关于纳米机器人的报告

第一篇：关于纳米机器人的报告

关于纳米机器人的报告

纳米机器人的研究属于分子仿生学的范畴，它根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。纳米生物学的近期设想，是在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。合成生物学对细胞信号传导与基因调控网络重新设计，开发“在体”（in vivo）或“湿”的生物计算机或细胞机器人，从而产生了另种方式的纳米机器人技术。

纳米生物学的设想，是在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。涉及的内容可归纳为以下三个方面：

1.在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的联系； 2.在纳米尺度上获得生命信息，例如，利用扫描隧道显微镜获取细胞膜和细胞表面的结构信息等； 3.纳米机器人的研制。

纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容。

第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，这种纳米机器人可注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗。还可以用来进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的DNA，或把正常的ＤＮＡ安装在基因中，使机体正常运行。

第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置。第三代纳米机器人将包含有纳米计算机，是一种可以进行人机对话的装置。

在纳米生物学原子力显微镜(Atomic force microscopy, AFM)和光镊(optical tweezers)应用最为广泛。

原子力显微镜(Atomic force microscopy)是20 世纪80 年代问世的扫描探针显微镜的(scanning probe microscope, SPM)的一种。它的放大倍数远远超过了常规的光学显微镜和电子显微镜镜, 其极限达到了10 亿倍, 可以直接观察物质的分子和原子。另外,AFM 的样品制备非常容易, 还可以在模拟生物学环境中使用, 这些优势使它广泛应用于蛋白质大分子的拓扑学分析、多蛋白复合物结构解析等方面的研究。在对AFM 的针尖进行一些特殊的处理之后, 它可以粘附生物大分子, 从而使我们可以利用微悬臂的形变来对其进行一系列的力学性质的测量。

光镊(optical tweezers)技术也是上个世纪80 年代兴起的一种微观动力学测量技术。它利用激光束形成的三维势阱控制微观物体的位置和移动, 可以探测纳米级的位移以及皮牛级的相互作用力, 广泛应用于马达蛋白运动以及RNA 聚合酶工作原理等研究方向。与AFM相比, 光镊系统对分子相互作用力的测量精细度更高, 但会受限于激光器功率;原子力显微镜则不会遇到这方面的问题, 并且凭借其操作简单方便的优势,可有效的弥补光镊系统的缺陷。

原子力显微镜与光镊技术的有机结合, 可以在分子及原子水平剖析重要的生物大分子的结构功能相关性, 这将为详尽描绘生物大分子的功能奠定基础, 同时还将极大地推动现有的分子细胞生物学研究的进展。随着纳米技术与生命科学结合程度的深入, 越来越多的纳米技术将被应用于生命科学研究领域,为生命科学的研究手段带来了革命性的变化。除去现在广泛应用的原子力显微镜和光镊技术外, 量子点、相干反斯托克斯拉曼显微 等高新技术亦正在蓬勃发展, 可以预见, 在不久的将来, 伴随着更多更先进的纳米生物学技术在生命科学中的有效应用, 越来越多的生命科学难题将在分子及原子水平得到诠释。

纳米机器人的动力——分子马达

分子马达（molecular motor），是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，第一个反应的产物将会成为第二个反应的基础。

穆凯和特拉维斯表示，这只是在无机支撑物上复制整个糖酵解途径的最初几步，他们指出，他们的研究从原理上为精子中的糖酵解途径的组织如何在纳米设备上产生三磷酸腺甙提供了一个天然的工程学解决方案。参考文献

[1]姜忠义 纳米生物技术【M】 北京 化学工业出版社 2003 2]李易 纳米技术取得进展【J】国外科技动态 1998.11 [3]李沐纯等.中国现代医学杂志，2003 [4]纳米机器人——分子仿生学新领域《中国高新技术企业评价》2001 [ 5]纳米生物学研究中的新技术* 刘丹，郭振，王振兴，张凝，姚雪彪（中国科学技术大学微尺度国家实验室, 合肥230026）世界科技研究与发展——工程技术研究专题 2005.2 [ 6 ] 纳米机器人维护人体健康*，中国计量测控网，2010.6 [ 7 ] 纳米机器人——分子仿生学新领域《中国高新技术企业评价》2001

第二篇：纳米机器人论文

纳米机器人在生物学上的应用

学号：34 姓名:100821234 学院：生命科学技术学院 班级：1008212

摘要：纳米技术与分子生物学的结合将开创分子仿生学新领域。分子仿生学模仿细胞生命过程的各个环节，以分子水平上的生物学原理为参照原型，设计制造各种各样的可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”———纳米机器人。纳米机器人的研制和开发将成为２１世纪科学发展的一个重要方向。关键字：纳米技术 纳米机器人 分子马达 1前沿：纳米机器人的研究属于分子仿生学的范畴，它根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。纳米生物学的近期设想，是在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。合成生物学对细胞信号传导与基因调控网络重新设计，开发“在体”（in vivo）或“湿”的生物计算机或细胞机器人，从而产生了另种方式的纳米机器人技术。

2纳米生物学与纳米机器人

纳米生物学的设想，是在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。涉及的内容可归纳为以下三个方面：

①在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的联系。

②在纳米尺度上获得生命信息，例如，利用扫描隧道显微镜获取细胞膜和细胞表面的结构信息等。

③纳米机器人的研制。

纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容。

第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，这种纳米机器人可注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗。还可以用来进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的DNA，或把正常的ＤＮＡ安装在基因中，使机体正常运行[1]。

