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生物医学领域的新宠——纳米机器人

手术台上的脑血栓病人生命垂危,一旁的医生则拿起一个装着百万个纳米机器人的玻璃瓶,将含有纳米机器人的液体注入患者血管,这些机器人便开始紧锣密鼓地分工合作为患者进行手术。

“一些纳米机器人忙着导航,另一些则负责将信号传递给手术室中监控手术的外科医生;还有一些则兢兢业业地用纳米镊子夹住血栓,让拿着纳米手术刀的机器人将其切成无数小块然后运走,还有一些等着给患者大脑中的受伤组织上药,以便伤口尽快愈合。在这耗时不到半小时的手术结束后,这些小小纳米医生则在患者的血管中静静地等候被分泌排泄出去。”

是不是听起来像科幻电影?然而,随着纳米生物技术的发展,这场听起来无比精彩的手术,离我们不会遥远了。

近年来,纳米生物技术在医疗诊断领域的应用日趋火热,2016年8月,加拿大研制出一款纳米机器人,可以在人体血管内运行,精准地锁定癌细胞并投递药物。这是世界上十分先进的药物投放系统,因为它完全不会损伤正常人体组织和器官;此外这意味着病人可以大大减少服用的药物剂量,从而降低药物的副作用。

作为生物医学领域的新宠,纳米机器人的功用神秘而诱人,我们今天就一起认识一下纳米生物技术在医疗领域的一大热门应用——纳米机器人。



1、什么是纳米机器人?

纳米机器人是纳米机械装置和生物系统有机结合的产物,其设计原型基于分子水平的生物学原理,在纳米尺度上研制可编程的分子机器人。纳米机器人的构造形式可以十分丰富,但基本结构是微型摄像机、有效载荷、电容器和用于游动的尾巴。

纳米机器人属于分子仿生学的范畴。大多数纳米机器人都是模仿动物或者某些细胞结构制成的。例如美国哥伦比亚大学科学家们于2010年研制出的一种由DNA分子构成的3条腿的“纳米蜘蛛”微型机器人。它由4个纳米组成。4个纳米是多大呢?——是一只普通蜘蛛的五百万分之一,比头发直径的十万分之一还小。它可以跟随DNA运行轨迹行走、移动,如果将其摆放在一条DNA单链的表面,它就可以凭借自己的三条腿以18纳米每小时的速度移动。将其用于医疗事业,可以帮助人们诊疗癌症病患、完成外科手术、清理动脉血管垃圾等。

纳米机器人在生物医学上的应用十分广泛,它可以在人的血管中进行巡逻和检查,发现异常细胞,完成早期诊断工作。更重要的是,还可以充当“微型医生”,在人体内杀死癌细胞、疏通血栓、清除动脉脂肪沉积物,完成一系列医生难以解决的问题。此外,它们还可以实时监测人体各类信息,形成医学成像。纳米机器人还被用于人体器官手术、脑部手术,是微乎其微却又神通广大的小小医生。

2、纳米机器人的国外发展史

有人给纳米机器人的发展规划了三代:
第一代,把生物系统和机械系统有机结合的新系统;
第二代,由原子或者分子装配成的具有特定功能的纳米尺度的分子装置;
第三代,可能是包含有纳米计算机的一种可以进行人机对话的装置。

2004年,美国纽约大学科学家研制出一种“双足”分子机器人,它的腿是由36个碱基组成的DNA片段,外形看起来就像一只两脚圆规,科学家希望用其来运送如原子一类的东西。

2005年,美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的科学家研制出一种能够凭借生物体自身生长的肌肉进行行走的微型机器。这种机器的构造是在一个长约200微米的硅制框架上,附上从鼠的心脏中取出的肌肉细胞。这些肌肉细胞最终会在硅制框架上长成约100微米的肌肉,肌肉从溶液中吸收葡萄糖,进行收缩和舒张,从而使得附着在肌肉上的机器能够缓慢前行。这项发明为纳米机器人的动力研制提供了解决方案,在医学上可以用来清除血管内的脂肪斑。

同样在2005年,法国的科学家首次成功利用特种显微镜仪器让一个分子做出了各种动作。人们可以通过刺激分子产生不同的电子状态,来控制分子做各种动作,这一新的研究成果使得人们从此可以简单控制单分子,使之变成一个分子“机器”。

作为亚洲工业机器人研制领域的佼佼者,日本东京大学的科学家们在2006年上半年成功将两个分子机器人组装在一起,形成首个分子机器复合体,形状有点像一把“钳子”。当机器受到紫外线照射时,“钳子”的两个把手会收拢,另外一端的两块板状结构呈平行状态;当机器受到可见光照射时,“钳子”的两个把手会打开,另外一端的两块板状结构会旋转到相对位置呈90度的状态。利用这个原理,就可以完成一系列指定动作。


