納米機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

納米機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

著名的哲學(xué)家、哲學(xué)家和哲學(xué)家阿爾伯特愛(ài)因斯坦說(shuō)：“未來(lái)的科學(xué)發(fā)展將繼續(xù)進(jìn)入滿洲和微觀世界?！比缃?我們的探索領(lǐng)域正走向微小化,納米時(shí)代正在到來(lái)。目前,有關(guān)納米機(jī)器人的研究開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)。一、生物納米機(jī)器人第三代納米機(jī)器人通常是指按照分子水平生物學(xué)原理設(shè)計(jì)制造的可對(duì)納米空間進(jìn)行操作的“功能分子器件”,也稱分子機(jī)器人,屬于分子仿生學(xué)的范疇;某些情況下,能進(jìn)行納米尺度微加工或操作的自動(dòng)化裝置也被稱之為納米機(jī)器人。因此,廣義上來(lái)說(shuō),納米機(jī)器人可分為生物納米機(jī)器人和進(jìn)行納米加工的自動(dòng)化裝置2種。當(dāng)前生物納米機(jī)器人研究工作已從第一代生物機(jī)械簡(jiǎn)單結(jié)合系統(tǒng)(例如用碳納米管作結(jié)構(gòu)件,分子馬達(dá)作為動(dòng)力組件,DNA關(guān)節(jié)作為連接件等)發(fā)展到第二代由原子或分子裝配的具有特定功能的分子器件(例如直接用原子、DNA片斷或者蛋白質(zhì)分子裝配成生物納米機(jī)器人),未來(lái)還將向第三代包含納米計(jì)算機(jī)在內(nèi)的進(jìn)行人機(jī)對(duì)話的操控性納米機(jī)器人發(fā)展。第三代生物納米機(jī)器人目前還處于設(shè)想階段。目前,在全世界范圍內(nèi)用于嚴(yán)格意義上納米加工或操作的自動(dòng)化裝置發(fā)展較少,包括以環(huán)境掃描電鏡為平臺(tái)的多功能微納操作、表征及微加工系統(tǒng)等,能對(duì)微小零部件進(jìn)行納米級(jí)加工的“納米車床”等主要還停留在概念設(shè)計(jì)階段。二、納米機(jī)器人的潛在應(yīng)用目前,納米機(jī)器人尚在研究開(kāi)發(fā)階段,但其潛在應(yīng)用十分廣泛,主要體現(xiàn)在醫(yī)療和軍事上。1.納米機(jī)器人的研制成功在生物醫(yī)學(xué)上,納米技術(shù)具有無(wú)限的潛力,納米機(jī)器人的研制成功成為納米研發(fā)領(lǐng)域的驕傲。納米機(jī)器人不但能夠修復(fù)細(xì)胞與基因,還能夠清除體內(nèi)垃圾、養(yǎng)護(hù)血管。(1)人工誘導(dǎo)的“細(xì)胞修復(fù)機(jī)”隨著人類對(duì)物質(zhì)控制能力的不斷進(jìn)步,分子大小的機(jī)械部件將會(huì)誕生,它們可以組裝成比細(xì)胞還要小的微型機(jī)器。人工制造的“細(xì)胞修復(fù)機(jī)”在納米計(jì)算機(jī)的操縱下,可以對(duì)原子逐個(gè)進(jìn)行操作,修正DNA的錯(cuò)誤,維護(hù)個(gè)別細(xì)胞的成分,從而達(dá)到對(duì)整個(gè)基因細(xì)胞的修復(fù)。圖1展示的就是納米機(jī)器人進(jìn)入紅細(xì)胞展開(kāi)修復(fù)的過(guò)程。(2)人體自身平衡人體是一個(gè)保持自然平衡的有機(jī)體,新陳代謝的過(guò)程可以起到吸收新鮮養(yǎng)分、排除有害物質(zhì)的作用。但有時(shí)候人體自身平衡出現(xiàn)問(wèn)題,無(wú)法實(shí)現(xiàn)自我平衡。例如,人體鉛、汞中毒后,機(jī)體無(wú)法排出,也無(wú)法分解這些元素。這時(shí),如果納米機(jī)器人進(jìn)入體內(nèi),就會(huì)極具目的性地把這些有害物質(zhì)清出體內(nèi),使人體恢復(fù)自然平衡(圖2所示為納米機(jī)器人正在進(jìn)行血管清淤)。(3)納米機(jī)器人血管內(nèi)血栓人體的腦部血管有些地方天生脆弱,平時(shí)很難被察覺(jué),但在意外情況下,可能會(huì)突然發(fā)生破裂,導(dǎo)致腦溢血。