生物制造技术
摘要：介绍了生物制造的定义和基本原理，介绍了生物制造的内容及研究方向，生物制造的应用，并展望了生物制造的前景，阐明了发展生物制造产业的意义。 关键词：生物制造；研究内容；应用前景；分类。
２０世纪后期，信息技术与制造技术推动制造业，使制造业得到了飞跃发展。２１世纪人类将从信息经济时代过渡到生物经济时代，生命科学和生物技术将成为科技的潮流，使人类的社会形态和生活方式发生改变。作为社会发展基础的制造技术，必将面向未来，从为工农业提供支持，转向为人类的生命质量的提高服务。生物制造技术它应用各种生物制造方法，快速制造表面复杂结构，从加工能力、产品功能、加工效率、加工成本等不同角度解决常规微纳制造的“瓶颈性”制造难题，突破传统物理、化学方式制造的理念和原理，实现节能、环保等高科技产品的仿生研制、高附加值、多功能复合等最终目标。它为人类的健康、保护环境和可持续发展提供关键技术，使制造科学发生一场新的革命。 1、生物制造的概念和基本原理
制造业挑战展望委员会主席Ｊ。Ｂｏｌｌｉｎｇｅｒ博士于１９９８年提出了生物制造的概念，所谓生物制造是指运用现代制造科学和生命科学的原理和方法，通过单个细胞或细胞团簇的直接和间接受控组装，完成具有新陈代谢特征的生命体成形和制造，经培养和训练，用以修复或替代人体病损组织和器官［１］。它直接以生物的手段，利用生物生理特征、形体特征、材质特征、成形特征、组织特征、遗传特征等，实现像物理方式、化学方式一样的去除加工、约束成形、生长成形、复制加工等生物方式制造，其技术包括生物方式制造工艺、生物方式制品、生物方式制造设备等。它打破传统物理化学方式制造的界限，实现自然物质制造产品能力的顶层扩充；打破生命体与非生命体的界限，实现生物体与机械结构的融合与交叉应用；打破制造工艺与装备形式的界限，实现生物制造工艺与机械制造工艺的交叉。
2、生物制造的内容及研究方向
生物制造是建立在分形理论，分布式制造、自组织生长、生长型制造等原理上的一种新的加工成形方式，其基础是制造科学、生命科学、材料科学和信息技术［２］。目前，生物制造的研究内容是想办法把生命科学、制造技术、计算机技术、信息技术、材料科学等各领域的最新研究成果组合起来，使其彼此联系用于制造业［３］。归纳起来，目前有如下两种类型六个研究方向。 2、1仿生制造
其包括生物组织和结构的仿生、生物遗传制造和生物控制的仿生三个方面。生物组织和结构的仿生是选择一种材料，这种材料与生物相容同时可以降解，用这种材料制造出一个器官的框架，在这个框架内加入可以生长的物质，使其在这器官框架内生长，实现器官的人工工程化制造，此器官能与生物相容和适配，不会抵触；用高分子材料可以制造出像人的肌肉一样的生物肌肉，这种肌肉具有弹性；通过生物分子的生物化学作用，制造具有类人脑功能的生物计算机芯片。生物遗传制造是因为生物的ＤＮＡ分子能够自我复制，人或动物的骨骼、器官、肢体，以及生物材料结构的机器零部件等通过生物遗传来实现。它主要利用这些产
品几何形状不同、位置不同，其物理力学性能也就不相同，同时它们各自的特征也不一样，采用人工控制内部单元体的遗传信息，使生物材料和非生物材料的有机结合，直接生长出任何人类所需要的产品。 生物控制的仿生是由于生物具有的功能比任何人工制造的机械都优越得多，生物体的结构与功能在机械设计、控制等方面给了人类很大的启发，于是应用生物控制原理来计算、分析和控制制造过程，得到各种计算、设计、制造方法，通过这些方法设计制造先进的设备为人类服务。
2、2生物成形制造
通过某类生物材料的菌种来去除工程材料，实现生物去除成形；通过对具有不同标准几何外形和取向差不大的亚晶粒的菌体的再排序或微操作，实 现生物约束成形；通过对生物基因的遗传形状特征 和遗传生理特征的控制，来构造社会所需产品的的外形并赋予其生理功能，实现生物生长成形。 生物去除成形氧化亚铁硫杆菌Ｔ—９菌株是一种革兰氏阴性菌，具有化能自养、好气、嗜酸、能产生三价铁离子的一类特殊细菌，属于铁细菌的一种，它们能加速亚铁离子的氧化，但需要非常特殊的环境（如适当的ｐＨ值、温度、氧溶剂等等），广泛存在于酸性矿山水及含铁或硫的酸性环境中。加工时可以想办法控制要去除区域，利用这种细菌来嗜去相应区域的工程材料得到所需的形状。 生物约束成形机械加工中有时要加工很小的形状，用常规加工方法很难实现。但微生物中大部分细菌直径很小差不多１μｍ左右，同时其具有各种各样的标准几何外形。把这些菌体金属化就可以生成出微小的管道、微小的电极、微小的导线；把这些菌体按一定规律排序和固定，就可以构造具有微小孔的蜂窝结构、微小孔的过滤膜以及光学衍射孔等。 生物生长成形生物体和生物分子能够繁殖、代谢、遗传、重组，可以通过生物的生长规律来控制基因的遗传形状特征和生理特征，生长出所需外形和生理功能的人工器官，用于置换人类因病变坏死的器官或构造用于生物医学领域的微机电系统。 3、生物制造的应用 3、1生物计算机
