智能繃帶

當(dāng)受傷的士兵從阿富汗戰(zhàn)場(chǎng)歸來(lái)時(shí)，他們得到了很好的照顧。在得克薩斯州圣安東尼奧軍事醫(yī)學(xué)中心，外科醫(yī)生們仔細(xì)地把健康組織移植到士兵們的燒傷或機(jī)械創(chuàng)口上，用顯微外科手術(shù)把血管和新皮膚連接起來(lái)。但這些病人的康復(fù)狀況仍不確定。血管提供的氧氣或許不足以讓移植組織健康生長(zhǎng)。

哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院和麻省總醫(yī)院威爾曼光醫(yī)學(xué)中心（Wellman Center for Photomedicine）的化學(xué)家康納·埃文斯（Conor Evans）在2010年訪問(wèn)圣安東尼奧時(shí)見(jiàn)到了這些士兵。他意識(shí)到，監(jiān)測(cè)傷口氧水平的傳統(tǒng)技術(shù)效果不夠好，當(dāng)移植組織出問(wèn)題時(shí)，也不能及時(shí)發(fā)出警報(bào)?！斑@些醫(yī)生做得非常棒，”埃文斯說(shuō)，“但他們用的傳感器難以讓人滿意?！?/p>

所以，埃文斯發(fā)明了一種更好的繃帶。他和同事首先找到了可以對(duì)不同氧水平作出反應(yīng)的染料，再加入可以控制染料活性的納米分子，用它們制造出了可以顯示傷口健康狀況的液體繃帶。根據(jù)傷口當(dāng)前的氧含量，“這個(gè)繃帶可以像交通燈那樣從綠色變成黃色、橙色和紅色，”埃文斯說(shuō)。2014年，這種繃帶在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中獲得了成功，人體試驗(yàn)也將在2015年開(kāi)始進(jìn)行。

有了能夠操縱納米材料的新技術(shù)，埃文斯這樣的科學(xué)家不僅能改進(jìn)快速評(píng)估健康狀況的方法，他們還能把傷口敷料（wound dressing）變成精確的給藥系統(tǒng)。麻省理工學(xué)院的化學(xué)家波拉·哈蒙德（Paula Hamond）說(shuō)：“納米技術(shù)的作用很關(guān)鍵，在其幫助下，我們可以控制藥物釋放量，并把藥物送到我們想讓它們到達(dá)的傷處?！迸c讓藥物遍布全身，但只有一部分能到達(dá)目標(biāo)的方法相比，精確給藥的優(yōu)勢(shì)非常明顯。

讓傷口獲得更多的氧氣

由缺氧導(dǎo)致的傷口愈合問(wèn)題每年會(huì)影響到600多萬(wàn)美國(guó)人，相關(guān)的醫(yī)療費(fèi)用據(jù)估計(jì)會(huì)到達(dá)250億美元。醫(yī)生一般會(huì)把電極探針扎入受傷的組織中，測(cè)量組織的含氧量。不過(guò)，扎針會(huì)帶來(lái)疼痛，而且只能獲得大片傷口中某個(gè)點(diǎn)的讀數(shù)。與之相反，埃文斯的繃帶可以立刻獲得整個(gè)傷口的氧含量分布圖。

埃文斯的繃帶是一種可以直接涂抹在傷口上的速干液體繃帶，它的功能依賴于兩種混合在繃帶內(nèi)的染料。短暫的藍(lán)光脈沖可以激發(fā)并點(diǎn)亮這兩種染料：一種染料發(fā)紅光，另一種則會(huì)發(fā)出綠光。不過(guò)，如果有氧分子存在，紅色染料則無(wú)法發(fā)出磷光，因此當(dāng)繃帶附近的組織有充足的氧，并保持健康的時(shí)候，繃帶看上去是綠色的。而如果傷口區(qū)域缺氧，黃色和橙色的色斑就會(huì)出現(xiàn)，并最終出現(xiàn)報(bào)警的紅色。

警報(bào)的關(guān)鍵是紅色染料分子的納米添加劑。埃文斯將每個(gè)紅色染料分子和一個(gè)樹(shù)狀分子偶聯(lián)起來(lái)。這些樹(shù)狀分子有長(zhǎng)度不超過(guò)2納米的分叉結(jié)構(gòu)。有了這樣的結(jié)構(gòu)，紅色染料便不會(huì)相互重疊，也不會(huì)相互滅掉各自的磷光，還能在物理結(jié)構(gòu)上阻止部分（不是全部）氧分子接觸到染料，因此當(dāng)含氧水平較低時(shí)，染料分子的顏色變化看起來(lái)更明顯。

在醫(yī)院里，紅色的警報(bào)會(huì)提示護(hù)士給繃帶拍照，醫(yī)生則會(huì)試圖改善問(wèn)題部位的血液和氧氣循環(huán)。原則上，在家里也能用這種繃帶。埃文斯說(shuō)，病人可以自己為繃帶拍照，并把照片傳給醫(yī)生進(jìn)行評(píng)估。

