1. 介绍

 

图示为本文基本思想，利用一种能接受阳光，在催化剂存在情况下，把汗液中的水分解为氢气和氧气。这样实现不仅能吸收紫外线，并利用紫外线的能量分解水分，产生的氢气对局部皮肤损伤产生预防作用。氢气吸入进入人体可以产生全身效应。

在不同的运动中过度使用特定的肌肉会导致特定的肌肉损伤，导致功能障碍、疼痛和无法继续运动。1,3疼痛可反复发作，4-6与损伤无关，即使在肌肉伤口愈合后也可能持续。然而，疼痛也可能来自免疫、神经生理、认知和周围环境的影响。最近的研究表明，神经细胞膜下面的细丝和其他四个有序的元件也能更快地向神经元传递信号，17损伤会破坏传递信号的时间调节，并会导致神经系统紊乱和疼痛。由于调节不同成分产生的峰值之间的时间间隔是认知的关键，对神经元的损伤也会产生认知障碍。肌肉损伤产生的疼痛可以分为痉挛、痉挛、肌肉劳损或撕裂等不同类别。不由自主的收缩而不是连续的放松会导致肌肉突然痉挛，类似于抽筋。然而，痉挛持续时间较短，通常为几秒到一分钟，并造成长期的痉挛。电解质失衡、过度使用或脱水是抽筋和痉挛的最常见原因，如果它们产生的张力足够严重，可能会导致撕裂，尤其是肌肉纤维。拉伤是最常见的肌肉损伤类型，而撕裂伤则不常见卫星细胞位于肌基板和肌膜之间的肌纤维中，通过形成肌管和肌纤维再生肌肉。然而，随着愈合过程中疤痕组织的形成，组织再也不会回到原来的状态。20-22大部分未成熟的瘢痕组织是由易再次损伤的III型胶原蛋白组成的。23,24 I型胶原蛋白的逐渐增加使拉伸强度显著提高。23,25,26以前，损伤分级系统简单地将损伤分为轻度、中度和完全类，但目前，基于MRI分析，损伤分为0-4级，并以“a”、“b”或“c”等后缀表示“肌筋膜”、“肌肌腱”或“腱内”损伤。27氢气疗法可以有效地治疗运动引起的软组织损伤然而，在目前研究情况下，氢气治疗可以治愈的程度还有待确定。在基础或临床环境中氢分子都表现出神经保护作用。后来，氢气疗法研究逐渐扩展到急性和慢性神经系统疾病，包括阿尔茨海默病和帕金森氏病。氢气治疗的疾病类型也包括各种癌症、炎症、氧化应激、缺血再灌注损伤、运动相关软组织损伤。

2. 氢气的疾病治疗作用 

收缩的肌肉会产生氮和活性氧。高强度的运动在收缩肌细胞时引起蛋白质和脂质的氧化损伤活性氧诱导的氧化应激在神经退行性疾病、瘫痪等几种神经状态下是组织和细胞损伤的主要中介。过多的活性氧会产生收缩功能障碍或疲劳。在此，氧化剂通过改变信号转导水平和mRNA稳定性来调节众多基因的表达。它还控制着几种细胞信号通路。然而，少量的活性氧是骨骼肌产生力的必要条件。氢可以降低氧化应激标志物，如4-羟基-2-壬烯醛(4-HNE)， 8-OHdG，硫代巴比妥酸反应物质(TBARSs)和丙二醛(MDA)基因本体论研究发现，氧化还原相关基因受氢分子调控上调。氢还可以下调NFkB、JNK、增殖细胞核抗原、caspases等核因子。 氢气清除超氧阴离子自由基(•O‾)、羟基自由基(•OH)和过氧亚硝酸盐(ONOO‾)。氢分子的超微小尺寸增加了与周围分子的碰撞率。它可以很容易地渗入细胞并扩散到全身各处，人类最早在人体中使用氢气解决深海潜水引起的高压神经综合征。潜水时人呼吸的是氧气、氦气和氢气三元混合气体，氢气用于防止深海潜水后的氮麻醉和减压病。氢气医学效应发现后，人们利用氢的自由基清除作用治疗各种氧化应激和炎症损伤。

