西电AFM：会“自己产氢”的水凝胶—从光催化制氢到特应性皮炎局部治疗

特应性皮炎（AD）是一种慢性、反复发作的炎症性皮肤疾病，全球患病率持续上升，患者常伴随剧烈瘙痒与皮肤屏障功能受损。“瘙痒—搔抓”的恶性循环进一步加重局部炎症，严重影响患者生活质量。现有外用治疗虽能缓解症状，但长期使用仍存在一定局限。

近年来，分子氢（H₂）因其抗氧化与抗炎潜力而受到生物医学领域的广泛关注。已有研究探索了富氢水、吸入H₂等递送方式；临床研究亦表明，富氢水湿包裹疗法可有效减轻特应性皮炎患儿的红斑、干燥等症状。然而，氢气本身溶解度极低、扩散性极强，如何让H₂在病灶附近维持较为稳定的局部供给，仍是亟待解决的关键挑战。

针对这一问题，西电周赟磊教授团队联合湘雅二院廖洁月副主任团队等研究者，提出了一种创新的治疗策略：将高效光催化产氢材料与局部缓释水凝胶相结合，构建了一种光驱动的局部供氢治疗平台。该平台能够在光照作用下持续产生氢气，并借助水凝胶实现氢气在皮肤局部的缓释与供给，从而为特应性皮炎的局部氢疗提供了一种新的材料学方案。相关研究成果以“Halogen-Engineered Covalent Organic Framework Hydrogel for Efficient Photocatalytic Hydrogen Release in Atopic Dermatitis Therapy”为题，发表于 Advanced Functional Materials。

设计思路：从“如何产氢”到“如何供氢”

该研究的一个关键思路并不复杂：与其将提前制备好的氢气用于皮肤治疗，不如让材料在光照下直接产生H₂，并利用水凝胶将其留在皮肤局部，逐步释放。

研究中使用的COF具有光催化产氢能力，在光照下可以持续产生H₂；海藻酸钠水凝胶则作为局部递送载体。海藻酸钠具有良好的生物相容性、生物可降解性和较低的免疫原性，其三维多孔结构有利于H₂在水凝胶中的滞留和缓慢释放，从而延长H₂在皮肤表面的作用时间。

COF负责产氢，水凝胶负责局部留存和释放，二者结合后，氢气不需要提前制备并一次性使用，而是可以在光照条件下边产生边释放。对于局部氢疗而言，这种“原位产氢、持续供给”的方式，也为H₂的局部应用提供了一种新的思路。

图1. 用于特应性皮炎（AD）治疗的COF水凝胶分子设计与治疗方案

卤素工程：为COF装上“电荷方向盘”

COF是一类可通过分子设计进行调控的多孔有机材料，在光催化领域具有广阔前景。然而，COF在光照后产生的电子和空穴容易发生复合，导致光能不能被充分转化为化学能。

研究团队的解决方案非常直观：通过卤素取代来调节COF内部的电荷分布。作者分别构建了F-COF、Cl-COF和Br-COF三种材料，在保持主体骨架一致的前提下，将“卤素种类”作为主要变量。理论计算显示，氟具有更强的电负性，使F-COF拥有最大的分子偶极矩（0.0048 D），高于Cl-COF（0.0046 D）和Br-COF（0.0042 D）。更大的偶极矩有利于形成更强的内建电场——这个电场就像材料内部的“电荷方向盘”，帮助光生电子和空穴向不同方向迁移，从而有效抑制复合。

光电化学测试进一步证实了这一设计思路：F-COF具有更高的瞬态光电流、更弱的稳态光致发光以及更小的电荷转移阻力，说明光生载流子的分离、迁移和界面转移更加有效。开尔文探针力显微镜（KPFM）结果显示，光照前后表面电势变化ΔCPD：F-COF约65 mV、Cl-COF约35 mV、Br-COF约20 mV；瞬态吸收光谱显示，F-COF的载流子衰减时间常数达到21.54 ps和611.35 ps，整体高于另外两种COF。产氢性能是最有力的证明。在可见光（λ > 420 nm）照射下，F-COF的H₂生成速率达到3245 μmol·g⁻¹·h⁻¹，明显高于Cl-COF的1860 μmol·g⁻¹·h⁻¹和Br-COF的725 μmol·g⁻¹·h⁻¹。在进一步加入0.1 M抗坏血酸和3.0% Pt的条件下，F-COF的产氢速率达到8253 μmol·g⁻¹·h⁻¹。

图2. 三种COF的分子结构、静电势分布及前线轨道计算结果，揭示了卤素取代对分子极化和电子空间分离的调控作用。

动物实验：从“材料性能”到“治疗效果”