2007年,法国和德国科学家合作研制出可旋转的“分子轮”,组装出世界上第一台真正意义上的分子机器——生物纳米机器,包括两个直径0.7纳米、由三苯甲基分子组成的“车轮”。这一研究成果对于以后制造复杂的纳米机器人意义非凡。


到了2010年,美国研制出上文所说的“纳米蜘蛛”微型机器人,其在二维体表面行走100纳米的能力已经比以前提高了30多倍。科学家通过程序控制纳米机器人,从而辨别血管中是否存在癌细胞并且可以通过编程控制纳米蜘蛛杀死癌细胞。也就是说,理论上,人类从此可以通过纳米蜘蛛在血管中杀死癌细胞。

3、中国的纳米机器人

我国自主研发的“OMOM胶囊消化道内镜系统”是继Given Imaging公司之后世界上第二个胶囊内镜。这一系统由重庆金山科技集团于2001年展开研发,经过三年多的艰苦攻关,在2004年初完成了胶囊内镜关键技术的开发,拿出了原理样机;并于2004年3月获得中国国家食品药品管理监督局(CFDA)的批准,准予临床应用;经过一系列的动物试验之后,2004年6月实现了第一代产品定型。

OMOM胶囊内镜的工作原理是:患者像服药一样用水将智能胶囊吞下后,它即随着胃肠肌肉的运动节奏沿着胃→十二指肠→空肠与回肠→结肠→直肠的方向运行,同时对经过的腔段连续摄像,并以数字信号传输图像给病人体外携带的图像记录仪进行存储记录,工作时间达6~8小时,在智能胶囊吞服8~72小时后就会随粪便排出体外。医生通过影像工作站分析图像记录仪所记录的图像就可以了解病人整个消化道的情况,从而对病情做出诊断。这项技术在全球处于领先地位。该系统可以在患者不知不觉中完全检查小肠、胃部存在的疾病,这在此前是无法做到的。这款机器人的续航能力也很强,不会存在检查中机器人没电的情况,且具有无创伤、无痛苦、无交叉感染的特点,对于检查食道癌、胃癌、肠癌和一些常见的消化道疾病来说是一款很实用的科技产品。


另一方面,由于其微小的特点,纳米机器人需要能操作纳米尺度的“手术刀”和可供“手术刀”操作的工作台。我国中科院沈阳自动化研究所在2005年4月研制出了一台纳米微操作的机器人系统样机,通过该机器人可以实现在人体内对细胞和染色体的切割操作,并且可以直接从分子角度对DNA链进行检查,查出病理和生病原因,从而做到精确定位病理及手术无需开刀,这是医疗上的重大突破。

此外,同济大学中德学院在对纳米机器人运动空间的分析上也实现了关键技术的突破。他们运用压电陶瓷技术,根据纳米机器人驱动源需用电压,利用MATLAB软件进行编程,可以精确地计算其工作空间。

4、纳米机器人的不断更新

2016年,媒体关于纳米机器人的新闻热度也在不断攀升。
2016年5月,新闻报道加州大学圣地亚哥分校的研究人员研发出一款全新的纳米鱼机器人,体积比一粒沙子还要小100倍,它游泳的速度和方向受磁场的方向和力量决定,功能是把镇痛药物传输到身体需要的特定部位。

2016年9月,媒体报道希腊国立雅典理工大学Panagiotis Katrakazas团队研发了一种可沿着神经元爬行的纳米机器人,它们会“捏”一下神经元,看其是否健康,健康的神经元会用电信号做出应对,而受到损伤的则不会。他们希望用此探测发生在大脑深处并且很难在大脑扫描中发现的脑损伤。研究团队的测试结果显示,在几分钟内找到一个小型肿瘤仅需要4个机器人。

当然,目前对于纳米生物机器人的研究还不太成熟,机器人在微型驱动、可靠性、安全性、精密加工的技术以及精准控制等方面都存在许多挑战,但在当下以及可以预见的未来里,我们相信纳米科学技术一定会和信息科学技术、生命科学技术等一起成为科学技术发展的主流。

这样有趣的纳米机器人,你们期待吗?
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将纳米机器人注入人体血管内,进行健康检查和疾病治疗。
进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的DNA,或把正常的DNA安装在基因中,达到治疗效果。
目前在医学方面的预估价值对大。在治疗动脉粥样硬化、抗癌、去除血块、清洁伤口、帮助凝血、祛除寄生虫、治疗痛风、粉碎肾结石、人工授精以及激活细胞能量等方面都有巨大的功效,它属于分子仿生学的范畴,利用分子水平的生物学原理、应用生物学原理,设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。

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