發(fā)布日期：2016-08-30
在1959 年，諾貝爾獎(jiǎng)得主、理論物理學(xué)家理查德-費(fèi)曼率先提出納米技術(shù)的設(shè)想，他在一次題目為《在物質(zhì)底層有大量的空間》的演講中提出：“人類會(huì)將納米級(jí)微型機(jī)器人用于醫(yī)療。”
隨著技術(shù)的發(fā)展，理查德-費(fèi)曼的想法正在逐漸被實(shí)現(xiàn)：把數(shù)以百萬(wàn)的微觀機(jī)械合而為一，將程序和操作流程錄入納米機(jī)器人，它們便可以在人體內(nèi)自由移動(dòng)。就像科幻片中幻想的：利用納米機(jī)器人，癌癥將被治愈，人類的壽命可持續(xù)數(shù)百年，所有變性疾病將不復(fù)存在。傷口將在數(shù)秒內(nèi)愈合，一些藥物將不再有副作用，宿醉的不適感覺(jué)也將不存在——納米機(jī)器人能夠“治愈整個(gè)世界”。
當(dāng)今機(jī)器人已成為科學(xué)界的熱門話題，隨著20世紀(jì)90年代納米技術(shù)的興起，人們對(duì)微型機(jī)器人的研究便在全世界范圍內(nèi)開花，特別是對(duì)納米機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用研究。21世紀(jì)是生命科學(xué)的時(shí)代，納米技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)結(jié)合而形成的納米生物學(xué)將是21世紀(jì)生命科學(xué)的重要組成部分，而納米機(jī)器人將是納米生物學(xué)中最具誘惑力的成就。
納米機(jī)器人原理
事實(shí)上，納米機(jī)器人這項(xiàng)尖端技術(shù)還在實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段，而大小為頭發(fā)十萬(wàn)分之一的機(jī)器人如何在血液中游走？目前的技術(shù)是納米機(jī)器人依靠微小的電容器給尾巴（或四肢）提供能量，其體內(nèi)裝有有效載荷，頭部為微型攝像機(jī)，用于發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。
還有一種納米機(jī)器人利用納米發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)行走，在活的人體細(xì)胞內(nèi)放置合成的納米發(fā)動(dòng)機(jī)（nano motors），并通過(guò)超聲波控制它們。納米發(fā)動(dòng)機(jī)在低超聲功率下對(duì)細(xì)胞的影響不大，但在提高功率后，它們會(huì)在細(xì)胞內(nèi)移動(dòng)，撞擊細(xì)胞結(jié)構(gòu)，調(diào)和細(xì)胞的內(nèi)容物，甚至刺破細(xì)胞壁。納米發(fā)動(dòng)機(jī)也可通過(guò)從內(nèi)部機(jī)械操縱細(xì)胞來(lái)治療癌癥、執(zhí)行細(xì)胞內(nèi)手術(shù)或直接將藥物遞送到活組織。
納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的任何一項(xiàng)運(yùn)用，都將引起一次醫(yī)療革命，甚至可以改變?nèi)祟惖纳?。自?981年，G．Binnig和H．Rohrer在IBM蘇黎世的實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope）后，人類對(duì)納米機(jī)器人的研究發(fā)明就從未間斷過(guò)。納米機(jī)器人的研制屬于分子仿生學(xué)范疇，它根據(jù)分子水平的生物學(xué)原理設(shè)計(jì)制造，并在納米空間控制、操作。
納米機(jī)器人的可能醫(yī)療應(yīng)用包括：治療動(dòng)脈硬化、疏通血管栓塞、清除動(dòng)脈內(nèi)的脂肪沉積、精確殺死癌細(xì)胞、幫助治療身體腫塊、去除寄生蟲、治療痛風(fēng)、腎臟排石和清理傷口。當(dāng)你感冒時(shí)，醫(yī)生不用給你打針吃藥，而是給你在血液里植入納米機(jī)器人，這種機(jī)器人在體內(nèi)探測(cè)感冒病毒的源頭，并到達(dá)病毒所在處，直接釋放藥物殺滅病毒。
目前技術(shù)已初見(jiàn)端倪的納米機(jī)器人
1. 釋放凝塊的納米機(jī)器人（Clottocyte nanorobot）
人體的止血過(guò)程較為復(fù)雜，整個(gè)過(guò)程需要2分鐘到10分鐘，第一階段是自然止血栓的形成，通常包含三個(gè)步驟：血小板粘連、血小板集聚形成塞狀和血小板釋放；第二階段是纖維沉積，迅速在傷口處形成隨機(jī)纖維網(wǎng)絡(luò)，抓捕血小板和其他血細(xì)胞，形成凝血塊。防凝塊納米機(jī)器人可以發(fā)揮類似于血小板的功能，粘在一起，以形成血凝塊止血。這種納米機(jī)器人可以存儲(chǔ)纖維，當(dāng)它們遇到傷口后，會(huì)迅速釋放纖維以創(chuàng)建一個(gè)凝塊，所需時(shí)間相比血小板凝集的時(shí)間少很多，僅需約1秒鐘。