第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置。

第三代纳米机器人将包含有纳米计算机，是一种可以进行人机对话的装置。

3纳米机器人不久将进入我们的生活

用不了多久，个头只有分子大小的纳米机器人将源源不断地进入人类的日常生活。它们将为我们制造钻石、舰艇、鞋子、牛排和复制更多的机器人。要它们停止工作只需启动事先设定的程序。表面来看，上述想法近乎不可思议：一项单一的技术在应用初期就能治病、延缓衰老、清理有毒的废物、扩大世界的食物供应、筑路、造汽车和造楼房？这并非天方夜谭，也许在21世纪中叶前就可以实现。全世界的研究机构都在想方设法将这些设想变成现实。美国总统克林顿曾经宣布成立美国国家纳米研究机构，承诺提供50亿美元进行这方面的尝试。

其实，纳米技术一词由来已久。理查德·费恩曼是继爱因斯坦之后最有争议和最伟大的理论物理学家，1959年他在一次题目为《在物质底层有大量的空间》的演讲中提出：将来人类有可能建造一种分子大小的微型机器，可以把分子甚至单个的原子作为建筑构件在非常细小的空间构建物质，这意味着人类可以在最底层空间制造任何东西。从分子和原子着手改变和组织分子是化学家和生物学家意欲到达的目标。这将使生产程序变得非常简单，你只需将获取到的大量的分子进行重新组合就可形成有用的物体。事实上，每一个细胞都是一个活生生的纳米技术应用的实例：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，通过对不同物种的DNA进行重组，基因工程家已经学会建造新的这类

纳米工具，例如用细菌细胞来生产医用激素。1990年 我国著名学者周海中教授在《论机器人》一文中预言：到二十一世纪中叶，纳米机器人将彻底改变人类的劳动和生活方式。

3纳米机器人结构与特点

米机器人警察不在理论上，纳米机器可以构建所有的物体。当然从理论到真正实现应用是不能等同的，但纳米机械专家已经表明，实现纳米技术的应用是可行的。在扫描隧道电子显微镜帮助下，纳米机械专家已经能将独立的原子安排成自然界从未有的结构。此外，纳米机械专家还设计出了只由几个分子组成的微小齿轮和马达。（切勿将这些齿轮和马达与那些由数以百万计分子组成的用传统技术构建的微小齿轮和马达相混淆，这些机器同未来制造的机器相比较实在是太巨大了）。

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。

纳米机器人执行任何任务包括自身复制都必须动用大量的纳米机器。血液里可能存在数以百万计的纳米机器人；在每一个有毒废物地点可能需要数以万亿计的纳米机器人，要制造一辆汽车可能要调动数以一百亿亿计的纳米机器人同时工作。然而没有一个生产线可以生产如此巨大数量的纳米机器人。

但是纳米科学家眼中的纳米机器可以做到这点。他们设计的纳米机器人可以完成两件事情：执行它们的主要任务和制造出它们自身完美的复制体。如果第一个纳米机器人能够制造出两个复制体，这两个复制体每个又可制造出两个自己的复制体，很快就可 以获得万亿个纳米机器人。但是，假如纳米

机器人忘记停止复制会发生什么？如果没有一些内建的停止信号，纳米机器人忘记停止复制这种灾难的可能后果将会是无法计算的。纳米机器人在人体内快速复制能够比癌症扩散还要快地布满正常组织；一个发疯的制造食物机器人能够把地球的整个生物圈变成一块巨大的奶酪。纳米技术学家没有回避危险，但是他们相信他们能控制灾难的发生。其中一个办法是设计出一种软件程序使纳米机器人在复制数代后自我摧毁。另一种办法是设计出一种只在特定条件下复制的机器人，例如只有在有毒化学物质以较高浓度出现时机器人才能复制，或者在一个很窄的温度和湿度范围内机器人才能复制。就像电脑病毒的传播一样，所有以上这些努力都无法阻止那些不怀好意的人有意释放某种纳米机器人作为害人武器。事实上，一些批评家指出纳米技术可能的危险要大于它的益处。然而，仅仅这些利益就已经太具诱惑力了，纳米技术必将超过电子计算机和基因制药而成为新世纪的技术发展方向。世界可能会需要一个纳米技术免疫系统，这个系统中纳断地在微观世界中同那些不怀好意的机器人进行战斗[2]

。纳米机器人的动力——分子马达

分子马达（molecular motor），是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，第一个反应的产物将会成为第二个反应的[2]李易 纳米技术取得进展【J】国外科技动态 1998.11

[3]李沐纯等.中国现代医学杂志，2003

[4]纳米机器人——分子仿生学新领基础[3]。

域《中国高新技术企业评价》2001

穆凯和特拉维斯表示，这只是在无机支撑物上复制整个糖酵解途径的最初几步，他们指出，他们的研究从原理上为精子中的糖酵解途径的组织如何在纳米设备上产生三磷酸腺甙提供了一个天然的工程学解决方案。我国在纳米机器人研究上的进展

一台能够在纳米尺度上操作的机器人系统样机由中国科学院沈阳自动化所研制成功，并通过了国家“863”自动化领域智能机器人专家组的验收。在一个演示中，沈阳自动化所的研究人员操纵“纳米微操作机器人”，在一块硅基片上１×２μｍ的区域上清晰刻出“ＳＩＡ”三个英文字母（沈阳自动化所的缩写）；另一个演示显示，在一个５×５μｍ的硅基片上，操作者将一个４μｍ长、100ｎｍ（纳米）粗细的碳纳米管准确移动到一个刻好的沟槽里。据介绍，由重庆科研人员开发的这种名为“OMOM胶囊内镜系统”的纳米机器人医生已经是第二次被列入国家“863计划”，前一次获得了该计划500万元基金支持，并于2004年获得“863计划”专家组验收，但这种机器人目前还只能钻进人的肚子里通过传输图像“瞧病”，还没有治病的本事。参考文献

