上海交通大学氢科学中心在“氢能源、氢医学和氢农学”三个研究方向上携手并进、协同发展。氢气既是一种清洁绿色能源，又是一种被证实的、安全且有效的医用气体，在炎症相关疾病展现出明显的抗炎效应，还是一种清洁高效的农用气体，在农作物抗逆、增产、保鲜等方面具有显著的生物学效应。氢能源、氢医学和氢农学存在共性科学问题：氢分子的高效存储、安全递送、可控释放、有效利用。受到氢能源的启发，何前军（兼职）教授团队将氢能源和催化的手段运用在氢医学和氢农学，在2021年取得了一系列新进展。

首先，针对氢气可控释放难题，开发了一种Z型结构SnS1.68-WO2.41纳米催化剂和钾/碳共掺杂氮化碳催化剂（如图），实现了肿瘤内原位近红外光催化产氢以抑制癌细胞能量代谢，同时利用产生的空穴原位氧化肿瘤内过度表达的GSH以破坏肿瘤抗氧化防御系统，从而通过“氢气-空穴联合疗法”有效地捣毁了肿瘤微环境，达到了高效抗癌的作用。该研究率先提出了一种“氢气-空穴联合疗法”。不同于常规的气体前药担载策略，催化产气策略完全避免了在其它部位产生气体。相比于常规的光催化产氢材料，开发的近红外光催化产氢纳米材料不需要携带任何牺牲剂，能够源源不断地、可持续地、可控高效产氢。该工作发表在国际著名期刊《自然·通讯》和《先进材料》：Photocatalysis-mediated drug-free sustainable cancer therapy using nanocatalyst, Nature Communications, 2021, 12, 1345. 原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-21618-1; Homogenous carbon/potassium-incorporation strategy for synthesizing red polymeric carbon nitride capable of near-infrared-photocatalytic H2 production, Advanced Materials, 2021, in press. 原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202101455

其次，针对氢气高效缓释难题，使用空心介孔二氧化硅纳米颗粒装载氨硼烷，构建了一种氢纳米胶囊，实现了氢的高效运载和酸控长效释放。将其以口服药物的形式运用在代谢紊乱中，发现氢纳米胶囊在肠胃道长效缓释的氢分子能够有效调节肠道菌群（如AKK菌群），从而通过“肠−肝轴”改善糖代谢和脂质代谢，有效改善了糖尿病、脂肪肝和肥胖（如下图）。将氢纳米缓释胶囊以肥料的形式运用在氢农学中，发现其通过渗透进入植物根系长效释放氢分子，诱导了植物侧根生长，并揭示了缓释氢分子通过调控一氧化氮来诱导侧根生长的机制（如下图）。该工作发表在国际著名期刊《生物材料》和《化学工程杂志》：Nanocapsule-mediated sustained H2 release in the gut ameliorates metabolic dysfunction-associated fatty liver disease, Biomaterials, 2021, 121030. 原文链接：https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2021.121030; Nanomaterial-mediated sustainable hydrogen supply induces lateral root formation via nitrate reductase-dependent nitric oxide, Chemical Engineering Journal, 2021, 405, 126905. 原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.126905

该研究工作得到了深圳大学微纳光电子学研究院苏陈良教授、深圳大学医学部卢玺峰副教授、南京农业大学沈文飙教授团队的大力支持和帮助。研究得到国家自然科学基金和上海交通大学氢科学中心基金等的资助。