先进制造技术3(生物制造与微纳制造).课件

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1、 先进制技术（先进制技术（先进制技术（先进制技术（ 三）三）三）三）生物制造与微纳制造生物制造与微纳制造生物制造与微纳制造生物制造与微纳制造生物制造 9/4/20242沈阳工业大学日日本本三三重重大大学学和和冈冈山山大大学学率率先先开开展展了了生生物物技技术术用用于于工工程程材材料料加加工工的的研研究究，并初步证实了微生物加工金属材料的可行性。并初步证实了微生物加工金属材料的可行性。目目前前已已将将快快速速成成形形制制造造技技术术人人工工骨骨研研究究相相结结合合，为为颅颅骨骨、颚颚骨骨等等骨骨骼骼的的人工修复和康复医学提供了很好的技术手段。人工修复和康复医学提供了很好的技术手段。我我国国于于1

2、9821982年年将将生生物物技技术术列列为为八八大大重重点点技技术术之之一一。生生物物学学科科与与制制造造学学科科这这两两个个原原来来人人们们觉觉得得毫毫不不相相干干的的学学科科，今今天天正正在在相相互互渗渗透透、相相互互交交叉叉，正正在在形形成成一一个个新新的的学学科科生生物物制制造造系系统统（Biological Biological Manufacturing Manufacturing SystemSystem，BMSBMS）。）。我我国国在在20032003年年3 3月月和和20042004年年7 7月月，先先后后两两次次召召开开了了全全国国生生物物制制造造工工程程学学术术研研讨讨

3、会会，专专家家们们探探讨讨的的主主要要问问题题有有：生生物物制制造造工工程程的的定定义义、内内涵涵及及意意义义；生生物物医医学学工工程程与与生生物物制制造造的的联联系系；生生物物制制造造的的研研究究特特点点、方方向向及及方方法法；生物制造的应用领域。生物制造的应用领域。 1. 生物制造系统正在形成生物制造的发展生物制造的发展9/4/20243沈阳工业大学 在在机机器器人人、微微机机电电系系统统、微微型型武武器器方方面面，将将更更多多地地应应用用生生物物动力、生物感知、生物智能，使机器人越来越像人或动物。动力、生物感知、生物智能，使机器人越来越像人或动物。 在在纳纳米米技技术术方方面面，实实现现

4、纳纳米米尺尺度度上上裁裁剪剪或或连连接接DNADNA双双螺螺旋旋，改改造造生生命命特特征征; ;实实现现各各种种蛋蛋白白质质分分子子和和酶酶分分子子的的组组装装，构构造造纳纳米米人人工生物膜，实现跨膜物质选择运输和电子传递。工生物膜，实现跨膜物质选择运输和电子传递。 在在医医疗疗方方面面，三三维维生生物物组组织织培培养养技技术术不不断断突突破破，人人体体各各种种器器官将能得到复制，会大大延长人类的生命。官将能得到复制，会大大延长人类的生命。 在在生生物物加加工工方方面面，通通过过生生物物方方法法制制造造纳纳米米颗颗粒粒、纳纳米米功功能能涂涂层层、纳纳米米微微管管、功功能能材材料料、微微器器件件

5、、微微动动力力、微微传传感感器器、微微系系统等。统等。 2. 生物制造的发展前景 生物制造的发展生物制造的发展9/4/20244沈阳工业大学1.生物制造的概念生物制造？（生物制造？（清华大学颜永年教授）清华大学颜永年教授） 通过制造科学与生命科学相结合，在微滴、通过制造科学与生命科学相结合，在微滴、细胞和分子尺度的科学层次上，通过受控组装细胞和分子尺度的科学层次上，通过受控组装完成器官、组织和仿生产品的制造之科学和技完成器官、组织和仿生产品的制造之科学和技术总称。术总称。 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容9/4/20245沈阳工业大学2. 生物制

6、造的内容 生物制造工程的体系结构生物制造工程的体系结构生长型制造原理生长型制造原理自组织生长原理自组织生长原理分布式制造原理分布式制造原理分形理论分形理论其他理论其他理论仿生制造仿生制造生物组织和结构的仿生生物组织和结构的仿生生物遗传制造生物遗传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产产品品制造科学制造科学 生命科学生命科学 材料科学材料科学 信息技术信息技术制造原理制造原理生物制造技术生物制造技术生物制造的基础生物制造的基础生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容9/4/20246沈阳工业大学 目目前前生生物物制制造造

7、工工程程的的研研究究方方向向是是如如何何把把制制造造科科学学、生生命命科科学学、计计算算机机技技术术、信信息息技技术术、材材料料科科学学各各领领域域的的最最新新成成果果组组合合起起来来，使使其其彼彼此此沟沟通通起起来来用用于于制制造造业业，是是生生物物制制造造工工程程的的主主要要任务。归纳下来，目前有如下两方面任务。归纳下来，目前有如下两方面6 6个研究方向：个研究方向：（1 1）仿生制造）仿生制造 生物组织和结构的仿生生物组织和结构的仿生 生物遗传制造生物遗传制造 生物控制的仿生生物控制的仿生 3. 生物制造工程的研究方向生物制造工程的研究方向 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 （2

8、 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 生物约束成形生物约束成形 生物生长成形生物生长成形 9/4/20247沈阳工业大学生物活性组织的工程化制造生物活性组织的工程化制造和和类生物智能体的制造类生物智能体的制造。如：如：生生物物活活性性组组织织的的工工程程化化制制造造：将将组组织织工工程程材材料料与与快快速速成成形形制制造造结结合合，采采用用生生物物相相容容性性和和生生物物可可降降解解性性材材料料，制制造造生生长长单单元元的的框框架架，在在生生长长单单元元内内部部注注入入生生长长因因子子，使使各各生生长长单单元元并并行行生生长长，以以解解决决与与人人体体的的相相容容性性与与

