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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 仿生趨磁微生物的研制
- 小類：
- 生命科學(xué)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品創(chuàng)新性的采用仿生礦化法在微生物細(xì)胞表面人工構(gòu)建磷酸鈣的礦化沉積層，并以此為“支架”，在礦化層中摻入四氧化三鐵磁小體，從而將磁小體牢固附著于細(xì)胞表面制得有磁響應(yīng)的微生物細(xì)胞，具有普適性。其意義在于這樣就把不同菌種本身的生物學(xué)功能與在磁場中運(yùn)動(dòng)的可調(diào)控性結(jié)合起來，從而進(jìn)一步有望建立一種用磁場來控制微生物運(yùn)動(dòng)的新方法，用于生物制造的過程控制以組裝微納米新材料和新器件，這在生物制造領(lǐng)域尚屬空白。 該方法制備的趨磁微生物將在生物、化學(xué)、高分子、物理、材料、生物工程、微生物冶金、國防、信息等科研、工業(yè)的重要領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。而且這種基于微生物的生物制造大幅擴(kuò)展生物質(zhì)原料的產(chǎn)品類型及應(yīng)用范圍，將在推動(dòng)新型生物型經(jīng)濟(jì)的發(fā)展過程中產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。另外，利用微生物進(jìn)行材料加工是低能耗、節(jié)約土地及自然資源、保護(hù)環(huán)境的綠色工藝過程，還可定向培育新品種、新物種，因此在促進(jìn)科技進(jìn)步和建設(shè)和諧社會(huì)方面具有積極推動(dòng)作用，具有極高的社會(huì)效益。
- 詳細(xì)介紹：
- 在過去的幾十年里，隨著集成電路的發(fā)明與硅制造技術(shù)的不斷突破，“硅時(shí)代”以及“信息時(shí)代”相繼到來。而如今，微納米技術(shù)在總體上對(duì)社會(huì)的沖擊將遠(yuǎn)比硅集成電路大得多，它將成為新的國民經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，也將是未來國際經(jīng)濟(jì)和軍事競爭的焦點(diǎn)。 作為先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)分支，生物制造是微納米制造技術(shù)與生命科學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域的結(jié)合并且將成為21世紀(jì)制造科學(xué)即將開始的一場革命。它擺脫了以往“無生命”的物理、化學(xué)制造模式，被賦予了生命，即是以生物作為完成微納米制造過程的主體，是通過生物的自組裝自裝配構(gòu)成各種微結(jié)構(gòu)的新技術(shù)。 而微生物作為地球上最古老的生命體，種類繁多，形態(tài)與生物學(xué)功能各異，其個(gè)體大小從幾十納米到微米級(jí)，具有極強(qiáng)的生命力和適應(yīng)性，能夠以較低成本進(jìn)行大批量培養(yǎng)，是天然的可用于納米、微米及多層次跨尺度加工的“基本單元”。以微生物為分子組裝的機(jī)器，以微納米尺度的過程控制方法對(duì)其進(jìn)行二維數(shù)字定位以及圖案化排列或者三維微操縱，由此可設(shè)計(jì)創(chuàng)制出具有特定功能的新材料。其關(guān)鍵是以合適的方法控制微生物群體的定向運(yùn)動(dòng)與有序排列，進(jìn)而才能夠利用其天然生物學(xué)功能完成自裝配、有序組裝等過程。 本作品試圖建立一種用磁場來控制活體微生物運(yùn)動(dòng)的方法，這在生物制造領(lǐng)域尚屬空白。磁控方法相較于其他過程控制方法具有條件溫和、可操作性強(qiáng)、精細(xì)程度高、能進(jìn)行定向或定域控制、可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制以及容易與其它過程控制方法結(jié)合使用等優(yōu)點(diǎn)。