生物制造技術(shù)(未完成版)

1、生工1402生物制造技術(shù)生物制造技術(shù)制作人：王敬文，孫亞武，楊澤林，賈雨辰主講人：熊加松定義 主要指生物體制造，是運用現(xiàn)代制造科學(xué)和生命科學(xué)的原理和方法，通過單個細胞或細胞團簇的直接和間接受控組裝，完成具有新陳代謝特征的生命體成形和制造，經(jīng)培養(yǎng)和訓(xùn)練，完成用以修復(fù)或替代人體病損組織，器官和仿生產(chǎn)品的制造。狹義包括仿生制造、生物質(zhì)和生物體制造，涉及生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的制造科學(xué)和技術(shù)均可視為生物制造，用BM-Bio-manufacturing表示。廣義生物制造是指以生物體機能進行大規(guī)模物質(zhì)加工與物質(zhì)轉(zhuǎn)化、為社會發(fā)展提供工業(yè)商品的新行業(yè)，是以微生物細胞或以酶蛋白為催化劑進行化學(xué)品合成、或以生物質(zhì)為原料轉(zhuǎn)化

2、合成能源化學(xué)品與材料，促使能源與化學(xué)品脫離石油化學(xué)工業(yè)路線的新模式。它以生命科學(xué)的最新發(fā)展為基礎(chǔ)，以設(shè)計和改造生物體為核心，通過生物技術(shù)與制造技術(shù)的結(jié)合，以先進、高效、環(huán)境友好的方式規(guī)?；a(chǎn)人類所需的能源與化學(xué)品。工業(yè)生物制造是生物經(jīng)濟發(fā)展的重要組成部工業(yè)生物制造是生物經(jīng)濟發(fā)展的重要組成部分分生物制造在經(jīng)濟發(fā)展中的戰(zhàn)略地位l生物制造產(chǎn)業(yè)是生物產(chǎn)業(yè)重點行業(yè)之一，是關(guān)系國計民生的重要產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)滲透到幾乎所有的工 業(yè)領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟、社會發(fā)展和提供就業(yè)機會等方 面具有舉足輕重的地位l同時，生物制造對于傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝進行綠色化學(xué)技 術(shù)改造，提升產(chǎn)品檔次，建立清潔生產(chǎn)工藝，推動優(yōu) 質(zhì)、高效、環(huán)保等大宗產(chǎn)

3、品的發(fā)展，實現(xiàn)資源再利用， 轉(zhuǎn)變高碳經(jīng)濟發(fā)展模式，從產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)尋求 節(jié)能途徑，具有重要的現(xiàn)實意義，是實現(xiàn)低碳經(jīng)濟目 標、促進經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的有效途徑 生物制造工程歷史l早在1995年 , 生物制造的概念就被提出了l21世紀制造業(yè)挑戰(zhàn)展望委員會”主席JBollinger博士于1998年提出了生物制造的概念。l中國學(xué)者也于2000年提到了生物制造。可見生物制造的概念早已備受關(guān)注。然而，由于概念的定義和內(nèi)涵不夠清晰，對于制造業(yè)的發(fā)展沒有起到太多的指導(dǎo)作用。l真正意義上的生物制造工程的概念是隨著制造業(yè)尤其是快速原型技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中應(yīng)用的日漸深入，而逐漸明確起來。前景 作為學(xué)科交叉的細胞簇的三維受

4、控組裝技術(shù)已成為目前十分有希望的 內(nèi)臟人工制造技術(shù)之一 , 如種類繁多的不同類型細胞的精確三 維排布 (輸運 、 控制、連接和發(fā)育問題) ; 不同基因組在不同時間 、不同位置表達的誘導(dǎo) 問題等。這些間題在相當程度上涉及生命的形成和進化的本質(zhì) 。預(yù)計到 2020年 ,隨著生命科學(xué)與制造科學(xué)交叉發(fā)展 , 人工制造人體全功能內(nèi)臟器官機理將能闡明。 根據(jù)人們的意愿創(chuàng)造出更多新生命體 生物制造與傳統(tǒng)制造的區(qū)別就在于生物制造處理的對象不僅是具有生物活性、生物相容性的材料，而且還包括了具有特定生命力的細胞或組織材料復(fù)合體，這 其中涉及的科學(xué)問題除了基本的制造問題外還有更多材料 細胞單元的受控組裝機理、條件和

5、功能實現(xiàn)等。生物制造經(jīng)濟社會發(fā)展的助力車 當前，我國處于工業(yè)化進程加速時期，面臨著嚴峻的資源與環(huán)境壓力，迫切需要推進溫室氣體減排，構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會 生物制造技術(shù)的進步，將有利于我國傳統(tǒng)化工、醫(yī)藥等行業(yè)擺脫能耗高、物耗高、污染嚴重等困境，實現(xiàn)相關(guān)制造產(chǎn)業(yè)的 跨越式發(fā)展 生物制造產(chǎn)業(yè)立足于中國特色創(chuàng)新發(fā) 展，將成為拉動中國經(jīng)濟騰飛的重要引擎 抓住生物科技發(fā)展的機遇，把生物制造業(yè)作為重點戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展，對緩解經(jīng)濟發(fā)展瓶頸制約，實現(xiàn)節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟發(fā)展的目標具有重大戰(zhàn)略意義生物制造技術(shù)人工器官制造的研究及應(yīng)用8生物制造技術(shù)人工器官的種類 機械性人造器官是完全用沒有生物活性的高分

