在自然界成千上万的微生物中，存在这样一些菌种，它们在新陈代谢过程中需要消耗某些金属元素，以此获得维持其生命繁殖所需的能量与营养物质，这就为通过生物氧化还原作用加工某些金属材料加工提供了可能性，生物刻蚀加工技术由此诞生。由于在生物刻蚀加工过程中，不存在切削力，不会产生热变形，所以可以利用微生物对工程材料进行微细去除加工，而不用考虑传统加工中的切削力和热变形对加工精度造成影响。在一定的条件下，通过限制去除材料的位置，可以利用生物刻蚀加工技术实现对工件表面预定部分进行定量去除，从而达到加工出所需形态和结构的目的。

在生物刻蚀加工中，微生物本身并不直接侵蚀金属，而是利用微生物生命活动的过程或结果间接地对金属腐蚀的电化学过程产生影响，或利用生物化学反应实现对金属的加工。这些能侵蚀金属的微生物大多属于细菌类，生物刻蚀加工常用的细菌类型见表2-2。

表2-2 生物刻蚀加工常用的细菌类型

1.生物刻蚀的基本原理

最常采用铁细菌类型中的T.f菌（Thiobacillus ferroxidans，T.f）作为生物刻蚀加工的菌种，该菌种是目前研究较多、应用广泛的细菌，是生物采矿行业、燃料、酸性废气的生物脱硫，以及生物去除加工等领域重要的菌株之一。在采矿行业中，通过利用该菌种对含有有价元素的硫化矿物进行氧化，然后将被氧化的目的元素以离子状态溶入溶液中，或将矿物中的有价元素经过生物氧化后露出，以利于有价元素在后续工序中的浸出。在环境保护中，通常利用T.f菌对硫的需求使含硫气体通过含有T.f菌的液体，通过硫元素与T.f菌的作用去除大气中的硫成分。

1947年，T.f菌最初由美国人柯美尔（Colmer）和亨凯里（Hinkle）从矿山酸性矿水中分离鉴定出，之后许多微生物学工作者对其生理形状进行了系统研究。研究表明，T.f菌很小，系短杆菌，尺寸为0.3～0.5μm×1.0～2.0μm，以单个或双个或几个成短链状存在，有鞭毛，能快速游动，革兰氏染色阴性。挑出菌置于显微镜下观察：在9K培养基中菌体呈近球杆形，在硫代硫酸盐培养基中呈杆形，是一种化能自养菌，专性好氧，嗜酸性，广泛生活在金属硫化矿和煤矿的酸性矿坑水中。其主要代谢特点是以CO2为唯一碳源，氮源为NH₄⁺，以氧化二价铁、元素硫以及还原态硫的化合物等来获得生长过程所需要的能量。T.f菌的代谢过程见公式（2-1）和式（2-2）。

4Fe²⁺+O₂+4H⁺→4Fe³⁺+2H₂O+能量 （2-1）

2S+3O₂+2H₂O→2SO²₄^-+4H++能量 （2-2）

从式（2-1）和式（2-2）中可以看出，T.f菌在其自身繁殖和代谢生长过程中，在有氧条件下，以将培养基或环境中的Fe²⁺氧化成为Fe³⁺来获取能量；在无氧条件下，可以将三价铁或硫作为电子受体，氢为电子供体，或以三价铁为电子受体、还原性硫化物作为电子供体获取能量。随着T.f菌的代谢生长，菌种的数量逐渐增多，培养基中的Fe²⁺也渐渐被氧化成Fe³⁺，溶液则逐渐从透明色变为Fe³⁺的红褐色。Fe³⁺是一种强氧化剂，可以和铜、锌、铝等元素发生氧化还原反应。氧化亚铁硫杆菌生物特性的研究表明，其在生长过程中需要将Fe²⁺转变为Fe³⁺，以获得生长繁殖中需要的能量。由于Fe³⁺具有较强的氧化性，所以当其与还原性较强的金属相遇时，发生还原置换反应，重新变为Fe²⁺，从而形成循环，达到加工刻蚀金属的目的。

2.生物刻蚀的发展历程及进展

20世纪90年代初，日本三重大学和冈山大学在日本文部省科学基金资助下首先开展了生物技术用于工程材料加工的研究。1993年，日本冈山大学宇野义幸等人进行了生物加工的研究，证实了细菌对纯铁、纯铜去除加工的可能性，但对生物刻蚀加工的机理没有进行研究，也未加工出微小零件。冈山大学农学部杉尾刚（Sugio T.）阐明了T.f菌对S与Fe²⁺的氧化路径，以及铁氧化酶与硫氧化酶的作用机理。

新加坡国立大学论述了T.f菌在金属生物加工中应用问题。他们利用T.f菌的两个不同类型菌种进行对比试验，并采用铜及中碳钢作为工件材料，试验在不同的温度、酸性以及摇床振荡速度条件下进行，寻找利用T.f菌生物刻蚀金属的最佳条件。结果表明，为使细菌有最佳的刻蚀速度，最佳温度应控制在30～35℃，最佳pH为2左右，最佳振荡速度为160r/min。通过试验发现，去除的金属量与加工时间成比例，这点与日本学者的结论吻合；试验还证明，当工件的部分区域被有机光阻材料覆盖时，可以实现对微小结构的加工，通过微生物可以将未被覆盖区域的材料去除。最终加工出的结构形状与原始金属上的涂覆图形接近。尽管生物加工的速率比化学加工慢，但掩膜下面浸出的金属较少，这种情况表明，微生物对于金属的加工具有很大的潜力。

