什么是納米機(jī)器人，在醫(yī)療領(lǐng)域有哪些重要作用

當(dāng)我們談?wù)摷{米機(jī)器人時(shí)，主要指的是由生物納米組件制成的自推進(jìn)式納米電機(jī)和其他可生物降解的納米設(shè)備，這些設(shè)備將貨物運(yùn)送到目標(biāo)部位，即將藥物運(yùn)送到患病的細(xì)胞。例如，可以對這些納米機(jī)器人進(jìn)行編程，以運(yùn)輸分子有效載荷并引起現(xiàn)場腫瘤供血阻塞，從而導(dǎo)致組織死亡和腫瘤縮小。

分子納米技術(shù)描述了在分子規(guī)模上運(yùn)行的工程納米系統(tǒng)（納米級機(jī)器）。它尤其與分子組裝機(jī)相關(guān)，該機(jī)器可以使用機(jī)械合成原理（機(jī)械引導(dǎo)的化學(xué)合成）逐個(gè)原子地生產(chǎn)所需的結(jié)構(gòu)或設(shè)備，這是分子制造的基礎(chǔ)。它是工程學(xué)的一個(gè)分支，致力于設(shè)計(jì)和制造在分子水平上構(gòu)建的極小的設(shè)備，即納米系統(tǒng)或設(shè)備。分子納米技術(shù)的擬議應(yīng)用是在納米級設(shè)計(jì)和工程化材料的能力，涵蓋了各種可能的商業(yè)應(yīng)用。

分子納米技術(shù)的預(yù)計(jì)應(yīng)用包括：智能材料和納米傳感器（針對特定任務(wù)以納米級設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)的材料），復(fù)制納米機(jī)器人，醫(yī)療納米機(jī)器人和相控陣光學(xué)系統(tǒng)。納米技術(shù)將以一種全新的，根本上更精確的，根本上更便宜，更靈活的制造方式取代我們的整個(gè)制造基地。

納米級的機(jī)器人具有如智能藥物遞送系統(tǒng)的潛力，為分子觸發(fā)器響應(yīng)。使用DNA折紙，我們構(gòu)建了一個(gè)自主的DNA機(jī)器人，該機(jī)器人被編程為運(yùn)輸有效載荷并將其專門呈現(xiàn)在腫瘤中。我們的納米機(jī)器人在外部具有與核仁素結(jié)合的DNA適體，核仁素是一種在與腫瘤相關(guān)的內(nèi)皮細(xì)胞上特異性表達(dá)的蛋白質(zhì)5以及其內(nèi)腔中的凝血蛋白酶凝血酶。核仁素靶向適體既用作靶向域，又用作DNA納米機(jī)器人機(jī)械打開的分子觸發(fā)劑。因此，內(nèi)部的凝血酶暴露并激活了腫瘤部位的凝血。使用荷瘤小鼠模型，我們證明靜脈內(nèi)注射的DNA納米機(jī)器人將凝血酶特異性地遞送至與腫瘤相關(guān)的血管并誘導(dǎo)血管內(nèi)血栓形成，從而導(dǎo)致腫瘤壞死并抑制腫瘤生長。納米機(jī)器人在小鼠和巴馬小型豬中被證明是安全且具有免疫學(xué)惰性的。我們的數(shù)據(jù)表明，DNA納米機(jī)器人代表了在癌癥治療中精確給藥前景。

分子納米技術(shù)的潛在社會影響包括：保持制造歷史趨勢的發(fā)展直至物理法所施加的基本限制，從而生產(chǎn)出功能強(qiáng)大的分子計(jì)算機(jī)。盡管具有潛在的好處，但該技術(shù)涉及令人生畏的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是一些分析人士認(rèn)為，該技術(shù)可能導(dǎo)致技術(shù)變異。另一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)是可自動(dòng)復(fù)制性。分子納米技術(shù)可能生成允許自我復(fù)制大規(guī)模殺傷性武器。

幾千年來，我們的物種一直致力于改善對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的控制-撞擊，加熱和切割，以按正確的比例將原子組合成正確的形狀。理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）于1959年在一次著名的飯后演講中預(yù)言了小原子的邊界，他在講話中指出物理并不排除對單個(gè)原子的控制。他甚至指出了一個(gè)可能性：可以制造更小的納米機(jī)器，我們今天將其稱為“自上而下”的微型化道路。

從那時(shí)起，納米級或接近納米級的發(fā)展已向各個(gè)方向擴(kuò)展：納米粒子，納米結(jié)構(gòu)材料和納米器件；洛約拉學(xué)院國際技術(shù)研究所已對該領(lǐng)域進(jìn)行了全球性研究。總體趨勢是顯而易見的。我們將繼續(xù)追求更好的控制，并且這種趨勢將一直持續(xù)下去，直到我們達(dá)到自然法則所施加的極限。