[1]姜忠义 纳米生物技术【M】 北京 化学工业出版社 2003

第三篇：选修课论文纳米机器人

纳米机器人

-------治疗目前医学无法治愈的疾病

一、纳米技术的含义

.所谓纳米技术，是指在0.1~100纳米的尺度里，研究电子、原子和分子内的运动规律和特性的一项崭新技术。科学家们在研究物质构成的过程中，发现在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子，显著地表现出许多新的特性，而利用这些特性制造具有特定功能设备的技术，就称为纳米技术。

纳米技术与微电子技术的主要区别是：纳米技术研究的是以控制单个原子、分子来实现设备特定的功能，是利用电子的波动性来工作的；而微电子技术则主要通过控制电子群体来实现其功能，是利用电子的粒子性来工作的。人们研究和开发纳米技术的目的，就是要实现对整个微观世界的有效控制。

纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。1993年，国际纳米科技指导委员会将纳米技术划分为纳米电子学、纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米加工学和纳米计量学等6个分支学科。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。

纳米是一个微小的长度单位，1纳米等于10亿分之一米。根头发丝有7万到8万纳米。纳米技术这个词汇出现在1974年。纳米科学、纳米技术是在 0。10到100纳米尺度的空间内研究电子、原子和分子运动规律及特性。纳米材料是纳米技术的重要的组成部分，也是国际上竞争的热点和难点。碳纳米管自从 1991年被发现以来，就一直被誉为未来的材料。碳纳米管在强度上大约比钢强100倍，其传热性能优于所有已知的其它材料。碳纳米管具有良好的导电性，在常温下导电时，几乎不产生电阻。纳米陶瓷材料在1600摄氏度高温下能像橡皮泥那样柔软，在室温下也能自由弯曲。从1998年世界上第一只纳米晶体管制成，到1999年100纳米芯片问世，使20世纪最后10年世界上出现的“纳米热”进一步升温。

(注：该部分内容参考百度文库)

二、纳米应用领域

经过以上介绍想必对于纳米会有初步了解了，下面再介绍一下目前纳米技术发展的领域。现在纳米技术应用领域比较广泛，涉及陶瓷领域、微电子领域、生物工程、光电领域、化工领域、医学领域、分子组装方面。

1、所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料，也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上。要制备纳米陶瓷，这就需要解决：粉体尺寸形貌和粒径分布的控制，团聚体的控制和分散。块体形态、缺陷、粗糙度以及成分的控制。

2、纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，其主要思想是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件，它包括纳米有序（无序）阵列体系、纳米微粒与微孔固体组装体系、纳米超结构组装体系。纳米电子学的最终目标是将集成电路进一步减小，研制出由单原子或单分子构成的在室温能使用的各种器件。3,、众所周知，分子是保持物质化学性质不变的最小单位。生物分子是很好的信息处理材料，每一个生物大分子本身就是一个微型处理器，分子在运动过程中以可预测方式进行状态变化，其原理类似于计算机的逻辑开关，利用该特性并结合纳米技术，可以此来设计量子计算机。美国南加州大学的Adelman博士等应用基于DNA分子计算技术的生物实验方法，有效地解决了目前计算机无法解决的问题-“哈密顿路径问题”，使人们对生物材料的信息处理功能和生物分子的计算技术有了进一步的认识。

4、纳米技术的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面，使光电器件的性能大大提高。将纳米技术用于现有雷达信息处理上，可使其能力提高10倍至几百倍，甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。但是要获取高分辨率图像，就必需先进的数字信息处理技术。科学家们发现，将光调制器和光探测器结合在一起的量子阱自电光效应器件，将为实现光学高速数学运算提供可能。

5、纳米粒子作为光催化剂，有着许多优点。首先是粒径小，比表面积大,光催化效率高。另外，纳米粒子生成的电子、空穴在到达表面之前，大部分不会重新结合。因此，电子、空穴能够到达表面的数量多，则化学反应活性高。其次，纳米粒子分散在介质中往往具有透明性，容易运用光学手段和方法来观察界面间的电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态密度的影响。目前，工业上利用纳米二氧化钛-三氧化二铁作光催化剂，用于废水处理（含SO32-或 Cr2O72-体系），已经取得了很好的效果。

6、随着纳米技术的发展，在医学上该技术也开始崭露头脚。研究人员发现，生物体内的RNA蛋白质复合体，其线度在15~20nm之间，并且生物体内的多种病毒，也是纳米粒子。10nm以下的粒子比血液中的红血球还要小，因而可以在血管中自由流动。如果将超微粒子注入到血液中，输送到人体的各个部位，作为监测和诊断疾病的手段。科研人员已经成功利用纳米 SiO2 微粒进行了细胞分离，用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少副作用等。另外，利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物已经取得了突破性进展，现在已用于临床动物实验，估计不久的将来即可服务于人类。

