知识窗
纳米技术在医学上的应用(1)
     20世纪50年代末美国著名物理学家、诺贝尔奖获得者费曼(R.Feynman)曾指出,如果有一天可以按人的意愿安排一个个原子,将会产生怎样的奇迹。如今,费曼当年的梦想已变成现实,人类已开始了在单个原子、分子层次上对物质进行探测和控制研究,并取得重大成果[1]。
     “纳米”是“nanometer”的中文译名,是长度的单位,1nm是10-9m,只有3个原子那么大,国际上公认0.1~100nm为纳米尺度空间。“纳米技术”是指在纳米尺度下对物质进行制备、研究和工业化,以及利用纳米尺度物质进行交叉研究和工业化的一门综合性的技术体系[2],即是指用数千个分子或原子制造新型材料及微型器件并进行研究的科学技术。
     1953物理学家活森和克里克利用X射线衍射技术揭开了DNA双螺旋结构,从而开辟了遗传学的新时代。20世纪50年代后期这两位科学家又开始了人类基因组计划的实施。跨世纪之际,人类基因序列揭晓,这是科学史上的巨大成就,具有相当深远的意义。在这一工程刚刚完成框架的时候,美国总统克林顿宣布美国将从2000年10月1日起实施新的“全国纳米技术计划”。近年来纳米技术在全世界得到了飞速发展,它将使材料和产品的生产方式以及可达到的性能发生彻底变革,所以美国IBM公司首席科学家Amotrong说:“正如20世纪70年代微电子技术引发了信息革命一样,纳米技术将成为21世纪信息时代的核心”。在纳米技术发展的初期,我国科学家已经开始关注这方面的研究。20世纪90年代初,钱学森院士对80年代以来纳米技术的进展情况进行分析时曾高瞻远瞩地指出:纳米左右和纳米以下的结构,是下一个阶段科学发展的重点,会引发一次技术革命,一次21世纪的产业革命。我国有关纳米技术研究一直处于世界领先水平。
    1 利用纳米技术进行生物工程和医学工程研究
     进行生物工程、医学工程研究不得不提扫描隧道显微镜(STM),STM是苏黎世研究所的G.Binnig和H.Rohrer在20世纪80年代初发明的,其基本原理是量子隧道吸引和扫描,是一种新型的高分辨率显微镜,它能以原子级空间分辨率来观测物质表面原子或分子的几何分布和态密度分布,从而确定物体局域光、电、热、机械等特性。利用STM人们可以在真空、大气或液体中对物质进行原子级分辨的无损观测,还有很重要的一点是STM可以直接对原子、分子进行操纵,因而STM已成为研究纳米技术的主要工具。
     分子生物学的研究焦点是生物大分子(蛋白质和核酸是两种重要的生物大分子)的结构和功能,而蛋白质和核酸两种大分子的尺度均在几个到几十个纳米的范围之内,一般光学显微镜无法观察。而STM可以在自然条件下对生物大分子进行原子级直接观察,效果直观,分辨率高。早在1989年初,美国科学家发表了第一张大气环境下的DNA分子的STM图像,同年,我国科学院原子核研究所与上海细胞所合作,获得了鱼精子B型DNA的直观图像。应用STM研究蛋白质结构也取得不小的进展,我国科学家获得了人体β1珠蛋白基因的某个调控过程中DNA形成环结构的STM图像。另外STM还用于观察细胞内各种细胞器的结构和功能;细胞内外之间及生物体的物质、能量和信息交换。科学家在物理技术帮助下,以纳米为尺度研究了分子工程、细胞工程等,使人类对生命本质的认识越来越清晰,生命的奥秘在纳米技术帮助下终将被人类揭晓。
     纳米机器人的研究是医学工程方面最具诱惑力的,微操作机器人系统可在医学工程研究中进行显微注射与显微切割,据报道微型医用机器人已在瑞典开始制造,这种机器人由多层聚合物和黄金制作,外形类似人的手臂,其肘部和腕部很灵活,有2~4个手指,实验已进入能让机器人捡起和移动肉眼看不见的的玻璃珠的阶段。科学家设想可以应用纳米技术仿照生命过程的各个环节制造出各种各样的机器人,将把这些机器人放在血液、尿液和细胞介质中工作,例如可以专门清除血管壁上的沉积物、疏通脑血管中的血栓的机器人,从而减少发生心血管疾病的概率;可以进入组织间隙专门清除癌细胞、杀死癌细胞的机器人;使原来需要进行大型切开的手术变成微型切开或非手术切开,使手术局部化的机器人;最高级的应是包含有纳米计算机的,可以进行人机对话的机器人,这种机器人一旦研制成功,可以大大提高工作效率,人类的劳动方式将发生彻底的变革。
    
<关闭窗口>