9、个个体体的的适适配配性性，以以及及快快速速生生成成的的需求，实现人体器官的人工制造。需求，实现人体器官的人工制造。类类生生物物智智能能体体的的制制造造：利利用用可可以以通通过过控控制制含含水水量量来来控控制制伸伸缩缩的的高高分分子子材材料料，能能够够制制成成人人工工肌肌肉肉。类类生生物物智智能能体体的的最最高高发发展展是是依依靠靠生生物物分分子子的的生生物物化化学学作作用用，制制造造类类人人脑脑的的生生物物计计算算机机芯芯片，即生物存储体和逻辑装置。片，即生物存储体和逻辑装置。 1）生物组织和结构的仿生 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 9/4/20248沈阳工业大学 依靠生物依靠生物

10、DNADNA的自我复制，利用转基的自我复制，利用转基因实现一定几何形状、各几何形状位置因实现一定几何形状、各几何形状位置不同的物理力学性能、生物材料和非生不同的物理力学性能、生物材料和非生物材料的有机结合，并根据生成物的各物材料的有机结合，并根据生成物的各种特征，种特征，采用人工控制生长单元体内的采用人工控制生长单元体内的遗传信息为手段遗传信息为手段，直接生长出任何人类，直接生长出任何人类所需要的产品，如人或动物的骨骼、器所需要的产品，如人或动物的骨骼、器官、肢体，以及生物材料结构的机器零官、肢体，以及生物材料结构的机器零部件等。部件等。 2）生物遗传制造 生物制造的概念与内容生物制造的概念与

11、内容 9/4/20249沈阳工业大学应应用用生生物物控控制制原原理理来来计计算算、分分析析和和控控制制制制造造过过程程。例如例如: :人工神经网络人工神经网络遗传算法遗传算法仿生测量研究仿生测量研究面向生物工程的微操作系统原理面向生物工程的微操作系统原理设计与制造基础设计与制造基础3）生物控制的仿生 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 9/4/202410沈阳工业大学 找找到到“吃吃”某某些些工工程程材材料料的的菌菌种种，实实现现生生物物去去除除成成形形( (BioremovingBioremoving forming)forming)；复复制制或或金金属属化化 不不同同标标准准几几何何

12、外外形形与与亚亚结结构构的的菌菌体体，再再经经排排序序或或微微操操作作，实实现现生生物物约约束束成成形形( (BiolimitedBiolimited forming)forming)；甚甚至至通通过过控控制制基基因因的的遗遗传传形形状状特特征征和和遗遗传传生生理理特特征征，生生长长出出所所需需的的外外形形和和生生理理功功能能，实实现现生生物物生生长长成形成形( (BiogrowingBiogrowing forming) forming)。 生物去除成形生物去除成形 （BioremovingForming） 生物约束成形生物约束成形 （BiolimitedForming） 生物生长成形生物生

13、长成形 （BiogrowingForming） （2）生物成形制造）生物成形制造 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 9/4/202411沈阳工业大学例：例： 氧氧化化亚亚铁铁硫硫杆杆菌菌T T9 9菌菌株株是是中中温温、好好氧氧、嗜嗜酸酸、专专性性无无机机化化能能自自氧氧菌菌，其其主主要要生生物物特特性性是是将将亚亚铁铁离离子子氧氧化化成成高高铁铁离离子子以以及及将将其其他他低低价价无无机机硫硫化化物物氧氧化化成成硫硫酸酸和和硫硫酸酸盐盐。加加工工时时，可可掩掩膜膜控控制制去去除除区区域域利利用用，利利用用细细菌菌刻刻蚀蚀达达到到成成形形的的目的。目的。 1）生物去除成形）生物去除成形

14、 a）b）生物去除成形实验过程生物去除成形实验过程a）光刻工艺过程光刻工艺过程b）生物加工过程生物加工过程光绘底片贴抗蚀剂膜紫外线曝光显影为试件金属试件生物加工过程生物加工后试件去抗蚀剂膜生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 9/4/202412沈阳工业大学2）生物约束成形 目目前前已已发发现现的的微微生生物物中中大大部部分分细细菌菌直直径径只只有有1m1m左左右右，菌菌体体有有各各种种各各样样的的标标准准几几何何外外形形，用用现现在在加加工工手手段段很很难难加加工工除除这这么小的标准三维形状。这些菌体的金属化将会有以下用途：么小的标准三维形状。这些菌体的金属化将会有以下用途： 构造微管道

15、，微电极、微导线构造微管道，微电极、微导线 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。料等。 去除蜂窝结构表面，构造微孔过滤膜、光学衍射孔等。去除蜂窝结构表面，构造微孔过滤膜、光学衍射孔等。生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 9/4/202413沈阳工业大学 生生物物体体和和生生物物分分子子具具有有繁繁殖殖、代代谢谢、生长、遗传、重组等特点。生长、遗传、重组等特点。 未未来来将将现现实实人人工工控控制制细细胞胞团团的的生生长长外外形形和和生生理理功功能能的的生生物物生生长长成成形形技技术术。可可以以利利用

16、用生生物物生生长长技技术术控控制制基基因因的的遗遗传传形形状状特特征征和和遗遗传传生生理理特特征征，生生长长出出所所需需外外形形和和生生理理功功能能的的人人工工器器官官，用用于于延延长长人人类类生生命命或或构构造造生生物物型型微微机机电电系统。系统。 3）生物生长成形生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 9/4/202414沈阳工业大学 大规模集成电路（计算机核心元件）材料为硅。提高了集成度，引起难于大规模集成电路（计算机核心元件）材料为硅。提高了集成度，引起难于解决的散热问题。生物芯片可以解决类似问题，有以下生物材料：解决的散热问题。生物芯片可以解决类似问题，有以下生物材料： (1)(1

