微米和纳米

解读 | 应用于医疗领域的纳米机器人研究成果小结

>>>> 纳米机器人的定义

纳米生物机器人急救系统是一种以纳米、微米尺寸的生物机器人为核心构建的便携式医疗装置,它由数种细胞机器人、病毒机器人、机电式微机器人以及微型聚变反应堆、大容量步兵用电池,核心计算机、变频半导体激光器阵列组成。

各个子系统的功能分别为:生物机器人获取伤患处信息、计算机控制生物机器人协调行动、微型聚变堆和电池提供能量消耗、半导体激光器阵列远距离提供能量。

系统的核心是纳米、微米级生物机器人。类比救护伤员的步骤,当医护兵确认是友军的紧急求救信息时,计算机会自动将生物机器人向友军源源不断地发射。生物机器人群到达伤口后,

  • 第一步是凝胶型生物机器人进入断裂的血管和流出组织液的地方,启动凝胶反应止血。

  • 第二步,一种长有微牙齿的生物机器人将伤口的死肉吃掉。

  • 第三步,两种病毒机器人和携带标准型人类遗传基因的干细胞机器人开始工作,一种病毒机器人负责读取伤者的DNA,一种病毒机器人负责将伤者的DNA覆写进标准型干细胞。

  • 第四步,激光搬运型机器人进入血管和破损的组织间隙,将伤者的血栓和先前进入的凝胶型生物机器人搬运出来,已经分化好的干细胞在激光搬运型生物机器人搬运下有序地填充进破损的地方。

这样复杂的系统,没有有力的指挥控制显然是不行的。所以,又有数种生物机器人构成了指挥群。其中包含:

  • 神经元型机器人。控制程序被编入机器人中,用来对激光搬运型生物机器人下达指令。

  • 压电和化学电感应型病毒机器人。负责感应压力信号和化学成分,并以编码形式传递给神经元型机器人。

  • 光敏型生物机器人。负责接收医护兵的激光数据链传来的信号和能量,并将信号传递给神经元型机器人。

  • 细胞型供能机器人。将光敏机器人传来的电脉冲能量转化为多种含能化合物并分泌。

  • 病毒型DNA读取机器人。随时对伤处的细胞进行抽样检查,以免将癌细胞作为正常细胞复制。

细胞群是通过医护兵的半导体激光器获得能量供应的,生物机器人群在飞行中则依靠飞行型微米机器人抬着飞。生物机器人群每完成一处修复,系统就会控制纳米机械型机器人群通过飞行型微米机器人抬着飞到动力盔甲的破损处,对动力盔甲进行修补。战场上,医护兵对战友进行远距离紧急救治的时候都会发出一束光照射队友。由于医护兵具备修复作为机械装置的动力盔甲的能力,因此对系统软件安装相应补丁之后,还可以利用修复盔甲的纳米机器人群对重型武器装备进行修补——但是代价是更高功率的能量需求。

研究团队及研究成果小结:

>>>> 香港中文大学,曼彻斯特大学

香港中文大学的张立教授和曼彻斯特大学Kostas Kostarelos教授带领的研究小组推出一款可生物降解的纳米机器人,未来可用于诊断疾病或者向人体内输送药物。研究成果“用于成像引导疗法的多功能生物混动磁铁机器人”以论文的形式发表于《科学机器人(Science Robotics)》期刊上,论文称机器人的生物降解性是一个新的概念,其中铁磁涂层可以帮助微调他们降解的速度。利用磁场,研究人员可以在复杂的生物体内精准遥控机器人。他们还进一步描述了机器人如何能够携带并释放出攻击癌细胞的有效药物。

