纳米新世界！纳米机器人距离现实还有多远

　　中国小康网 独家专稿

　　文｜《小康》·中国小康网 降蕴彰

　　在纳米机器人研究方面，我国已经进入全球第一梯队。2020年8月成立的君全智药是国内首家从事医学智能纳米机器人研发及产业化的创业公司，这标志着我国医学智能纳米机器人的产业化迈出了重要一步。

图片/米粒

　　美国理论物理学家、诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼1959年12月发表了题为《微观世界有无垠的空间》的演讲。在这次演讲中，他开创性地提出了“纳米技术”的概念，设想未来纳米级微型机器人可以进入人体内部，帮助患者治疗各种人体疾病。

　　理查德·费曼关于纳米机器人的论述，听起来像天方夜谭，但如今却正在逐步变成现实。近年来，许多国际顶尖纳米科学家已经将纳米机器人用于治疗各种疾病的研究中。2020年8月，世界顶尖科研期刊《Nature》发表论文指出，美国宾夕法尼亚大学联合康奈尔大学研究团队成功研发出全球首款“微米机器人”：高5微米、长40微米、宽70微米，比头发丝还细千倍，通过显微镜才能看到。该项实验作者Itai  Cohen教授认为，这种“微米机器人”可在高酸性、高温的恶劣环境生存，还可以被移液器和注射器安全吸入，像化学物质一样通过皮下针头注射，进入人体各个部位，在人体内准确抵达某个部位，配合医生进行高精确度操作，进行智能微手术；甚至可在分子层面对原子和细胞结构进行一系列的改造。

　　《小康》杂志、中国小康网注意到，据英国《新科学家》周刊网站2023年12月6日报道，纽约大学物理系的Feng  Zhou及其同事利用四条DNA（脱氧核糖核酸）链创造了只有100纳米宽的微型机器人，可以对人类血液中的癌细胞进行搜索和摧毁。更神奇的是，这种DNA纳米机器人能够以指数方式快速自我繁殖，显著提高制药效率。

　　我国政府在2005年发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中对纳米技术做出具体的发展规划。具体到纳米机器人，中国科学院院士、国家纳米科学中心主任赵宇亮介绍，目前在纳米机器人研究方面，我国已经进入全球第一梯队。乔治亚大学物理系杰出研究教授赵奕平是最早开展纳米机器人研究的华人科学家之一，据他观察，目前在微纳机器人这个方向，国际上大约有一半的文章是中国学者发表的。

　　国家纳米科学中心副主任聂广军是纳米药物领域的国际顶尖科学家，长期致力于研究智能纳米药物用于肿瘤微环境感应和调控。他带领研究团队与美国亚利桑那州立大学合作，构建了一种能够在小鼠、猪等动物活体内定点输运药物的纳米机器人。该项研究表明，DNA纳米机器人对血管丰富的肿瘤类型(如肝癌、黑色素瘤和肉瘤)疗效最为显著，可以使75%的荷瘤小鼠达到肿瘤完全消退，在小鼠和巴马猪模型中显示出良好的生物安全性和免疫惰性。

　　这次由我国科学家聂广军团队引领的纳米技术潮流，首次实现了纳米技术输运高活性生物分子，在动物活体内实现复杂的肿瘤特异性识别和抗肿瘤功能，属于智能纳米药物递送技术中的巅峰技术。聂广军团队的相关论文2018年在国际顶级期刊《自然生物技术》(Nature  Biotechnology)发表之后，被美国《科学家》（The  Scientist）杂志将其与液体活检、同性繁殖、人工智能一起评选为2018年度世界四大技术进步，并入选了2018年“中国科学十大进展”。

　　纳米机器人在许多领域有着广泛的应用，其中最重要的就是在医疗领域的应用。近年来，医用纳米机器人的研发取得不少可喜的成果。不过，医用纳米机器人目前仍处于研究和实验阶段，还未进入临床医疗。其最主要原因，是纳米机器人在生物安全性、驱动、体内导航等方面仍然存在诸多风险和挑战。