3.氢分子对胶原蛋白的影响

由于胶原纤维在肌肉的愈合和再生中发挥着积极的作用(见上图)，将氢在胶原蛋白生长中的作用归因于氢气影响了相应基因表达，氢分子促进胶原蛋白的生物合成。也有研究发现，在炎症和过敏中氢分子可抑制信号通路，但没有任何自由基清除活性。其中，Lyn、JNK、Ras、NF-κB等信号分子可被氢分子调控。胶原蛋白生物合成和修饰酶途径和胶原蛋白形成途径与胶原蛋白有关。富含氢的水加速了I型胶原蛋白的产生42，同时防止DNA损伤和细胞死亡(图1)。

图1 荧光显微镜下DAPI染色的I型胶原蛋白分布显示，在2次紫外线照射2 - 5 d下，富氢电解水(HW)比普通水(RW)处理细胞可产生更多的胶原蛋白。

4. 氢气的使用方法。 

氢疗法可以通过多种使用氢气方式来改善神经元和肌肉损伤。一般情况下，可以用饮用氢水、氢水洗浴、口服或外用以及氢盐水吸入或注射等，这些方式都可以减少急性神经元症状、软组织损伤或其他疾病。常压下氢分子仅能溶于水1.6 ppM (0.8mM)，氢水疗法可以应用于运动员，如以局部湿敷等方式来处理或预防软组织损伤。由于氢气分子尺寸非常小，氢可以很容易地扩散到全身，但也很容易在呼气时迅速消散。一般来说，氢在人体系统中最多只能存在10分钟。然而一旦氢气与糖原结合，可以长时间停留在体内，确切地说是在肝脏中停留更长时间。由于水中只能溶解1.6 ppm的氢，所以氢疗法的一大挑战是一个人难以摄入大量的氢。通过开发释放氢的防晒霜，氢气无法长期驻留的问题可以得到圆满解决。

5. 防晒霜中的水催化产氢气 

防晒霜是由掺杂在水凝胶基质中的吸收阳光的有机分子制成的。防晒霜是由二氧化钛或氧化锌等无机粉末制成的，据信可以物理屏蔽阳光。实际上，这些无机氧化物能发挥半导体的作用，吸收特定频段的光子，同时阻挡阳光。如果使用这种能吸收太阳光，并能从汗水(水)中催化出氢气的高效半导体，氢气就可以用于治疗各种伤口，也包括防止阳光照射。氢气有助于伤口愈合，并抑制皱纹的形成。一旦氢气产生，防晒霜就会同时作为氢释放凝胶，对受伤的组织和神经元起到促进愈合作用。损伤更容易发生在肌肉无力或神经损伤严重的部位。一种将产氢光催化剂掺杂在水凝胶中的做法可以防止这种肌肉和神经相关的运动损伤。如果氢可以通过防晒霜来释放，在保护阳光的同时，氢不仅会释放到皮肤和邻近的肌肉，还会释放到全身，帮助恢复其他相关问题。在这里，半导体(光催化剂)将在第一部分吸收光子并保护皮肤免受阳光的伤害，随后它将作为光催化剂将吸入水凝胶中汗液水分解产生氢气。水凝胶通常可以吸收运动员的汗水，并形成潜在的水介质来产生氢气。富氢水通过清除活性氧和促进真皮层I型胶原合成，抑制315-400 nm紫外光A驱动的皮肤损伤。除了皮肤，氢气也有助于恢复角膜损伤，这是由UVB 48驱动的光催化剂应该是有效的，而且这种材料也应该是无毒的。因此，可以使用氧化锌二氧化钛衍生的光催化剂，光催化剂内部的掺杂剂也必须是无害的。氮掺杂氧化镁二氧化钛是光催化水氧化的一种有效的光催化剂。然而，它在很高温度(270°C)下也能工作，因此它不适合用于生产氢的防晒霜。虽然以庚三嗪为基础的光催化剂是有效的，但是这种物质的毒性不允许它们作为潜在的防晒霜。催化剂用光催化剂代替吸收光子的有机分子或无机氧化物后，光催化剂会像防晒霜一样吸收阳光中的光子。然而，在水氧化光催化剂中，光子会将电子从价带喷射到导带。对于水氧化催化剂，能带隙(两个能带能级之间的能差)在2.0 - 3.0 eV之间(图2)。金属有机框架(MOF)基光催化剂可以采用晶体工程方法设计。在MOFs中，配体可以通过天线(各种官能团)获取光子，桥接阳离子作为连接剂，创建超分子空穴，引导电子和空穴，并调节能带隙。配体中的协调功能控制了电荷向催化位点的传输，并提供了框架稳定性。除金属中心外，有时次级构筑单元(SBUs)也被用作催化反应中心。当金属离子和非金属离子结合在一起形成分子复合物内的团簇时，被称为SBUs。

