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纳米机器人â ' ——医学前景展望

*通信:

保存NSVKM的NMIMS制药和技术管理学院，印度马哈拉施特拉邦Shirpur-425405
电话:022 4233 2000;电子邮件: (电子邮件保护)

摘要

纳米机器人是基于纳米技术原理的新兴领域。它涉及设备的设计和构造，以便在原子、分子或细胞水平上改变它们的功能。罗伯特·弗雷塔斯博士设计了像凝血细胞、呼吸细胞和微生物动物这样的纳米机器人。这些假想的纳米机器人体积非常小，可以很容易地进入人体并执行它们的功能。这些纳米机器人被设计成在人体内的特定条件下执行功能。这些纳米机器人可以作为血液的人工替代品。凝血细胞模仿了止血的过程。呼吸细胞模仿红色血液的功能细胞将氧气和二氧化碳输送到不同的组织细胞身体的。微食动物模仿自然吞噬细胞的功能，进行吞噬。这篇综述论文将讨论纳米机器人的最新进展如何帮助这些纳米机器人的设计。

关键字

纳米机器人，纳米医学，凝血细胞，呼吸细胞，微生物动物

简介

分子水平的工程和制造被称为纳米技术。使用这种纳米技术来配制药物被称为纳米医学。这些纳米药物的作用医学出于诊断、减轻、预防和治疗的目的，也可称为纳米机器人[1］．纳米技术涉及在纳米水平上操纵物质，并将这一原理应用于医学被称为纳米医学[2］．纳米医学的应用范围非常广阔。可以探索纳米医学的原理，在分子水平上制造可以在人体内工作的设备，从而改善和维持人的整体健康健康［3.］．今天的主要挑战是克服阻碍其在各个领域应用的障碍。有了对疾病的病理生理学和纳米机器人的分子工作的适当知识，科学家和工程师可以开发纳米机器人，可以有效地治疗大多数不治之症，导致世界各地许多人死亡[4］．最近这一领域有了很大的发展。许多科学家设计了一种模型用于神经病学、牙科、肿瘤学、心脏病学等医学领域的各种疾病的治疗和诊断。随着针对各种疾病设计各种模型的进展，研究或设计其在体特性的需求也是必要的。除了体内研究，毒性研究的需求也很重要。Glunter Oberdorster等人给出了评价不同工程纳米材料的筛选策略。[5］．FDA没有给出有效和安全使乐动KENO快乐彩用纳米药物的指导方针。但从这一领域的发展速度来看，FDA很快就会出台纳米药物的批准和指导方针。乐动KENO快乐彩纵观纳米医学和纳米技术领域的最新进展，我们可以预见，纳米技术极有可能被称为“下一次工业革命”[6］．在这篇综述中，我介绍了由罗伯特·弗雷塔斯博士设计的三个纳米机器人的研究。

传统的凝血疗法以及与之相关的问题

7］．除此之外，失血也可能发生由于事故或在一个手术［8]和产后出血[9］．我们身体的凝血级联系统负责血液的凝固。然而，由于缺乏某些缺陷，如维生素B12缺乏或再生障碍性贫血，这种级联可能需要很长时间才能凝固血液，导致致命的失血[7］．失血可以通过恢复丢失的血液，实现血液凝固或治疗出血来源来治疗。血液成分疗法是通过给病人提供血型匹配的血液来治疗失血。在紧急情况下，获得配型人群的血液是非常困难的。失去其他血液成分，如血小板，血浆可以通过输入血小板和新鲜冷冻血浆或冷沉淀来恢复。在进行输血时，保持病人血液的临界水平是非常重要的。10］．失血也可以用抗纤溶药物治疗。纤溶药物与氨甲环酸一样，氨基己酸、抑肽酶和氨基乙基苯甲酸可促进血液凝固，防止形成的血块分解[11］．然而，抗纤溶药物也有副作用。氨甲环酸由于其作用机制与血栓栓塞事件的增加有关。［12］．

