纳米物联网：实现个性化医疗的关键

纳米技术与物联网

我们先认识一下纳米物联网（IoNT）。总体而言，它的概念与物联网相同，但却存在于极微小的尺度上——仅相当于毛囊的1/80,000。这就是一纳米的长度。换言之，一英寸等于25,400,000纳米，人类DNA螺旋体的直径约为2.5纳米。那么纳米技术是什么？纳米物联网又是什么？ 它与个性化医疗又有何关系？

对于纳米技术，你或许已经并不陌生，但这里还是有必要简要介绍一下。Nano.gov对纳米技术的定义是：在纳米级（1至100纳米范围）开展的科学、工程和技术研究。虽然有些资料称纳米材料很早就在人类文明中得到应用，但大多数人都将这一概念的诞生归功于物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）——1959年，他提出了操控单个原子和分子的设想。1974年，谷口纪男（Norio Taniguchi）教授首创“纳米技术”一词。1981年，格尔德·宾宁（Gerd Binnig）和海因里希·罗雷尔（Heinrich Rohrer）发明了扫描隧道显微镜，这种显微镜可以观察原子级表面，真正的纳米级实验就此拉开序幕。

时间快进到2010年，即“物联网”概念问世的十一年后。佐治亚理工学院的研究人员使用“纳米物联网”的说法来描述一种新的网络范式，即“纳米级设备与传统网络、乃至最终与互联网的交互联接”。

2013年发布的报告《实现纳米物联网：挑战、解决方案和应用》探讨了纳米传感器嵌入物体和设备将如何为物联网增添新的维度。撰写该报告的研究人员阐述了通过纳米网络互联的微型传感器有望如何“从物体内部以及难以触及的区域获得细粒度的数据”。他们还举出一些例子，如采集心电图和其他重要信号的体表纳米传感器，或采集病原体和过敏原数据的环境纳米传感器。研究人员认为，结合运用这两种传感器能够更便捷、更精确地诊断和监测患者的病情。

加入纳米传感器的医用测试线

时间再次快进到2016年，“纳米传感器和纳米物联网”入选世界经济论坛新兴科技跨平台委员会（World Economic Forum’s Meta-Council on Emerging Technologies）评出的年度十大“技术创新”。世界经济论坛认为，“科学家正将传感器的尺寸从毫米或微米缩小到纳米级，这将让传感器小到足以在生物体内循环，或者直接混入建筑材料。这意味着纳米物联网的构建迈出了至关重要的第一步，这项技术将引领医疗、能源效率和其他许多领域进入一个全新境界。”

在《科学美国人》的一篇相关文章中，作者Javier Garcia-Martinez写道：“纳米传感器非常小，因此可以从数百万个不同的点采集信息。随后，外部设备可以对数据进行整合，生成极其详细的图像，从而显示光、振动、电流、磁场、化学浓度和其他环境因素最细微的变化。”

市场调研机构Technavio公司在其《2016年全球纳米物联网市场（2016-2020）》报告中表示：“全球纳米物联网市场仍处于起步阶段。”Technavio研究分析师认为，该市场将在未来几年迅猛增长，到2020年将增长24%。该研究机构预测：医疗、制造、运输与物流，以及能源与公用事业等领域将对纳米物联网的研发进行大力投资。Technavio报告显示，纳米物联网技术在医疗行业的前景尤为广阔，目前已占有40%的市场份额。

前文提及的世界经济论坛报告显示，物联网市场仍面临诸多挑战。例如，世界经济论坛提到：“技术障碍便是如何整合所有必需的组件来打造一种自供电纳米设备，用以检测变化并向网络传输信号。”和物联网一样，隐私和安全也是需要考虑的问题，尤其是对于嵌入体内的设备。

