（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10聚焦超声喷射液滴（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
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；
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。
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
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-
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
13
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
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。
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
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。
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
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、
• 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……
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
11
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。
硅藻连接成形
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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
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
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：
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脂质体三维通道特性：
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：
－－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）
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）