　　《小康》杂志、中国小康网从国家科技部获悉，目前我国已经有为数不多的高科技企业从事纳米机器人的开发和产业化布局。其中，2020年8月成立的君全智药（全称为北京君全智药生物科技有限公司）是国内首家从事医学智能纳米机器人研发及产业化的创业公司。该公司总经理史权威是国家纳米科学中心研究员。聂广军教授目前担任君全智药首席科学家。

　　一个最前沿的研究领域

　　纳米机器人，顾名思义，是一种尺寸在纳米级别的机器人。1纳米是1米的10亿分之一，大约50微米宽的头发丝也要比一个1纳米的物质宽5万倍。纳米机器人的尺寸通常只有几十到几百纳米，超过这个范围，就难以产生足够的驱动力来推进它们的运动。

　　纳米机器人通常由分子、纳米管和纳米颗粒等纳米材料构成，涉及的学科包括生物学、材料、物理、化学、人工智能、微纳电子等等，是一个学科高度交叉的领域。科研人员能够在模拟条件下，通过化学能、电能、磁能、光能等各种方式，让这些微纳米尺度的人造分子与颗粒自主运动起来，在非常小的空间内进行操作，完成一些特殊的任务。在医疗、环保、能源、材料科学、计算机等领域，纳米机器人都有着广泛的应用前景。

　　具体来说，在医疗领域，纳米机器人可以进入人体内部进行治疗和药物传递，实施精确的药物释放、癌细胞的清除等；在能源领域，可以被用来开发更高效的太阳能电池和更先进的储能技术，可以被用来提高化石燃料的开采效率和减少能源的消耗；在环境领域，可以被用来清理海洋污染和处理污水，还可以被用来监测和控制环境污染；在材料科学领域，可以被用来制造纳米结构材料，如纳米管、纳米线、纳米颗粒等，以及进行材料表面处理和化学反应等；在计算机领域，可以被用来制造超级计算机、量子计算机等；在军事领域，可以被用于制造更小、更灵活的军用机器人，例如“蚂蚁士兵”等……

　　现在许多国家和机构在研究和制造纳米机器人。美国的哈佛大学、马萨诸塞理工学院、瑞士的苏黎世联邦理工学院等都在这个领域做出了重大贡献。早在2012年，美国的哈佛大学就制造了一种大小仅为100纳米，可以被用来传递分子和控制化学反应等任务的“DNA纳米机器人”；2018年，瑞士的苏黎世联邦理工学院制造了一种被称为“Flywalker”的机器人，体积仅有70纳米，可以在显微镜下进行控制；2023年3月6日，韩国光州科学技术研究院（GIST）宣布，该学院研究团队成功开发出“载药用于治疗脑部疾病的微纳机器人导航系统”技术，成功地将磁性药物靶向技术应用于脑肿瘤和中风疾病模型。

　　纳米机器人在医疗领域有极其重要的作用。利用纳米医学机器人实现对人类重大疾病的精准诊断和治疗是科学家们追逐的一个伟大梦想。哈佛大学医学院陶伟教授的研究方向主要聚焦在药物的智能递送系统上，包括生物材料、纳米技术和药物递送系统，“纳米机器人”正是很好的运输工具。他指出，临床上其实有很多有效的药物，却不能很好地治疗疾病，其中一个原因是药物不能准确地到达病灶部位并针对性地释放药物，造成毒副作用大、治疗效果差等问题。

　　作为一名生物医学工程研究员，陶伟具有材料科学、纳米技术和生物学等多学科背景。他主导开发了多种具有独特药物递送功能的智能载体系统，能够主动靶向病灶部位，并且通过内在刺激或者外部刺激精准地“按需”可控给药，在减少毒副作用的同时实现精准医疗和高效治疗。他的这一研究成果“为眼部疾病治疗带来新的可能”。2020年12月，在由DeepTech  深科技与《麻省理工科技评论》共同评选的第四届中国区“35岁以下科技创新35人”榜单中，陶伟凭借出色的医学成就光荣入选。

　　主办方给出的获奖理由是：主导开发了多种具有独特药物递送功能的智能载体系统，以实现重大疾病的高精准度、“按需”可控治疗；研发了一系列程序化的刺激-响应纳米材料机器人，能够主动靶向病灶部位，并且通过内在刺激或者外部刺激精准地“按需”可控给药，在减少毒副作用的同时实现精准医疗和高效治疗。

