微納米機器人醫(yī)生

萬密密 毛春

摘要：微納米機器人具備轉(zhuǎn)化周圍能量為自主運動能力的特性，可能會為藥物遞送、生物微手術(shù)、環(huán)境修復(fù)和微，納米工程等的應(yīng)用領(lǐng)域帶來全新理念，受到越來越多研究者的關(guān)注。文章對微納米機器人（微型醫(yī)生）在生物醫(yī)學(xué)疾病治療方面的研究進行介紹，為青少年提供微納米科學(xué)與技術(shù)的科普教育。

關(guān)鍵詞：微納米機器人;微型醫(yī)生;科普教育

文章編號：1008-0546（2020）11-0096-02 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.11.025

一、前言

十八世紀法國哲學(xué)家伏爾泰說過，生命在于運動。它的內(nèi)涵是，沒有物質(zhì)運動就不會有生命的產(chǎn)生，運動是生命發(fā)展的動力和源泉。基于此，對于具有自主運動能力微納米機器人的追求是多學(xué)科領(lǐng)域研究者日益增長的興趣和挑戰(zhàn)。微納米機器人憑借其獨特轉(zhuǎn)化周圍能量的能力，可能會徹底改變環(huán)境修復(fù)、微，納米工程、藥物遞送和生物微手術(shù)等應(yīng)用領(lǐng)域的現(xiàn)狀，特別是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，它們可能成為該領(lǐng)域發(fā)展重要的推動器。

二、微納米機器人醫(yī)生的起源

1959年，著名的物理學(xué)家、諾貝爾獎得主理查德·費曼（Richard Feynman）教授在他的經(jīng)典演講《底部空間很大》中暢談了他對微小尺度粒子的展望，并大膽提出“吞下外科醫(yī)生”的有趣設(shè)想。七年之后，藝術(shù)家們向費曼教授致敬，創(chuàng)作了科幻電影《奇妙的航行》，描繪了一艘載有外科手術(shù)小組的潛艇被微型化后注入到病人的血液中，開啟了不可思議的航行，并在航行中治愈已經(jīng)病危的病人。這部電影引發(fā)了全世界關(guān)于微型機器人極大的興趣與更多的期盼。

三、當前微納米機器人醫(yī)生的研究進展

將這個奇思妙想的科幻轉(zhuǎn)化為醫(yī)學(xué)實踐所需要的時間比那些樂觀的科幻作家以及未來學(xué)家們想象的時間要長得多。得益于近三十年微納米科學(xué)與技術(shù)的傾力投入，當前微納米醫(yī)學(xué)也正在以不可思議的速度發(fā)展前進。科學(xué)終于開始追上夢想。科學(xué)家們已經(jīng)在設(shè)計微納米機器人前往傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)無法到達的病變組織部位，并努力實現(xiàn)精確輸送藥物進行精準醫(yī)學(xué)治療，由此被稱之為“微納米機器人醫(yī)生”。目前，世界大多數(shù)科技強國已紛紛投入力量進行這方面的研究。

2018年11月，德國馬克斯普朗克智能系統(tǒng)研究所皮爾·菲舍爾（Peer Fischer）教授與國際科學(xué)家團隊（包括中國的科學(xué)家）一起研制出了一種可用于人眼疾病治療的螺旋槳狀納米機器人。該納米機器人可以在眼睛玻璃體這樣的致密組織中進行移動，抵達視網(wǎng)膜而不對組織造成損害。這是科學(xué)家們第一次實現(xiàn)引導(dǎo)納米機器人穿過眼部密集組織從而進行醫(yī)學(xué)治療行為。不過，該納米機器人的傳輸僅在模型系統(tǒng)或生物流體中得到了證實，而在真實組織中還沒有得到證實。該項研究的第一作者吳志光博士憑借其在微納米機器人領(lǐng)域取得的一系列成果，榮膺2019年《麻省理工科技評論》“35歲以下科技創(chuàng)新35人”中國區(qū)得主。