17、)细胞色素细胞色素C C 它具有氧化和还原的两种状态，其导电率相差它具有氧化和还原的两种状态，其导电率相差10001000倍。倍。这两种状态的转换可通过适当方式加上或撤去这两种状态的转换可通过适当方式加上或撤去1.51.5伏电压来实现，它可作为伏电压来实现，它可作为记忆元件。记忆元件。 (2)(2)细菌视紫红质细菌视紫红质 它是一种光驱动开关的原型。由光辐射启动的质子泵它是一种光驱动开关的原型。由光辐射启动的质子泵在膜两边形成的电位，经离子灵敏场效应放大后，可给出较好的开关信号。在膜两边形成的电位，经离子灵敏场效应放大后，可给出较好的开关信号。 (3)DNA(3)DNA分子分子 它以核苷酸碱基

18、编码方式存储遗传信息，是一种存储器的它以核苷酸碱基编码方式存储遗传信息，是一种存储器的分子模型。分子模型。 (4)(4)采用导电聚合物如聚乙炔与聚硫氮化物制作分子导线采用导电聚合物如聚乙炔与聚硫氮化物制作分子导线 它们传递信息它们传递信息速度与电子导电情况无多大差别，但能耗极低。速度与电子导电情况无多大差别，但能耗极低。 1. 生物计算机生物制造的应用案例生物制造的应用案例 9/4/202415沈阳工业大学2. 可使盲人重见光明的“眼睛芯片” 美美国国研研制制成成功功了了可可使使盲盲人人重重见见光光明明的的“眼眼睛睛芯芯片片”。这这种种芯芯片片是是由由一一个个无无线线录录像像装装置置和和一一个

19、个激激光光驱驱动动的的、固固定定在在视视网网膜膜上上的的微微型型电脑芯片电脑芯片组成。组成。 工作原理工作原理: :装装在在眼眼镜镜上上的的微微型型录录像像装装置置拍拍摄摄到到图图像像，并并把把图图像像进进行行数数字字化化处处理理之之后后发发送送到到电电脑脑芯芯片片，电电脑脑芯芯片片上上的的电电极极构构成成的的图图像像信信号号则则刺刺激激视视网网膜膜神神经经细细胞胞，使使图图像像信信号号通通过过视视神神经经传传送送到大脑，这样盲人就可以见到这些图像。到大脑，这样盲人就可以见到这些图像。 生物制造的应用案例生物制造的应用案例9/4/202416沈阳工业大学 据统计，仅在美国每年有数百万的患者患有

20、各种组织、器官的丧失或功能障碍，每年需要进行800800800800万次手万次手万次手万次手术术术术，年耗资400400400400亿美元亿美元亿美元亿美元。我国目前有大约150150150150万尿毒症万尿毒症万尿毒症万尿毒症患者患者患者患者，每年却仅能做3000300030003000例肾脏移植手术例肾脏移植手术例肾脏移植手术例肾脏移植手术；有400400400400万白万白万白万白血病患者血病患者血病患者血病患者在等待骨髓移植，而全国骨髓库的资料才3 3 3 3万万万万份份份份，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，成活率很低的问题。 怎么解决这个困难？怎么解决这个困

21、难？生物制造的应用案例生物制造的应用案例3. 个性化人造器官9/4/202417沈阳工业大学(1)(1)(1)(1)个性化人造器官的构想个性化人造器官的构想个性化人造器官的构想个性化人造器官的构想 生物医学专家希望用人工培养的办法培养出人体需要的正生物医学专家希望用人工培养的办法培养出人体需要的正常组织。在将来，医院就能像工厂生产零部件一样，根据患者常组织。在将来，医院就能像工厂生产零部件一样，根据患者的缺失情况，需要什么培养什么，需要多少做多少，量体裁衣，的缺失情况，需要什么培养什么，需要多少做多少，量体裁衣，做好了安装上就能发挥作用。而且可以结合先进的电脑技术，做好了安装上就能发挥作用。而

22、且可以结合先进的电脑技术，为每一个患者提供与他原器官特别相似的人造器官。简单地说，为每一个患者提供与他原器官特别相似的人造器官。简单地说，个性化人造器官就是利用患者自身的局部组织或细胞，再利用个性化人造器官就是利用患者自身的局部组织或细胞，再利用外来的一些高分子材料，在身体的相关部位外来的一些高分子材料，在身体的相关部位“长长”出一个最出一个最“贴己贴己”的器官的器官。生物制造的应用案例生物制造的应用案例3. 个性化人造器官9/4/202418沈阳工业大学3. 个性化人造器官(1)(1)(1)(1)个性化人造器官的构想个性化人造器官的构想个性化人造器官的构想个性化人造器官的构想 生物学家首先制

23、定构建某种组织或器官的设计图，并按照图纸生物学家首先制定构建某种组织或器官的设计图，并按照图纸要求制备一种特殊的骨架，这种骨架要具有降解特性，降解后对人要求制备一种特殊的骨架，这种骨架要具有降解特性，降解后对人体无害，并能提供细胞生长场所。生物学家将患者残余器官的少量体无害，并能提供细胞生长场所。生物学家将患者残余器官的少量正常细胞作为正常细胞作为“种子细胞种子细胞”，“种种”在人造骨架上，并提供合适的在人造骨架上，并提供合适的生长因子，让细胞分泌出建造组织或器官所需的细胞间质，最后作生长因子，让细胞分泌出建造组织或器官所需的细胞间质，最后作为骨架的生物材料在细胞培育过程中，逐渐降解而消失。整

