什么是納米機器人，在醫(yī)療領域有哪些重要作用

當我們談論納米機器人時，主要指的是由生物納米組件制成的自推進式納米電機和其他可生物降解的納米設備，這些設備將貨物運送到目標部位，即將藥物運送到患病的細胞。例如，可以對這些納米機器人進行編程，以運輸分子有效載荷并引起現(xiàn)場腫瘤供血阻塞，從而導致組織死亡和腫瘤縮小。

分子納米技術描述了在分子規(guī)模上運行的工程納米系統(tǒng)（納米級機器）。它尤其與分子組裝機相關，該機器可以使用機械合成原理（機械引導的化學合成）逐個原子地生產(chǎn)所需的結構或設備，這是分子制造的基礎。它是工程學的一個分支，致力于設計和制造在分子水平上構建的極小的設備，即納米系統(tǒng)或設備。分子納米技術的擬議應用是在納米級設計和工程化材料的能力，涵蓋了各種可能的商業(yè)應用。

分子納米技術的預計應用包括：智能材料和納米傳感器（針對特定任務以納米級設計和設計的材料），復制納米機器人，醫(yī)療納米機器人和相控陣光學系統(tǒng)。納米技術將以一種全新的，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制造基地。

納米級的機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。使用DNA折紙，我們構建了一個自主的DNA機器人，該機器人被編程為運輸有效載荷并將其專門呈現(xiàn)在腫瘤中。我們的納米機器人在外部具有與核仁素結合的DNA適體，核仁素是一種在與腫瘤相關的內(nèi)皮細胞上特異性表達的蛋白質(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納米機器人機械打開的分子觸發(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納米機器人將凝血酶特異性地遞送至與腫瘤相關的血管并誘導血管內(nèi)血栓形成，從而導致腫瘤壞死并抑制腫瘤生長。納米機器人在小鼠和巴馬小型豬中被證明是安全且具有免疫學惰性的。我們的數(shù)據(jù)表明，DNA納米機器人代表了在癌癥治療中精確給藥前景。

分子納米技術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)出功能強大的分子計算機。盡管具有潛在的好處，但該技術涉及令人生畏的風險，尤其是一些分析人士認為，該技術可能導致技術變異。另一個風險是可自動復制性。分子納米技術可能生成允許自我復制大規(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)結構的控制-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·費曼（Richard Feynman）于1959年在一次著名的飯后演講中預言了小原子的邊界，他在講話中指出物理并不排除對單個原子的控制。他甚至指出了一個可能性：可以制造更小的納米機器，我們今天將其稱為“自上而下”的微型化道路。

從那時起，納米級或接近納米級的發(fā)展已向各個方向擴展：納米粒子，納米結構材料和納米器件；洛約拉學院國際技術研究所已對該領域進行了全球性研究?？傮w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，直到我們達到自然法則所施加的極限。

1981年，《美國國家科學院院刊》上的一篇論文指出了一個新的方向：從“自下而上”構造材料和裝置，每個原子都在設計好的位置，稱之為分子納米技術。新目標是針對分子機器系統(tǒng)的構建，生物學被認為是存在可行性的證明。

對分子納米技術（通常簡稱為納米技術）的追求涉及多種學科：化學，物理學，機械工程，材料科學，分子生物學和計算機科學。

使這些系統(tǒng)能夠制作的關鍵是大自然產(chǎn)品制作所使用的相同原理：并行性。很小的機器可以制造非常大的物體，但前提是許多機器可以協(xié)同工作，就像植物細胞在建造大樹時一樣。生產(chǎn)大量的小型機器需要至少其中一些能夠自我復制，這種能力稱為自我復制。通常只有在自然界和軟件中才能發(fā)現(xiàn)，需要進行自我復制才能用于人類設計的納米級機械。

究竟什么是納米材料和納米機器人？

納米材料聽起來像科幻電影中的東西，但事實是，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畹囊徊糠帧Ｋ鼈儽痪幙棾煞罆褚?，消除了除臭劑中的氣味，并且是許多電子設備的組成部分。

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。其他人具有強大的傳導能力。

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

應用領域

我們將研究納米材料和納米機器人在醫(yī)學，研究和環(huán)境修復中的應用。

藥物

想象有一個內(nèi)部維修系統(tǒng)。微型機器人巡邏您的血管，尋找是否有任何損壞需要報告和維修。盡管今天離我們還有點距離，但在我們體內(nèi)工作的納米機器人是納米醫(yī)學的下一步。醫(yī)生和科學家一直在研究開發(fā)用于治療癌癥的納米機器人。最近在2017年，科學家創(chuàng)造了納米機器人，它們能夠靶向癌細胞并在其中鉆孔，從而導致細胞死亡。在存在紫外線輻射的情況下，納米機器人中原子的排列就像電動機一樣。這導致納米機器人像鉆子一樣操作，在目標細胞上刺破孔。

納米機器人可以搜索并摧毀像這樣的肺癌細胞

肺癌

未來，科學家們設想納米機器人將藥物直接遞送到靶細胞，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。納米機器人甚至可以在我們的體內(nèi)閑逛，尋找動脈粥樣硬化期間動脈內(nèi)斑塊堆積等損傷，然后采取適當?shù)拇胧┻M行清潔。

許多其他納米材料也在醫(yī)學中起作用，而不僅僅是納米機器人。疫苗是現(xiàn)代醫(yī)學的偉大奇跡之一，如今，幾乎消滅了過去消滅整個人群的許多疾病，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疫苗技術，以提高有效性并改善可傳遞性。由于其獨特的大小和特性，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)。

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

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

盡管該設備非常有用，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器人導航到目標器官。即使他們設法制造出一個小到可以裝在藥丸中的機器人，但如果機器人所做的只是躺在胃深處，那它就毫無用處。用于檢測納米機器人在體內(nèi)位置的建議機制之一是使用超聲信號。納米機器人可以連續(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器人的位置。

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

通過改變周圍的磁場，細菌可能被迫向任何所需方向移動。該技術可以擴展到納米機器人導航。由于當今幾乎所有醫(yī)院都配有MRI掃描儀，因此這種方法可以很容易地在當今的醫(yī)院環(huán)境中采用。畢竟，納米機器人是一臺機器，所有機器都需要某種動力。最明顯的方法是創(chuàng)建一個足以安裝在納米機器人上的電源。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力源。納米機器人將穿越血液到達目標。血液中包含許多帶電粒子，如果以正確的方式使用，它們可以構成納米機器人的電池。納米機器人可以配備電極，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器人提供多種化學物質(zhì)，這些化學物質(zhì)在與血液反應時會燃燒。然后，燃燒釋放的能量將為納米機器人提供所需的功率。

但是，即使解決了動力和導航問題，仍然需要解決人體免疫系統(tǒng)排斥的問題。納米機器人也必須是安全的，因為對人體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，安全的機器人，還需要進行更多的研究。至少到目前為止，納米機器人仍然需要更多技術支持。

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