2023 年 10 月，東南大學的研究團隊在精準醫療領域取得了一項引人注目的突破：成功研發出了先進的“人體器官芯片”。

早在 2016 年，人體器官芯片方面的生物醫學技術就被達沃斯世界經濟論壇評選為“十大新興技術之一”，而且被認為是中國在生物醫藥領域需要攻克的關鍵核心技術。

人體器官芯片技術是什么？

“人體器官芯片”不是單一的科學成就，而是由諸如干細胞科學、生物材料工程、納米加工技術等多個前沿技術交叉集成而成。

這些芯片是一種在體外構建的高度復雜的器官微生理系統，可以模仿人體組織的各種功能。

這樣的設計不僅減少了對動物和人體實驗的需求，而且能夠更有效地篩選和評估潛在的新藥，從而極大地加速了藥物研發進程。

在這一技術的突破過程中，納米材料發揮了至關重要的作用。

納米材料由于其極小的尺寸和高度特定的物理化學性質，可以在生物系統中模擬細胞結構和功能。

這些納米材料通常以多種方式被用于構建和支撐人體器官芯片的微結構，提供了更接近于生物體內環境的條件，因而使得藥物測試結果更加準確。

圖1多室淋巴結芯片能夠測量免疫細胞對藥物反應的運動性。圖片來源：參考文獻[1]

納米材料：微觀世界的魔石

納米材料，一種在尺寸上處于納米級別的先進材料，已經引起了科學界和工業界的廣泛關注。

納米是一個極其微小的長度單位，只有一米的十億分之一。由于它的尺度如此之小，以至于它完全超出了人類視覺的檢測能力。

電鏡下的納米粉末形貌。圖片來源：參考文獻[2]

人的頭發絲大約有 80000~100000 納米寬，所以納米尺度只有頭發絲寬度的十萬分之一；普通的紙張大約有 100000 納米厚，這意味著納米尺度只有它的十萬分之一；人的指甲每秒鐘生長大約 1 納米。

當物質縮小到納米尺度時，其性質，如顏色、強度、電導率和化學反應性等，往往會發生顯著變化。

這些變化主要是因為在納米尺度上，物質的表面積與體積的比率大大增加，同時量子效應也開始變得顯著。

這種現象賦予了納米材料在包括醫療、能源和信息技術等眾多領域巨大的應用潛力。

器官芯片的設計理念

器官芯片不僅是一種生物工程的奇跡，也是細胞生物學和材料科學交匯的產物。

這些芯片并不旨在復制一個完整的、活體的器官，而是通過將培養細胞組裝成三維組織結構，來模擬人體器官的基本功能，核心目標是建立一個模擬人體生理狀態的可控最小功能單元。

器官芯片集合了傳統的人體細胞培養方法的便捷性和器官系統的高度生物保真性。

通過簡單但精密的工程技術，這些芯片能夠構建出能預測器官功能的最小單位。

使用器官芯片技術，科學家和醫生不僅可以收集關于人類遺傳學、生理學、病理學的多樣性信息，還可以大大降低藥物研發過程中的風險，進一步推動精準醫療的實施。

器官芯片相互連接示意圖。圖片來源：參考文獻[3]

納米材料在科技領域的多元應用

納米材料在多個科技領域發揮著日益重要的作用，不僅帶來了革命性的變革，還解決了一系列長期存在的問題。

在材料科學中，納米技術已經實現了前所未有的突破。

例如，碳納米管不僅超級耐用，而且質量極輕。這種卓越性能使它在飛機、高端汽車和精密科學儀器等設備中得到了廣泛應用。

碳納米管能顯著降低這些設備的整體重量，從而大幅提高其運行效率和性能。

不僅如此，在日常生活中，納米陶瓷刀也受到了廣泛關注，其質量僅為鋼的六分之一，但硬度卻是鋼的百倍。

納米材料在醫療領域中同樣具有巨大的潛力。這些材料不僅能助力于更有效的藥物制造，還可以通過納米級的精密輸送，將治療藥物直接送達病變部位。

這一技術顯著提高了藥物的治療效果，同時也大大減少了對患者的副作用。

例如，研究表明，使用仿生納米材料進行藥物遞送能夠提高納米結構的穩定性，減少藥物的滲漏問題，從而實現更為精準和高效的腫瘤治療。

此外，納米技術也正在用于生產仿生醫學材料，例如人工關節和人工器官等，為醫療領域帶來了新的創新機會。

納米材料在能源和環境保護方面也表現出色。例如，蘭州大學和俄羅斯人民友誼大學的研究人員開發了一種納米混合催化劑，該催化劑可以在沒有任何強侵蝕性溶劑的情況下，快速去除水中的污染物。

這種納米材料能在短短幾分鐘內高效地去除水溶液中的各種染料，從而大幅提升水處理的效率，為我們的環境保護做出了積極貢獻。

納米材料如同科技界的“樂高”，在各個領域都展現出了令人矚目的應用前景。從高性能設備到醫療研究，再到環境保護，納米材料的應用都在為我們的生活帶來深遠的影響和積極的變化。

總的來說，納米材料的應用范圍正在不斷擴大，為人類社會的各個領域帶來了巨大的好處。

未來，隨著科技的不斷進步，相信納米材料的應用前景將更加廣闊，為我們的生活帶來更多的可能性。

參考文獻

[1] N. Hallfors, A. Shanti, et al. Multi-Compartment Lymph-Node-on-a-Chip Enables Measurement of Immune Cell Motility in Response to Drugs. Bioengineering 2021, 8(2), 19.

[2]Wei Li et al. Programmable synthesis of radially gradient-structured mesoporous carbon nanospheres with tunable core-shell architectures. Chem, 2021, 7, 1020-1032.

[3] K. R. Bouchard, G. Vunjak-Novakovic. Organs-on-a-Chip: A fast track for engineered human tissues in drug development. Cell Stem Cell 2018, 22, 310-324.

[4] Su, J., Musgrave, C.B., Song, Y. et al. Strain enhances the activity of molecular electrocatalysts via carbon nanotube supports. Nat. Catal. 2023, 6, 818–828.