7、纳米技术的发展，大致经历了以下几个发展阶段：在实验室探索用各种手段制备各种纳米微粒，合成块体。研究评估表征的方法，并探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。利用纳米材料已挖掘出来的奇特的物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料。目前主要是进行纳米组装体系、人工组装合成纳米结构材料的研究。虽然已经取得了许多重要成果，但纳米级微粒的尺寸大小及均匀程度的控制仍然是一大难关。如何合成具有特定尺寸，并且粒度均匀分布无团聚的纳米材料，一直是科研工作者努力解决的问题。目前，纳米技术深入到了对单原子的操纵，通过利用软化学与主客体模板化学，超分子化学相结合的技术，正在成为组装与剪裁，实现分子手术的主要手段。科学家们设想能够设计出一种在纳米量级上尺寸一定的模型，使纳米颗粒能在该模型内生成并稳定存在，则可以控制纳米粒子的尺寸大小并防止团聚的发生。可见纳米技术现在已经融入到生活很多领域了，接下来我就要说一下我想讲解的纳米机器人了。

三、纳米机器人

物理学家总是模拟生物学原理制作各种灵巧的机器，这就是仿生学。仿生学是生物物理学的一个分支学科，它按照生物学原理提出设计原型，制造用于特殊目的的“功能器件”。

“纳米机器人”的研制属于分子仿生学的范畴，它根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。纳米生物学的近期设想，是在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。目前涉及的内容可归纳为以下三个方面：

1、在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的联系。

2、在纳米尺度上获得生命信息，例如，利用扫描隧道显微镜获取细胞膜和细胞表面的结构信息等。

3、纳米机器人的研制。纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容，第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，这种纳米机器人可注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗。还可以用来进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的ＤＮＡ，或把正常的ＤＮＡ安装在基因中，使机体正常运行。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置，第三代纳米机器人将包含有纳米计算机，是一种可以进行人机对话的装置。这种纳米机器人一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式。

高中学生物的时候，学到过细胞的组成成分，细胞是由细胞壁、细胞核、细胞质所组成。是细胞质的基本成分，主要含有多种可溶性酶、糖、无机盐和水等。细胞器是分布于细胞质内、具有一定形态、在细胞生理活动中起重要作用的结构。它包括：线粒体、叶绿体、内质网、内网器、高尔基体、溶酶体、微丝、微馆、中心粒等。细胞核，它是由核膜、核骨架、核仁构成。就动物而说不具有细胞壁。再说一下靶细胞，基本含义是某种细胞成为另外的细胞或抗体的攻击目标时，前者就叫做后者的靶细胞。例如带有表面抗原的细胞受到免疫细胞或特异性抗体的攻击，它就是该抗原的靶细胞。能够接受内分泌细胞分泌激素刺激的器官或细胞称为靶器官或靶细胞。靶细胞具有与激素特异性结合的受体。含氮激素的受体位于靶细胞膜上，类固醇激素的受体位于靶细胞质内，它们通过靶细胞内不同的信号传递系统，作用于细胞核内相应的基因，从而调节控制该基因的表达，产生相应的功能物质。

美国科学家破解部分病毒进入靶细胞的机理

美国西北大学的研究人员破解了一些病毒具有的一种叉状蛋白的结构，这些病毒正是通过这种结构进入细胞，继而诱发感染。这种蛋白被称为融合蛋白，即F蛋白，首先发现于副流感病毒5的外表面，在感染细胞前通过F蛋白可以将病毒的细胞膜与宿主细胞膜融合。随后，病毒细胞核内的遗传基因便可以进入宿主细胞，进行自身的复制增殖。

我所研究的论题是制造一种纳米机器人，具有细胞识别功能的，可作用于特定靶细胞的，用于解决一些难以治愈的疾病例如糖尿病，脑瘫以及癌症等。首先这种纳米机器人要具备细胞的基本特征，进入人体内不会发生免疫排斥反应，带有特定的功能，能够起到修复细胞和消灭变异细胞的作用。如美国科学家所做的一样，该种纳米机器人细胞膜上要具有F蛋白，与特定靶细胞膜进行融合，进而使纳米机器人内部正常的基因进入到病变细胞。拿癌症举例，在叙述癌以前,首先对“肿瘤”加以说明。肿瘤是身体的一部分细胞与机体的其他组织生长不协调,表现为任意地、无节制地增殖分裂,增长成一个大的组织块则为肿瘤。肿瘤有良性的又有恶性的。良性肿瘤逐渐增长时仅是压迫周围组织,而恶性肿瘤除了压迫以外还可以向周围浸润,也就是肿瘤组织不断侵入周围组织,这种恶性肿瘤就称为 “癌”。

癌是怎样产生的？

学者们认为由起癌物质进入正常细胞后和遗传控制物质（如DNA, RNA, Protein）作用后产生的。其作用的结果可产生两种效果，一为改变遗传物质的构造，使基因产生突变（见基因突变说）；另一为使基因的作用及表现受到改变但不影响到基因的构造（见蛋白缺如说，抑制物失效说及癌性基因说）。人为什么会生癌，什么是癌细胞？

一个成人身体大约由近一千万亿个细胞组成。细胞的种类非常多，可是个个识大体，顾大局，有分工，有合作，工作起来循规蹈矩，所以，把人体比作一个“细胞国家”，那是再形象不过的了。“细胞国家”有时会出现一些不安定分子，在“教唆犯”的作用下，起来“造反”，不服从整体，自由主义泛滥，大搞特权，另立门户，严重危胁着“国家”的安全。这些不安全的分子就是癌细胞.癌细胞是怎样产生的呢？谁是“教唆犯”呢？科学家们一百多年的研究认为病毒、霉菌、射线、化学致癌剂等是癌细胞的“教唆犯”。人体细胞的代谢可使它们变为容易排泄的废物，被排出体外，但也可能在酶的生物转化作用下，使它们变成能直接引起细胞遗传物质DNA突变的最终致癌物。这仅是癌形成过程的第一阶段，只需几秒钟至几小时。第二阶段，最终致癌物质作用于细胞。如经DNA修复有缺陷，DNA就发生突变，改变遗传的性能。当细胞分裂繁殖时，下一代子细胞接受了错误的信息，形态就发生了变化，成为癌细胞，又慢慢地发展成癌细胞集团。当它变成临床上能察见的癌时，虽然开始只有一个火柴头那么大，但已包含了三千万个癌细胞。第二阶段则相当长，大约需要15到30年。由于癌的潜伏期长。所以癌症病人以老年人为多。