　　2022年，陶伟课题组的工作主要集中在先进mRNA药物递送系统、靶向心血管疾病的siRNA纳米药物、药物递送和组织再生水凝胶、智能口服给药系统、诊疗纳米药物等的开发。陶伟表示：“我的目标始终是实现所研发的药物递送技术的商业化、产业化，使其能够真正地应用于临床治疗，改善肿瘤、心血管疾病、糖尿病等病人的健康状况。”

潜力无限 纳米机器人技术是一个快速发展的领域，在医疗保健、制造和环境监测等领域都具有广阔潜力。图片/米粒

　　跻身国际第一梯队

　　2022年7月17日，“中国纳米25人”院士高峰论坛在广州举行，赵宇亮、颜德岳、陈和生等二十多位院士级别的权威专家出席并做了主题报告。本次论坛重磅发布了88项国际领先纳米科技产业化成果，其中，具有世界领先水平的肿瘤治疗纳米机器人最受瞩目。

　　广东粤港澳大湾区国家纳米科技创新研究院医用DNA纳米机器人项目助理张甜参加了本次论坛。据她介绍，目前现有的肿瘤治疗药物除了杀伤肿瘤细胞之外，也会杀伤人体正常细胞。医用DNA纳米机器人可以直接通过静脉注射，借助DNA纳米结构特异性识别功能，待药物到达特定肿瘤位置，DNA纳米结构便会展开，其内部载带的药物旋即释放出来，使得抗肿瘤药物只针对特定肿瘤细胞产生作用。医用DNA纳米机器人可以直接在体内降解，不需要经过肝脏代谢，所以毒副作用非常低。

　　纳米机器人技术是一个快速发展的领域，在医疗保健、制造和环境监测等领域都具有广阔的潜力。哈尔滨工业大学微纳米技术研究中心贺强教授团队2021年在机器人领域权威期刊《科学·机器人》（Science  Robotics）发表了一篇论文，通过设计一种使用磁性材料的微型机器人，并利用旋转磁场对机器人进行远程导航，将药物输送至小鼠的组织，从而治愈了小鼠的脑瘤。为了治愈小鼠的脑瘤，这款微型机器人的宽度大约只有人类头发丝的百分之一，从而可以毫不费劲地游动。贺强教授介绍，现在国内专门研究纳米机器人的课题组，已经超过了50个。

　　纳米机器人是一种具有远大前景的新兴技术，为了推动纳米机器人行业发展并规范其应用，目前有60多个国家已经制定了相应的发展战略。中国作为全球创新驱动发展的重要参与者，也意识到纳米机器人行业的潜力，从2019年开始，国家科技部就将纳米机器人列为纳米医学一个新的、重要的研究方向，在政策支持方面采取了一系列举措。而在地方政府的发展战略中，也将纳米机器人列入官方政策规划。比如，在《北京市机器人产业创新发展行动方案（2019—2022年）》中，就明确提出，要加快骨科手术机器人、纳米机器人等医疗机器人技术和产业布局，推动机器人临床应用研究，开展下一代手术机器人远程手术、安全操控等核心技术研发及产业化；2022年3月，黑龙江省印发的《“十四五”生物经济发展规划》中，也明确提出，要大力培育百亿级生物医学工程产业示范基地，加快发展纳米机器人、高通量生化分析仪、自动化免疫分析仪等高端医疗设备……

　　国家纳米科学中心是由中国科学院和教育部共同成立的中科院直属事业单位。赵宇亮是在2023年10月卸任国家纳米科学中心主任的，据他介绍，国家纳米科学中心的研究团队已经在设计一些微纳生物机器人的雏形，比如基于化学自组装芯片的治病纳米机器人，通过模块化设计提高智能药物的拓展性、交叉性和功能性。微纳生物机器人结合杂合生物系统中元件/模块的感知、识别、趋化、响应等特性，将发展为下一代肿瘤精准免疫诊疗的新策略。

