受伤的士兵自从他们从阿富汗战斗归来后，得到了很好的治疗。在德克萨斯州圣安东尼奥军事医疗中心，外科医生已经仔细地将健康的组织移植到他们的烧伤和伤口上，使用显微外科手术将他们的血管连接到新的皮肤上。但是，患者仍然面临着不确定的康复。血管可能无法为移植的组织提供足够的氧气以使其存活。
当康纳·埃文斯在2010年访问圣安东尼奥并看到这些士兵时，他意识到传统的氧气水平监测技术效果不佳，而且常常无法在移植失败时发出足够的警告。“这些医生所做的事情简直令人赞叹，”埃文斯说，他是哈佛医学院和马萨诸塞州总医院韦尔曼光医学中心的化学家。“但是他们拥有的传感器根本不行。”
因此，埃文斯制造了一种更好的绷带。他和他的同事从对不同氧气水平做出反应的染料开始，添加了控制染料活性的纳米级分子，并用它们制造了一种液体绷带，可以指示其覆盖伤口的健康状况。“绷带的颜色会像交通信号灯一样变化，从绿色到黄色和橙色再到红色，”埃文斯说，这取决于存在的氧气量。在2014年实验室动物试验成功后，人体试验计划于今年开始。
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通过利用操控小至十亿分之几米的新材料的新能力，像埃文斯这样的科学家不仅可以改进快速健康评估，还可以将伤口敷料变成精确的药物输送系统。“纳米技术在控制释放量以及制剂到达我们需要它们的伤口区域的程度方面发挥着重要作用，”马萨诸塞理工学院的化学家宝拉·哈蒙德说。这种精确性比用药物淹没身体部位（其中只有一部分能找到目标）具有重大优势。
争取呼吸
每年，美国有超过六百万人因缺氧导致的伤口愈合不良而受影响，医疗费用估计达到250亿美元。通常，医生会将针电极插入受伤的组织中以测量组织氧合，但针头可能会引起疼痛，并且只能从大伤口中的单个点获取读数。相比之下，埃文斯的绷带可以提供整个损伤的即时氧气图。
它依赖于两种混合在速干液体绷带中的染料，可以涂在伤口上。短暂的蓝光脉冲会激发并照亮两种染料：一种发出鲜艳的红色光，另一种发出绿色光。然后，氧分子会关闭红色染料的磷光，因此如果相邻组织浸泡在氧气中并且健康，绷带将呈现绿色。但是，如果伤口区域缺氧，则会透出黄色、橙色，最后是令人震惊的红色斑块。
警报的关键是在红色染料分子中添加了纳米级的物质。埃文斯将这些分子中的每一个都与树枝状聚合物结合，树枝状聚合物是一种树状分子，其分支结构最多可达两纳米宽。这种分子丛林阻止了相邻分子重叠并相互猝灭磷光。它们还在物理上阻止了一些（但不是全部）氧分子到达染料；从较低水平开始使任何变化更加明显。
在医院里，警告红色会促使护士拍摄绷带照片，医生会试图改善问题区域的血液和氧气循环。原则上，绷带可以在家中工作，埃文斯说：患者可以拍摄自己的绷带快照并将其发送给医生进行评估。
埃文斯的研究团队还创造了更有效地将蓝光转换为红光的替代染料。“我们的新型绷带非常明亮，即使在阳光充足的房间里，在染料负载非常低的情况下也能看到，”埃文斯说。他补充说，未来，绷带甚至可以被设计成将治疗药物分配到伤口中。
药物输送敷料
在哈蒙德的实验室中，研究人员已经将纳米工程治疗物质加载到绷带中。他们开发了可以缓慢释放 RNA 或蛋白质的涂层，这些分子可以关闭可能阻碍伤口恢复的某些细胞活动。例如，一些称为小干扰 RNA 的 RNA 分子可以削弱基因产生引起问题的蛋白质的能力。
她的团队将其中一些 RNA 封装在磷酸钙壳内，每个磷酸钙壳宽约 200 纳米，将这些壳夹在两层带正电荷的生物分子聚合物之间，然后在这种三明治的一侧“涂上”带负电荷的粘土。（相反的电荷使各层相互粘附。）堆叠 25 个这样的三明治形成大约半微米厚的涂层，哈蒙德将其放在传统的尼龙绷带上。
当体内天然酶分解这些层时，敷料会在一周内将 RNA 分子释放到伤口中。缓慢而稳定的释放可以减少传统药物单次大剂量引起的副作用；这种释放方法还可以确保伤口得到持续治疗。
哈蒙德还使用了这种所谓的逐层涂层来提供一种治疗性蛋白质，该蛋白质有助于糖尿病小鼠的伤口愈合。这种蛋白质已经作为软膏上市，但她说该制剂不是很有效——在最初释放大量蛋白质后，其活性在 24 小时内就会消失。相比之下，哈蒙德的绷带可以在五到七天内维持稳定的蛋白质流，以维持蛋白质的最佳剂量。
逐层策略可以改善另一种疾病的治疗：冠状动脉疾病，这种疾病是由血管中斑块积聚引起的，这些血管将血液输送到心肌。治疗通常包括用可膨胀的气球扩张动脉，并通过插入称为支架的小型不锈钢网状管来保持动脉畅通。一些支架装载有治疗分子，以防止动脉再次狭窄，但患者随后必须服用更多药物以降低可能从该区域脱落的血栓的相关风险。
威斯康星大学麦迪逊分校的化学家大卫·林恩认为，使用纳米级涂层装置精确输送 DNA 剂量来治疗动脉可能提供更好的解决方案。在体内，DNA 可以使细胞产生一种蛋白质，该蛋白质有助于稳定和重建血管壁。为了在需要时和地点精确输送这种基因疗法，林恩在支架上涂上了连续的 DNA 层和可生物降解的聚合物，每层厚度为几纳米。通过改变层数，研究人员可以控制释放到血管壁中的 DNA 量。对猪的实验表明，在支架植入后的几天内，DNA 逐渐渗透到周围组织中。其他测试表明，微调涂层设计可以改变释放速率。“我们现在拥有合理的控制能力，使我们能够通过修改聚合物的结构或我们组装薄膜的方式来控制从几秒到几个月的释放时间，”林恩说。
这些发明背后的基本纳米工程可以适用于广泛的其他应用。林恩正在使用聚合物涂层来输送称为肽的生物分子，这些分子可以中断细菌之间的化学对话。细菌彼此隔离后，就无法联合起来形成坚韧的生物膜，而生物膜可以抵抗抗生素的破坏。埃文斯本人正在组织样本中使用他的磷光染料来识别乏氧肿瘤细胞，这些细胞可能特别耐化疗，他计划在今年晚些时候在动物身上测试这项技术。相同的染料方法也可用于检测伤口组织中是否存在感染性细菌或揭示其他类型的分子。“真的，天空才是极限，”埃文斯说。