6、子材料仿造一個器官，并借助電池作為器官的動力。目前，日本科學(xué)家已利用納米技術(shù)研制出人造皮膚和血管。 半機械性半生物性人造器官將電子技術(shù)與生物技術(shù)結(jié)合起來。在德國，已經(jīng)有8位肝功能衰竭的患者接受了人造肝臟的移植，這種人造肝臟將人體活組織、人造組織、芯片和微型馬達奇妙地組合在一起。預(yù)計在今后十年內(nèi)，這種仿生器官將得到廣泛應(yīng)用。 生物性人造器官則是利用動物身上的細胞或組織，“制造”出一些具有生物活性的器官或組織。生物性人造器官又分為異體人造器官和自體人造器官。比如，在豬、老鼠、狗等身上培育人體器官的試驗已經(jīng)獲得成功；而自體人造器官是利用患者自身的細胞或組織來培育人體器官。生物制造技術(shù)1.1 生物制造

7、流程10 醫(yī)用CT機掃描獲取數(shù)據(jù) CT數(shù)據(jù)預(yù)處理獲取有用數(shù)據(jù) CAD幾何模型的建立 內(nèi)部微細結(jié)構(gòu)仿生建模 后處理技術(shù)和材料準備 快速成形技術(shù)生成實體模型 生物生長因子植入及其培養(yǎng) 具有生物活性的器官或組織生物制造技術(shù)1.2 數(shù)據(jù)模型的建立 它通過CAD系統(tǒng)的網(wǎng)格劃分功能,將實體劃分成許多子區(qū)域材料四面體單元,四面體單元內(nèi)每一點的材料組成與子區(qū)域的各頂點的材料組成以及Bernstein多項式函數(shù)有關(guān),而四面體單元頂點的材料組成是到模型邊框的距離的函數(shù)。11生物制造技術(shù)1.3 細胞打印技術(shù)細胞,器官打印的概念首先由美國南卡羅來納大學(xué)的研究者提出，Organovo公司在世界上首次開發(fā)出了商業(yè)化的細胞

8、,器官打印設(shè)備 ，并成功用于人工活性血管的打印成形，目前該公司正利用該技術(shù)進行復(fù)雜器官的立體成形研究國內(nèi)清華大學(xué)采用微滴噴射工藝，將肝臟細胞與生物基質(zhì)材料( 殼聚糖、明膠等) 混合物進行三維受控組裝，形成具有簡單結(jié)構(gòu)的肝細胞L水凝膠復(fù)合體12生物制造技術(shù)1.4 生物材料的來源動物細胞體外培養(yǎng)形成的細胞株干細胞定向誘導(dǎo)分化形成的細胞組織細胞與凝膠類物質(zhì)等復(fù)合而成的微滴單元13生物制造技術(shù) 生物材料的研究與開發(fā)對國民經(jīng)濟和社會的發(fā)展具有極其重要的意義,生物材料具有很高的附加值,每公斤達1200150000美元,而同期建筑材料僅為0.11.2美元,宇航材料也僅1001200美元14生物制造技術(shù)2.1

9、 器官芯片什么是器官芯片器官芯片應(yīng)用實例器官芯片發(fā)展前景15生物制造技術(shù)2.11 什么是器官芯片動物實驗在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)與生物學(xué)中占據(jù)了極為重要的位置，但是經(jīng)費以及動物倫理也成了難以回避的問題。哈佛大學(xué)韋斯研究所的生物工程師們試圖減少甚至取代昂貴而耗時的動物實驗他們結(jié)合電子技術(shù)與生物科學(xué)技術(shù)，創(chuàng)造出了一種“器官芯片”，希望能夠用微芯片復(fù)制人體器官的功能，使醫(yī)學(xué)實驗變得更為簡便。16生物制造技術(shù)2.12 器官芯片應(yīng)用實例 美國哈佛大學(xué) WYSS研究所的 Ingher 課題組通過模擬自然肺的微觀結(jié)構(gòu)與作用機理，成功開發(fā)出了人工肺芯片( lung-on-a-chip) ，并通過實驗證明了該芯片可對肺炎及肺