什么是癌细胞？癌细胞的特征前已说过，癌症是人体在各种致癌因素的作用下，局部组织细胞异常增生而形成的新生物。不用说，癌细胞是由正常细胞转化而来。而正常细胞一旦转变成癌细胞就获得了强大的生命力，并且有独特生物学特征和行为。首先，癌细胞不断增殖，这种增殖不受身体内部调节机构的控制，更不是身体所必需。我们知道，人体正常细胞有一个生长、繁殖、衰老和死亡的过程。老化的细胞死亡之后就会有新的细胞来取代它，以维持身体组织、器官的正常功能。故人体绝大部分细胞都可以增殖。但是，正常细胞的增殖是有限度的，身体内部会自我控制。如外后细胞即开始繁殖，但当伤口愈合后，在身体内部调节因素作用下，马上停止。而癌细胞则不然，可以无止境地增生，直到人身死亡。第二，癌细胞由于不能成熟（即分化障碍），故不具备对身体有任何益处功能，常常是“成事不足，败事有余”。例如白血病，血液中出现大量的幼稚白细胞，但这些细胞不像通常白细胞那样，能抵抗入侵身体的细菌和病毒，相反，由于无休止地增殖而消耗大量的养分。另外，有的癌症却表现出不具备的功能，后者与整体功能极协调。如肺脏，并不是内分泌器官，但肺癌却能产生促肾上腺皮质激素，这些非常器官非常时期分泌的激素，严重地扰乱了正常生命活动和秩序，从而出现一系列病态。第三，癌细胞无孔不钻，无处不到。癌细胞大多呈侵袭性生长，破坏附近组织、器官的正常结构和功能，造成不同程度的功能障碍。癌细胞非常好动，会从一个地方跑到另一地方（即转移），并继续生长繁殖，形成新的癌瘤（转移癌灶），对身体造成更严重的危害，也大大地增加了治疗难度，是癌症病人死亡的主要原因之一。

（注：癌细胞介绍出自阿里医药）所以纳米机器人的作用就是直接消灭或吞噬掉或修复破损细胞，像癌细胞这种已经病变的细胞，纳米机器人的作用就是消灭癌细胞，具有特定细胞识别功能，进入人体后，找到病变细胞，进行细胞融合后将纳米机器人内部所带的消灭癌细胞的物质注入，直接杀死癌细胞。采用这种方法可以直接消灭癌细胞，最终达到治愈的目的。但是这里又面临一个问题，一个纳米机器人只作用一个细胞这个需要的成本太高，需要制造出的纳米机器人在进行细胞融合后还可以进行细胞分裂，再将自己分裂出去，作用于下一个病变细胞。为了不会对身体产生影响，纳米机器人需要在一定时间内如十二小时候自行分解，这要求其内部带有溶酶体，再一定条件下激发，自己分解。同样可以制造出治疗各种身体内部疾病的纳米机器人。

我认为纳米机器人的研发将会成为人类的有一个里程碑。

第四篇：纳米报告材料

纳米材料在生物、医药、医学领域的应用

[摘要] 纳米技术是一门新兴的学科领域，是20世纪80年代末、90年代初才逐步发展起来的。21世纪初，随着美国实施全国纳米科技计划，带动了全世界对该学科的研究开发。纳米科技属于前沿、交叉性的科技领域，近几年，科技界更加注意纳米技术与其他技术的结合，譬如：生物技术、信息科学、认知科学等方面的结合。纳米在生物、医学中的应用更是使得现代医学有了较大的发展空间，使人们在对生命探索、治疗疾病、卫生保健等方面有了进一步的发展。纳米生物技术的研究范围主要涉及纳米生物材料、药物和基因运转纳米载体、纳米生物相容性人工器官、纳米生物传感器和成像技术，以及利用扫描探针显微镜分析蛋白质和DNA的结构与功能等重要领域。[关键词] 纳米材料、生物医药、发展应用 [内容]

一、纳米生物材料

自古以来，人类文化的进步都是以材料的的发展为其标志，并在历史上以此来划分人类的时代，由石器走向铁器，发展到青铜器、钢、硅等材料，纳米技术的出现，又使得这些材料向深一步的领域拓展，加深了材料在各个领域中的应用。纳米材料对生物医学的影响具有深远的意义，纳米医学的发展进程如何，在很大程度上取决于纳米材料科学的发展。

纳米生物材料是指用于对生物材料进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的新型高技术纳米材料。纳米生物材料可以分为两类：一种是适合于生物体内应用的纳米材料，它本身既可以是具有生物活性的，也可以是不具有生物活性的，而仅仅易于被生物体所接受，且不引起不良反应；另一类是利用生物分子的特性而发展的新型纳米材料，它们可能不再被用于生物体，而被用于其他纳米技术或微制造。纳米材料分为两个层次：纳米微粒和纳米固体。如今，人们已经能够直接利用原子、分子进行生产、制备出仅包含几十个到几百万个原子的单个粒径为1~100纳米的纳米微粒，并把它们作为基本构成单元，适当排列成三维的纳米固体。纳米材料由于其结构的特殊性，表现出许多不同于传统材料的物理、化学性能。在自然界，天然纳米生物材料早就存在，自然界的蛋白质就有许多纳米微孔；人类及兽类的牙齿也是由纳米级有机物质所构成。在医学领域中，纳米材料也已经得到成功的应用，最引人注目的是作为药物载体，或制作人体生物医学材料，如人工肾脏、人工关节等。国外用纳米陶瓷微粒作载体的病毒诱导物也取得成功。由于纳米微粒比红细胞还要小很多，因此，可以在血液中自由运行，从而在疾病的诊断和治疗中发挥独特的作用。