为了更深入地了解纳米物联网的现状，PTC“产品生命周期报告”栏目与三位在研究中使用纳米技术和纳米级材料的大学教授进行了探讨。你会看到一些研究正在设法解决世界经济论坛提及的自供电纳米设备技术障碍——该设备应用在一款即将准备上市的产品中，而另外一些研究则仍处于纯粹的学术研究阶段：

· 佐治亚理工学院的研究人员已经开发出了能够从环境中收集能量的自供电纳米技术设备，并将有望在未来两三年内推出商用非医疗产品。 

· 马萨诸塞大学洛厄尔分校的研究人员正在针对电磁屏蔽、隐身、抗微生物、超疏水和疏冰等应用领域，研究纳米产品的制造工艺。他们已经与政府机构和私营企业开展了合作，以便将各种应用方案推向市场。 

· 与此同时，在位于波士顿的东北大学，研究人员正在研究用于分析物检测的荧光纳米传感器。不久的将来，这项研究将使个性化医疗成为现实。

纳米物联网与个性化医疗

美国食品药品管理局（FDA）将个性化医疗定义为：“根据每位患者的特点、需求和偏好制定适合的治疗方案。”它还将这种方法描述为：利用“基因或其他生物标记信息决定患者的治疗方案。”

波士顿东北大学的Heather Clark教授认为，有朝一日，利用荧光纳米传感器监控治疗药物、剂量信息或药物代谢动力学数据有可能会纳入个性化医疗的范畴。东北大学药物科学系Clark实验室的研究人员正在开发一种纳米传感器，它由塑化荧光聚合物珠中包含的多种化学物质组成。

该项研究的目标是将来可以利用这些传感器在体内和体外检测被分析物，并在细胞内及细胞外环境中测量离子和微小分子浓度。Clark称：“我们要进行生理监控，但检测对象并不是疾病。我们的目标是以被分析物为大背景，利用一系列小分子寻找其中的变化，从而监测一个人的整体健康状况。”

尽管该项目还处于研究初期阶段，但是Clark希望，有朝一日，她和她的学生以及博士后研究员能改变医学面貌，发挥重大影响。“我们希望测量人体内与疾病相关的一切因素。我们在努力研发能够在体内进行各种测量的纳米级工具，比如疗程以及治疗药物的效果。”Clark补充道。

“想象一下，如果我们可以将某种疾病治疗手段在体内的作用进程呈现给患者，那该有多好，”Clark说，“我们可以将测量某种药物的能力与度量其下游效应的能力结合起来。”这有助于评估某种药物是否有效，比如抗生素，以及评估一个人的免疫系统是否正常。Clark说：“如果我们能够有效监控这些情况，个性化医疗就可以成为现实。”

Clark实验室的纳米传感器直径约为100纳米，由具有良好生物相容性的聚合物制成。Clark解释道：“我们将能够与环境保持相容的传感元素置于塑化荧光聚合物珠中。重要的是，这些传感器会不断汇报其所处的环境。我们利用这些传感器检测细胞环境，而且它们会不间断地报告检测到的风化状况。”

Clark和她的研究人员一直在探索这些传感器的不同应用领域。“我们在为各种不同的生物分子和生物体制作传感器，例如对电解质平衡非常重要的钠，或者对糖尿病非常重要的葡萄糖。”她说。

Clark解释道：“我们通过大量的分析来评估诸如葡萄糖等物质的动态范围。我们的传感器必须在具有适当敏感度的正确范围才能精确完成这些细致的测量。这些传感器还必须是可逆的，因为它们要同时测量水平的上升和下降。”Clark还说它们还必须稳定耐久，可以连续数周或数月不出现信号中断或偏差。

由于该研究还处于初期阶段，这类纳米传感器可能还要很多年才能用于人体测试。“我对这些纳米传感器背后的科学及它们的应用前景很感兴趣。”Clark表示。在付诸商业化之前，该技术还需要通过实验达到一定的成熟度，并且需要进行概念开发验证。到时还需要对精确性和生物相容性进行大量测试，以获得食品药品管理局批准。