納米物聯網：實現個性化醫療的關鍵

納米技術與物聯網

我們先認識一下納米物聯網（IoNT）?？傮w而言，它的概念與物聯網相同，但卻存在于極微小的尺度上——僅相當于毛囊的1/80,000。這就是一納米的長度。換言之，一英寸等于25,400,000納米，人類DNA螺旋體的直徑約為2.5納米。那么納米技術是什么？納米物聯網又是什么？ 它與個性化醫療又有何關系？

對于納米技術，你或許已經并不陌生，但這里還是有必要簡要介紹一下。Nano.gov對納米技術的定義是：在納米級（1至100納米范圍）開展的科學、工程和技術研究。雖然有些資料稱納米材料很早就在人類文明中得到應用，但大多數人都將這一概念的誕生歸功于物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）——1959年，他提出了操控單個原子和分子的設想。1974年，谷口紀男（Norio Taniguchi）教授首創“納米技術”一詞。1981年，格爾德·賓寧（Gerd Binnig）和海因里希·羅雷爾（Heinrich Rohrer）發明了掃描隧道顯微鏡，這種顯微鏡可以觀察原子級表面，真正的納米級實驗就此拉開序幕。

時間快進到2010年，即“物聯網”概念問世的十一年后。佐治亞理工學院的研究人員使用“納米物聯網”的說法來描述一種新的網絡范式，即“納米級設備與傳統網絡、乃至最終與互聯網的交互聯接”。

2013年發布的報告《實現納米物聯網：挑戰、解決方案和應用》探討了納米傳感器嵌入物體和設備將如何為物聯網增添新的維度。撰寫該報告的研究人員闡述了通過納米網絡互聯的微型傳感器有望如何“從物體內部以及難以觸及的區域獲得細粒度的數據”。他們還舉出一些例子，如采集心電圖和其他重要信號的體表納米傳感器，或采集病原體和過敏原數據的環境納米傳感器。研究人員認為，結合運用這兩種傳感器能夠更便捷、更精確地診斷和監測患者的病情。

加入納米傳感器的醫用測試線

時間再次快進到2016年，“納米傳感器和納米物聯網”入選世界經濟論壇新興科技跨平臺委員會（World Economic Forum’s Meta-Council on Emerging Technologies）評出的年度十大“技術創新”。世界經濟論壇認為，“科學家正將傳感器的尺寸從毫米或微米縮小到納米級，這將讓傳感器小到足以在生物體內循環，或者直接混入建筑材料。這意味著納米物聯網的構建邁出了至關重要的第一步，這項技術將引領醫療、能源效率和其他許多領域進入一個全新境界?！?/p>

在《科學美國人》的一篇相關文章中，作者Javier Garcia-Martinez寫道：“納米傳感器非常小，因此可以從數百萬個不同的點采集信息。隨后，外部設備可以對數據進行整合，生成極其詳細的圖像，從而顯示光、振動、電流、磁場、化學濃度和其他環境因素最細微的變化?！?/p>

市場調研機構Technavio公司在其《2016年全球納米物聯網市場（2016-2020）》報告中表示：“全球納米物聯網市場仍處于起步階段?！盩echnavio研究分析師認為，該市場將在未來幾年迅猛增長，到2020年將增長24%。該研究機構預測：醫療、制造、運輸與物流，以及能源與公用事業等領域將對納米物聯網的研發進行大力投資。Technavio報告顯示，納米物聯網技術在醫療行業的前景尤為廣闊，目前已占有40%的市場份額。

前文提及的世界經濟論壇報告顯示，物聯網市場仍面臨諸多挑戰。例如，世界經濟論壇提到：“技術障礙便是如何整合所有必需的組件來打造一種自供電納米設備，用以檢測變化并向網絡傳輸信號。”和物聯網一樣，隱私和安全也是需要考慮的問題，尤其是對于嵌入體內的設備。

