3-生物加工技术

DNA生物芯片原理：
ABCD
蛍光色素得到的位置信息判断反应
配对反应
ABCD 判断出靶分子的存在
1.28cm
1.28cm DNA 芯片 靶DNA =蛍光色素
3、微点样
压电脉冲射流微喷（易堵、易损伤生物质）
静电脉冲微喷系统（易堵、易污染生物质）
12
接触式点样法（生物芯片最常用）： • 点样针制作复杂，价格昂贵； • 点迹大小不均匀，形状不规则； • 容易形成杂散液滴； • 颗粒试样易堵塞。
硅藻纳米孔复制成形
功能基片生物成形制造
9
气体出口 缓释透气基片
荧光探针光照系统 气体入口 分子马达
分子马达
生物传感器系统
气体通道
§2 生物微操作
一、静电场微操作
液体通道
电场微操作细菌转动
梳型静电电极搬运细胞移动
静电微操作细胞分选
二、磁场微操作
（a）磁场方向为横向时
（b）磁场方向转为纵向后
液体中磁性金属化杆形菌体的磁场操作
• 西安交通大学卢秉恒院士在国内率先开展人工器官快速原形制造研究，定制化 骨替代物已经获得生产许可证，并获得临床应用。
• 南京航空航天大学戴振东教授开展了生物神经信息学、轻质仿生材料及表面仿 生技术的研究，取得了具有国际影响的研究进展。
• 北京航空航天大学张德远教授1996年以来开展了6种生物加工成形方法研究。
新材料 科学
生物 制造
微米/纳米 科学
分子生物学 纳米化学 微机械学 微制造学 纳米电子学
生物制造是21世纪前沿科学交叉的新领域
直接利用生物来制造
模仿生物结构的制造
生物方式制造
仿生设计制造
生物领域
生物制造 与
仿生制造
机械领域
器官再制造
生物分子构筑
人工器官的制造
生物器件的制造
生物制造与仿生制造的内涵
• 吉林大学任露泉院士提出了生物脱附减阻与生物非光滑理论，研制出减粘犁壁 等多种仿生产品，开拓的地面机械仿生设计方向处于国际领先地位，还创办 《Journal of Bionics Engineering》国际杂志及国际学会，正在申报一级学科。
生物去除加工的优势： 1、刻槽的侧向钻蚀下降一倍左右，机理尚未揭示。
侧向钻蚀
化学刻蚀
侧向钻蚀
生物刻蚀
2、与化学刻蚀相比，生物刻蚀的氧化剂可以循环再生。
加工量，离子数量 加工量，离子数量
时间
时间
二、生物约束成形
微生物金属化微波吸收剂（国际发明金奖）
微生物
常规微波吸收剂
化学镀、溶胶 凝胶、电镀等 约束成形工艺
点样针头
点样针点制的生物质阵列
热泡喷射法（喷墨常用）： • 喷颗粒容易堵塞喷孔； • 瞬时高温可达300°C； • 容易出现杂散液滴； • 喷嘴剪切力大。
热泡喷嘴
喷嘴剪切力
北航超声聚焦颗粒微喷系统
聚焦超声喷射优势： • 无喷孔，无堵塞；
液面
• 无加热，无剪切； • 喷点直径小——密度高； • 大小均匀——剂量精度高； • 形状规则——检测误判率低； • 无杂散液滴——无交叉污染。 超声聚焦喷射的原理简图
－－是将机械制造和材料制造为生物医学服务。
4、生物构筑－－生物芯片、芯片实验室、生物手术…… －－是用机械手段进行生物材料、生物体的构筑。
1
§2 生物制造
制造方式
物理方式
化学方式
去除加工 切削磨削
约束成形 铸锻冲压
生长成形
去除加工
焊接涂层
光刻化铣
生物方式
约束成形 化学电铸
生长成形 CVD
去除加工
生物代谢 （1996）
采用生物型吸收剂制备出的波导型样品和同轴样品
固囊酵母菌
腊状芽孢杆 菌
钝顶螺旋藻
三种不同吸收剂颗粒形状对于介电常数的影响（20vt%)
生物型隐身涂层制备工艺
金属化微生物细胞
系列脱水
浆液A v1:1 搅拌
环氧丙烷 粘结剂
浆液B
离心浓缩
浆液C
离心浓缩
浆液D
v1:1 搅拌
按计算体 积比搅拌
粘结剂 粘结剂
涂层
金属化 微生物
形状多样 尺寸微小 成本低廉
吸波微粒
500ห้องสมุดไป่ตู้nm
(Actin filaments)
肌肉蛋白丝及其金属化
100 nm
300 nm
脂质微管金属化微波吸收剂：
微生物几金种属被化用微作波金吸属收化剂模（板北的航微发生明物）：
脂质微管 金属化脂质微管
作为美国火鸟导弹的涂层
固囊酵母菌
代表性菌体形状
5
采用生物型吸收剂制备出的样品：
180×180×1.5生物隐身平板试样面密度3.1Kg/m2
采用金属化菌体作为吸收剂，制备出了系列波导样品和同轴 样品，在航天二院207所HP8510网络矢量分析仪上进行测量，测 量频率范围为2～18GHz。