24、个器官为骨架的生物材料在细胞培育过程中，逐渐降解而消失。整个器官在完全无菌的生物反应器里培养，等到整个器官在体外在完全无菌的生物反应器里培养，等到整个器官在体外“长长”好之好之后，再移植到患者体内，由于是他自身细胞后，再移植到患者体内，由于是他自身细胞“长长”成的器官，患者成的器官，患者就不会产生排斥反应。就不会产生排斥反应。生物制造的应用案例生物制造的应用案例9/4/202419沈阳工业大学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骨螺丝成品骨螺丝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

25、多孔性基材多孔性基材生物制造的应用案例生物制造的应用案例3. 个性化人造器官9/4/202420沈阳工业大学 一种更简单的人造器官方法一种更简单的人造器官方法: :把作为支架的高分子材料、细胞和生把作为支架的高分子材料、细胞和生长因子混合在一起，注射到患者体内需要修复的部位，让这些原料长因子混合在一起，注射到患者体内需要修复的部位，让这些原料“长长”出一个完整的器官来。到时，去医院修补器官就像现在打针一样出一个完整的器官来。到时，去医院修补器官就像现在打针一样方便。这种新的方法叫做方便。这种新的方法叫做“可注射工程可注射工程”。注射能促进牙龈组注射能促进牙龈组织再生的生物材料织再生的生物材料可

26、注射组织工程示意图可注射组织工程示意图生物制造的应用案例生物制造的应用案例3. 个性化人造器官(1)(1)(1)(1)(1)(1)个性化人造器官的构想个性化人造器官的构想个性化人造器官的构想个性化人造器官的构想个性化人造器官的构想个性化人造器官的构想9/4/202421沈阳工业大学(2)(2)个性化人造器官的研究进展个性化人造器官的研究进展 19971997年，美国南加州的年，美国南加州的ATSATS公司首次由包皮细胞长成了人造皮肤，公司首次由包皮细胞长成了人造皮肤，移植在病人身上后，人工皮肤细胞即使已经死亡，其所含的生长因子，移植在病人身上后，人工皮肤细胞即使已经死亡，其所含的生长因子，仍能

27、够促进伤口周围的组织再生。这是最先面世的个性化人造器官产仍能够促进伤口周围的组织再生。这是最先面世的个性化人造器官产品。目前，人造皮肤已经成为个性化人造器官中最成熟的一个品种。品。目前，人造皮肤已经成为个性化人造器官中最成熟的一个品种。 美国马萨诸塞大学的查尔斯美国马萨诸塞大学的查尔斯瓦坎蒂教授在生物反应器里为两位切瓦坎蒂教授在生物反应器里为两位切掉拇指的机械师培育了拇指的指骨。与此同时，安东尼掉拇指的机械师培育了拇指的指骨。与此同时，安东尼阿塔拉领导阿塔拉领导的一个由波士顿儿童医院的医生组成的小组正计划把用胎儿细胞培育的一个由波士顿儿童医院的医生组成的小组正计划把用胎儿细胞培育的膀胱植入人体

28、。美国阿特丽克斯公司生产了一种掺有生长激素和疗的膀胱植入人体。美国阿特丽克斯公司生产了一种掺有生长激素和疗效药物的可吸收生物材料，它能促进牙龈组织再生。效药物的可吸收生物材料，它能促进牙龈组织再生。生物制造的应用案例生物制造的应用案例3. 个性化人造器官9/4/202422沈阳工业大学(2)(2)个性化人造器官的研究进展个性化人造器官的研究进展 德国汉诺威医学高等专科学校的赫尔穆特德国汉诺威医学高等专科学校的赫尔穆特德德雷克斯勒教授首先从心肌梗塞患者的骨髓中提取出雷克斯勒教授首先从心肌梗塞患者的骨髓中提取出干细胞，经过一系列特殊处理后，这些病人的自体干细胞，经过一系列特殊处理后，这些病人的自体

29、干细胞通过特制导管被植入发生梗塞的心脏动脉中。干细胞通过特制导管被植入发生梗塞的心脏动脉中。试验结果显示，接受新疗法的病人心脏能够自行康试验结果显示，接受新疗法的病人心脏能够自行康复，并可以再生心脏肌肉组织。复，并可以再生心脏肌肉组织。生物制造的应用案例生物制造的应用案例3. 个性化人造器官9/4/202423沈阳工业大学(2)(2)个性化人造器官的研究进展个性化人造器官的研究进展 我国的曹谊林教授在裸鼠身上移植我国的曹谊林教授在裸鼠身上移植了世界上第一个个性化人造耳：先用了世界上第一个个性化人造耳：先用高分子化学材料聚羟基乙酸做成人造高分子化学材料聚羟基乙酸做成人造耳的模型支架，然后让细胞在

30、这个支耳的模型支架，然后让细胞在这个支架上繁殖生长。支架最后会自己降解架上繁殖生长。支架最后会自己降解消失。将裸鼠的背上割开一个口子，消失。将裸鼠的背上割开一个口子，然后将已经培养好的人造耳植入后缝然后将已经培养好的人造耳植入后缝合。合。 该技术已经开始用于临床实验。该技术已经开始用于临床实验。 20012001年，曹教授利用个性化人造颅年，曹教授利用个性化人造颅骨技术为颅骨破损达骨技术为颅骨破损达6 66cm6cm的患者成的患者成功修补了颅骨。功修补了颅骨。生物制造的应用案例生物制造的应用案例3. 个性化人造器官9/4/202424沈阳工业大学复习思考题1.1.在在目目前前条条件件下下，普普

