2017年8月第11卷第23期大家健康For all Health 论 著浅谈纳米机器人在医学领域的发展程学良曲扬(吉林大学第二临床医院 吉林长春130000)摘要在纳米医学发展的历程中，纳米机器人作为新鲜的科技产物，呈现在世人面前。并且随着纳米技术研究的深入，纳米机器人的功能逐渐完善。纳米机器人完成其在医学领域的功能必须进入人体。当前其在人体内的驱动方式有磁场驱动、电生化驱动、光能驱动、超声驱动、生物驱动等。并且进入体内通过DNA链等生物传感器结构识别生物分子，从而完成其功能。作为一个新兴发展的医学技术，安全性及伦理问题都是必须考虑的。纳米机器人，作为...

　　2017年8月第11卷第23期大家健康For all Health 论 著浅谈纳米机器人在医学领域的发展程学良曲扬(吉林大学第二临床医院 吉林长春130000)摘要在纳米医学发展的历程中，纳米机器人作为新鲜的科技产物，呈现在世人面前。并且随着纳米技术研究的深入，纳米机器人的功能逐渐完善。纳米机器人完成其在医学领域的功能必须进入人体。当前其在人体内的驱动方式有磁场驱动、电生化驱动、光能驱动、超声驱动、生物驱动等。并且进入体内通过DNA链等生物传感器结构识别生物分子，从而完成其功能。作为一个新兴发展的医学技术，安全性及伦理问题都是必须考虑的。纳米机器人，作为新一代的医疗技术发展的产物，将为医学疾病的诊断、治疗及预防开辟新的天地。关键词纳米医学；纳米机器人；驱动【中图分类号】R一3 【文献标识码】A 【文章编号】10096019(2017)23000102随着近年来纳米技术的飞速发展，”纳念医学”这一概念也逐渐被人提及。何为纳米医学，其指的是在医学领域应用纳米科学和技术的原理和方法的一门科学。其应用价值主要在于疾病的诊断和治疗、外科手术的辅助、生物医药的发展及生命基本过程的理解等。纳米医学，一个纳米技术和生物医学的结合体，随着其快速的发展，将会成为21世纪生命科学的重要组成部分。纳米医学中一个重要的角色就是医用纳米机器人。”纳米机器人”这个概念是1959年，由诺贝尔物理学奖得主理查德费曼提出的⋯。”纳米机器人”是机器人工程学的一种新兴科技，纳米机器人的诞生将会给人类科技带来深刻的革命。纳米机器人，其以仿生学为基础，以分子水平的生物学原理设计和制造出可在纳米级别水平进行操纵的”分子器件”旧。3 J。医用型纳米机器人作为一名”体内医生”，其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。其功能的实现依靠三个组件：纳米级别的传感器、处理器与执行器H J。纳米传感器其功能是对疾病的探测并病变部位；纳米处理器的功能相当于电脑CPU，制定治疗策略；纳米执行器的功能就在于依据处理器给出的指定程序靶向杀死、吞噬病变细胞、组织，从而治愈疾病。近些年来对医用纳米机器人的研究逐渐增多，本文将纳米机器人的动力、工作Kaiyun原理、安全性及当前成果等方面阐述。1．纳米机器人的动力对于纳米机器人，首先需要解决的就是如何让纳米机器人在人体内自由移动或者按照人类主观意愿移动，即分子驱动的问题。当前的研究认为驱动运动速度由两个方面控制：驱动本身的驱动方式和燃料的调控，而燃料的调控类型目前有：化学调控、温度调控、电化学调控、声能调控、生物调控一“。按照驱动方式分为两类：自驱动纳米机器人和外场驱动纳米机器人。1．1自驱动纳米机器人自驱动纳米机器人是指微纳米机器人通过人体内部体液参与的化学反应和从所处周围环境等获得运动的动力，其分类包括：电化学推进驱动(电泳、气泡)、扩散与热泳推进驱动、生物推进驱动等。