雷达发射天线
雷达发射天线
弓形框
吸波锥体
平板样件
平板样件测试系统
0.2mm
聚焦超声微喷系统喷制的脂质体微阵列
玻璃片 Y X XY移动托架
喷头 试样
支座
聚焦超声微喷系统喷头部分
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计算机 微动台电源
微动台
喷头部分
直流电源
射频功放
射频源
聚焦超声微喷系统
脉冲频率控 制器
脉冲源
聚焦超声微喷点样台
超声聚焦隔离喷射：
• 高通量 • 无交叉污染 • 少喷头
隔离微喷原理图
§3 仿生制造
生物生长成形--生物制造管鞘
（a）铁细菌生长出铁氧体管鞘
模具微孔
培养液
铁氧细菌菌种
铁氧细菌管鞘
（b）生长出的直立管鞘
微管阵列
琼脂
I 鞘细菌单细胞定位分布
II 鞘细菌定向生长
III 后加工获得微管阵列
（c）微管阵列生长成形过程
铁细菌定向生长成形
四、生物连接成形
脂质膜聚合载体特性：
7
脂质体三维通道特性：
④解胶是将钯微粒周围的二价锡离子水解胶层脱去，裸露出具 有催化活性的金属钯微粒；
⑤化学镀是通过细胞表面的钯催化作用还原镀液中的金属离 子，在细胞表面连续沉积金属。生物细胞金属化约束成形除了 采用化学镀法。
胶态钯活化
解胶
化学镀：镍盐(如硫酸镍)+还原剂(次磷酸钠)→ Ni-P
H2PO2-+2OH-→HPO32-+H2O+H+ Ni2++2H+→（Ni2++2H+2e）→Ni+H2↑ H2O+H+→H2↑+OH2H2PO2-+6H++4H2O→2P↓+5H2↑+8OH-
液体薄层 盖玻片 载玻片
永磁铁(横向)
永磁铁(竖向)
磁场施加方法
磁场方向
20μm
磁性金属化菌体的磁场行为
6 金属化腊状芽孢杆菌
金属化后 5
菌体比重 4 g/cm3
3
金属化固囊酵母菌
金属化钝顶螺旋藻
2
1
0.1
0.2
0.3
0.4
镀层厚度（µm）
Co-Ni-P镀层的三种金属化微生物比重计算对比
为测定金属化菌体的电磁参数，分别用石蜡和树脂 作为粘结剂，采用金属化菌体作为吸收剂，制备出了系 列波导样品和同轴样品，对不同菌体形状、镀层成分、 镀层厚度、添加比例的金属化菌体构成材料的电磁参数 进行了系列测试。测量在航天二院207所HP8510网络矢 量分析仪上进行，测量频率范围为2～18GHz。
五、机械微操作
喷射微操作金属球（还可用于生物芯片点样）
微夹持系统
镊子夹卵子
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细胞椭圆微手术系统
六、生物芯片及点样
1、生物质阵列化的重要性：
• 基因功能分析 • 药物筛选 • 临床诊断 • 环境检测
生物芯片
2、生物芯片（biochip）
根据芯片上的固定的探针不同，生物芯片包括：
基因芯片 蛋白质芯片 细胞芯片 组织芯片。
（a）磁场方向为横向时
（b）磁场方向转为纵向后
液体中磁性金属化螺旋形菌体的磁场操作
三、声场微操作
颗粒超声气相微操作
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聚焦超声喷射液滴（细胞芯片、脂质体芯片的阵列微喷）
平行驻波波节富集颗粒， 光检测， 静电场分流分选。
四、激光微操作
控制器 操作
超声（漏波）微操作聚苯乙烯球
漏波传导
激光镊子--在液体中靠焦点夹持细胞
基片图形化与活化
脂质体连接活体与非活体
可聚合脂质膜刻蚀
生物传感器和脂质芯片：
生物传感器原理 生物传感器目标捕捉
脂质芯片
通过清洗的硅 藻和玻璃片
硅藻在玻璃基 片上的自然力 密排
施加压力 室温键合
硅藻
S iF4 HF
玻璃基片
硅藻 玻璃基片
（b）键合原理图
键合成型的 硅藻基片
（a）键合工艺流程图
（c）圆筛藻与玻璃的键合
《微纳米加工技术》
主讲 张德远 北京航空航天大学 机械学院
课程主要内容（32学时）
第一章 概述（2h） 第二章 纳米加工技术（2h） 第三章 生物制造与仿生制造（2h） 第四章 微细机械加工技术（4h） 第五章 微细特种加工技术（4h） 第六章 半导体加工技术（8h） 第七章 微连接与微装配技术（2h） 第八章 MEMS技术（4h） 第九章 MEMS工艺过程设计（2h） 第十章 MEMS基础理论（2h）
• 还有中科院、清华、北大、上交大、华中科大等一批研究单位开展相关研究。