英国St.Andrews大学用生物能学分析了氧化亚铁硫杆菌的电子传递链及Fe²⁺，依据生物氧化的能量守恒机理，提出了该细菌的能量转换模型，为生物加工金属的热力学和动力学机理奠定了基础。

北京航空航天大学和中国科学院微生物所是我国开展生物制造研究最早的院所，他们的研究领域主要涉及生物刻蚀和生物成形。1994年，北京航空航天大学和中国科学院微生物所合作，在国家自然科学基金的资助下，利用细菌生理特性对生物去除成形进行了深入系统的研究；1996年证明了T.f菌对纯铜、纯铁和铜镍合金等具有加工能力，并通过试验证明生物刻蚀加工量与时间呈线性关系，加工速度与工件材料性质有关；首次用生物刻蚀加工法加工出了厚度为85μm的纯铜齿轮结构和深为70μm、宽为200μm的沟槽。同时证明了氧化亚铁硫杆菌的生物膜电子传递链是其实现生物加工的重要环节。生物去除成形加工的纯铜齿轮结构和宽沟槽的SEM照片如图2-25所示。

图2-25 生物去除成形加工的纯铜齿轮结构与宽沟槽的SEM照片

a）85μm厚的纯铜齿轮零件 b）70μm深及200μm宽的5个沟槽(www.daowen.com)

北京理工大学也对生物刻蚀加工进行了一定的研究，对生物刻蚀金属的环境条件及生物刻蚀微小结构的工艺等方面进行了探讨，为生物刻蚀的规模化生产奠定了基础。试验利用氧化亚铁硫杆菌对紫铜表面的微细图形进行了选择控制加工，得到了具有清晰齿轮轮廓结构的图形。在加工过程中，T.f菌以其自身的新陈代谢作用将Fe氧化消耗掉，变成Fe²⁺。而在加工紫铜金属的过程中，氧化还原反应又使Fe³⁺与Cu作用生成Cu²⁺和Fe²⁺，达到去除铜的目的。

试验结果同样显示，微生物刻蚀金属的深度和时间成线性关系，且在8h内，刻蚀深度与时间成正比。在生物刻蚀过程中，由于受到光刻胶膜的保护，所以只有暴露在膜外的金属被细菌刻蚀，而膜内的金属由于得到保护未受到刻蚀。但是由于生物刻蚀的速度在各个方向相同，因此当刻蚀深度加大时，会对胶体下方的金属进行侧向钻蚀，造成侧蚀现象，如图2-26所示。

北京理工大学通过试验获得了细菌培养刻蚀条件，通过控制细菌的生长培养环境和加工时间，可以刻蚀加工出形状精致、轮廓完整的微小齿轮结构。采用紫外辐照诱变菌株的方法提高其活性进行选育，将选育后的菌种和未经选育的菌种分别用于刻蚀紫铜，经过2h的刻蚀加工后，得到不同的加工结果。图2-27所示为未经过选育和经过选育的菌种刻蚀的齿轮结构。

图2-26 齿廓的侧蚀现象

图2-27 菌种刻蚀的齿轮结构

a）未经过选育 b）经过选育

从图2-27可以看出，经过选育的菌种刻蚀的齿轮结构轮廓清晰，刻蚀的深度较深，而未经过选育的菌种刻蚀的齿轮结构深度较浅。试验证明，经过紫外辐照诱变选育后，菌种的活性更强，刻蚀加工金属的能力更强，可以加工出更好的金属结构，为以后批量和高效率的工业化生产打下了基础。

3.生物刻蚀加工存在的问题

生物刻蚀加工虽然具有许多传统加工没有的优势，但也存在以下一些问题。

1）在加工中，光刻胶与金属表面的黏附能力对基件的加工结果具有较大的影响。覆盖基体表面的光刻胶膜与基体间没有化学结合力，仅靠范德华力维持黏附。当基体放入溶液中时，由于溶液和振荡将削弱光刻胶膜和基体间的黏附，很容易引起胶膜脱落，因此基体表面的粗糙度是影响黏附能力的重要因素。

2）侧向钻蚀对工件的加工质量影响。由于微生物的生物刻蚀本身是各向同性刻蚀，没有方向的选择性，不易控制，这在刻蚀加工中就容易产生侧向钻蚀，即当刻蚀在掩模下向深处发展时，难于严格限制在所要求方向上进行加工，生物刻蚀会沿侧下方进行。随着刻蚀深度的加大，侧向钻蚀会越来越严重，严重影响加工工件结构质量，这就限制了刻蚀图形的最小线宽，造成加工结构的深宽比不能太大。

3）基体表面粗糙度的影响。由于基体表面的粗糙度在各点处不一致，光刻胶膜和基体表面黏附不严密，在刻蚀时溶液会顺着缝隙渗入，造成胶膜掩蔽下的表面被刻蚀，极易造成脱胶。这就要求基体表面具有较高的粗糙度，并要选择黏附性好的光刻胶。

4）加工零件的表面粗糙度不易控制：金属的微观结构决定了其溶解的不均匀性，造成生物刻蚀加工面的粗糙度不一致；另外，基体材料材质的不均匀性也会导致各点的腐蚀速率不一致，对加工面的粗糙度造成一定的影响；刻蚀的温度和速度也影响加工面的粗糙度，需要反复试验，综合考虑确定最佳温度和速率，改善加工表面的粗糙度。

虽然具有这些问题，但总体上看，由于生物制造技术具有节约资源、对环境污染小的特点，符合先进制造技术的发展方向。随着研究的深入，越来越多的新技术和新方法将不断出现，并应用在生物制造领域，最终必将使生物制造在生产实际中得到广泛的应用。