2. 專食細(xì)菌的納米機(jī)器人（Microbivore）
健康的人體血液通常認(rèn)為是一個(gè)無(wú)菌環(huán)境。盡管血液中充滿了細(xì)菌所需的營(yíng)養(yǎng)，但是血液中流動(dòng)的嗜中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞具有吞噬細(xì)菌的能力，形成具有微生物抵抗能力的免疫防線。當(dāng)然，血液中仍然可能存在少量細(xì)菌，如咀嚼或刷牙時(shí)，從牙齦縫隙處進(jìn)入血液的口腔共生細(xì)菌，或是當(dāng)皮膚受傷后，從傷口進(jìn)入血液的細(xì)菌。這些細(xì)菌會(huì)引起諸如膿毒病、敗血癥、革蘭氏陽(yáng)性菌血癥、寄生蟲血病等疾病。專食細(xì)菌的納米機(jī)器人像血液中的白細(xì)胞和嗜中性粒細(xì)胞一樣，采用“消化和釋放”機(jī)制，更快、更有效的殺滅細(xì)菌或類似侵入物，細(xì)菌或病毒感染在幾分鐘至幾小時(shí)內(nèi)就被清除，而人體內(nèi)具有的“噬菌”機(jī)制的防御體系，即使在有抗生素參與的情況下，也仍舊需要幾周或幾個(gè)月的時(shí)間來(lái)徹底清除血液中的細(xì)菌或病毒。此外，納米機(jī)器人也沒(méi)有其他潛在的副作用。
3. 輔助呼吸的納米機(jī)器人（Respirocyte）
輔助呼吸納米機(jī)器人的目標(biāo)是代替血液中紅細(xì)胞的所有重要功能，比如將氧氣從肺部輸送至全身各個(gè)器官，控制血液的酸堿度?？茖W(xué)家Robert Freitas設(shè)計(jì)了Respirocyte納米機(jī)器人，該機(jī)器人可以攜帶90億個(gè)氧分子與二樣氧化碳，這相當(dāng)于人類自然紅細(xì)胞的236倍。通過(guò)機(jī)載內(nèi)部的碳酸酸性等化學(xué)傳感器和壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體內(nèi)環(huán)境的檢測(cè)，并可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
這款機(jī)器人不僅可以應(yīng)用于貧血癥的局部治療、人工呼吸、肺功能喪失等醫(yī)療領(lǐng)域，還能使得人類在跑步時(shí)，得以全力沖刺整整15分鐘而身體并不感覺(jué)到疲憊。這一程度的供氧量也可以實(shí)現(xiàn)人類能夠在水中自如憋氣長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)之久。
4. 可操作DNA的折紙機(jī)器人（Origami nanorobot）
德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)（TUM）發(fā)明了最新的DNA納米裝置，它包括一個(gè)可運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手、一本能開合的書和一個(gè)可切換的齒輪。這意味著利用DNA編程制造納米結(jié)構(gòu)和機(jī)械的科學(xué)技術(shù)取得突破性進(jìn)展。
據(jù)TUM的教授Hendrik Dietz表明：“傳統(tǒng)的DNA折紙術(shù)是通過(guò)將一條長(zhǎng)的噬菌體單鏈DNA與一系列經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的短DNA片段進(jìn)行堿基互補(bǔ)，可控地構(gòu)造出高度復(fù)雜的納米圖案或結(jié)構(gòu)。而折紙納米機(jī)器人就像兒童的樂(lè)高積木玩具一樣，可科學(xué)家只需要設(shè)計(jì)互補(bǔ)的單元，不需要再擺弄堿基對(duì)進(jìn)行連接，機(jī)器人自己可以被堿基對(duì)激活并捕獲這些單元，從而達(dá)到修復(fù)DNA、植入新基因的目的。
圖為三維 DNA 折紙納米機(jī)器人進(jìn)行DNA雜交（意大利烏迪內(nèi)大學(xué)）
5. 治療癌癥的納米機(jī)器人
2015年5月，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的科學(xué)家成功研制出一種有脫氧核苷酸分子構(gòu)成的機(jī)器人，它能夠跟隨DNA 的運(yùn)行軌跡自由地行走、移動(dòng)、轉(zhuǎn)向以及停止，研究成果表明：一旦被編程，納米蜘蛛機(jī)器人就能自動(dòng)完成任務(wù)，而不需要人為介入。因此，納米蜘蛛機(jī)器人被認(rèn)為是幫助人類識(shí)別并殺死癌細(xì)胞以達(dá)到治療癌癥的目的、清理動(dòng)脈血管垃圾等領(lǐng)域的最理想工具。
