我们对掌握自然了解得越多，就越觉得自然是理想的模型。例如，从鲍鱼壳闪闪发光的内衬到神经纤维精细的纹路，一切都从普通的原材料，逐个原子、逐个分子地组装而成。这种基本的生物能力正是纳米技术学家们渴望模仿的，而且，作为人类，他们还在努力争取做得更好，以创造出尺寸小到纳米（大约是人类头发丝宽度的五万分之一）的医学有用结构。
许多人造纳米结构，如碳纳米管（著名的富勒烯的圆柱形同类物）或量子点，已经能够建造出来，但只能在真空、高强度辐射或定向电子束等极端环境下。然而，当自然系统形成纳米级结构时，“它们不需要庞大的化工厂或大量的能源，”佛蒙特州 Case Scientific 的化学家 Fiona Case 说。“自然的结构在室温下形成，消耗的能量相当于一片披萨释放的能量。”
生命系统的基本组成部分是如何以如此惊人的多样性，却又如此精确且能耗如此之低的方式自我构建的呢？科学家们正在逐渐开始发现并利用自主自组织的规律。许多研究人员认为，那种更温和、更精细的动态自组装将很快普及，因为科学家们将学会纳米工程更多的化学物质，这些化学物质只能以特定的方向结合，就像乐高积木一样。迄今为止一些最引人注目的成就，都采用了自组装人造材料来促进复杂的生物修复。
在西北大学，化学家 Samuel Stupp 和他的研究团队开发了各种两亲性分子（其两端对不同种类的材料有化学吸引力），这些分子可以自组装成纳米纤维，进而促进骨细胞和脑细胞的再生。去年春天，该团队报告说，他们的纤维在细胞培养物和活体动物中都诱导了新血管的形成。这些分子最初悬浮在液体中，但一旦被置于活体组织中并接触到细胞，它们就开始排列成纤维基质，形成一种凝胶。然后，这种凝胶可以被设计用来向愈合部位输送治疗性蛋白质。
另一种技术涉及构建纳米骨架，从而使组件按照所需的设计排列。去年夏天，以色列理工学院的科学家们与麻省理工学院的同事们宣布，他们从零开始培养了肌肉组织，并将其植入活体小鼠体内——结果与真正的肌肉组织一样起作用。他们首先设计了一个纳米级的塑料支架，然后用常见的肌肉前体细胞（称为肌母细胞）以及血管内壁的内皮细胞播种。在支架图案的引导下，这些细胞很快就组织成细长的肌肉纤维，并带有自己的动脉和静脉。
“我们正处于一场材料革命的边缘，”密歇根大学的化学工程师 Sharon Glotzer 最近在《科学》杂志上表示，“届时，全新的‘超分子’和粒子类别将被设计和制造出来，具有期望的特征，包括可编程的组装指令。”
虽然一些科学家正在逐步训练人造纳米材料来构建生物材料，但另一些科学家则在探索自组装的反面：利用自然系统来指导人造设备的构建。西北大学的另一位化学家 Chad Mirkin 正在研究利用 DNA 的特殊规则性质来构建纳米结构的新方法。DNA 由四种物质——核苷酸碱基腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶组成——它们只能以特定的构型和序列组合。多亏了它们，你的细胞才能持续按照生命所需的确切规范产生蛋白质。Mirkin 的团队使用定制的 DNA 链作为模板，引导化合物形成正确的模式，用于电子电路或催化剂。
“数十亿年来，自然界一直在使用 DNA 来确保某些化学序列只以特定的方式排列，而不是其他方式，”Mirkin 说。“而且如今，DNA 可以常规合成。”
事实上，随着纳米科学的进步，随着研究人员逐渐学会模仿——如果不能控制——生物系统从无序中创造有序的优雅而高效的方式，区分“自然”和“人造”的熟悉界限将变得越来越模糊。而在某些领域，例如受损组织的医疗修复，这种区分可能很快就会变得无关紧要。
西北大学国际纳米技术研究所所长 Chad Mirkin 和他的同事们正通过两种纳米技术改变诊断医学的未来。第一种称为生物条形码检测，它依赖于纳米颗粒，这些纳米颗粒被设计成附着在特定的致病蛋白质上；这将极大地提高医生在早期阶段检测癌症和阿尔茨海默病等疾病的能力，以及识别炭疽病等病原体的能力。第二种技术称为浸笔纳米光刻，它就像一排微小的钢笔，可以在表面沉积宽度为 15 纳米的几乎任何可溶性材料的线条。其理念是在芯片上沉积一小条遗传物质，只有特定的 DNA 片段才能与之结合，然后在芯片两侧各贴一个传感器。如果目标病原体存在，其 DNA 将附着在芯片上的链上并改变其化学性质，从而触发警报信号。
基因芯片并非新鲜事物。
这些有什么特别之处？ M：
浸笔纳米光刻将使研究人员能够制备有史以来最高密度的基因芯片。该领域的圣杯是创造一个能够检测任何 DNA 序列的芯片。为此，你需要为 17 个碱基长的序列的所有可能组合（足以识别病原体基因组的关键要素）提供一个 DNA 位点。那就是 4 的 17 次方，近 200 亿个位点。以目前微尺度技术，这样的芯片将有网球场那么大，或者最多也就是一个大型汽车停车场那么大——太大以至于无法实用。但是，通过浸笔纳米光刻提供的分辨率，可以在大约一便士大小的区域内制备那种传感器芯片。
那么，有了这些技术，体检可能只需要一分钟？ M：
生物条形码检测已被用于检测艾滋病毒、阿尔茨海默病、疯牛病、前列腺癌和卵巢癌的生物标志物。它们将在血液筛查、生物恐怖防御、传染病筛查和癌症研究中得到广泛应用。传统技术缺乏检测血液中此类标志物的灵敏度，更不用说量化其数量了。一旦完全开发出来，这种传感器技术应该能够让医生或其他个人在普通就诊期间筛查患者的多种传染病和遗传性疾病。