如果納米機(jī)器人事先進(jìn)入血管,仔細(xì)檢查,并且一一修復(fù)那些脆弱血管,就可以避免這類悲劇的發(fā)生。有時(shí)血管中會(huì)產(chǎn)生血栓,堵塞血液正常流動(dòng)。如果將納米機(jī)器人導(dǎo)入血管,可以把血栓打成小碎片,避免血栓的進(jìn)一步擴(kuò)大。圖3為納米機(jī)器人正在進(jìn)行血管養(yǎng)護(hù)。2.《合同法》規(guī)定，《醫(yī)世界各國(guó)的軍備競(jìng)賽已經(jīng)延伸到了納米領(lǐng)域,各國(guó)都在探索利用納米技術(shù)進(jìn)行軍事裝備的升級(jí)與改造。多國(guó)已經(jīng)開(kāi)展了有關(guān)納米機(jī)器人在軍事應(yīng)用的探索,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:納米機(jī)器人用于傳統(tǒng)的武器技術(shù)裝備,能夠改善裝備材料、工藝、控制系統(tǒng)、制導(dǎo)系統(tǒng)、運(yùn)輸和儲(chǔ)存方式,提高傳統(tǒng)武器技術(shù)裝備的技術(shù)性能,使作戰(zhàn)裝備的殺傷效能得到有效提高。(2)用于開(kāi)發(fā)的人類作戰(zhàn)設(shè)備和方法特殊的納米微型組件能夠堵住人體某個(gè)部位(如臉、鼻、口、眼)或粘住手、腳等。利用其這一特性,可以限制敵軍的活動(dòng)。(3)納米武器在國(guó)防部的擴(kuò)散納米武器是納米機(jī)器人在軍事應(yīng)用上的另一個(gè)研究熱點(diǎn),如果將具有納米武器注入到人造或雜交的昆蟲體內(nèi),昆蟲便將這些納米武器傳播到敵國(guó)軍民的身體中,造成巨大的殺傷力。同時(shí),納米機(jī)器人還可通過(guò)自我復(fù)制或自我繁殖的方法迅速在敵方陣營(yíng)中擴(kuò)散。隨著納米武器的誕生和大量運(yùn)用,傳統(tǒng)的作戰(zhàn)方式不斷更新,納米技術(shù)水平的高低對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)的勝負(fù)影響越來(lái)越大。三、國(guó)外專利技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)近年來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)納米機(jī)器人的研究越來(lái)越熱,并取得了一定的進(jìn)展,部分國(guó)家已經(jīng)研制出納米機(jī)器人的樣機(jī)。美國(guó)在納米機(jī)器人的設(shè)計(jì)和研究領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平。紐約大學(xué)的科學(xué)家研制出一個(gè)雙足分子機(jī)器人,該機(jī)器人可以運(yùn)送原子,可以作為精密醫(yī)學(xué)的工具。加利福尼亞大學(xué)的科學(xué)家研制出一種能夠憑借自身生長(zhǎng)的肌肉行走的微型機(jī)器?？茖W(xué)家將鼠心肌細(xì)胞附著在約200μm長(zhǎng)的硅制框架上,這些心肌細(xì)胞在接近自然狀況的培養(yǎng)環(huán)境中生長(zhǎng)分裂,長(zhǎng)成了約100μm的肌肉,這些肌肉吸收溶液中的葡萄糖后就能夠自主收縮和舒張,從而帶動(dòng)硅脂框架緩慢向前行走,形成了微型機(jī)器人,為納米機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)的研制提供了有效方法,這種方法在醫(yī)學(xué)上能夠用來(lái)清除血管內(nèi)的脂肪斑。哥倫比亞大學(xué)研制出一種“納米蜘蛛”微型機(jī)器人,該機(jī)器人只有4nm大小,由DNA分子構(gòu)成,能夠跟隨DNA的運(yùn)行軌跡移動(dòng),在二維體表面可以行走100nm,可用于醫(yī)療領(lǐng)域,進(jìn)行疾病診斷、協(xié)助手術(shù)過(guò)程、清理血管垃圾等。