基于生物制造的承载式车身制造技术展望

基于生物制造的汽车承载式车身制造技术展望

摘要：生物制造工程是运用微细加工技术与现代生命科学的原理与方法，通过细胞的受控三维组装制造活的组织或器官，修复或替代人体的病损组织或器官的交叉学科。器官打印是生物制造工程的典型应用，器官打印利用快速成形原理通过计算机辅助逐层打印细胞、细胞基质及生物材料得到具有一定结构和功能的人工器官。生物骨骼的力学性能研究表明：密质骨可提供一定的承载能力，松质骨可提供良好的抗冲击与吸能能力，在骨骼失去活性后性能仍可保持。结合承载式车身及其制造特点，分析使用生物骨骼作为承载式车身的缓冲吸能和吸振部位的结构件可能，得到使用器官打印技术可以制造用于承载式车身的生物骨骼的结论。

关键词：生物制造；器官打印；生物骨骼；承载式车身；制造

0引言

人类开始制造工具以来，制造很长时间一直停留在制造死物，无法制造活物的状况。基因组测序及DNA 合成技术与工具的突破性进展，催生了“合成生物学”的出现。最近几年合成生物学在生物科学知识产生、生物零件、装置及系统的建造，药物、能源、酶的生产等研究领域取得了重要进展，成为生物科学和生物经济中最前沿的学科。将制造工程、生命科学、计算机技术、信息技术、材料工程各领域的最新成果集成起来，就形成了生物制造工程。

生物制造可以从比较宽泛和比较狭义两个角度来定义：宽泛定义为：包括仿生制造、生物质和生物体制造，涉及生物学和医学的制造科学和技术均可视为生物制造，用BMoBio-manufacturing表示。狭义定义为：主要指生物体制造，是运用现代制造科学和生命科学的原理和方法，通过单个细胞或细胞团簇的直接和间接受控组装，完成具有新陈代谢特征的生命体成形和制造，经培养和训练，完成用以修复或替代人体病损组织和器官[1]。

其重要分支——仿生制造，近年得到迅速发展。仿生制造的模仿对象主要包括：生物系统的结构，生物系统的工作原理，生物系统的功能，生物系统的控制机制，生物系统的能量转换，生物系统的信息传导过程和生物系统中的生物的生长方式。目前仿生制造的实施手段上沿着两大方向发展：内控法和外控法。内控法模仿了生物系统的遗传信息共享、细胞并行分裂的演化过程。外控法模仿了生物由小至大，材料累加等特性。目前，此方向发展的技术成果实用性较强，运用此方法可以生产出生物骨骼[2]。

生物骨骼形态观察显示,密质骨骨板排列十分规律，紧密结合；松质骨的三维结构及材料结构都为股骨头能承受高载荷提供了良好的基础；同时骨质的松疏结构是良好的缓冲材料[3]。即密质骨可提供一定的承载能力，松质骨可以提供良好的抗冲击与吸能能力。在骨骼失去活性后，骨骼的这些特性仍然可以部分保持，比如普通动物牙齿或者象牙等。

承载式车身因为无车架，整车质量小；重心较低；地板高度低，上下车方便；公路行驶平稳等优点而广泛运用。但是承载式车身也存在传动系统和悬架的震动和噪音会直接传入车内，需采取防震和隔声措施；制造成本偏高；改型困难等缺点。

未来使用生物基因角度进行控制的生长式制造的方法制造的冲击吸能吸能骨骼用以承载式车身上，可以有效降低承载式车身的重量；降低传导至驾驶室的振动和噪声；并通过外控法控制骨骼生长的形状和尺寸，达到简化改型承载式车身的目的。

1仿生制造

1.1内控法

内控法是基于DNA的仿生制造模式是指根据生成物的各种特征，采用人工控制生长单元体内的遗传基因信息为手段，直接生长出任何人类所需要的产品的新的制造技术。基于信息模型的个体复制每个生物个体都有其自身的“遗传密码”,这是关于该个体的完善的信息模型。信息模型的载体即为细胞核中的DNA(脱氧核糖核酸)。生物的细胞分裂、个体的发育和种群的繁殖, 涉及遗传信息的复制、转录和解释等一系列复杂的过程。这个过程的实质在于按照生物的信息模型准确无误地复制出生物个体来[4]。

1.2外控法

外控法是相于内控法而言，除了从生物基因角度进行控制的生长式制造的方法都可称之为外控法。目前，此方向发展的技术成果实用性较强，其中目前应用较广泛的是基于快速成型技术的器官打印技术。

2 器官打印技术

2.1 器官打印技术内涵及要素

基于快速成型技术的器官打印技术，是利用快速成形(Rapid prototyping，RP)技术构建具有生物学特征的三维人工组织和器官[5]。基于离散,堆积原理的快速成形技术的发展及其在生物医学领域的应用是生物制造工程的制造科学基础。利用该基础理论结合基于CT／MRI断层扫描技术获得器官信息，重构有效的能描述器官复杂组织成分、功能梯度的数字化模型，涉及许多理论和技