>>>> 日本研究团队

日本研究团队研发了一种由DNA控制移动的微型机器人,能在特定的信号会发生形体变化,就像变形虫一样。该项研究成果已发表在国际期刊《Science Robotics》上,研究论文标题为“微米级分子机器人通过变形回应信号分子”(Micrometer-sized molecular robot changes its shape in response to signal molecules)。该机器人与其他纳米机器人不同,它完全是由生物和化学成分组成,整个系统有27种成分,其主体结构是磷脂双分子层制成的囊泡,当有紫外线照射时,光敏DNA会裂成单链,附着在染色体微管上,微管的结构十分稳定,而核苷酸三磷酸腺苷(ATP)会提供能量使染色体微管滑动,“冲击”磷脂双分子层,使机器人的外膜突出,从而改变整个囊腔的形状。

这种独特的运动方式,可以使机器人在微生物领域中大显身手,在肉眼看不见的微观世界里,完成人们自己不可能完成的任务,比如,配备微型电脑和传感器来探索微生物分子环境,或是作为药物的纳米载体等。更重要的是,该机器人还不到1微米。

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>>>> 中国科学院,亚利桑那州立大学

中国科学院国家纳米科学与技术中心(NCNST)和两位博士领导的研究团队与美国亚利桑那州立大学(ASU)生物设计研究所分子设计和仿生学中心主任博士的实验室合作,在《自然生物技术》(Nature Biotechnology)杂志上发表了题为“ A DNA nanorobot functions as a cancer therapeutic in response to a molecular trigger in vivo ”一文,文章对这种纳米机器人及其工作原理进行了详细描述。

人类目前对抗恶性肿瘤的方法还远远不够,这主要是因为体内的健康细胞也会被“连累”受到化学物质和辐射的“轰击”。研究人员一直在努力寻找一种靶向肿瘤且不伤害健康细胞的方法,由DNA折纸技术制造的纳米机器人可能是一个很好的选择。

解读 | 应用于医疗领域的纳米机器人研究成果小结

DNA折纸技术采用DNA链进行折叠。DNA折纸术是近年来提出的一种全新的DNA自组装的方法,是DNA纳米技术与DNA自组装领域的一个重大进展。

>>>> 中国科学院大学,清华生命科学中心,中国科学院动物研究所

如何精准的识别并杀死癌细胞是目前医学界的一大难题,用DNA制成的纳米机器人可能是一种有效的选择。《Nature》刊登了来自国内科研团队的研究成果,研究显示他们已经成功的使用纳米机器杀死了多种小鼠体内的肿瘤细胞,该研究团队的成员基本来自国内著名高校(中国科学院大学、清华生命科学中心、中国科学院动物研究所等)。

研究团队从病毒中提取DNA并将其转化为DNA片段。然后在上面加载一种名为“凝血酶”的酶(一种可以凝结血液的化学物质),然后将其卷成管状(凝血酶在DNA管的末端)。DNA纳米机器人将会受到相同DNA片段信号的指引,一旦纳米机器人被引入生物体内,他们就会四处走动,与具有相似DNA片段的细胞贴近时,它们就会附着,然后DNA管打开,暴露出凝血酶。凝血酶会凝结血液供应到肿瘤细胞内,可以有效地切断其营养物质供应并最终杀死它。

>>>> 慕尼黑工业大学

世界各地的科学家们寄希望纳米工厂的新技术用于分析生化样品或生产活性医药剂。

慕尼黑工业大学(TUM)的科学家已经开发出一种新型的电推进技术。科学家基于分子研发出一种DNA纳米机器(具体来说,是一只手臂),当技术发展成熟后,它就可以被用于完成“即时任务”。利用DNA分子的电荷可以快速、准确地移动手臂,使之受到电脉冲的控制移向正确的方向,DNA纳米机器人通过电场可使得机器速度比之前快10万倍,甚至可以在几毫秒内作出反应。

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>>>> 休斯顿大学

一个小机器人能够穿过人类身体内部的组织?

