2023 年 10 月，东南大学的研究团队在精准医疗领域取得了一项引人注目的突破：成功研发出了先进的“人体器官芯片”。早在 2016 年，人体器官芯片方面的生物医学技术就被达沃斯世界经济论坛评选为“十大新兴技术之一”，而且被认为是中国在生物医药领域需要攻克的关键核心技术。
人体器官芯片技术是什么？
“人体器官芯片”不是单一的科学成就，而是由诸如干细胞科学、生物材料工程、纳米加工技术等多个前沿技术交叉集成而成。
这些芯片是一种在体外构建的高度复杂的器官微生理系统，可以模仿人体组织的各种功能。
这样的设计不仅减少了对动物和人体实验的需求，而且能够更有效地筛选和评估潜在的新药，从而极大地加速了药物研发进程。
在这一技术的突破过程中，纳米材料发挥了至关重要的作用。
纳米材料由于其极小的尺寸和高度特定的物理化学性质，可以在生物系统中模拟细胞结构和功能。
这些纳米材料通常以多种方式被用于构建和支撑人体器官芯片的微结构，提供了更接近于生物体内环境的条件，因而使得药物测试结果更加准确。
图1多室淋巴结芯片能够测量免疫细胞对药物反应的运动性。图片来源：参考文献[1]
纳米材料：微观世界的魔石
纳米材料，一种在尺寸上处于纳米级别的先进材料，已经引起了科学界和工业界的广泛关注。
纳米是一个极其微小的长度单位，只有一米的十亿分之一。由于它的尺度如此之小，以至于它完全超出了人类视觉的检测能力。
电镜下的纳米粉末形貌。图片来源：参考文献[2]
人的头发丝大约有 80000~100000 纳米宽，所以纳米尺度只有头发丝宽度的十万分之一；普通的纸张大约有 100000 纳米厚，这意味着纳米尺度只有它的十万分之一；人的指甲每秒钟生长大约 1 纳米。
当物质缩小到纳米尺度时，其性质，如颜色、强度、电导率和化学反应性等，往往会发生显著变化。
这些变化主要是因为在纳米尺度上，物质的表面积与体积的比率大大增加，同时量子效应也开始变得显著。
这种现象赋予了纳米材料在包括医疗、能源和信息技术等众多领域巨大的应用潜力。
器官芯片的设计理念
器官芯片不仅是一种生物工程的奇迹，也是细胞生物学和材料科学交汇的产物。
这些芯片并不旨在复制一个完整的、活体的器官，而是通过将培养细胞组装成三维组织结构，来模拟人体器官的基本功能，核心目标是建立一个模拟人体生理状态的可控最小功能单元。
器官芯片集合了传统的人体细胞培养方法的便捷性和器官系统的高度生物保真性。
通过简单但精密的工程技术，这些芯片能够构建出能预测器官功能的最小单位。
使用器官芯片技术，科学家和医生不仅可以收集关于人类遗传学、生理学、病理学的多样性信息，还可以大大降低药物研发过程中的风险，进一步推动精准医疗的实施。
器官芯片相互连接示意图。图片来源：参考文献[3]
纳米材料在科技领域的多元应用
纳米材料在多个科技领域发挥着日益重要的作用，不仅带来了革命性的变革，还解决了一系列长期存在的问题。
在材料科学中，纳米技术已经实现了前所未有的突破。
例如，碳纳米管不仅超级耐用，而且质量极轻。这种卓越性能使它在飞机、高端汽车和精密科学仪器等设备中得到了广泛应用。
碳纳米管能显著降低这些设备的整体重量，从而大幅提高其运行效率和性能。
不仅如此，在日常生活中，纳米陶瓷刀也受到了广泛关注，其质量仅为钢的六分之一，但硬度却是钢的百倍。
纳米材料在医疗领域中同样具有巨大的潜力。这些材料不仅能助力于更有效的药物制造，还可以通过纳米级的精密输送，将治疗药物直接送达病变部位。
这一技术显著提高了药物的治疗效果，同时也大大减少了对患者的副作用。
例如，研究表明，使用仿生纳米材料进行药物递送能够提高纳米结构的稳定性，减少药物的渗漏问题，从而实现更为精准和高效的肿瘤治疗。
此外，纳米技术也正在用于生产仿生医学材料，例如人工关节和人工器官等，为医疗领域带来了新的创新机会。
纳米材料在能源和环境保护方面也表现出色。例如，兰州大学和俄罗斯人民友谊大学的研究人员开发了一种纳米混合催化剂，该催化剂可以在没有任何强侵蚀性溶剂的情况下，快速去除水中的污染物。
这种纳米材料能在短短几分钟内高效地去除水溶液中的各种染料，从而大幅提升水处理的效率，为我们的环境保护做出了积极贡献。
纳米材料如同科技界的“乐高”，在各个领域都展现出了令人瞩目的应用前景。从高性能设备到医疗研究，再到环境保护，纳米材料的应用都在为我们的生活带来深远的影响和积极的变化。
总的来说，纳米材料的应用范围正在不断扩大，为人类社会的各个领域带来了巨大的好处。
未来，随着科技的不断进步，相信纳米材料的应用前景将更加广阔，为我们的生活带来更多的可能性。
参考文献
[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.