术细节，如基于分形理论的局部到全局的几何建模、材料建模和功能建模。以及系统优化问题；基于器官制造工艺和仿生原理，同时解决组织基体结构，创造具有自然组织中三维细胞生存微环境的类组织[1]。在现有医学影像处理和反求软件能够将显影的组织部分作为均匀实体建立几何形状模型，而用于生物制造的加工模型不但要求具有支架的形状和结构特征，还必须具有材料组分在其中的分布信息，尤其是细胞等生命体与其他生命物质在支架上的位置信息[6]。

在得到细胞数据后结合计算机辅助设计(Computer aided design，CAD)，通过逐层叠加的方式，将细胞、细胞基质及其他生物材料组合而具有一定的空间结构[7]。从而得到人体器官的解剖学数字模型(Digital Model ofAnatomy)。

2.2 器官打印技术发展现状

传统的组织工程基于生物可降解的多孔固体支架，将种子细胞种植于其中。这种方法的基本原理在于利用人工支架构建组织器官的基本形态和机械性质，并为细胞提供粘附介质及分化、发育的信号。细胞在细胞外基质中精确的定植是细胞维持生物形态和发挥功能的必要条件，所以，将种子细胞按照一定空间结构精确定植在生物支架材料中是组织工程构建仿生组织和器官的关键步骤，而传统组织工程方法很难做到这一点，

“细胞打印”于20世纪90 年代中后期被提出[8]。首次关于细胞打印的实验研究，他们运用“激光制导直写技术”成功将多种细胞打印到玻璃表面，构成许多细胞排列结构大部分细胞打印后仍存活，此后，许多技术被用于细胞打印，虽然上述技术在细胞打印中取得一些成功，但是也存在许多不足，如：细胞打印效率太低、细胞经打印后存活率低和功能丧失、打印成本昂贵等，因此，许多研究者致力于寻找一种能够快速、无伤、廉价打印细胞的技术。而越来越多的研究表明，喷墨打印技术在细胞打印方面有许多潜在优势：

（1）极高的细胞存活率。

（2）以极小的墨滴进行高分辨率打印：人类组织和器官中的细胞空间排列的间距约10μm，因此，如何将细胞以极高的分辨率打印打支架材料中是构建仿生组织和器官的难点问题，而最近有研究者用压电式喷墨打印技术将牛血管内皮细胞悬液以微米级墨滴打印到培养皿中，墨滴直径为85~250μm，每个墨滴中含0~4个细胞，且绝大部分细胞经历了喷墨打印后能够存活[9]，这表明喷墨打印技术能够以高分辨率精确的将细胞定植到材料中，其打印出的细胞排列结构与正常的组织和器官相似。

（3）多种细胞同步打印：组织和器官是由多种特定的细胞按照一定的空间结构排列而成。有研究者成功运用喷墨打印技术将鼠初级胚胎海马和皮质神经元2种细胞进行自动化同步打印，形成复杂的多种细胞形态和结构。

（4）高通量快速打印细胞：喷墨打印机能以每秒1×105个细胞高速打印细胞悬液，这使得利用喷墨打印技术构建大型仿生组织和器官成为可能。

有关细胞打印技术的研究不仅将为生命科学的前沿(结构生物学)的新理论的产生提供极为重要的启示, 而且亦将促进和推动材料科学中诸多重要领域( 如新材料的设计和合成、材料的结构和功能) 及组织工程的前沿领域(三维构造体)进一步深入发展[10]。

3 承载式车身及其制造特点

在汽车的参数配置中，有两种底盘结构：承载式和非承载式。承载式车身最大优点莫过于重量轻[11]，而且重心较低，车内空间利用率也比非承载式车身结构更高，如今承载式车身通过不同强度材料的运用，发生碰撞时通过吸能、溃缩等方式保证车内人员安全，与非承载车身相比，安全性并不差[12]。所以在家用轿车和客车领域承载式车身已经取代了非承载式车身结构[13]。承载式车身结构如图1.

图1 承载式车身

Fig.1 integral body construction

3.1 承载式车身特点

车身结构件隐藏在车身覆盖件之下，对车身起到支撑和抗冲击的作用，分布在车身各处的钢梁是车身结构件的一种。图2就是典型的车头处钢梁。我们可以看到它由钢板围成一个闭合断面结构，钢板的厚度和材质规格都要比车身覆盖件高很多，而且为了在碰撞时有效吸收撞击能量，这些钢梁还会将不同强度的钢材焊接在一起，形成有效的溃缩吸能区。

图2 典型车身结构件

Fig.2 A typical structure of body

3.2 承载式车身设计特点

研究表明,轿车质量每减轻10%,燃油消耗可降低6%~8%[14]。汽车的重量一直是设计师最关心的问题之一。车身结构的质量约占整车整备质量的20％-40％[15]，因此降低车身质量可以有效减低整车装备质量。承载式车身比梯形车架在重量方面大大下降，所以一体式车架也越做越轻，而在车架重量越来越低的同时，其刚性却在不断提高。

