智慧繃帶-科學人雜誌
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智慧繃帶

2015-06-01 沛普婁(Mark Peplow)
新型繃帶不只可覆蓋傷口,傷口有狀況時還能提醒醫護人員,並且可以傳遞藥物。

在阿富汗作戰受傷的美國士兵,被送回美國德州聖安東尼軍事醫療中心後獲得妥善的治療。醫生細心移植健康組織以覆蓋燙傷和創傷傷口,並利用顯微手術讓血管與新皮膚連結。不過,病患不一定能復原,這些血管可能無法供應足夠的氧氣讓移植組織良好存活。

哈佛醫學院與麻州綜合醫院的化學家艾萬斯(Conor Evans)在2010年拜訪了聖安東尼軍事醫療中心,他檢查這些受傷士兵,發現傳統技術無法妥善控制傷口的含氧量,當傷口復原狀況不良時,也無法提供警告。他說:「這些外科醫生的能力令人讚歎,但是他們所用的感測器就沒那麼聰明了。」

因此,艾萬斯嘗試研發智慧繃帶,他和同事首先研究會和不同含氧量起反應的染料,並添加奈米分子控制染料的活性,接著設計出能顯示傷口復原狀態的液態繃帶。艾萬斯表示:「繃帶會根據含氧量改變顏色,就像交通號誌一樣,從綠色變為黃色、橙色或紅色。」這項技術在2014年成功通過動物實驗,預計今年進行人體試驗。

艾萬斯等科學家透過新研發的奈米材料(大小只有幾十億分之一公尺),不只能改良並加速傷口的復原評估,還能讓傷口敷料轉型為精準的藥物傳遞系統。麻省理工學院的化學家哈默德(Paula Hammond)說:「對於控制藥劑釋放量以及運送藥劑抵達目標,奈米技術扮演很重要的角色。」比起讓身體的一部份浸泡在藥物裡、僅有一部份藥物到達目標處,奈米技術的精準投藥相當具有優勢。

讓傷口呼吸

美國每年有600萬人由於傷口缺氧而癒合不良,醫療成本估計達到250億美元。外科醫生通常是用針式電極插入受傷組織來評估組織含氧量,但針刺會造成疼痛,而且只能得知傷口某一小區的含氧量。艾萬斯的繃帶不一樣,能顯示整個傷口的即時含氧情況。

這項技術把兩種染料加入快乾式的液態繃帶,再用來覆蓋傷口。快速照射藍光即可提供能量使兩種染料發光,一種發出紅光,另一種發綠光。氧分子會關掉紅色染料的磷光,因此,繃帶如果顯示綠色,代表組織富含氧氣而且健康。如果傷口缺氧,繃帶會逐漸呈現黃色或橙色,最終的警示是紅色。

發出警示的主要關鍵,在於紅色染料分子外接奈米尺度的附加物。艾萬斯把染料分子與樹狀體結合,樹狀體是具有分支結構(直徑約兩奈米寬)的樹狀分子。這種分子叢能避免相鄰的染料分子重疊,因此不會抑制其他分子的磷光;分子叢還能擋住部份的氧分子與染料反應,降低偵測含氧量的起始數值,因此能凸顯之後的含氧量改變。


在醫院裡,出現紅色警示會提醒護士注意繃帶含氧狀態,而醫生則可改善傷口處的血液與氧氣流通。原則上,即使病人在家裡,繃帶也可以派上用場;艾萬斯表示,病人可以自拍繃帶影像並傳送給醫生評估。


艾萬斯的團隊還研發另一種染料,能有效利用藍光轉化成紅色。艾萬斯說:「新繃帶的顏色相當明亮,即使僅有低量的染料,在光線充足的房間裡依然看得到繃帶的顏色。」他進而補充說:「將來繃帶甚至可設計來傳送治療藥物到傷口。」


聰明敷料,穩定送藥


在哈默德的實驗室裡,研究人員已把經過奈米工程加工的治療物質納入繃帶。他們研發能緩慢釋出RNA或蛋白質的敷料,這些分子可以關閉會阻礙傷口復原的特定細胞活性,舉例來說,敷料裡的短小干擾RNA分子(siRNA)可以抑制基因的活性,避免產生會出問題的蛋白質。


她的團隊把這些RNA填進約200奈米寬的磷酸鈣外殼裡,並把它們夾在兩層由生物分子製成的帶正電聚合物之間,接著在夾層結構的另一面塗上帶負電的物質。(相反的電荷讓夾層結構彼此緊密黏住。)堆疊25組夾層結構形成大約500奈米厚的敷料,接著哈默德把它們放入一般的尼龍繃帶裡。


在包覆繃帶的一個星期裡,人體內的酵素會分解夾層結構,釋出敷料中的RNA分子進入傷口。緩慢、平穩地釋出,能避免傳統藥物因為單一大劑量引起的副作用,也能確保傷口持續穩定復原。


哈默德也採用這種逐層(layer-by-layer)的塗料釋出治療性蛋白質,協助糖尿病小鼠的傷口癒合。她表示雖然市面上也可買到蛋白質軟膏,但是這類型的製劑不怎麼有效,僅有最初塗藥時能在短時間供給大量蛋白質,不過活性在24小時內就會消失。相反地,哈默德的繃帶能在5~7天裡,穩定釋出蛋白質,確保最佳治療劑量。


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