对生物制造技术的认识

1对生物制造技术的认识摘要：生物制造是机械领域与生物领域交叉产生的新领域。生物制造技术今年来取得一系列显著成果，在微纳米制造技术也得到更深入的应用与研究，贡献着自己的力量，生物制造技术的特点、应用和发展趋势也需要我们有着清楚的认识。关键词：生物制造微生物微纳米制造技术生物成形蛋白质1.生物制造的定义及特点生物制造工艺就是利用生物过程来制造所需产品的方法，是多学科科学知识的综合集成，它对我们来说并不陌生，早在1970年人们便利用它制造胰岛素，生物制造技术如今更是被认为是工程领域中的第5根支柱，随着近10年来科技的发展，对细胞生物学和分子生物学的认识更是显著提高，其知识正开启广泛的商机，并且为人们做出贡献，如在缓解环境问题、增加全球食物量以及在机械加工方面贡献者自己的力量，但是尽管知识进步，然而生物制造技术从实验室走向市场的道路仍然有很多障碍，毕竟用于此的研究是昂贵、费时的，且经常是无成果的，还有，与化工业相比，因为其原材料与催化剂都是有生命的有机物，它们本身就是容易破坏的、变幻无常的，要求更为苛刻，所以，还不能大范围投入应用。2.生物制造的应用—生物约束成形和生物隐身微纳米制造技术以生物为对象的微纳米生物制造方法是近几年兴起的，包括生物去除成形、生物约束成形等，目前已发现的微生物2有十万种左右，其中大部分细菌直径只有1µm，最小的病毒和纳米微生物直径只有50nm。菌体有各种各样的标准几何外形（如球状、杆状、丝状、螺旋状等）。用现有任何加工手段都很难加工出这么小的标准三维形状。这些不同种类菌体的金属化将会有如下一些微米/纳米尺度的用途：1）构造微管道、微电极、微导线等;2)菌体排序与固定，构造蜂窝结构、复合材料、多孔材料、磁性功能材料等；3）对蜂窝结构表面去除，构造微孔过滤膜、光学衍射孔等；4）最具国防意义的是金属化菌体可作为新型雷达波隐身材料吸收剂。德国德累斯顿工业大学成功进行了人工蛋白质微丝（直径50nm）镀镍。美国海军研究实验室进行了脂质微管（直径500nm）镀镍。首先，选择细胞壁较厚的固囊酵母菌作为金属化试验对象，参考细胞切片工艺和化学镀镍工艺，按图1步骤实施菌体化学镀镍。其中菌体表面胶体钯活这一步需要重视，因为直接影响到了菌体表面形成催化中心的多少、粒度大小、分布均匀性，从而最终关系到化学镀镍的镀层质量。图2表示固囊酵母菌Ni-P化学镀镍的镍层厚度约为80nm，首次实现了菌体化学镀镍。对镀层进行能谱分析的结果表明，镍含量为10%为80%~90%,磷含量为10%以上。为实现金属化菌体的磁场排序，3必须保证金属化菌体具有磁铁性。但是镀镍层含磷量大于7%就没有磁铁性。Ni-P化学镀镍不容易产生磁性，所以进一步研究Ni-B、Co-P及Co-Ni-P等镀镍配方的磁性。试验证明，镀层磁性排序一般为Ni-B、Ni-P、Co-P、Co-Ni-P。菌体磁性镀镍成功后，进一步实现了腊状芽孢杆菌的磁性金属化，并尝试了菌体的磁场排序问题。图3所示为分散的金属化菌体在箭头所示方向磁场作用下的定向作用。背景大的黑点为显微镜内部霉变造成的干扰图像。金属化腊状芽孢杆菌与环氧树脂混合后，对其介电常数进行测量。图所示是通过HP8510矢量网络分析仪测量的广域频带（2~18GHZ）下的材料介电常数，菌体体积占15%菌体Co-Ni-P涂层厚度为0.2μm。介电常数实部（ε’）和虚部（ε”）均接近于常数，实部接近于9，虚部很低属正常。当金属化菌体浓度进一步增大到20%时，介电常数实部可4以增大到20.用此浓度作为平板试样，涂层厚度为2mm时，涂层密度约为0.31103kg/m^2,在11.84~18GHz频段内反射率小于3dB，峰值发生在14.36GHz，反射率为-4.27dB。表明所得隐身涂层比重较轻、吸收频带较宽，在隐身领域有很好的应用前景。这种生物隐身技术的最大优势在于菌体培养成本极低，形状多样，具备丝状和螺旋状等隐身优良形体。生物隐身材料为国际首创，具备知识创新与高科技含量，对提高我国的国防装备水平意义重大。生物聚合成形脂质作为细胞壁的主要成分之一，是一种天然具有亲水基和亲油基的双亲表面活性剂，从微生物或动物细胞中提取后，聚合可生成纳米/微米级球形脂质体/脂质双层膜/脂质单层膜。脂质争座位生物分子器件研究的基质和载体得到广泛的应用，特别是对以下两项重要前沿技术的实用化将起到决定性作用。第一项是生物马达。中科院生物物理所试验的光能F0-ATP酶生物分子马达在脂质体上安装并驱动负载回转，它比目前国际上提出的F1-ATP水解酶分子马达更容易实用化。