纳米技术能制造治疗机器人吗?
科学家们设想,通过这种方式制造的纳米机器人可以在患者的血流中前进,追捕患病细胞,穿透其细胞膜并释放精确定量的药物,随时清除人体内的所有有害物质,激活细胞能量,使人不仅保持健康,还能延长寿命。这个机器人还可以清除动脉壁上的脂肪等沉积物。这样不仅可以提高动脉壁的弹性,还可以改善动脉的血流量。血栓会阻塞人体要害部位的血液流动,导致重要器官的损伤。纳米机器人可以在这些血块还在流动的时候把它们打碎成小块,这样它们对身体的伤害就大大降低了。纳米机器人也可以用来去除伤口和烧伤。它们的大小使它们在清除伤口附近的垃圾和异物时非常有用,如割伤和烧伤。它们能做比常规技术更复杂的工作,但造成的伤害却很小。纳米机器人可以用来清除人体内的其他微生物。它们非常适合去除一些微小的寄生虫,修复关节,强化骨组织,去除疤痕组织等。看来他们真的很神奇。除此之外,这个微型机器人还能不断监测我们体内的各种信息,就好像我们一直被一个医生跟着一样。
艾滋病是目前医学上的一个难题,但在未来的某一天,医学科学家会把它交给一种纳米机器人,让这些纳米机器人进入人体的细胞,发动全方位的进攻,彻底消灭这种邪恶的病毒,拯救人们的生命。人们称之为“神医”。原因很简单。医生没有给病人做手术,也没有开药,而是将机器人注射到病人的血液中。这个微型机器人不断在病人的血液中游动,及时捕捉病毒。结果病人恢复得很快,称纳米机器人为“医生”是当之无愧的。
想象一下,一个高级工程师在不久的将来患了脑血栓。医生采用了一种独特的治疗方法:他首先将一根极其细长的微导管插入患者的大腿,然后慢慢将其引向脑血管。微导管上的诊断激光束就像一个聪明细心的医生沿着脑血管仔细搜索。突然,诊断激光束发现前进的路上有脑血管瘤之类的堵塞物。这时,微导管上的球囊立即自动膨胀,导管迅速固定,使治疗激光束立即“轰击”堵塞物。治疗效果自然是令人满意的,这是目前普通药物无法企及的。
上面描述的场景不再是天方夜谭,但纳米技术很快就会在医学领域成为现实。目前,医学专家正在全力攻关微型机器人在医疗领域的应用。20世纪。20世纪90年代初,当由硅制成的微型马达出现时,世界各地的医学专家都考虑了它的各种应用。几年前,直径约为0.2毫米的微型静电电机甚至直径更小的超微型静电电机已经研制成功,使得用纳米机器人治疗各种疾病的技术日趋成熟。贝尔实验室已经成功开发了一种微型燃气轮机,这是一种带有旋转叶片的发动机。它的体积很小,看起来像一个小黑点。只有借助显微镜才能看得清楚。但由于超微型马达太小,滞留在其燃气轮机叶片之间的物质分子重到足以造成强大阻力,从而减缓马达转速。即使受到注射针头的轻微打击,它也能以每分钟24000转的速度快速旋转。
纳米技术、仿生学和医学的融合取得了一些辉煌的成就,如分子马达的发明,基于DNA密码原理的智能纳米机器人的研制。
纳米技术和生物学的结合将对21世纪的人类生活产生不可估量的影响。想想最近10年信息技术的飞速发展,生物科技对基因的认识产生了转基因生物技术,可以治疗顽疾,创造出自然界不存在的生物。信息科学和技术使人们坐在家里就能知道世界大事。互联网像做梦一样改变了人们的生活方式。不难想象纳米技术和生物学的结合将如何改变现代医学和农业的面貌。由于纳米技术向生物学的渗透,我们的生活方式正面临着巨大的变化。
“纳米技术潜力无限,它甚至将超越计算机或基因技术,成为21世纪的决定性技术。”这是一位著名分析师说的。这句话确实体现了新世纪科学发展的一个重要趋势。
仿生学以生物学原理为基础,是生物物理学的一个重要分支。物理学家总是模仿生物的行为来制造各种聪明的机器。飞机是模仿鸟类飞行的产物,相机是模仿眼睛,智能机器人是目前科学家热衷发展的技术。
当纳米技术渗透到仿生学中时,其基本内容就是研制微型机器人,制造出一些仅由数千个原子组成的机器人,使其在细胞水平的微小空间内工作。
微型机器人的设计是基于分子水平的生物学原理。其实细胞本身就是一个活的纳米机器,细胞里的每一个酶分子都是一个活的纳米机器人。