　　纳米机器人新技术新产品的出现，将会对监管带来一定的挑战。为加强对纳米技术医疗器械产品的监管，让监管与纳米技术同步发展，国家纳米科学中心与国家药监局医疗器械技术审评中心、中国食品药品检定研究院共同组建了国家药监局纳米技术产品研究与评价重点实验室，在纳米技术医药产品安全性、有效性评价和标准建设等方面，研究开发新工具、新标准、新方法，为监管部门评价相关产品提供技术支撑。

　　当前，我国已发布一系列纳米医疗器械的审评标准、指南和指导原则。这些政策文件是推动纳米技术发展以及相关科研成果在医药领域转化应用的助推器。

　　产业化迈出重要一步

　　纳米机器人的研发已成为当今科技的前沿热点。根据公开报道，国外有一些纳米机器人研发单位看好纳米机器人的应用前景，已经开始投入巨资，推动纳米机器人科研的成果转化，意在抢占纳米机器人战略高地。比如，2017年，一家总部位于加州的初创公司BionautLabs成立，该公司研发的微型机器人可以被送入人类大脑深处，以治疗其他方法无法医治的顽疾。2022年4月，该公司对外宣布，计划在两年内针对其微型可注射机器人进行首次人体临床试验。

　　目前，我国在纳米机器人领域尚未推进到临床试验阶段。中科院化学研究所副研究员张莹等人在2021年底发表的一篇题为《纳米机器人在靶向药物递送系统中的研究进展》的文章中写道，为了满足生物医学应用的实际需求，纳米机器人在生物安全性、驱动、体内导航、体内安全性等方面仍然存在诸多挑战。

　　纳米机器人的生物安全性是纳米机器人走向实际应用的基础。张莹等人指出，纳米机器人进入体内对生物体造成的可能影响以及完成任务后如何从体内消除是值得关注的问题。选择具有良好生物相容性、生物降解性以及可靠安全的材料是关键。纳米机器人需要在血液、尿液、间质液等生物介质中，持续推进以完成医疗任务，然而，生物体内液体环境复杂，生物介质通常是非均质的，这给纳米机器人在生物体内的持续推进带来了不确定性。

　　纳米机器人在体内自主导航和精确操控方面，目前主流的设计是通过光学显微镜、荧光显微镜、超声显微镜等成像技术来精确定位与追踪纳米机器人在体内的运动。不过，贺强指出，如今最先进的体内成像系统还无法“看见”纳米这个级别的物体，即无法“注视”到单个的纳米机器人，只能通过追踪纳米机器人集群的方式实时定位和规划路径，而且成像的速度也赶不上纳米粒子在血液中运动的速度。他认为，从细胞实验、动物实验走向临床试验，还有大量的研发工作要完成，成本很高、时间很长。

　　对于我国纳米机器人的产业创新，赵宇亮近日对外透露，国家纳米科学中心相关团队“正准备将可注射治病纳米机器人推向临床应用”。他这样解释，药物递送第一代技术和第二代技术与医疗器械无关，但第三代技术升级为智能化纳米载体后，就与医疗器械有着紧密关系。“以可注射治病纳米机器人为例，它只有细胞的1/100大小，在体外组装好后被注射到体内。它可以在体内主动找到肿瘤病灶处对肿瘤进行治疗，并在治疗结束后主动降解排出体外。这方面的基础研究，我国走在世界前列。”

　　《小康》杂志、中国小康网获悉，2020年，在国家创新药研发政策的鼓励、国家自然科学基金委优秀项目北京对接会的引导，以及天使投资机构的大力支持下，君全智药正式成立。并且成立不久，就获得了纳通科技集团和英诺天使基金的投资。据悉，君全智药已建立了具备DNA纳米技术生产工艺开发与质量研究功能的实验室，并完成了多种2D、3D的DNA纳米结构批量制备的工艺开发。

　　君全智药将致力于成为DNA纳米技术行业领军企业。该公司总经理史权威表示：“我们现在是first，未来希望做行业里的best。”毫无疑问，君全智药的成立，标志着我国医学智能纳米机器人研发及产业化迈出了重要一步。

　　（《小康》·中国小康网 独家专稿）

　　本文刊登于《小康》2024年1月上旬刊