埃文斯的團(tuán)隊(duì)還發(fā)明了其他染料，這些染料能更高效地把藍(lán)光轉(zhuǎn)化為紅光。埃文斯說(shuō)：“我們的新繃帶非常亮，在日光照射的房間里，只需要一點(diǎn)染料就能看見(jiàn)顏色的變化?！蔽磥?lái)，甚至還有可能設(shè)計(jì)出可以把治療藥物放進(jìn)傷口里的繃帶，埃文斯補(bǔ)充說(shuō)。

自動(dòng)釋放藥物

在哈蒙德的實(shí)驗(yàn)室，研究人員已經(jīng)給繃帶加上了用納米技術(shù)制造的治療性物質(zhì)。他們還發(fā)明了可以緩慢釋放RNA和蛋白質(zhì)的藥物涂層，這些RNA和蛋白質(zhì)可以抑制某些妨礙傷口愈合的細(xì)胞活動(dòng)。例如，有些名為小干擾RNA的RNA分子可以妨礙某些基因的活動(dòng)，讓它們無(wú)法生產(chǎn)會(huì)引發(fā)麻煩的蛋白質(zhì)。

哈蒙德的團(tuán)隊(duì)還把一些RNA包裹在直徑200納米的磷酸鈣外殼里，再用兩層由生物分子組成、帶正電荷的高聚物把磷酸鈣外殼夾在中間，并在這個(gè) “三明治”結(jié)構(gòu)的一側(cè)涂上帶負(fù)電荷的粘土。（相反的電荷可以讓這幾屋材料粘在一起。）把25個(gè)這樣的“三明治”疊在一起，就可以形成約半微米厚的涂層。哈蒙德把這層涂層添加到了普通的尼龍繃帶上。

隨著身體自帶的酶將這幾層材料分解，繃帶敷料會(huì)在一周時(shí)間里逐漸把RNA分子釋放到傷口內(nèi)。緩慢而穩(wěn)定的釋放可以減輕單次大劑量用藥帶來(lái)的副作用。這種藥物釋放方法還能保證傷口得到持續(xù)不斷的治療。

哈蒙德還用這種多層敷料為糖尿病小鼠提供促進(jìn)傷口愈合的治療性蛋白?，F(xiàn)在已經(jīng)有含這種蛋白質(zhì)的藥膏了，但哈蒙德表示這種配方效果不是很好——藥膏開(kāi)始會(huì)在短時(shí)間釋放大量蛋白質(zhì)，然后在24個(gè)小時(shí)之內(nèi)失去活性。而哈蒙德的繃帶與之完全不同，它能穩(wěn)定地在5-7天內(nèi)維持最理想的蛋白質(zhì)釋放劑量。

多涂層方法還能改進(jìn)冠心病的治療方法。這種疾病是血小板堆積在為心肌輸送血液的血管中而導(dǎo)致的。常見(jiàn)的治療方法一般是用可充氣的氣囊撐開(kāi)動(dòng)脈，并植入不銹鋼網(wǎng)做成的細(xì)管（也就是心臟支架）保持血管暢通。有些心臟支架裝載了治療性分子，防止動(dòng)脈再次變窄，但是病人必須服用更多的藥物，降低血管壁上脫落的血栓帶來(lái)的風(fēng)檢。

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的化學(xué)家戴維·林恩 （David Lynn）認(rèn)為，用納米涂層巧妙地釋放DNA藥物修復(fù)動(dòng)脈，是治療這類疾病的更好方案。在體內(nèi)，這些DNA可以幫助細(xì)胞生產(chǎn)能夠穩(wěn)定并重建血管壁的蛋白質(zhì)。為了在正確的時(shí)間精確地把這些DNA藥物送到正確的位置，林恩在支架上交替包裹多層DNA和可生物降解的高聚物，每層都有幾納米厚。研究人員可以通過(guò)改變層數(shù)來(lái)控制釋放到血管壁里的DNA總量。在豬身上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)顯示，在植入支架后的幾天時(shí)間里，DNA會(huì)逐漸滲透到周圍的組織中。其他試驗(yàn)表明，精細(xì)調(diào)節(jié)涂層的設(shè)計(jì)方式，可以改變釋放速率?！拔覀儸F(xiàn)在已經(jīng)有了合理的控制方法，通過(guò)改變高聚物的結(jié)構(gòu)或材料層的疊加方式，我們可以把藥物釋放過(guò)程控制在幾秒到幾個(gè)月之間的任意時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)?！?/p>

這些發(fā)明背后的基礎(chǔ)納米工程學(xué)也可以應(yīng)用到許多其他領(lǐng)域。林恩正在用高聚物涂層輸送一類叫作肽的生物分子，這些分子可以干擾細(xì)菌之間傳遞的化學(xué)信號(hào)。而切斷細(xì)菌之間的聯(lián)系。就可以阻止它們聚在一起形成能夠抵擋抗生素的生物膜。埃文斯正嘗試用他的磷光染料從組織樣本中識(shí)別出乏氧腫瘤細(xì)胞。這類腫瘤細(xì)胞對(duì)化療藥物有特別強(qiáng)的抵抗力。埃文斯計(jì)劃今年晚些時(shí)候用動(dòng)物測(cè)試這種方法。同樣的染料技術(shù)也可用來(lái)探測(cè)傷口組織里的感染細(xì)菌和其他類型的分子。“真的，這種技術(shù)潛力無(wú)限，”埃文斯說(shuō)。