在纳米生物材料研究中，目前研究的热点和已有较好基础及做出实质性成果的是药物纳米载体和纳米颗粒基因转移技术。这种技术是以纳米颗粒作为药物和基因转移载体，将药物、DNA和RNA等基因治疗分子包裹在纳米颗粒之中或吸附在其表面，同时也在颗粒表面耦联特异性的靶向分子，如特异性配体、单克隆抗体等，通过靶向分子与细胞表面特异性受体结合，在细胞摄取作用下进入细胞内，实现安全有效的靶向性药物和基因治疗。

纳米材料可以有许多种分类方法，综合这些分类方法，按照纳米生物材料的材料性质，纳米生物材料可以分为无机纳米生物材料、有机纳米生物材料、纳米复合材料。

纳米生物材料对人类有着重要作用，纳米材料有许多不同于块体材料的性质，这些性质使得纳米生物材料有着独特的作用，因此，世界许多国家都展开对纳米生物材料的研究。纳米生物技术是目前国际生物技术领域的最前沿的研发热点，美国、日本、德国等发达国家已将纳米生物技术列入其国家重点发展领域，斥巨资投入该项研究。纳米生物技术的迅速发展，为其在生物医药领域的应用带来了机遇。

二、纳米材料在医药、医学领域的应用

目前纳米材料在生物医学领域已经得到广泛的应用，在基础医学、药物学、临床医学和预防医学方面，纳米材料作用的发挥都已不容忽视。纳米材料在生物医学中检测、诊断。药物治疗以及健康预防等方面都取得了很好的发展。2.1纳米材料在医学检验诊断技术方面的应用

生物医学起源于诊断，没有很好的诊断手段就没有很好的治疗和预防，目前随着科学技术的发展，诊断手段越来越高明、先进，得到了前所未有的发展。纳米材料在检验诊断中主要应用于三个方面：⑴利用纳米材料跟踪生物体内活动，对生物体内元素的积累和排除作出判断。⑵利用纳米颗粒极高的传感灵敏效应对疾病进行早期诊断。⑶利用纳米材料的特性去化验检测试样从而辅助治疗。

在具体应用方面的典型有量子点的荧光效应、磁性纳米材料的磁效应、纳米材料的吸附作用等等。

2.2纳米材料在药物治疗方面的应用

纳米生物材料，具有生物兼容性、可生物降解、药物缓释和药物靶向传递等良好特性已在药物治疗方面取得了很大成功。

药物纳米载体具有高度靶向、药物控制释放、提高难溶药物的溶解率和吸收率优点，提高药物疗效和降低毒副作用。纳米颗粒作为基因载体具有一些显著的优点：纳米颗粒能包裹、浓缩、保护核苷酸，使其免遭核酸酶的降解；比表面积大，具有生物亲和性，易于在其表面耦联特异性的靶向分子，实现基因治疗的特异性；在循环系统中的循环时间较普通颗粒明显延长，在一定时间内不会象普通颗粒那样迅速地被吞噬细胞清除；让核苷酸缓慢释放，有效地延长作用时间，并维持有效的产物浓度，提高转染效率和转染产物的生物利用度；代谢产物少，副作用小，无免疫排斥反应等。

⑴纳米粒子用作药物载体

磁性纳米颗粒作为药物载体，在外磁场的引导下集中于病患部位，进行定位病变治疗，利于提高药效，减少副作用。如采用金纳米颗粒制成金溶液，接上抗原或抗体，就能进行免疫学的间接凝聚实验，用于快速诊断。生物降解性高分子纳米材料作为药物载体还可以植入到人体的某些特定组织部位，这种给药方式避免了药物直接被消化系统和肝脏分解而代谢掉，并防止药物对全身的作用。如美国麻省理工学院的科学家已研制成以用生物降解性聚乳酸（PLA）制的微芯片为基础，能长时间配选精确剂量药物的药物投送系统，并已被批准用于人体。近年来生物可降解性高分子纳米粒子（NPs）在基因治疗中的DNA载体以及半衰期较短的大分子药物如蛋白质、多肽、基因等活性物质的口服释放载体方面具有广阔的应用前景。药物纳米载体技术将给恶性肿瘤、糖尿病和老年痴呆症的治疗带来变革。

⑵纳米抗菌药及创伤敷料 Ag+可使细胞膜上蛋白失去活性从而杀死细菌，添加纳米银粒子制成的医用敷料对诸如黄色葡萄球菌、大肠杆菌、绿浓杆菌等临床常见的40余种外科感染细菌有较好抑制作用。

⑶智能—靶向药物

在超临界高压下细胞会“变软”，而纳米生化材料微小易渗透，使医药家能改变细胞基因，因而纳米生化材料最有前景的应用是基因药物的开发。德国柏林医疗中心将铁氧体纳米粒子用葡萄糖分子包裹，在水中溶解后注入肿瘤部位，使癌细胞部位完全被磁场封闭，通电加热时温度达到40－45℃时，慢慢杀死癌细胞。这种方法已在老鼠身上进行的实验中获得了初步成功。美国密歇根大学正在研制一种仅20 nm的微型智能炸弹，能够通过识别癌细胞化学特征攻击癌细胞，甚至可钻入单个细胞内将它炸毁。

