日本国立研究开发法人物质材料研究机构（National Institute for Materials Science, NIMS）国际纳米材料结构设计研究基地(International Center for Materials Nanoarchitectonics, MANA)的荏原充宏教授研究组，一直致力于智能高分子（Smart Polymers, 又称智能塑料，Smart Plastics）方面的研究[1]。
智能高分子是能够根据所处周围环境细微变化而做出灵敏反应既而改变自身物理特性的一类人工设计的纳米材料，又被称为智能塑料（图1）。荏原教授研究室从事于将智能高分子材料开发成为将来可用于实际医疗的生物材料，主攻用于一些水电缺乏的发展中国家、各类临时受灾地区、宇宙航空等资源有限环境下的低成本简易医疗设备的研发。
通过不同的设计方案，智能塑料能对环境中温度、酸碱度pH值、光线、磁场等的变化做出相应的快速反应（图2）。荏原教授认为智能塑料的应用有无限可能。比如，对糖分有应激反应（sugar-responsive）的智能塑料当和糖分混在一起时变得可溶，也就是说它可以某种形式用于糖尿病的检测和治疗；对毒素产生应激反应（toxin-responsive）的智能塑料则可用于吸附某类特定的毒素。
图2：不同环境因素作为控制智能塑料变形的开关
再如用于治疗癌症，医生首先通过手术切除可见肿瘤，然后将包裹抗癌药物和磁性纳米颗粒的热敏（heat-responsive）智能塑料贴敷于原肿瘤部位。后期可通过体外设备触发磁性纳米颗粒产热来诱导智能材料收缩释放药物。
荏原教授希望将来有一天将智能塑料打造成简便有效的癌症治疗方法。目前已知同时采用高温和化疗治疗癌症效果更佳，智能塑料也可以作为热疗和化疗的辅助手段来强化疗效（图3）。根据NIMS发布的消息，在此前肺癌小鼠模型实验中，通过持续两个月、一周实施一次、一次15分钟的智能塑料处理后，小鼠的肿瘤体积减小到治疗前大小的十分之一不到[文献1]。荏原教授计划下一步精确验证该方法的疗效。
图3：智能塑料用于治疗癌症
荏原教授希望基于智能塑料的医疗技术是可以让世界上“任何地方的任何人在任何时间都可以用”的技术，用像可以在100日元店（遍布日本各地的物美价廉的生活超市，价位和形式相当于大陆的一到十元店，但产品种类几乎覆盖所有日常生活用品且质量有保证）随手买到的塑料材料来替代目前高昂的某些药品和器械。
在一些贫困地区，未满5岁的儿童夭折率一直居高不下。不同于发达国家和地区自发性死亡原因排名靠前，贫困地区儿童夭折的主要死亡原因是通过早期诊断和及时治疗可以避免的传染性疾病。但要在这些地区广泛配备用于早期诊断的高精尖仪器设备不太现实。荏原教授研究组正在研究一种用智能塑料来浓缩和纯化病原体的检测方法，来打破对高灵敏度检测仪的依赖性（图4）。
图4：智能塑料用于浓缩和纯化病原体（图片/荏原研主页）
目前已知，包括老年痴呆症、骨质疏松症、心肌梗塞、脑梗塞等造成陪护需求的疾病六成以上与炎症反应有关。为了控制过度炎症反应，荏原教授研究组也正在关注细胞凋亡的抗炎机理，用以研发全新的抗炎智能塑料（图5）。
图5：智能塑料用于抗炎示意图
人体由600多亿个细胞组成，当从细胞水平研究健康长寿、发病机理、药物效能、机体修复等时，一个全新的交叉学科——力学生物学(Mechanobiology)应运而生。自1998年日本扎幌召开的"第3届世界生物力学大会(World Congress on Biomechanics,WCB)"上首次设立了力学生物学分会场以来,力学生物学作为新兴的学科受到国际同行广泛重视。力学生物学研究力学环境(刺激)对生物体的影响以及生物体响应机制,阐明机体的力学过程与生物学过程如生长、重建、适应性变化和修复等之间的相互关系。荏原教授研究室也在利用智能塑料研究力学生物学，企望开发不依赖于药物的全新疗法（图6）。
图6：智能塑料用于力学生物学
现在全日本因为肾衰竭等需要日常进行血液透析的患者就有30多万人。由于目前的透析装置需要消耗大量的水和电，关东大地震时就曾经出现“透析难民”的称谓。在世界一些贫困地区和灾害发生时，这种严重依赖基础设施的医疗技术都很难施展。荏原研究组目前另一个近乎成型的项目就是制作一款腕表式简易透析仪，其中技术关键就是制备能够吸附数十种不同尿毒素的纳米纤维状智能塑料膜（图7）。
图7：简易型血液透析仪
最近，荏原教授在Academist网站上发起了一个基于智能塑料的简易型透析装置研究的众筹项目（图8）。目前已经超额达成募集目标，8月份将启动研究。研究结果将在2020年5月的高分子学会上公开发表。
图8：简易型透析装置众筹项目
供稿 宋傑 东京大学博士
编辑修改 JST客观日本编辑部
参考文献：
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
相关链接：
1. 荏原充宏研究室主页
