什么是纳米机器人，在医疗领域有哪些重要作用

当我们谈论纳米机器人时，主要指的是由生物纳米组件制成的自推进式纳米电机和其他可生物降解的纳米设备，这些设备将货物运送到目标部位，即将药物运送到患病的细胞。例如，可以对这些纳米机器人进行编程，以运输分子有效载荷并引起现场肿瘤供血阻塞，从而导致组织死亡和肿瘤缩小。

分子纳米技术描述了在分子规模上运行的工程纳米系统（纳米级机器）。它尤其与分子组装机相关，该机器可以使用机械合成原理（机械引导的化学合成）逐个原子地生产所需的结构或设备，这是分子制造的基础。它是工程学的一个分支，致力于设计和制造在分子水平上构建的极小的设备，即纳米系统或设备。分子纳米技术的拟议应用是在纳米级设计和工程化材料的能力，涵盖了各种可能的商业应用。

分子纳米技术的预计应用包括：智能材料和纳米传感器（针对特定任务以纳米级设计和设计的材料），复制纳米机器人，医疗纳米机器人和相控阵光学系统。纳米技术将以一种全新的，根本上更精确的，根本上更便宜，更灵活的制造方式取代我们的整个制造基地。

纳米级的机器人具有如智能药物递送系统的潜力，为分子触发器响应。使用DNA折纸，我们构建了一个自主的DNA机器人，该机器人被编程为运输有效载荷并将其专门呈现在肿瘤中。我们的纳米机器人在外部具有与核仁素结合的DNA适体，核仁素是一种在与肿瘤相关的内皮细胞上特异性表达的蛋白质5以及其内腔中的凝血蛋白酶凝血酶。核仁素靶向适体既用作靶向域，又用作DNA纳米机器人机械打开的分子触发剂。因此，内部的凝血酶暴露并激活了肿瘤部位的凝血。使用荷瘤小鼠模型，我们证明静脉内注射的DNA纳米机器人将凝血酶特异性地递送至与肿瘤相关的血管并诱导血管内血栓形成，从而导致肿瘤坏死并抑制肿瘤生长。纳米机器人在小鼠和巴马小型猪中被证明是安全且具有免疫学惰性的。我们的数据表明，DNA纳米机器人代表了在癌症治疗中精确给药前景。

分子纳米技术的潜在社会影响包括：保持制造历史趋势的发展直至物理法所施加的基本限制，从而生产出功能强大的分子计算机。尽管具有潜在的好处，但该技术涉及令人生畏的风险，尤其是一些分析人士认为，该技术可能导致技术变异。另一个风险是可自动复制性。分子纳米技术可能生成允许自我复制大规模杀伤性武器。

几千年来，我们的物种一直致力于改善对物质结构的控制-撞击，加热和切割，以按正确的比例将原子组合成正确的形状。理查德·费曼（Richard Feynman）于1959年在一次著名的饭后演讲中预言了小原子的边界，他在讲话中指出物理并不排除对单个原子的控制。他甚至指出了一个可能性：可以制造更小的纳米机器，我们今天将其称为“自上而下”的微型化道路。

从那时起，纳米级或接近纳米级的发展已向各个方向扩展：纳米粒子，纳米结构材料和纳米器件；洛约拉学院国际技术研究所已对该领域进行了全球性研究。总体趋势是显而易见的。我们将继续追求更好的控制，并且这种趋势将一直持续下去，直到我们达到自然法则所施加的极限。

1981年，《美国国家科学院院刊》上的一篇论文指出了一个新的方向：从“自下而上”构造材料和装置，每个原子都在设计好的位置，称之为分子纳米技术。新目标是针对分子机器系统的构建，生物学被认为是存在可行性的证明。

对分子纳米技术（通常简称为纳米技术）的追求涉及多种学科：化学，物理学，机械工程，材料科学，分子生物学和计算机科学。

使这些系统能够制作的关键是大自然产品制作所使用的相同原理：并行性。很小的机器可以制造非常大的物体，但前提是许多机器可以协同工作，就像植物细胞在建造大树时一样。生产大量的小型机器需要至少其中一些能够自我复制，这种能力称为自我复制。通常只有在自然界和软件中才能发现，需要进行自我复制才能用于人类设计的纳米级机械。

究竟什么是纳米材料和纳米机器人？

纳米材料听起来像科幻电影中的东西，但事实是，我们使用纳米材料已有数千年的历史了。它们出现在欧洲早期社会的杯子，花瓶和玻璃中，它们的胶体性质使玻璃具有特殊的颜色和纹理。今天，纳米材料已成为我们日常生活的一部分。它们被编织成防晒衣，消除了除臭剂中的气味，并且是许多电子设备的组成部分。

一纳米材料仅仅是纳米级的材料，任何1-150纳米，或一米的十亿分之一之间。这些微小的材料表现出独特的特性，即使使用相同的材料，也无法在宏观上看到。一些纳米材料变得超强。其他人具有强大的传导能力。

