纳米科技医学技术,神奇的纳米医学技术，纳米科技医学技术

沈宪云

纳米是长度单位，一纳米只是一米的十亿分之一。一纳米只有三四个原子，比单个细菌、红细胞、病毒的长度小很多。如果我们做一个直径只有1纳米的球，放在乒乓球上，就相当于把一个乒乓球按比例放在地球上。有了纳米技术，我们可以在分子水平上了解世界，改善整个人类生命系统。自发明以来，纳米技术已经应用于医学的许多领域。目前，通过精心设计，科学家已经成功将微纳机器人应用于多个领域，如生物检测、智能载药、药物控释、血栓清除、杀伤肿瘤细胞、环境污染物监测、环境治理、微纳组装等。下面我们将介绍在这些领域取得的一些进展。纳米药物

通常，我们口服或注射药物。如果药物变成纳米大小的颗粒，皮肤就可以“吃”(即吸收)药物。如果将这种纳米药物制成膏药，贴在患处，皮肤可以直接吸收药物，避免了打针带来的疼痛、感染等副作用。半数以上的新药难以溶解和吸收。如果把药物改成纳米粉或纳米粉混悬液，就容易被人体吸收。另外，一般药物不具备靶向和靶向释放的功能，而纳米药物可以做到这一点。

纳米技术与药学相结合，将药物与辅料制成粒径为1～1000 nm 的载药粒子（如纳米粒、纳米脂质体、纳米乳）或纳米药物晶体，便衍生出了纳米药物。根据纳米药物生产方式不同，大体分为两类：一类是将纳米颗粒作为药物载体，把药物溶解后包裹于内，或者吸附在载体表面；另一类是将原材料加工制成的纳米粒作为诊疗药物。

将纳米技术与药剂学相结合，将药物和辅料制成粒径为1 ~ 1000 nm的载药颗粒(如纳米粒、纳米脂质体、纳米乳)或纳米药物晶体，进而衍生出纳米药物。根据纳米药物生产方法的不同，大致可分为两类:一类是以纳米颗粒为药物载体，然后将药物溶解包裹在内部或吸附在载体表面；另一种是用原料制成的纳米颗粒作为治疗药物。

纳米人工红细胞

众所周知，呼吸是人最重要的生命体征之一。一旦停止呼吸，你的生命也就结束了。人们无时无刻不在呼吸，因为我们需要氧气，尤其是在运动中，呼吸更为重要。当我们跑步时，我们经常感到很累。这是因为剧烈运动消耗了大量的氧气，呼吸并不能马上补充这种消耗。导致身体得不到足够的氧气，会感到疲惫不堪。有没有可能我们总能获得足够的氧气？这种愿望是可能的。科学家们正试图通过纳米技术制造一种红细胞，它不仅可以在运动时补充人们的需氧量，还可以在人们发生意外时成为“救命丸”。

我们知道，缺氧6 ~ 10分钟脑细胞就会死亡，缺氧后内脏也会出现功能衰竭。想象一个装有微型纳米泵的人造红细胞。其携氧能力是天然红细胞的200多倍。当一个人的心脏因意外事故而突然停止跳动时，医生可以立即向人体内注射大量的这种人造红细胞，以提供生命所依赖的氧气，从而维持全身正常的生理活动。纳米技术专家初步设计了一种纳米人造红细胞。其原理是利用一个可双向旋转的涡轴闸门来控制氧从球团中的释放。通过调节涡轴旋转的速度和方向，可以根据人体需氧量的多少，将弹丸中的氧气以一定的速率释放到体外血液中。同时，供氧装置具有在富氧场所吸氧和在富氧场所释氧的功能。初步设计的纳米人造红细胞是一个钻石氧容器，内部压力为1000个大气压。泵动力来源于血清葡萄糖，其氧输送能力是同体积天然红细胞的200多倍。可应用于贫血、人工呼吸、肺衰竭和运动所需额外耗氧量的局部治疗。纳米机器人

谈到机器人，你脑中浮现出什么？一定是那些巨大的机器怪兽，妩媚的人形机器人吧。现在科学家正在研制一种小到纳米级的机器人。纳米机器人的概念最早是由诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼于1959年提出的。他认为人类未来有可能建造一种分子大小的微型机器，可以把分子甚至原子作为建筑构件，在极其小的空间里构建物质。