其關(guān)鍵技術(shù)是采用仿生礦化法在微生物細(xì)胞表面人工構(gòu)建磷酸鈣的礦化沉積層，并以此為“支架”，在礦化層中摻入四氧化三鐵磁小體，從而將磁小體牢固附著于細(xì)胞表面制得有磁響應(yīng)的微生物細(xì)胞，具有普適性。其意義在于這樣就把不同菌種本身的生物學(xué)功能與在磁場中運(yùn)動(dòng)的可調(diào)控性結(jié)合起來，從而進(jìn)一步有望建立一種用磁場來控制微生物運(yùn)動(dòng)的新方法，用于生物制造的過程控制以組裝微納米新材料和新器件，這在生物制造領(lǐng)域尚屬空白。 在基于微生物的生物制造領(lǐng)域，利用該方法批量生產(chǎn)磁響應(yīng)性微生物菌體，并通過數(shù)控電磁場來對(duì)菌體進(jìn)行定向控制或有序排列，生產(chǎn)各種新型功能材料、器件，將具有廣闊的應(yīng)用前景。例如，通過對(duì)菌體的各種圖案化排列，結(jié)合生物制造中去除成型或者生長成型的加工原理，可望獲得具有精細(xì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的功能材料，如微型電路板、高規(guī)則排列多孔材料、光學(xué)衍射孔、微型反應(yīng)器等。此外，當(dāng)菌體沿某特定途徑運(yùn)動(dòng)，其胞外產(chǎn)物將可固定于運(yùn)動(dòng)軌跡上，由此可獲得有序排列的產(chǎn)物。例如細(xì)菌纖維素是木醋桿菌所產(chǎn)的一種胞外產(chǎn)物，已有報(bào)道證明在分子模板上可成功控制木醋桿菌的運(yùn)動(dòng)，經(jīng)調(diào)控所分泌微纖維的排列模式，“自下而上”自動(dòng)構(gòu)筑由纖維素納米纖維編織的具有特定規(guī)則圖案的三維功能材料。如果我們制備出具有磁響應(yīng)性的木醋桿菌，在層層組裝過程中可調(diào)控每一層的排列方式，拓展了調(diào)控過程中的在三維空間的復(fù)雜精密與動(dòng)態(tài)可操作性，由此可制備出圖案化的分子模板：如調(diào)控納米纖維取向方向?qū)訉又芷谧兓?，還可獲得具有特殊光學(xué)特性的功能材料。另外，由磁控微生物排列組裝成動(dòng)態(tài)可變的各種圖案， 將有潛力開發(fā)生物式微納米記錄系統(tǒng)以及生物式圖像處理的器件等，有望在軍事情報(bào)加密等方面取得應(yīng)用，為我國國防事業(yè)作出貢獻(xiàn)。最后，在酶工程中磁響應(yīng)微生物可以用來做固定化細(xì)胞；結(jié)合微生物冶金的原理，該方法還可以用來做金屬離子或金屬的微納米圖案化定位。 總之，該方法制備的趨磁微生物將在生物、化學(xué)、高分子、物理、材料、生物工程、微生物冶金、國防、信息等科研、工業(yè)的重要領(lǐng)域都有廣闊應(yīng)用前景。而且這種基于微生物的生物制造大幅擴(kuò)展生物質(zhì)原料產(chǎn)品類型及應(yīng)用范圍，將在推動(dòng)新型生物型經(jīng)濟(jì)的發(fā)展過程中產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。另外，利用微生物進(jìn)行材料加工是低能耗、節(jié)約土地及自然資源、保護(hù)環(huán)境的綠色工藝過程，還可定向培育新品種、新物種，因此在促進(jìn)科技進(jìn)步和建設(shè)和諧社會(huì)方面具有積極推動(dòng)作用，具有極高社會(huì)效益。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 微生物種類繁多，形態(tài)與生物學(xué)功能各異，能夠以較低成本進(jìn)行大批量培養(yǎng)，是天然可用于納米、微米及多層次跨尺度加工的“基本單元”。本作品設(shè)計(jì)目的在于發(fā)明一種活體磁控微生物制備方法，通過以微生物為微納米機(jī)器人，以磁場為微納米尺度的過程控制方法對(duì)其進(jìn)行二維數(shù)字定位以及圖案化排列或者三維微操縱，由此可望創(chuàng)制出一系列具有特定功能新材料。 本作品主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)： a)利用磁控作為生物加工手段。 磁控方法相較于其他過程控制方法具有條件溫和、可操作性強(qiáng)、能夠達(dá)到微米極精細(xì)程度、能進(jìn)行定向或定域控制、可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制以及容易與其它過程控制方法結(jié)合使用等優(yōu)點(diǎn)。 