加拿大、法國(guó)、日本、瑞士、以色列、德國(guó)等國(guó)也在納米機(jī)器人領(lǐng)域開(kāi)展了富有成效的研究工作。加拿大蒙特利爾理工大學(xué)在納米機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方面取得了進(jìn)展:在計(jì)算機(jī)控制下,成功地引導(dǎo)了一個(gè)微型裝置在活體動(dòng)脈內(nèi)以10cm/s的速度運(yùn)動(dòng)。法國(guó)國(guó)家科研中心則成功地利用特種顯微鏡儀器,讓一個(gè)分子做出了各種動(dòng)作。2006年,日本東京大學(xué)的科學(xué)家成功地將2個(gè)分子機(jī)器人組裝在一起,形成了一個(gè)分子機(jī)器復(fù)合體,這個(gè)分子復(fù)合體很像一把“鉗子”,紫外線和可見(jiàn)光能夠?yàn)檫@個(gè)超微型分子機(jī)器提供動(dòng)力。當(dāng)受紫外線照射時(shí),分子機(jī)器復(fù)合體2個(gè)“鉗子”就會(huì)收攏起來(lái),而另一端2塊板狀結(jié)構(gòu)則呈平行狀態(tài);當(dāng)受可見(jiàn)光照射時(shí),分子機(jī)器復(fù)合體的2個(gè)“鉗子”就會(huì)打開(kāi),另外一端的2塊板狀結(jié)構(gòu)則會(huì)旋轉(zhuǎn),相對(duì)呈90°。利用光的控制,這個(gè)分子機(jī)器人能夠充當(dāng)“機(jī)器人外科醫(yī)生”,可穿行于人體血管以及殺死癌細(xì)胞。瑞士蘇黎世實(shí)驗(yàn)室和巴塞爾大學(xué)、韓國(guó)等都研制出了不需要電池的納米機(jī)器人,為納米機(jī)器人未來(lái)在醫(yī)療中的應(yīng)用拓寬了方向。以色列的科學(xué)家發(fā)明了一種只有幾個(gè)毫米大小的微型機(jī)器人,該機(jī)器人能夠憑借細(xì)小的附屬肢體在血管里附著和移動(dòng),科學(xué)家通過(guò)在病人體外制造磁場(chǎng)來(lái)控制這些附屬肢體的動(dòng)作,所制造的磁場(chǎng)能夠使微型機(jī)器人的肢體發(fā)生振動(dòng),并且在血管中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。在納米加工或操作的自動(dòng)化裝置方面,德國(guó)曾經(jīng)研制出具有信息處理、導(dǎo)航和通訊能力的微型直升機(jī)(發(fā)動(dòng)機(jī)直徑1~2mm、質(zhì)量400mg),這種基于多方面納米技術(shù)的微型飛機(jī)可以旋停、低飛、高飛,轉(zhuǎn)速為4×104轉(zhuǎn)/min,可以實(shí)現(xiàn)偵察、引導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)等功能。日本則用極微小的部件組裝出了米粒大小且能運(yùn)轉(zhuǎn)的汽車、直徑只有1~2mm的靜電發(fā)動(dòng)機(jī)等。我國(guó)納米機(jī)器人的研究工作開(kāi)展不多,研究工作主要集中在沈陽(yáng)、重慶、上海、北京等地,其中北京在生物納米機(jī)器人的部分領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。在微納加工或操作裝置方面,沈陽(yáng)、重慶、北京等地均取得了一定的進(jìn)展,沈陽(yáng)自動(dòng)化所研制出一種“納米微操作”的機(jī)器人,該機(jī)器人能夠?qū)?xì)胞染色體進(jìn)行切割,將來(lái)有望用于DNA或分子水平上檢測(cè)及對(duì)病理、生理測(cè)試;重慶金山科技集團(tuán)研制的“OMOM膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)”納米機(jī)器人不僅實(shí)現(xiàn)了檢查方便、無(wú)創(chuàng)傷、無(wú)痛苦、無(wú)交叉感染、不影響患者的正常工作等特性,而且能夠?qū)π∧c進(jìn)行完整的檢查。迄今為止,除中國(guó)之外,全球范圍內(nèi)只有以色列研制出了同類產(chǎn)品。