说到机器人，你会想到什么？一定是那些巨型机器人怪物，迷人的人形机器人。现在科学家们正在开发一种小到纳米的机器人。纳米机器人的概念是由诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼于1959年首次提出的。他认为，未来人类有可能造出一个分子大小的微型机器，可以用分子甚至原子作为积木，在极小空的房间里建造物质。

纳米机器人的发展属于分子仿生学的范畴。它是在分子水平上根据生物学原理设计制造的，在纳米机器人空之间进行控制和操作。纳米机器人将在各个领域发挥巨大作用，尤其是在医学领域。能精准杀死癌细胞，疏通血栓，清除动脉内脂肪沉积，清洁伤口等。这里只是几个例子。

癌细胞的饥饿

恶性肿瘤是人类健康的一大杀手。肿瘤的血管系统与肿瘤的生长、侵袭和转移密切相关。目前，通过阻断肿瘤血管的营养和氧转运来“饿死”肿瘤的治疗思路，已广泛应用于肝癌等恶性肿瘤的物理介入治疗。血液中的凝血酶是人体凝血系统的关键酶，能快速高效地诱发血栓形成。如果将凝血酶作为特定的“货物”装载在纳米机器人中，就可以靶向运输并精确释放到肿瘤血管中，诱导血液凝固产生血栓，从而通过栓塞有效抑制肿瘤的生长和转移。

根据这个看似“异想天开”的假设，中国纳米科学中心团队研发了一种用于运送凝血酶进行肿瘤治疗的DNA纳米机器人。其工作原理是通过DNA折纸构建一个智能分子机器，将“货物”——凝血酶包裹在分子机器的内部空腔内，使其处于非活动状态；分子机器的两端都装载了“雷达”——核酸适体，提供靶向识别和定位功能。当DNA纳米机器人到达肿瘤血管时，纳米机器人上“锁”识别的特异性标记发生结构变化，使“锁”从闭合状态变为打开状态，整个纳米机器人从管状结构变为平面结构，暴露出里面装载的“货物”，从而实现诱导栓塞的功能。中国纳米科学中心团队分别在细胞和活体水平验证。结果表明，这种DNA纳米机器人可以实现凝血酶在活体中的精确转运和靶向栓塞，对多种癌症具有良好的治疗效果。

血栓形成的祸根

人的血液就像水，血管就像水管，血栓就像塞子，会随着水流四处游走。当管子的直径小于塞子的直径时，塞子就不能通过，就会被堵塞。如果塞子堵住了水管，水就通不过去了；如果血液中有血栓，血液无法流遍全身，就会有生命危险。血栓虽小，但危害很大。利用纳米机器人清除血栓是一种很好的方法。

科学家开发了一种通过模拟野生蜂群的纳米机器人来消除血栓的方法。这一突破性的方法迈出了血栓治疗的第一步。科学家通过振荡磁场创造了一个高度重组的带状“蜂群”。这个“蜂群”由数千万个磁性纳米颗粒组成，每个纳米颗粒的长度不超过1微米，不到红细胞直径的五分之一。当程序员调整磁场时，由纳米机器人组成的“超微型蜂群”可以产生扩张、收缩、分裂、合并等结构变化，而且精度非常高。外科医生可以通过操纵纳米机器人来治疗密集和复杂血管之间存在的血栓，并向细胞输送抗凝血剂。这种纳米机器人为血栓的治疗提供了新的思路。

药物转运蛋白

将药物准确地输送到人体需要的部位，是提高治疗效果、减少药物副作用的关键因素。传统的药物运输载体主要依靠系统的循环，缺乏定点运输、组织渗透等驱动和导航能力，而纳米机器人可以克服这些缺点，成为药物运输的理想载体。纳米机器人可以实现药物的快速准确释放，提高药物疗效，减少副作用。

以色列科学家最近研制出一种微型纳米机器人，它可以在人体内“巡逻”，锁定病灶后可以自动释放所携带的药物。当你感冒时，医生不用给你打针开药，而是将纳米机器人植入你的体内。这种机器人可以在人体内探测感冒病毒的源头，并到达病毒所在处，直接释放药物杀灭病毒。

以色列科学家近日研发出一种微纳米机器人，可以在人体内“巡逻”，锁定病灶后可以自动释放其携带的药物。当你感冒时，医生不必给你打针和开药，而是将纳米机器人植入你的体内。这种机器人可以检测人体内感冒病毒的来源，到达病毒所在的地方，直接释放药物杀死病毒。

