全球每年有數百萬人受到癌症的影響，超39%的男性和女性在其一生中被診斷患有癌症。化療是最常用的、標準的癌症治療方法，將這些藥物有針對性地輸送到腫瘤部位可以提高其有效性。然而多餘的藥物仍可能循環到身體的其他部位並引起多種副作用，其中包括貧血、慢性感染、脫髮、黃疸和發燒。
人們已經嘗試了一些擬議的方法來清除血液中不需要的化療藥物，特別是廣泛使用的藥物多柔比星(DOX)。但這些方法的結果是DOX的去除率不夠低。儘管添加了旨在保護結合能力的材料，但使用帶電的納米粒子結合DOX的其他策略在暴露於血液中發現的帶電分子和蛋白質時失去了效力。
包括賓夕法尼亞州立大學和寺崎生物醫學創新研究所(TIBI)的科學家在內的一個合作團隊已經設計出一種方法來解決這些挑戰。
在《Materials Today Chemistry》上描述的這種方法是基於毛狀纖維素納米晶體–從植物細胞壁的主要成分中開發出來的納米顆粒，另外還被設計為具有從每一端延伸出來的大量聚合物鏈“毛髮”。這些毛髮使納米晶體的潛在藥物捕獲能力大大超過了傳統納米顆粒和其他材料。
為了生產能夠捕獲化療藥物的毛狀纖維素納米晶體，研究人員對軟木紙漿中的纖維素纖維進行了化學處理並在毛髮上賦予了負電荷，從而使得其對血液中的帶電分子具有穩定性。這糾正了傳統納米顆粒發現的問題，即當暴露在血液中時其電荷會變得惰性或減少，而這限制了它能結合的帶正電的藥物分子的數量從而使其數量微不足道。
研究人員在人類血清中對將這種納米晶體的結合效力進行了測試，血清是血液中富含蛋白質的液體部分。每一克毛細纖維素納米晶體有超6000毫克的DOX被有效地從血清中去除。這代表着跟目前可用的其他方法相比，DOX捕獲量增加了兩到三個數量級。
此外，加入納米晶體后，DOX的捕獲可以立即發生，而且納米晶體對全血中的紅血球或人類臍帶細胞的生長沒有毒性或有害影響。
這種在體內捕獲藥物的強大手段可以對癌症治療方案產生巨大影響，因為可以將劑量提高到更有效的水平，而不必擔心有害的副作用。
這項研究的主要研究人員、賓夕法尼亞州立大學化學工程和生物醫學工程助理教授Amir Sheikhi提供了一個此類應用的例子。“對於一些器官，如肝臟，化療可以通過導管進行局部治療。如果我們能在納米晶體的基礎上放置一個裝置以捕獲從肝臟的下腔靜脈（一個主要的血管）流出的多餘藥物，那麼臨床醫生就有可能施以更高劑量的化療，從而以更快地殺死癌症而不必擔心損害健康細胞。一旦治療結束，該設備可以被移除。”
除了從體內清除多餘的化療藥物外，毛細纖維素納米晶體還可以針對其他不良物質如毒素和成癮性藥物進行清除，實驗還證明了納米晶體在其他分離應用中的有效性，如從電子廢物中回收有價值的元素。
寺崎生物醫學創新研究所所長兼CEO Ali Khademhosseini表示：“最初只是一個相對簡單的概念，現在則已經發展成為一種高度有效的材料分離手段。這為廣泛的、有影響的生物醫學和材料科學應用創造了潛力。”