31、通通加加工工、精精密密加加工工和和超超精精密密加加工工是是如如何何划分的？划分的？ 2.2.超精密加工的发展趋势如何？有哪些主要的技术？超精密加工的发展趋势如何？有哪些主要的技术？3.3.分析微系统的基本特征和关键技术。分析微系统的基本特征和关键技术。4.4.目前有哪些纳米加工技术？目前有哪些纳米加工技术？5.5.根根据据制制造造模模式式的的概概念念出出发发，试试说说明明微微纳纳制制造造是是一一种种新新的的制制造模式。造模式。6.6.你你对对生生物物制制造造有有何何认认识识？试试用用制制造造系系统统和和制制造造模模式式的的概概念念加以说明。加以说明。7.7.生物加工的原理是什么？有何应用？生物

32、加工的原理是什么？有何应用？9/4/202425沈阳工业大学微纳制造 9/4/202426沈阳工业大学 微纳制造技术是关于微系统和纳米技术的统称。微纳制造技术是关于微系统和纳米技术的统称。 1 1）微微系系统统 是是指指集集成成了了微微电电子子和和微微机机械械（或或光光学学、化化学学、生生物物等等方方面面微微元元件件）的的系系统统。它它以以微微米米尺尺度度理理论论为为基基础础，用用批批量量化化的的微微电电子子技技术术和和三三维维加加工工技技术术来来完完成成信信息息获获取取、处处理理及及执执行行等等功功能能。微微系系统统按按特特征征尺尺寸寸范范围围可可分分为为三三类类：1mm1mm 10mm10

33、mm的的微微小小机械，机械，1m1m1mm1mm的微机械，的微机械，1n1n10m10m的纳米机械的纳米机械。 2 2）纳纳米米技技术术 是是指指纳纳米米级级0.1nm0.1nm100nm100nm的的材材料料、设设计计、加加工工、测量、控制和产品相关的技术。测量、控制和产品相关的技术。微纳制造的发展 1.微纳制造的概念微纳制造的概念 9/4/202427沈阳工业大学 微微型型机机械械将将逐逐步步走走向向适适用用化化，对对工工农农业业、信信息息、环环境境、生生物物医医疗疗、空空间间、国国防防等等领领域域的的发发展展将将产产生生重重大大影影响响。如如把把传传感感器器和和调调配配药药剂剂量量的的“

34、药药剂剂师师”集集于于一一身身，制制成成微微型型“智智能能药药丸丸”，通通过过口口服服或或皮皮下下注注射射进进入入人人体体，用用以以探探测测和和清清除除人人体体内内的的癌癌细细胞胞。微微系系统统可可用用于于视视网网膜膜手手术术、修修补补血血管管等等。在在工工业业领领域域，微微型型机机电电产产品品可可以以在在管管路路检检修修和和飞飞机机内内部部检检修修等等狭狭窄窄空空间间和和恶恶劣劣环环境境下下进进行行诊诊断断和和修修复复工工作作。在在航航空空航航天天领领域域，可可以以制制造造自自适适应应性性蒙蒙皮皮，用用以以改改善善气气流流特特性性；在在汽汽车车轮轮胎胎内内嵌嵌入入微微型型压压力力传传感感器器

35、用用以以保保持持适适当当充充气气，避避免免无无气气过过量量或或不不足足，仅仅此此一一项项就就可节油可节油1010，仅美国国防部系统就能节省几十亿美元的汽油费。，仅美国国防部系统就能节省几十亿美元的汽油费。微纳制造的发展 2.2.纳制造技术的应用纳制造技术的应用9/4/202428沈阳工业大学微系统的关键技术微系统的关键技术 微微微微系系系系统统统统是是是是一一一一个个个个新新新新兴兴兴兴的的的的、多多多多学学学学科科科科交交交交叉叉叉叉的的的的高高高高科科科科技技技技领领领领域域域域，其其其其涉涉涉涉及及及及许许许许多多多多关关关关键键键键技技技技术术术术。当当当当一一一一个个个个系系系系统统

36、统统的的的的特特特特征征征征尺尺尺尺寸寸寸寸达达达达到到到到微微微微米级和纳米级时，将会产生许多新的科学问题。米级和纳米级时，将会产生许多新的科学问题。米级和纳米级时，将会产生许多新的科学问题。米级和纳米级时，将会产生许多新的科学问题。微系统研究领域的前沿关键技术有：微系统研究领域的前沿关键技术有：微系统研究领域的前沿关键技术有：微系统研究领域的前沿关键技术有： 微系统设计技术微系统设计技术 微细加工技术微细加工技术 微系统组装和封装技术微系统组装和封装技术 微系统的表征和测试技术微系统的表征和测试技术9/4/202429沈阳工业大学纳米加工技术纳米加工技术 纳米加工技术主要有纳米加工技术主要

37、有5 5个方面个方面： 采用微化的定形整体刀具或非定形磨料工具进采用微化的定形整体刀具或非定形磨料工具进采用微化的定形整体刀具或非定形磨料工具进采用微化的定形整体刀具或非定形磨料工具进行机械加工：如车削、钻削、铣削和磨削。行机械加工：如车削、钻削、铣削和磨削。行机械加工：如车削、钻削、铣削和磨削。行机械加工：如车削、钻削、铣削和磨削。 采用电加工或在其基础上的复合加工，如微细采用电加工或在其基础上的复合加工，如微细采用电加工或在其基础上的复合加工，如微细采用电加工或在其基础上的复合加工，如微细电火花加工电火花加工电火花加工电火花加工、线放电磨削加工线放电磨削加工线放电磨削加工线放电磨削加工、线