關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題
1. 導(dǎo)航定位問(wèn)題
納米機(jī)器人在血液中使用，需要引導(dǎo)至合適的區(qū)域，并能實(shí)時(shí)匯報(bào)位置。目前主流的方案有兩種：外部導(dǎo)航定位系統(tǒng)和板載導(dǎo)航定位系統(tǒng)。外部導(dǎo)航系統(tǒng)采用的定位技術(shù)包括超聲定位、核磁共振定位機(jī)器人磁場(chǎng)、熒光染色定位、X光定位、微波定位和熱輻射定位。板載導(dǎo)航系統(tǒng)可采用微型攝像頭設(shè)備，通過(guò)視覺(jué)定位技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航。另一種方式是采用化學(xué)傳感器來(lái)追蹤化學(xué)物質(zhì)，精準(zhǔn)跟隨化學(xué)物質(zhì)通路，到達(dá)患處。
2. 供能問(wèn)題
機(jī)器人在體內(nèi)的工作離不開基本的運(yùn)行能源。目前的解決方案分為外部供能和板載供能。 板載供能如將供能電極放入血液中，通過(guò)血液中的生化反應(yīng)提供運(yùn)行能源，或利用導(dǎo)體溫差的塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect）供能。外部供能是機(jī)器人攜帶光纖，在板上實(shí)現(xiàn)外部光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，為機(jī)器人供能。同理，還可以使用微波、磁場(chǎng)等方式，由外部能源轉(zhuǎn)化為電能來(lái)為機(jī)器人供能。
3. 生物相容性問(wèn)題
由于納米醫(yī)療機(jī)器人將進(jìn)入患者血液，因此需要保證機(jī)器人表面對(duì)血漿和血液中的蛋白沒(méi)有黏附性。此外，表面材料需要為惰性材料，不在血液中發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)。避免引起人體內(nèi)多種系統(tǒng)性反應(yīng)如免疫反應(yīng)、促凝反應(yīng)、超敏反應(yīng)、發(fā)熱反應(yīng)等。此外，納米機(jī)器人尺寸較小，長(zhǎng)寬高均不超過(guò)1微米，可能會(huì)引起體內(nèi)巨噬細(xì)胞的吞噬，因此機(jī)器人需要設(shè)計(jì)躲避吞噬和逃離的技術(shù)。
展 望
納米機(jī)器人于2013年被美國(guó)《The New England Journal of Medicine》雜志列入全球10大最備受爭(zhēng)議的頂尖科技之一。但依然可以肯定的是，納米機(jī)器人將會(huì)帶給我們新一輪的精準(zhǔn)醫(yī)療革命，這個(gè)頂尖領(lǐng)域?qū)⑹且粋€(gè)潛力巨大，勢(shì)不可擋的市場(chǎng)。谷歌X實(shí)驗(yàn)室生命科學(xué)小組負(fù)責(zé)人安德魯·康拉德于WSJD在線全球技術(shù)大會(huì)上大膽想象了更為不可思議的應(yīng)用：將納米機(jī)器人當(dāng)作媒介，連接人腦神經(jīng)系統(tǒng)和外界網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為開發(fā)人腦智力和潛力帶來(lái)無(wú)法想象的革命，徹底改變生活和工作方式，甚至是人類本身。
然而，納米機(jī)器人在研發(fā)階段已遇到警示性“黃燈”。美國(guó)賴斯大學(xué)生物和環(huán)境納米技術(shù)中心主任維基·考爾文引用了兩條需要重視納米機(jī)器人的理由：一是納米機(jī)器人進(jìn)入人體無(wú)法取出，二是擔(dān)心納米機(jī)器人進(jìn)入人體無(wú)法控制。據(jù)2004年《自然》雜志介紹，美國(guó)紐約羅切斯特大學(xué)研究人員在實(shí)驗(yàn)鼠身上完成的實(shí)驗(yàn)顯示，直徑為35納米的碳納米粒子被老鼠呼吸進(jìn)入身體后，能夠迅速出現(xiàn)在大腦中處理嗅覺(jué)的區(qū)域即嗅球內(nèi)，并不斷堆積起來(lái)，最后導(dǎo)致小鼠立即死亡。但是依然有很多科學(xué)家認(rèn)為對(duì)納米機(jī)器人的研究還剛起步，還不需要考慮安全問(wèn)題，納米機(jī)器人是人類史詩(shī)級(jí)別的創(chuàng)新，人類要繼續(xù)勇敢的向這個(gè)偉大的領(lǐng)域進(jìn)軍。
來(lái)源：生物谷