三、纳米材料在生物医学领域的应用前景 3.1用纳米材料进行细胞分离

利用纳米复合体性能稳定，一般不与胶体溶液和生物溶液反应的特性进行细胞分离在医疗临床诊断上有广阔的应用前景。20世纪80年代后，人们便将纳米SiO2包覆粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液中，使所需要的细胞很快分离出来。目前，生物芯片材料已成功运用于单细胞分离、基因突变分析、基因扩增与免疫分析（如在癌症等临床诊断中作为细胞内部信号的传感器）。伦敦的儿科医院、挪威工科大学和美国喷气推进研究所利用纳米磁性粒子成功地进行了人体骨骼液中癌细胞的分离来治疗病患者。美国科学家正在研究用这种技术在肿瘤早期的血液中检查癌细胞，实现癌症的早期诊断和治疗。3.2纳米机器人

在最近的十年中,随着纳米材料在癌症治疗、细胞显影和疾病检测方面的应用,由此诞生了一个新的领域——生物纳米技术。生物纳米技术是指在纳米尺度上认识生物分子的精细结构和功能之间的联系,并在此基础上按研究者的意愿组合、装配,创造出满足人们意愿并行使特定功能的生物纳米机器。

2010年5月19日，来自南京大学和美国纽约大学的两个小组，Gu等人演示了一个微型组装线，它能通过将三种不同类型的金纳米颗粒结合起来制造8种可能的复合物——分子纳米机器人。一个“DNA折纸”砖是这个生产线的框架和轨道，一个有三只手、四只脚的“DNA行走者”沿这个轨道行走，生成最终产品，其方式是：在它通过三种不同的载货DNA机器时将所收集的金纳米颗粒连接起来。Lund等人演示的纳米机器人是蜘蛛形状的DNA“行走者”，它们能在一个二维“DNA折纸”景观中感应和改动基质分子轨道，这个景观通过编程来让“行走者”执行诸如“开始”、“跟随”、“转弯”和“停止”等动作。

不久的将来，人类定会做出更精密、更复杂的机器人，可以为人类作更多的事，诸如，可以进入人体内为人类修复病脏，检查器官，清除体内垃圾等。为人类做出更多的贡献。

国际上纳米生物技术的研究范围涉及纳米生物材料、药物和转基因纳米载体、纳米生物相容性人工器官、纳米生物传感器和成像技术、利用扫描探针显微镜分析蛋白质和DNA的结构与功能等重要领域，以疾病的早期诊断和提高疗效为目标。在纳米生物材料，尤其是在药物纳米载体方面的研究已取得一些积极的进展，在恶性肿瘤诊疗纳米生物技术方面也取得了实验阶段的进展，其它方面的研究尚处于探索阶段。[总结]

纳米生物材料作为一种新型材料，其在生物医学上的应用将带来巨大的变革，使未来的疾病治愈率大大提高。人类的发展也会进入一个新的高度！

[参考文献]

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第五篇：机器人论证报告

关于医疗机器人在我院引进的可行性研究报告

---------划时代的医疗机器人技术

随着时代的进步，科技的发展，医疗已经逐步步入信息时代，互联网+医疗、精准医疗的概念已经深入人心，医疗机器人技术是目前医疗发展的最新方向、最前沿的技术和最终目标。我院作为民营医院之中的精英，向来就有敢为天下先的勇气和斗志，有高瞻远瞩的智慧和魄力。大胆的引进最尖端的技术，将对医院产生有深远意义的影响，对树立高端形象，占领高端市场，扩大医院影响力，提高医院整体水平，创造更多的效益有着强大且直接的推动作用。对医院跻身全国著名医院行列，实现再次飞跃将作出巨大的贡献。

1.目的：引进国际先进的“达芬奇”医疗机器人手术系统，建立多学科、全方位的集机器人手术、康复、科研、教学为一体的医疗机器人中心。最终目标成为黑龙江省规模最大，技术最为领先的医疗机器人基地。

2.意义：占领高端市场，填补省内在该领域的空白，树立企业高端形象，带动多学科与国际最先进水平接轨，快速提高医院整体水平，短时间内实现医院的再次跨越，为医院的集团化、证券化、国际化作出贡献。显著提高医院的社会效益和经济效益。

3.设备概况：达芬奇手术系统是一个以微创的方式辅助复杂外科手术的机器人手术系统，由IntuitiveSurgical公司开发设计和制造，2000年被美国药监局正式批准投入使用。此手术系统最初主要用于泌尿外科的微创手术，例如前列腺切除手术，现在被越来越多地应用于心外科，妇科以及小儿外科等外科微创手术。目前，达芬奇手术系统被世界各国医院争相采用，截止到2012年为止，由达芬奇机器人辅助完成的手术超过20万台。以达芬奇为代表的手术机器人技术的普及，将手术的精准度提升到了一个全新的高度，将外科手术带入了一个新的时代。做为代表当今手术机器人最高水平的达芬奇手术机器人，它主要由3个部分组成：1.主刀医师操作控制台；2.三维成像视频影像平台；3.机械臂，摄像臂和手术器械组成移动平台。实施手术时主刀医师不与病人直接接触，通过三维视觉系统和动作定标系统操作控制，由机械臂以及手术器械模拟完成医生的技术动作和手术操作。