38、电化磨削线电化磨削线电化磨削线电化磨削、电化加电化加电化加电化加工等。工等。工等。工等。 采用光、声等能量加工法，如微细激光束加工采用光、声等能量加工法，如微细激光束加工采用光、声等能量加工法，如微细激光束加工采用光、声等能量加工法，如微细激光束加工、微细超声加工。微细超声加工。微细超声加工。微细超声加工。 采用光化掩模加工法，如光刻法，采用光化掩模加工法，如光刻法，采用光化掩模加工法，如光刻法，采用光化掩模加工法，如光刻法，LIGALIGALIGALIGA法。法。法。法。 采用层积增生法，如曲面的磁膜镀覆，多层薄采用层积增生法，如曲面的磁膜镀覆，多层薄采用层积增生法，如曲面的磁膜镀覆，多层薄

39、采用层积增生法，如曲面的磁膜镀覆，多层薄膜镀覆和液滴层积。膜镀覆和液滴层积。膜镀覆和液滴层积。膜镀覆和液滴层积。 9/4/202430沈阳工业大学1）光刻电铸（）光刻电铸（LIGA）技术技术 工艺过程：工艺过程： 采用深层同步辐射光刻，涂覆光致抗蚀采用深层同步辐射光刻，涂覆光致抗蚀剂剂（图（图a a），经），经X X射线曝光蚀刻出图形（图射线曝光蚀刻出图形（图b b）；）； 电铸，以曝光蚀刻的图形实体作为电铸电铸，以曝光蚀刻的图形实体作为电铸用胎模，用电沉积法在胎模上沉积金属（图用胎模，用电沉积法在胎模上沉积金属（图c c），），生成微铸件（图生成微铸件（图d d） 注射成形，以微铸件为模具，

40、即可加工注射成形，以微铸件为模具，即可加工所要求的微零件（图所要求的微零件（图e e）。）。纳米加工技术纳米加工技术纳米加工技术纳米加工技术LIGA法的工艺过程法的工艺过程a）涂覆光致抗蚀剂b）X射线曝光蚀刻c）电铸d）微铸件e）注射成形零件d）9/4/202431沈阳工业大学2）半导体加工技术）半导体加工技术 半导体加工技术即半导体表面和立半导体加工技术即半导体表面和立体的微细加工，指在以硅为主要材料的体的微细加工，指在以硅为主要材料的基片上进行沉积、光刻与蚀刻的工艺过基片上进行沉积、光刻与蚀刻的工艺过程。半导体加工技术使微系统的制作具程。半导体加工技术使微系统的制作具有低成本、大批量生产的

41、潜力。有低成本、大批量生产的潜力。 纳米加工技术纳米加工技术纳米加工技术纳米加工技术9/4/202432沈阳工业大学3）集成电路（）集成电路（IC）技术技术 集成电路（集成电路（ICIC）技术是一种发展十分迅速技术是一种发展十分迅速且较成熟的制作大规模电路的加工技术，在且较成熟的制作大规模电路的加工技术，在微机械加工中使用较为普遍，是一种平面加微机械加工中使用较为普遍，是一种平面加工技术。但该技术的刻蚀深度只有数百纳米，工技术。但该技术的刻蚀深度只有数百纳米，且只限于制作硅材料的零部件。且只限于制作硅材料的零部件。纳米加工技术纳米加工技术纳米加工技术纳米加工技术9/4/202433沈阳工业大学

42、4）超微机械加工和电火花线切割加工）超微机械加工和电火花线切割加工 用小型精密金属切削机床及电火花、用小型精密金属切削机床及电火花、线切割等加工方法，制作毫米级尺寸左右线切割等加工方法，制作毫米级尺寸左右的微机械零件，是一种三维实体加工技术，的微机械零件，是一种三维实体加工技术，加工材料广泛，但多是单件加工、单件装加工材料广泛，但多是单件加工、单件装配，费用较高。配，费用较高。 纳米加工技术纳米加工技术纳米加工技术纳米加工技术9/4/202434沈阳工业大学5）键合技术）键合技术 键合技术是一种把两个固体部件在键合技术是一种把两个固体部件在一定的温度与电压下直接键合在一起的一定的温度与电压下直

43、接键合在一起的封装技术，其间不用任何粘接剂，在键封装技术，其间不用任何粘接剂，在键合过程中始终处于固相状态。合过程中始终处于固相状态。纳米加工技术纳米加工技术纳米加工技术纳米加工技术9/4/202435沈阳工业大学6）分子装配技术）分子装配技术 20202020世纪世纪世纪世纪80808080年代初发明的扫描隧道显微镜年代初发明的扫描隧道显微镜年代初发明的扫描隧道显微镜年代初发明的扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling MicrosoftScanning Tunneling MicrosoftScanning Tunneling MicrosoftScanning Tunneli

44、ng Microsoft，STMSTMSTMSTM）以及以及以及以及后来在后来在后来在后来在STMSTMSTMSTM基础上派生出来的原子力显微镜基础上派生出来的原子力显微镜基础上派生出来的原子力显微镜基础上派生出来的原子力显微镜（Atomic Force MicrosoftAtomic Force MicrosoftAtomic Force MicrosoftAtomic Force Microsoft，AFMAFMAFMAFM），），），），使观察分使观察分使观察分使观察分子、原子的结构从宏观世界进入了微观世界。利子、原子的结构从宏观世界进入了微观世界。利子、原子的结构从宏观世界进入了微观世

45、界。利子、原子的结构从宏观世界进入了微观世界。利用其探针的尖端可以俘获和操纵分子和原子，并用其探针的尖端可以俘获和操纵分子和原子，并用其探针的尖端可以俘获和操纵分子和原子，并用其探针的尖端可以俘获和操纵分子和原子，并可以按照需要拼成一定的结构，进行分子和原子可以按照需要拼成一定的结构，进行分子和原子可以按照需要拼成一定的结构，进行分子和原子可以按照需要拼成一定的结构，进行分子和原子的装配制作微机械。的装配制作微机械。的装配制作微机械。的装配制作微机械。纳米加工技术纳米加工技术纳米加工技术纳米加工技术9/4/202436沈阳工业大学 目目前前，集集成成电电路路已已经经从从2020世世纪纪6060