“生物制造”领域基本构成：
1、生物制造――生物加工、 生物成形（生物约束成形、生物生长形…… ）
－－是将生物活体为机械制造和材料制造服务。 2、仿生制造－－仿生动力、仿生摩擦、仿生结构、仿生材料、
－－是模仿生物进行机械设计与材料结构设计制造。 3、器官制造－－组织工程、人工器官……
腊状芽孢杆菌
钝顶螺旋藻
3
技术优一势、：生物型微米级功能颗粒的制备
• 形状多样：球状、杆状、螺旋状、丝状、三角形、方形和圆盘形等。 • 尺寸微小：外形尺寸大小都在微米级，少数为纳米级。 • 来源方便：目前已经发现的微生物种类约二十万种； • 成本低廉：很容易大量培养。 • 综合优势：与脂质微管、碳纳米管、蛋白质丝相比，综合优势明显。 • 用途明显：通过化学镀方法对微生物细胞金属化，复制其标准外形、
脂质立方相具有两个液体通道 和一个固体通道（有效界面相当大）
固相
氧
气 相
氢 气
气
液相
固相－－导电，电子通道。 液相－－溶剂，离子通道。 气相－－气孔，气体通道。 仿生化学燃料电池—很有可能通过生物材料制造电极
（是一种洁净、温和的能源。类似于生物氧化－还原。）
脂质体水油双亲特性：
脂质膜吸附与刻蚀特性：
网络分析仪 同轴电缆
同轴样件测试系统
纳米生物约束成形
生物约束成形的磁性微粒制成的吸波贴片的电磁反射率
100nm 古细菌外层平面图形
100nm
古细菌外层断面结构及纳米通道
6
古细菌外层三维图形
三、生物生长成形
古细菌外层（S-layer）
表层金属化
表面处理后形成金属阵列
纳米颗粒阵列的合成
神经细胞生长的人工神经网络
使之功能化，来制造功能颗粒。
微生物细胞金属化工艺： 微生物细胞培养 细胞固定
胶态钯活化
解胶 化学镀
微生物细胞金属化基本工艺流程简图
①微生物细胞的批量化培养，应选择产量高、培养成本低、形 状利于磁性提高的菌种；
②细胞的强化固定，应选择戊二醛及锇酸浸泡使细胞壁及细胞 内大分子固定强化；
③胶态钯活化是保证微生物细胞表面吸附胶态钯微粒；
2Fe2+
+
1 2
O2
+
2H+
→
2Fe3+
+
H2O
Fe3+化学还原过程：
Fe0 + 2Fe3+ → 3Fe2+ Cu 0 + 2Fe3+ → Cu 2+ + 2Fe2+
工件表面抗蚀剂图形化过程 纯铜工件生物加工过程
生物加工离子循环模型（属环保型制造）
2
T. ferrooxidans 氧化亚铁硫杆菌去除加工的微小零件
1、自然生物的奇迹： • 蜜蜂：飞虫中蜜蜂是效率最高的，理论上一汤匙蜂蜜
可以为蜜蜂环绕地球飞行一圈提供足够的能量。 • 蚂蚁：能举起300倍于自己的物体，按体重与爬行速
度的比值计算，其奔跑速度连现代飞机都望尘莫及。 • 吹泡虫：能以414倍体重跳跃，跳蚤是跳高冠军头
0.1μm 菌体金属化（化学镀镍）
100ml/g
200ml/g
400ml/g
600ml/g
腊状芽孢杆菌化学镀Co-Ni-P各阶段切片
4
钝顶螺旋藻化学镀Co-Ni-P后的SEM照片
为研究微米级磁性颗粒在磁场中的行为，将磁性金属化后 的腊状芽孢杆菌在分散剂中进行分散。将NdFeB柱状永磁铁靠 近观测样品，在显微镜下实时观察菌体行为。
硅藻连接成形
8
五、生物复制成形 鲨鱼
鲨鱼皮 复制模板 仿生鲨鱼皮
(a)鲨鱼皮形貌减阻机理
长链
(b)仿鲨鱼蒙皮减阻率曲线
形貌
(c)接枝长链复合减阻机理
(d)复合减阻率曲线
仿生减阻表面减阻效果
蝉翼纳米压印成形（small 杂志）
六、生物自组织成形
硅藻单体的不同表面结构 硅藻单体的不同底层结构
硅藻群体自组织形成的不同结构形态
约束成形
生物形体 （1999）
连接成形
生物键合 （2000）
复制成形
生物复制 （2006）
组装成形
生物排列 （2007）
生长成形
细胞生长 （2008）
一、生物去除加工
Fe2+生物氧化过程：
2Fe2+ ⎯T⎯. fer⎯roox⎯id⎯ans→ 2Fe3+ + 2e−
2e−
+
1 2
O2
+
2H+
⎯⎯→
H2O
第三章 生物制造与仿生制造
§1 概述 §2 生物制造
生物去除成形、生物约束成形、生物生长成形、生物连接 成形、生物复制成形、生物自组织成形
§3 生物微操作 §4 仿生制造 §5 器官制造
§1 概述
生命 科学
基因工程 细胞工程 酶工程 微生物工程 蛋白质工程
纳米材料 功能材料 智能材料 生物材料 复合材料