3.3 承载式车身制造特点

轿车车身结构复杂,制造工艺质量控制困难[16]。根据结构设计受力，选用不同规格、材质的矩形管进行组焊；底架基本上是有规则的截面梁、连接梁组成；车身结构件主要是采用低碳钢、低合金结构钢的冷拔或高频焊接矩形管组成；前后围、侧围、车顶五大片除尺寸有所不同，结构基本上是相同的。制作过程包括：下料及底架制作、车身总拼装焊及焊接工艺装备、车身蒙皮焊接加工、车身骨架及内腔的防蚀涂装。制作过程中需要注意：除油脂，防焊接变形，防蚀等。

4 器官打印技术制造承载式车身部件展望

4.1 生物骨骼制造现状与发展趋势

活性大段人工骨：清华大学以PLGA／TCP为原料，采用低温沉积制造工艺，制成支架，复合bBMP、bFGF 等生长因子，成功修复了兔桡骨15mm节段性骨缺损和犬桡骨20mm节段性缺损，修复后的桡骨具有与正常桡骨接近的性能。

细胞直接组装：Clemson大学基于热敏材料固化工艺，改装了喷墨打印机，用热可逆凝胶和仓鼠卵巢细胞的悬浮培养液代替墨水，开发了一种多喷头细胞打印装置。清华大学基于分层原位胶联丁艺，利用天然生物材料的原位交联固化原理，研究了基于软骨细胞／基质材料复合单元的细胞组装工艺[18]。4.2 使用器官打印技术制造承载式车身部件可行性分析

形态观察显示[17],松质骨是一种由大量的拱形骨柱和骨板结合形成的具有特殊三维形态的多孔结构。承载时最早受力的是支撑软骨下骨的拱形骨柱,以后通过不同排列的骨柱和骨板向股骨颈方向作力的传递.从结构模型分析,每一拱形骨柱两端的附着部位(骨柱或骨板)都有一定的可移动空间,类似弹性支座,在力的作用下可产生较大的位移。

当拱形骨柱受到冲击载荷时,两端拱脚的推力使附着部位发生位移, 从而对冲击力产生有效的缓冲作用。一旦载荷消除, 各部位又回复原状。在股骨头松质骨内部有无数这样的缓冲结构,因此股骨头有强大的抗冲击能力。此外犷各骨柱与骨板间力的传递可使整个股骨头内部应力达到均匀分布。股骨头松质骨特殊的三维结构除了具有良好的承载功能。

在高倍观察下发现,骨柱和骨板中的矿柱在不同部位和层次均呈不同方向密集排列,这种排列方式受骨小梁内部应力分布的影响,有利于承受较高载荷。有文献指出阁,骨骼内矿柱的排列方向受胶原纤维配布方向的控制,而胶原纤维的排列又与应力分布有关。我们以往的研究也发现矿柱和胶原纤维的排列基本一致。由胶原纤维和矿质混合构成了一种坚强的复合材料,能明显提高骨的承载能力。

密质骨，可以提供一定的承载能力，松质骨可以提供良好的冲击吸能材料。生物骨骼可以做成在碰撞时有效吸收撞击能量的结构件；也可作为承载发动机，A、B、C柱与地板结构件，吸收各种振动。

使用器官打印技术，制造各种骨骼只需要改变骨骼的数字模型，而且经生长成型后就可以作为汽车车身结构件使用，不需要再下料，焊接，防腐蚀，总装等工艺。虽然现在制造的骨骼尺寸还比较小，但是随着医学和制造业的需求，未来使用生物骨骼制造技术制造出来的骨骼将广泛使用，并且成本越来越低。

5 总结

使用生物骨骼制造承载式车身的部分结构件将使汽车车身轻量化程度加深；使碰撞能量被生物骨骼和其他材料组成的缓冲件吸收，以提高车身安全性；使发动机和传统系统的振动能量更多被生物骨骼阻尼件耗散。未来用生物骨骼制造出来的汽车在公路上穿梭未尝没有可能。

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The Outlook of BMoBio-Manufacturing-based integral body construction

manufacturing technologies

Liu Dexiong

(Southwest University, Chong Qing 400715, China)

Abstract: BMoBio-Manufacturing Engineering is the application of microfabrication technology, principles and methods of modern biological life sciences, manufacturing a controlled three-dimensional assembly of living cells, tissues or organs to repair or replace body tissue or organ lesions interdisciplinary. Organ printing is a typical application of BMoBio-Manufacturing Engineering, which use rapid prototyping principles of layer to print cells by layer, stromal cells and biomaterial for getting a certain structure and function artificial organs with computer-aided. According to the mechanical properties of biological bone, studies show that compact bone can provide a certain carrying capacity and cancellous bone provides good impact and energy absorption capability. Combined with integral body construction manufacturing characteristics, analyzed using biological bone to be as a part of integral body construction for absorbing cushioning and shock absorbing parts . Obtain organ printing technology can be used to make biological bone for integral body construction.

key words: BMoBio-manufacturing; organ printing; biological bones; integral body construction; manufacturing