受细菌的启发，瑞士科学家开发出了一种可以在人体体液中游泳的灵活机器人，它可以将救命药物输送到人体难以到达的地方。这种机器人具有生物相容性，可以根据需要改变形状，可以通过狭窄的血管。这个机器人是由水凝胶纳米复合材料制成的。研究人员在这种材料中加入磁性纳米粒子，以感知周围电场的变化。这些机器人被“编程”后，要么根据指令提前变形，要么利用流体流动自行在腔体中导航。

纳米蜘蛛机器人

哥伦比亚大学的研究人员成功研发了一种由DNA分子组成的纳米蜘蛛机器人，它可以沿着DNA的轨迹自由行走、转弯和停止。这种纳米蜘蛛机器人的直径只有4纳米，不到人类头发直径的百分之一。之前研发的DNA分子机器人虽然也有行走功能，但不会超过“3步”，而纳米蜘蛛机器人可以行走100纳米的距离，相当于行走“50步”。纳米诊断检测技术

在医学领域，“早发现、早治疗”已经成为医学常识，但传统检测技术的检测精度和准确度很难达到“早发现”的要求。因此，在检测和诊断疾病时，科学家们将注意力转向了纳米技术。

纳米粒子在疾病的诊断和治疗中发挥着独特的作用。纳米粒子不仅可以用于体内特定区域的成像，反馈局部环境信息，还可以作为诊断设备的关键部件，在体外快速检测血液和其他样本。医生可以使用纳米技术来减少疾病检测的时间和成本，并拯救更多的生命。

纳米成像技术

纳米材料在生物医学成像应用中表现出许多优良的物理特性。在纳米成像领域， 小型超顺磁性氧化铁纳米颗粒已被广泛用作磁共振成像造影剂，进行癌症成像检测。与传统的诊断方法相比， 纳米成像技术甚至可以提前几年发现一些癌细胞。

纳米材料在生物医学成像应用中表现出许多优异的物理性能。在纳米成像领域，小的超顺磁性氧化铁纳米颗粒已经被广泛用作用于癌症成像检测的磁共振成像中的造影剂。与传统的诊断方法相比，纳米成像技术甚至可以提前几年发现一些癌细胞。

纳米探针

纳米探针是一种用于检测单个活细胞的纳米传感器，其探针尺寸仅为纳米。根据不同的诊断和检测目的，医生可以将纳米探针植入人体，或定位在身体的不同部位，或让纳米探针随血液在体内运行。纳米探针可以随时将身体不同部位或血液中的各种生物信息反馈给体外记录装置。这项技术有望成为未来医疗领域最常用的手段。

纳米细胞检疫仪

纳米细胞检疫装置又称纳米级，可以称出质量为10-9g的物质，相当于一个病毒的重量。纳米细胞检疫装置可用于口腔、咽喉、食道、气管等人体部位的检疫。

纳米传感器

纳米传感器将其微小的尖端插入活细胞中，不仅不会干扰细胞的正常生理过程，还可以获得活细胞的动态化学信息和整体功能状态。中国科学院理化技术研究所唐研究组在纳米增强酶生物传感器研究方面取得重要进展。这项研究成果是利用Fe3O4纳米颗粒构建高灵敏度的葡萄糖生物传感器。研究表明，该生物传感器具有良好的抗干扰性能，在实际血清检测中表现出良好的检测效果。纳米技术需要克服哪些困难？

纳米技术在医学领域的革命才刚刚开始，发展并没有想象中那么顺利。主要有两个问题。第一个问题是纳米材料的安全性。与其他材料相比，纳米材料具有许多不同的物理、化学和生物特性，人们也对其潜在毒性、次级效应和生物降解性提出质疑。目前，纳米颗粒在药物递送或组织成像后在体内的长期滞留过程尚未得到深入研究。这些颗粒可能被肾脏降解或从体内清除，或者它们可能聚集在单个器官中并与细胞相互作用。如何评价纳米药物的安全性和毒性，如何优化纳米技术使这些医用材料适合人体生物系统，如何避免或减少可能的毒副作用，成为摆在人们面前的重要课题。第二个问题是工艺流程有很多瓶颈。与生物工程和化学合成不同，生物纳米粒子的制备是一个物理过程，其中物质分子和活性分子之间有无数种排列组合方式，制备过程无法用简单的方法监控。

总而言之，和其他前沿学科一样，纳米医学充满了机遇和挑战。但是，我们完全可以相信，在不久的将来，随着生物医学研究的深入和生物安全等问题的解决，纳米技术将成为医学研究和临床治疗中的重要手段，为许多重大疾病患者带来福音。