水解马达的能量供给十分不便，孤立系统的能量很快消耗殆尽，而光能F0马达在普通光下即可长时间旋转，并且可以方便的通过光强调整转速和停转。如果光能F0马达从目前的随机装配发展为阵列化脂质体上精密定向装配，将会产生新型机电系统，如阵列式纳米纪录、微系统动力、马达式生物芯片等，并具备芯片式批量化生产的特征。第二项是脂质芯片。目前绝大部分生物芯片的研究是基因芯片或5水溶性蛋白质芯片，而对于占蛋白质总量约1/3的非水溶性膜蛋白的芯片化几乎无人问津。脂质体对绑定和检测各类蛋白，特别是非水溶性膜蛋白具有独特的能力，所以必须抓住机遇率先开展“脂质芯片”的研究。脂质体具有与细胞膜相似的结构，但比活细胞结构与成分简单，且能够重组，容易控制、操作及保存，在其上可装配各种功能蛋白质,是一种理想的蛋白质工程的载体。可利用这种机械面——脂质体——功能蛋白质之间的有良好界面，在一定形体与功能的硅片上构造脂质体阵列，在脂质体上部装配功能蛋白质（如马达蛋白、膜蛋白、抗体/抗原、配体/受体等），来形成一种构造光能生物马达芯片和脂质基芯片等生物机电系统的新型制造方法。图示使用自行研制的微喷系统喷制的脂质体基生物芯片，其中喷点直径180μm，间距300μm。这种基于脂质体的生物制造新技术，与以往物理和化学形式的制造方法相比，在形成与装配方面有很大不同，是通过控制脂质分子群的自聚合来构造纳米/微米球形脂质体，通过精密微喷与微电子工艺来定位与固定脂质体在硅基片上的位置与信息/能量通道，通过功能蛋白质对脂质体双层膜的亲和力来实现自组装，是一种自成形、自组装、生命体与非生命体融合的多界面制造方法。该领域的确立与发展将导致传统方式成形与组装的机电系统向自成形与自组装的生物机6电系统发展，对相关学科的融合与发展将产生深远的影响，特别是对生物医药筛选、疑难病的诊断、微能源/微动力/微传感/微构件/微信息记录的一体化等具有重要的应用价值。生物结晶成形与生物生长成形生命是物质的最高形式，有生命的生命体和生物分子与其他无生命的物质相比，具有繁殖、代谢、生长、遗传、重组等特点。随着人类对基因组计划的不断实施和深入研究，人工控制细胞团的生长外形和生理功能已逐步变为现实。目前，国际上利用蛋白质晶体重组和细胞生长做了许多有意义的探索性研究。英国Bach大学和奥地利BodenkulturWien大学合作研究了古细菌外膜和蛋白质重组，在电镜格栅上自组装出具有5nm直径孔有序阵列的二维蛋白质膜，在膜的两侧分别是Cdcl2和H2s，结果在纳米孔口处形成了5nm左右的CdS纳米颗粒，有望成为纳米存储单元。日本国立循环器官病中心利用表面细胞修饰技术，在一定活性修饰表面上接种神经细胞，结果生长出了微米级六边形阵列的人工神经网络，有可能实现活体神经网络的0/1控制。细胞团的三维生长控制，一般采用凝胶状或海绵状三维培养框架结构，在一定的外形约束、一定的培养介质、一定的培养条件（压力、温度、刺激因子等）下，对接种细胞进行三维组织培养。目前国际上已成功的实现了皮肤细胞的二维生物组织构造，正处于产品开发化阶段。软骨、血管、肝脏等细胞的三维生物组织构造技术正处于研究阶段。目前人类已能控制老鼠身上某个部位长出耳朵。相信在不远的将来，一定可以通过控7制基因的遗传形状特征和遗传生理特征，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。3.生物制造技术的发展趋势21世纪是生物制造技术及生物制造产品蓬勃发展的世纪，它将对人类的日常生活、能源、交通、资源、劳动力等产生巨大影响。在未来50年内，现在广泛使用的电子显示屏、显示技术将由不昂贵的、分布式生物制造的产品与技术所替代；在未来10年内，人工肌肉，人工心脏肌肉、甚至整个人的心脏都可以实现生物工程制造。许多生物组织的基因测序将提供蛋白质组成部件系列，用来改善人类的健康，延长人的寿命；从自然界、生物界的结构与美学方面汲取经验，将改变当今工业中的一些不正确的设计方法和结构，增加资源的效率和制造生物材料，迈出制造革命的第一步；随着生物编码技术的进步，DNA的测序与合成将变得便宜、快速且易于使用；分布式生物制造将更具柔性。。。。。生物学将不再神秘，它将作为一种生物工程手段服务于人类生活，开放式的生物制造技术也会广泛在全世界推广使用，随着科技的发展，生物制造技术必将登上人类世界发展的舞台，贡献着它的力量。。。。。。参考文献：【1】宾鸿赞、王润孝.先进制造技术.华中科技大、西北工业大，2006.1【2】黎向锋，李雅芹，蔡军等.微生物细胞金属化工艺研究.中国科学，2002.3【3】黎向锋，李雅芹，蔡军等.微生物细胞金属化磁性研究.科学通报，2003.2