納米機(jī)器人

常曉

1987年，在美國上映的科幻大片《驚異大奇航》中，這樣一個(gè)情節(jié)令人印象深刻———科學(xué)家把變微小的人和飛船注射進(jìn)人體，讓這些縮小的“參觀者”直接觀看到人體各個(gè)器官的組織和運(yùn)行情況。這是人類關(guān)于納米機(jī)器人最早的猜想。

事實(shí)上，隨著人工智能、生命醫(yī)學(xué)、納米科學(xué)等技術(shù)的發(fā)展、合作和融合，促使了機(jī)器人在疾病預(yù)防、診斷和治療應(yīng)用上也綻放出不一樣的火花，尤其是微型納米機(jī)器人，近年來在生命醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展十分迅速，且應(yīng)用廣闊。科學(xué)家們研發(fā)的小型、多功能化機(jī)器人只有幾微米的尺寸，甚至于更小。這些微型納米機(jī)器人可以穿過復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)或者狹窄的毛細(xì)血管，進(jìn)行局部診斷、成像、運(yùn)載活檢樣本、靶向釋放藥物等操作。不僅如此，有些微型納米機(jī)器人由生物相容性材料構(gòu)成，甚至可以完成任務(wù)后在人體內(nèi)逐漸降解、消失。

試想一下，或許不久的將來，當(dāng)您感冒時(shí)，不用再打針吃藥，醫(yī)生只需在你血液里植入納米機(jī)器人，機(jī)器人在體內(nèi)探測出病毒源頭，并到達(dá)病毒所在處“消滅”它……

人類的體內(nèi)醫(yī)生

“納米機(jī)器人”的概念是由諾貝爾物理學(xué)獎得主理查德·費(fèi)曼提出的，他認(rèn)為，人類未來有可能建造一種分子大小的微型機(jī)器，可以把分子甚至單個(gè)原子作為建筑構(gòu)件，在非常細(xì)小的空間里構(gòu)建物質(zhì)。

“極限環(huán)境，是納米機(jī)器人‘施展才華最重要的舞臺，其中就包括在人體內(nèi)部精密組織中的定點(diǎn)藥物投送、靶向治療，以及在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、輻射、有毒環(huán)境下的高危作業(yè)等。”智能專家介紹，納米機(jī)器人是高度集成的系統(tǒng)，要求具備驅(qū)動單元、控制單元、傳感單元，同時(shí)針對不同功能需要具備對應(yīng)的工作單元，如靶向治療時(shí)需要的藥物儲存和投送單元等。從現(xiàn)階段來講，受工業(yè)水平限制，納米機(jī)器人在驅(qū)動、控制、傳感反饋等方面都存在研究瓶頸?！氨M管如此，納米機(jī)器人無疑是納米生物醫(yī)學(xué)中最具誘惑力的內(nèi)容。近年來，國際國內(nèi)也取得了很多研究成果?！?/p>

2012年7月，美國佛羅里達(dá)大學(xué)的科學(xué)家研制出一種能夠100%地殺滅丙肝病毒的納米機(jī)器人。2013年12月，韓國全南大學(xué)的科學(xué)家研發(fā)出可對大腸癌、乳腺癌、胃癌和肝癌等高發(fā)性癌癥進(jìn)行診斷和治療的納米機(jī)器人。2014年4月，以色列巴伊蘭大學(xué)的研究人員成功地用DNA鏈造出了一種能在活動物體內(nèi)按照編制的程序執(zhí)行邏輯操作的醫(yī)用納米機(jī)器人。2016年7月，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的科學(xué)家研發(fā)出可將藥物投遞到特定位置或者進(jìn)行精準(zhǔn)操作的納米機(jī)器人……

“讓納米機(jī)器人進(jìn)入人體進(jìn)行血管探測、去除癌變細(xì)胞、進(jìn)行定點(diǎn)給藥，一直是科學(xué)家們研究的重點(diǎn)?！睂＜抑赋觯凑湛茖W(xué)家的設(shè)想，醫(yī)生只需將載有數(shù)以萬計(jì)的納米機(jī)器人的藥液注入病人的血管，有導(dǎo)航作用的納米機(jī)器人會沿路線到達(dá)指定位置，然后開展手術(shù)作業(yè)。完成治療后，它們再沿著人體的消化道排出體外?！斑@種治療對人體沒有損傷，沒有傳統(tǒng)手術(shù)后的疤痕，副作用很小。若能實(shí)現(xiàn)，將是醫(yī)學(xué)史上里程碑式的巨作?！?/p>

納米機(jī)器人的廣闊舞臺

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?。那么，納米機(jī)器人在醫(yī)療上應(yīng)用有哪些？

因?qū)崿F(xiàn)藥物的靶向運(yùn)輸現(xiàn)有的納米機(jī)器人實(shí)現(xiàn)藥物運(yùn)輸依賴于體循環(huán)，缺少定點(diǎn)運(yùn)輸、組織滲透等驅(qū)動和導(dǎo)航能力。為了實(shí)現(xiàn)藥物在疾病部位的精準(zhǔn)釋放，藥物運(yùn)輸機(jī)器人需要具備強(qiáng)大的驅(qū)動力、導(dǎo)航系統(tǒng)、藥物釋放和組織滲透的能力，科學(xué)家們對其充滿期待。