纳米材料可用于制造纳米机器人，本质上是微型机器人。但是，基于电视或电影，我们可能会对将机器人与科学中的机器人进行比较的想法有所不同。科学家认为机器人是可以在没有人指导的情况下完成任务的机器。通常，纳米机器人更像是微型的编程机器，而不是实际的行走或说话机器人，但结果仍然非常惊人。

应用领域

我们将研究纳米材料和纳米机器人在医学，研究和环境修复中的应用。

药物

想象有一个内部维修系统。微型机器人巡逻您的血管，寻找是否有任何损坏需要报告和维修。尽管今天离我们还有点距离，但在我们体内工作的纳米机器人是纳米医学的下一步。医生和科学家一直在研究开发用于治疗癌症的纳米机器人。最近在2017年，科学家创造了纳米机器人，它们能够靶向癌细胞并在其中钻孔，从而导致细胞死亡。在存在紫外线辐射的情况下，纳米机器人中原子的排列就像电动机一样。这导致纳米机器人像钻子一样操作，在目标细胞上刺破孔。

纳米机器人可以搜索并摧毁像这样的肺癌细胞

肺癌

未来，科学家们设想纳米机器人将药物直接递送到靶细胞，而不是像我们今天通过口服或静脉内药物那样系统地治疗患者。纳米机器人甚至可以在我们的体内闲逛，寻找动脉粥样硬化期间动脉内斑块堆积等损伤，然后采取适当的措施进行清洁。

许多其他纳米材料也在医学中起作用，而不仅仅是纳米机器人。疫苗是现代医学的伟大奇迹之一，如今，几乎消灭了过去消灭整个人群的许多疾病，例如小儿麻痹症或天花。研究人员正在寻求使用纳米材料改进疫苗技术，以提高有效性并改善可传递性。由于其独特的大小和特性，它们既可以用作递送载体，也可以用作抗原本身来刺激免疫系统。

纳米机器人的整个想法是，当患者服用一种药丸来治疗任何疾病时，它内部将没有一堆化学药品，而是将一台真正的工作机器-纳米机器人。纳米机器人将包含少量所需的药物，并且将实际到达目标器官并在特定位置递送药物。该技术的主要优点是该药物不必像血流一样通过体内的各种途径传播，因此在到达目标时不会被稀释。因此，通过纳米机器人传递的药物将比正常传递的药物有效得多。

纳米机器人将特别用于治疗必须靶向特定细胞的疾病，例如癌症。本化学疗法的主要缺点是它靶向各种细胞。药物是无法区分健康细胞和癌细胞的。因此，尽管许多癌细胞由于药物而死亡，但许多健康细胞也死亡，这在很大程度上削弱了患者的能力。纳米机器人将能够特异性地靶向癌细胞并将药物仅递送至那些细胞。

尽管该设备非常有用，但也很难制造。开发人员可能面临的最大困难是如何将机器人导航到目标器官。即使他们设法制造出一个小到可以装在药丸中的机器人，但如果机器人所做的只是躺在胃深处，那它就毫无用处。用于检测纳米机器人在体内位置的建议机制之一是使用超声信号。纳米机器人可以连续发射超声波信号，可以记录超声波信号，从而可以确定纳米机器人的位置。

另一种方法涉及使用微型相机，该相机可以连接到纳米机器人并与机器人一起发送到体内。然后，医生将能够通过身体观察机器人的进程。然而，制造这样的小型相机带来了许多问题，并且将需要更多的研究。到目前为止，最实用的方法是使用磁共振成像（MRI）。正如在《麻省理工学院技术评论》上的一篇文章所报道的那样，加拿大蒙特利尔理工大学的研究人员最近发现，可以使用MRI机器在体内操纵带磁性颗粒的细菌。

通过改变周围的磁场，细菌可能被迫向任何所需方向移动。该技术可以扩展到纳米机器人导航。由于当今几乎所有医院都配有MRI扫描仪，因此这种方法可以很容易地在当今的医院环境中采用。毕竟，纳米机器人是一台机器，所有机器都需要某种动力。最明显的方法是创建一个足以安装在纳米机器人上的电源。但是，这种方法的主要问题是，足够小的电池将无法提供纳米机器人所需的大量电能，因此需要考虑替代电源。

解决此问题的最佳方法之一是利用人体作为动力源。纳米机器人将穿越血液到达目标。血液中包含许多带电粒子，如果以正确的方式使用，它们可以构成纳米机器人的电池。纳米机器人可以配备电极，借助这些电极和周围血流中的电解质，可以创建合适的电源。另一种选择是为纳米机器人提供多种化学物质，这些化学物质在与血液反应时会燃烧。然后，燃烧释放的能量将为纳米机器人提供所需的功率。

但是，即使解决了动力和导航问题，仍然需要解决人体免疫系统排斥的问题。纳米机器人也必须是安全的，因为对人体造成伤害将完全掩盖其创造的目的。

为了制造出可以用于患者的小型，安全的机器人，还需要进行更多的研究。至少到目前为止，纳米机器人仍然需要更多技术支持。

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