血块细胞:解决传统问题的新方法

为了克服治疗失血时面临的各种问题，罗伯特·弗雷塔斯博士设计了一种名为凝血细胞的纳米机器人。凝血细胞是理论上的模型Clottocytes由Robert Freitas Jr.博士设计。Clottocytes是人工工作的机械纳米机器人，其工作原理是血小板。它们能在1秒内有效止血。它们被设计成与天然血小板相同的大小，即2微米。由于其体积小，它可以有效地在细胞水平上工作，而不会阻塞任何血管。血块细胞的工作在血氧葡萄糖的力量，并由机载计算机控制。它们由纤维网组成。这些网格是可生物降解的，并覆盖在网格的特定区域的可溶性涂层。可溶性涂层在与等离子体接触时会溶解并形成粘性网。LD乐动体育官网这种粘性是血型特有的，有助于捕获携带红细胞的特定抗原。附着在血管上的网孔将能够在损伤部位附近展开。 The neighboring mesh would be attracted towards the mesh near injury and immediately bleeding will stop [13］．

挑战

然而，仍有一些挑战需要克服。

1.需要设计特殊的控制程序，以确保凝血细胞不会在体内不需要的地方或错误的时间释放它们的网格。

2.需要监测pH值和离子浓度突然变化的其他几种控制。

3.凝血细胞的机械作用非常快，而固有的凝血过程缓慢，可能会破坏正常的平衡。为了保证凝血级联的正常工作，可以在凝血细胞中加入各种化学物质。

4.凝血细胞在协助血管内部封闭的同时，也可能造成管腔堵塞。

它们为应对挑战提供了有效的优势。比自然止血快100-1000倍。为了启动凝血级联，需要1-300个血小板，但相比之下，只需一个凝血细胞就可以有效地检测血管病变，并确保与邻近细胞的快速通信，从而加强凝血过程。只有~ 0.01%的浓度细胞是进行高效凝血所必需的。因此，血块细胞可以说比天然血小板快大约10,000倍。与传统的凝血疗法相比，凝血细胞听起来是一种新的凝血方法，传统疗法涉及关键控制和对患者生命的危险。

治疗缺氧和相关问题的传统方法

血红蛋白是一种呼吸色素，携带高水平的新生分子氧在1大气我们身体所有组织的压力。在失血过程中，血液中的血红蛋白水平下降。为了在没有血红蛋白的情况下为血液提供持续的氧气供应，氧气是由体外供应的。当血红蛋白水平下降严重时，高压氧的供应可能是必要的。高压氧以胶体稀释的血管内液体供应[14］．缺氧是氧疗的主要适应证。缺氧是由组织水平的缺氧引起的。低氧血症是指动脉氧张力低于正常水平。有许多情况会导致缺氧或低氧血症[15］．缺氧也见于急性呼吸衰竭和肺部疾病。急性呼吸衰竭时需要提供更高浓度的氧气。氧气通过套管以高流速供应。氧疗需要持续监测关键参数，如气体交换。必须确保组织对输注氧的利用[16］．肺炎可引起严重的低氧血症，导致急性呼吸衰竭。氧气通过流速受控的插管输注[17］．患有以下疾病的病人慢性阻塞性肺病常有低氧血症。呼吸道感染常引起气道阻塞导致缺氧恶化。为了治疗这种恶化的情况，需要氧气，直到达到正常状态。18］．肺动脉栓塞可引起低氧血症。的肺动脉供血不足导致低肺泡水平供氧。需要氧疗以供应肺泡氧气[19］．缺血性心脏病也会导致缺氧低组织和动脉中的氧含量。缺氧会导致呼吸困难。这种情况可以通过氧疗恢复。氧气改善心肌氧合，缓解呼吸困难。它还能增强组织收缩力[20.］．

氧气疗法是一种有风险的治疗方法，在实施时需要控制很多参数。与氧气有关的其他一些问题如下所述[15］．

1.氧气支持燃烧，因此氧气罐着火和爆炸的风险很高。在氧气罐附近应严格限制吸烟。氧气罐应放在有新鲜空气流通的房间内，以免积聚气体引起爆炸。

2.用于供氧的插管、面罩、导管可能会对鼻、口造成伤害。

3.COPD患者有加重低通气的危险。这可能包括二氧化碳麻醉，称为高碳酸血症。用pH值作为参数来监测二氧化碳的滞留。二氧化碳滞留不应导致酸血症[21］．

4.长期氧疗可能会对肺部造成结构性损伤。已观察到氧毒性引起的增生性和纤维化改变[22］．

呼吸细胞:解决传统问题的新方法

呼吸细胞是Robert Freitas博士提出的理论概念。这是一个像红细胞一样的纳米机器人。它可以用来增强或完全取代我们的红色血液细胞它们执行氧气和二氧化碳运输的功能。血红蛋白是一种天然色素，可以将氧气和二氧化碳输送到整个组织中。呼吸细胞可作为氧气转运体，其潜在供氧能力是血红蛋白的2366倍。呼吸细胞的工作原理是纳米分子。它在分子水平上起作用。它的直径为0.2-2微米。它是由钻石制成的，人们发现这是钻石生物相容性的用身体[23］．