其用于制作计算机核心元件大规模集成电器的材料硅，集成度高，但离散的问题不易解决，几种生物材料细胞色素Ｃ、细菌视紫红质、ＤＮＡ分子、采用导电聚合物如聚乙炔与聚硫氮化物制作分子导线，可以解决此问题。 3、2“眼睛芯片”给盲人一个重见光明的眼睛
美国通过一个无线录像装置和一个微型电脑芯片研制成功了一种可使盲人重见光明的“眼睛芯片”。它把一个无线录像装置装在眼镜上，通过录像装置拍摄事物的影像信息，把这种影像信息转化为可以度量的数字化信息，然后发送到固定在视网膜上的微型电脑芯片上，刺激视网膜上的神经细胞并传送到大脑，人就可识别到图像重见光明。 3、3个性化人体器官
据统计，每年有数以千万计的人的死亡都是由 于他们的各种组织、 器官的功能坏死或障碍。他们虽想要进行器官移植，但等不到相应的器官，或者虽然进行了移植但又与自身的基因不合而排斥，成活率低。个性化人体器官的构想是希望用人工的方式采用生物制造技术培养出人体需要的正常组织和器官。医院能根据患者的器官的缺失情况，需要什么培育什么，需要多少加工多少。一方面对患者原有器官的大小和形状进行测量，拫据他原来的形状和大小培育，另一方面利用他自身细胞或局部组织，再利用外来的一些高分子材料来制造，做好了安装上
就能发挥作用。这些器官是由其自身的细胞发育而成，因此患者不会产生出排斥反应。
4、生物制造的发展前景
美国科学基金会在《２０２０年制造业挑战的展望》中将生物制造列为高新科技的十个主要方向之一，同时在《培育生物经济革命》中将生物基产品与生物能源列为生物经济的核心。我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将生物技术列为我国五 大科技发展战略重点之一， 《中国机械工程技术路线图》将仿生制造列为机械工业重点发展六大主题 之一， 《制造技术与未来工厂———２０４９展望》中国将生物制造列为机械工业未来前沿技术之一。目前已证实了微生物能加工金属材料，将快速成型技术与人工骨研究相结合能为康复医学提供很好的技术手段。生物制造系统这个正在形成的崭新学科，就是生物学和制造学相互渗透、相互交叉的结果。 未来，生物制造将把更多地把生物感知、生物智能运用在机器人、微机电系统等方面，使其具有人或动物的特性和能力；在纳米技术方面，实现纳米尺度裁剪或连接ＤＮＡ，改革生命特征，构造纳米人工生物膜；在医疗方面，将复制人体的各种器官，使人类的寿命得以增长；在生物加工方面，制造微颗粒、微功能涂层、微管、微器件、微动力、微传感器、微系 统等［４］。 生物与仿生制造产品和产业将成为先进制造的重要领域，并在国民经济中占有相当的比重。具有显著减阻功能的仿生表面结构产品将在低阻低噪的飞行器、舰船表面等国防和工业装备中得到更广泛地应用。表面仿生技术将制成高效光伏电池、ＬＥＤ。生物隐身材料技术—“变色龙”将实现国防重大应用。 5、结束语
生物制造产业是支撑社会经济可持续发展的重要保障，现代生物制造技术已经广泛地应用于工业、农牧业、医药、环保等众多领域，产生了巨大的 经济和社会效益。我国生物制造产业将按照 “自主创新、规模发展、产业集聚、拉动内需、稳定市场”的原则，我国生物制造产业产业规模、自主创新能力不断增强，取得了重要进展。生物制造对于我国加 快经济结构调整、 转变经济增长方式，建立绿色与可持续的产业经济体系具有重大战略意义。生物制造技术将在国防、民生、资源等方面影响国家未来战略优势。
参考文献：
［１］百度文库.生物制造技术
［２］张德远.微纳米生物制造技术的基础研究［Ｊ］.现代制造工程，２００４，（１２）：１１－１３.
［３］卢秉恒，吴永辉，李涤尘，等.将在２１世纪崛起的生物制造工程［Ｊ］，中国机械工程，２０００，（２１）：１４９－１５３.
［４］刘水英，李新生，杨智勇，等.中国生物制造研究现状与展望［Ｊ］.安徽农业科学，２０１３，（２４）