案例微納制造應用案例沈陽工業(yè)大學442022-5-16 美國已成功地制造出與病毒大小差不多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的分子馬達。該生物分子馬達是以200nm200nm長、長、80nm80nm直徑寬的金屬鎳為軸，并以分子直徑寬的金屬鎳為軸，并以分子(F1-(F1-腺嘌呤核甘三磷酸合成酵素腺嘌呤核甘三磷酸合成酵素) )作為馬達，而作為馬達，而以長以長750nm750nm、直徑為、直徑為150nm150nm的鎳作為螺旋槳。的鎳作為螺旋槳。據(jù)研究人員的觀察，該分子馬達被浸泡至據(jù)研究人員的觀察，該分子馬達被浸泡至ATPATP溶液中后，利用生物分子細胞內的化學溶液中后，利用生物分子細胞內的化學反應，以反應，以ATP ATP 作為能源，每秒轉速可達作為能源，每秒轉速可達8 8圈，圈，并可連續(xù)轉動并可連續(xù)轉動2.52.5小時。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零件的一部分，它的