46、年年代代的的每每个个芯芯片片上上仅仅几几十十个个器器件件发发展展到到现现在在的的每每个个芯芯片片上上可可包包含含约约1010亿亿个个器器件件，其其集集成成度度每每3 3年年提提高高4 4倍倍。这这一一增增长长速速度度不不仅仅导导致致了了半半导导体体市市场场在在过过去去3030年年中中以以平平均均每每年年约约15%15%的的速速度度增增长长，而而且且对对现现代代经经济济、国国防防和和社社会会也也产产生生了了巨巨大大的的影影响响。集集成成电电路路之之所所以以能能飞飞速速发发展展，光刻技术的支持起到了极为关键的作用。光刻技术的支持起到了极为关键的作用。 微纳制造应用案例1.1.电子束光刻加工技术电子

47、束光刻加工技术9/4/202437沈阳工业大学 电电子子束束光光刻刻的的原原理理如如图图所所示示，在在由由掩掩膜膜（其其上上有有所所需需集集成成电电路路图图形形）、光光致致抗抗蚀蚀剂剂涂涂层层和和半半导导体体基基片片构构成成的的三三层层材材料料上上，利利用用电电子子束束透透射射掩掩膜膜，照照射射到到光光致致抗抗蚀蚀剂剂涂涂层层上上，由由于于化化学学反反应应，经经显显影影后后，在在光光致致抗抗蚀蚀剂剂涂涂层层上上就就形形成成与与掩掩膜膜相相同同的的所所需需线线路路图图形形。随随之之，在在基基片片上上形形成成电电路路有有两两种种处处理理办办法法：用用离离子子束束溅溅射射去去除除，可可得得到到凹凹形

48、形电电路路。用用金金属属蒸蒸镀镀方方法法，可可形形成成凸形电路。凸形电路。 微纳制造应用案例1.1.电子束光刻加工技术电子束光刻加工技术9/4/202438沈阳工业大学1. 电子束光刻加工技术微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例电子束光刻加工过程电子束光刻加工过程9/4/202439沈阳工业大学2. 微型机械昆虫微型机械昆虫根据非稳定速度模式的气动学原理，制造了只有 25 毫米宽 (从一翼端至另一翼端) 的微型机械昆虫。 这机械昆虫有类似同类生物的灵活胸腔结构，并在其中置有压电致动器，可作有力及高频率的振翅动作，只要装上锂电池或太阳能充电电池，便能像自然界中的昆虫一

49、样自动不停的飞翔。微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例9/4/202440沈阳工业大学3. 世界最小的微型机械人 世界最小的微型机械人，其只有世界最小的微型机械人，其只有1/41/4立方寸，体重小於立方寸，体重小於1 1盎司。利用盎司。利用这种微型机械人帮助侦查地雷、化这种微型机械人帮助侦查地雷、化学及生物武器的所在；可爬进建筑学及生物武器的所在；可爬进建筑物的管道，找出化学品甚至人类所物的管道，找出化学品甚至人类所在，并将有关信息传送到指挥中心；在，并将有关信息传送到指挥中心；科学家还可以部署一群微型机械人，科学家还可以部署一群微型机械人，进行不同的任务，比体积大

50、的机械进行不同的任务，比体积大的机械人更灵活和有弹性。人更灵活和有弹性。微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例9/4/202441沈阳工业大学 耳蜗里的听觉毛细胞可以感测到在淋巴液内移动的声波，并且将声波转换为电子讯号，听神经再将此讯号传达到大脑。但不幸的是很多人甚至是一出生就没有机会倾听大自然美妙的声音，但是密西根大学研究人员研发的机械耳蜗他们带来了希望。4. 以微型加工技术制造的机械耳蜗微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例 机械耳蜗的作用原理与生物耳蜗相同，以薄膜结构模仿基底膜构造。密大的机械耳蜗有三个优点，首先是其尺寸大小如实体，其次

51、是适合大量生产，最后是能以低功率机械方式进行声学信号处理。9/4/202442沈阳工业大学5. 微型机械零件“自组织化”装配技术东京大学开发出一种微型机械零件东京大学开发出一种微型机械零件“自组织化自组织化”自动装配技术，利用自然自动装配技术，利用自然界的界的“自组织化自组织化”现象把散乱零件结合到一起，对提高工作效率、增加微型机现象把散乱零件结合到一起，对提高工作效率、增加微型机械产量大有帮助。械产量大有帮助。原子在硅酸化物基片上可以自然成形，这种现象被称为原子在硅酸化物基片上可以自然成形，这种现象被称为“自组织化自组织化”。受。受此启发，先在微型零件表面涂上化学物质，让他们具有溶水性或排水

52、性，然后此启发，先在微型零件表面涂上化学物质，让他们具有溶水性或排水性，然后放入溶液中。结果，排水性零件互相吸引，而与溶水性零件互相排斥。只要在放入溶液中。结果，排水性零件互相吸引，而与溶水性零件互相排斥。只要在零件表面涂料上下功夫，零件就会根据需要很好地结合在一起。研究人员把直零件表面涂料上下功夫，零件就会根据需要很好地结合在一起。研究人员把直径仅为径仅为1010微米的硅粒作为零件进行实验，硅粒排成一列，连成微小柱形，再在微米的硅粒作为零件进行实验，硅粒排成一列，连成微小柱形，再在基片表面进行化学处理，成功地把硅粒柱敷设在基片上。这种技术在超大规模基片表面进行化学处理，成功地把硅粒柱敷设在基

