机械工程与生物学的融合—纳米机器人

生物导论结课论文

学院：机械工程学院

专业：机械制造及其自动化

姓名：陈凯

学号： 123108305

二〇一二年十二月十三日

机械工程与生物学的融合

--医疗纳米机器人

摘要

生物机械工程(biomechamical engineering) 是生物医学工程学的重要组成部分, 它利用现代生物学、医学、工程学、信息科学与技术的理论和方法, 研究、创造新材料、新技术、新仪器设备, 用来治疗、康复、保健, 保障人民健康, 提高医疗水平, 是推动现代医学进步的一门新兴交叉学科。该学科的研究内容涉及生物学、医学、生物力学和生物流变学、材料学、机械学、仿生学、电子学、计算机与信息科学、控制理论等, 其中人体适用材料、人工器官、医疗器械、远程诊疗系统、运动与康复机械、医用与仿生机器人等内容的研究、设计、制造都与机械工程密切相关。本文讲述的是纳米机器人在医疗上的应用及原理。

关键词：生物机械工程纳米机器人生物医学工程

1.生物机械工程的研究现状及其意义

国外在生物机械工程方面的研究起步较早, 许多研究成果已进入实用化阶段。目前, 美国、日本及欧洲一些国家在该领域的研究处于领先地位, 许多发达国家在高等院校、科研机构建立了有关生物医学工程学的教学系、科和研究机构。我国于1980 年建立中国生物医学工程学会,相继成立了有关专业分会。目前, 我国已有相当一批高校、科研单位建立了有关生物医学工程的所、系、科室, 从事该领域的科学研究和教学工作, 有些高校专门成立了生物工程学或生命科学学院, 可见在我国也已经引起重视。但由于多方面因素的限制, 我国生物医学工程在大多数领域仍落后于国际先进水平, 尤其是在生物机械工程方面。随着我国人民生活水平的提高, 人们也开始关注自身的健康问题, 对医疗水平和生活质量提出了更高的要求。先进的治疗手段、人工器官的移植、运动与康复机械和医用与仿生机器人的使用将会愈来愈普遍。因此, 大力推动生物机械工程的研究与开发, 将大大促进生物工程、生物医学工程学科的建设与发展,对提高我国医疗保健水平、保障人民健康、提高生活质量等将产生深远的影响, 具有重大的社会和经济效益。

2.纳米机器人在医疗上的作用

2.1细胞与基因的修复

随着人类对物质控制能力的不断进步，将会诞生分子大小的机械部件，可以组装成比细胞还要小的微型机器。人工制造的“细胞修复机”，在纳米计算机的操纵下，可以逐个的原子进行操作修复，修正DNA的错误，维护个别细胞的成分。

2.2清理体内垃圾

人的机体是一个保持自然平衡的有机体，通过新陈代谢可以起到吸收新鲜养分、排除有

害物质的作用。但有时候人体自身平衡出现问题，无法实现自我平衡。例如，铅、汞中毒，无法排出，也无法被分解。这时如果派纳米机器人进入体内，就会极具目的性的把这些有害物质清除体内，使人体恢复自然平衡。

2.3养护血管

人体的脑部血管常会有些天生脆弱的地方，平时不表现，但在意想不到的时候，可能突然发生破裂，导致脑溢血。如果我们事先派纳米机器人进入血管，细细检查，并且一一修复那些脆弱血管，就可以避免悲剧的发生。有时血管中会产生血栓，堵塞血液正常流动。如果把纳米机器人导入血管，可以把血栓打成小碎片，避免血栓的发生。

2.4杀死癌细胞

美国哥伦比亚大学生物工程学研究人员米兰·斯托诺维克等人研制出一种可以进入人体的纳米机器人，它们的外形很像蜘蛛，因此又称为“纳米蜘蛛”微型机器人。它们能够跟随DNA的运行轨迹自由地行走、移动、转向以及停止。它们可以区分健康细胞和癌细胞，及时发现癌细胞后发出警报。成千上万只纳米蜘蛛就源源不断地向癌细胞聚集，一起合力杀死癌细胞。

3.纳米机器人结构与特点

3.1纳米机器人的结构

25年内，纳米技术学家期望实现这些存在于科学陈列室中的想法，创造出真实的、可以工作的纳米机器。这些纳米机器有微小的“手指”可以精巧地处理各种分子；有微小的“电脑”来指挥“手指”如何操作。“手指”可能由碳纳米管制造，它的强度是钢的100倍，细度是头发丝的五万分之一。“电脑”可能由碳纳米管制造，这些碳纳米管既能做晶体管又能做连接它们的导线。“电脑”也可能由DNA制造，用适当的软件和足够的灵巧性进行武装的纳米机器人可以构建任何物质。