图2 在阳光的作用下，电子从价带跃迁到导带，留下一个带正电的空穴。氧化反应发生在价带处产生氧，而导带处质子被还原产生氢.

6. 超氢气作为防晒基质。

在一些适当的溶剂存在下，低分子量凝胶剂(LMWGs)可自组装成一个1D自组装纤维网络，并通过结琼斯进一步纠缠形成一个3D笼，其中溶剂被捕获。在加热循环中，凝胶分子溶解为溶液(溶胶态)，在冷却循环中，凝胶分子进一步自组装形成凝胶。在某些情况下，凝胶在加热周期中形成，它们被称为“热固凝胶”或“逆热凝胶”。制作防晒材料时我们不使用这种反向热凝胶。当水作为溶剂在3D网络中被捕获时，半固体称为水凝胶(图3)。由于超分子凝胶在形成后仍能吸收溶剂分子，因此超分子水凝胶可以吸收汗液中的水分提供给光催化剂。这种超分子水凝胶可以很容易地通过结合一些氨基酸或碳水化合物分子来设计。有时，凝胶剂可以用它们的催化性能，但是，外部催化剂可以掺杂在凝胶内部进行催化反应。透明水凝胶可以将阳光传输到凝胶内部掺杂的光催化剂。光催化剂会吸收阳光来保护皮肤免受阳光的伤害，并能在凝胶中分解周围的水。光催化剂可以吸收一定光谱范围的光，但是，巧妙设计的水凝胶通过其扩展的π键和各种官能团，可以吸收阳光的另一个光谱范围，更有效地保护皮肤。水凝胶和光催化剂的互补吸光作用可以更有效地用于市场上可用的防晒霜。水凝胶凝胶主链需要一个精确的疏水性和亲水性平衡。凝胶剂的亲水成分会与水相互作用使其固定，而其余的疏水成分会使自组装的凝胶剂不溶于水，形成纠缠的1D自组装网络来吸水，生成半固态凝胶。对于更强的氢键，它可以在较低的凝胶剂浓度下形成更薄的一维网络，光线可以通过它使水凝胶透明。这种不透明的凝胶会阻止光线到达催化剂，从而抑制防晒霜产生氢气。透明、自愈合、伤口愈合、吸水、对催化剂的互补光子吸收能力，以及催化剂浸渍能力(图4)，这些特征都将使水凝胶成为制造氢气、实现防晒的理想材料。

 

图3 各种超分子水凝胶可以吸收汗液，为光催化剂提供水分。氢气产生后，可被皮肤吸收，并通过扩散和血液流动。

图4 (左)480 μg的4-硝基苯甲醛掺杂1ml谷氨酰胺凝胶，(右)2.4 mg掺杂1ml谷氨酰胺凝胶(5mg / ml)干燥凝胶的TEM图像(比例尺为500 nm)。

7. 为什么运动员需要特殊的防晒霜?