53、片上。这种技术在超大规模集成电路微型装置镶嵌中大有用武之地。集成电路微型装置镶嵌中大有用武之地。微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例9/4/202443沈阳工业大学 美国已成功地制造出与病毒大小差不多的美国已成功地制造出与病毒大小差不多的分子马达。该生物分子马达是以分子马达。该生物分子马达是以200nm200nm长、长、80nm80nm直径宽的金属镍为轴，并以分子直径宽的金属镍为轴，并以分子(F1-(F1-腺腺嘌呤核甘三磷酸合成酵素嘌呤核甘三磷酸合成酵素) )作为马达，而以作为马达，而以长长750nm750nm、直径为直径为150nm150nm的镍作为螺旋桨。据的镍

54、作为螺旋桨。据研究人员的观察，该分子马达被浸泡至研究人员的观察，该分子马达被浸泡至ATPATP溶液中后，利用生物分子细胞内的化学反应，溶液中后，利用生物分子细胞内的化学反应，以以ATP ATP 作为能源，每秒转速可达作为能源，每秒转速可达8 8圈，并可圈，并可连续转动连续转动2.52.5小时。小时。 研究人员相信，像这样的微型分子马达可作为纳米机器人或其它纳米组件零研究人员相信，像这样的微型分子马达可作为纳米机器人或其它纳米组件零件的一部分，它的潜在应用价值是非常之大的。将来利用该马达所作成的潜艇件的一部分，它的潜在应用价值是非常之大的。将来利用该马达所作成的潜艇就可进入人类的血管之中，不必藉

55、由传统的开刀方式，即可清除脑血管中的血就可进入人类的血管之中，不必藉由传统的开刀方式，即可清除脑血管中的血块，清理血管壁上的沉积物质，以排除中风的危机。块，清理血管壁上的沉积物质，以排除中风的危机。6. 纳米生物科技-分子马达微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例9/4/202444沈阳工业大学7.纳米齿轮NanoGear科学家利用苯甲基与科学家利用苯甲基与C60的键结形成分子齿轮的雏型。因此，的键结形成分子齿轮的雏型。因此，若能将多个分子以准确的位置键结至纳米碳管上，这样所形成的若能将多个分子以准确的位置键结至纳米碳管上，这样所形成的分子齿轮，将成为组成纳米机器非常

56、有用的组件。分子齿轮，将成为组成纳米机器非常有用的组件。微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例日本科技研究小组，于日本科技研究小组，于20022002年年2 2月初发表，利用纳米材料的组月初发表，利用纳米材料的组成，于现有的制作技术，已成成，于现有的制作技术，已成功研制出世界上最小的齿轮。功研制出世界上最小的齿轮。该齿轮直径仅有该齿轮直径仅有0.2mm0.2mm，且具有且具有良好的抗磨损、抗热、滑动特良好的抗磨损、抗热、滑动特性，这无非为实现分子机器的性，这无非为实现分子机器的实现又迈进了一大步。实现又迈进了一大步。9/4/202445沈阳工业大学8. 原子操纵术 原

57、子操纵术可说是原子操纵术可说是STM(扫描穿透显微镜扫描穿透显微镜)的专长，该工具具备微小且的专长，该工具具备微小且精密的操控能力。扫描穿透显微镜的主要构造部分有一根金属钨精密的操控能力。扫描穿透显微镜的主要构造部分有一根金属钨(W)至的探至的探针针头仅有几个原子宽，探针针头仅有几个原子那么宽。探针与被观测样针针头仅有几个原子宽，探针针头仅有几个原子那么宽。探针与被观测样品并不接触，而是在其上方来回扫描，当距离很近（约品并不接触，而是在其上方来回扫描，当距离很近（约10埃），针尖跟表埃），针尖跟表面的偏压虽不大，但所产生的电场可不容忽视。藉由针头和样品之间电场面的偏压虽不大，但所产生的电场可不

58、容忽视。藉由针头和样品之间电场的吸引从而把样品中的原子拉离表面，并通过针头沿着表面移动到别处。的吸引从而把样品中的原子拉离表面，并通过针头沿着表面移动到别处。如果对这种现象善加利用，就能对单个原子进行操作，从而将它们逐个按如果对这种现象善加利用，就能对单个原子进行操作，从而将它们逐个按特定结构特定结构“组装组装”成纳米机械。成纳米机械。 微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例1990年美国年美国IBM的一群科学家，的一群科学家，首度将一颗颗氙原子在镍表面上拖首度将一颗颗氙原子在镍表面上拖曳，逐颗将曳，逐颗将37颗原子排成颗原子排成“IBM”三个英文字母，相当引人注目三

59、个英文字母，相当引人注目(如如图图)。9/4/202446沈阳工业大学8. 原子操纵术微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例将一顆一顆的铁原子團将一顆一顆的铁原子團, ,在在Cu(111)Cu(111)表面上排列成表面上排列成“原子原子”二字。二字。将一顆一顆的一氧化碳原子團，在将一顆一顆的一氧化碳原子團，在Pt(111)Pt(111)表面上排列成人的形狀。表面上排列成人的形狀。9/4/202447沈阳工业大学9. 纳米材料的莲花效应纳米材料的莲花效应微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例9/4/202448沈阳工业大学 微纳加工例子微纳加工例子微纳加工例子微纳加工例子予独爱莲之出予独爱莲之出淤泥而不染淤泥而不染，濯清涟而不妖，濯清涟而不妖，中通外直，不蔓不枝，中通外直，不蔓不枝，香远益清，亭亭静植，香远益清，亭亭静植，可远观而不可亵玩焉。可远观而不可亵玩焉。9. 纳米材料的莲花效应纳米材料的莲花效应9/4/202449沈阳工业大学