电泳推进驱动马达通常为线状马达，其常使用模板辅助电沉积法。驱动马达一端的燃料被催化氧化，而另一端的燃料被还原。电子在马达表面的移动带动溶液中的H+离子的移动，此时马达表面与液体产生相对运动，反作用力推动马达沿流体相反的方向前进。其代表为Mallouk和Sen制备的P∥Au的驱动马达j。气泡推进驱动马达通常为管状，可以使用模板辅助电沉积法，也可以使用卷曲法。马达通过尾部微管单向喷射泡泡并加入表面活性剂能使之持续产生气泡和促进泡泡的释放产生推动力。此外其有一个很大的优势在于几乎不受溶液中离子浓度的影响。其代表以Wang等制备的聚苯胺／zn的管状的气泡驱动型微纳马达归，”J。扩散与热泳推进驱动，催化端所产生的氧分子会降低其附近流体的粘滞力，从而导致布朗运动的方向倾向于催化反应端，从而产生沿此端的热运动。以Sen等人制备的双金属钠为驱动的线状驱动型马达【l“。生物推进马达是基于蛋白质、DNA、ATP和鞭毛马达与加工的纳米结构相结合，从而制备出可以自行运动的纳米机器人。CamegieMellon大学的Hackney小组致力于肌动蛋白、肌浆蛋白等马达特性的研究-1 2。；德国IMBUnger小组开发微管蛋白系统作为生物线j。Soong等4j组装出了以A仰合酶为驱动结合一个镍制螺旋桨结构的白驱动生物纳米机器人。此外美国科学家声称他们首次复制出了类似可驱动其尾巴的精子的生物马达，并成功应用到纳米机器人中使其像精子一样在人体内穿行1 5】。1．2外驱动纳米机器人外驱动纳米机器人指的是自身并没有驱动的功能，其驱动的动力依靠外场的作用，以此才能发生运动的另一类医学纳米机器人。有人根据其依靠的外场的性质不同将外驱动的驱动方式分为：磁场推进进驱动、声场推进驱动、光推进驱动等“。磁场推进驱动指通过磁场来驱动的一类马达。磁性微纳米机器人的低强度、低频率磁场能够穿透生物组织并且不会被生物所吸收，不会引起水的震动，使得其安全性得到很大的保障【17,18]。从安全性考虑，凭借这点，微医学纳米机器人在生物医学应用将会成为一种非常有效、安全、有前景的医疗助手。目前采用磁场驱动的纳米机器人有根据施加磁场的特点分为旋转磁场驱动式微纳米机器人、振荡磁场驱动式微纳米机器人、梯度磁场驱动式微纳米机器人、表面滚动磁场驱动式微纳米机器人以及其他类型纳米机器人。声场推进型驱动是一类将超声的能量转为运动的机械能的驱动。目前大部分文献认为超声驱动型微纳纳米机器人的驱动工作原理是：超声波波压分布原理，即根据机器人表面结构的不同，超声在其各部分所产生的声压不同，从而产生运动。Mallouk制作出的金属钠马达开启了声场推进马达的先河【l“。吴志光ⅢJ等人在其团队的努力下制备出了红细胞膜伪装纳米马达。是通过将纳米红细胞膜囊泡同超声驱动的人造金纳米线马达进行融合而获得。光推进驱动马达是通过光本身的能量诱导光敏物质进入激敏状态，从而产生推动力一类马达。考虑到光能属于清洁能源，并且其对人体伤害小，故其应用前景也同样值得期待。唐晋尧等人在Nature Nanotechnolo-gy上发表了关于其团队研发出来首个光驱动合成纳米机器人，这对于医学纳米机器人的研究发展的影响是深远的。当前的光能驱动马达主要为紫外线光驱动马达和红外线光驱动马达。Hong等_21。制备的二氧化钦微粒新型人造光驱动微米马达属于紫外线驱动马达。在吴志光Ⅲo和饶倩蓝_22 o的论文中都对红外线光驱动做了介绍。因为紫外线对人Kaiyun体仍有一定的毒性作用，故现在主要集中在对红外线光驱动马达的研究。有人也提出一种特殊碳纳米管材料，认为其有望在未来帮助解决纳米机器人驱动的难题。