b)制備方法具有普適性。 本作品對(duì)趨磁細(xì)菌進(jìn)行仿生研究，建立一種具有普適性的新方法。其意義在于這就把不同菌種本身生物學(xué)功能與在磁場中運(yùn)動(dòng)的可調(diào)控性結(jié)合起來，從而進(jìn)一步有望建立一種用磁場來控制微生物運(yùn)動(dòng)的新方法，用于生物制造過程控制以組裝微納米新材料和新器件。 c)采用仿生礦化法制備活性趨磁微生物。（技術(shù)關(guān)鍵） 制備方法本身具有工藝過程操作簡單，所需設(shè)備廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)。最重要是制備所需時(shí)間短，大約半天便能獲得趨磁微生物。 d)突破目前生物制造中大多只應(yīng)用到微生物“結(jié)構(gòu)單元”的局限。 目前大多數(shù)微納米制造方法只將微生物作為“結(jié)構(gòu)單元”使用，并沒有真正發(fā)揮微生物的生物學(xué)功能優(yōu)勢(shì)，而本作品提供的制備方法以及控制手段使得微生物在生物制造過程中保持存活，從而能充分地將微生物作為“功能單元”使用，大大擴(kuò)展了利用微生物進(jìn)行微納米制造的應(yīng)用領(lǐng)域。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 目前能夠用于生物制造過程控制的微納米制造方法主要有噴射技術(shù)、直寫技術(shù)、電紡絲技術(shù)、化學(xué)方法表面鍍鎳等。而這其中大多數(shù)方法不能應(yīng)用于對(duì)微生物活細(xì)胞的控制，主要是因?yàn)槠淇刂茥l件不夠溫和，不能保證在整個(gè)控制過程中微生物個(gè)體的存活，即無法充分發(fā)揮微生物自身的生物學(xué)功能及優(yōu)勢(shì)，極大限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。因此建立適合于活體微生物的原創(chuàng)性微納米制造方法將具有重要學(xué)術(shù)價(jià)值與應(yīng)用前景。 本作品試圖建立一種用磁場來控制活體微生物運(yùn)動(dòng)的方法，這在生物制造領(lǐng)域尚屬空白。磁控方法相較于其他過程控制方法具有條件溫和、可操作性強(qiáng)、精細(xì)程度高、能進(jìn)行定向或定域控制、可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制以及容易與其它過程控制方法結(jié)合使用等優(yōu)點(diǎn)。 本作品創(chuàng)新性地采用了仿生礦化法制備趨磁微生物，具有一定的普適性。另外，整個(gè)制備工藝過程相對(duì)操作簡單，制備所需時(shí)間短（大約半天），也不涉及價(jià)格昂貴的設(shè)備，因此適用于即制即用的生物制造生產(chǎn)過程。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2009年6月6日于本省第七屆"挑戰(zhàn)杯?青春在WO"大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中獲得一等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段，嘗試初步的應(yīng)用。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 圖片、錄像、樣品
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用仿生礦化法制備趨磁微生物將微生物技術(shù)，無機(jī)化學(xué)及有機(jī)高分子化學(xué)知識(shí)進(jìn)行交叉融合，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新運(yùn)用，其制備方法本身具有工藝過程操作簡單，所需設(shè)備廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)。