重慶金山科技集團(tuán)研制的機(jī)器人供電能力達(dá)到了15h,遠(yuǎn)高于以色列機(jī)器人的供電能力(不超過(guò)8h),滿足了手術(shù)期間機(jī)器人長(zhǎng)時(shí)間供電的問(wèn)題。而且能夠?qū)θ说哪c道進(jìn)行全面檢查,在人體內(nèi)拍攝的圖像也十分清晰。國(guó)家納米中心建立了一套以環(huán)境掃描電鏡為平臺(tái)的多功能微納操作系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)納米尺度的原位加工與表征。在生物納米機(jī)器人方面,上海、北京具有較好的技術(shù)基礎(chǔ),上海交通大學(xué)胡鈞教授課題組在生物體系中引入納米功能部件方面取得了重要進(jìn)展,北京已經(jīng)在生物納米機(jī)器人方面開(kāi)展了比較系統(tǒng)的前沿研究,部分研究成果已達(dá)到世界先進(jìn)水平。北京開(kāi)展生物納米機(jī)器人方面的研究有中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所、中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所、中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所,清華大學(xué)等單位的多個(gè)團(tuán)隊(duì)。中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所的歐陽(yáng)鐘燦院士等從生物物理的角度,對(duì)分子馬達(dá)進(jìn)行了大量的理論探索;中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所李俊柏研究員和中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所李向東研究員正在開(kāi)展馬達(dá)蛋白方面的研究工作,嘗試把蛋白質(zhì)分子馬達(dá)組裝到功能體系上,為其提供動(dòng)力;中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所的樂(lè)加昌研究員對(duì)ATP合酶(生物體能量代謝的關(guān)鍵酶)馬達(dá)分子機(jī)器的結(jié)構(gòu)與功能機(jī)理進(jìn)行了研究,并用生物分子自組裝原理構(gòu)建了基于ATP馬達(dá)的生物傳感器。其中,在生物納米機(jī)器人領(lǐng)域的研究比較有代表性的是清華大學(xué)劉冬生教授(國(guó)家納米研究重大科學(xué)研究計(jì)劃“納米生物機(jī)器的可控組裝與多功能集成”項(xiàng)目首席科學(xué)家)課題組,該課題組在國(guó)際上首例以pH值變化驅(qū)動(dòng)的核酸分子馬達(dá)(又稱“DNA馬達(dá)”),實(shí)現(xiàn)了通過(guò)紫外光、電離等方式驅(qū)動(dòng)核酸分子馬達(dá),為生物分子機(jī)器在微電子、硅基電子裝置中的應(yīng)用和創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)。目前,劉教授已利用核酸分子馬達(dá)構(gòu)建出一系列功能納米系統(tǒng),例如:可控釋放納米容器、智能親疏水界面、可控光電轉(zhuǎn)換器件、具有開(kāi)關(guān)功能的仿生納米孔道、具有能量轉(zhuǎn)換、物質(zhì)轉(zhuǎn)化及輸運(yùn)功能的人工納米機(jī)器系統(tǒng)等,目前具有輸運(yùn)和定位功能的核酸納米機(jī)器已具備一定的應(yīng)用價(jià)值,劉教授正在準(zhǔn)備與相關(guān)醫(yī)院合作將微型機(jī)器應(yīng)用于腦腫瘤治療。四、納米機(jī)器人的問(wèn)題隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,納米技術(shù)已經(jīng)與信息技術(shù)、生命科學(xué)技術(shù)等一起成為科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的重要方向。不過(guò),無(wú)論是科學(xué)研究還是產(chǎn)業(yè)發(fā)展,