1981年，《美國國家科學(xué)院院刊》上的一篇論文指出了一個(gè)新的方向：從“自下而上”構(gòu)造材料和裝置，每個(gè)原子都在設(shè)計(jì)好的位置，稱之為分子納米技術(shù)。新目標(biāo)是針對分子機(jī)器系統(tǒng)的構(gòu)建，生物學(xué)被認(rèn)為是存在可行性的證明。

對分子納米技術(shù)（通常簡稱為納米技術(shù)）的追求涉及多種學(xué)科：化學(xué)，物理學(xué)，機(jī)械工程，材料科學(xué)，分子生物學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)。

使這些系統(tǒng)能夠制作的關(guān)鍵是大自然產(chǎn)品制作所使用的相同原理：并行性。很小的機(jī)器可以制造非常大的物體，但前提是許多機(jī)器可以協(xié)同工作，就像植物細(xì)胞在建造大樹時(shí)一樣。生產(chǎn)大量的小型機(jī)器需要至少其中一些能夠自我復(fù)制，這種能力稱為自我復(fù)制。通常只有在自然界和軟件中才能發(fā)現(xiàn)，需要進(jìn)行自我復(fù)制才能用于人類設(shè)計(jì)的納米級機(jī)械。

究竟什么是納米材料和納米機(jī)器人？

納米材料聽起來像科幻電影中的東西，但事實(shí)是，我們使用納米材料已有數(shù)千年的歷史了。它們出現(xiàn)在歐洲早期社會的杯子，花瓶和玻璃中，它們的膠體性質(zhì)使玻璃具有特殊的顏色和紋理。今天，納米材料已成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?。它們被編織成防曬衣，消除了除臭劑中的氣味，并且是許多電子設(shè)備的組成部分。

一納米材料僅僅是納米級的材料，任何1-150納米，或一米的十億分之一之間。這些微小的材料表現(xiàn)出獨(dú)特的特性，即使使用相同的材料，也無法在宏觀上看到。一些納米材料變得超強(qiáng)。其他人具有強(qiáng)大的傳導(dǎo)能力。

納米材料可用于制造納米機(jī)器人，本質(zhì)上是微型機(jī)器人。但是，基于電視或電影，我們可能會對將機(jī)器人與科學(xué)中的機(jī)器人進(jìn)行比較的想法有所不同?？茖W(xué)家認(rèn)為機(jī)器人是可以在沒有人指導(dǎo)的情況下完成任務(wù)的機(jī)器。通常，納米機(jī)器人更像是微型的編程機(jī)器，而不是實(shí)際的行走或說話機(jī)器人，但結(jié)果仍然非常驚人。

應(yīng)用領(lǐng)域

我們將研究納米材料和納米機(jī)器人在醫(yī)學(xué)，研究和環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用。

藥物

想象有一個(gè)內(nèi)部維修系統(tǒng)。微型機(jī)器人巡邏您的血管，尋找是否有任何損壞需要報(bào)告和維修。盡管今天離我們還有點(diǎn)距離，但在我們體內(nèi)工作的納米機(jī)器人是納米醫(yī)學(xué)的下一步。醫(yī)生和科學(xué)家一直在研究開發(fā)用于治療癌癥的納米機(jī)器人。最近在2017年，科學(xué)家創(chuàng)造了納米機(jī)器人，它們能夠靶向癌細(xì)胞并在其中鉆孔，從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。在存在紫外線輻射的情況下，納米機(jī)器人中原子的排列就像電動(dòng)機(jī)一樣。這導(dǎo)致納米機(jī)器人像鉆子一樣操作，在目標(biāo)細(xì)胞上刺破孔。

納米機(jī)器人可以搜索并摧毀像這樣的肺癌細(xì)胞

肺癌

未來，科學(xué)家們設(shè)想納米機(jī)器人將藥物直接遞送到靶細(xì)胞，而不是像我們今天通過口服或靜脈內(nèi)藥物那樣系統(tǒng)地治療患者。納米機(jī)器人甚至可以在我們的體內(nèi)閑逛，尋找動(dòng)脈粥樣硬化期間動(dòng)脈內(nèi)斑塊堆積等損傷，然后采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行清潔。

許多其他納米材料也在醫(yī)學(xué)中起作用，而不僅僅是納米機(jī)器人。疫苗是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的偉大奇跡之一，如今，幾乎消滅了過去消滅整個(gè)人群的許多疾病，例如小兒麻痹癥或天花。研究人員正在尋求使用納米材料改進(jìn)疫苗技術(shù)，以提高有效性并改善可傳遞性。由于其獨(dú)特的大小和特性，它們既可以用作遞送載體，也可以用作抗原本身來刺激免疫系統(tǒng)。