呼吸细胞的构建

1.压力容器:这个容器可以用生物相容性的以及能承受高压气体的坚固材料。钻石和蓝宝石被认为是最合适的材料。它可以是球形的，紧凑的和微观的。最佳压力为1000大气是否保持了破裂的风险能源避免爆炸。这艘船装得很密。相比之下，红色的血液细胞在0.51的压力下储存氧气大气压力。氧气通过这个容器的输送是连续的。通过使氧气输送对局部氧气压力做出反应，该系统可以变得更加复杂。通过肺给血管充氧可以延长供氧时间。二氧化碳毒性可以通过为二氧化碳提供额外的管道来预防，该管道将积极地从所有组织中运输气体并将其卸载到肺部以供呼出。血管会得到适当的维护，以避免血液酸化。与红细胞相比，呼吸细胞产生的二氧化碳毒性更小。

2.分子分选转子:气体主动进出血管被认为是呼吸细胞的成功工作。气体主动进出增压容器是由分子分选转子进行的。每个转子都有一个暴露在血浆中的结合位点。这个转子与一个旋转盘相连。当气体面对等离子体时，它们会选择性地结合到结合位点上。当旋转盘运动时，胶袋被结合部位的凸轮高能推入内腔。这些转子是可逆的，所以他们可以绑定和解绑定到气囊和不断地填充容器。

3.梳理转子结合部位:结合位点必须具有特定的结构和功能受体，用于可能通过转子运输的不同气体。这些结合位点必须具有较高的亲和力和特异性。他们应该能在长时间暴露在血液中存活下来。

4.使用压载水控制浮力:在水介质中保持浮力是非常重要的。这可以通过装载和卸载压载水来控制。小体积的呼吸细胞从悬浮液中慢慢沉淀下来。浮力是必不可少的，当呼吸细胞被移出体外后，它的目的已经完成。在此过程中，船上压舱水是非常有用的。血液的任何其他成分都不能保持浮力;因此，通过轻轻离心，它们向外析出。它们被小心地分离，并被加回到仪器另一侧的过滤等离子体中。离心后，血浆主要含有呼吸细胞和血液的其他固体成分。通过1微米过滤器将呼吸细胞分离。 Filtered plasma is recombined with the solid components of blood and re-administered to a patient undamaged.

挑战

1.如果它沉积在干燥的非水区域，或者当入站分拣转子导致压力容器过载时，可能会发生设备过热。

2.循环的呼吸细胞可干扰红细胞的生成。呼吸细胞防止缺氧，减少分泌激素促红细胞生成素。随着这种激素水平的降低，红细胞生成受到抑制。只有当血液变红时，才有可能调节呼吸细胞的工作细胞是强调。

3.分选转子的连续旋转或运动可对血液成分造成损害。

4.细胞大于1微米的细胞被网状内皮系统从血液中移除。的枯氏细胞肝脏中负责移除细胞从血。如果这些细胞由于呼吸细胞不被代谢，因此可能导致吞噬系统的阻断。

优势

尽管面临挑战，但Respirocyte有很多优势:

1.病人可以迅速得到治疗，没有任何延误的情况下创伤性情况或严重事故。对相容血型的需求也不是必需的。

2.输血和输血过程是非常昂贵和危险的。呼吸细胞可以作为血液的良好替代品。

3.呼吸细胞易于储存和维持。与血液和血液替代品不同，它们可以在室温下储存，没有损坏的风险。

4.呼吸细胞可以作为一种已潜水设备。一个人可以在水中潜水约4小时而不用浮出水面[24］．

解决抗生素耐药性及其相关问题

抗生素耐药性是一种临床症状，抗生素不再有效地杀死细菌。细菌产生这种耐药性的原因是因为它形成了一种机制，可以抵抗抗生素的有害攻击。抗生素耐药性现象正在全球迅速蔓延。与它一起传播的是抗生素耐药性细菌。这危及了抗生素杀死细菌的功效。这些抗生素曾经改变并拯救了数百万人的生命[25］．

