奈米醫學研究人員設想的長期未來包括極其微小的治療劑，它們可以在自身動力下智慧導航到身體任何部位的特定目標——且僅限該目標。到達後，這些自導引機器可以以多種方式發揮作用——從傳遞藥物有效載荷到提供有關其抗擊疾病進展狀態的即時更新。然後，在完成任務後，它們將安全地生物降解，不留下任何痕跡。這些所謂的奈米機器人將由生物相容性材料、磁性金屬甚至 DNA 細絲製成：所有材料都經過精心挑選，以發揮其在原子尺度上的有用特性，以及它們在不受干擾且不引發任何細胞損傷的情況下穿過人體防禦系統的能力。
儘管這一願景可能需要一二十年才能實現，但醫學研究人員已經開始著手解決一些技術問題。其中最大的挑戰之一是確保奈米裝置到達身體中的目標位置。
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今天市場上大多數藥物很容易透過血液在體內漂浮，無論是直接注射到血液中，還是在藥丸的情況下，從胃腸道吸收到血液中。但它們最終會到達需要的地方和可能引起不良併發症的地方。相比之下，複雜的奈米藥物被設計為引導到腫瘤或其他問題部位，在那裡釋放其藥物有效載荷，從而減少副作用的機會。
加州大學聖地亞哥分校奈米工程系主任兼傑出教授 Joseph Wang 表示，在短期內，磁場和超聲波是引導奈米藥物的主要候選方法。在磁性方法中，研究人員將氧化鐵或鎳等奈米顆粒嵌入到特定的藥物中。然後，他們使用放置在小鼠或其他受試者外部的一系列永磁體，透過操縱各種磁場，將金屬藥物推或拉過身體到達選定的部位。在超聲波方法中，研究人員將聲波 направляют 到含有藥物的奈米氣泡，導致它們爆裂，其力量足以使氣泡的貨物深入目標組織或腫瘤。
去年，英國基爾大學和諾丁漢大學的醫學研究人員在旨在治療骨折的工作中，為他們的磁性方法增加了一個有益的改進。他們將氧化鐵奈米顆粒附著到單個幹細胞上，然後將製備物注射到兩種不同的實驗環境中：胎兒雞股骨和由組織工程膠原水凝膠製成的合成骨支架。一旦幹細胞到達骨折處，研究人員就使用振盪的外部磁場快速改變奈米顆粒上的機械應力，從而將力傳遞到幹細胞。這種生物力學應力幫助幹細胞更有效地分化成骨骼。兩種情況下都發生了新的骨骼生長——儘管總體癒合不均勻。基爾大學科學與醫學技術研究所的博士後研究員 James Henstock 表示，研究人員最終希望，在氧化鐵修飾的幹細胞中新增各種生長因子將使修復過程更加順利。
自主奈米藥物
磁性和聲學方法的主要缺點是需要外部引導（這很麻煩），以及磁場和超聲波只能穿透身體一定深度。開發用於輸送治療貨物的自主“微型馬達”可以克服這些問題。
這種微型馬達將依靠化學反應來推進，但毒性是一個問題。例如，氧化葡萄糖（血液中發現的一種糖分子）會產生過氧化氫，過氧化氫可以用作燃料。但研究人員已經知道，這種特殊的方法從長遠來看是行不通的。過氧化氫會腐蝕活體組織，而且體內葡萄糖不會產生足夠的過氧化氫來充分驅動微型馬達。更有希望的是努力使用其他天然存在的物質，例如胃酸（用於胃部應用）或水（血液和組織中含量豐富）作為動力源。
然而，這些自推進裝置進行精確導航可能是一個更大的障礙。僅僅因為奈米顆粒可以移動到任何地方，並不意味著它們必然會精確地移動到研究人員希望它們去的地方。自主轉向目前還不是一種選擇，但一種變通方法是確保奈米藥物僅在發現自己處於正確的環境時才變得活躍。
為了實現這一技巧，研究人員已經開始使用合成 DNA 形式製造奈米機器。透過對分子的亞基進行排序，使其靜電荷迫使分子摺疊成特定的構型，科學家可以設計出能夠執行各種任務的結構。例如，芝加哥大學化學教授 Yamuna Krishnan 說，一些 DNA 片段可能會將自身摺疊成容器，這些容器只有在包裹遇到對疾病過程重要的蛋白質或遇到腫瘤內部的酸性條件時才會開啟並釋放其內容物。
Krishnan 和她的同事設想了由 DNA 製成的更先進的模組化實體，這些實體可以被程式設計用於不同的任務，例如成像甚至組裝其他奈米機器人。然而，合成 DNA 非常昂貴——成本大約是用於輸送藥物的更傳統材料的 100 倍。 Krishnan 說，因此，就目前而言，價格阻礙了製藥公司將其作為治療候選藥物進行投資。
所有這一切可能與建造一支讓人想起 1966 年電影《神奇旅程》中“普羅透斯號”的智慧潛艇艦隊相去甚遠。儘管如此，奈米機器人最終還是朝著那個方向發展。