杰夫斯宾克斯认为这种螺旋形碳纳米纤维产生旋转动作则是由于当施加电压场时，材料会吸收更多电解质，因此产生了一种推动力[2引。2．工作原理作为仿生学的一个新的分支，医学纳米机器人，其应用前景是值得期待的。它是在纳米级水平，直接通过对分子的靶向操纵，将可以完成基因修复，肿瘤的治疗，清除血管垃圾及血管内皮修复等。2．1基因修复美国密西根洲大学医学院Baker和他的同事们考虑到机体本身有很强大的免疫功能，采用传统的病毒学法将会引起机体强烈的免疫排斥反应，这对于机体来说是不利的。因此Baker与其团队为了使植入物能够躲避免疫的监控及防御，提出并发明了一种新的运载体：”树状聚合体”一一种合成分子E24 3。此结构是在纳米水平加工而成的。其组成包括：众多纳米单体构成的基本结构，其内嵌入DNA分子，其外层是致密的分子层。对于此结构模型，其外层的分子层的功能是识别、链接宿主，结构模型的大小满足细胞膜的正常吞噬作用，从而能够进入细胞内，其内嵌入的DNA分子将整合到细胞核中的NDA中，从而达到基因修复的作用。Baker及其团队已经在动物实验水平证明了其可以将DNA导入基因中并证实树状聚合体不会引起毒性反应及树状聚合体的有效作用。2．2癌症的早期诊断和靶向治疗癌症的早期诊断依靠纳米机器人的生物传感器。其由识别配位体和纳米载体构成。识别配位体的作用是识别肿瘤表面的特异性受体并与其结合，而纳米载体的价值就在于运输及承载识别分子的作用。当其与恶性肿瘤细胞特异性结合后，将信息凭借物理、化学或者生物学途径呈现给人类，从而能够直观、精准地了解疾病及发病部位Ⅲ-27]。识别配位体的工作原理依据的是DNA链互补原理。而两股DNA结合形成双螺旋结构时，并使得纳米机器人这一模型结构发生形变、弯曲，从而产生足够的分子能量。根据这个原理，纳米机器人上的生物传感器(DNA链，其一般情况下设计的为单链结构)能与机体内相应的特异DNA单链分子利用DNA双链互补原理特异性结合，从而达到识别癌细胞，实现肿瘤早期诊断的目的。纳米机器人携带微型红外马达，在细胞介质中近红外运动。当纳米机器人上的生物传感器探测到肿瘤细胞时并附着在肿瘤细胞上，纳米处理器及执行器将发出信号，指导高强度红外激光照射，在高强度近红外激光照射下，纳米马达产生的高温可以诱导癌细胞的凋亡。纳米机器人携带药物进入人体后依靠鞭毛或者是微型驱动马达，寻找需要药物治疗的部位，上亿个纳米机器人带着治疗癌细胞的药剂，然后深入肿瘤内部，生物传感器寻找缺氧区(也就是肿瘤细胞的活跃和聚集地，瘤细胞的快速增殖需要消耗大量氧气，从而制造出缺氧区)，从而有效瓦解肿瘤。由于肿瘤在机体可以表达出与其相应的肿瘤标志物分子。根据这些肿瘤标志物分子可以制作纳米机器人的生物传感器(双链DNA分子)，识别并结合到肿瘤细胞上，此时纳米机器人上的处理器及执行器开始工作，释放化疗药物，达到线清除血管垃圾纳米机器人进人人体后通过其携带的纳米刀具来清除血管中淤积的脂肪，以治疗冠心病和高脂血症。纳米机器人根据其设计的动力不同，其在体内的运作也不太相同。美国发明的纳米蜘蛛机器人虽未公开其机器人的工作原理，但基本设计的原理是以生物学DNA互补及类似核糖体装配的原理为基础，使得其能够按照DNA的运行轨迹随意运动、旋转及停止。另外有文献报道称韩国研制出了以磁场为动力的纳米机器人，依靠其可在血管内自由旋转清理大血管内的血栓。3．安全性及伦理3．I安全性当前对于纳米机器人的工作必须在人体内完成，所以首先得考虑纳米机器人的生物相容性的问题。机体自身具有强大的免疫系统，当有外一1一万方数据