為了更深入地了解納米物聯網的現狀，PTC“產品生命周期報告”欄目與三位在研究中使用納米技術和納米級材料的大學教授進行了探討。你會看到一些研究正在設法解決世界經濟論壇提及的自供電納米設備技術障礙——該設備應用在一款即將準備上市的產品中，而另外一些研究則仍處于純粹的學術研究階段：

· 佐治亞理工學院的研究人員已經開發出了能夠從環境中收集能量的自供電納米技術設備，并將有望在未來兩三年內推出商用非醫療產品。 

· 馬薩諸塞大學洛厄爾分校的研究人員正在針對電磁屏蔽、隱身、抗微生物、超疏水和疏冰等應用領域，研究納米產品的制造工藝。他們已經與政府機構和私營企業開展了合作，以便將各種應用方案推向市場。 

· 與此同時，在位于波士頓的東北大學，研究人員正在研究用于分析物檢測的熒光納米傳感器。不久的將來，這項研究將使個性化醫療成為現實。

納米物聯網與個性化醫療

美國食品藥品管理局（FDA）將個性化醫療定義為：“根據每位患者的特點、需求和偏好制定適合的治療方案?！彼€將這種方法描述為：利用“基因或其他生物標記信息決定患者的治療方案?！?/p>

波士頓東北大學的Heather Clark教授認為，有朝一日，利用熒光納米傳感器監控治療藥物、劑量信息或藥物代謝動力學數據有可能會納入個性化醫療的范疇。東北大學藥物科學系Clark實驗室的研究人員正在開發一種納米傳感器，它由塑化熒光聚合物珠中包含的多種化學物質組成。

該項研究的目標是將來可以利用這些傳感器在體內和體外檢測被分析物，并在細胞內及細胞外環境中測量離子和微小分子濃度。Clark稱：“我們要進行生理監控，但檢測對象并不是疾病。我們的目標是以被分析物為大背景，利用一系列小分子尋找其中的變化，從而監測一個人的整體健康狀況。”

盡管該項目還處于研究初期階段，但是Clark希望，有朝一日，她和她的學生以及博士后研究員能改變醫學面貌，發揮重大影響?！拔覀兿Ｍ麥y量人體內與疾病相關的一切因素。我們在努力研發能夠在體內進行各種測量的納米級工具，比如療程以及治療藥物的效果?！盋lark補充道。

“想象一下，如果我們可以將某種疾病治療手段在體內的作用進程呈現給患者，那該有多好，”Clark說，“我們可以將測量某種藥物的能力與度量其下游效應的能力結合起來?！边@有助于評估某種藥物是否有效，比如抗生素，以及評估一個人的免疫系統是否正常。Clark說：“如果我們能夠有效監控這些情況，個性化醫療就可以成為現實?！?/p>

Clark實驗室的納米傳感器直徑約為100納米，由具有良好生物相容性的聚合物制成。Clark解釋道：“我們將能夠與環境保持相容的傳感元素置于塑化熒光聚合物珠中。重要的是，這些傳感器會不斷匯報其所處的環境。我們利用這些傳感器檢測細胞環境，而且它們會不間斷地報告檢測到的風化狀況。”

Clark和她的研究人員一直在探索這些傳感器的不同應用領域。“我們在為各種不同的生物分子和生物體制作傳感器，例如對電解質平衡非常重要的鈉，或者對糖尿病非常重要的葡萄糖?！彼f。

Clark解釋道：“我們通過大量的分析來評估諸如葡萄糖等物質的動態范圍。我們的傳感器必須在具有適當敏感度的正確范圍才能精確完成這些細致的測量。這些傳感器還必須是可逆的，因為它們要同時測量水平的上升和下降?！盋lark還說它們還必須穩定耐久，可以連續數周或數月不出現信號中斷或偏差。

由于該研究還處于初期階段，這類納米傳感器可能還要很多年才能用于人體測試?！拔覍@些納米傳感器背后的科學及它們的應用前景很感興趣。”Clark表示。在付諸商業化之前，該技術還需要通過實驗達到一定的成熟度，并且需要進行概念開發驗證。到時還需要對精確性和生物相容性進行大量測試，以獲得食品藥品管理局批準。