日本國立研究開發法人物質材料研究機構（National Institute for Materials Science, NIMS）國際奈米材料結構設計研究基地(International Center for Materials Nanoarchitectonics, MANA)的荏原充宏教授研究組，一直致力於智慧聚合物（Smart Polymers, 又稱智慧塑膠，Smart Plastics）方面的研究[1]。
智慧聚合物是能夠根據所處週遭環境細微變化而做出靈敏反應既而改變自身物理可用能特性的一類人工設計的奈米材料，又被稱爲智慧塑膠（圖1）。荏原教授研究室從事於將智慧聚合體材料開發成爲將來可用於實際醫療的生物材料，主攻用於一些水電缺乏的發展中國家、各類臨時受災地區、宇宙航空等資源有限環境下的低成本簡易醫療設備的研發。
透過不同的設計方案，智慧塑膠能對環境中溫度、酸鹼值pH值、光線、磁場等的變化做出相應的快速反應（圖2）。荏原教授認爲智慧塑膠的應用有無限可能。比如，對糖分有緊迫反應（sugar-responsive）的智慧塑膠當和糖分混在一起時變得可溶，也就是說它可以某種形式用於糖尿病的檢測和冶癒；對毒素產生緊迫反應（toxin-responsive）的智慧塑膠則可用於吸附某類特定的毒素。
圖2：不同環境因素作爲控制智慧塑膠變形的開關
再如用於冶癒癌症，醫學家首先透過手術切除可見腫瘤，然後將包裹抗癌藥物和磁性奈米顆粒的熱敏性（heat-responsive）智慧塑膠貼敷於原腫瘤部位。後期可透過體外設備觸發磁性奈米顆粒產熱來誘導智慧型材料收縮釋放藥物。
荏原教授希望將來有一天將智慧塑膠打造成簡便有效的癌症冶癒方法。目前已知同時採用高溫和化療冶癒癌症效果更佳，智慧塑膠也可以作爲熱療和化療的輔助手段來強化療效（圖3）。根據NIMS發佈的消息，在此前肺癌小鼠模式實驗中，透過持續兩個月、一週實施一次、一次15分鐘的智慧塑膠處理後，小鼠的腫瘤體積減小到冶癒前大小的十分之一不到[文獻1]。荏原教授計劃下一步精確驗證該方法的療效。
圖3：智慧塑膠用於冶癒癌症
荏原教授希望基於智慧塑膠的醫療技術是可以讓世界上「任何地方的任何人在任何時間都可以用」的技術，用像可以在100日元店（遍佈日本各地的物美價廉的生活超級市場，價位和形式相當於大陸的一到十元店，但產品種類幾乎覆蓋所有日常生活用品且質量有保證）隨手買到的塑膠材料來替代目前高昂的某些藥物和器械。
在一些貧困地區，未滿5歲的兒童夭折率一直居高不下。不同於已開發國家和地區自發性死亡終極因數排名靠前，貧困地區兒童夭折的主要死亡終極因數是透過早期診斷和及時冶癒可以避免的傳染性疾病。但要在這些地區廣泛配備用於早期診斷的高精尖儀器設備不太現實。荏原教授研究組正在研究一種用智慧塑膠來濃縮和純化病原體的檢測方法，來打破對高靈敏度檢測儀的依賴性（圖4）。
圖4：智慧塑膠用於濃縮和純化病原體（圖片/荏原研首頁）
目前已知，包括老年癡呆症、骨質疏鬆症、心肌梗塞、腦梗塞等造成陪護需求的疾病六成以上與發炎反應有關。爲了控制過度發炎反應，荏原教授研究組也正在關注程式性細胞死亡的抗炎機制，用以研發全新的抗炎智慧塑膠（圖5）。
圖5：智慧塑膠用於抗炎示意圖
人體由600多億個細胞組成，當從細胞水平研究健康長壽、發病機理、藥物效能、引擎體開墾等時，一個全新的交叉學科——力學生物學(Mechanobiology)應運而生。自1998年日本扎幌召開的"第3屆世界生物力學大會(World Congress on Biomechanics,WCB)"上首次設立了力學生物學分會場以來,力學生物學作爲新興的學科受到國際同行廣泛重視。力學生物學研究力學環境(刺激)對生物體的影響以及生物體響應機制,闡明引擎體的力學程序與生物學程序如成長、重建、適應力變化和開墾等之間的相互關係。荏原教授研究室也在利用智慧塑膠研究力學生物學，企望開發不依賴於藥物的全新療法（圖6）。
圖6：智慧塑膠用於力學生物學
現在全日本因爲腎耗竭等需要日常進行血液透析的患者就有30多萬人。由於目前的透析裝置需要消耗大量的水和電，關東大地面震動時就曾經出現「透析難民」的稱謂。在世界一些貧困地區和災害發生時，這種嚴重依賴基礎設施的醫療技術都很難施展。荏原研究組目前另一個近乎模製的專案就是製作一款腕錶式簡易透析儀，其中技術關鍵就是製備能夠吸附數十種不同尿毒素的奈米纖維狀智慧塑膠膜（圖7）。
圖7：簡易型血液透析儀
最近，荏原教授在Academist網站上發起了一個基於智慧塑膠的簡易型透析裝置研究的衆籌專案（圖8）。目前已經超額達成募集目標，8月份將起動研究。研究結果將在2020年5月的聚合物學會上公開發表。
圖8：簡易型透析裝置衆籌專案
供稿 宋傑 東京大學博士
編輯修改 JST客觀日本編輯部
參考文獻：
1. Eri Niiyama, Koichiro Uto, Chun Man Lee, Kazuma Sakura, Mitsuhiro Ebara. Hyperthermia Nanofiber Platform Synergized by Sustained Release of Paclitaxel to Improve Antitumor Efficiency. Advanced Healthcare Materials. 15 May 2019, https://doi.org/10.1002/adhm.201900102
相關鏈結：
1. 荏原充宏研究室首頁
