當(dāng)受傷的士兵從阿富汗戰(zhàn)場歸來時，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。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。

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年訪問圣安東尼奧時見到了這些士兵。他意識到，監(jiān)測傷口氧水平的傳統(tǒng)技術(shù)效果不夠好，當(dāng)移植組織出問題時，也不能及時發(fā)出警報?！斑@些醫(yī)生做得非常棒，”埃文斯說，“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。2014年，這種繃帶在動物實驗中獲得了成功，人體試驗也將在2015年開始進(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：“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)致的傷口愈合問題每年會影響到600多萬美國人，相關(guān)的醫(yī)療費(fèi)用據(jù)估計會到達(dá)250億美元。醫(yī)生一般會把電極探針扎入受傷的組織中，測量組織的含氧量。不過，扎針會帶來疼痛，而且只能獲得大片傷口中某個點(diǎn)的讀數(shù)。與之相反，埃文斯的繃帶可以立刻獲得整個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，另一種則會發(fā)出綠光。不過，如果有氧分子存在，紅色染料則無法發(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出現(xiàn)，并最終出現(xiàn)報警的紅色。

警報的關(guān)鍵是紅色染料分子的納米添加劑。埃文斯將每個紅色染料分子和一個樹狀分子偶聯(lián)起來。這些樹狀分子有長度不超過2納米的分叉結(jié)構(gòu)。有了這樣的結(jié)構(gòu)，紅色染料便不會相互重疊，也不會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，染料分子的顏色變化看起來更明顯。

在醫(yī)院里，紅色的警報會提示護(hù)士給繃帶拍照，醫(yī)生則會試圖改善問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，病人可以自己為繃帶拍照，并把照片傳給醫(yī)生進(jìn)行評估。

埃文斯的團(tuán)隊還發(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：“我們的新繃帶非常亮，在日光照射的房間里，只需要一點(diǎn)染料就能看見顏色的變化。”未來，甚至還有可能設(shè)計出可以把治療藥物放進(jìn)傷口里的繃帶，埃文斯補(bǔ)充說。

自動釋放藥物

在哈蒙德的實驗室，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。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，讓它們無法生產(chǎn)會引發(fā)麻煩的蛋白質(zhì)。

哈蒙德的團(tuán)隊還把一些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 “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，繃帶敷料會在一周時間里逐漸把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——藥膏開始會在短時間釋放大量蛋白質(zhì)，然后在24個小時之內(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。常見的治療方法一般是用可充氣的氣囊撐開動脈，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。研究人員可以通過改變層數(shù)來控制釋放到血管壁里的DNA總量。在豬身上進(jìn)行的實驗顯示，在植入支架后的幾天時間里，DNA會逐漸滲透到周圍的組織中。其他試驗表明，精細(xì)調(diào)節(jié)涂層的設(shè)計方式，可以改變釋放速率。“我們現(xiàn)在已經(jīng)有了合理的控制方法，通過改變高聚物的結(jié)構(gòu)或材料層的疊加方式，我們可以把藥物釋放過程控制在幾秒到幾個月之間的任意時間長度內(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。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別出乏氧腫瘤細(xì)胞。這類腫瘤細(xì)胞對化療藥物有特別強(qiáng)的抵抗力。埃文斯計劃今年晚些時候用動物測試這種方法。同樣的染料技術(shù)也可用來探測傷口組織里的感染細(xì)菌和其他類型的分子?！罢娴模@種技術(shù)潛力無限，”埃文斯說。