世界是二進(jìn)制單元，由無(wú)數(shù)個(gè)0101組成，1956年，世界上第一個(gè)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)(機(jī)械硬盤(pán))，存儲(chǔ)信息時(shí)以電磁鐵改變旋轉(zhuǎn)磁盤(pán)上磁性材料的極性，由極性磁頭在硬盤(pán)上以正負(fù)兩極的寫(xiě)入以“0”和“1”，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寫(xiě)入。1980年，日本發(fā)現(xiàn)閃存技術(shù)并由此發(fā)明固態(tài)硬盤(pán)，因使用穩(wěn)定、運(yùn)行速度快、容量大等特點(diǎn)，至今仍作為信息處理的主流硬件設(shè)備。進(jìn)入21世紀(jì)，利用分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行編碼的各類(lèi)生物存儲(chǔ)技術(shù)相繼出現(xiàn)。2020年，可同時(shí)存儲(chǔ)數(shù)字信息、生物信息的新一代蠶絲蛋白存儲(chǔ)技術(shù)驚艷問(wèn)世。
近日，上海科學(xué)家推出全球首款“蠶絲硬盤(pán)”，將半導(dǎo)體材料與生物介質(zhì)融合，發(fā)明出一種可以同時(shí)記錄數(shù)字信息和生物信息的新科技存儲(chǔ)硬盤(pán)。5000年的古老生物見(jiàn)證了中華文明的歷史，如今成為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)介質(zhì)，在未來(lái)科技里重獲新生。
蠶絲蛋白硬盤(pán)不但能儲(chǔ)存數(shù)字信息，還能儲(chǔ)存生物信息，包括血液、DNA等人體差異化生物信息。
一、中國(guó)科學(xué)院上海微信通與信息技術(shù)研究所研究員，上海微系統(tǒng)所2020前沿實(shí)驗(yàn)室主任陶虎介紹：
從溶解后的蠶絲中提取蠶絲蛋白，以蠶絲蛋白溶液作為起始材料，通過(guò)一系列生物制造技術(shù)成硬盤(pán)、傳感器、光學(xué)器件等。這是一種區(qū)別于蠶絲紡織品的新科技材料、新技術(shù)路線。
通過(guò)納米加工技術(shù)，將蠶絲蛋白作為介質(zhì)，生產(chǎn)高密度二進(jìn)制的納米圖形，通過(guò)讀取納米圖形的二進(jìn)制記錄與讀取信息。在容量方面，實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)做到和普通臺(tái)式機(jī)硬盤(pán)相等。在技術(shù)優(yōu)化后，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有容量10倍以上。
由于蠶絲蛋白沒(méi)有電學(xué)介質(zhì)，在強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)輻射與極端條件(高溫、低溫、高濕度)下可以正常工作，具有綜合性的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，通過(guò)這種技術(shù)可以應(yīng)用的場(chǎng)景包含多種。
部分醫(yī)療診室或設(shè)備在工作時(shí)不允許金屬異物進(jìn)入，應(yīng)用蠶絲蛋白硬盤(pán)存儲(chǔ)器，可以實(shí)現(xiàn)在核磁共振等怕磁干擾的高端儀器設(shè)備中，讓所有人都能正常進(jìn)行身體檢查。
相比地球，外太空存在強(qiáng)烈的宇宙射線、真空環(huán)境、高低溫驟變等極端情況，蠶絲硬盤(pán)可在外太空等極端條件下實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)與運(yùn)輸，相比傳統(tǒng)的半導(dǎo)體硬盤(pán)，在信息存儲(chǔ)與運(yùn)輸上能夠完美克服這些極端挑戰(zhàn)。
二、中華醫(yī)學(xué)會(huì)神經(jīng)外科分會(huì)候任主委，復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院院長(zhǎng)毛穎表示：
臨床手術(shù)中為判斷腦內(nèi)的情況，會(huì)通過(guò)外科手術(shù)將外物(異物)傳感器植入腦內(nèi)。目前使用的材料多為化工、金屬制品，長(zhǎng)期停留腦內(nèi)會(huì)有存在一定幾率會(huì)導(dǎo)致腐蝕并釋放有毒物質(zhì)，因此臨床上希望找到一種更接近人體的材料進(jìn)行替代。
經(jīng)處理的蠶絲蛋白免疫原性會(huì)降低，獲得與人體更好的相容性，是一種很好的傳感器介質(zhì)材料，在信息存儲(chǔ)、信息傳輸、信息重現(xiàn)等獲取方式上。科學(xué)家一直致力于在現(xiàn)有儲(chǔ)存技術(shù)的基礎(chǔ)上突破材料與加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)新型生物儲(chǔ)存技術(shù)開(kāi)發(fā)。