抗生素耐药性的原因有很多，比如抗生素的过度使用、处方不当和广泛的农业使用。除此之外，新抗生素的不可得性也是导致抗生素耐药的原因之一[26］．

Methilcillin耐Staphyllococcus球菌已发现对所有β-内酰胺类抗生素均有抗药性[27］．结核分枝杆菌已被发现对一些药物用于肺结核的治疗它对第一道线有抵抗力药物像异烟肼，利福平，吡嗪酰胺，乙胺丁醇和二线药物比如卷曲霉素阿米卡星卡那霉素氟喹诺酮类抵抗如此之多药物导致肺结核治疗失败。假单胞菌绿脓杆菌抵抗药物比如头孢菌素类碳青霉烯类氨基糖苷类氟喹诺酮类淋病奈瑟氏菌抵抗药物如头孢菌素类、青霉素类、氟喹诺酮类和四环素类[28］．

减少抗生素的使用可控制抗生素汇款的传播农业还有食用动物。抗生素耐药性问题可以通过阻止耐药基因从动物流向人类来控制。另一个策略是加强免疫力通过接种疫苗，保持良好的卫生，益生菌还有益生元，抗菌剂肽从天然来源作为抗生素的替代品。应该引入各种新颖的策略invirogate抗生素开发的过程，以确保不断有新的方法来对抗抗生素耐药性[29］．

许多科学家已经提出了新的策略，如噬菌体疗法、联合疗法、纳米技术(包括使用纳米尺寸的各种金属)、草药替代品等等。然而，这些策略并没有彻底根除抗生素耐药性。他们只能将抗生素耐药性的蔓延控制到一定程度。因此，需要发明一种能够巧妙杀死这种聪明细菌的新策略。微食动物也被称为人工机械吞噬细胞，是一种巧妙设计来杀死所有生物的装置物种的细菌。这是由罗伯特·弗雷塔斯博士设计的理论概念，听起来像是对日益严重的抗生素耐药性问题的完美解决方案。

微生物动物:抗生素耐药性的新解决方案

微生物动物是一个集合术语，包括许多类型的医用纳米机器人，用于广泛的抗菌治疗条件。Microbivore是一种简单的静脉注射装置，其功能基于天然巨噬细胞的原理。它们的主要功能是吞噬作用通过使用“消化和释放”协议。它可以被称为机械吞噬细胞或人工吞噬细胞[30.］．

微食动物是一种扁圆形的装置。它有6100亿个精密排列的结构原子，足够容纳1500亿个原子，当设备满载时，这些原子将结合在一起。纳米机器人的长轴直径为3.4微米，小轴直径为2微米。直径小于天然吞噬细胞的4微米。小的直径尺寸确保了微食动物可以很容易地通过体内的血管而不堵塞。它的体积为12.1056微米^3.．该设备在运行时需要高达200 pW的连续电源。它能以2微米的输入速率完全消化微生物^3.每30秒循环一次。

在每个周期中，目标细菌结合到可逆和位点特异性的结合位点。然后，伸缩的抓手出现并固定在细菌的质膜上。然后，伸缩手柄将细菌推入摄入端口。通过摄入端口，它进入分碎室，细菌在刀片的帮助下被切碎成小碎片。然后，一个弹出活塞将切碎的碎片推入消化室。消化室含有预先设计好的酶。这些酶将这些碎片分解成无害的单残基。形成的单残基如甘油、游离脂肪酸、单糖，不会引起任何过敏级联。然后，这些单体残留物通过位于该装置后部的排气口从该装置中排出。这就完成了30秒的循环。 This process is called as digest and discharge protocol.

下面讨论microbivore各部件的详细规格和工作原理:

1.可逆微生物结合位点:微食动物执行的第一个功能是通过与细菌结合来攻击细菌。细菌和微食动物的碰撞导致两者表面的亲密接触。LD乐动体育官网在此过程中，细菌被结合位点识别。在细菌被识别后，它可逆地与结合位点结合。识别细菌是很重要的，因为所有的细菌不能结合到同一个结合位点。细菌通常是根据它们的细胞膜来区分的。革兰氏阴性菌与革兰氏阳性菌具有不同的标记物。一种叫做孔蛋白的三聚体通道蛋白存在于大肠杆菌的膜中。分枝杆菌的细胞膜上含有分枝杆菌酸。细菌的外膜含有氨基酸，这些氨基酸是右手型的，与我们体内的左手型氨基酸相反。 These right handed amino acids are not susceptible to the digestive enzymes of our body.