运动员由于肌肉的广泛使用，很容易受伤。有规律的、艰苦的工作对他们的某些肌肉会产生压力，或者是抽筋，过度拉伸会撕裂肌纤维。也可以在神经和皮肤上看到伤口。户外运动通常会在阳光下进行。到目前为止，防晒霜只是吸收阳光，但我们从来没有把光用于任何次要的好处。一旦吸收并利用阳光从水中产生氢气(汗液)，可以保护运动员和运动员免受附近的肌肉、神经的损伤。水凝胶的作用是从汗水中收集水，并将其提供给产生氢气的催化剂。不透明的凝胶无法让阳光照射到催化剂上，因此应该采用透明水凝胶来开发多用途的户外运动防晒产品。除了水凝胶的透明特性，如果使用凝胶，它可以促进伤口愈合，并显示抗菌活性，防晒霜可以覆盖更广泛的医疗应用，甚至可以作为外用凝胶。在未来，防晒霜应该有多种用途，除了保护皮肤不受阳光照射外，它还应该促进损伤愈合，照顾受伤的神经、皮肤组织和其他一些问题。我们可以通过在水凝胶中加入生物友好型光催化剂来设计这种多功能防晒霜(图5)。作为传统的氢气治疗策略的一部分，人们必须呼吸、洗澡、喝水或消耗生理盐水，但运动员在比赛时不方便这样做。在目前技术下，氢在体内停留时间一般不超过10分钟，但通过这种防晒氢疗法，即使在比赛状态下运动员也能持续获得释放的氢。

图5 用于预防和治疗皮肤、肌肉和神经损伤的多用途防晒霜的示意图。一种透明的水凝胶，负载水氧化光催化剂，在阳光下从汗水中产生氢气，可以促进损伤愈合。

8. 限制和挑战。

这种方法的主要限制是，防晒霜只能涂在阳光可以照射到的身体可见部位。由于氢气在全身流动，所以在受伤部位涂上防晒凝胶并不重要。此外，在运动中快速移动时，厚厚的凝胶很容易从身体上脱落。然而，薄薄的一层就足以在体内注入氢气。凝胶剂、水和光催化剂的比例也是重要的。凝胶的制备应远远高于凝胶剂的最低浓度，以防止在运动过程中物理摇晃时水被释放出来。此外，大量的光催化剂可以迅速分解水，如果超过汗液的供应速率，将阻碍氢供应的连续性。一个关键的问题可能会出现，如果它真的能把氢送入体内，而凝胶留在体外。由于氢气是从沐浴水中释放出来的，而沐浴水中的氢气溶解率仅为1.6 ppm，所以一种氢气浓度为超过98%、氢气压力更高的水凝胶可以比沐浴水更有效地释放氢气。最重要的是，人们可以在接受处理的同时四处走动或进行户外活动，这是其他传统氢气使用方法都无法实现的。

9. 结论和展望。

与运动相关的伤病会降低运动表现，迫使人们早早退休。除伤口愈合外，氢疗法还可能在一定程度上防止易伤性肌肉损伤。正确的诊断和治疗可以优化康复时间，但一些预防措施可以减少损伤。如果我们能让防晒霜中产生氢气，那么它在吸收阳光后就会释放氢气。到目前为止，用于防晒霜的光吸收剂没有发挥任何其他作用。一旦我们在防晒霜中使用释氢光催化剂，它就会吸收太阳光中的有害波段，并利用它产生氢气来治疗伤口。氢的微小尺寸使得它可以扩散到全身，用于治疗其他相关的问题，以防运动员患有此类疾病。它可以治愈肌肉、神经和皮肤上的不同类型的伤口，重要的是它可以预防许多可能到来的伤口。经常的劳累会对某些肌肉产生压力或抽筋，并使它们伸展到撕裂纤维的极限。因此，抽筋状态下的肌肉会恢复到正常状态，防止纤维撕裂。一旦我们用这种水凝胶来装载用于制造防晒霜的光催化剂，它就会吸收人体的汗液，并作为释放氢气的缓冲水源。因此，防晒霜可以用来保护阳光，吸收汗液产生氢气，治愈不同的肌肉-神经-皮肤相关的伤口和缓解炎症。氢气瞬间产生方式也是有利的特征，因为它将不再需要储存氢气和在水中/空气中泵入氢气来为患者提供氢气。最后，这款防晒霜的最大优点是，由于氢气进入人体体内停留时间不超过10分钟，这种持续释放氢气能有效延长氢气暴露时间，确保伤口获得持续的氢气治疗。长期存在的氢供应不足问题也将得到有效解决。