微化学机械系统: 可以吞下的外科医生

自从Richard Feynman 提出“可以吞下的外科医生”这个概念,科学家们一直在试图制造微小的设备从人体的内部来执行外科医生的工作。这样的设备必须很小但具有灵敏的响应——可以将一个外部刺激转化为相应的机械动作,就像划动手术刀切割伤口。

微加工技术为我们提供了一系列方法来制造微纳米尺度的机械设备。然而,当这些设备放在生物环境内时,控制它们可绝非易事。小尺度的机械驱动一般通过电流,气压或者液压信号来完成。这些信号必须通过线路和控制缆绳来传递到微纳米的器件上。控制线路的存在必然会影响这些微型设备在人体内复杂的三维环境下使用。

人体自身使用的是一种不同的方式来控制机械动作:化学信号(chemical signaling)。三磷酸腺苷(adenosine triphosphate – ATP)是细胞的能量分子,可以特异地被蛋白酶裂解产生机械能。化学物质是理想的信号源:它们可以通过各种媒介扩散到很大的范围,并且可以被目标物高选择性地识别。微型化学机械系统(Microchemomechanical System – MCMS)就是使用了这种机械驱动模式。David H. Gracias 教授近期撰写了一篇综述总结了MCMS的发展历程,并对这个不断扩展的领域的前景进行了展望。

他的研究小组已经成功制备了很多MCMS设备模型,包括一个可以在氧化和还原条件下分别控制打开和关闭的微夹钳。这个微夹钳是通过双层金属合页控制(铜和铬);通过对金属选择性的改性可以产生应力,控制合页的弯曲和伸展。在氧化环境中加热微夹钳可以在铜表面生成氧化物薄层,这将产生一个很大的拉应力将合页“打开”。相反的,在还原性环境中加热夹钳可以还原氧化层,合页随之会再次关闭。

该研究小组还研究了一些可以通过酶进行选择性控制的设备。例如,一个夹钳,可以通过纤维素酶对聚合物修饰的合页上的纤维素层的降解将其选择性关闭;也可以通过蛋白酶对另一片合页上明胶的降解而重新打开。由于纤维素并不天然存在于人体中,这个装置可以应用于特定的发病位置。而且,这些设备中的金属层意味着他们可以使用磁场进行定位。

也许,让这些“可吞咽的外科医生”开始他们的巡逻还需要一些时间,但是这篇综述中描述的这些巧妙设备表明,MCMS才刚刚开始崭露头角。

D. H. Gracias et al., Adv. Funct. Mater. 2011; DOI: 10.1002/adfm.201100482.