納米機(jī)器人的整個(gè)想法是，當(dāng)患者服用一種藥丸來治療任何疾病時(shí)，它內(nèi)部將沒有一堆化學(xué)藥品，而是將一臺真正的工作機(jī)器-納米機(jī)器人。納米機(jī)器人將包含少量所需的藥物，并且將實(shí)際到達(dá)目標(biāo)器官并在特定位置遞送藥物。該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是該藥物不必像血流一樣通過體內(nèi)的各種途徑傳播，因此在到達(dá)目標(biāo)時(shí)不會被稀釋。因此，通過納米機(jī)器人傳遞的藥物將比正常傳遞的藥物有效得多。

納米機(jī)器人將特別用于治療必須靶向特定細(xì)胞的疾病，例如癌癥。本化學(xué)療法的主要缺點(diǎn)是它靶向各種細(xì)胞。藥物是無法區(qū)分健康細(xì)胞和癌細(xì)胞的。因此，盡管許多癌細(xì)胞由于藥物而死亡，但許多健康細(xì)胞也死亡，這在很大程度上削弱了患者的能力。納米機(jī)器人將能夠特異性地靶向癌細(xì)胞并將藥物僅遞送至那些細(xì)胞。

盡管該設(shè)備非常有用，但也很難制造。開發(fā)人員可能面臨的最大困難是如何將機(jī)器人導(dǎo)航到目標(biāo)器官。即使他們設(shè)法制造出一個(gè)小到可以裝在藥丸中的機(jī)器人，但如果機(jī)器人所做的只是躺在胃深處，那它就毫無用處。用于檢測納米機(jī)器人在體內(nèi)位置的建議機(jī)制之一是使用超聲信號。納米機(jī)器人可以連續(xù)發(fā)射超聲波信號，可以記錄超聲波信號，從而可以確定納米機(jī)器人的位置。

另一種方法涉及使用微型相機(jī)，該相機(jī)可以連接到納米機(jī)器人并與機(jī)器人一起發(fā)送到體內(nèi)。然后，醫(yī)生將能夠通過身體觀察機(jī)器人的進(jìn)程。然而，制造這樣的小型相機(jī)帶來了許多問題，并且將需要更多的研究。到目前為止，最實(shí)用的方法是使用磁共振成像（MRI）。正如在《麻省理工學(xué)院技術(shù)評論》上的一篇文章所報(bào)道的那樣，加拿大蒙特利爾理工大學(xué)的研究人員最近發(fā)現(xiàn)，可以使用MRI機(jī)器在體內(nèi)操縱帶磁性顆粒的細(xì)菌。

通過改變周圍的磁場，細(xì)菌可能被迫向任何所需方向移動(dòng)。該技術(shù)可以擴(kuò)展到納米機(jī)器人導(dǎo)航。由于當(dāng)今幾乎所有醫(yī)院都配有MRI掃描儀，因此這種方法可以很容易地在當(dāng)今的醫(yī)院環(huán)境中采用。畢竟，納米機(jī)器人是一臺機(jī)器，所有機(jī)器都需要某種動(dòng)力。最明顯的方法是創(chuàng)建一個(gè)足以安裝在納米機(jī)器人上的電源。但是，這種方法的主要問題是，足夠小的電池將無法提供納米機(jī)器人所需的大量電能，因此需要考慮替代電源。

解決此問題的最佳方法之一是利用人體作為動(dòng)力源。納米機(jī)器人將穿越血液到達(dá)目標(biāo)。血液中包含許多帶電粒子，如果以正確的方式使用，它們可以構(gòu)成納米機(jī)器人的電池。納米機(jī)器人可以配備電極，借助這些電極和周圍血流中的電解質(zhì)，可以創(chuàng)建合適的電源。另一種選擇是為納米機(jī)器人提供多種化學(xué)物質(zhì)，這些化學(xué)物質(zhì)在與血液反應(yīng)時(shí)會燃燒。然后，燃燒釋放的能量將為納米機(jī)器人提供所需的功率。

但是，即使解決了動(dòng)力和導(dǎo)航問題，仍然需要解決人體免疫系統(tǒng)排斥的問題。納米機(jī)器人也必須是安全的，因?yàn)閷θ梭w造成傷害將完全掩蓋其創(chuàng)造的目的。

為了制造出可以用于患者的小型，安全的機(jī)器人，還需要進(jìn)行更多的研究。至少到目前為止，納米機(jī)器人仍然需要更多技術(shù)支持。

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