2019年武漢理工大學(xué)官建國教授研究團隊國際頂級綜述類期刊《化學(xué)研究評述》（《Accounts of Chem-ical Research》）上發(fā)表了題為“可趨向性運動的智能化微納米機器人”（“Intelligent micro/nanomotors withtaxis”）的綜述文章。他們系統(tǒng)地闡釋了微納米機器人產(chǎn)生趨向性的一般性原理，并認為利用微納米機器人的趨向性運動特性是賦予其智能行為的重要方式，而智能化是微型醫(yī)生所應(yīng)具備的性能。他們的文章很好地討論了目前該領(lǐng)域存在的問題和未來的發(fā)展方向。

2020年5月，南京師范大學(xué)毛春教授研究團隊在《科學(xué)》（《science》）的子刊《科學(xué)進展》（《science Ad-vances》）上發(fā)表了題為“血小板修飾多孔納米機器人治療血栓”（“Platelet-derived porous nanomotor forthrombus therapy”）的研究論文。他們開發(fā)了一種血小板膜修飾、可自主運動的多級孔納米機器人，用于治療靜脈血栓的連續(xù)靶向給藥以實現(xiàn)短期溶栓和長期抗凝的目的。靜脈血栓在世界范圍內(nèi)的發(fā)病率很高，常常會危及患者生命。當前靜脈血栓的治療方法有一些明顯的缺點，包括治療用溶栓藥物的半衰期短，因此需要頻繁大劑量全身給藥，這就帶來了醫(yī)療費用高以及副作用（出血、身體過敏和血壓不穩(wěn)定等）的危害。讓醫(yī)生更為頭疼的是，溶栓藥物到達血栓處，僅僅能夠停留在血栓表面而難以滲入血栓內(nèi)部，從而無法實現(xiàn)理想的治療效果。科學(xué)家們針對這些治療局限性所研發(fā)的微納米機器人負載兩種藥物，并憑借自身獨特的運動能力深入血栓后可控釋放藥物，從而明顯提高治療效果。

四、微納米機器人醫(yī)生的未來發(fā)展趨勢

生物醫(yī)用微納米機器人的研究已經(jīng)起航，涉及化學(xué)、材料學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、微納米科學(xué)、物理學(xué)等眾多領(lǐng)域，正形成綜合性的交叉學(xué)科，并迅速成為生物醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的前沿，它將為現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)研究提供新的理念、技術(shù)和方法，在微納米尺度上為當前存在的重要生物醫(yī)學(xué)難題和關(guān)鍵技術(shù)的突破拓展新的視野，建立新的疾病診療原理以及可能的創(chuàng)新應(yīng)用模式。2016年諾貝爾化學(xué)獎授予研究分子機器人的讓一皮埃爾·索維奇（Jean-Pierre Sauvage），J·弗雷澤·斯托達特爵士（sir J.Fraser Stoddart）和伯納德·L·費林加（Bernard L.Fennga）三位科學(xué)家也表明了微納米機器人在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要性和關(guān)注度。微納米機器人在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的未來目標是在疾病早期精確診斷、藥物高效靶向遞送、局部精準治療、清晰成像和細胞/組織內(nèi)部可控操縱的方面取得實際臨床應(yīng)用層面的進展。鑒于對這一前沿研究領(lǐng)域的巨大興趣，我們預(yù)計未來會有令人興奮的新想法和應(yīng)用。而這樣的科學(xué)技術(shù)發(fā)展最終將革命性地改變疾病的治療和診斷，為人類生活質(zhì)量帶來重大改善，并有助于實現(xiàn)健康人生的理想。

宏觀世界的機器對人類文明作出了巨大貢獻，使人類能夠完成超出自己能力范圍的任務(wù)，以提高人類生活質(zhì)量。生物醫(yī)用微納米機器人能夠在多大的范圍內(nèi)影響人類生命健康，這將取決于研究者們所投入的精力。也許，不遠的將來，可能僅需要吞下一些微納米機器人醫(yī)生就能完成現(xiàn)在手術(shù)室才能實施的艱巨醫(yī)學(xué)任務(wù)，屆時，你的家人也許會問“今天，你吃你的醫(yī)生了嗎？”。