10、感染等疾病產(chǎn)生相應(yīng)的生理反應(yīng)，也驗證了采用該芯片進行新藥毒性檢測的可行性17生物制造技術(shù)2.13 器官芯片發(fā)展前景 這些芯片的制作與最近興起的“芯片實驗室”（LoC）技術(shù)息息相關(guān)，結(jié)合了微流體技術(shù)和硅芯片技術(shù)，大大加速了生物系統(tǒng)的分析過程。 在藥物測試方面，“器官芯片”的優(yōu)點顯而易見：他們可以極高程度地模擬真正的人體測試，同時透明的芯片能讓觀測變得非常容易。 更重要的是，這些“器官芯片”可以幫助人們更好地了解和處理疾病。很多種人類疾病是沒有動物模型可供測試的。 如果我們能夠完美模擬內(nèi)臟的運作，那么是不是可以將這些芯片植入人體來增強甚至替代現(xiàn)有器官呢？又或者，未來的某一天我們可以將一大堆“器官芯

11、片”組裝到一起，創(chuàng)造出一個完整“人體芯片”？18http:/ 單細胞硅藻, 廣泛分布于地球的江河湖海等水域, 繁殖速度快(呈指數(shù)生長)其細胞壁為透明的氧化硅外殼這種殼體結(jié)構(gòu)機械強度良好, 形體豐富, 具有多級微納米孔隙和微結(jié)構(gòu)、巨大比較面積和多種光學(xué)特性, 是生物制造的新素材利用生物制造方法加工硅藻殼體并實現(xiàn)功能可控, 其中的理論與制造問題亟待研究. 硅藻的特性與硅藻殼體結(jié)構(gòu)生物制造技術(shù)1.1硅藻土 硅藻土質(zhì)輕 、多孔 、相對密度小 ，純凈干燥的硅藻土相對密度僅為 0.4-0.9g/cm3 孔徑分布范圍大，空隙率高 ，吸附液體的能力強 能吸附自身質(zhì)量的1.5 -4倍的液體 對聲 、熱、 電的傳

12、導(dǎo)性能都極差 所以具有強吸附、 隔音隔熱 、漂白及高熔點 （1600-1750）的特性，其化學(xué)穩(wěn)定性高 ，除溶于氫氟酸外不溶于任何強酸，易溶于堿 2.1 硅藻殼體的微器件應(yīng)用潛力一些現(xiàn)有工業(yè)產(chǎn)品利用了殼體結(jié)構(gòu)和固有功能, 如硅藻土建材因其優(yōu)秀的孔容而具有保溫、隔音、調(diào)濕作用; 硅藻土助濾劑可利用其微孔濾去水中雜質(zhì)、細菌, 同時利用其表面電性和材質(zhì)特性吸附去除金屬離子、氟離子和染料基團.新開展的一類研究是將殼體用于染料敏化太陽能電池、鋰電池電極、電致發(fā)光顯示器件.提高了光子的捕獲率, 因此需要的染料更少, 光電陽極厚度減小，減少制造成本, 而且縮減了染料和傳導(dǎo)玻璃間的電子擴散距離, 從而提高了電

13、池效率.2.2 硅藻微納結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀硅藻殼體作為一種新型功能材料受到各學(xué)科的廣泛關(guān)注(生物、材料、微納、化學(xué)、物理、機械、醫(yī)學(xué)等), 在十余年期間, 其研究成果已初步應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、微納制造、光機電器件、半導(dǎo)體、計算機等學(xué)科行業(yè), 獲得了豐富的科技成果和一定的商業(yè)利益. Gordon 在專著 Diatom Nanotechnology: Special Issue 的序言中列舉了硅藻納米技術(shù)關(guān)注的七項熱點問題, 其中許多研究與應(yīng)用仍處在探索和發(fā)展階段, 大多成果仍未走出實驗室. 生物制造技術(shù)24疫苗的生物制造我國生物制藥的發(fā)展史2011 年，首個擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的小分子抗腫瘤藥凱美納（鹽酸?？颂婺崞?/p>

14、）成功上市，實現(xiàn)了中國新藥創(chuàng)制零突破。2012 年4 月18 日中科院成都地奧制藥集團有限公司研制生產(chǎn)的地奧心血康膠囊獲準歐盟注冊上市，實現(xiàn)了中國具有自主知識產(chǎn)權(quán)治療性藥品進入發(fā)達國家主流市場零的突破。2011 年3 月，中國疫苗監(jiān)管體系通過了世界衛(wèi)生組織（WHO）的評估。2012 年11 月，中國食品藥品檢定研究院生物制品檢定所正式獲得WHO 批準，成為WHO生物制品標準化和評價合作中心。細菌性疫苗的制備工藝1.菌種：弱毒菌種多系凍干品，使用前應(yīng)按規(guī)程規(guī)定進行復(fù)壯、挑選，并做形態(tài)、特性、抗原性和免疫原性鑒定。將鑒定合格的菌種接種于規(guī)定的培養(yǎng)基按規(guī)定的條件增值培養(yǎng)，經(jīng)檢查合格者即可作為種子液。2.菌液培養(yǎng)：按1%3%量將種子液接種于培養(yǎng)基，然后依不同菌苗要求進行培養(yǎng)。3滅活：4.濃縮：以吸附沉降法和離心機沉降法等方法提高單位活菌數(shù)。5.配苗與凍干：經(jīng)檢驗合格的菌液，按規(guī)定比例加入保護劑配苗，充分搖勻后隨即進行分裝并迅速送入凍干柜進