纳米是长度单位,1纳米只有1米的十亿分之一。1纳米中只能排三四个原子,比单个细菌、红血球和病毒的长度还要小得多。如果我们做成一个直径只有1纳米的小球,将其放在一个乒乓球上,从比例上看,就相当于把1个乒乓球放在地球上。
有了纳米技术,我们就能够从分子水平上认识世界,改善人类的整个生命系统。纳米技术自发明以来,已经在医学的多个领域得到应用。目前,科学家通过精心设计,已成功将微纳米机器人应用于生物探测、智能载药、可控药物释放、血栓清除、杀死肿瘤细胞、环境污染物监测、环境治理、微纳米组装等多个领域。
谈到机器人,你脑中浮现出什么?或许是那些巨大的机器怪兽,妩媚的人形机器人吧。现在科学家正在研制一种小到纳米级的机器人。纳米机器人的概念最早是由诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼于1959年提出的。他认为人类未来有可能建造一种分子大小的微型机器,可以把分子甚至原子作为建筑构件,在极其小的空间里构建物质。
纳米机器人的研制属于分子仿生学范畴,它根据分子水平的生物学原理设计制造,并在纳米空间控制、操作。纳米机器人将在各个领域发挥巨大作用,尤其在医学领域中,它可以精准杀死癌细胞、疏通血栓、清除动脉内的脂肪沉积、清洁伤口等。下面仅举几个例子说明。
恶性肿瘤是危害人类健康的一大杀手。肿瘤的血管系统与肿瘤的生开云官方网址长、侵袭及转移密切相关。通过阻塞肿瘤血管的营养和氧气输运从而“饿死”肿瘤的治疗思路目前已广泛应用于肝癌等恶性肿瘤的物理介入治疗。血液中的凝血酶是肌体凝血系统的一种关键酶,能够快速、高效地诱导血栓形成。如果将凝血酶作为特定的“货物”装载在纳米机器人的内部,通过靶向运输并精确释放至肿瘤血管,诱导凝血产生血栓,就可以通过栓塞肿瘤达到高效抑制肿瘤生长和转移的目的。
中国纳米科学中心团队在细胞和活体水平分别进行了验证,结果显示这种DNA纳米机器人可以实现凝血酶在活体内的精准运输和定点栓塞,对于很多癌症都有良好的治疗效果。
人体的血液就像水,血管就像水管,血栓就像塞子,塞子会随着水到处游走,当管子直径小于塞子时,塞子就通不过,将会发生堵塞。如果塞子将水管堵住了,那么水将过不去;如果血液中出现血栓,血液就无法流遍全身,将会发生生命危险。血栓虽小,但危害却很大。用纳米机器人清除血栓是一种好方法。
科学家研究出一种用模拟野生蜂群的纳米机器人消除血栓的方法,这一突破性方法迈出了血栓治疗的第一步。科学家通过振荡磁场创造了具有高重组性的带状“蜂群”,该“蜂群”由上千万个磁性纳米粒子组成,每个纳米粒子的长度不超过1微米,不到血红细胞直径的五分之一。当程序员对磁场进行调节的时候,纳米机器人所组成的“超微型蜂群”能够产生扩张、收缩、分裂、合并等结构变化,并且精确度非常高。外科医生可以通过操控纳米机器人来治疗存在于密集复杂血管之间的血栓,并将抗凝血药物送至细胞。这种纳米机器人为治疗血栓提供了新思路。
将药物准确地运送到人体需要的部位,是提高药物治疗效果、降低副作用的关键因素。传统的药物运输载体主要依赖系统的循环,缺少定点运输、组织渗透等驱动导航能力,而纳米机器人却能克服这些缺点,成为药物运输的理想载体。纳米机器人可以实现药物的快速、精准释放,并提高药物疗效、减轻副作用。
以色列科学家最近研制出一种微型纳米机器人,它可以在人体内“巡逻”,锁定病灶后可以自动释放所携带的药物。当你感冒时,医生不用给你打针开药,而是将纳米机器人植入你的体内。这种机器人可以在人体内探测感冒病毒的源头,并到达病毒所在处,直接释放药物杀灭病毒。
瑞士科开云官方网址学家受细菌启发,研发出一种可以在人体体液中游动的柔性机器人,它可把救命药物送到人体内难以到达的地方。这种机器人具有生物相容性,能够根据需要改变形状,并且可以通过狭窄的血管。这种机器人采用的是水凝胶纳米复合材料。研究人员在这种材料中加入磁性纳米颗粒,以感应周围电场的变化。这些机器人被“编程”后,根据指令或提前变形,或利用流体流动自行导航通过腔体。
美国哥伦比亚大学研究人员成功研制出一种由DNA分子构成的纳米蜘蛛机器人,它能够跟随DNA的运行轨迹自由地行走、转向以及停止。这种纳米蜘蛛机器人的直径仅有4纳米,不到人类头发直径的十万分之一。虽然以前研制出的DNA分子机器人也具有行走功能,但不会超过“3步”,而纳米蜘蛛机器人却能行走100纳米的距离,相当于行走“50步”。
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