將磁響應(yīng)性微生物用于建立生物制造磁控過程方法，有條件溫和、可操作性強(qiáng)、能夠達(dá)到微納米級(jí)精細(xì)程度、能進(jìn)行定向或定域控制、可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制以及容易與其它過程控制方法結(jié)合使用等優(yōu)點(diǎn)。 該方法有望從模式菌種推廣到功能菌種，從而建立成為制備趨磁微生物的具有普適性的方法，并用于基于微生物可控生物制造過程。這種仿生趨磁微生物將在生物、化學(xué)、高分子、物理、材料、生物工程、微生物冶金、國防、信息等科研、工業(yè)的重要領(lǐng)域都有廣闊應(yīng)用前景。而且這種基于微生物的生物制造大幅擴(kuò)展生物質(zhì)原料產(chǎn)品類型及應(yīng)用范圍，將在推動(dòng)新型生物型經(jīng)濟(jì)的發(fā)展過程中產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。另外，利用微生物進(jìn)行材料加工是低能耗、節(jié)約土地及自然資源、保護(hù)環(huán)境的綠色工藝過程，還可定向培育新品種、新物種，因此在促進(jìn)科技進(jìn)步和建設(shè)和諧社會(huì)方面具有積極推動(dòng)作用，具有極高社會(huì)效益。
同類課題研究水平概述
- 基于離散-堆積原理的細(xì)胞-基質(zhì)材料的三維受控組裝技術(shù)，其核心即是一種受控組裝的概念，它貫穿了從宏觀單元、介觀單元到微觀單元的不同層次的受控組裝。宏觀尺度上即為生物材料微滴的組裝，這是當(dāng)前生物制造的主要領(lǐng)域；介觀尺度上的體現(xiàn)為細(xì)胞組裝，這是生物制造當(dāng)今的研究熱點(diǎn)；微觀尺度即為分子組裝。功能性內(nèi)臟組織器官的制造與骨骼、皮膚等結(jié)構(gòu)性組織相比，涉及到更深層次的生命科學(xué)與制造科學(xué)問題，與制造科學(xué)在分子與細(xì)胞層次的操控和組裝具有緊密關(guān)系。 生物制造主要包括對(duì)DNA、蛋白質(zhì)、多糖等生物大分子進(jìn)行有序操縱；對(duì)微生物定向誘導(dǎo)或有序排列，利用其天然結(jié)構(gòu)及功能開發(fā)新型功能材料；以及通過細(xì)胞受控組裝，完成具有新陳代謝特征的生命體成型和制造。比如通過人工誘導(dǎo)DNA自組裝形成各種立體結(jié)構(gòu)，對(duì)DNA正四面體進(jìn)行的化學(xué)修飾，有望應(yīng)用于制備新型化學(xué)反應(yīng)模板。另外，自組裝多肽納米纖維，可作為組織工程或者生物礦化支架。使用基因改造過的病毒作為模板合成Au、Co3O4納米線，具有作為鋰離子電池電極材料的應(yīng)用潛力。Yan等報(bào)道了以高精度三維微定位系統(tǒng)對(duì)細(xì)胞及生物材料進(jìn)行加工組裝，該方法有望用于加工人工組織器官。細(xì)菌纖維素是自然界中唯一的天然納米纖維，在傷口愈合材料、人造血管以及化妝品成分、食品添加劑等方面有廣泛應(yīng)用。近藤首次報(bào)道了用有序高分子模板在室溫下誘導(dǎo)木醋桿菌的生物合成過程，可在納米尺度上控制細(xì)菌纖維素纖維的排列，并堆積成有序的三維結(jié)構(gòu)材料。 目前能夠用于生物制造過程控制的微納米制造方法主要有機(jī)械作用噴射技術(shù)，直寫技術(shù)、電紡絲技術(shù)、分子模板誘導(dǎo)合成、化學(xué)方法表面鍍鎳、計(jì)算機(jī)輔助仿生建模與快速成型技術(shù)等。而這其中大多數(shù)方法不能應(yīng)用于對(duì)微生物活細(xì)胞的控制，主要是因?yàn)槠淇刂茥l件不夠溫和，不能保證在整個(gè)控制過程中微生物個(gè)體存活以及生物學(xué)功能的完整，這就限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。本作品探索并建立了磁控的可用于微生物活體定位操縱和有序排列的微納米生物制造新方法，這在生物制造領(lǐng)域尚屬空白。 在磁性納米顆粒的研究方面，主要集中于利用其輔助進(jìn)行靶向給藥以及制造生物傳感器等，將其用于微生物并開發(fā)仿生趨磁微生物用于制造生物材料及生物器件，文獻(xiàn)中還未見類似的有關(guān)報(bào)道。因此將本方法所制得的仿生趨磁性微生物用于生物制造的過程控制中將有望開辟嶄新的研究領(lǐng)域，以新方法生產(chǎn)出各種各樣的功能材料、器件。