被称为millirobots的毫米级机器人能够对医院医用扫描仪产生的磁场变化进行响应,并以此为动力穿透山羊的脑组织,这一成就对生物医学的发展产生了重要作用。许多医学研究人员已经做过关于利用磁场推动和牵引机器人在人体内移动的实验。在这种背景下,休斯顿的研究人员在一个子弹型机器人内部安装了一个“磁力锤”,这个磁力锤可以产生足够的力量来推动机器人进入动物的大脑中。

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此外,机器人体内还含有一个不锈钢珠,它可以通过磁共振成像(MRI)扫描仪产生的磁场的方向变化,推动这个钢珠在机器人体内来回移动。当移向一个方向时,此钢珠可压到机器人后面的机械弹簧,这样,在弹簧将珠子释放的时候,就可以击打机器人的前端,将机器人锤击到更深的身体组织中。

这种机器人可以利用医院的标准的MRI扫描仪,也就是说在诊治过程中,医生在患者体内移动millirobots机器人的同时可生成患者的MRI成像。

>>>> 东京大学,东京医科齿科大学

人脑中因为有血脑障壁,除了葡萄糖等营养来源,血液中的物质几乎无法进入脑部,由日本东京大学和东京医科齿科大学所组成的研究团队“COINS”,日前成功开发出一种纳米机器人,直径只有30纳米(nm),表面由葡萄糖覆盖,在大脑血管的特定蛋白质与葡萄糖结合后,药物便能连带通过血脑障壁运送至大脑。

研究小组认为,透过运用这项技术,未来对一些脑部疾病可期望看到前所未有的治疗效果。

>>>> 加州理工学院

美国加州理工学院生物工程助理教授Lulu Qian和同事们开发出一种由单链DNA组成的纳米机器人,这种纳米机器人能够自主地在一种分子表面上“行走”,抓住某些分子,并且将它们释放到指定的位置上。相关研究结果发表在《Science》期刊上,论文标题为“A cargo-sorting DNA robot”。

Qian说,“我们想要派送纳米机器人到人类不能够去的微小空间,如血液。我们的目标是设计和构建能够执行复杂的纳米机械任务——货物分拣(cargo sorting)——的纳米机器人。”

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>>>> 杜伦大学,莱斯大学,北卡罗莱纳州立大学

英国杜伦大学、美国莱斯大学以及北卡罗莱纳州立大学的科学家们研发出一种被光激活的纳米机器人。当被光激活后,这种纳米机器人可以在数分钟内钻入癌细胞并杀死它们。这项研究成果发表在最新一期的《Nature》杂志上。科学家希望在未来这种纳米机器人可以用来非常精确地递送原子级别药物,或者实际上杀死癌细胞,包括那些对现有化疗有耐药性的癌细胞,从而导致新形式的治疗。

>>>> 哈尔滨工业大学机电学院,加州大学圣地亚哥分校

哈尔滨工业大学机电学院张广玉、李隆球教授和美国加州大学圣地亚哥分校约瑟夫·王教授合作的磁控微纳机器人取得重要进展,相关研究成果“磁场驱动自由泳式纳米马达”和“自主导航微纳机器人”分别发表在国际著名学术期刊《纳米快报》和《美国化学学会纳米》上。

微纳机器人是在微纳尺度上能够将不同形式的能量转化为机械运动的纳米机器人。由于尺寸小、装载能力强,微纳机器人有望横穿生物组织,运输靶向药物,实现肿瘤的精准治疗。然而,如何让机器人克服粘滞力,实现高效输送,并在人体复杂环境中实现精准操控,是面临的两大挑战。

研究团队通过采用仿生原理,发明了一种由振荡磁场驱动的镍—银—金—银—镍多金属复合结构纳米机器人。该机器人直径约为400nm,由多节柔性铰链组成,可模拟游泳运动员“自由泳”双臂交替运动形式在低雷诺数流体中快速移动,极大提高了磁驱纳米机器人的运动效率。

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>>>> 中科院沈阳自动化研究所

中科院沈阳自动化研究所的研究人员研发出具有实时视觉反馈能力的扫描微透镜超分辨成像技术,这种新技术可在自然条件下打破光学衍射定律所限制的观测极限,实现生命和非生命样品的超分辨实时观测,让纳米机器人的眼睛更加“锐利”。相关成果发表在《自然通讯》期刊上。

来源:工业机器人之家整理,转载请注明出处

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