受傷計程車兵自從他們從阿富汗戰鬥歸來後，得到了很好的治療。在德克薩斯州聖安東尼奧軍事醫療中心，外科醫生已經仔細地將健康的組織移植到他們的燒傷和傷口上，使用顯微外科手術將他們的血管連線到新的皮膚上。但是，患者仍然面臨著不確定的康復。血管可能無法為移植的組織提供足夠的氧氣以使其存活。
當康納·埃文斯在2010年訪問聖安東尼奧並看到這些士兵時，他意識到傳統的氧氣水平監測技術效果不佳，而且常常無法在移植失敗時發出足夠的警告。“這些醫生所做的事情簡直令人讚歎，”埃文斯說，他是哈佛醫學院和馬薩諸塞州總醫院韋爾曼光醫學中心的化學家。“但是他們擁有的感測器根本不行。”
因此，埃文斯製造了一種更好的繃帶。他和他的同事從對不同氧氣水平做出反應的染料開始，添加了控制染料活性的奈米級分子，並用它們製造了一種液體繃帶，可以指示其覆蓋傷口的健康狀況。“繃帶的顏色會像交通訊號燈一樣變化，從綠色到黃色和橙色再到紅色，”埃文斯說，這取決於存在的氧氣量。在2014年實驗室動物試驗成功後，人體試驗計劃於今年開始。
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透過利用操控小至十億分之幾米的新材料的新能力，像埃文斯這樣的科學家不僅可以改進快速健康評估，還可以將傷口敷料變成精確的藥物輸送系統。“奈米技術在控制釋放量以及製劑到達我們需要它們的傷口區域的程度方面發揮著重要作用，”馬薩諸塞理工學院的化學家寶拉·哈蒙德說。這種精確性比用藥物淹沒身體部位（其中只有一部分能找到目標）具有重大優勢。
爭取呼吸
每年，美國有超過六百萬人因缺氧導致的傷口癒合不良而受影響，醫療費用估計達到250億美元。通常，醫生會將針電極插入受傷的組織中以測量組織氧合，但針頭可能會引起疼痛，並且只能從大傷口中的單個點獲取讀數。相比之下，埃文斯的繃帶可以提供整個損傷的即時氧氣圖。
它依賴於兩種混合在速幹液體繃帶中的染料，可以塗在傷口上。短暫的藍光脈衝會激發並照亮兩種染料：一種發出鮮豔的紅色光，另一種發出綠色光。然後，氧分子會關閉紅色染料的磷光，因此如果相鄰組織浸泡在氧氣中並且健康，繃帶將呈現綠色。但是，如果傷口區域缺氧，則會透出黃色、橙色，最後是令人震驚的紅色斑塊。
警報的關鍵是在紅色染料分子中添加了奈米級的物質。埃文斯將這些分子中的每一個都與樹枝狀聚合物結合，樹枝狀聚合物是一種樹狀分子，其分支結構最多可達兩奈米寬。這種分子叢林阻止了相鄰分子重疊並相互猝滅磷光。它們還在物理上阻止了一些（但不是全部）氧分子到達染料；從較低水平開始使任何變化更加明顯。
在醫院裡，警告紅色會促使護士拍攝繃帶照片，醫生會試圖改善問題區域的血液和氧氣迴圈。原則上，繃帶可以在家中工作，埃文斯說：患者可以拍攝自己的繃帶快照並將其傳送給醫生進行評估。
埃文斯的研究團隊還創造了更有效地將藍光轉換為紅光的替代染料。“我們的新型繃帶非常明亮，即使在陽光充足的房間裡，在染料負載非常低的情況下也能看到，”埃文斯說。他補充說，未來，繃帶甚至可以被設計成將治療藥物分配到傷口中。
藥物輸送敷料
在哈蒙德的實驗室中，研究人員已經將奈米工程治療物質載入到繃帶中。他們開發了可以緩慢釋放 RNA 或蛋白質的塗層，這些分子可以關閉可能阻礙傷口恢復的某些細胞活動。例如，一些稱為小干擾 RNA 的 RNA 分子可以削弱基因產生引起問題的蛋白質的能力。
她的團隊將其中一些 RNA 封裝在磷酸鈣殼內，每個磷酸鈣殼寬約 200 奈米，將這些殼夾在兩層帶正電荷的生物分子聚合物之間，然後在這種三明治的一側“塗上”帶負電荷的粘土。（相反的電荷使各層相互粘附。）堆疊 25 個這樣的三明治形成大約半微米厚的塗層，哈蒙德將其放在傳統的尼龍繃帶上。
當體內天然酶分解這些層時，敷料會在一週內將 RNA 分子釋放到傷口中。緩慢而穩定的釋放可以減少傳統藥物單次大劑量引起的副作用；這種釋放方法還可以確保傷口得到持續治療。
哈蒙德還使用了這種所謂的逐層塗層來提供一種治療性蛋白質，該蛋白質有助於糖尿病小鼠的傷口癒合。這種蛋白質已經作為軟膏上市，但她說該製劑不是很有效——在最初釋放大量蛋白質後，其活性在 24 小時內就會消失。相比之下，哈蒙德的繃帶可以在五到七天內維持穩定的蛋白質流，以維持蛋白質的最佳劑量。
逐層策略可以改善另一種疾病的治療：冠狀動脈疾病，這種疾病是由血管中斑塊積聚引起的，這些血管將血液輸送到心肌。治療通常包括用可膨脹的氣球擴張動脈，並透過插入稱為支架的小型不鏽鋼網狀管來保持動脈暢通。一些支架裝載有治療分子，以防止動脈再次狹窄，但患者隨後必須服用更多藥物以降低可能從該區域脫落的血栓的相關風險。
威斯康星大學麥迪遜分校的化學家大衛·林恩認為，使用奈米級塗層裝置精確輸送 DNA 劑量來治療動脈可能提供更好的解決方案。在體內，DNA 可以使細胞產生一種蛋白質，該蛋白質有助於穩定和重建血管壁。為了在需要時和地點精確輸送這種基因療法，林恩在支架上塗上了連續的 DNA 層和可生物降解的聚合物，每層厚度為幾奈米。透過改變層數，研究人員可以控制釋放到血管壁中的 DNA 量。對豬的實驗表明，在支架植入後的幾天內，DNA 逐漸滲透到周圍組織中。其他測試表明，微調塗層設計可以改變釋放速率。“我們現在擁有合理的控制能力，使我們能夠透過修改聚合物的結構或我們組裝薄膜的方式來控制從幾秒到幾個月的釋放時間，”林恩說。
這些發明背後的基本奈米工程可以適用於廣泛的其他應用。林恩正在使用聚合物塗層來輸送稱為肽的生物分子，這些分子可以中斷細菌之間的化學對話。細菌彼此隔離後，就無法聯合起來形成堅韌的生物膜，而生物膜可以抵抗抗生素的破壞。埃文斯本人正在組織樣本中使用他的磷光染料來識別乏氧腫瘤細胞，這些細胞可能特別耐化療，他計劃在今年晚些時候在動物身上測試這項技術。相同的染料方法也可用於檢測傷口組織中是否存在感染性細菌或揭示其他型別的分子。“真的，天空才是極限，”埃文斯說。