蛋白质分子的构象变化使得酶分子的不同结构域像微型机器人一样移动并重新排列相关分子的原子排列。细胞中的许多结构单位都是执行一定功能的微型机器:核糖体是为了按照遗传密码的指令制造蛋白质分子而排列氨基酸的处理器;被加工的蛋白质可以根据信号肽的指令从膜泡运输到某个位置发挥作用;蛋白质,完成了它的功能使命,就会被贴上标签,送去水解成氨基酸再利用。细胞的生命过程是一组组功能相关的蛋白质组不断被替换和更新以执行其功能的过程。这些生命过程所需的所有能量都来自太阳。植物叶片中的叶绿体是将太阳能转化为化学能制造食物的加工厂;线粒体是释放储存在能量物质中的太阳能产生能量ATP(直接为生命提供能量的分子)的车间;我们每个人每天都要消耗相当数量的ATP分子来维持生命活动和繁忙的工作。这一切发生在8号铲中,都是按照DNA分子中遗传密码序列的指令有序进行的。
瑞典已经开始制造微型医疗机器人。据悉,这种机器人由多层聚合物和黄金制成,外观类似于人的手臂。它的手肘和手腕非常灵活,有2 ~ 4个手指。实验已经进入了机器人可以捡起并移动肉眼看不见的玻璃珠的阶段。科学家希望这种微型医疗机器人可以在血液、尿液和细胞介质中工作,捕获并移动单个细胞,成为微型II手术器械。
纳米排斥技术与仿生学的结合,可以使生物物理学家通过模仿生命过程的各个方面,创造出各种微型机器人。可以预测,直接利用太阳能制作食物的机器,大概会出现在21世纪;利用纳米技术,可以让机器人在血管中游泳,从而有针对性地清除血管壁上的沉积物,降低心血管疾病的发病率。纳米技术还可以用来制造机器人,可以进入组织的间隙空间,并专门清除癌细胞,这些都不再成立。
在微型化方面,科学家不仅建造了像微生物一样大的精巧装置,而且使它们能够移动。
由美国国家航空航天局资助的研究人员最近启动了一个项目:将这种纳米机器人变成现实。如果项目成功,这艘由科学家开发的“船”——被称为“纳米粒子”或“纳米胶囊”——可以让另一个科幻故事成真:载人火星探索和其他长期糟糕的生活。
当研究人员专注于空间应用时,纳米粒子在医学领域(尤其是癌症治疗)也有潜在价值。将治疗肿瘤的药物导向癌细胞的迫切需要引起了医学领域对纳米粒子的广泛兴趣,因为它可以避免化疗的副作用。这些纳米粒子的功能是引入一种新的治疗方法——实际上,是进入单个细胞...修复它们,如果对细胞的损害太严重,就直接杀死它们。
他们开发的项目将专注于癌症相关问题——特别是在前往月球或火星的旅程中,当航天器脱离地球周围巨大磁场构成的保护伞时,宇航员将在太空中接受高剂量的辐射,这可能导致癌症。
即使是航天器上使用的先进防辐射材料,也无法完全隔离宇航员在太空中的高能辐射;这些高能宇宙射线可以像微型子弹一样穿透宇航员的身体,其飞行路径中的分子将被击碎。一旦细胞中的DNA被辐射破坏,细胞就不能正常工作,有时会癌变。这是一个重要的问题。如果人类想在太空生活,我们必须知道如何更好地保护他们免受辐射。
由于独立防护可能无法解决问题,粒子科学家必须找到某种方法,使宇航员本身能够抵抗辐射危害。纳米粒子是一种一流的解决方案。这些药船的长度只有几百纳米,比细菌小很多,甚至比可见光的波长还短。用皮下注射针头进行简单的注射就可以将数千甚至数百万条这样的血管注射到人体血流中。一旦进入血流,纳米粒子可以比人体内普通的细胞信号系统更有效地发现受辐射损伤的细胞。
数以万亿计的人类细胞依靠外膜上的复杂分子来相互识别和交流。这些分子像化学“旗帜”一样与其他细胞沟通,在控制血流中的分子(如激素)是否可以通过时,它们还扮演着化学闸门的角色。
当细胞受到辐射损伤时,它们会在某一种蛋白质上产生一种标记,这种标记会反映在细胞的外表面。细胞只是告诉其他细胞,“嘿,我受伤了。”通过在纳米粒子的外表面植入可以识别细胞标记的分子,科学家可以为纳米粒子“设定任务”,找出那些被辐射损坏的细胞。
如果辐射造成的损伤严重,纳米粒子会进入受损细胞,并释放出一种酶,使细胞“自动破坏DNA序列”。或者,他们可以释放DNA修复酶,试图修复细胞,使其恢复正常功能。
如果这种纳米粒子研究成功,那么人类将不再惧怕太空中的各种辐射,到那时,移民太空将成为可能。