3.2纳米机器人的独到特点

组成纳米级原件的元素主要有碳、氢、氧、硫，其中碳元素最总要。这是因为由碳原子组成的金刚石和纳米碳管强度高，为化学惰性，不会引起免疫反应和过敏休克反应，所以应用性强。

不过，纳米医学的独到之处在于它的精确性。随着纳米技术的进步，医疗纳米机器人将装备通信和导航系统。同时人体也会置入通信和导航系统。这样医生可以在分子水平上精确控制进入人体的纳米机器人。每种医疗纳米机器人表面装有特定的抗体，能与人体特定的细胞抗原结合，从而保证医疗纳米机器人准确到达要修复的组织和器官中。人体内的纳米机器人通过其表面抗体与细胞表面抗体的专一性，准确识别并作用于专一部位，从而完成医疗任务。

4.纳米机器人的工作原理

纳米机器人实质是分子机器人，是分子仿生学中的一个重要内容。纳米机器人根据分子

水平的生物学原理为设计原型，是一种可在微小的纳米空间内进行操作的“功能分子器件”。事实上，每一个细胞都是一个活生生的纳米机器人，细胞不仅将燃料转化为能量，而且按照储存在 DNA中的信息来建造和激活蛋白质和酶，对不同物种的DNA进行重组。医疗纳米机器人被注入人体后，开始在人体内循环。然而，处于循环状态的医疗纳米机器人在靶域之外，完全不具有活性。当纳米机器人进入靶域后，靶域细胞表面抗体会被医疗纳米机器人检测到。此刻，医疗纳米机器人转入活性状态。当然，纳米机器人要得到监管医生的声音指令后才最终转入治疗状态。由于人体内已经置入了导航系统，所以整个治疗过程完全处于监管医生控制之下。

纳米机器人还可以携带化学药物，并且准确送达靶细胞，并且，其表面传感器能检测周围药物的浓度，从而控制药物的释放剂量。

有关医疗纳米机器人在人体内的驱动问题，美国康奈尔大学研究人员在活细胞内的能源机制启发下，制造出的一种马达。这种微型马达以三磷酸腺苷酶为基础，依靠为细胞内化学反应提供能量的高能分子三磷酸腺苷（ATP）为能源。

美国科学家正在进行一项新研究，让纳米仪器利用为精子长距离游动提供能量的生物能为动力，用来释放药物，或者在人体内执行机械功能。首先，这些研究人员针对精子的特殊部位，用一个可以粘贴在特殊的金表面的标签取代了己糖激酶(糖酵解的第一个酶)。这种酶即使在受到限制的时候，仍然能产生作用。接着，他们在糖酵解途经的第二个酶——葡萄糖-6-磷酸异构酶上作了标记。这种酶在受到限制后，还仍然具有活性。粘附在相同支撑物上的这些酶会依次产生作用，第一个反应的产物成为第二个反应的基础。

5.结语

随着科学技术的发展以及现阶段医疗水平的提高 ,人类都在尽力开发各式各样的纳米机器人。国内生物机械工程方面的研究和应用, 虽然从1980 年以来在引进、消化及推广应用上已有一些成果, 但与发达国家相比差距太大。具体表现在:政府部门未能把人民群众的生活质量、医疗水平和生命保障问题放在足够重视的地位; 对生物机械工程技术研究开发的重大意义认识不足; 企业对研发生物机械产品和开拓市场显得信心不足和缺乏热情; 生物机械学科没有真正建立, 学术地位没有真正确立; 生物机械工程研究人员很少, 研究经费严重不足, 对基础理论、材料及工艺的研究不够, 设计制造水平不高。以心脏起搏器为例, 由于受经济发展水平的制约, 现在国内每百万人年植入仅8 台, 而美国为300～400 台。目前尚未发现全面介绍这方面内容的文献。国内多数先进的医疗设备、仪器、器械均需要进口, 花大量外汇, 严重制约了我国医疗事业的发展, 影响医疗水平和人民健康水平的提高。因此，应组织强有力的科研团队, 大力开展生物机械工程的基础理论研究, 强化生物机械工程与医学、多媒体通信技术、仿生学、人机工程学等学科交叉与综合的研究, 大力推动人体适用纳米机器人方面的研究和推广应用, 切实提高生物机械的研究、设计、生产工艺和制造水平。