在筛选出高效产氢的F-COF之后，研究团队将其装载到海藻酸钠水凝胶中，构建了H₂COF水凝胶，并利用MC903诱导的AD小鼠模型进行了治疗验证。

宏观效果方面，连续治疗7天后，H₂COF水凝胶组小鼠耳部的红斑和水肿明显缓解，而单纯海藻酸钠水凝胶组未见相同改善。定量结果显示，治疗第21天时，H₂COF水凝胶使AD小鼠耳厚度较疾病组降低40.8%；组织学分析显示表皮增厚、棘层肥厚、真皮水肿和炎症细胞浸润得到明显改善，效果与氢化可的松丁酸酯阳性对照组表现出相近的治疗趋势。

行为学改善方面，H₂COF水凝胶显著减少了小鼠的自发搔抓次数，并增加了高架十字迷宫开放臂探索时间，提示其不仅改善皮肤病变，也可能缓解持续瘙痒相关的行为异常。

安全性评价方面，健康小鼠连续7天每天在耳部外用H₂COF水凝胶，组织学检查显示表皮、真皮和耳软骨结构保存良好，未观察到明显的表皮异常增生、异常角化、组织坏死、明显水肿或炎症细胞浸润，表明该材料在测试条件下具有良好的短期局部组织相容性。

图3. H₂COF水凝胶在MC903诱导的特应性皮炎（AD）小鼠模型中的治疗效果评价

机制解析：氢气如何让炎症“安静下来”？

为进一步理解H₂COF水凝胶的治疗机制，研究团队从氧化应激、炎症信号和转录组多个层面进行了系统分析。氧化应激层面，AD皮损中SOD、GSH和CAT等抗氧化指标下降，MDA升高，提示抗氧化防御能力下降并伴随脂质过氧化增强。H₂COF水凝胶治疗后，SOD活性、GSH含量和CAT活性得到明显恢复，MDA呈下降趋势。

炎症信号层面，免疫荧光结果显示，AD皮损中p-NF-κB-p65信号增强，而H₂COF水凝胶能够显著降低这一炎症相关信号；NRF2和HO-1相关抗氧化信号也发生调节。这表明持续局部H₂供给通过改善氧化还原稳态、调节抗氧化防御并抑制NF-κB相关炎症，从而缓解AD病理状态。

转录组层面，RNA测序显示，H₂COF水凝胶治疗后，AD小鼠皮肤的整体转录组特征向健康对照组方向回归。疾病状态下异常激活的皮肤屏障、免疫炎症和细胞氧化物解毒相关过程得到一定程度逆转。与炎症相关的Cxcl2、Ccl3、S100a8、S100a9，以及与表皮异常增殖相关的Krt6b、Krt16、Klk13等基因在治疗后出现下调。全局转录组改善评分约为42.58%，AD核心特征改善评分约为41.58%。

图4. H₂COF水凝胶治疗促进AD皮损转归的转录组分析

研究意义与展望

这项工作的价值，首先体现在对材料结构与产氢性能之间关系的进一步揭示。研究发现，卤素取代能够改变COF分子的极化状态，增大分子偶极矩，进而增强材料内部的电场。这种变化有利于光生载流子的分离和延长其寿命，最终提高光催化产氢效率。也就是说，通过调节分子层面的极化特性，可以进一步改善COF的光催化性能。

更进一步，研究并没有停留在“提高产氢效率”本身，而是将这一材料设计思路延伸到了生物医用领域。研究团队把COF的光催化产氢能力与水凝胶的局部缓释特性结合起来，使COF不再只是一个用于光催化反应的材料，而成为能够在皮肤局部持续提供H₂的功能平台。在光照条件下，材料产生H₂，水凝胶则帮助其在局部环境中进行储存和缓慢释放，两者由此形成了相对完整的局部供氢体系。

在特应性皮炎（AD）小鼠模型中，这种H₂COF水凝胶也表现出了较好的治疗效果。实验结果显示，经过治疗后，小鼠皮损和耳部肿胀得到明显改善，组织病理变化和搔抓行为也有所缓解。进一步的机制研究发现，治疗伴随着抗氧化能力的恢复、NF-κB相关炎症信号的降低，以及AD相关转录组特征的部分逆转，说明局部供氢可能同时作用于氧化应激和炎症反应等多个与AD进展相关的过程。

从未来应用来看，如果这一思路能够进一步解决产氢效率、光照适应性、局部剂量控制和长期安全性等问题，这类水凝胶或许不仅能够用于特应性皮炎，也有机会拓展到其他慢性炎症性皮肤疾病。与此同时，研究中采用的卤素工程策略也为COF光催化材料的分子极化调控提供了新的设计思路。

一句话看懂这项工作

研究团队把“高效产氢材料”和“局部缓释水凝胶”结合起来：先通过氟原子增强COF内部的电荷分离，让材料更高效地利用光产生H₂；再把COF装进海藻酸钠水凝胶，使H₂能够在皮肤表面进行局部、持续的释放。