傳感器重要的就是信息獲取、信息存儲(chǔ)、信息傳輸、信息重現(xiàn)。科學(xué)家考慮在現(xiàn)有儲(chǔ)存技術(shù)的基礎(chǔ)上突破材料與加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)新型生物儲(chǔ)存技術(shù)開(kāi)發(fā)。醫(yī)院委托上海微系統(tǒng)研究所研發(fā)一種傳感器，希望能夠在大腦里記錄一些信息，比如腦積液的溫度、各元素含量。通過(guò)傳感器的高效引導(dǎo)，將其實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)用于其他更多的研究中，同步傳輸與儲(chǔ)存設(shè)備中，形成數(shù)據(jù)庫(kù)和交互網(wǎng)絡(luò)。希望可將蠶絲蛋白作為傳感器的介質(zhì)或接觸材料，這對(duì)臨床醫(yī)生的日常工作或科研項(xiàng)目都有很大的幫助。
作為一種介質(zhì)材料，蠶絲就像一個(gè)“百變金剛”，我們有時(shí)需要用到它的“硬度”，有時(shí)需要用到它的“柔韌性”，因具備優(yōu)異的組織相容性，蠶絲蛋白可根據(jù)需求開(kāi)發(fā)人體支架、人工腦膜等外物器官。
1、解決核磁共振、CT等情況下，人體植入金屬(鈦合金等)材料導(dǎo)致的圖像偽影問(wèn)題——頜面部、大腦的神經(jīng)外科應(yīng)用前景較廣闊。
2、解決植入人體的金屬(不銹鋼、鈦合金)骨釘需二次手術(shù)取出的問(wèn)題。
3、為防止堵塞，在心臟、大腦血管內(nèi)安裝金屬支架，導(dǎo)致一些身體檢查不能正常進(jìn)行——金屬異物在一些高磁場(chǎng)儀器工作時(shí)會(huì)發(fā)生位移情況。
4、希望材料既保留金屬的足夠支撐力，又能夠?qū)崿F(xiàn)可控降解，長(zhǎng)期或短期內(nèi)在人體內(nèi)留存且不會(huì)產(chǎn)生排異反應(yīng)，降解后的產(chǎn)物亦可被人體安全吸收。
從結(jié)繩記事到竹簡(jiǎn)紙張，從計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存到光盤(pán)刻錄，儲(chǔ)存信息的工具經(jīng)歷了幾千年變革，生命科學(xué)與半導(dǎo)體技術(shù)融合為信息技術(shù)帶來(lái)了全新思路，各種基于生物介質(zhì)的存儲(chǔ)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。而生物存儲(chǔ)技術(shù)也被科學(xué)家認(rèn)為是下個(gè)時(shí)代的主流信息存儲(chǔ)方式。
高容量DNA存儲(chǔ)技術(shù)由來(lái)已久，通過(guò)血液中的堿基存儲(chǔ)二進(jìn)制信息，理論存儲(chǔ)極限是傳統(tǒng)硬盤(pán)的幾十萬(wàn)-幾百萬(wàn)倍，這也是DNA存儲(chǔ)的最大優(yōu)勢(shì)。然而，DNA存儲(chǔ)信息時(shí)的輸入和讀出并非一套系統(tǒng)，因此多用于特別高容量?jī)?chǔ)存(單純存儲(chǔ)，不能時(shí)常讀取信息)。
蠶絲蛋白存儲(chǔ)器的讀取技術(shù)基于傳統(tǒng)光學(xué)讀取(半導(dǎo)體硬盤(pán)磁頭讀取)，與現(xiàn)代的主流讀取技術(shù)相對(duì)更加兼容，無(wú)需過(guò)多升級(jí)優(yōu)化，可以直接使用在現(xiàn)代設(shè)備中，科學(xué)家通過(guò)加速老化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)蠶絲蛋白硬盤(pán)的使用壽命可達(dá)6年以上。是一種經(jīng)過(guò)開(kāi)發(fā)后能夠真正實(shí)現(xiàn)日常使用的儲(chǔ)存硬件。
三、不同硬度蠶絲蛋白的臨床應(yīng)用
腦外科手術(shù)中，顱骨固定裝置(骨釘、連接片)需要硬度較高的材料，這一材料會(huì)在病人骨頭自我修復(fù)過(guò)程中(6~12個(gè)月)逐漸降解，在骨骼完全康復(fù)的時(shí)間點(diǎn)前實(shí)現(xiàn)完全降解。而腦外科手術(shù)中的人工腦膜則需要一種很軟且永遠(yuǎn)不會(huì)降解的材料，終身伴隨人體，不會(huì)產(chǎn)生任何排斥反應(yīng)。
針對(duì)以上特定需求，中科院上海微系統(tǒng)所于2017年成功研制出蠶絲蛋白骨釘，并在此基礎(chǔ)上繼續(xù)研發(fā)各類(lèi)人體植入或?qū)崿F(xiàn)替代的組織器官。未來(lái)或?qū)⒖裳赜弥玲t(yī)美整形產(chǎn)業(yè)。
1、鼻假體——永不降解
2、人造皮膚——短期可控降解
3、人造韌帶、人造血管、人造外周神經(jīng)——長(zhǎng)期可控降解
過(guò)去，蠶絲蛋白主要用于臨床級(jí)的組織創(chuàng)面修復(fù)，而以蠶絲蛋白制作高端醫(yī)療器械產(chǎn)品，目前國(guó)內(nèi)還尚處于試驗(yàn)階段(技術(shù)已領(lǐng)先全球)，其本身的成本遠(yuǎn)低于現(xiàn)在所用的傳統(tǒng)材料，我國(guó)是全球第一產(chǎn)絲大國(guó)，蠶絲來(lái)源豐富，蠶絲在未來(lái)或?qū)⒊蔀閲?guó)際上的硬通物資實(shí)現(xiàn)流通。
相對(duì)于傳統(tǒng)行業(yè)，科技的發(fā)展正在不斷突破人們的想象，“蠶絲硬盤(pán)”技術(shù)的誕生，不但標(biāo)志著信息存儲(chǔ)方式的發(fā)生變革，未來(lái)或許有可能與人腦協(xié)同運(yùn)作，配合植入的傳感器+儲(chǔ)存器，實(shí)時(shí)分析大腦的語(yǔ)言功能功、記憶功能、情感功能并記錄儲(chǔ)存。
通過(guò)開(kāi)發(fā)“蠶絲硬盤(pán)”將加速人類(lèi)對(duì)大腦的探索與開(kāi)發(fā)，快速的分析、歸檔、儲(chǔ)存功能或?qū)⒅鸩窖由斓降浇逃⑨t(yī)療等民生產(chǎn)業(yè)中，實(shí)現(xiàn)剛性需求的快速開(kāi)發(fā)。