4.设备应用范围：医疗机器人技术在临床上主要应用于：外科手术、康复医学、临床试验、临床教学等方面。在外科手术方面，外科手术机器人的应用可以提高疾病诊断、手术治疗的精度与质量，探索新兴的外科手术方法，减少医疗过程中放射性设备与药物对医生或病人的伤害，提高手术安全，缩短治疗时间，降低医疗成本为目的。目前，外科手术机器人研究已涉及各种外科手术，如显微外科手术、神经外科手术、微创外科手术、整形外科手术、胃肠道检测等。广泛应用于微创心脏手术，骨科手术，泌尿外科手术，脑外科手术，妇科手术以及介入手术等。由于医疗机器人有着数字化、网络化的特点，能够实现远程会诊手术，复杂状况模拟，可以缩短会诊流程，充分利用医疗资源，缩短学习周期，提高诊疗效率。

5.设备及手术成本：设备成本：医疗机器人及配套设施1700-3000万元（1-3代设备价格，国立医院）。手术成本：3万元（包括设备损耗、耗材、设备折旧等），每台手术收费6-10万元，如按每年500例手术计算，可增加产值3000-5000万元。

6.可行性论证：

（一）机器人手术的优点：

（1）3D高清影像技术为主刀医生提供高清晰，全方位立体式手术视野，可以准确的进行组织定位；

（2）医生通过医生控制台操控机器手臂，操作方式尊重医生开放手术操作方式，减少培训和学习；

（3）仿真手腕手术器械消除了颤动，减低手术风险；

（4）机器手可以模拟人的手指灵活度和准确度，可以进行人手不能触及的狭小空间的精细操作；

（5）机器手的关节腕具有多个活动自由度，拓展了手术人员的操作能力，提高手术精度；

（6）一个主刀医生可以完成一个腔镜手术团队的全部工作，减少了配合失误，更容易实现主刀医生的意图；（7）病人的切口更小，康复时间更短，感染风险也大大减少；

（8）主刀医生采取坐姿进行手术操作，有利于长时间的复杂手术，延长了外科医生手术生命。

（9）可实现远程会诊，可以随时邀请国内优秀专家进行会诊手术或教学演示。

（二）目前国内和国际的普及状况：

自1995年Intuitive Surgical公司成立，于1999年生产出了第一台达芬奇标准型手术机器人，2000年通过了美国的FDA并获得了相应的证书，开始在美国销售和使用。截止到2014年，全球装机量达到3266台，2014年完成手术57万例。近年来，机器人辅助腹腔镜手术作为一种新的微创技术，在国际上的应用越来越广泛，特别是对于操作空间狭小的复杂手术如根治性前列腺切除术，机器人手术具有不可替代的优势。目前达芬奇手术机器人主要应用在泌尿科、妇科、普外科、心胸外科等，其中泌尿科和妇科在全球外科手术中应用最广。我国人民解放军总医院在2006年底引入第一台，之后其他医院陆续引入，截止2014年底，我国有24家医院装机，达芬奇手术机器人医院装机量达29台。2014年我国达芬奇手术机器人手术完成量为5116例，累计完成11651例。近两年，达芬奇手术机器人的装配量增长迅速。据悉，截止目前，美中互利医疗有限公司在中国共销售了38台达芬奇手术机器人，卫计委共同意了57台达芬奇手术机器人的申请。保守估计，2015年我国达芬奇手术机器人累计装机量60台左右，2018年累计装机量120台左右；2015年底，达芬奇手术机器人累计完成量将超过2万例，2018年当年的手术量将超过2万例。我省目前没有机器人手术系统，哈医大一院预计明年引进一台。

（三）引进“达芬奇”系统的意义：

对于患者来说，手术机器人可使手术效果明显改善，术后并发症、手术创伤和失血明显减少，手术效果及美观性明显提高。可使手术适用范围得到一定程度扩大，如对于某些高龄患者及高危患者，通过机器人手术可规避开放手术带来的创伤。

对于外科医生来说，可以明显延长有经验医师的“手术生命”，可使手术更加精准、微创，提高手术治疗效果，并支持开展更高难度的手术。

对于医院来说，手术机器人可提高医院效率和知名度，吸引更多的病人，显著降低住院时间，提高病床周转率，并增加临床科研和国际交流机会。

（四）机器人手术系统将给我们带来什么

2001年，在美国与法国之间进行了首例跨国远程机器人手术，这台手术以首位飞越大西洋的飞行员林德伯格先生的名字命名为“林德伯格手术”。手术机器人延伸了医生的手臂，让医生在相隔几千公里之外为病人进行手术成为可能。世界著名外科学家、法国的Jacques Marescaux教授评价说：“这是外科史上继微创技术及电脑辅助应用以来的第三次变革，成功引入一个全球外科技术共享的理念：外科医生无论身处何方,都可参与世界上任何地方的手术。”

机器人手术的高科技和无与伦比的便捷是传统手术所无法比拟的，是日后外科发展的潮流和趋势，谁先占领这一制高点，谁就会在以后的发展道路上占尽先机。目前我省机器人手术的这块大蛋糕还在等待它的主人，很多“不差钱”的高端患者正奔波在前往南方大城市求医的路上，这些高端患者的流失是我们医院的损失，而把他们挽留住的资本就是与国际接轨的高水平技术和设备。一旦我院成功引进达芬奇手术机器人系统，将产生轰动性效应，我院将成为万众瞩目的焦点，得到全社会的肯定，使我院的定位上升到更高的档次。它带给我们的不仅仅是更多的经济收入，而是名利双收，名副其实的双赢。