很多初步研究已經(jīng)很好地在體外、試管中展示了納米機(jī)器人在藥物運(yùn)輸上的潛能，例如多層管狀聚合納米機(jī)器人被證實(shí)可以通過多孔膜逐層裝載抗癌藥物阿霉素，且可以到達(dá)癌細(xì)胞附近。不少用于藥物運(yùn)輸?shù)奈⑿?納米機(jī)器人正處于研發(fā)早期，其中細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸是該領(lǐng)域的熱門研究方向。納米機(jī)器人能夠穿透細(xì)胞膜，并直接運(yùn)輸各種治療藥物進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部。

因?qū)崿F(xiàn)手術(shù)的精準(zhǔn)操作手術(shù)機(jī)器人已經(jīng)展現(xiàn)出減少復(fù)雜外科手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、拓寬外科醫(yī)生能力的優(yōu)勢，這類機(jī)器人有望協(xié)助醫(yī)生實(shí)現(xiàn)更高精度、更靈活和可控性的微創(chuàng)手術(shù)。與大型器械不同的是，微型機(jī)器人配備有高分辨率三維內(nèi)鏡，可以在患者體內(nèi)靈活轉(zhuǎn)動，有望突破傳統(tǒng)外科手術(shù)的局限，將微創(chuàng)技術(shù)更廣泛地應(yīng)用于復(fù)雜的外科手術(shù)。

此外，磁驅(qū)動微型納米機(jī)器人在體內(nèi)微創(chuàng)手術(shù)領(lǐng)域也展現(xiàn)出很大的應(yīng)用前景，因?yàn)榇艌隹梢源┩篙^厚的生物組織?？茖W(xué)家們已經(jīng)證實(shí)，植入式磁驅(qū)動微型機(jī)器人可以在兔子的眼后段進(jìn)行手術(shù)。

因?qū)崿F(xiàn)疾病的精準(zhǔn)診斷得益于自主的運(yùn)動性能、簡單的表面功能化以及高效捕獲、分離目標(biāo)物的優(yōu)勢，微型納米機(jī)器人在疾病精準(zhǔn)診斷上同樣也發(fā)揮著很大的作用。微型納米級傳感策略依賴于人工馬達(dá)的能動性，借助于攜帶不同的生物受體，機(jī)器人能夠穿過樣本實(shí)現(xiàn)與特定生物分子的即時(shí)互作。借助這一原理，納米機(jī)器人可以識別、隔離體液中的靶向分子，包括蛋白質(zhì)、核酸、癌細(xì)胞等等。

因?qū)崿F(xiàn)解毒類似于生物傳感，解毒功能依賴于納米機(jī)器人快速捕獲、清除毒素。通過包裹上特定的材料，機(jī)器人可以在體內(nèi)“巡邏”并“抓捕”有毒物質(zhì)。這類機(jī)器人的工作原理類似于天然清理毒素的細(xì)胞，例如血紅細(xì)胞（RBCs）。已有科學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出攜帶有包裹了RBC細(xì)胞膜的鎂微粒的機(jī)器人，研究表明它能夠有效吸收、中和體液中的α-毒素。此外，也有研究團(tuán)隊(duì)將紅細(xì)胞膜與超聲驅(qū)動的納米機(jī)器人整合在一起，用于清除血液中的成孔毒素。

未來大有用武之地

過去十多年，微型納米機(jī)器人從一個(gè)未知、多功能平臺發(fā)展至集成納米技術(shù)、人工智能等優(yōu)點(diǎn)的技術(shù)。從藥物運(yùn)輸、精準(zhǔn)手術(shù)到細(xì)胞水平靈敏檢測生物分子、高效清除有毒化合物，這意味著納米機(jī)器人有望貫穿疾病診療、預(yù)防的全過程。

當(dāng)然，目前微型納米機(jī)器人在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段。發(fā)揮微小機(jī)器人的全部潛能面臨很多未知和挑戰(zhàn)。其中，一個(gè)重大挑戰(zhàn)是篩選到新能源，它需要具備長期自主操作、較好的生物相容性等特性。雖然不同的化學(xué)反應(yīng)和外部刺激可以驅(qū)動微小機(jī)器人的運(yùn)動，但是新的替代燃料和驅(qū)動機(jī)制很有必要，它們有望確保機(jī)器人在體內(nèi)更安全、持續(xù)地運(yùn)行。

未來，微型機(jī)器人無疑會朝著更加智能的方向發(fā)展，具備高流行性、可變形結(jié)構(gòu)、可持續(xù)操作、精準(zhǔn)控制等可能，機(jī)器人之間還有望實(shí)現(xiàn)集群智能合作，甚至于自我進(jìn)化、自我復(fù)制。在此，我們也將拭目以待！