一个微食动物应该能够区分500种不同的细菌。每个细菌细胞可以用大约9个抗原标记物来鉴定。每个受体块由9个7 nm * 7 nm的受体位点组成。有2万个这样的受体块。一个受体能产生40-160 pN的结合力。

2.伸缩式吊斗:一旦目标细菌被识别并暂时结合到结合位点上，伸缩的抓手就会从微食动物中出现，并安全地锚定在细菌的质膜或外膜上。伸缩手柄有压力传感器以帮助区分革兰氏阴性细菌和革兰氏阳性细菌。这有助于确认细菌的身份。伸缩手柄由升降机构操作。抓斗被封闭在子抓斗室中，压缩氮气被旋转进或出。这种气体有助于移动气动活塞，控制伸缩抓斗所需的伸展或收缩力。每个抓钩由一个直径20纳米的可逆脚垫终止。对于革兰氏阳性菌，足垫由100个紧密排列的亲脂性结合位点组成，这些结合位点与质膜中的脂质分子结合。对于革兰氏阴性菌，脚垫具有由共价连接的跨膜蛋白分子组成的结合位点，这些跨膜蛋白分子与膜蛋白连接。脚垫可以在内部拉索的帮助下旋转。这样就避免了细菌黏液的粘附。 There is one grapple per 0.09 micron²纳米机器人表面。伸缩手柄将细菌传递到摄入端口后，它们可以根据需要自由地操纵其他病原体。

3.摄食口和分碎室:摄取端口包括一个门是椭圆形的，工作在虹膜的机制。它们提供了1微米的光圈²完全打开时。如果病毒需要安全进入进料口，门可以在偏心方式机械化工作。如果细菌大到6微米，它们可以通过中心的门进入摄入端口。入口端口的打开导致进入分碎室。分碎室是一个长2微米、体积2微米的圆柱形腔室。

腔室有10个金刚石切割刀片。每个叶片都是~2微米长，~0.25微米宽，10纳米厚，并提供了1纳米的切削刃。这些刀片具有交替的切割几何形状，以便从各个角度完全切碎细菌。其他用于绞碎的机制可以是一种金刚烷类筛，它可以筛出细菌。一旦细菌被切碎成碎片，它们必须被运送到消化室。这是由弹射活塞完成的。在激活活塞之前，必须打开分离分碎室和消化室的门。活塞也可用于将物料从进料口送入分碎室。除活塞机构外，还提供真空将物料拉入腔内。

4.消化室和排气口:消化室的体积与分碎室相同，均为2微米^3.．消化室是围绕分碎室的圆柱形截面椭圆形室。它宽2微米，高1.3微米，长2微米。消化室含有预编程的工程酶序列。细菌片段被泵入消化室后，被酶消化成氨基酸、游离脂肪酸、单糖和单核苷酸等单残基。这些单体残留物通过排气口排出到血液中。

挑战

1.微食动物可以被吞噬细胞捕获细胞考虑到它是外来粒子。因此，它可以进行吞噬作用。这可以通过使用吞噬细胞吞噬抑制剂来解决。

2.鞭毛上的细菌应该小心地完全内化。否则，鞭毛可能会留在血液中。这些鞭毛具有抗原性，可能引发过敏反应。

3.存在于微食动物体内的工程酶可以部分降解，之后它们可以被喷射到血液中。进入血液后，可表现出免疫原性、炎症性等有害活性。微生物酶的设计应使它们能够被体内存在的天然酶消化。

优势

1.微食动物比天然吞噬细胞或抗生素辅助吞噬防御机制快1000倍。

2.它们的效率是天然吞噬细胞的80倍。

3.自然吞噬细胞释放生物活性化合物在吞噬作用的过程。另一方面，Microbivore释放不具有生物活性的片段，不会引发任何免疫原性反应。

4.除了在人体中使用外，它们还可以用于兽医和军事应用。

5.它们的工作可以用于各种应用，如食品的灭菌，生物危害的清洁，生物污染饮用水的处理等。

结论

纳米机器人已被应用于医学的各个领域。这些纳米机器人的作用是维护和保护人体。需要控制许多关键参数的严重医疗可以通过使用纳米机器人轻松完成。这些纳米机器人有望带来巨大的前景。考虑到治疗严重疾病和病症所涉及的现有疗法的严重影响，人们发现纳米机器人在治疗重大疾病方面更具创新性。目前在纳米机器人的设计和工作中存在的挑战很少，但随着技术的进步，科学家们很快就会找到解决这些问题的方法。纳米机器人可以应用于各种疾病，如癌症、艾滋病、心脏病等。很快，纳米机器人将取代现有的治疗各种疾病的疗法，这将是下一次工业革命。

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